Nghiên cứu phát triển thiết bị đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ

Nghiên cứu phát triển thiết bị đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ Nghiên cứu phát triển thiết bị đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ Nghiên cứu phát triển thiết bị đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ

MỤC LỤC TRANG LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v ABSTRACT vii MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH DANH SÁCH CÁC BẢNG 12 Chương 1: TỔNG QUAN .14 1.1 Đặt vấn đề .14 1.2 Tính cấp thiết đề tài 15 1.3 Một số thiết bị đo độ nhám bề mặt trục từ 20 mm trở xuống thị trường .16 1.3.1 Nhóm thiết bị đo độ nhám phương pháp đo tiếp xúc 16 1.3.2 Nhóm thiết bị đo không tiếp xúc 17 1.4 Mục tiêu nghiên cứu 18 1.5 Đối tượng nghiên cứu 18 1.6 Phạm vi nghiên cứu 18 1.7 Nội dung nghiên cứu 19 1.8 Phương pháp nghiên cứu 19 1.9 Các nghiên cứu nước 19 1.9.1 Các nghiên cứu nước 20 1.9.2 Các nghiên cứu nước: 21 1.10 Ý nghĩa mặt khoa học thực tiễn 24 1.10.1 Ý nghĩa mặt khoa học 24 1.10.2 Ý nghĩa mặt thực tiễn 24 1.11 Kết cấu luận văn .25 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 26 2.1 Sơ lược độ nhám bề mặt 26 2.1.1 Bản chất độ nhám bề mặt 26 2.1.2 Ảnh hưởng nhám bề mặt đến chất lượng làm việc chi tiết 27 2.1.2.1 Ảnh hưởng đến tính chống mịn 27 2.1.2.2 Ảnh hưởng đến độ bền mỏi chi tiết 27 2.1.2.3 Ảnh hưởng đến tính chống ăn mịn .28 2.1.2.4 Ảnh hưởng đến độ xác mối lắp ghép 28 2.1.3 Các tiêu đánh giá 29 2.1.3.1 Sai lệch trung bình số học prophin (Ra) 29 2.1.3.2 Chiều cao trung bình prophin theo 10 điểm (Rz) 30 2.2 Các phương pháp đo độ nhám bề mặt .33 2.2.1 Đo cảm quan 33 2.2.2 Đo tiếp xúc .34 2.2.3 Đo không tiếp xúc 36 2.2.3.1 Phương pháp so sánh cường độ laser tia phản xạ với mẫu độ nhám 37 2.2.3.2 Phương pháp xử lý ảnh 38 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phép đo 40 2.4 Chi tiết nhỏ, phức tạp 43 2.5 Cơ sở lý thuyết thí nghiệm 44 2.5.1 Nguyên lý thu nhận xử lý tín hiệu đo cảm biến quang .44 2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo lường .48 2.5.3 Đánh giá độ nhám Rz theo tiêu chuẩn ISO 51 2.5.4 Chuẩn bị công cụ hỗ trợ đánh giá độ nhám mẫu độ nhám 51 2.5.5 Đánh giá độ nhám trục theo phương pháp đo điểm sử dụng động bước 52 2.5.6 Đánh giá độ nhám trục theo phương pháp quét laser điểm đường thẳng .54 2.5.7 Đánh giá độ nhám mẫu so sánh độ nhám Hahn Kolb sử dụng bàn dịch chuyển tịnh tiến theo phương B11-80AZ 56 a) Đánh giá mẫu Rz16 .56 b) Đánh giá mẫu Rz32 58 c) Đánh giá mẫu Rz50 .59 Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 62 3.1 Yêu cầu thiết kế 62 3.2 Khảo sát cảm biến 62 3.2.1 Cảm biến Laser CMOS kỹ thuật số GV-21 .62 3.2.1.1 Nguyên lý hoạt động .62 3.2.1.2 Cấu tạo chức phận .63 3.2.2 Cảm biến phát dịch chuyển laser CCD (1D) LK-2000 với đầu cảm biến LK-030 64 3.2.2.1 Nguyên lý hoạt động .64 3.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo lường 65 3.2.2.3 Cấu tạo chức phận .67 3.3 Đề xuất quy trình đo độ nhám .69 3.3.1 Đề xuất nguyên lý hoạt động thiết bị đo độ nhám bề mặt trục 70 3.3.2 Đề xuất kết cấu khí 70 3.3.2.1 Cụm chủ động: 71 a) Chức năng: 71 b) Cấu tạo: 71 3.3.2.2 Cụm bị động: 86 a) Chức năng: 86 b) Cấu tạo: 86 3.3.2.3 Cụm lắp đầu cảm biến laser: 93 a) Chức năng: 93 b) Cấu tạo: 94 3.4.3 Đề xuất cụm điện điều khiển 99 3.4.3.1 Đầu cảm biến LK-030 99 3.4.3.2 Bộ điều khiển cảm biến LK-2000 .100 3.4.3.3 Card thu thập liệu NI USB 6002 101 3.4.3.4 Bộ phát xung MTPG2 102 3.4.3.5 Driver điều khiển động bước HY-DIV268N-5A 103 3.4.3.6 Bộ nguồn DPS-120S-24 104 3.4.3.7 Hộp điện điều khiển 105 3.5 Chế tạo thiết bị đo độ nhám 111 3.5.1 Chế tạo cụm chủ động 111 3.5.1.1 Chức 111 3.5.1.2 Yêu cầu chế tạo 111 3.5.2 Chế tạo cụm bị động 112 3.5.2.1 Chức 112 3.5.2.2 Yêu cầu chế tạo 112 3.5.3 Chế tạo cụm gắn đầu cảm biến 113 3.5.3.1 Chức 113 3.5.3.2 Yêu