Đồ án tốt nghiệp đề tài máy đánh bóng thấu kính từ tính

Đánh bóng là công đoạn cuối cùng trong quá trình chế tác ra sản phẩm làm từ kim loại. Bằng cách sử dụng các vật rắn hoặc mềm để tác động lên bề mặt của kim loại, chúng sẽ cho ra thành quả cuối cùng là những sản phẩm mịn và bóng, sáng. Vào thế kỷ thứ 20 cho đến những năm đầu thế kỷ 21, thông thường việc đánh bóng kim loại đều được thực hiện thủ công. Người ta sẽ phải dùng chính lực từ tay của mình để thực hiện. Dễ hình dung nhất là việc sử dụng giấy nhám để chà lên các bề mặt sần sùi, với mục đích là làm nhẵn, mịn bề mặt sản phẩm. Việc này không chỉ tốn nhiều thời gian và công sức, mà hiệu quả đánh bóng cũng không cao. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, quy trình đánh bóng đã được công nghiệp hóa. Thay vì làm thủ công, con người đã chế tạo ra hệ thống máy móc hiện đại. Từ đó, năng suất công việc cao hơn và chất lượng sản phẩm cũng tốt hơn rất nhiều.

KHOA CƠ ĐIỆN TỬ

Mục Lục

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÁNH BÓNG TỪ TÍNH 11

1.1 Khái niệm về công nghệ đánh bóng từ tính 11

Định nghĩa 11

Mục đích của quy trình đánh bóng 11

Quy trình đánh bóng 12

1.2 Lịch sử phát triển công nghệ đánh bóng thấu kính 12

Harvey Pollicove và trung tâm sản xuất quang học Error! Bookmark not defined.Báo cáo Jacobs năm 1992 Error! Bookmark not defined.MRF tại COM 17

1.5 Dự kiến kết quả đạt được 32

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY TỰ ĐỘNG ĐÁNH BÓNG THẤU KÍNH SỬ DỤNG DUNG DỊCH TỪ TÍNH MRF 33

2.1 Tổng quan về thiết kế và máy đánh bóng thấy kính trên thị trường 33Máy đánh bóng thấu kính trên thị trường 33

Tổng quan về thiết kế máy 34

2.2 Cấu trúc chung và nguyên lý làm việc của hệ thống 35

Khái niệm về bộ điều khiển PLC 40

2.8 Giới thiệu chung về YoLo 53

Chương 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY TỰ ĐỘNG ĐÁNH BÓNG THẤU KÍNH SỬ DỤNG DUNG DỊCH TỪ TÍNH 57

3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 57

Khung bàn làm việc 58

Cơ cấu quay giữ phôi 58

Cơ cấu máng xoay chứa dung dịch từ tính 59

Cơ cấu giữ và quay tròn thấu kính 60

Cơ cấu trượt vitme 61

Cụm kiểm tra vết xước thấu kính 62

Cụm đỡ nam châm 63

3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 64

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 64

Lưu đồ thuật toán 66

Các bước xây dựng model 95

Tạo giao diện từ Tkinter trong ngôn ngữ Python 102

3.5 Lựa chọn dung dịch đánh bóng 111

Pha dung dịch từ tính 111

Chương 4 CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 113

4.1 Chế tạo mô hình hệ thống cơ khí 113

4.2 Chế tạo mô hình hệ thống điều khiển 114

4.3 Thử nghiệm và đánh giá hoạt động hệ thống 115

Thử nghiệm đánh bóng 115

Đánh giá hoạt động của hệ thống 120

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 William I Kordonski (1938–) Người phát minh ra MRF ảnh năm 1982 13

Hình 1 2 Robot nguyên mẫu năm 1986 sử dụng bộ truyền động chất lỏng MR 14

Hình 1 3 William Kordonski ở Minsk năm 1992 với chiếc máy hoàn thiện lưu biến từ (MRF) đầu tiên của mình 16Hình 1 4 Cận cảnh ảnh và sơ đồ máy MRF ở Minsk năm 1992 16

Hình 1 5 Lowell Mintz (1938-1999) 17

Hình 1 6 Harvey Pollicove (1944-2004) Error! Bookmark not defined.

Hình 1 7 Steve Jacobs và máy máng MRF “nguyên mẫu” tại COM được giới thiệu trên

trang bìa của Laser Focus World vào tháng 9 năm 1995.Error! Bookmark not defined.

Hình 1 8 Sự phụ thuộc của tốc độ loại bỏ (q, µm/phút) vào cường độ từ trường, H, gần

bề mặt của phôi thủy tinh Error! Bookmark not defined.

Hình 1 9 Chuỗi các hạt sắt tròn trong chất lỏng MR thẳng hàng dọc theo các đường sức

từ Các hạt góc cạnh, lớn hơn bám vào chuỗi là các hạt mài mòn alumina Error!

Bookmark not defined.

Hình 1 10 Don Golini (năm 1964– 2000) 19Hình 1 11 Bên trái: Lowell Mintz (trái), Steve Jacobs, William Kordonski và Gennady Gorodkin trao đổi vào ngày 31 tháng 3 năm 1993 tại COM 19Hình 1 12 Máy MRF máng “Preprototype” hoạt động tại COM năm 1993 Máng được quay với tốc độ 40 vòng/phút và trục chính được quay với tốc độ 200 vòng/phút 20

Hình 1 13 Hình ảnh của một trong hai mảnh cực từ Mảnh cực thứ hai nằm bên dưới bàn xoay phía trong máng 20

Hình 1 14 Hệ tọa độ thể hiện hai bậc tự docủa hệ thống máng MRF đầu tiên được thiết lập tại COM vào năm 1993 21Hình 1 15 Điểm đánh bóng được quan sát thấy khi phôi thủy tinh đứng yên được giữ trong máng MRF quay trong 5 giây 21

Hình 1 16 Greg Forbes (1959–) là nhà toán học ứng dụng của nhóm MRF 22

Hình 1 17 Paul Dumas (1968–) là nhà phát triển phần mềm cho MRF 22Hình 1 18 Đầu vào (a, b) và đầu ra (c) của mã Forbes-Dumas, cùng với kết quả quan

Hình 1 19 Sự cải thiện độ ổn định của điểm đánh bóng MR theo thời gian 25

Hình 1 20 Các hạt mài mòn màu trắng được quan sát thấy ở phần trên của chất lỏng MR đã cứng lại trong máng bên dưới phôi 26

Hình 1 21 Hình nhìn từ dưới của máy ép Teflon được đặt trong máng để dẫn chất lỏng vào một dòng hẹp ở phôi 26

Hình 1 22 Cấu hình máy máng kết hợp những tiến bộ của năm phát triển đầu tiên tại COM 27

Hình 1 23 Từ trái sang phải: Vladimir Kordonski, Ed Fess, và Igor Prokhorov tại COM vào tháng 9 năm 1994 27

Hình 1 24 Một dải chất lỏng được phân phối từ ống ở phía dưới bên phải và được định hình bởi lưỡi dao ở giữa 28

Hình 1 25 Hệ thống phân phối chất lỏng có bơm, vòi phun, lưỡi dao tại Minsk năm 1994 28

Hình 1 26 Từ trái sang phải: William Kordonski, Don Golini, Igor Prokhorov và Lowell Mintz ở Minsk năm 1994 29

Hình 1 27 Sai số hình học bề mặt của quả cầu thủy tinh BK7Error! Bookmark not defined.Hình 1 28 một chu kỳ hiệu chỉnh hình MRF Error! Bookmark not defined.Hình 1 29 Ý tưởng của William Kordonski về máy đánh bóng chất lỏng từ lưu biến với bánh xe thẳng đứng thay thế máng ngang 29

Hình 1 30 Mặt cắt ngang 30

Hình 1 31 Bên trái: Máy MRF nguyên mẫu có bánh xe đứng hoạt động tại COM vào tháng 3 năm 1996 với Ed Fess điều khiển Bên phải: Phôi trên trục chính được đặt trên bánh xe thẳng đứng 30

Hình 1 32 Trục tịnh tiến và trục quay của máy công cụ CNC 31

Hình 1 33 Sản phẩm hoàn thiện 31

Hình 2 1 Máy đánh bóng thấu kính Q Flex 100 33

Hình 2 2 Sơ đồ nguyên lý 36

Hình 2 3 Minh họa bề mặt tiếp xúc phôi với dung dịch mài MR 37

Hình 2 5 Một raster bánh xe 10 mm đánh bóng một quang học plano đường kính 20 mm 38

Hình 3 2 Khung bàn làm việc thiết kế trên solidwork 58

Hình 3 3 Cơ cấu quay giữ phôi 58

Hình 3 4 Thông số thiết kế cơ cấu quay giữu phôi 59

Hình 3 5 Máng xoay chứa dung dịch từ tính 59

Hình 3 6 Thông số Cơ cấu máng xoay 60

Hình 3 7 Cơ cấu giữ và quay tròn thấu kính 60

Hình 3 8 Thông số Cơ cấu giữ và xoay thấu kính 61

Hình 3 9 Cơ cấu ray trượt vít me 61

Hình 3 11 Cụm kiểm tra vết xước thấu kính 62

Hình 3 12 Thông số cơ cấu kiểm tra xước thấu kính 63

Hình 3 13 Cụm đỡ nam châm vĩnh cửa 63

Hình 3 14 Bản vẽ layout 65

Hình 3 15 Sơ đồ đi dây của hệ thống 65

Hình 3 16 Cấu trúc chương trình 69

Hình 3 17 Các khối chương trình OB, FB, FC, DB 69

Hình 3 18 Thiết lập chế độ băng xung 70

Hình 3 39 Dữ liệu ảnh ban đầu 97

Hình 3 40 Dữ liệu đầu vào đã được gán nhãn 98

Hình 3 41 Khởi tạo chương trình trên Colab 98

Hình 3 42 Cài các thư viện cần thiết 99

Hình 3 43 Tải dữ liệu lên google drive 99

Hình 3 44 liên kết với google colab và giải nén tập ảnh 100

Hình 3 45 Tệp dữ liệu YOLOv8 100

Hình 3 46 Huấn luyện mô hình 101

Hình 3 47 Kết quả huấn luyện 102

Hình 3 48 Cửa sổ Tkinter 103

Hình 3 49 Tạo giao diện đầu tiên 105

Hình 3 50 Ví dụ đơn giản về label 107

Hình 3 51 Hàm tạo button đơn giản 109

Hình 3 52 Kết nối với camera 110

Hình 3 53 Giao diện hoàn chỉnh cho đề tài 110

Hình 4 2 Mô hình máy đánh bóng sau khi hoàn thiện 113

Hình 4 3 Phôi mẫu sử dụng trong mô hình 114

Hình 4 4 Bố trí trong Layout trong tủ điện 114

Hình 4 10 Vết xước được phát hiện trên phôi 119

Hình 4 11 Hệ thống sau khi hoàn thành 120

Hình 4 12 Dung dịch từ tính 120

Hình 4 13 có thể phát hiện vết xước trên phôi 121

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Bảng thông số máy 33

Bảng 2 2 Bảng thông số cầu đấu 51

Bảng 3 1 Bảng thông số van hút chân không 85

Bảng 3 2 Bản thông số van điện từ ẢITAC 4V210-08 85

Bảng 3 3 Bảng thông số kĩ thuật driver TB6600 86

Bảng 3 4 Bản thông số Driver MD5-HD14 87

Bảng 3 5 Thông số aptomat MCP-32AN-10A 89

Bảng 3 6 Bộ thông số nguồn 24V 90

Bảng 3 7Thông số công tắc nút nhấn nhả 92

Bảng 3 8 Thông số cảm biến tiệm cận 92

Bảng 3 9Thông số cảm biến hổng ngoại 93

Bảng 3 10 Thông số công tắc hành trình 94

Bảng 3 11 Các kiểu widget trong Tkint 103

Bảng 3 12 Các tùy chọn thường dùng cho nhãn khi làm việc với label 105

Bảng 3 13 Các tùy chọn thường dùng cho nút bấm 108

Bảng 3 14 Phương thức và giải tích 109

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÁNH BÓNG TỪ TÍNH 1.1 Khái niệm về công nghệ đánh bóng từ tính

Định nghĩa

Đánh bóng là công đoạn cuối cùng trong quá trình chế tác ra sản phẩm làm từ kim loại Bằng cách sử dụng các vật rắn hoặc mềm để tác động lên bề mặt của kim loại, chúng sẽ cho ra thành quả cuối cùng là những sản phẩm mịn và bóng, sáng

Vào thế kỷ thứ 20 cho đến những năm đầu thế kỷ 21, thông thường việc đánh bóng kim loại đều được thực hiện thủ công Người ta sẽ phải dùng chính lực từ tay của mình để thực hiện

Dễ hình dung nhất là việc sử dụng giấy nhám để chà lên các bề mặt sần sùi, với mục đích là làm nhẵn, mịn bề mặt sản phẩm Việc này không chỉ tốn nhiều thời gian và công sức, mà hiệu quả đánh bóng cũng không cao

Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, quy trình đánh bóng đã được công nghiệp hóa Thay vì làm thủ công, con người đã chế tạo ra hệ thống máy móc hiện đại Từ đó, năng suất công việc cao hơn và chất lượng sản phẩm cũng tốt hơn rất nhiều

