NGHIÊN CỨU – THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO – QUÉT BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRỤ TRÒN

1. Tên đề tài: Nghiên cứu – thiết kế chế tạo hệ thống đo – quét biên dạng chi tiết trụ tròn. 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): Nghiên cứu nguyên lý thu thập dữ liệu từ cảm biến và nguyên lý dựng mô hình mô phỏng 3D trên máy tính từ dữ liệu thu thập được. Thiết kế chế tạo mô hình máy quét 3D chi tiết có biên dạng trụ tròn dùng cảm biến laser điểm.

TỔNG QUAN

Sai lệch độ tròn

1.1.1 Định nghĩa sai lệch độ tròn

Khi gia công chi tiết trụ tròn, sẽ luôn xuất hiện sai lệch độ tròn, mức độ sai lệch này phụ thuộc vào phương pháp gia công và độ chính xác của quá trình Việc quản lý sai lệch độ tròn hiệu quả có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của mối ghép, các cơ cấu chuyển động, cũng như hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm cơ khí.

Sai lệch độ tròn của một chi tiết được định nghĩa là sai lệch lớn nhất giữa các điểm trên profin thực và các điểm tương ứng của profin áp Profim thực là đường biên qua mặt cắt của bề mặt thực, trong khi profin áp là đường biên của mặt cắt qua bề mặt có hình dạng theo bề mặt danh nghĩa, tức là bề mặt hình học như được thể hiện trên bản vẽ.

Hình 1- 1 Sai lệch hình dạng độ tròn [1]

Sai lệch độ tròn có độ ovan và độ phân cạnh:

- Độ ovan: là sai lệch thành phần của sai lệch độ tròn và được xác định theo công thức: [𝟏]

Hình 1- 2 Sai lệch độ Ovan [1]

- Độ phân cạnh: là sai lệch thành phần của sai lệch độ tròn

Hình 1- 3 Sai lệch độ phân cạnh [1]

1.1.2 Nguyên nhân gây ra sai lệch độ tròn của chi tiết

Các nguyên nhân trong quá trình gia công gây ra sai lệch độ tròn như:

- Sai lệch gây ra bởi sự điều chỉnh dụng cụ, ăn mòn, lực cắt hoặc nhiệt khi gia công

- Sai lệch gây ra bởi lực kẹp, độ đảo trục, hoặc do ứng suất riêng trong phôi

Các yếu tố như loại vật liệu, phương pháp gia công, vận tốc cắt và độ cứng vững của máy gia công đều có ảnh hưởng đáng kể đến độ tròn của chi tiết.

Hình 1- 4 a, Phôi để gia công lỗ b, Phôi kẹp trên máy bị biến dạng c,Lỗ sau khi gia công d,sản phẩm tháo ra khỏi máy [2]

1.1.3 Ảnh hưởng của sai lệch độ tròn đến khả năng làm việc của chi tiết

Sai lệch độ tròn, kết hợp với sai lệch thẳng và sai lệch song song, dẫn đến sai lệch độ trụ, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả làm việc của các chi tiết dạng trụ và giảm tuổi thọ của các mối ghép.

Sai lệch độ trụ và độ tròn trong mối ghép trục và ổ bi có thể gây ra hiện tượng rơ ở các chi tiết trong những mối ghép động như ổ trượt, bạc trượt và bạc dẫn hướng Điều này không chỉ làm giảm độ chính xác của cơ cấu mà còn ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ của máy.

Hình 1- 6 Sai lệch cơ cấu con trượt

Các phương pháp đo sai lệch độ tròn và đo biên dạng

1.2.1 Phương pháp đo thông thường

Tùy thuộc vào loại sai lệch độ tròn mà có những cách đo khác nhau, những dạng sai lệch độ được thể hiện qua hình bên dưới:

Hình 1- 7 a, Dạng méo 2 cạnh b, Dạng méo 3 cạnh c, Dạng méo nhiều cạnh [2]

Với trường hợp ở hình a có thể đo theo phương pháp 2 tiếp điểm như hình dưới:

Hình 1- 8 Phương pháp đo 2 tiếp điểm [2]

Có thể đo trên hai đường kính vuông góc, 3 đường kính cách nhau 60 o hoặc 4 đường kính cách nhau 45 o hoặc nhiều hơn nữa, độ méo được tính theo công thức: [𝟐]

Trong trường hợp này, dmax và dmin đại diện cho giá trị đo lớn nhất và nhỏ nhất trong các lần đo Đối với các hình b và c, phương pháp đo được thực hiện như trong hình minh họa bên dưới.

Hình 1- 9 Phương pháp đo sai lệch độ tròn nhiều cạnh [2]

Chi tiết được định vị với 4 bậc tự do trên 2 khối V ngắn và một bậc chống dịch dọc trục Đồng hồ đo được đặt đối xứng với chuẩn đo là khối V Khi xoay chi tiết 1 vòng, ta thu được giá trị dmax và dmin, từ đó có thể tính độ méo theo công thức đã cho.

Với ∝ là góc của khối V, khi góc ∝ thay đổi kết quả sẽ thay đổi

Các phương pháp đo độ tròn hiện tại có độ chính xác tương đối tốt nhưng năng suất thấp và chỉ phù hợp với bề mặt không khuyết Do đó, cần thiết phải phát triển các thiết bị đo tiên tiến hơn để phát hiện độ tròn một cách chính xác và đo được nhiều bề mặt phức tạp Máy đo độ tròn đã được thiết kế và chế tạo dựa trên nhu cầu này.

1.2.2 Phương pháp đo tiếp xúc

Phương pháp đo tiếp xúc là kỹ thuật đo lường giữa đầu đo và bề mặt chi tiết, nơi tồn tại áp lực đo Các công cụ như cơ khí, quang cơ và điện tiếp xúc thường được sử dụng trong phương pháp này Để đạt được độ chính xác cao, các máy đo độ tròn hiện đại và tiện dụng đã được chế tạo Một ví dụ tiêu biểu là máy đo độ tròn RA-1600 của hãng MITUTOYO (Nhật Bản), nổi bật với tính năng và hiệu suất vượt trội.

Hình 1- 10 Máy đo độ tròn tiếp xúc Mitutoyo ra-1600 [3]

Bảy đầu đo sẽ tiếp xúc với bề mặt cần đo và áp dụng một áp lực đo đã được xác định trước Sau đó, mẫu đo sẽ quay, cho phép hệ thống thu thập dữ liệu áp lực trên một khoảng cách nhất định Từ đó, hệ thống máy tính sẽ mô phỏng biên dạng của chi tiết đo và tính toán sai lệch độ tròn theo tiêu chuẩn tại vùng đo.

Hình 1- 11 Hoạt động máy đo tiếp xúc [3] Ưu điểm của phương pháp đo tiếp xúc:

+ Có khả năng đo kiểm được hầu hết các dạng bề mặt của các tiết diện vừa và lớn

Nhược điểm của phương pháp đo tiếp xúc:

- Do có áp lực đo mà khi tiếp xúc không tránh khỏi sai số do các biến dạng liên quan đến áp lực đo gây ra

- Các bộ phận của máy phải được gia công cực kỳ chính xác, do đó chi phí sửa chữa, thay thế và bảo trì cao

Đầu đo của máy cần có tiết diện tương thích với bề mặt biên dạng cần kiểm tra, vì vậy không thể đo được các chi tiết có biên dạng phức tạp.

- Khi đo các chi tiết bằng vật liệu mềm, dễ biến dạng hoặc các hệ đo kém cứng vững

- Chỉ phù hợp với các chi tiết đo không yêu cầu về độ xước bề mặt

1.2.3 Phương pháp đo không tiếp xúc

Phương pháp đo không tiếp xúc là kỹ thuật đo lường mà không cần tiếp xúc trực tiếp giữa đầu đo và bề mặt của chi tiết cần đo, giúp loại bỏ áp lực đo và bảo vệ bề mặt.

Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng nhiều kỹ thuật như cảm biến laser (laser điểm và laser đường), công nghệ xử lý ảnh, ánh sáng trắng, và cảm biến hồng ngoại Những kỹ thuật này hoạt động dựa trên sự phản xạ, tán xạ hoặc khuếch tán ánh sáng từ bề mặt vật thể Ưu điểm của phương pháp này bao gồm khả năng đo đạc chính xác mà không cần tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cần đo.

- Vì không có áp lực đo nên khi đo bề mặt chi tiết không bị biến dạng hoặc bị cào xước

- Thích hợp với các chi tiết nhỏ, mềm, mỏng, dễ biến dạng và các sản phẩm không cho phép có vết xước

- Có khả năng đo được các chi tiết có tiết diện nhỏ hoặc biên dạng phức tạp

Cảm biến laser với ánh sáng tập trung phát ra tia sáng có đường kính rất nhỏ, cho phép nó tiếp cận và hoạt động hiệu quả trong những khe hẹp.

Nhược điểm của phương pháp đo không tiếp xúc:

Độ chính xác của dữ liệu thu thập từ cảm biến vào máy tính phụ thuộc vào khả năng chống nhiễu Trong môi trường công nghiệp, việc đảm bảo chống nhiễu và lọc nhiễu hiệu quả là điều cần thiết để đạt được độ chính xác cao.

Chi phí chế tạo cao yêu cầu đảm bảo độ chính xác cơ khí và độ chính xác của hệ thống thu thập dữ liệu từ cảm biến.

Mặc dù phương pháp đo không tiếp xúc còn tồn tại một số nhược điểm, nhưng nó được coi là tương lai của ngành cơ khí chính xác nhờ vào những ưu điểm vượt trội mà phương pháp đo tiếp xúc không thể đạt được Hơn nữa, các nhược điểm của phương pháp này có thể được khắc phục, và nó còn được đánh giá cao về khả năng tự động hóa quá trình kiểm tra chất lượng các chi tiết sau gia công.

Trong ứng dụng đo sai lệch độ tròn bằng phương pháp không tiếp xúc, hai kỹ thuật phổ biến nhất là sử dụng cảm biến laser điểm với bộ thu và phát chung, và cảm biến quét laser truyền qua với bộ thu và phát đặt riêng.

1.2.3.1 Phương pháp đo sử dụng cảm biến laser điểm

Phương pháp đo dựa trên nguyên lý phản xạ ánh sáng, khi tia laser chiếu vào bề mặt chi tiết sẽ tạo ra chùm tia phản xạ, cường độ của tia này thay đổi theo khoảng cách từ đầu cảm biến đến bề mặt Sử dụng đầu cảm biến với thiết bị thu và phát tia laser chung, tia laser phản xạ được bộ thu chuyển đổi thành tín hiệu điện để xử lý Tín hiệu ngõ ra thể hiện dưới dạng điện áp hoặc dòng điện, sau đó được truyền qua bộ vi điều khiển để lọc nhiễu và gửi đến máy tính qua các cổng giao tiếp Trên máy tính, phần mềm như Matlab hoặc Labview được sử dụng để mô phỏng và tính toán dữ liệu thu thập được.