cầu chế tạo 113 Chương 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ 115 4.1 Thử nghiệm thiết bị 115 4.1.1 Quy trình đánh giá mẫu độ nhám Rz16 Excel 115 4.1.2 Tính tốn, xử lý số liệu quy trình đánh giá mẫu độ nhám Rz32 Excel 133 4.1.3 Tính tốn, xử lý số liệu quy trình đánh giá mẫu độ nhám Rz50 Excel 146 4.2 Đánh giá thiết bị 166 Chương 5: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT TRỤC ĐƯỜNG KÍNH NHỎ 167 5.1 Xác định bề mặt đánh giá độ nhám trục nhỏ 167 5.2 Quy trình đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ theo phương pháp đo điểm sử dụng động bước 167 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 190 Kết luận .190 Kiến nghị .190 TÀI LIỆU THAM KHẢO 192 DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Một số máy đo độ nhám cầm tay .16 Hình 1.2: Một số máy đo độ nhám để bàn .17 Hình 1.3: Thiết bị đo trục vạn - MarShaft MAN 18 Hình 2.1: Các loại nhấp nhô bề mặt chi tiết .26 Hình 2.2: Ảnh hưởng độ nhám đến độ chống mòn 27 Hình 2.3: Ảnh hưởng độ nhám đến độ bền mỏi 28 Hình 2.4: Ảnh hưởng độ nhám đến độ chống ăn mòn 28 Hình 2.5: Ảnh hưởng độ nhám đến độ xác mối lắp ghép 29 Hình 2.6: Profile bề mặt xác định Ra 30 Hình 2.7: Profile bề mặt xác định Rz 30 Hình 2.8: Bộ mẫu chuẩn so sánh độ nhám bề mặt Metrology RC-6SETS 34 Hình 2.9: Các thiết bị đo độ nhám phương pháp đo tiếp xúc 35 Hình 2.10: Đo độ nhám phương pháp đo tiếp xúc 35 Hình 2.11: Các thiết bị đo độ nhám bề mặt phương pháp đo khơng tiếp xúc 36 Hình 2.12: Ngun lý phương pháp thu thập cường độ ánh sáng laser 37 Hình 2.13: Thiết bị đo độ nhám bề mặt phương pháp xử lý ảnh 39 Hình 2.14: Giao diện xử lý phân tích ảnh phần mềm MATLAB 39 Hình 2.15: Độ hấp thụ loại vật liệu so với bước sóng loại laser 42 Hình 2.16: Cơng suất laser tối thiểu Nd:YAG để làm tan chảy kim loại khác 43 Hình 2.17: Cấu tạo cảm biến quang 45 Hình 2.18: Nguyên lý hoạt động cảm biến quang khuếch tán 46 Hình 2.19: Ảnh hưởng quang sai thấu kính thu đến độ xác cảm biến 48 Hình 2.20: Dạng sóng ánh sáng nhận chiếu tia laser[10] 50 Hình 2.21: Đánh giá độ nhám Rz theo tiêu chuẩn ISO 51 Hình 2.22: Bàn dịch chuyển theo phương B11-80AZ 52 Hình 2.23: Bộ mẫu độ nhám Hahn Kolb 52 Hình 2.24: 26 điểm đánh giá chiều dài L dùng động bước 53 Hình 2.25: Chia đoạn đánh giá độ nhám phương pháp quét laser 54 Hình 2.26: Lập trình Labview đánh giá độ nhám bề mặt theo phương pháp quét laser đường thẳng 55 Hình 2.27: 126 điểm đánh giá chiều dài chuẩn L = 2,5 mm với mẫu Rz16 .57 Hình 2.28: 51 điểm đánh giá chiều dài chuẩn L = 2,5 mm với mẫu Rz32 .58 Hình 2.29: 161 điểm chiều dài chuẩn L = mm với mẫu phay Rz50 60 Hình 3.1: Nguyên lý tam giác laser 63 Hình 3.2: Đầu cảm biến GV-H450 63 Hình 3.3: Bộ thiết bị khuếch đại GV-21 64 Hình 3.4: Nguyên lý hoạt động cảm biến độ dịch chuyển laser 64 Hình 3.5: Ảnh hưởng quang sai thấu kính thu đến độ xác cảm biến 65 Hình 3.6: Dạng sóng ánh sáng nhận chiếu tia laser 67 Hình 3.7: Đầu cảm biến LK-030 Keyence .68 Hình 3.8: Bộ điều khiển cảm biến LK-2000 Keyence .68 Hình 3.9: Quy trình đo độ nhám 69 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ khí 70 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý hoạt động cụm chủ động 71 Hình 3.12: Cấu tạo cụm chủ động 72 Hình 3.13: Tấm đứng cụm chủ động 73 Hình 3.14: Tấm đế cụm chủ động 74 Hình 3.15: Tấm nối trung gian 75 Hình 3.16: Tấm nối trung gian 76 Hình 3.17: Ổ Bi NSK 62/32 .77 Hình 3.18: Cán Collet ER32 100L 77 Hình 3.19: Cán Collet ER32 cắt ngắn 78 Hình 3.20: Mũi chống tâm .78 Hình 3.21: Chốt nối 79 Hình 3.22: Khớp nối 80 Hình 3.23: Bộ tốc kẹp 81 Hình 24: Mặt bít bạc 81 Hình 3.25: Các kích cỡ mặt trước tốc kẹp 82 Hình 3.26: Giá lắp động bước .83 Hình 3.27: Mặt bít ổ bi .84 Hình 3.28: Cụm bàn trượt NSK .85 Hình 3.29: Sơ đồ nguyên lý hoạt động cụm bị động 86 Hình 3.30: Cấu tạo cụm bị động 87 Hình 3.31: Tấm đế cụm bị động .88 Hình 3.32: Tấm