Những quốc gia có nền công nghiệp đánh bóng phát triển phải kể đến như: Đức, Nhật, Thái Lan, Trung Quốc…Cũng nằm trong xu thế phát triển của thế giới, Việt Nam cũng đã bước đầu ứng dụng các loại máy móc tự động cũng như bán tự động trong việc xử lý bề mặt kim loại khiến năng suất, sản lượng được tăng lên rất nhiều

Công nghệ đánh bóng từ tính sử dụng lực hút của từ trường hỗ trợ chuyển động của “kim từ làm sạch” giúp đánh bóng các chi tiết gia công một cách hiệu quả, chính xác trong thời gian ngắn nhất Máy thích hợp với các sản phẩm có kích thước nhỏ, cần xử lý bề mặt tinh xảo; các chi tiết mỏng, dẹt cần xử lý bề mặt sáng, bóng mà không gây ảnh hưởng tới biên dạng ví dụ như: linh kiện điện tử, chi tiết trong các thiết bị kỹ thuật số như máy ảnh, điện thoại, các hạt nhỏ như kíp nổ, đầu đạn trong quân đội

Các đầu mũi kim sẽ len lỏi vào những góc chi tiết nhỏ nhất, tiếp xúc tới những góc cạnh phức tạp; xử lý sạch, sáng, đạt độ bóng cao, giữ nguyên kích thước, biên dạng với thời gian xử lý nhanh, hiệu quả

Mục đích của quy trình đánh bóng

Đánh bóng từ tính được dùng để gia công lần cuối cho bề mặt thấu kính đã được định hình, xử lý phần thô… giúp vật thể sáng bóng phù hợp với yêu cầu của người sử dụng Đây là phương pháp sử dụng vật liệu mài có hỗ trợ của từ trường để làm nhẵn các bề thấu kính

Khi được đánh bóng, bề mặt của các vật cần đánh bóng sẽ được loại bỏ các khuyết tật và trở nên sáng bóng hơn, làm tăng giá trị thẩm mĩ

Hầu hết các sản phẩm sau khi chế tạo sau vẫn còn vẻ thô sơ, thiếu tính thẩm mỹ như các vết xước, độ trong, tính quang học chưa đạt Do đó, quy trình đánh bóng các sản phẩm thấu kính ra đời thực chất chính là mang lại vẻ hoàn hảo cuối cùng trước khi đưa chúng ra thị trường

Nhờ có quy trình này, các sản phẩm được tiêu thụ thường có tính thẩm mỹ cao, bề mặt mịn, sáng và bóng Cũng chính nhờ vậy mà giá thành của các sản phẩm sau khi đánh bóng sẽ cao hơn và có tính cạnh tranh tốt hơn trên thị trường so với những sản phẩm không được đánh bóng

Quy trình đánh bóng

Đánh bóng thấu kính là quá trình gia công bề mặt thấu kính quang học bằng cách sử dụng các máy nhiều trục hỗ trợ cho việc di chuyển giữa bề mặt cần đánh bóng tiếp xúc với dung dịch chứa vật liệu mài, thông qua việc sử dụng từ tính để thay đổi trạng thái của vật liệu mài (vật liệu mang từ tính)

1.2 Lịch sử phát triển công nghệ đánh bóng thấu kính

Hoàn thiện từ lưu biến (MRF) là một phương pháp xác định để tạo ra quang học phức tạp với độ chính xác hình ảnh <50 nm và độ nhám bề mặt <1 nm MRF được phát minh tại Viện Truyền nhiệt và Truyền khối Luikov ở Minsk, Belarus vào cuối những năm 1980 bởi một đội do William Kordonski dẫn đầu Khi Liên Xô mở cửa, doanh nhân New York Lowell Mintz đã được mời đến Minsk vào năm 1990 để khám phá các khả năng chuyển giao công nghệ Mintz đã được thông báo về tiềm năng của MRF, nhưng không hiểu liệu nó có giá trị hay không Mintz được giới thiệu đến Harvey Pollicove tại Trung tâm Sản xuất Quang học của Đại học Rochester Kết quả của cuộc trò chuyện là họ đã cử Giáo sư Steve Jacobs đến thăm Minsk và đánh giá MRF Từ những phát hiện tích cực của Jacobs, và với sự hỗ trợ từ Lowell Mintz, Kordonski và các đồng nghiệp của ông đã được mời vào năm 1993 đến làm việc tại Trung tâm Sản xuất Quang học cùng với Jacobs và Don Golini để cải tiến công nghệ MRF Một máy hoàn thiện “nguyên mẫu” đã được vận hành vào năm 1994 Giáo sư Greg Forbes và nghiên cứu sinh tiến sĩ Paul Dumas đã phát triển các thuật toán để kiểm soát tất định MRF Năm 1996, Golini nhận ra tiềm năng thương mại của MRF, đảm bảo nguồn vốn đầu tư từ Lowell Mintz và thành lập QED Technologies Máy MRF thương mại đầu tiên được ra mắt vào năm 1998 Tiếp theo là các mẫu tiên tiến hơn và các giao thoa kế khâu dưới khẩu độ mang tính đột phá dành cho đo lường Năm 2006, QED được mua

lại và trở thành một bộ phận của Cabot Microelectronics Bài viết này kể lại lịch sử phát triển của MRF và sự hình thành của QED Technologies

Câu chuyện bắt đầu ở Liên Xô William Kordonski (Hình 1) sinh ra ở một thị trấn nhỏ gần Vinic, Ukraine vào năm 1938 và tốt nghiệp Đại học Hàng hải Quốc gia ở Odessa năm 1961 với bằng kỹ sư cơ khí Ông làm việc trong ngành hàng không gần Moscow cho đến khi đăng ký vào một chương trình sau đại học (được gọi là aspirantura ở Liên Xô) vào năm 1968 William lấy bằng Tiến sĩ năm 1971 tại Viện Truyền nhiệt và Khối lượng của Học viện Khoa học Byelorussian ở Minsk, đó là thủ đô của Belarus thời hậu Xô Viết Luận án của ông có tựa đề “Truyền khối và thủy động lực học của đĩa quay trong chất lỏng phi Newton” được thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS ZP

William vẫn ở Viện với tư cách là nhà khoa học nghiên cứu, nhà khoa học nghiên cứu cấp cao và sau đó là trưởng phòng thí nghiệm trong 25 năm nữa

Hình 1 1 William I Kordonski (1938–) Người phát minh ra MRF ảnh năm 1982

Năm 1974, William bắt đầu nghiên cứu chất lưu lưu biến từ (MR), chất lỏng là huyền phù của các hạt sắt từ có kích thước micron, chẳng hạn như sắt, trong chất lỏng như dầu hoặc nước Độ nhớt của chất lỏng tăng lên khi có từ trường Từ trường càng mạnh thì chất lỏng càng cứng Chất lỏng sắt từ là huyền phù của các hạt từ tính nhỏ hơn (chất keo dưới micromet) Sự tăng độ nhớt khi có từ trường – gọi là hiệu ứng từ nhớt – đối với chất lỏng sắt từ ít hơn nhiều so với chất lỏng từ lưu biến Khả năng truyền lực của một trong hai loại chất lỏng có thể được kiểm soát bằng cường độ của từ trường ứng dụng Cả hai loại chất lỏng là để sử dụng trong việc kích hoạt hoặc giảm chấn chuyển động cơ học Mỗi hạt trong chất lỏng sắt từ bao gồm một miền từ tính duy nhất