Hình 1- 12 Nguyên lý đo laser điểm [4] Ưu điểm khi sử dụng cảm biến laser điểm so với cảm biến quét laser truyền qua:

+ Quá trình lắp đặt và chế tạo đơn giản

+ Quy trình Calip vị trí của cảm biến đơn giản

+ Không giới hạn tiết diện của chi tiết đo, miễn là khoảng sai lệch nằm trong khoảng đo của cảm biến

+ Có thể đo được những chi tiết có biên dạng phức tạp

+ Giá thành bộ cảm biến và chi phí chế tạo thấp

- Không đo được thông số đường kính của chi tiết quét

- Chỉ đo được sai lệch trong khoảng cách nhất định (khoảng cách này tùy vào dòng cảm biến)

1.2.3.2 Phương pháp đo sử dụng cảm biến laser quét truyền qua

Phương pháp đo sử dụng chùm laser chiếu lên gương đa giác được gắn cố định trên trục động cơ, với vị trí này trùng khớp với tiêu điểm của thấu kính chuẩn trực TK1.

Kỹ thuật quét biên dạng 3D

1.3.1 Các phương pháp quét biên dạng 3D

Các phương pháp quét biên dạng 3D hoạt động dựa trên nguyên lý chia bề mặt chi tiết thành lớp điểm đo với các tọa độ (x, y, z) Máy đo sẽ thu thập các tọa độ này để xử lý Quá trình lấy tọa độ diễn ra thông qua một đầu đo không tiếp xúc, di chuyển liên tục, được gọi là chuyển động quét bề mặt.

Phương pháp quét 3D thông dụng:

Phương pháp quét laser theo từng điểm sử dụng nguyên lý phản xạ hoặc tán xạ ánh sáng Khi tia laser được chiếu tới bề mặt chi tiết đo tại một góc tới i, tia laser sẽ phản xạ lại Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển một khoảng ∆Z, thì tia phản xạ cũng sẽ dịch chuyển tương ứng trên cảm biến quang điện.

Phương pháp quét laser đường (vệt) cho phép thu thập nhiều điểm trên bề mặt cùng một lúc bằng cách chiếu laser, tạo thành một vệt sáng Phương pháp này có ưu điểm là đo nhanh, với kết cấu cụm đầu đo ổn định và tốc độ quét cao, cho phép thu thập đồng thời các tọa độ (x, y, z) Tuy nhiên, nó yêu cầu kết cấu máy phức tạp và phần mềm xử lý dữ liệu lớn hơn so với phương pháp quét theo điểm, và trong quá trình quét có thể phát sinh nhiều sai số.

Trong đồ án này, phương án quét laser theo điểm được xác định là giải pháp tối ưu, cho phép kết hợp chức năng đo sai lệch độ tròn và quét biên dạng 2D, 3D theo lớp cho các chi tiết có hình dạng trụ tròn.

1.3.2 Kỹ thuật quét biên dạng 3D theo lớp

Kỹ thuật quét 3D sử dụng cảm biến CCD laser để quét từng lớp biên dạng 2D và xếp chồng lên nhau, tạo ra biên dạng 3D chính xác Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo, chi tiết cần được cố định trên mâm xoay tự định tâm, với yêu cầu tâm của chi tiết phải trùng với tâm mâm xoay, đảm bảo độ lệch tâm nhỏ nhất có thể.

Kỹ thuật đo biên dạng 3D theo lớp được thực hiện như sau:

Đầu tiên, Calip xác định vị trí gốc ban đầu (vị trí tham chiếu) để cảm biến có thể đo khoảng cách từ cảm biến đến tâm của mâm cặp ở bất kỳ chiều cao Z nào của vật mẫu Sau đó, tọa độ z0 được thiết lập là vị trí của lớp đầu tiên, tại đây, động cơ trục 1 được điều khiển để giá trị cảm biến về “0”.

Để quét mẫu, động cơ mâm xoay thực hiện một vòng quay và thu thập một lượng mẫu nhất định từ cảm biến Trong quá trình quay, giá trị cảm biến thay đổi theo biên dạng của chi tiết đo, trong khi khoảng cách từ cảm biến đến tâm mâm xoay giữ nguyên Bán kính đo tại mỗi điểm được tính theo công thức: r = d – d1 (1.8).

Bán kính tính toán của chi tiết đo tại điểm đo được ký hiệu là r (mm), trong khi d đại diện cho khoảng cách từ cảm biến đến tâm mâm xoay (mm) Khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chi tiết đo tại vị trí hiện tại được ký hiệu là d1 (mm), và giá trị d1 sẽ thay đổi tùy thuộc vào thông số của từng loại cảm biến.

Sau khi hoàn thành quét một vòng, động cơ trục 2 (trục z) sẽ điều chỉnh góc để di chuyển vị trí cảm biến đến khoảng cách mong muốn, và quy trình này sẽ lặp lại cho đến khi đạt được chiều cao cần quét Độ chính xác của quá trình lấy mẫu phụ thuộc vào tính chính xác của cơ khí và khả năng lọc nhiễu trong quá trình lấy mẫu Sau khi quét xong, chúng ta sẽ thu thập được một tập dữ liệu gồm các giá trị đo được, tập dữ liệu này sẽ được lưu trữ và xử lý trên máy tính để thực hiện tính toán và mô phỏng.

Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu cách xác định sai lệch độ tròn của chi tiết có biên dạng trụ tròn

- Tìm hiểu nguyên lý quét biên dạng 2D và quét biên dạng 3D theo lớp của chi tiết có biên dạng trụ tròn

- Ứng dụng phương pháp đo không tiếp xúc vào chế tạo thiết bị đo dùng cảm biến laser.

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống kết hợp các tính năng:

- Xác định sai lệch độ tròn

- Quét bề mặt và mô phỏng biên dạng 2D, 3D theo lớp

Dùng cho các chi tiết đo có:

Biên dạng trụ tròn và các biên dạng phức tạp, đối xứng và đồng tâm như ổ bi, bạc lót, chi tiết trục, chi tiết trụ đa giác và chi tiết bánh răng nhỏ đều đóng vai trò quan trọng trong cơ khí Những chi tiết này không chỉ đảm bảo tính chính xác và hiệu suất của máy móc mà còn góp phần nâng cao độ bền và tuổi thọ của sản phẩm.

- Đường kính nhỏ hơn 33mm

- Sai lệch độ tròn tối đa: ±5mm

- Chiều cao tối đa của chi tiết: 50 mm

- Khoảng quét tối đa: 30 mm

- Hệ thống có khả năng đánh giá kết quả nhanh chóng và chính xác, hoạt động ổn định

CƠ SỞ VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Yêu cầu thiết kế

- Đo được biên dạng của chi tiết biên dạng tròn có chiều cao từ 2cm đến 5cm

- Lựa chọn động cơ phù hợp để điều khiển truyền động các trục

- Hạn chế dung sai của các chi tiết máy và dung sai của các mối ghép.

Sơ đồ nguyên lý máy

Hình 2- 1 Sơ đồ nguyên lý máy [6]

Từ sơ đồ nguyên lý ở hình trên, ta có thể xác định được kết cấu của từng cụm chuyển động gồm:

Cụm chuyển động của bộ phận gá chi tiết đo được truyền động từ động cơ thông qua các cơ cấu như bánh răng, đai-puly hoặc qua truyền động trực tiếp qua khớp nối.

Cụm chuyển động điều khiển vị trí cảm biến theo trục Z bao gồm động cơ kết nối với cơ cấu vít me – đai ốc bi qua khớp nối trục, trong đó vít me được dẫn hướng bởi hai trục dẫn hướng và bạc trượt.

Chọn loại động cơ truyền động

Trong ứng dụng đo – quét biên dạng theo điểm, phần động cơ thường được điều khiển chủ yếu theo 2 phương án:

Phương án quét dựa trên nguyên lý đồng bộ giữa tốc độ động cơ xoay chi tiết và tốc độ lấy mẫu của bộ thu thập dữ liệu yêu cầu chính xác thời gian quét mẫu và điều khiển tốc độ động cơ Phương pháp này thường sử dụng động cơ Servo nhờ khả năng điều khiển tốc độ quay chính xác, đồng thời bộ thu thập dữ liệu cần hoạt động theo các thông số tùy chỉnh của người dùng Tuy nhiên, phương án này có nguyên lý phức tạp và khó thiết kế, chế tạo hơn so với các phương án khác.

Phương án 2 đề xuất quét theo từng bước chuyển động của động cơ, trong đó bộ thu thập dữ liệu sẽ ghi nhận kết quả từ cảm biến sau mỗi bước quay Ưu điểm của phương án này là dễ dàng đồng bộ hóa giữa động cơ và bộ thu thập dữ liệu trong quá trình quét mẫu Tuy nhiên, số mẫu lấy cho mỗi lớp cần phải nhỏ hơn hoặc bằng số bước quay trong một vòng Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng động cơ bước và driver điều khiển với số vi bước lớn.

Trong phạm vi đồ án này, phương án 2 được xem là lựa chọn tối ưu hơn do tính thuận tiện trong việc điều khiển và khả năng giảm chi phí chế tạo Hơn nữa, động cơ bước còn mang lại nhiều ưu điểm đáng kể.

Hệ thống cơ khí sử dụng động cơ bước kết hợp với các bộ driver có độ phân giải vi bước lớn, đảm bảo hoạt động ổn định và duy trì hiệu suất trong thời gian dài Mỗi cụm chuyển động sẽ được lựa chọn động cơ bước khác nhau, phù hợp với kích thước và công suất cần thiết.

Thiết kế bộ phận gá chi tiết đo

2.4.1 Chọn phương án gá mẫu Đối với bộ phận gá mẫu chi tiết, khi động cơ hoạt động sẽ gây ra rung động truyền đến chi tiết đo làm xuất hiện nhiễu và giảm độ chính xác khi đo, do đó khi thiết kế phải lựa chọn phương án giảm thiểu độ rung truyền đến chi tiết đo, đồng thời tránh những hiện tượng làm sai lệch như lệch tâm, đảo trục, … Các phương án thiết kế:

+ Ưu điểm: Độ đảo khi quay thấp, đảm bảo được độ đồng trục khi quay chi tiết có chiều dài lớn

+ Nhược điểm: Chỉ phù hợp với chi tiết trụ tròn đặc, đối với chi tiết trụ tròn rỗng có đường kính lỗ lớn sẽ không thể chống tâm

Phương án 2 trong kỹ thuật gá chi tiết đo theo chiều dọc cho phép cố định một đầu của chi tiết bằng mâm cặp tự tâm, trong khi đầu còn lại được giữ tự do.

Ưu điểm của phương pháp này là khả năng phù hợp với các chi tiết ngắn và trụ tròn rỗng, có cấu trúc đơn giản và quy trình lắp đặt mẫu dễ dàng Nó cũng cho phép gá đặt những chi tiết có biên dạng phức tạp một cách hiệu quả.