đứng cụm bị động 89 Hình 3.33: Tấm nối trung gian cụm bị động .90 Hình 3.34: Thanh ray trượt Hiwin 91 Hình 3.35: Tấm nối trung gian 92 Hình 3.36: Tấm nối trung gian 93 Hình 3.37: Nguyên lý hoạt động cụm gắn cảm biến 93 Hình 3.38: Cụm lắp cảm biến laser 94 Hình 3.39: Tấm lắp đầu cảm biến 96 Hình 3.40: Bàn dịch chuyển MZ837D-C1 .97 Hình 3.41: Ray trượt hành trình Cy-Robo SAN6510 98 Hình 3.42: Mặt bít động bước PK564AW-A44 99 Hình 3.43: Card thu thập liệu NI USB 6002 .102 Hình 3.44: Bộ phát xung MTPG2 103 Hình 3.45: Driver động bước HY-DIV268N-5A 104 Hình 3.46: Bộ nguồn DPS-120S-24 .104 Hình 3.47: Mạch điều khiển hộp điện .106 Hình 3.48: Ngun lý hoạt đơng mạch điều khiển 108 Hình 3.49: Cụm chủ động thiết bị đo độ nhám .111 Hình 3.50: Cụm bị động thiết bị đo độ nhám 112 Hình 3.51: Cụm gắn cảm biến 113 Hình 3.52: Thiết kế, mơ thiết bị đo độ nhám bề mặt trục có đường kính nhỏ qua phần mềm Solidworks 114 Hình 3.53: Thiết bị đo độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ 114 10 Hình 5.8: Biên dạng bề mặt trục qua lần đánh giá (vị trí 5) Để lấy đỉnh cao đáy thấp nhất, ta chia chiều dài L = 2,5 mm làm đoạn l1 = l2 = l3 = l4 = l5 = 0,5 mm Sau đoạn, ta tìm điểm có khoảng laser xa gần lần đo Từ ta tìm số liệu có giá trị lớn nhỏ t số liệu thu đoạn chiều dài l1, l2, l3, l4, l5 qua lần đánh giá Dựa vào nguyên tắc trên, ta bảng số liệu sau: Bảng 26: Xử lý số liệu cho phần bề mặt trục đo độ nhám Lần Lần Lần Lần Lần Max l1 (mm) 28,012 28,012 28,012 28,011 28,012 Max l2 (mm) 28,008 28,009 28,008 28,009 28,008 Max l3 (mm) 28,010 28,011 28,010 28,010 28,012 188 Lần Lần Lần Lần Lần Max l4 (mm) 28,015 28,014 28,013 28,014 28,015 Max l5 (mm) 28,010 28,011 28,010 28,009 28,010 Min l1 (mm) 27,995 27,997 27,997 27,995 27,996 Min l2 (mm) 27,992 27,993 27,992 27,991 27,992 Min l3 (mm) 28,000 27,999 28,000 27,998 28,001 Min l4 (mm) 27,998 27,999 27,998 27,999 27,998 Min l5 (mm) 27,997 27,998 27,997 27,998 27,997 Sau tìm thống kê giá trị lớn nhỏ nhất, bắt đầu tính tốn dựa vào số liệu suy độ nhám Rz1, Rz2, Rz3, Rz4, Rz5 đoạn chiều dài l1, l2, l3, l4, l5 bảng 30 Bảng 27: Giá trị Rz tính tốn qua lần đánh giá độ nhám bề mặt trục nhỏ (vị trí 5) Lần Lần Lần Lần Lần Rz1 (µm) 17 15 15 16 16 Rz2 (µm) 16 16 16 18 16 Rz3 (µm) 10 12 10 12 11 Rz4 (µm) 17 15 15 15 17 Rz5 (µm) 13 13 13 11 13 Rztb (µm) 14,6 14,2 13,8 14,4 14,6 189 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn “Nghiên cứu phát triển thiết bị đánh giá độ nhám bề mặt trục có đường kính nhỏ” hồn thành nhiệm vụ sau: - Tìm hiểu, khảo sát nguyên lý đo độ nhám bề mặt; - Phân tích, đánh giá hạn chế, tồn nguyên lý đo độ nhám bề mặt; - Đề xuất nguyên lý đo độ nhám bề mặt sử dụng cảm biến laser; - Đề xuất quy trình đo độ nhám bề mặt sử dụng cảm biến laser; - Đề xuất, lựa chọn phương án, kết cấu thiết bị đo độ nhám bề mặt sử dụng cảm biến laser; - Tính tốn, thiết kế thiết bị đo độ nhám bề mặt sử dụng cảm biến laser; - Xây dựng mô hình thí nghiệm; - Thử nghiệm, đánh giá khả hoạt động thiết bị đo Thiết bị đo độ nhám bề mặt có khả năng: - Đánh giá độ nhám cấp độ nhám bề mặt từ cấp đến cấp (đã đánh giá lại mẫu so sánh độ nhám Rz16, Rz32, Rz50 mẫu phay trình bày chương 4) - Đánh giá độ nhám bề mặt trục theo nguyên lý đo điểm dùng động bước panme hiệu chỉnh Kiến nghị Do thời gian nghiên cứu, thực đề tài khả kinh phí cịn hạn chế q trình thực luận văn cịn nhiều thiếu sót Vì vậy, tơi xin đề xuất số ý kiến sau giúp phát triển hoàn thiện đề tài nữa: - Mở rộng nguồn vốn đầu tư trang thiết bị ví dụ mua đầu cảm biến phát khoảng cách laser có tốc độ lấy mẫu độ phân giải cao để phát triển 190 phương pháp đánh giá độ nhám theo nguyên lý quét laser điểm đường thẳng giúp tăng suất, tiết kiệm thời gian đánh giá độ nhám Động bước có thơng số bước xoay số góc để đánh giá số điểm nhiều - Nghiên cứu, bổ sung hệ thống giảm rung động đến mức để thu kết xác - Nghiên cứu, bổ sung hệ thống canh chỉnh tự động cụm chống tâm để trình đo xác đỡ thời gian - Nghiên cứu đồ gá đa cho đầu cảm biến để linh hoạt đo chi tiết có biên dạng phức tạp 191 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Xuân Cam Thiết kế, chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng phương pháp quét laser truyền qua Hội nghị khoa học công nghệ tồn quốc khí lần thứ V – VCME, 2018 [2] Phạm Ngọc Linh Nghiên cứu chế tạo thiết bị quét biên dạng chi tiết 3D laser Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 2013 [3] Lê Thanh Nghiên cứu độ xác đo profile bề mặt chi tiết máy phương pháp quét laser Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 2010 [4] Rong-Sheng Lu Gui Yun Tian On-line measurement of surface roughness by laser light scattering International Journal of Engineering Development and Research, 2016 [5] Mohamed Saudy Analysis of surface roughness using laser optical imaging techniques, International organization of Scientific Research, 2012 [6] Cz Lukianowicz, T Karpinski Optical system for measurement of surface form and roughness Department of Mechanical Engineering, Technical University of KoszalinPL – 75-620 Koszalin, Poland Measurement science review, Volume 1, Number 1, 2001 [7] Trần Quốc Hùng Giáo trình dung sai – kỹ thuật đo, NXB Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2012 [8] Phan Quốc Phơ Giáo trình cảm biến, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [9] Phạm Thị Ngọc Yến Xử lý tín hiệu, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2009 [10] Phan Minh Thanh, Hồ Viết Bình Giáo trình cơng nghệ chế tạo máy, NXB Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2013 [11] Mohammed Naeem Laser processing of reflective materials, 2013 [12] Kanakuppi Sadashivappa Metrology, Modul Lecture 4, 20 192 [13] Lê Xuân Cam, Nguyễn Văn Vinh, Thiết kế chế tạo thiết bị quét laser đo đường kính chi tiết Tạp chí Cơ khí Việt Nam, ISSN 0806 – 7065, 8, 61-66,2015 [14] Lê Xuân Cam Nghiên cứu độ xác đo profile bề mặt chi tiết máy phương pháp quét laser theo đường Tạp chí Khoa học Công nghệ, 2015 [15] Heung Yeol Kim, Y F Shen, Jae Ho Ahn Development of a surface roughness measurement system using reflected laser beam Journal of Materials Processing Technology 130-131, 662-667, Dec 2002 193 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ ĐÁNH GIÁ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT TRỤC ĐƯỜNG KÍNH NHỎ RESEARCH AND DEVELOPMENT OF EQUIPMENT TO EVALUATE SURFACE ROUGHNESS OF SMALL DIAMETER SHAFTS Phan Thanh Thuan1 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Các thiết bị đánh giá độ nhám bề mặt sử dụng nước chủ yếu sử dụng đầu dò nên gặp nhiều khó khăn việc đánh giá độ nhám chi tiết có tiết diện nhỏ, yêu cầu độ xác cao Phương pháp dùng tia laser thay đầu dò ứng dụng để phát triển thiết bị đo kiểm tra độ nhám bề mặt chi tiết có kích thước nhỏ, Bài báo giới thiệu khải quát phát triển thiết bị, quy trình đo độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ phương pháp sử dụng tia laser; kết thử nghiệm cho phép đánh giá độ nhám mẫu có độ nhám Rz50, Rz32, Rz16; đánh giá độ nhám điểm bề mặt trục đường kính nhỏ (từ mm đếm 20mm) độ xác đạt 97- 98% sử dụng cảm biến laser có độ phân giải µm Từ khóa: đo độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ; quét laser đo độ nhám bề mặt; sử dụng cảm biến quang đo độ nhám bề mặt ABSTRACT The surface roughness assessment devices used in the country mainly use mechanical probes, so it is difficult to evaluate the roughness of the parts with small cross-sections, requiring high accuracy The method of using a laser instead of a probe is applied to develop a measuring device to check the surface roughness of small-sized parts This paper introduces an overview of the development of equipment and procedures for measuring surface