Mỗi hạt trong chất lưu từ lưu biến có nhiều miền từ tính Các hạt trong chất lỏng từ lưu biến thu được mô men từ mạnh hơn nhiều so với các hạt trong chất lỏng sắt từ

Mối quan tâm ban đầu là sử dụng chất lỏng MR “thông minh” cho các ứng dụng cơ học như giảm chấn rung và bộ truyền động (Hình 1.2) Thách thức chính là tạo ra huyền phù chất lỏng MR ổn định, thay vì hỗn hợp chất rắn và chất lỏng dày, giống như bột nhão vốn là đặc trưng của công nghệ hiện đại William Kordonski và hai hoặc ba người làm việc cùng ông đã phát triển một chất lỏng MR ổn định và chế tạo máy đo từ nhiệt kế đầu tiên để đo các tính chất cơ học của chất lỏng MR trong từ trường Các nghiên cứu cơ bản về hiệu ứng lưu biến từ được đi kèm với việc chế tạo các thiết bị lưu biến từ nguyên mẫu

Hình 1 2 Robot nguyên mẫu năm 1986 sử dụng bộ truyền động chất lỏng MR

Năm 1982, William là đồng tác giả cuốn sách đầu tiên về Hiệu ứng lưu biến từ với ZP Shulman, thảo luận cả lý thuyết và ứng dụng Cuốn sách đã trở thành một phần luận án của William để lấy bằng Tiến sĩ Khoa học, được Viện Nghiên cứu Khoa học Nhà nước về Sản phẩm Hóa chất, Kazan, Nga trao tặng vào năm 1985 Tiến sĩ Khoa học ở Liên Xô và được khoảng 4% những người có bằng tiến sĩ kiếm được

Năm 1986, Kordonski tham dự một hội nghị chuyên đề, trong đó ông biết được rằng quang học phi cầu cần thiết để tàu vũ trụ giám sát, nhưng các phương pháp chế tạo ra quang học như vậy chưa được phát triển tốt Vào năm 1986 hoặc 1987, William gặp Leonid Gleb, một trưởng nhóm làm việc về các công nghệ mới để chế tạo quang học tại Tổ chức Cơ khí Quang học Byelorussian gồm 20.000 người ở Minsk Gleb đang nghiên cứu một phương pháp đánh bóng sử dụng các hạt mài mòn và một miếng đệm lơ lửng trong chất lỏng sắt từ

William đề xuất sử dụng chất lỏng lưu biến từ thay vì chất lỏng sắt từ Chất lỏng

Trước và đồng thời với công việc ở Minsk, nghiên cứu đang được tiến hành ở Nhật Bản để sử dụng chất lỏng sắt từ để đánh bóng

Đến năm 1990, nhóm của William đã có một máy hoàn thiện lưu biến từ (MRF) đang hoạt động ở Minsk Máy được hiển thị trong Hình 3 và 4 có một máng hình trụ nông, không từ tính, cách điện, chứa chất lỏng MR và chất mài mòn đánh bóng Các mảnh cực Bắc và cực Nam từ một nam châm điện nằm trên máng Một phôi như thấu kính thủy tinh mài được giữ trên một trục quay Máng quay với tốc độ 60 vòng/ phút (rpm) Trục xoay giữ phôi quay với tốc độ 700 vòng/phút và có thể nghiêng từ phương thẳng đứng đến 25° so với phương thẳng đứng Chất lỏng MR trong máng quay cứng lại theo hệ số 100 khi nó đi vào từ trường ~4 kilogauss gần phôi Chất lỏng cứng lại phù hợp với hình dạng của phôi

Hai đặc điểm chính của quy trình đánh bóng MR là lớp phủ phù hợp với hình dạng của phôi và chỉ một phần phôi tiếp xúc với chất lỏng tại bất kỳ thời điểm nào Loại bỏ vật liệu chỉ khỏi một vùng tại một thời điểm, thay vì toàn bộ bề mặt, được gọi là đánh bóng dưới khẩu độ Mức độ mà một thành phần quang học lệch khỏi giá trị thiết kế của nó được gọi là thông số quang học Bằng cách đánh bóng các vùng khác nhau trong khoảng thời gian khác nhau, đánh bóng dưới khẩu độ có thể mang lại hiệu chỉnh hình ảnh Trong một quy trình lý tưởng, bản đồ bề mặt của bộ phận được xây dựng trước khi đánh bóng Sau đó vật chất được loại bỏ khỏi các điểm cao bằng cách đánh bóng do máy tính điều khiển để chỉnh sửa hình dạng Sau mỗi chu kỳ, một bản đồ mới được tạo ra và việc đánh bóng được lặp lại để chỉnh sửa hình thêm Lý tưởng nhất là các chu kỳ đánh bóng liên tiếp làm cho bề mặt mịn hơn và cải thiện hình ảnh quang học Nhóm Minsk không biết hình dạng của vùng đánh bóng là gì nên bị cản trở khả năng thay đổi hình dạng bề mặt một cách dứt khoát

Hình 1 3 William Kordonski ở Minsk năm 1992 với chiếc máy hoàn thiện lưu biến từ (MRF) đầu tiên của mình

Đến năm 1992, công việc tại Minsk đã chứng minh rằng việc hoàn thiện bằng phương pháp từ lưu biến là có thể thực hiện được Nhưng những bước nào có thể được thực hiện để biến nó thành hiện thực? Không thu được kết quả gì, William đã nói chuyện với những người trong ngành quang học Liên Xô/Nga, bao gồm cả lãnh đạo, nhằm nỗ lực đưa công nghệ lên một tầm cao hơn

Hình 1 4 Cận cảnh ảnh và sơ đồ máy MRF ở Minsk năm 1992

Việc tái cơ cấu hệ thống kinh tế và chính trị Liên Xô, được gọi là perestroika, dưới thời Thủ tướng Mikhail Gorbachev vào cuối những năm 1980 đã mở cửa cho Liên Xô tiếp xúc với thế giới bên ngoài William đi dự các hội nghị quốc tế Ông thực hiện chuyến đi đầu tiên đến Hoa Kỳ để tham dự hội nghị về chất lỏng điện lưu biến tại Đại học Nam Illinois vào năm 1989 Ông tham dự hội nghị về vật liệu thông minh ở San Diego vào năm 1990 Ông đã thảo luận về các ý tưởng phát triển MRF với người Mỹ, người Đức, người Hà Lan và người Nam Người Hàn Quốc, nhưng không ai đủ mạo hiểm để đứng ra kêu gọi vốn đầu tư cho đến khi William gặp Lowell Mintz