+ Nhược điểm: Có độ đảo khi xoay gây mất chính xác đối với những chi tiết có chiều dài lớn

Với yêu cầu đo chi tiết ngắn và các chi tiết dạng trụ tròn rỗng như ổ bi, bạc trượt, và bạc lót, phương án 2 được đánh giá là phù hợp hơn.

2.4.2 Thiết kế bộ phận gá chi tiết đo a) Chọn mâm cặp

Trên thị trường hiện nay có đa dạng loại mâm cặp với nhiều mẫu mã, kích thước và dung sai khác nhau Để đáp ứng yêu cầu thiết kế cho các chi tiết có đường kính dưới 3cm, mâm cặp 4 chấu tự định tâm K02-50 là sự lựa chọn phù hợp.

- Kích thước kẹp phôi hiệu quả: 1mm đến 33mm

- Trọng Lượng: 0.6kg b) Chọn cơ chế truyền động

Cơ chế truyền động trực tiếp: dùng khớp nối mềm hoặc khớp nối đàn hồi truyền động trực tiếp từ động cơ đến thanh nối mâm cặp

- Ưu điểm: đơn giản, dễ thiết kế và lắp đặt

- Nhược điểm: rung động từ động cơ truyền đến chi tiết đo gây nhiễu, không tùy chỉnh được tỉ số truyền động cơ

Cơ chế truyền động bánh răng: dùng truyền động bánh vít hoặc bánh răng côn

- Ưu điểm: Sai số góc quay thấp, momen xoắn cao, tùy chỉnh tỉ số truyền

- Nhược điểm: kết cấu phức tạp, khó thiết kế và lắp đặt

Cơ chế truyền động đai: dùng đai truyền động qua puly gắn trên các trục

- Ưu điểm: Cơ chế đơn giản, dễ thiết kế, lắp đặt, cách ly động cơ giảm rung động, tùy chỉnh tỉ số truyền

- Nhược điểm: Phù hợp với tải trọng nhỏ, đòi hỏi có cơ cấu căng đai mới đảm bảo chính xác góc quay

Cơ chế truyền động đai là lựa chọn tối ưu cho dự án này nhờ vào những đặc tính phù hợp Để thiết kế hiệu quả, cần tính toán các thông số quan trọng như lựa chọn puly, chiều dài đai và khoảng cách tâm puly.

Dựa trên việc so sánh đặc tính và ưu điểm của các loại dây đai, dây đai răng và puly răng sẽ được lựa chọn để truyền động từ động cơ sang thanh nối mâm cặp Các thông số của cơ cấu truyền động đai cũng cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.

Trong ứng dụng quét biên dạng, mâm xoay cần có độ phân giải góc quay cao và tốc độ quay đạt yêu cầu Do đó, tỷ số truyền động đai được lựa chọn là 2.

Dây đai răng được chế tạo bằng phương pháp đúc khuôn với độ chính xác cao, vì vậy việc lựa chọn kích thước dây đai cần tuân theo tiêu chuẩn Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, nên chọn dây đai có chiều dài chuẩn 200mm, bề rộng 6mm và bước răng 2mm.

Hình 2- 3 Dây đai răng đã chọn

Với tỉ số truyền đã tính bằng 2, chọn puly dẫn có số răng là 20 và puly bị dẫn có số răng là 40

Hình 2- 4 a,Puly trục dẫn b,puly trục bị dẫn Bảng 2- 1: Bảng thông số Puly đã chọn

Thông số Puly dẫn Puly bị dẫn

Số răng 20 40 Đường kính ngoài (mm) 16 27.5 Đường kính đỉnh răng (mm) 12 24.8 Đường kính trục (mm) 6.35 10

21 d) Tính khoảng cách tâm giữa 2 puly

Hình 2- 5 Tính khoảng cách tâm 2 puly [7]

Ta có công thức tính chiều dài dây đai: [𝟕]

𝟒𝒄 (𝟏 𝟗) Trong đó: + L: chiều dài dây đai (mm)

+ c: khoảng cách tâm giữa 2 puly (mm)

+ d1: đường kính đỉnh răng puly 1 (mm)

+ d2: đường kính đỉnh răng puly 2 (mm)

Thế số vào công thức (1.9) ta được:

Từ đó suy ra, c = 70.8 (mm)

Để dễ dàng căng đai, cần thiết kế lỗ bắt bu lông dạng rãnh điều chỉnh khoảng cách tâm giữa hai puly trong khoảng từ 65mm đến 75mm.

Hình 2- 6 Chi tiết thành phẩn cụm mâm cặp

1- Cụm mâm cặp K01 - 50 và trục chính phi 10 - dài 12.5 mm

Tấm nối cụm mâm xoay với khung máy

+ Chức năng: cố định cụm mâm xoay vào khung máy

Hình 2- 7 Tấm nối cụm mâm xoay với khung máy

Tấm nối động cơ với mâm xoay

+ Chức năng: kết nối khối đỡ mâm cặp và động cơ

Lỗ gắn bu lông cố định động cơ được thiết kế dạng rãnh để tùy chỉnh khoảng cách, thuận tiện cho việc căng đai

+ Chức năng: đỡ mâm cặp và định hướng trục chính, đảm bảo quay đồng trục

Hình 2- 9 Khối đỡ mâm cặp

Thiết kế bộ phận gá và di chuyển đầu cảm biến

Cụm gá đầu cảm biến giúp điều chỉnh chiều cao quét mẫu qua chuyển động tịnh tiến theo trục Z và khoảng cách từ cảm biến đến mẫu đo qua chuyển động tịnh tiến theo trục X Yêu cầu đối với cơ cấu truyền động là phải đảm bảo độ chính xác cao và hoạt động êm ái, giảm thiểu rung động.

Chọn cơ cấu vít me – đai ốc bi kết hợp trục dẫn hướng và con trượt vì có các ưu điểm:

- Hoạt động êm, ít rung động, độ chính xác cao

- Dễ tính toán, thiết kế và lắp đặt

Hình 2- 10 Cơ cấu vít me - đai ốc bi [8]

2.5.2 Thông số các chi tiết của cụm truyền động

Thông số cụm truyền động trục Z

Vít me – đai ốc bi:

- Chất liệu trục vitme: thép không rỉ

- Chất liệu đai ốc: đồng

Trục dẫn hướng – con trượt:

- Chiều dài trục dẫn hướng: 150 mm

- Đường kính trục dẫn hướng: 8 mm

- Chiều dài con trượt: 24 mm

- Đường kính ngoài con trượt: 15 mm

Thông số cụm truyền động trục X

Vít me – đai ốc bi:

- Chất liệu trục vitme: thép không rỉ

- Chất liệu đai ốc: đồng

Trục dẫn hướng – con trượt:

- Chiều dài trục dẫn hướng: 300mm

- Đường kính trục dẫn hướng: 8mm

- Chiều dài con trượt: 24mm

- Đường kính ngoài con trượt: 15mm

Do kết cấu của bộ phận này phức tạp, việc gia công cơ khí CNC gặp nhiều khó khăn và tốn kém Vì vậy, lựa chọn in 3D bằng vật liệu nhựa PLA là phương án hợp lý Sau khi thiết kế, cụm gá đầu cảm biến đã được hoàn thiện.

Hình 2- 11 Cụm di chuyển động trục X và trục Z

2 -Chi tiết kết nối các cơ cấu truyền động

3 –Khớp nối trục mềm 6.35 mm – 8 mm

4 –Vít me T8 và trục dẫn hướng

5 –Chi tiết trượt bao gồm: 2 con trượt và đai ốc bi

6 –Thanh nối dùng nhôm định hình 3x3

7 –Tấm gá đầu cảm biến a) Chi tiết kết nối các cơ cấu truyền động

- Phương pháp gia công: in 3D

Hình 2- 12 Chi tiết kết nối cơ cấu truyền động

- Phương pháp gia công: in 3D

Hình 2- 13 Chi tiết trượt c) Tấm gá đầu cảm biến

- Phương pháp gia công: in 3D

Hình 2- 14 Tấm gá đầu cảm biến

Thiết kế khung máy

Dùng thanh nhôm định hình để thiết kế khung máy vì có các ưu điểm:

+ Dễ lắp ráp theo thiết kế

+ Đạt độ cứng vững tốt

+ Có thể tháo lắp khi muốn thay đổi một bộ phận

Nhôm có tính chất mềm và dẻo, vì vậy để cắt chính xác, cần sử dụng máy cắt dây EDM Để đảm bảo độ cứng vững cho máy, nên sử dụng thanh nhôm định hình có kích thước 3x3 mm Khung máy được thiết kế theo hình dưới.

Thiết kế bản vẽ 3D

Hình 2- 16 Bản vẽ thiết kế 3D

2 – Cụm gá chi tiết đo và truyền động xoay

3 – Cụm gá đầu cảm biến

4 – Cụm truyền động điều khiển trục X

5 – Cụm truyền động điều khiển trục Z

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ hệ thống điều khiển

Dựa vào sơ đồ nguyên lý máy và phần cơ khí đã thiết kế, hệ thống điều khiển sẽ được phát triển theo sơ đồ khối đã trình bày.

Hình 3- 1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Theo sơ đồ trên, hệ thống điều khiển sẽ gồm các khối chức năng:

Khối điều khiển chính bao gồm máy tính và giao diện người dùng, có nhiệm vụ gửi tín hiệu điều khiển hoặc nhận dữ liệu từ vi điều khiển và hiển thị thông tin lên màn hình.

Khối vi điều khiển nhận tín hiệu từ máy tính và thực hiện các lệnh hoặc gửi dữ liệu phản hồi trở lại Nó có nhiệm vụ điều khiển động cơ, đồng thời tiếp nhận tín hiệu từ encoder và cảm biến quang để truyền về máy tính.

Khối module ADC có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu Analog từ cảm biến thành tín hiệu Digital để đưa vào vi điều khiển Việc lựa chọn module ADC phù hợp cần dựa trên dải điện áp ngõ ra của cảm biến.

- Khối cảm biến quang có nhiệm vụ quét vật cần đo và gửi tín hiệu từ cảm biến về module ADC xử lý

Các khối động cơ trong máy bao gồm các động cơ bước, được điều khiển thông qua Driver Vi điều khiển cung cấp tín hiệu và xung điều khiển cho các Driver này để đảm bảo hoạt động chính xác của các cụm chuyển động.

Khối encoder hồi tiếp có chức năng đo số vòng quay của động cơ và truyền tín hiệu xung về vi điều khiển Vi điều khiển sẽ tiến hành tính toán và xử lý để xác định thông số khoảng cách đã dịch chuyển.

Như vậy, việc thiết kế hệ thống điều khiển sẽ có các nội dung chính:

- Lập trình cho vi điều khiển

- Thiết kế và lập trình giao diện điều khiển trên máy tính.