roughness of small diameter shafts by using lasers; test results allow to evaluate the roughness of samples with roughness Rz50, Rz32, Rz16; Evaluation of the roughness of points on the surface of small diameter shafts (from mm to 20 mm) is achieved with accuracy of 97-98% when using a laser sensor with a resolution of µm Keywords: small diameter shaft surface roughness measurement; laser scan measuring surface roughness; using optical sensor to measure surface roughness ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thiết kế gia công chi tiết máy, độ nhám bề mặt tiêu quan tâm để đảm bảo chất lượng chi tiết Hiện công cụ, thiết bị đo độ nhám sử dụng nước chủ yếu sử dụng đầu dị nên khơng đo chi tiết có tiết diện nhỏ, chưa đáp ứng yêu cầu mặt xác sản phẩm, kết kiểm tra bị ảnh hưởng thao tác đo q trình tiếp xúc trực tiếp đầu dị lên chi tiết Phương pháp sử dụng tia laser phương pháp đo nhanh, hiệu có độ xác cao kiểm tra độ nhám bề mặt chi tiết khí, hạn chế sai số tiếp xúc trực tiếp lên mặt cần đo, đồng thời đo chi tiết có tiết diện nhỏ thông qua việc sử dụng cảm biến laser chiếu vào bề mặt chi tiết cần đo nhận tín hiệu phản hồi Đây phương pháp được sử dụng nhiều để kiểm tra biên dạng đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết Tuy nhiên giá thành thiết bị đo độ nhám bề mặt phương pháp sử dụng cảm biến laser nhập từ nước ngồi lại cao Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu phát triển thiết bị đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ” thực để tạo thiết bị đáp ứng việc đánh giá độ nhám chi tiết có tiết diện nhỏ, phức tạp có giá thành phù hợp với điều kiện kinh tế đất nước CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý thu nhận tín hiệu đo cảm biến quang Chia chiều dài đánh giá thành phần ta có chiều dài lấy mẫu Rz1, Rz2, Rz3, Rz4 Rz5 (hình 2) Ở chiều dài lấy mẫu, ta tìm khoảng cách đỉnh cao đáy thấp nhất, khoảng cách giá trị Rz chiều dài lấy mẫu Sau tìm giá trị Rz1 đến Rz5, ta lấy trung bình cộng giá trị, kết Rz Ý TƯỞNG – GIẢI PHÁP 3.1 Đề xuất quy trình đo độ nhám Hình 1.Nguyên lý hoạt động cảm biến phát dịch chuyển laser CCD Cảm biến phát dịch chuyển laser CCD LK-2000 với đầu cảm biến LK-030 hoạt động dựa nguyên lý tam giác laser Ánh sáng phản xạ từ mục tiêu thu thấu kính tập trung phần tử nhận ánh sáng Khi khoảng cách đến mục tiêu thay đổi, góc ánh sáng phản xạ tới thấu kính thu thay đổi ánh sáng tập trung vị trí khác phần tử nhận ánh sáng Sử dụng cảm biến phát dịch chuyển laser CCD để chiếu tia laser từ đầu cảm biến vào mẫu đo độ nhám cho tia laser vng góc với bề mặt mẫu, dịch chuyển tia laser bề mặt mẫu theo chiều dài chuẩn đánh giá L cấp độ nhám mà mẫu thể thu trị số cường độ ánh sáng laser phản xạ lại điểm đoạn thẳng L thơng qua ngõ tín hiệu analog điều khiển cảm biến, tín hiệu analog đo đồng hồ đo vạn 2.2 Phương pháp đánh giá độ nhám Rz theo tiêu chuẩn ISO Hình 2.Đánh giá độ nhám Rz theo tiêu chuẩn ISO Hình 3.Quy trình đo độ nhám 3.2 Đề xuất nguyên lý hoạt động hệ khí thiết bị đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ Thiết bị thiết kế phần kết cấu khí cho trục chống tâm hai đầu để xoay quanh trục X dịch chuyển tịnh tiến theo phương X phương Y Đầu cảm biến gá đặt cụm đồ gá dịch chuyển tịnh tiến theo phương X, Y, Z (hình 4) vặn động bước PK564AW-A44 [2] bàn trượt 02N9-001 hãng NSK (từ đến 60 mm), độ xác 0,1 mm Khi động bước xoay 1,8o (1 bước) bàn dịch chuyển tịnh tiến theo phương Y đoạn 0,1 mm X Hình 4.Nguyên lý hoạt động hệ khí thiết bị đo độ nhám bề mặt trục Y 3.3 Đề xuất kết cấu khí thiết bị đo độ nhám bề mặt trục X Hộp điện điều khiển Cụm chủ động Cụm bị động động Hình 6.Sơ đồ kết cấu cụm chủ động 3.3.2 Cụm bị động Giữ vai trò chống tâm đầu lại chi tiết trục cần đo độ nhám, đảm bảo chuyển động xoay chi tiết trục quanh trục X Bộ điều khiển cảm biến LK-2000 Cụm lắp cảm biến Hình 5.Sơ đồ kết cấu