Lowell Mintz sinh ra ở Brooklyn, New York vào năm 1938 và lớn lên ở Florida Ông tốt nghiệp trường Cao đẳng Rollins ở Florida với bằng Cử nhân triết học vào năm 1959 Lowell kiếm được nhiều tiền nhờ nghề môi giới trên sàn giao dịch hàng hóa tương lai ở New York, chuyên về đồng, bạc và vàng Ông giữ chức Chủ tịch Sở giao dịch hàng hóa từ năm 1979–1981 Khi nhiệm kỳ của mình kết thúc, Lowell bắt đầu tìm kiếm điều gì đó mới để làm và bắt đầu hợp tác kinh doanh với người bạn Paul Williamson, người đã từng làm việc trong Lực lượng Dự bị Không quân cùng với Lowell hai mươi năm trước Khi Liên Xô mở cửa vào năm 1989, Viện Hàn lâm Khoa học ở Minsk đã tìm cách xây dựng một trung tâm tổ chức các cuộc họp quốc tế về nhiệt và truyền khối

Viện Hàn lâm Khoa học yêu cầu giúp tìm nhà phát triển để xây dựng trung tâm hội nghị mới Begell đã tiếp cận Williamson và Mintz về dự án Chẳng bao lâu sau, các nhà khoa học từ Minsk đã đề nghị Williamson và Mintz đến thăm Minsk để họ hiểu rõ công việc đang được tiến hành ở đó Năm 1990, Mintz, Williamson và cộng sự của họ Dave DeBusschere (cựu cầu thủ bóng rổ New York Knicks) đã đến Minsk để gặp Viện Hàn lâm Khoa học và thảo luận về việc phát triển bất động sản

Mintz và các đối tác của ông đã thành lập công ty Byelocorp vào năm 1991 để tiến hành kinh doanh với Byelorussia Năm 1992 Mintz thành lập Byelocorp Scientific, Inc (BSI) chuyên về chuyển giao công nghệ William Kordonski và các cộng sự của ông đã thành lập một công ty tên là MART (Magnetorheological Technologies) để thương mại hóa công nghệ của họ BSI, MART và Viện Truyền nhiệt và Khối lượng đã ký hợp đồng trao quyền cho BSI đối với công nghệ chất lỏng từ lưu biến của MART BSI sẽ tài trợ cho nhóm Minsk và có độc quyền đối với bất kỳ thứ gì sẽ được phát triển

Anh phải nhờ một người bạn giải thích Lowell biết được rằng thấu kính phi cầu có tiềm năng thực sự, nhưng ông “không có một chút ý tưởng nào” về việc liệu việc đánh bóng chất lỏng từ lưu biến có thể được sử dụng để tạo ra các thấu kính hình cầu hay không Lowell đã tham khảo ý kiến của người anh em đại học của mình, William Dunnill, người đứng đầu công ty quang học Leica Technologies Dunnill đã giới thiệu Lowell với Robert Fischer của công ty thiết kế quang học, Optics 1 Đến lượt mình, Fischer đề nghị Lowell nói chuyện với Harvey Pollicove tại Trung tâm Sản xuất Quang học mới thành lập ở Rochester, New York

Hình 1 5 Lowell Mintz (1938-1999)

MRF tại COM

Sau cuộc gặp năm 1992 của Lowell Mintz và Harvey Pollicove, nhưng trước khi Steve Jacobs đến thăm Minsk, Byelocorp Scientific (BSI) đã ký thỏa thuận công nghệ với MART và Viện Truyền nhiệt và Khối lượng Luikov vào ngày 6 tháng 6 năm 1992

để MART tiến hành nghiên cứu cùng quan tâm BSI sẽ nhận được bằng sáng chế và chịu trách nhiệm quảng bá, tiếp thị và bán công nghệ Bằng sáng chế đầu tiên của Hoa Kỳ về đánh bóng MRF được BSI thay mặt cho MART đệ trình vào tháng 6 năm 1993 Trên cơ sở báo cáo của Jacobs, và gặp khó khăn, một thỏa thuận dự án đã được ký kết vào ngày 12 tháng 1 năm 1993 giữa BSI và Đại học Rochester “nhằm tối ưu hóa quá trình hoàn thiện quang học từ lưu biến do các nhà khoa học MART phát triển” BSI sẽ cung cấp kinh phí cho COM để tiếp đón các nhà khoa học từ Minsk Steve Jacobs và Don Golini tại COM sẽ làm việc với các nhà khoa học đến thăm để tái tạo những gì đã đạt được ở Minsk và sau đó đưa công nghệ này vào ứng dụng thực tế Bây giờ đã có một con đường phía trước cho việc đánh bóng xác định MRF để bổ sung cho quá trình mài xác định OPTICAM Sự quan tâm của Harvey Pollicove đối với công nghệ MRF là yếu tố then chốt trong sự phát triển của nó

Don Golini sinh năm 1964 và lớn lên ở Everett, Massachusetts Sau khi lấy bằng Cử nhân Quang học tại Đại học Rochester vào năm 1986, ông trở lại Boston để làm việc cho Itek Optical Systems ở Lexington, Massachusetts sản xuất những chiếc gương lớn Khi ở Itek, Don lấy bằng Thạc sĩ về Quang học Điện từ Đại học Tufts vào năm 1990 cho các nghiên cứu về vật lý của quá trình mài mài mòn lỏng với Steve Jacobs ở Rochester Năm 1992, Golini được tuyển vào COM để quản lý chương trình khoa học sản xuất

William Kordonski đến Mỹ vào mùa xuân năm 1993 để làm việc trong 6 tháng nhằm chế tạo nguyên mẫu thiết bị lưu biến từ Anh ấy đã hỗ trợ một nhóm tại Virginia Tech về các ứng dụng cơ học của chất lỏng MR và anh ấy đã làm việc với COM để tái tạo máy hoàn thiện quang học Minsk Gennady Gorodkin và Alina Matsepuro cũng đến từ Minsk để làm việc tại COM Gorodkin lắp ráp phần cứng và Matsepuro chuẩn bị chất lưu từ lưu biến Birgit Puchebner (nay là Gillman) của nhóm Jacobs đã thực hiện một loạt thí nghiệm trên chất lỏng MR Nam châm được cung cấp từ Minsk đã cho phép Mike Bechtold của CNC Systems, Ontario, New York chế tạo máy đánh bóng “nguyên mẫu” chỉ trong tám tuần Hệ thống CNC sau này trở thành Hệ thống OptiPro

Hình 1 6 Don Golini (năm 1964– 2000)

