Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Xuân Cam NGHIÊN CỨU ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LASER LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Xuân Cam NGHIÊN CỨU ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LASER Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Văn Vinh TS Hoàng Hồng Hải Hà Nội – 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án "Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay phương pháp quét laser" cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tôi, thực hướng dẫn tập thể cán hướng dẫn Những nội dung, số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với điều kiện Việt Nam Các kết chưa có tác giả cơng bố nghiên cứu khác Hà Nội, ngày tháng 02 năm 2022 Tác giả luận án TM Tập thể hướng dẫn khoa học NCS Lê Xuân Cam i LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận án, tơi nhận nhiều giúp đỡ, góp ý, động viên chia sẻ người Lời xin bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Vinh, TS Hoàng Hồng Hải, TS Phạm Xuân Khải hướng dẫn, bảo cho ý kiến vô quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi mặt chun mơn suốt q trình học tập thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy cô Bộ môn Cơ khí xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đóng góp cho tơi ý kiến bổ ích tạo điều kiện thuận lợi thời gian cho tơi suốt q trình làm luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng thử nghiệm Quang - Cơ Điện tử 307 C4-5 Bộ mơn Cơ khí Chính xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện tốt sở vật chất thử nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tơi q trình làm luận án Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, huy đồng đội Viện Công nghệ/ Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng nơi tơi cơng tác tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình làm luận án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến đồng nghiệp, bạn bè, gia đình, bố mẹ, vợ động viên, giúp đỡ, chia sẻ khó khăn suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận án Tác giả luận án NCS Lê Xuân Cam ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xii DANH MỤC CÁC BẢNG xiv MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài luận án Mục đích, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Các kết luận án Chương ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Định nghĩa sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay 1.3 Các phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay 1.3.1 Phương pháp đo biên dạng 3D tiếp xúc 1.3.2 Phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc 10 1.3.3 Phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 14 1.4 Các nghiên cứu nước phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay 16 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 16 1.4.1.1 Nghiên cứu đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến tiếp xúc 16 1.4.1.2 Nghiên cứu đo biên dạng phương pháp quét laser 20 1.4.2 Các nghiên cứu nước 24 1.5 Kết luận Chương 26 Chương XÂY DỰNG CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG QUÉT LASER 27 2.1 Mơ hình tốn học biên dạng chi tiết tròn xoay 27 2.1.1 Định nghĩa chi tiết tròn xoay 27 iii 2.1.2 2.2 Mơ hình tốn học biên dạng ch Ngun lý, cấu tạo cảm biến đo Laser Scan Micrometer 2.2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến 2.2.2 Cấu tạo cảm biến Laser Scan M 2.3 Phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser 2.4 Phương pháp quét mẫu xây dựng thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay 2.4.1 Phương pháp quét mẫu 2.4.2 Xây dựng thuật toán đo biên 2.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay 2.6 Kết luận chương Chương THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG QUÉT LASER 3.1 Xây dựng thiết bị thực nghiệm 3D-LSM-01 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser 3.2.1Sai số lệch điểm đặt mẫu ba 3.2.2Sai số cảm biến không q 3.2.3Sai số lệch đường dẫn hướn 3.2.4Sai số độ xác cảm 3.2.4.1 Các nguyên nhân gây sai số cảm biến đo LSM [28], [82], [83] 3.2.4.2 Tính tốn sai số [82] 3.3 Một số giải pháp nâng cao độ xác phương pháp đo biên dạng ch xoay sử dụng quét laser 3.3.1 Nâng cao độ xác phương pháp đảo ngược 3.3.2 Nâng cao độ xác hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo vùng quét 3.3.3 Nâng cao độ xác hiệu chỉnh cảm biến LSM 3.4 Kết luận chương Chương THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY 4.1 Đánh giá thiết bị đo biên dạng 3D-LSM-01 iv 4.2 Thử nghiệm giải pháp nâng cao độ xác đo phương pháp đảo 4.3 Thử nghiệm xác định ảnh hưởng vị trí chi tiết vùng quét laser 4.4 Đánh giá độ không đảm bảo đo thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoa thiết bị quét laser 3D-LSM-01 4.5 4.4.1 Độ không đảm bảo đo biên dạn 4.4.2 Độ không đảm bảo đo biên dạn Đo biên dạng số chi tiết tròn xoay thiết bị quét laser 3D-LSM-01 4.5.1 Đo biến dạng chi tiết trục nhôm 4.5.2 Đo biến dạng chi tiết đạn KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Biên dạng viên đạn hồn chỉnh Hình 2: Các điểm nằm dung sai [1] .5 Hình 3: Sai lệch đường tâm [1] Hình 4: Sai lệch hướng tâm [1] Hình 5: Sai lệch mặt cắt [1] .6 Hình 6: Sai lệch độ tròn Hình 7: Sai lệch độ thẳng Hình 8: Sai lệch độ trụ .7 Hình 9: Các phương pháp đo biên dạng chi tiết trịn xoay Hình 10: Máy đo biên dạng tiếp xúc .9 Hình 11: Dưỡng kiểm tra biên dạng 10 Hình 12: Phân loại phương pháp đo khơng tiếp xúc quang học [24] 11 Hình 13: Một số dạng máy đo biên dạng không tiếp xúc 11 Hình 14: Nguyên lý đo khoảng cách tam giác lượng 12 Hình 15: Nguyên lý phương pháp đo 3D ánh sáng cấu trúc [11] 13 Hình 16: Nguyên lý phương pháp Time - Of – Flight dạng xung [25] 13 Hình 17: Nguyên lý phương pháp giao thoa [26] 13 Hình 18: Nguyên lý cảm biến Laser scan micrometer 15 Hình 19: Tín hiệu xung thu từ cảm biến quang điện 15 Hình 20: Xung đo đặt vật vào vùng quét laser 15 Hình 21: Vị trí đặt đầu đo tiếp xúc [31] 16 Hình 22: Vị trí đặt đầu đo tiếp xúc quét song song [32] 17 Hình 23: Vị trí đặt đầu đo tiếp xúc quét xoắn ốc [32] 18 Hình 24: Sơ đồ quét khối V 18 Hình 25: a) Sơ đồ phép đo biên dạng hình trụ bậc sử dụng cảm biến dịch chuyển laser 2D; b) Trục quay bàn quay đường tâm hình học chi tiết đo không trùng [49] .21 vi Hình 26: Tư cảm biến laser 2D [49] 21 Hình 27: Lưu đồ thuật toán bù sai số hệ thống dựa thuật toán đám mây 23 điểm [49] 23 Hình 28: Đo biên dạng mặt cắt tròn sử dụng quét laser [55] 24 Hình 1: Mơ hình chi tiết tròn xoay 27 Hình 2: Một số dạng chi tiết trịn xoay 28 Hình 3: Mơ hình tốn học biên dạng chi tiết trịn xoay [57] 28 Hình 4: Biên dạng chi tiết tròn xoay [59] 29 Hình 5: Các dạng biên dạng tròn xoay [32] 30 Hình 6: Cách xây dựng biên dạng chi tiết trịn xoay [37] .30 Hình 7: Mơ hình hoạt động cảm biến đo LSM [28] 31 Hình 8: Mơ hình mối quan hệ kích thước vật đo với khoảng thời gian che khuất 31 Hình 9: Các khoảng thời gian chu kỳ quét mặt cắt thứ i 32 Hình 10: Cảm biến LSM -506S hãng Mitutoyo [66] 32 Hình 11: Mơ hình chức cảm biến LSM 33 Hình 12: Mơ hình phận cảm biến LSM [70] 33 Hình 13: Mơ hình tạo chùm tia qt laser gương đa giác quay 34 Hình 14: Mơ hình tạo chùm tia quét laser gương đa giác quay 34 Hình 15: Mơ hình phận chuẩn trực chùm tia quét góc thành chùm tia quét song 34 Hình 16: Mơ hình phận tạo xung đo 35 Hình 17: Chuyển đổi tương ứng từ độ rộng xung đo thành việc đếm số xung nhịp thời gian .36 Hình 18: Mơ hình ngun lý đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 37 Hình 19: Chùm laser mặt cắt thứ i .37 Hình 20: Mặt cắt ngang thứ i 38 Hình 21: Mơ hình phương pháp quét mẫu [75] 40 vii Hình 22: Mơ hình phương pháp lấy mẫu theo mặt cắt 41 Hình 23: Thuật tốn đo biên dạng chi tiết trịn xoay qt laser 43 Hình 24: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay 44 quét laser 44 Hình 1:Mơ hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng phương pháp quét laser 3D-LSM-01 .45 Hình 2: Cảm biến đo Laser scan micrometer LS5041T/R điều khiển LS5001 hãng Keyence [29] .46 Hình 3: Các phận máy đo biên dạng chi tiết tròn xoay 47 Hình 4: Một số chức phần mềm đo thiết bị 3D-LSM-01 .48 Hình 5: Giao diện phần mềm đo biên dạng chi tiết trịn xoay 49 Hình 6: Thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 3D-LSM01 sau chế tạo 49 Hình 7: Mơ hình sai số lệch điểm đặt mẫu .50 Hình 8: Mơ hình mối quan hệ biên dạng lệch tâm e 51 Hình 9: Mơ hình sai số lệch trục [79] .52 Hình 10: Mơ hình mặt cắt phương đo [79] 53 Hình 11: Mơ hình sai số cảm biến khơng qua tâm quay [79] 54 Hình 12: Mối quan hệ biên dạng độ lệch di 55 Hình 13: Mơ hình lệch trục dẫn hướng [79] 56 Hình 14: Mối quan hệ biên dạng độ lệch trục 56 Hình 15: Mơ hình đường tia laser qua hệ gương tạo tia quét [82] .58 Hình 16: Hệ tọa độ để xác định đường tia qt laser [82] 59 Hình 17: Mơ hình xác định giao điểm N tia tới T với mặt gương đa giác quay 59 Hình 18: Mơ hình xác định giao điểm K tia phản xạ P với quang trục x’ F 60 Hình 19: Độ lệch giao điểm tia phản xạ với quang trục F góc quét giới hạn [82] 61 viii ... lường biên dạng chi tiết tròn xoay phương pháp quét laser" Mục đích, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu - Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử... trình bày phương pháp đo biên dạng; phân tích ưu điểm, nhược điểm phương pháp đo này; phương pháp đo biên dạng quét laser Các nghiên cứu nước phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay mục 1.4... nghĩa sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay 1.3 Các phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay 1.3.1 Phương pháp đo biên dạng 3D tiếp xúc 1.3.2 Phương pháp đo biên dạng 3D không