Chọn cảm biến quét

3.2.1 Chọn loại cảm biến Để đo - quét biên dạng vật thể cần dùng cảm biến đo khoảng cách, hiện nay có các loại cảm biến đo khoảng cách và có đặc tính khác nhau do đó cần lựa chọn cảm biến đo phù hợp, một số loại cảm biến có thể kể đến như: cảm biến hồng ngoại, cảm biến siêu âm, cảm biến laser, … các loại cảm biến này có đặc điểm như sau:

Cảm biến hồng ngoại chủ động thường được sử dụng trong ứng dụng đo khoảng cách, với cấu tạo bao gồm một LED phát tín hiệu và một đầu thu tín hiệu Khi ánh sáng phát ra chiếu vào vật cản và bị phản xạ, cường độ ánh sáng thu được sẽ giúp tính toán khoảng cách Mặc dù các cảm biến này có giá thành thấp và khoảng đo rộng, nhưng độ chính xác không cao do vùng ánh sáng phát ra từ LED có đường kính lớn, dẫn đến sai số lớn khi đo - quét biên dạng Vì vậy, cảm biến hồng ngoại không phù hợp cho đề tài này.

Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát ra chùm sóng siêu âm, sau đó đo khoảng cách dựa trên thời gian phản xạ của sóng từ vật cản Ưu điểm của cảm biến này là độ chính xác cao khi đo khoảng cách các vật thể lớn hoặc mức chất lỏng Tuy nhiên, do vùng sóng siêu âm phát ra có kích thước lớn, cảm biến này không đạt độ chính xác cao khi đo các vật thể nhỏ hoặc bề mặt chi tiết nhỏ Vì vậy, cảm biến siêu âm không phù hợp cho đề tài này.

Cảm biến laser là thiết bị đo khoảng cách gần, thường sử dụng loại cảm biến dịch chuyển với đầu thu và phát chung Thiết bị này hoạt động bằng cách phát tia laser, khi gặp vật cản, tia laser sẽ phản xạ trở lại thấu kính nhận ánh sáng, tạo ra hình ảnh trên phần tử thu ánh sáng Từ vị trí dịch chuyển của điểm ảnh, khoảng cách được tính toán chính xác Với đường kính tia laser nhỏ, cảm biến có khả năng đo chính xác từng vùng trên vật thể, giúp phát hiện các khuyết tật bề mặt nhỏ một cách hiệu quả.

Dựa trên các phân tích đã thực hiện, loại cảm biến lý tưởng cho ứng dụng trong đề tài này là cảm biến laser với đầu thu và phát tích hợp.

3.2.2 Bộ cảm biến Keyence LK – 2001 và đầu cảm biến LK - 031

Cảm biến LK – 2001 và LK – 031 của Keyence là cảm biến CCD laser có độ chính xác cao, được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp Trong đồ án này, chúng sẽ được sử dụng để quét bề mặt và biên dạng của các chi tiết đo.

Hình 3- 2 Keyence LK – 2001 và đầu cảm biến LK – 031 [9]

Bộ cảm biến trên có các thông số:

- Khoảng cách tham chiếu: 30 mm

- Nguồn laser: laser bỏn dẫn màu đỏ nhỡn thấy được với đường kớnh điểm 30 àm và bước sóng 655 nm

- Độ phân giải điện áp đầu ra: 1 mV

- Mức thay đổi điện áp: 1V/ 1mm

- Điện áp đầu ra: ± 5 VDC (khi ngoài vùng đo điện áp ra là 12 VDC)

- Đòng điện đầu ra: 4 – 20 mA (khi ngoài vùng đo là 31,2 mA)

3.2.3 Những lưu ý khi sử dụng cảm biến laser CCD LK - 2001 và LK – 031 a) Cách lắp đặt khi quét chi tiết xoay

Cách lắp đặt đầu cảm biến ảnh hưởng đến độ chính xác khi sử dụng Để ứng dụng hiệu quả trong việc quét chi tiết trụ tròn xoay, cần thực hiện lắp đặt đúng cách.

Hình 3- 3 Cách gá đầu cảm biến LK – 031 [9]

Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo, phương gá đầu cảm biến cần phải vuông góc với phương chuyển động của chi tiết đo Trong trường hợp chi tiết có biên dạng phức tạp, việc gá đầu cảm biến không đúng cách có thể làm thay đổi góc phản xạ của tia laser, dẫn đến sai lệch kết quả đo Ngoài ra, vật liệu và bề mặt của chi tiết đo cũng ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của quá trình đo.

Cường độ phản xạ của tia laser phụ thuộc vào mức độ phản xạ của từng bề mặt Các bề mặt khác nhau như than, đá, thép, gỗ và bê tông có mức độ phản xạ khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng thu thập thông tin Thực tế cho thấy rằng khi chiếu tia laser lên các bề mặt kính, sơn bóng, inox và sứ, thường không thu được thông tin phản xạ Bề mặt trắng có khả năng phản xạ tốt hơn so với bề mặt tối màu, thường có mức độ phản xạ yếu.

37 quét bề mặt và biên dạng khi sử dụng cảm biến này chỉ giới hạn cho một số loại vật liệu và bề mặt phù hợp nhất định.

Bộ thu thập dữ liệu

3.3.1 Chọn phương án thiết kế bộ thu thập dữ liệu

Để thu thập dữ liệu từ cảm biến có tín hiệu ngõ ra điện áp lưỡng cực ±5V, cần sử dụng thiết bị chuyên dụng hoặc tự thiết kế bộ thu thập dữ liệu phù hợp Việc đánh giá các phương án là cần thiết để lựa chọn giải pháp tối ưu.

Phương án 1 là lựa chọn mua các thiết bị thu thập dữ liệu từ các hãng chuyên sản xuất, đảm bảo chất lượng và tính năng phù hợp với nhu cầu sử dụng.

NI (National Instruments) hay các dòng sản phẩm thu thập dữ liệu từ cảm biến của SMARTEC, …

+ Không mất thời gian thiết kế và chế tạo

+ Độ hoàn thiện và độ chính xác của sản phẩm cao, dễ sử dụng

+ Khả năng tùy biến thấp, phụ thuộc vào phần mềm có sẵn

Phương án 2 là sử dụng các board mạch và module thu thập dữ liệu kết hợp với vi điều khiển Phương án này yêu cầu người dùng tự thiết kế và lập trình bộ thu thập dữ liệu để đáp ứng nhu cầu cụ thể.

+ Bộ thu thập dữ liệu sau khi chế tạo có độ nhiễu cao, đòi hỏi lọc nhiễu

+ Các đặc điểm như: tốc độ lấy mẫu, dải tín hiệu đầu vào, độ chính xác, … sẽ không bằng các sản phẩm có sẵn trên thị trường

Trong đồ án này, nhóm quyết định thiết kế một bộ thu thập dữ liệu độc lập, sử dụng vi điều khiển và các module thu thập dữ liệu, nhằm tạo ra sản phẩm có độ tùy biến cao mà không phụ thuộc vào các sản phẩm có sẵn trên thị trường Đồng thời, nhóm cũng sẽ tự phát triển phần mềm điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

3.3.2 Giới thiệu về Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 là một board vi điều khiển phổ biến trong dòng sản phẩm Arduino nhờ vào bộ nhớ lớn và số lượng chân I/O phong phú Trong đồ án này, Arduino Mega 2560 sẽ đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu và điều khiển các cơ cấu chấp hành của hệ thống.

- Vi điều khiển trung tâm: ATMEGA 2560 8-bit

- Tốc độ xung clock: 16 Mhz

3.3.3 Module thu thập dữ liệu AD7606 Để vi điều khiển có thể xử lý được tín hiệu từ cảm biến phải qua bộ ADC chuyển đổi tín hiệu điện áp tương tự sang tín hiệu số

Hình 3- 5 Mô hình chuyển đổi ADC

Dựa trên yêu cầu của thông số cảm biến, module AD7606 được lựa chọn là một board mạch DAS (Data Acquisition System) có khả năng kết hợp với các bộ điều khiển hoặc vi xử lý để thu thập dữ liệu dưới dạng tín hiệu điện áp Module này sử dụng chip trung tâm AD7606 từ hãng Analog Devices, với thông số kỹ thuật phù hợp cho việc thu thập dữ liệu từ cảm biến Keyence LK – 2001 Đặc biệt, module có khả năng kết nối với Arduino, hoạt động như một bộ thu thập dữ liệu với độ phân giải ADC 16 bit.

- Độ phân giải ADC: 16 bit

- Khoảng tín hiệu đầu vào: ±5 VDC hoặc ±10 VDC

- Tốc độ lấy mẫu tối đa: 200,000 mẫu/ giây

- Số kênh đầu vào: 8 kênh

- Chuẩn giao tiếp: 8-bit parallel, 16-bit parallel, SPI, QSPI

Sơ đồ khối chức năng AD7606:

Hình 3- 7 Sơ đồ khối chức năng của AD7606 [8]

3.3.4 Bộ thu thập dữ liệu dùng Arduino Mega 2560 và module AD7606

Arduino có thể kết nối với module AD7606 qua giao tiếp song song hoặc nối tiếp Giao tiếp SPI có ít dây nối và đơn giản nhưng tốc độ không cao Do đó, kết nối theo chuẩn 16-bit song song là lựa chọn tối ưu hơn Chúng ta sẽ lập trình Arduino để giao tiếp với AD7606 theo biểu đồ hoạt động theo thời gian của module này.

Hình 3- 8 Biểu đồ tín hiệu theo thời gian của AD7606 [10]

Chọn động cơ truyền động và driver điều khiển

3.4.1 Chọn động cơ bước cho từng cụm chuyển động

Để đạt được độ chính xác và độ phân giải cao trong ứng dụng quét biên dạng chi tiết, việc lựa chọn động cơ phù hợp với driver có độ chia vi bước cao là rất quan trọng Hiện nay, trên thị trường, driver điều khiển vi bước có mức chia tiêu chuẩn tối đa lên đến 1/128 bước và yêu cầu điện áp hoạt động từ 20 VDC trở lên.

Chọn động cơ bước 23HS7628 thuộc Nema 23 Series cho nhiệm vụ truyền động bộ phận gá mẫu, vì nó đáp ứng đầy đủ các điều kiện cần thiết Đối với cụm điều khiển trục Z, không có yêu cầu đặc biệt nào, do đó cũng chọn động cơ bước 23HS7628 để đảm bảo tính thuận tiện trong việc điều khiển.

Hình 3- 9 Động cơ bước Nema 23HS7628

Động cơ bước 17HS4401-S thuộc Nema 17 Series được lựa chọn cho trục X do kích thước và khối lượng nhỏ hơn, giúp duy trì sự cân bằng khối lượng cho máy Việc này cũng giảm thiểu khó khăn trong thiết kế đồ gá động cơ, đảm bảo đáp ứng các yêu cầu ban đầu.