Hình 1 7 Bên trái: Lowell Mintz (trái), Steve Jacobs, William Kordonski và Gennady Gorodkin trao đổi vào ngày 31 tháng 3 năm 1993 tại COM

Các thử nghiệm đánh bóng ban đầu được thực hiện bởi Gennady Gorodkin vào đầu tháng 6 năm 1993 với chiếc máy được minh họa trong Hình 1.12 và 1.13 Mọi người đều vui mừng khi quan sát thấy ngay hoạt động đánh bóng đáng kể ngay lập tức Tuy nhiên, những vị khách đến thăm COM từ ngành quang học vào mùa hè năm 1993 khá hoài nghi về tiện ích thực tế của việc hoàn thiện từ lưu biến

Hình 1 8 Máy MRF máng “Preprototype” hoạt động tại COM năm 1993 Máng được quay với tốc độ 40 vòng/phút và trục chính được quay với tốc độ 200 vòng/phút

Máy máng MRF “nguyên mẫu” có hai bậc tự do giống như máy Minsk Trục xoay được nghiêng quanh trục B bằng điều khiển máy tính để đánh bóng các vùng hình khuyên liên tiếp của phôi gia công lồi Thiết lập thủ công đã điều chỉnh trục B trùng với tâm cong của phôi Trục xoay có thể được nâng lên và hạ xuống bằng tay dọc theo trục Z thẳng đứng để kiểm soát độ sâu ngâm trong chất lỏng

Hình 1 9 Hình ảnh của một trong hai mảnh cực từ Mảnh cực thứ hai nằm bên dưới bàn xoay phía trong máng

Hình 1 10 Hệ tọa độ thể hiện hai bậc tự docủa hệ thống máng MRF đầu tiên được thiết lập tại COM vào năm 1993

Mã Forbes-Dumas

Hiện tại người ta đã chứng minh rằng máy Minsk MRF và các khả năng của nó có thể được nhân rộng tại COM Bước tiếp theo là đạt được sự kiểm soát xác định của quá trình Khi phôi thủy tinh được ngâm trong máng quay trong thời gian ngắn và được giữ cố định, một “điểm” hình chữ D sẽ được đánh bóng trên kính (Hình 16) Vị trí đó còn được gọi là “dấu chân” hoặc “chức năng loại bỏ” Độ sâu loại bỏ vật liệu ở cạnh thẳng của chữ D lớn gấp khoảng hai lần độ sâu loại bỏ vật liệu ở mặt trước cong Làm thế nào có thể sử dụng kiểu loại bỏ vật liệu này để đạt được hình ảnh quang học mong muốn trên ống kính? Giáo sư Greg Forbes và sinh viên Paul Dumas đã giải quyết vấn đề này vào năm 1994

Hình 1 11 Điểm đánh bóng được quan sát thấy khi phôi thủy tinh đứng yên được giữ trong máng MRF quay trong 5 giây

Greg Forbes sinh ra ở Brisbane, Úc vào năm 1959 và học trung học ở Melbourne Ông nghĩ mình sẽ theo bước cha mình vào lĩnh vực kỹ thuật, nhưng lại phát hiện ra niềm đam mê với vật lý lý thuyết tại Đại học Sydney, nơi ông lấy bằng Cử nhân toán học và danh dự về vật lý lý thuyết vào năm 1980 Ông nhận bằng Tiến sĩ từ Đại học

Quốc gia Úc ở Canberra về vật lý lý thuyết năm 1984 nghiên cứu về quang học Hamilton Greg đã giành được Học bổng Fulbright để đến Trung tâm Khoa học Quang học tại Đại học Arizona, nơi anh làm việc với Bob Shannon, Roland Shack và Jim Wyant Năm 1984, Duncan Moore (sau này là đồng sáng lập của COM) đã đề nghị Forbes làm giảng viên tại Đại học Rochester Tình trạng thị thực của Forbes yêu cầu anh ấy phải quay lại Úc lần đầu tiên nên anh ấy đã không nhận cư trú tại Rochester cho đến năm 1985

Don Golini đã sử dụng phương pháp thực nghiệm rằng hình dạng điểm (hàm loại bỏ) khỏi quy trình có thể được đo và cần—bằng cách nào đó—được sử dụng để rút ra đường chạy dao để hiệu chỉnh hình xác định Tuy nhiên, các đường dẫn dao được thử luôn làm cho hình ảnh quang học kém hơn thay vì tốt hơn Một sinh viên làm việc tại COM đã đề nghị Don Golini nói chuyện với Giáo sư Greg Forbes của Viện Quang học của trường đại học

Hình 1 12 Greg Forbes (1959–) là nhà toán học ứng dụng của nhóm MRF

Hình 1 13 Paul Dumas (1968–) là nhà phát triển phần mềm cho MRF

Forbes và học trò của ông là Paul Dumas bắt đầu cộng tác với Don Golini vào năm 1993, nghiên cứu các mô hình đo lường bằng máy đo hình cầu và mài dụng cụ dạng vòng Forbes và Dumas cũng bắt đầu tạo ra các thuật toán đánh bóng MRF Thuật toán của họ lần đầu tiên được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm vào ngày 30 tháng 3 năm 1994 Đến ngày 17 tháng 6, MRF đã có thể cải thiện hình ảnh quang học của một bộ phận hình cầu lên hệ số 4,5 trong một chu kỳ

Vào tháng 6 và tháng 7 năm 1994, Greg đã nỗ lực tập trung nhất để nghĩ ra các thuật toán đánh bóng MRF Ông nhất quyết yêu cầu sinh viên của mình, Paul Dumas – chứ không phải một chuyên gia phần mềm – được thuê để làm việc cùng ông Greg sau đó giải thích rằng Paul rất giỏi lập trình máy tính và làm chủ môi trường phát triển chương trình của phần cứng “Paul có khả năng kỳ lạ là lưu trữ hộp công cụ gồm các công việc thường ngày trong đầu và sử dụng nó Anh ấy có danh bạ trong đầu.”

Paul Dumas sinh ra ở Whitinsville, Massachusetts vào năm 1968 Ông nhận được học bổng Bausch & Lomb của Đại học Rochester, nơi ông lấy bằng Cử nhân quang học vào năm 1990 Ông ngay lập tức đăng ký vào chương trình Tiến sĩ và cuối cùng chọn làm việc với Greg Forbes về thiết kế thấu kính phi cầu Ba năm sau khi tham gia chương trình Tiến sĩ, anh phát hiện ra mình đang làm việc về MRF với Forbes

Mã Forbes-Dumas có ba đầu vào: 15 (i) giao thoa kế hiển thị điểm (chức năng loại bỏ) do MRF tạo ra trên vật liệu thủy tinh, (ii) giao thoa kế hiển thị hình dạng ban đầu của phôi và (iii) mục tiêu xử lý chẳng hạn như loại bỏ đồng đều lớp bề mặt bị hư hỏng hoặc chỉnh sửa hình ảnh hoặc cả hai

Hình 1 14 Đầu vào (a, b) và đầu ra (c) của mã Forbes-Dumas, cùng với kết quả quan sát được của hoạt động đánh bóng

Bước đầu tiên bao gồm hiệu chuẩn cơ học và đăng ký đo lường để cho phép điều khiển sáu động cơ độc lập nhằm định vị công cụ tại bất kỳ vị trí mong muốn nào trong bản đồ đo lường của bộ phận và có thể dự đoán dạng tốc độ loại bỏ ở mỗi vị trí Thử thách tiếp theo là xác định cách di chuyển dao để sửa lỗi hình ảnh hiện tại của một bộ phận trong khi chỉ để lại những dấu vết không đáng kể trên đường đi của dao Mục tiêu cuối cùng là đạt được sự hiệu chỉnh này với thời gian đánh bóng ít nhất có thể (do đó

loại bỏ vật liệu tối thiểu) đồng thời tôn trọng các giới hạn về hành trình, tốc độ và khả năng tăng tốc của hệ thống truyền động

Forbes đã phát triển các thuật toán đánh bóng bằng C++ và Dumas đã xây dựng mã Windows toàn diện để triển khai các thuật toán trên máy máng Phần lớn thời gian, Forbes và Dumas cùng làm việc cùng nhau và nhìn chằm chằm vào cùng một màn hình máy tính Forbes phải quyết định nơi dao sẽ bắt đầu và kết thúc chuyển động của nó cũng như phải làm gì khi dao đến mép phôi Điều “tự nhiên nhất” là bắt đầu với thủy tinh lấy ra khỏi chất lỏng, đưa dụng cụ vào kính một cách nhẹ nhàng, đưa nó vào giữa kính và ra khỏi mặt kia của kính “Công cụ” là chất lỏng MR được làm cứng từ tính Chuyển động quay của máng hoặc chuyển động quay của phôi có phải là chuyển động chính ảnh hưởng đến việc loại bỏ vật liệu không?

Người ta quyết định di chuyển chất lỏng vuông góc với vận tốc phôi tại điểm tiếp xúc để tách hai chuyển động và giữ cho dấu chân không đổi nhất có thể Dumas đã viết một giao diện đồ họa người dùng tương tác với các tệp đo lường Zygo, tạo đường chạy dao và thời gian dừng bằng thuật toán Forbes, đồng thời điều khiển máy CNC thực hiện các hướng dẫn đó

Trong vòng 4 đến 6 tháng, các thuật toán và phần mềm Forbes-Dumas đã điều khiển máy MRF thực hiện các phép chỉnh hình đối xứng xoay trong ống kính Forbes rất vui mừng với bằng chứng về nguyên tắc mà thuật toán đã hoạt động và Don Golini đã được truyền cảm hứng để nghĩ đến việc thương mại hóa công nghệ này Thuật toán dự đoán sẽ mất bao lâu và hình dạng cuối cùng sẽ như thế nào Như Steve Jacobs đã nói, nếu kết quả dự đoán không đủ tốt, “bạn có thể nhúng bộ phận đó sâu hơn hoặc nông hơn vào chất lỏng và xem kết quả sẽ ra sao - tất cả đều được thực hiện bằng máy tính trước bất kỳ thử nghiệm nào” Việc hiệu chỉnh nhất thiết phải có sự đối xứng quay do sự quay liên tục xung quanh trục xoay quanh trục A trong Hình 15 Chỉ sau này khi máy nguyên mẫu QED được chế tạo vào năm 1997 thì người ta mới có khả năng kiểm soát thời gian dừng theo các hướng bấm giờ khác nhau của phôi để tạo ra sự không- sự hiệu chỉnh đối xứng quay Các thuật toán và phần mềm đã được cải tiến trong giai đoạn 1994 đến 1996 để giải quyết các vấn đề như tạo tác ở trung tâm và cạnh Việc phát triển thuật toán để sửa các lỗi đối xứng không quay bắt đầu vào năm 1996

Đến tháng 6 năm 1994, MRF đã đạt được hệ số hội tụ lớn hơn 4 với độ nhám bề mặt bình phương gốc dưới 1 nm đối với các thấu kính đơn giản Trong những năm qua, mục tiêu chính là đạt được hệ số hội tụ tương tự trên các phôi có kích thước lớn hơn (lên đến 2 m) và nhỏ hơn (xuống đến 3 mm) và các hình dạng phức tạp hơn (ngoài trục, dạng tự do, lăng kính, khẩu độ lục giác)

Năm 1994, Forbes chuyển về Úc vì lý do gia đình và trở thành Giáo sư Nghiên cứu Vật lý tại Đại học Macquarie ở Sydney Ba tiến sĩ các sinh viên, trong đó có Paul Dumas đã đi cùng anh ấy Greg và Paul tiếp tục hỗ trợ phát triển MRF từ Australia Năm 1996, khi Don Golini dự định thành lập công ty, ông đã đề nghị Dumas quay lại làm giám đốc phần mềm cho mình Forbes khuyên Paul rằng đây là một cơ hội tuyệt vời mà Paul nên nắm lấy nó mặc dù Paul biết rất rõ rằng anh ấy có thể không bao giờ hoàn thành bằng tiến sĩ Forbes cho biết: “Trên thực tế, anh ấy [Paul] không bao giờ nhìn lại Paul chuyển về Rochester và trở thành thành viên sáng lập của công ty

Phát triển phần cứng chất lỏng và mang

Để hoàn thiện xác định, chức năng loại bỏ vật liệu phải không đổi trong một khoảng thời gian đủ dài để thực hiện hiệu chỉnh hình (Hình 20) Nhóm của Steve Jacobs và các nhà khoa học từ Minsk đã làm việc trong 5 năm để ổn định và tối ưu hóa chất lỏng MR16 cũng như để hiểu cơ chế hoàn thiện từ lưu biến Công thức sản xuất chất lỏng ban đầu đến từ Minsk vào năm 1993 “Họ phải đưa Alina Matsepuro, một thành viên trong nhóm của họ về Cô ấy có một chiếc cối và chày lớn có tay cầm bằng gỗ và đầu bằng gốm và cô ấy là người duy nhất có thể tạo ra chất lỏng MR đúng cách… Chúng tôi đã dành vài năm tiếp theo để cố gắng tìm hiểu xem [chất lỏng] hoạt động như thế nào.” Đến cuối năm 1993, cối và chày đã được thay thế bằng quy trình tái sản xuất sử dụng máy nghiền bi tại COM