thiết bị đo độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ Kết cấu thiết bị đo độ nhám bề mặt trục gồm cụm chính: cụm chủ động, cụm bị động, cụm lắp cảm biến Ngoài cịn có điều khiển cảm biến LK-2000 mạch điện điều khiển 3.3.1 Cụm chủ động Giữ vai trò chống tâm, cố định đầu trục cần đo, động bước PK564AW-A44 [1] điều khiển xoay chi tiết trục nhỏ cần đo độ nhám quanh phương X, góc bước 1,8o/bước Cụm chủ động dịch chuyển tịnh tiến theo phương X Y tay Cụm bị động dịch chuyển tịnh tiến theo phương X Y nhờ tay vặn động bước PK564AW-A44 [3] bàn dịch chuyển NSK 02N9-001 tương tự cụm chủ động Bên cạnh đó, phía bàn dịch chuyển lắp thêm cụm ray trượt Hiwin nhằm tăng thêm quãng dịch chuyển tịnh tiến theo phương X cụm thêm 180 mm X Y X Hình 8.Sơ đồ kết cấu cụm lắp cảm biến Sử dụng đầu cảm biến LK-030 hãng Keyence với độ phân giải μm điều khiển cảm biến LK-2000 hãng Keyence để đánh giá độ nhám bề mặt trục Hình 7.Sơ đồ kết cấu cụm bị động 3.3.3 Cụm lắp cảm biến Lắp đầu cảm biến LK-030, dịch chuyển theo phương để thực quét laser lên bề mặt phần trục cần đo độ nhám Hình Đầu cảm biến LK-030 (trái) điều khiển cảm biến LK-2000 hãng Keyence (phải) Cụm lắp cảm biến dịch chuyển theo phương X,Y, Z nhờ bàn dịch chuyển MZ837D-C1 có độ xác 0,01 mm, ngồi cụm cịn dịch chuyển tịnh tiến theo phương X ray trượt hành trình CyRobo SAN6510 (từ đến 450 mm) độ xác 0,1 mm, ray điều khiển thông qua động bước PK564AW-A44 [3] Các thông số đầu cảm biến LK-030: Z X Y - Khoảng cách tham chiếu: 30 mm - Phạm vi đo: ± mm - Nguồn sáng: + thấy Loại: laser bán dẫn màu đỏ nhìn + Chiều dài bước sóng: 670 nm (ánh sáng nhìn thấy được) lớp sản phẩm laser (JIS C6802) + Ngõ ra: cực đại 0,95 mA X - Đường kính vệt: khoảng cách tham chiếu xấp xỉ 30 μm - Độ phân giải: μm - Ngõ analog: + Trở kháng: 100 Ω + Dòng điện ngõ ra: đến 20 mA - Thời gian lấy mẫu: 512 μs/1 mẫu Các thông số điều khiển cảm biến LK-2000: - Khoảng cách tham chiếu: 30 mm Cụm bị động Cụm lắp cảm biến - Phạm vi đo: ± mm - Nguồn sáng: + Loại: laser bán dẫn nhìn thấy + Chiều dài bước sóng: 655 nm (ánh sáng nhìn thấy được) lớp sản phẩn laser (JIS C6802) + Ngõ ra: 0,95 mW - Ngõ analog: Cụm chủ động Hộp điện điều khiển Hình 10 Thiết bị đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ KẾT QUẢ - THẢO LUẬN + Trở kháng: 100 Ω + Dòng điện ngõ ra: đến 20 mA 4.1 Thử nghiệm đánh giá thiết bị + Điện ngõ ra: -5 đến 5V (khi đo ngõ 12 V (31,2 mA)) - Thời gian lấy mẫu: 512 μs/1 mẫu 3.3.4 Bộ phận điều khiển - Card NI USB 6002: thu thập tín hiệu analog từ điều khiển cảm biến LK-2000 truyền vào máy tính để phần mềm Labview xử lý phân tích 4.1.1 Xây dựng sở liệu cho mẫu độ nhám Rz16 Gá đặt mẫu so sánh độ nhám Hahn Kolb lên bàn dịch chuyển tịnh tiến theo phương B11-80AZ Đồng thời gá cảm biến lên cụm có sẵn.Tiến hành đánh giá độ nhám mẫu Rz16 - Bộ phát xung MTPG2: để lập trình câu lệnh số bước tần số xung để điều khiển động bước hoạt động theo câu lệnh lập trình - Driver HY-DIV268N-5A để điều khiển động bước theo chế độ vi bước chế độ khác tuỳ chọn Hình 11 Bộ mẫu so sánh độ nhám Hahn Kolb (trái) bàn dịch chuyển tịnh tiến theo phương B11-80AZ (phải) - Sử dụng nguồn DPS-120S-24 để cấp nguồn cho driver động bước điều khiển cảm biến hoạt động Hình 12 Cụm lắp cảm biến để chiếu xuống mẫu Hahn Kolb Hình 9.Mạch điện điều khiển thiết bị đo độ nhám bề mặt trục - Chiếu tia laser lên điểm mẫu độ nhám Rz16 chiều dài chuẩn L = 2,5 mm, gọi điểm I1; - Chia L thành đoạn cho l1 + l2 + l3 + l4 + l5 = L l1 = l2 = l3 = l4 = l5 = 0,5 mm; - Trên đoạn L, từ điểm I1, ta đánh dấu điểm cho điểm cách 0,02 mm  ta 126 điểm Tiến hành đo lần để quan sát độ tin cậy giá trị đo Bảng Giá trị Rz tính tốn qua lần đánh giá mẫu phay Rz16 Rzi (μm) Lần Lần Lần Lần Lần Rz1 Rz2 Rz3 Rz4 Rz5 Rztb 15 15 13 18 17 15,6 17 14 12 18 17 15,6 16 16 12 17 17 15,6 15 16 12 18 18 15,8 16 15 12 16 19 15,6 Lấy giá trị Rz có độ chênh lệch lớn Rz = 15,6 µm so với giá trị chuẩn Rz = 16 µm ghi mẫu để tính tốn sai số Ta có sai số lớn là: Hình 13.