Hình 3- 10 Động cơ bước Nema 17HS4401-S Bảng 3- 1 Bảng thông số các động cơ đã chọn

THÔNG SỐ Động cơ bộ phận gá mẫu Động cơ trục Z Động cơ trục X Tên động cơ Nema 23HS7628 Nema 23HS7628 Nema 17HS4401-S

3.4.2 Driver điều khiển động cơ bước a) Chọn driver điều khiển vi bước

Để điều khiển động cơ bước một cách êm ái và đạt độ phân giải góc quay cao, driver cần có mức chi vi bước lớn và thông số dòng điện phù hợp Vì vậy, Microstep Driver DM542 được chọn để điều khiển động cơ bước Nema 23HS7628 cho việc quay mâm cặp và truyền động trục Z Đối với động cơ Nema 17HS4401-S điều khiển trục X có công suất nhỏ hơn, driver Microstep TB6600 là sự lựa chọn thích hợp hơn.

Hình 3- 11 Microstep Driver DM542 và TB6600 Bảng 3- 2 Bảng thông số các Microstep Driver đã chọn

THÔNG SỐ DM542 TB6600 Điều khiển động cơ Nema 23HS7628 Nema 17HS4401-S

Mức chia vi bước tối đa

Dải dòng điện đầu ra (A)

Chế độ hạn chế dòng không tải Có Không có Điện áp điều khiển

Dòng điện điều khiển (mA)

10 - 20 10 - 20 b) Sơ đồ kết nối điều khiển microstep driver

Sơ đồ đấu nối điều khiển microstep driver như sau:

Hình 3- 12 Kết nối microstep driver

Tốc độ động cơ được xác định bởi chế độ chia vi bước và tần số xung PWM vào chân Pulse của driver vi bước Trước khi sử dụng driver vi bước, cần điều chỉnh các thông số dòng điện và chế độ chia vi bước trên cụm switch của driver theo bảng thông số được in trên thiết bị.

Hình 3- 13 a, Chỉnh thông số dòng điện b, Chỉnh chế độ vi bước c, Cụm Switch điều chỉnh

3.4.3 Encoder đo số vòng quay động cơ

Tại vị trí cụm truyền động trục X, việc đo khoảng cách dịch chuyển của đầu cảm biến khi điều khiển động cơ là rất quan trọng, vì vậy cần sử dụng encoder cho nhiệm vụ này Việc chọn encoder có độ phân giải cao sẽ giúp đo chính xác số vòng quay của động cơ.

- Loại encoder: encoder tương đối

- Số xung mỗi kênh: 400 xung

Sơ đồ kết nối encoder:

Hình 3- 15 Sơ đồ kết nối Encoder

Sơ đồ nguyên lý mạch điện của hệ thống điều khiển

Hình 3- 16 Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino – AD7606

Hình 3- 17 Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino - hệ thống dẫn động

Arduino Mega 2560 kết nối với máy tính qua cổng COM theo mô hình Master – Slave, với máy tính là Master gửi tín hiệu điều khiển và Arduino là Slave nhận

Mỗi driver microstep bao gồm một chân điều khiển chiều quay nhận tín hiệu số và một chân nhận xung từ Arduino, trong khi chân ENA (kích hoạt on/off driver) sẽ không được kết nối.

Module AD7606 kết nối với Arduino qua giao diện 16-bit song song, nhận tín hiệu từ các bộ cảm biến LK-2001 và LK-031 Dữ liệu được Arduino xử lý và gửi lên máy tính.

Lập trình hệ thống điều khiển

3.6.1 Nguyên lý điều khiển Điều khiển qua truyền thông Serial theo mô hình Master – Slave, trong đó phần mềm điều khiển đóng vai trò là Master kết nối qua cổng COM gửi tín hiệu điều khiển qua Serial của máy tính đến Arduino và Arduino là Slave có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ phần mềm để thực thi yêu cầu hoặc gửi dữ liệu về máy tính Phần mềm điều khiển và Arduino được kết nối qua cổng COM của máy tính và cổng Serial (UART) của Arduino nên để kết nối được cần phải chọn đúng thứ tự cổng COM và tốc độ truyền (Baudrate) trên cả 2 thiết bị Đối với Arduino sẽ được lập trình bằng phần mềm VISUINO và Arduino IDE

Giao diện điều khiển trên máy tính sẽ được thiết kế và lập trình bằng App Designer trên nền tảng phần mềm Matlab

Hình 3- 18 Mô hình điều khiển qua truyền thông Serial

3.6.2 Quy trình lập trình hệ thống điều khiển

Theo sơ đồ nguyên lý, lập trình điều khiển được chia thành hai phần chính: lập trình vi điều khiển theo mô hình slave và lập trình giao diện điều khiển trên máy tính theo mô hình master Các bước lập trình sẽ được thực hiện theo sơ đồ đã định sẵn.

Hình 3- 19 Quy trình lập trình hệ thống điều khiển

VISUINO là phần mềm lập trình Arduino mạnh mẽ, cho phép người dùng lập trình dễ dàng thông qua tính năng kéo – thả các khối và kết nối theo dạng sơ đồ khối, mà không cần sử dụng ngôn ngữ lập trình truyền thống Giao diện của VISUINO được thiết kế thân thiện, giúp tối ưu hóa quá trình lập trình cho cả người mới và chuyên gia.

Hình 3- 20 Giao diện phần mềm VISUINO

Trên giao diện chính của VISUINO, hãy chọn Board Arduino Mega 2560 và kéo khối AD7606 vào màn hình Kết nối chúng theo sơ đồ trong hình 3.16, mục 3.5 để đạt được kết quả như hình minh họa.

Hình 3- 21 Lập trình kết nối Arduino với AD7606

Sau khi hoàn tất chương trình, nhấn vào nút “Send to Arduino IDE” để xuất ra code trên Arduino IDE:

Hình 3- 22 Xuất sang code Arduino IDE b) Lập trình trên Arduino IDE

Giao diện của Arduino IDE:

Hình 3- 23 Giao diện Arduino IDE

Arduino nhận tín hiệu từ máy tính để điều khiển các cụm chuyển động và thu thập dữ liệu từ cảm biến theo một trình tự cụ thể, nhằm mục đích cuối cùng là lấy được dữ liệu biên dạng của chi tiết cần đo.

Nguyên lý quét mẫu liên quan đến việc thu thập dữ liệu cảm biến khi động cơ quay một vi bước cho đến khi hoàn thành một vòng quay Quá trình này lặp lại cho đến khi đạt được chiều cao mong muốn Số lượng dữ liệu cảm biến thu thập ở mỗi lớp tương ứng với số vi bước cần thiết để hoàn thành một vòng, và số mẫu tối đa có thể lấy ở mỗi lớp được tính theo công thức cụ thể.

+ Mmax là số mẫu tối đa lấy được ở mỗi lớp

+ Nmax là số vi bước tối đa của microstep driver

+ i là tỉ số truyền của cơ cấu truyền đai

Do đó ta phải nhập số mẫu lấy ở mỗi lớp bằng với số vi bước để quay 1 vòng

Quy trình xử lý và điều khiển quét lấy mẫu được thực hiện theo lưu đồ dưới đây:

Hình 3- 24 Lưu đồ giải thuật điều khiển quét biên dạng

- Thiết lập lọc nhiễu cho module AD7606:

Trong quá trình thu thập dữ liệu của Arduino và AD7606 từ cảm biến Keyence

Năm 2001, LK sẽ gặp phải nhiễu từ nhiều yếu tố như từ trường của động cơ, rung động và chất lượng dây tín hiệu kém Vì vậy, việc lọc nhiễu trở nên cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong quá trình thu thập dữ liệu.

Chip AD7606 tích hợp tính năng Oversampling, giúp lọc nhiễu hiệu quả trong quá trình thu thập dữ liệu từ các kênh đầu vào Quá trình thiết lập tính năng Oversampling trên AD7606 được thực hiện một cách đơn giản và hiệu quả.

+ Số lần Oversampling được tùy chọn dựa vào 3 chân OS1, OS2, OS3 trên module, như vậy sẽ có 7 chế độ Oversampling: không dùng, 2 lần, 4 lần, 8 lần,

Hình 3- 25 Hoạt động của AD7606 khi dùng Oversampling [10]

Khi số lần Oversampling tăng lên, thời gian lấy mẫu cũng tăng theo, dẫn đến giảm tần số lấy mẫu Tuy nhiên, tốc độ lấy mẫu của AD7606 có thể đạt tới 200 Ksps (lần/giây) với cảm biến.

58 thu thập chỉ cần 2000 sps là đủ nên thiết lập Oversampling ở chế độ 64 lần để đạt kết quả tốt nhất

+ Thiết lập mức điện áp HIGH trên cả 3 chân OS để chọn chế độ Oversampling

64 lần c) Thiết kế giao diện điều khiển và mô phỏng với App Designer

Matlab cung cấp App Designer, cho phép người dùng tự lập trình giao diện, giúp việc tính toán, điều khiển và mô phỏng trở nên dễ dàng và trực quan hơn.

Giao diện của App Designer:

Hình 3- 26 Giao diện thiết kế App Designer

Giao diện điều khiển được thiết kế để điều khiển Arduino cần có các tính năng:

- Lấy dữ liệu từ Arduino và hiển thị lên màn hình

- Gửi tín hiệu điều khiển các cụm chuyển động của máy

- Tính toán các thông số và mô phỏng sau đó hiển thị lên trên giao diện

- Kết nối ổn định, độ trễ thấp, có thể ngắt khẩn cấp khi cần thiết

Như vậy phần mềm điều khiển sẽ được chi làm 3 giao diện chính:

1- Giao diện thiết lập Calip máy và điều khiển vị trí quét

2- Giao diện phân tích biên dạng 2D

3- Giao diện phân tích biên dạng 3D

- Giao diện thiết lập Calip máy và vị trí quét:

Giao diện này cung cấp các tính năng chính, bao gồm hiển thị thông số và điều khiển động cơ, giúp Calip thiết lập khoảng cách tham chiếu và đưa cảm biến đến vị trí cần quét.

Hình 3- 27 Giao diện tab “Setting & Calibration”

1- Chọn cổng COM và tốc độ truyền để kết nối với Arduino

2- Nút nhấn để kết nối với Arduino theo cổng COM và tốc độ truyền đã chọn 3- Hiển thị trạng thái kết nối

4- Các nút điều khiển động cơ trục Z và trục X, chức năng của mỗi nút như sau: + Z+/ Z-: Di chuyển trục Z lên/ xuống 0.05 mm

+ X+/ X-: Di chuyển trục X sang phải/ trỏi 0.00125 mm (1,25àm)

+ Những nút Hold là nút nhấn tự giữ quay động cơ liên tục

5- Điều khiển động cơ xoay mâm cặp:

+ CW/CCW: quay thuận/ ngược chiều kim đồng hồ một góc 9 o

6- Điều khiển động cơ trục X di chuyển cảm biến về giá trị 0

7- Điều khiển động cơ trục Z di chuyển cảm biến về vị trí thấp nhất trục Z 8- Kết thúc và ngắt kết nối với Arduino

9- Hiển thị thông số lập trình theo giá trị của encoder và cảm biến

- Giao diện phân tích biên dạng 2D:

Giao diện này cung cấp các chức năng chính bao gồm tải dữ liệu đã quét, tính toán và vẽ biên dạng 2D cùng với biểu đồ bán kính trên phần mềm.