Đánh giá mẫu độ nhám Rz16 theo phương pháp quét điểm đoạn chiều dài chuẩn L = 2,5 mm Q1 = |15,6−16| 16 × 100 = 2,5 % 4.1.2 Xây dựng sở hiệu cho mẫu độ nhám Rz32 Rz50 Áp dụng bước thực tương tự với mẫu độ nhám Rz32 Rz50 Trong đó: - Với mẫu Rz32 có L chuẩn = 2,5 mm có l1 = l2 = l3 = l4 = l5 = 0,5 mm; Trên đoạn thẳng L, từ điểm I1 ta đánh dấu điểm cho điểm cách 0,05 mm, Hình 14.Biên dạng mẫu Rz16 chiều dài chuẩn L qua lần đánh giá  có 56 điểm Ii suốt đoạn chiều dài chuẩn L Tính tốn trương tự mẫu Rz16, ta thu kết có sai số tối đa đánh giá độ nhám mẫu Rz32 là: Q2 = |31,2−32| 32 × 100 = 2,5 % - Với mẫu Rz50 có L chuẩn = mm có l1 = l2 = l3 = l4 = l5 = 0,5 mm; Trên đoạn thẳng L, từ điểm I1 ta đánh dấu điểm cho điểm cách 0,05 mm, Hình 15.Giao diện làm việc phần mềm Labview đánh giá mẫu độ nhám Rz16 Tính tốn Rzi đoạn li Rz đoạn chiều dài chuẩn L theo công thức sau: Rzi = Max li – Min li (với i=1,2,3,4,5) (1) Rz = (Rz1 + Rz2 + Rz3 + Rz4 + Rz5)/5 (2)  có 161 điểm Ii suốt đoạn chiều dài chuẩn L Tính tốn trương tự mẫu Rz16, ta thu kết có sai số tối đa đánh giá độ nhám mẫu Rz50 là: Q3 = |51−50| 50 × 100 = % Nhận xét: Bộ mẫu có cấp độ nhám bề mặt cao sai số tăng lên; Độ phân giải µm đầu cảm biến LK- 030 không đáp ứng việc đo mẫu độ nhám Ra2,5; Ra1,6 mẫu có cấp độ nhám bề mặt cao Muốn đánh giá mẫu có cấp độ nhám bề mặt nêu cần có đầu cảm biến có độ phân giải cao 4.2 Thực nghiệm đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ 4.2.1 Canh chỉnh độ song song hai cụm chống tâm vặn bàn trượt cụm B để điều chỉnh cụm dịch chuyển theo phương Y cho giá trị cảm biến thu B với giá trị A Khi đó, trục Calip đảm bảo song song với hành trình theo phương X cụm cảm biến Ta lắp trục cần đo độ nhám vào để tiến hành đo 4.2.2 Đánh giá độ nhám bề mặt trục đường khính 20 mm Hình 17.Mẫu trục tiến hành đánh giá độ nhám bề mặt Hình 16.Dùng trục Calip để canh chỉnh độ song song hai cụm chống tâm Đẩy cụm chống tâm lại gần điều chỉnh bàn trượt cho mũi chống tâm cụm chạm vào nhau, dùng kính lúp phóng to điểm tiếp xúc điều chỉnh tay vặn cho hai mũi chống tâm đồng tâm Vặn bàn trượt để hai đầu chống tâm lùi từ từ theo phương X, lắp trục Calip vào mũi chống tâm Hình 18 Đánh giá độ nhám bề mặt trục Chiếu laser vào đầu trục Calip chống tâm, vặn tay vặn Panme bàn dịch chuyển MZ837D-C1 để dịch chuyển cảm biến từ xuống theo phương Z, ghi nhận số liệu thu điểm, lấy điểm có giá trị thu thấp nhất, gọi điểm A Dựa vào phương pháp cảm quan so sánh với mẫu độ nhám Hahn Kohb, ta đánh giá bề mặt trục vị trí cần đo độ nhám có độ nhám từ cấp trở lên, cho chọn chiều dài chuẩn để đo độ nhám bề mặt trục L = 2,5 mm Cho động bước điều khiển ray trượt, dịch chuyển cụm cảm biến sang đầu lại trục Calip, chiếu laser vào đầu sử dụng tay vặn Panme bàn dịch chuyển MZ837D-C1 để dịch chuyển cảm biến từ xuống theo phương Z, tìm điểm có giá trị thu thấp nhất, gọi điểm B Chiếu tia laser lên điểm đoạn trục có đường kính 20 mm, gọi điểm I1; Đối chiếu giá trị thu điểm A B Sử dụng động bước tay Chia L thành đoạn cho l1 + l2 + l3 + l4 + l5 = L l1 = l2 = l3 = l4 = l5 = 0,5 mm; Trên đoạn L, từ điểm I1, ta đánh dấu điểm cho điểm cách 0,1 mm  ta 26 điểm Tiến hành đo lần để quan sát độ tin cậy giá trị đo Ta nhận thấy có sai lệch giá trị Rz lần đo nguyên nhân: thao tác đo, sai số dụng cụ điều chỉnh, ảnh hưởng điều kiện mơi trường làm việc Hình 19 Biên dạng bề mặt trục qua lần đánh giá (vị trí 1) Áp dụng cơng thức (1) (2) ta tính giá trị Rz thu vị trí thứ qua lần đo Bảng Giá trị Rz tính tốn qua lần đánh giá độ nhám bề mặt trục vị trí Rzi (μm) Lần Lần Lần Lần Lần Rz1 Rz2 Rz3 Rz4 Rz5 Rztb 16 19 11,4 16 19 11,2 15 10 19 11,8 16 10 19 12 16 20 11,8 Cho động bước điều khiển xoay trục thêm lần, lần xoay trục góc 72o tiến hành đo độ nhám trục vị trí thứ 2, 3, Tại vị trí thực lần đo tương tự vị trí thứ để quan sát độ tin cậy số liệu đo KẾT LUẬN Quá trình thử nghiệm cho thấy thiết bị đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ phương pháp sử dụng cảm biến laser sau thiết kế, chế tạo đáp ứng yêu cầu đặt ban đầu Thiết bị làm việc ổn định tin cậy Thiết bị đo độ nhám bề mặt có khả đánh giá cấp độ nhám bề mặt từ cấp đến cấp 1, theo nguyên lý đo điểm dùng động bước panme hiệu chỉnh, có độ xác 97 – 98 % Để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định xác hơn, sử dụng đầu cảm biến laser có độ phân giải cao hơn, sử dụng động bước có thơng số bước xoay số góc để đánh giá số điểm nhiều Nghiên cứu đồ gá đa cho đầu cảm biến để linh hoạt đo chi tiết có biên dạng phức tạp LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Đặng Thiện Ngôn, Quý Thầy, Cô trường Đại học SPKT TP.HCM, trường Cao đẳng nghề số hỗ trợ trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Xuân Cam Thiết kế, chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng phương pháp quét laser truyền qua Hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí lần thứ V – VCME, 2018 [2] Phạm Ngọc Linh Nghiên cứu chế tạo thiết bị quét biên dạng chi tiết 3D laser Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 2013 [3] Lê Thanh Nghiên cứu độ xác đo profile bề mặt chi tiết máy phương pháp qt laser Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 2010 [4] Rong-Sheng Lu Gui Yun Tian On-line measurement of surface roughness by laser light scattering International Journal of Engineering Development and Research, 2016 [5] Mohamed Saudy Analysis of surface roughness using laser optical imaging techniques, International organization of Scientific Research, 2012 [6] Cz Lukianowicz, T Karpinski Optical system for measurement of surface form and roughness Department of Mechanical Engineering, Technical University of KoszalinPL – 75- 620 Koszalin, Poland Measurement science review, Volume 1, Number 1, 2001 [7] Trần Quốc Hùng Giáo trình dung sai – kỹ thuật đo, NXB Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2012 [8] Phan Quốc Phơ Giáo trình cảm biến, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [9] Phạm Thị Ngọc Yến Xử lý tín hiệu, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2009 [10] Phan Minh Thanh, Hồ Viết Bình Giáo trình cơng nghệ chế tạo máy, NXB Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2013 [11] Mohammed Naeem Laser processing of reflective materials, 2013 [12] Kanakuppi Sadashivappa Metrology, Modul Lecture 4, 20 [13] Lê Xuân Cam, Nguyễn Văn Vinh, Thiết kế chế tạo thiết bị quét laser đo đường kính chi tiết Tạp chí Cơ khí Việt Nam, ISSN 0806 – 7065, 8, 61-66,2015 [14] Lê Xuân Cam Nghiên cứu độ xác đo profile bề mặt chi tiết máy phương pháp quét laser theo đường Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, 2015 [15] Heung Yeol Kim, Y F Shen, Jae Ho Ahn Development of a surface roughness measurement system using reflected laser beam Journal of Materials Processing Technology 130-131, 662-667, Dec 2002 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Phan Thành Thuấn Đơn vị: Trường Cao đẳng nghề số 7/QK7 Điện thoại: 0943463465 Email: thanhthuan.cd7@gmail.com ... đường kính nhỏ 1.5 Đối tượng nghiên cứu - Thiết bị đo độ nhám bề mặt trục có đường kính nhỏ từ đến 20 mm - Quy trình đo kiểm, đánh giá độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ 1.6 Phạm vi nghiên cứu - Thiết. .. kế thiết bị đo độ nhám bề mặt trục có đường kính nhỏ với Rz từ đến 50 µm - Chế tạo thiết bị đo độ nhám bề mặt trục có đường kính nhỏ với Rz từ đến 50 µm - Thực nghiệm đo kiểm đánh giá khả thiết. .. đề xuất quy trình đo độ nhám, thiết kế chế tạo thiết bị đo độ nhám bề mặt trục đường kính nhỏ Chương 4: Thử nghiệm đánh giá thiết bị Chương 5: Thực nghiệm đánh giá độ nhám trục Kết luận kiến nghị