Hình 3- 28 Giao diện tab “2D Analysis”

Giao diện này hiển thị các thông số của lớp hiện tại trên ô thứ tự lớp:

1- Nút nhấn tải dữ liệu từ file lưu mẫu đã quét lên phần mềm

2- Tính toán sai lệch độ tròn từ các thông số bán kính đã đo được, với:

Trong đó: E là sai lệch độ tròn

Rmax là thông số bán kính lớn nhất

Rmin là thông số bán kính nhỏ nhất

3- Biểu đồ hiển thị biên dạng 2D

4- Hiển thị thứ tự lớp hiện tại và chuyển lớp hiển thị

5- Biểu đồ hiển thị các bán kính đã đo được

- Giao diện phân tích biên dạng 3D

Hình 3- 29 Giao diện tab “3D Simulation”

1- Biểu đồ hiển thị mô phỏng 3D

2- Ô đặt tên file muốn xuất hình mô phỏng 3D ra định dạng file STL

3- Nút nhấn xuất ra file STL theo tên file đã nhập d) Quy trình sử dụng hệ thống điều khiển

Bước 1: Kết nối Arduino với phần mềm điều khiển qua truyền thông Serial:

Dùng cáp kết nối 1 đầu USB – type B vào Arduino và 1 đầu cáp USB – type

A vào cổng USB trên máy tính

Hình 3- 30 Dùng cáp kết nối máy tính với Arduino

Trên phần mềm đã thiết kế trên App Designer vào giao diện “Setting &

Calibration” chọn cổng COM đã kết nối và tốc độ truyền sau đó nhấn nút Connect để kết nối

Hình 3- 31 Giao diện kết nối với Arduino

Bước 2: Thiết lập khoảng cách tham chiếu và chọn vị trí cần đo

Trên giao diện “Cài đặt & Hiệu chuẩn”, người dùng có thể sử dụng các thông số hiển thị và nút điều khiển để đo khoảng cách tham chiếu, đồng thời điều khiển động cơ các trục nhằm đưa cảm biến đến vị trí quét mong muốn.

Hình 3- 32 Giao diện thiết lập khoảng cách tham chiếu

Sau khi thực hiện xong, nhấn vào nút Finish để lưu lại các thông số và ngắt kết nối với Arduino

Bước 3: Dùng phần mềm VISUINO để thu thập dữ liệu:

Phần mềm VISUINO cho phép lưu trữ dữ liệu đã truyền qua Serial, giúp người dùng tận dụng tính năng này để lưu trữ thông tin hiệu quả Để bắt đầu, hãy chọn cổng COM và tốc độ truyền giống như khi kết nối với giao diện điều khiển Sau đó, tiến hành kết nối và nhập các thông số lấy mẫu vào ô giao tiếp Serial.

+ Số mẫu lấy mỗi lớp (lưu ý số mẫu lấy mỗi lớp bằng với số vi bước để quay hết 1 vòng)

+ Khoảng cách giữa các lớp mong muốn, mm

(Khoảng cách nhỏ nhất giữa các lớp là 0.00125 mm)

Hình 3- 33 Giao diện giao tiếp Serial trên VISUINO

Hình 3- 34 Nhập thông số vào Serial Command

Sau khi quét mẫu, dữ liệu từ cảm biến sẽ được hiển thị trên màn hình Quá trình nảy của dữ liệu sẽ tự động được lưu trữ vào file có định dạng ".log".

Hình 3- 35 Dữ liệu được lưu ở file lưu trữ

Sau khi quét mẫu xong, nhấn vào nút “Disconnect” để lưu lại file lưu trữ và tiến hành phân tích, mô phỏng

Bước 4: Phân tích và mô phỏng 2D:

CHẾ TẠO THIẾT BỊ

Chế tạo phần cơ khí

Các bộ phận chính cần chế tạo gồm:

Cụm truyền động trục Z yêu cầu độ cứng vững và độ chính xác cao thường được chế tạo từ vật liệu kim loại qua gia công cơ khí đơn giản Đối với những chi tiết phức tạp hơn, phương pháp in 3D sẽ được áp dụng để đảm bảo chất lượng và tính chính xác của sản phẩm.

4.1.1 Chế tạo cụm mâm xoay

- Chức năng: cụm mâm xoay có chức năng gá chi tiết đo và chuyển động xoay chi tiết để đo biên dạng

Yêu cầu chế tạo mâm xoay cần đảm bảo độ cứng vững tốt và đáp ứng các tiêu chí thiết kế Độ chính xác trong gia công và lắp đặt cụm mâm xoay có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả đo.

- Gia công và chế tạo các chi tiết:

Các chi tiết gia công của cụm mâm xoay bao gồm:

+ Tấm kết nối mâm cặp với động cơ

+ Tấm kết nối mâm xoay với khung máy

+ Trục chính mâm cặp a) Khối đỡ mâm cặp:

- Phương pháp gia công: dùng máy cắt dây EDM và máy phay CNC

- Kết quả sau khi gia công:

Hình 4- 1 Khối đỡ mâm cặp b) Tấm kết nối mâm cặp với động cơ

- Phương pháp gia công: dùng máy cắt dây EDM và máy phay CNC

- Kết quả sau khi gia công:

Hình 4- 2 Tấm kết nối mâm cặp với động cơ c) Tấm kết nối cụm mâm xoay với khung máy

- Phương pháp gia công: dùng máy cắt dây EDM và máy phay CNC

- Kết quả sau khi gia công:

Hình 4- 3 Tấm kết nối mâm xoay với khung máy d) Trục chính mâm cặp

- Phương pháp gia công: dùng máy tiện CNC

- Kết quả sau khi gia công:

Hình 4- 4 Trục chính mâm cặp

75 e) Lắp ráp cụm mâm xoay:

Hình 4- 5 Lắp ráp cụm mâm xoay

4.1.2 Chế tạo cụm truyền động trục X

- Chức năng: truyền động di chuyển đầu cảm biến theo trục X

Để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong quá trình chế tạo, yêu cầu chính là chi tiết gá động cơ và chi tiết gá encoder cần phải có độ cứng vững cao Điều này đảm bảo rằng khi được lắp đặt, chúng phải đồng trục với vít me, giúp tăng cường độ chính xác và ổn định trong hoạt động.

- Chế tạo các chi tiết:

Trục X truyền động bằng cơ cấu vít me – đai ốc bi nên đa số chi tiết đều mua sẵn, các chi tiết cần chế tạo ở cụm này bao gồm:

+ Chi tiết gá động cơ

+ Chi tiết gá encoder a) Chi tiết gá động cơ

- Phương pháp gia công: in 3D

- Kết quả sau khi in 3D:

Hình 4- 6 Chi tiết gá động cơ trục X b) Chi tiết gá Encoder

- Phương pháp gia công: in 3D

- Kết quả sau khi in 3D:

Hình 4- 7 Chi tiết gá Encoder

4.1.3 Chế tạo cụm truyền động trục Z và gá cảm biến

- Chức năng: di chuyển đầu cảm biến theo trục Z và gá cố định đầu cảm biến vào chi tiết trượt

Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, yêu cầu chế tạo bao gồm việc đảm bảo độ cứng vững cho bộ phận gá động cơ trục Z, đồng thời phải đảm bảo rằng động cơ được gá đồng trục với vít me Ngoài ra, bộ phận gá đầu cảm biến cần phải được thiết kế để ngăn chặn tình trạng cảm biến bị nghiêng hoặc rung lắc trong quá trình chuyển động.

- Chế tạo các chi tiết:

Các chi tiết cần chế tạo trong cụm này bao gồm:

+ Chi tiết kết nối cơ cấu truyền động trục X và trục Z

+ Tấm gá đầu cảm biến a) Chi tiết kết nối cơ cấu truyền động trục X và trục Z

- Phương pháp gia công: in 3D

- Kết quả sau khi in 3D:

Hình 4- 8 Chi tiết kết nối cơ cấu truyền động trục X và trục Z b) Chi tiết trượt

- Phương pháp gia công: in 3D

- Kết quả sau khi in 3D:

Hình 4- 9 Chi tiết trượt c) Tấm gá đầu cảm biến

- Phương pháp gia công: in 3D

- Kết quả sau khi in 3D:

Hình 4- 10 Tấm gá đầu cảm biến

Chế tạo bộ điều khiển và thu thập dữ liệu

Các thành phần của bộ điều khiển và thu thập dữ liệu bao gồm:

Các thành phần này có sẵn trên thị trường, vì vậy bạn chỉ cần mua và sử dụng mà không cần thiết kế mạch in Do đó, yêu cầu về các yếu tố kết nối cần được chú ý.

+ Chọn dây dẫn kết nối cho các chân phù hợp, chắc chắn

+ Đối với đường dây tín hiệu phải chọn loại dây có chống nhiễu

Hình 4- 11 Bộ điều khiển và thu thập dữ liệu

Mô hình thực tế

Hình 4- 12 Mô hình thực tế

Hình 4- 13 Kết nối và thử nghiệm mô hình

Sau khi chế tạo, hệ thống có các thông số như sau:

- Tốc độ lấy mẫu tối đa: 650 mẫu/ giây

- Mức thay đổi nhỏ nhất đo được của cảm biến: 1 àm

- Số mẫu lấy được tối đa mỗi lớp: 51200 mẫu

- Đường kính tối đa của chi tiết đo: 33 mm

- Chiều cao tối đa của chi tiết đo: 50 mm

- Khoảng chiều cao quét được tối đa: 30 mm

- Sai lệch biên dạng tối đa đo được: +/-5 mm

- Độ phõn giải khoảng cỏch tối đa giữa cỏc lớp: 0.00125 mm (1.25 àm)

Các chi tiết đo phù hợp sử dụng:

- Các chi tiết có biên dạng trụ tròn

Các chi tiết có hình dạng phức tạp nhưng vẫn đảm bảo tính đối xứng hoặc đồng tâm, chẳng hạn như trụ lục giác, bánh răng (với khoảng cách từ vòng đỉnh răng đến vòng chân răng nhỏ hơn 5mm), đai ốc và các chi tiết tương tự, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật.

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Calip máy đo

Nguyên lý Calip máy là sử dụng chi tiết đo có kích thước đã biết để tiến hành đo bằng cảm biến Dữ liệu thu thập từ cảm biến sẽ được so sánh để xác định độ chính xác Quá trình Calip được thực hiện thông qua các thử nghiệm cụ thể.

5.1.1 Thử nghiệm 1: Đo trụ bậc

Sử dụng các chi tiết đã được xác định bậc và kích thước, di chuyển cảm biến đến các vị trí khác nhau với bán kính khác nhau của chi tiết Sau đó, thu thập dữ liệu đo được từ cảm biến để tiến hành so sánh và kiểm tra.

Chi tiết đo thử nghiệm:

Hình 5- 1 Chi tiết trụ bậc

Thông số kích thước đã biết trước của chi tiết:

Hình 5- 2 Thông số kích thước trụ bậc

Chênh lệch bán kính thực tại 2 điểm trên là 1mm

Bước 1: Gá chi tiết đo mâm cặp và khởi động hệ thống

Hình 5- 3 Gá chi tiết đo lên mâm cặp

Bước 2: Di chuyển đầu cảm biến đến điểm 1 theo hình bên dưới và điều chỉnh để cảm biến về giá trị 0

Hình 5- 4 Các điểm đo thử nghiệm

Di chuyển đầu cảm biến đến điểm 2 và ghi lại giá trị đo được hiển thị trên giao diện điều khiển để thống kê kết quả.

Hình 5- 5 Giá trị cảm biến hiển thị trên giao diện điều khiển

Lập lại quy trình trên đo 4 vị trí trên chi tiết mỗi vị trí đo 5 lần, thu được kết quả đo như bảng:

Bảng 5- 1 Bảng thống kê kết quả đo

Vị trí 1 Vị trí 2 Vị trí 3 Vị trí 4

Với chênh lệch bán kính thực giữa hai điểm là 1mm, giá trị cảm biến lý thuyết đạt -1V Kết quả thử nghiệm cho thấy sai số lớn nhất là 0.030V.

- Do chỉ cố định một đầu chi tiết đo nên khi gá lên mâm cặp sẽ có độ nghiêng

- Do bộ thu thập dữ liệu chưa tối ưu nên sẽ còn độ nhiễu nhất định

5.1.2 Thử nghiệm 2: Đo khoảng cách dịch chuyển

Từ vị trí ban đầu của cảm biến, di chuyển cảm biến theo từng khoảng cách xác định để thu thập dữ liệu đo được Để đảm bảo độ chính xác trong việc dịch chuyển, cần sử dụng encoder và động cơ bước cho trục X với độ phân giải 1,25mm Dựa vào khoảng cách đã dịch chuyển và dữ liệu từ cảm biến, tiến hành so sánh để xác định sai số.

Bước 1: Gá chi tiết đo và khởi động hệ thống

Hình 5- 6 Gá chi tiết đo lên mâm cặp

Bước 2: Chỉnh cảm biến về giá trị 0 và reset giá trị hiển thị khoảng cách dịch chuyển của encoder về giá trị mặc định để dễ quan sát

Hình 5- 7 Giá trị hiển thị trên máy tính

Bước 3: Khi điều khiển động cơ dịch chuyển một đoạn, encoder sẽ đo lường và xác nhận quãng đường đã di chuyển Chẳng hạn, khi động cơ di chuyển ra xa 1mm, khoảng cách mà encoder ghi nhận sẽ tăng từ 54.250 mm lên 55.250 mm.

Hình 5- 8 Giá trị thu được sau khi chỉnh khoảng cách

Bước 4: Sau khi dịch chuyển, lấy giá trị cảm biến đo được thống kê và so sánh độ chính xác

Thực hiện quy trình trên cho các khoảng cách 1mm, 2mm, 3mm, 4mm Mỗi khoảng cách đo lấy kết quả 5 lần, thu được kết quả như bảng:

Bảng 5- 2 Bảng thống kê kết quả đo

Kết quả cho thấy rằng khi khoảng cách di chuyển tăng lên, độ chính xác giảm sút Các sai lệch lớn nhất xuất hiện ở những khoảng cách xa.

Nguyên nhân gây sai số:

- Do sai số của cảm biến

- Do dung sai cơ khí của cụm truyền động trục X

- Do nhiễu của bộ thu thập dữ liệu

Kết quả từ hai thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt mục tiêu ban đầu, mặc dù còn nhiều sai số Sai lệch chủ yếu xuất phát từ dung sai của các chi tiết in 3D và dung sai trong mối ghép của các bộ phận cơ khí Như vậy, hệ thống đã đáp ứng yêu cầu để thực hiện đo biên dạng.

Thực nghiệm ứng dụng máy vào đo – quét biên dạng 2D

5.2.1 Quy trình xác định khoảng cách tham chiếu cho máy

Trước khi sử dụng máy đo độ tròn hoặc quét biên dạng, cần xác định khoảng cách tham chiếu để tính toán kích thước chi tiết Đặc biệt, khi đo các chi tiết trên mâm xoay, cần xác định khoảng cách từ mặt cảm biến đến tâm mâm cặp, sử dụng kích thước đã biết của mâm cặp làm điểm tham chiếu trong quy trình đo.

Trong thử nghiệm, chi tiết đo được sử dụng là những chi tiết có kích thước đã biết trước nhằm kiểm tra độ chính xác của công đoạn Các thông số của chi tiết đo được ghi nhận đầy đủ để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình kiểm tra.

Hình 5- 9 Mẫu thực nghiệm đo biên dạng

Quy trình xác định khoảng cách từ mặt cảm biến đến tâm mâm cặp được tiến hành theo các bước:

Bước 1: Kết nối máy tính với Arduino bằng cáp 1 đầu USB - A và 1 đầu USB - B

Mở giao diện điều khiển đã lập trình trên App Designer, vào tab “Setting &

Hình 5- 10 Giao diện điều khiển và thiết lập

Bước 2: Khởi động hệ thống và tiến hành gá mẫu lên mâm cặp Quá trình gá mẫu được thực hiện thủ công với loại mâm cặp tự định tâm, chỉ cần đặt chi tiết lên và siết chặt để cố định.

Hình 5- 11 Gá chi tiết đo lên mâm cặp

Bước 3: Chọn cổng COM đã kết nối và tốc độ truyền trên giao diện điều khiển, sau đó nhấn Connect để kết nối

Hình 5- 12 Kết nối với Arduino

Nhấn nút Reset Home để điều khiển động cơ trục Z đưa cảm biến đến vị trí vành mâm cặp Trên trục Z có công tắc hành trình, giúp tự động dừng động cơ khi chạm vào công tắc này.

Hình 5- 13 Nhấn nút Reset Home

Bước 5: Sử dụng nút điều khiển động cơ trục X để điều chỉnh khoảng cách giữa cảm biến và mâm cặp trong khoảng 25mm – 35mm Tiếp theo, nhấn nút AUTO ZERO để động cơ trục X tự động thiết lập giá trị cảm biến về 0 Nếu giá trị chưa đạt đúng 0, hãy sử dụng các nút điều chỉnh động cơ để tinh chỉnh lại.

Hình 5- 14 Nhấn nút AUTO ZERO

Đường kính của vành mâm cặp là 48.5mm, do đó bán kính sẽ là 24.25mm Khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt mâm cặp tại vị trí “ZERO” là 30mm Khoảng cách từ cảm biến đến tâm mâm cặp được tính toán dựa trên các thông số này.

- D là khoảng cách từ cảm biến đến tâm mâm cặp

- D1 là khoảng cách tham chiếu của cảm biến tại vị trí ZERO (theo thông số của nhà sản xuất)

- D2 là bán kính vành mâm cặp

Hình 5- 15 Khoảng cách từ cảm biến đến tâm mâm cặp

Bước 6: Nhấn nút Reset cạnh ô hiển thị giá trị khoảng cách từ cảm biến đến tâm mâm cặp về giá trị mặc định là 54.250 mm

Hình 5- 16 Nhấn nút Reset giá trị khoảng cách mặc định

Bước 7: Nhấn nút điều khiển động cơ trục Z đưa cảm biến lên vị trí cần đo

Hình 5- 17 Điều khiển vị trí trục Z

Bước 8: Điều khiển động cơ trục X để đưa cảm biến vào vị trí đo, sau đó nhấn AUTO ZERO Động cơ trục X sẽ tự động đưa cảm biến về vị trí "0", trong khi encoder ghi lại khoảng cách đã dịch chuyển và hiển thị kết quả trên phần mềm.

Hình 5- 18 Nhấn AUTO ZERO để động cơ điều chỉnh tự động

Tại đây, giá trị hiển thị trên ô “Khoảng cách từ cảm biến đến tâm mâm cặp” chính là giá trị ta cần tìm

Hình 5- 19 Giá trị khoảng cách cần tìm

Với kết quả trên bán kính chi tiết đo được tính theo công thức:

Trong đó: R là bán kính tính được của chi tiết

D là khoảng cách từ cảm biến đến tâm mâm cặp đã tìm được D1 là khoảng cách tham chiếu của cảm biến tại vị trí “0”

Từ bán kính thực đã biết trong bảng vẽ chi tiết ở hình là 12.5 mm, sai lệch là:

Nguyên nhân gây sai lệch:

- Do chỉ cố định một đầu chi tiết đo nên khi gá lên mâm cặp sẽ có độ nghiêng,

- Do bộ thu thập dữ liệu chưa tối ưu nên sẽ còn độ nhiễu nhất định

5.2.2 Thực nghiệm ứng dụng quét biên dạng 2D và đo sai lệch độ tròn a) Chi tiết đo

- Sử dụng chi tiết đo chốt dẫn hướng SGOH giống trong thực nghiệm trên

Hình 5- 20 Chi tiết đo b) Quy trình thực nghiệm: Đầu tiên thực nghiệm quét biên dạng 2D tại vị trí cao 2.5 mm theo các bước:

Hình 5- 21 Đo tại vị trí cao 2.5 mm

Bước đầu tiên là kết nối phần mềm điều khiển với Arduino và thiết lập gá mẫu tương tự như trong thực nghiệm mục 5.2.1 Sau khi thực hiện, kết quả thu được cho thấy khoảng cách từ cảm biến đến mâm cặp.

Hình 5- 22 Thông số hiển thị trên máy tính

Bước 2: Nhấn nút Finish để lưu lại giá trị khoảng cách và ngắt kết nối với Arduino, sau đó chuyển sang mở phần mềm VISUINO để quét mẫu đo

Hình 5- 23 Nhấn Finish để ngắt kết nối

Bước 3: Trên giao diện Serial của VISUINO, chọn cổng COM và tốc độ truyền sau đó nhấn Connect để kết nối với Arduino

Hình 5- 24 Kết nối VISUINO với Arduino

Nhập số mẫu cần lấy vào ô lệnh trong giao diện Serial, với số lượng mẫu là 12800 Lưu ý rằng số mẫu lấy cho mỗi lớp phải bằng với số vi bước để hoàn thành một vòng quay.

Hình 5- 25 Nhập thông số lấy mẫu

Để bắt đầu quá trình quét dữ liệu cho Arduino, hãy nhập ký tự 'i' Dữ liệu quét được sẽ hiển thị trên màn hình giao tiếp Serial của VISUINO và được lưu trữ trong một file văn bản định dạng ".log" Đường dẫn của file lưu trữ này sẽ nằm trong thư mục hoạt động của phần mềm Matlab.

Hình 5- 26 Nhập ký tự ‘i' để bắt đầu quét

Sau khi hoàn tất quá trình quét, hãy nhấn vào nút Disconnect để ngắt kết nối với Arduino và lưu lại file dữ liệu Tiếp theo, mở giao diện điều khiển, truy cập vào tab “2D analysis” và nhấn nút để tiếp tục.

LOAD để tải dữ liệu lên tính toán và vẽ lên các biểu đồ

Hình 5- 27 Kết quả biên dạng 2D và sai lệch độ tròn

Trên giao diện này, dữ liệu tải lên cho thấy sai lệch độ tròn là 0.040mm cùng với bán kính lớn nhất và nhỏ nhất đã được đo Biểu đồ biên dạng thể hiện biên dạng 2D mô phỏng từ dữ liệu đã thu thập.

Lập lại quy trình trên và quét biên dạng tại các vị trí có chiều cao 20 mm, 40 mm, 45 mm, kết quả thu được như sau:

Hình 5- 28 Đo tại chiều cao 20 mm

- Tốc độ lấy mẫu: 650 mẫu/ giây

- Thời gian quét lấy mẫu: 10 giây

Hình 5- 29 Kết quả biên dạng 2D

Hình 5- 30 Đo tại chiều cao 35 mm

- Tốc độ lấy mẫu: 650 mẫu/ giây

- Thời gian quét lấy mẫu: 10 giây

Hình 5- 31 Kết quả biên dạng 2D

Hình 5- 32 Đo tại chiều cao 45 mm

- Tốc độ lấy mẫu: 650 mẫu/ giây

- Thời gian quét lấy mẫu: 10 giây

Hình 5- 33 Kết quả biên dang 2D

Từ những kết quả trên, ta có bảng thống kê kết quả đo:

Bảng 5- 3 Bảng thống kê kết quả đo

Chiều cao quét 20 mm 35 mm 45 mm

Khoảng cách tham chiếu đến tâm mâm cặp (mm)

(mm) 0.137 0.208 0.241 c) Đánh giá kết quả đo

So với kích thước thực tế của chi tiết đo, sai lệch của máy đo là khá cao, đặc biệt khi quét ở vị trí cao, dẫn đến kết quả đo không chính xác Tuy nhiên, mặc dù việc đánh giá độ tròn không đạt yêu cầu, nhưng việc quét biên dạng vẫn đáp ứng được mục tiêu đề ra.

Nguyên nhân gây sai lệch:

- Do độ đảo khi chỉ cố định 1 đầu chi tiết

- Sai số của bộ thu thập dữ liệu và cảm biến

Với kết quả này nếu muốn máy đo chính xác hơn đòi hỏi phải thiết kế lại phần cơ khí.

Thực nghiệm quét biên dạng 3D

Quy trình quét biên dạng 3D giống với quét 2D, khác biệt ở đây là quy trình này quét nhiều lớp 2D để có được biên dạng 3D

Kết nối phần mềm điều khiển với Arduino và thiết lập gá mẫu tương tự như trong thực nghiệm mục 5.2.1, kết quả thu được cho thấy khoảng cách từ cảm biến đến mâm cặp như sau:

Bước 2: Mở phần mềm VISUINO, thiết lập các thông số và kết nối với Arduino Sau đó, nhập các thông số quét mẫu vào ô Command Serial theo định dạng đã quy định.

Hình 5- 36 Giao diện Serial Command

Hình 5- 37 Nhập thông số quét 3D

- Số mẫu lấy mỗi lớp bằng với số vi bước quay 1 vòng

- Khoảng cỏch nhỏ nhất giữa cỏc lớp là: 0.00125 mm (1,25 àm)

Sau khi nhập thông số, nhập ký tự ‘i’ để kích hoạt quá trình quét mẫu Thông số quét mẫu như sau:

- Số mẫu mỗi lớp: 3200 mẫu

- Khoảng cách giữa mỗi lớp 0.1 mm

- Tổng chiều cao quét: 2,5 mm

- Tốc độ lấy mẫu: 650 mẫu/ giây

- Tổng thời gian quét: 2.2 phút

Bước 3: Sau khi quét xong nhấn Disconnect để ngắt kết nối phần mềm VISUINO với

Arduino Chuyển sang giao diện trên App Designer, vào tab “2D Analysis” nhấn

LOAD, phần mềm sẽ tải dữ liệu đã quét lên và mô phỏng biên dạng 2D đồng thời mô phỏng biên dạng 3D trên tab “3D Simulation”

Hình 5- 38 Kết quả giao diện 2D và 3D

Trên giao diện tab “2D Analysis” nhấn vào các nút mũi tên để chuyển đổi lớp quan sát biên dạng

Hình 5- 39 Các nút chuyển lớp quan sát

Để xuất mô hình 3D sang file STL, bạn cần vào tab “3D Simulation”, nhập tên file vào ô "file name" và nhấn nút Export Phần mềm sẽ tự động lưu file STL vào thư mục mặc định của Matlab.

Hình 5- 40 Xuất ra file định dạng stl

File định dạng đuôi STL này có thể mở bằng các phần mềm thiết kế 3D như Solidworks, Inventer hoặc Paint 3D, ở đây ta sẽ dùng Paint 3D mở file, kết quả:

Hình 5- 41 Kết quả file stl đã xuất ra

5.3.2 Thực nghiệm với các chi tiết có biên dạng phức tạp a) Đo chi tiết bánh răng:

Hình 5- 42 Chi tiết bánh răng

- Đường kính vòng đỉnh răng: 20.5 mm

- Đường kính vòng đáy răng: 18.5 mm

- Độ dày bánh răng: 7 mm

Thử nghiệm 1: Lấy 51200 mẫu mỗi lớp, khoảng cách 0.1 mm

Hình 5- 43 Thông số đo thử nghiệm 1

- Số mẫu lấy mỗi lớp: 51200 mẫu

- Khoảng cách giữa các lớp: 0.1 mm

- Tổng chiều cao quét: 1mm

- Tốc độ lấy mẫu: 650 mẫu/ giây

Hình 5- 44 Kết quả biên dạng 2D thử nghiệm 1

Hình 5- 45 Kết quả phân tích 3D thử nghiệm 1

Kết quả xuất file STL:

Hình 5- 46 Kết quả file STL xuất ra thử nghiệm 1

Thử nghiệm 2: Lấy 6400 mẫu mỗi lớp, khoảng cỏch 0.00125 mm (1.25 àm)

Hình 5- 47 Thông số đo thử nghiệm 2

- Số mẫu lấy mỗi lớp: 6400 mẫu

- Khoảng cách giữa các lớp: 0.00125 mm

- Tổng chiều cao quét: 0.125 mm

- Tốc độ lấy mẫu: 650 mẫu/ giây

Hình 5- 48 Kết quả biên dạng 2D thử nghiệm 2

Hình 5- 49 Kết quả phân tích 3D thử nghiệm 2

Kết quả xuất file STL:

Hình 5- 50 Kết quả file STL xuất ra thử nghiệm 2

Hình 5- 51 Chi tiết thử nghiệm

Thông số khoảng cách sau khi thiết lập tham chiếu:

Hình 5- 52 Thông số đo thử nghiệm

- Số mẫu lấy mỗi lớp: 6400 mẫu

- Khoảng cách giữa các lớp: 0.2 mm

- Tổng chiều cao quét: 30 mm

- Tốc độ lấy mẫu: 650 mẫu/ giây

Hình 5- 53 Kết quả biên dạng 2D thử nghiệm

Kết quả mô phỏng biên dạng 3D:

Hình 5- 54 Kết quả mô phỏng 3D thử nghiệm

Kết quả xuất file STL:

Hình 5- 55 Kết quả file STL xuất ra thử nghiệm c) Thử nghiệm quét biên dạng theo chiều từ trên xuống

Mẫu đo thử nghiệm: Sử dụng mẫu như hình 5-51

Thông số khoảng cách sau khi thiết lập tham chiếu:

Hình 5- 56 Thông số khoảng cách tham chiếu

- Số mẫu lấy mỗi lớp: 6400 mẫu

- Khoảng cách giữa các lớp: 0.2 mm

- Tổng chiều cao quét: 10 mm

- Tốc độ lấy mẫu: 650 mẫu/ giây

Kết quả mô phỏng biên dạng 2D:

Hình 5- 57 Kết quả mô phỏng biên dạng 2D

Kết quả mô phỏng biên dạng 3D:

Hình 5- 58 Kết quả mô phỏng biên dạng 3D

Kết quả xuất file STL:

Hình 5- 59 Kết quả xuất file STL Đánh giá kết quả thử nghiệm đổi chiều quét:

Kết quả thử nghiệm quét từ trên xuống và từ dưới lên sẽ khác nhau do sai số trong việc thiết lập góc tọa độ ban đầu và sai số cơ khí Các bộ phận của mô hình thử nghiệm này có dung sai chế tạo và dung sai lắp ghép lớn, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả.

Biến Keyence LK-2001 và LK-031 sở hữu độ nhạy cao, với mức thay đổi nhỏ nhất có thể đo được là 1 âm Kết quả thu được khi quét theo các chiều khác nhau sẽ không giống nhau.

Sai số từ các cơ cấu truyền động như vít me và dây đai, cùng với rung động của động cơ, có thể gây ra sự sai lệch trong kết quả đo giữa các lần đo khác nhau.

Nhận xét chung

Hệ thống đã hoạt động đúng với thiết kế và duy trì sự ổn định, tuy nhiên vẫn còn nhiều sai lệch do dung sai cơ khí, dung sai mối ghép và phương pháp gá mẫu.

Biểu đồ bán kính từ giao diện phân tích biên dạng 2D cho thấy độ đảo khi quay chi tiết và độ rung của động cơ Đối với các chi tiết có biên dạng phức tạp như ren, góc nhọn do ren tạo ra làm tia laser tán xạ, dẫn đến tín hiệu cảm biến bị nhiễu Hệ thống quét biên dạng này phù hợp với các chi tiết có biên dạng đơn giản như trụ tròn, trụ lục giác, ổ bi, bạc trượt và bánh răng nhỏ Bộ thu thập dữ liệu hoạt động ổn định với module AD7606 có khả năng lọc nhiễu tốt Độ chính xác cao hơn khi khoảng đo gần vị trí “0” của cảm biến; trong khoảng ±1 mm từ vị trí “0”, biên độ nhiễu đo được khoảng 8mV Mức độ chính xác khi lọc nhiễu có thể điều chỉnh theo mục đích đo, với độ chính xác cao thì độ trễ tín hiệu cũng tăng lên và ngược lại.