Hình 1 15 Sự cải thiện độ ổn định của điểm đánh bóng MR theo thời gian

Chất lỏng lưu biến từ chứa các hạt sắt từ tính (~36% thể tích), các hạt mài mòn (~6% thể tích), chất ổn định (~3% thể tích) và nước Khi chất lỏng cứng lại trong từ trường, các hạt mài mòn bị đẩy ra bề mặt ngoài của chất lỏng (Hình 21) Khi chúng tiếp xúc với phôi, các hạt mài mòn bị đẩy ngược xuống chất lỏng MR nên lực giữa hạt mài và phôi không lớn lắm Việc tách chất mài mòn khỏi sắt đòi hỏi chất lỏng phải được đồng nhất ở những nơi khác trong máng trước khi nó quay trở lại từ trường

Hầu hết chất lỏng trong máng không bao giờ tiếp xúc với phôi Một máy ép Teflon (Hình 1.21) được đặt trong máng để ép đùn một dải chất lỏng MR đi vào từ trường và tiếp xúc với phôi Việc dẫn chất lỏng theo cách này làm giảm lượng chất lỏng cần thiết để đánh bóng và quan trọng hơn là giảm diện tích có thể xảy ra sự bay hơi nước

Hình 1 16 Các hạt mài mòn màu trắng được quan sát thấy ở phần trên của chất lỏng MR đã cứng lại trong máng bên dưới phôi

Hình 1 17 Hình nhìn từ dưới của máy ép Teflon được đặt trong máng để dẫn chất lỏng vào một dòng hẹp ở phôi

Một dụng cụ đo độ nhớt của chất lỏng được lắp vào máng khi nó không ở trong từ trường Một vòng phản hồi điều khiển một máy bơm nhu động bổ sung nước trở lại chất lỏng để giữ độ nhớt không đổi

Hình 1 18 Cấu hình máy máng kết hợp những tiến bộ của năm phát triển đầu tiên tại COM

Hình 1 19 Từ trái sang phải: Vladimir Kordonski, Ed Fess, và Igor Prokhorov tại COM vào tháng 9 năm 1994

Nguồn phân hủy chính của chất lỏng MR là quá trình oxy hóa các hạt sắt bằng oxy trong huyền phù nước Vào khoảng Giáng sinh năm 1994, Vladimir Kordonski (con trai của William, Hình 24) và Steve Jacobs phát hiện ra rằng việc bổ sung natri cacbonat làm chất đệm cho chất lỏng MR đã ổn định độ pH gần 10 và tạo ra vết đánh bóng ổn định trong 8 giờ Tăng độ pH để ức chế sự ăn mòn của sắt là một trong những bước đột phá quan trọng nhất tạo nên những tiến bộ trong quá trình đánh bóng xác định

Giai đoạn 1994 đến 1996 chứng kiến sự cải thiện trong việc cung cấp dịch MR Thay vì đổ đầy toàn bộ máng, chất lỏng được phân phối dưới dạng dải ruy băng nhỏ gọn ngay phía thượng nguồn phôi và hút khỏi máng ngay phía hạ lưu Quá trình này giảm thiểu sự bay hơi của nước và ổn định hơn nữa chức năng loại bỏ vật liệu Chất lỏng được lưu trữ trong một bể chứa giữa ống phân phối và ống thu Chất lỏng được đồng nhất hóa và độ ẩm của nó được phục hồi trong bể chứa để chất lỏng được đưa đến

phôi có hiệu suất ổn định trong nhiều giờ (Hình 1.19) Một lưỡi dao được thêm vào giữa vòi phân phối và phôi để định hình dải chất lỏng nhằm đạt hiệu suất tốt nhất (Hình 1.24)

Vào tháng 2 năm 1995, máng polyme thứ ba được sử dụng từ năm 1993 đến năm 1995 đã được thay thế bằng máng nhôm Các rãnh đã được mài vào từng máng polyme Ngoài ra, chất lỏng MR bị nam châm hút sẽ làm cong máng polyme Máng nhôm cứng hơn có ít độ lệch và do đó giữ khoảng cách giữa phôi và chất lỏng MR ổn định hơn

Đồng thời với sự phát triển tại COM, nhóm ở Minsk đang nỗ lực tạo ra một hệ thống phân phối chất lỏng Một sự hợp tác quốc tế thực sự do Byelocorp Scientific dàn dựng đang được tiến hành

Hình 1 20 Một dải chất lỏng được phân phối từ ống ở phía dưới bên phải và được định hình bởi lưỡi dao ở giữa

Hình 1 21 Hệ thống phân phối chất lỏng có bơm, vòi phun, lưỡi dao tại Minsk năm 1994

Hình 1 22 Từ trái sang phải: William Kordonski, Don Golini, Igor Prokhorov và Lowell Mintz ở Minsk năm 1994

Máy MRF: Bánh cứng

Năm 1995, William Kordonski nảy ra ý tưởng thay thế máng đã được sử dụng kể từ khi MRF ra đời bằng một bánh xe thẳng đứng linh hoạt hơn Chất lỏng sẽ được bơm vào bánh xe ngay phía trước phôi và được lấy ra ngay bên ngoài phôi (Hình 1.29) Bằng sáng chế đã được nộp vào tháng 10 năm 1995

Hình 1 23 Ý tưởng của William Kordonski về máy đánh bóng chất lỏng từ lưu biến với bánh xe thẳng đứng thay thế máng ngang

Máy máng bị hạn chế để đánh bóng các bề mặt lồi Bánh xe thẳng đứng có thể hoạt động trên bề mặt phẳng hoặc bề mặt lõm nông (Hình 1.30)

Hình 1 24 Mặt cắt ngang

Máy đánh bóng MRF nguyên mẫu trong Hình 31 với bánh xe thẳng đứng được CNC Systems (sau này là OptiPro) chế tạo và giao cho COM vào năm 1996 Máy này có 3 bậc tự do CNC với sự dịch chuyển dọc theo X và Z trong Hình 32 và quay quanh B Sự kết hợp của X, Z và B cho phép phần mềm quét một thấu kính quay qua chất lỏng quanh một điểm xoay ảo, cho phép tạo ra các hình cầu theo cách xác định Cụm bánh xe và nam châm có thể được quay thủ công 90° quanh trục C để điều chỉnh các chuyển động tương đối của chất lỏng và trục chính

Hình 1 25 Bên trái: Máy MRF nguyên mẫu có bánh xe đứng hoạt động tại COM vào tháng 3 năm 1996 với Ed Fess điều khiển Bên phải: Phôi trên trục chính được đặt trên bánh

xe thẳng đứng

Hình 1 26 Trục tịnh tiến và trục quay của máy công cụ CNC

Phần kết

William Kordonski đã tóm tắt câu chuyện của mình bằng những quan sát này Anh không thể tin được rằng trong một năm có tới 5 người có thể thiết kế và chế tạo Q22 Không nơi nào khác trên thế giới có thể hoàn thành công việc này một cách hiệu quả như vậy Điều thú vị nhất mà William học được là sự tin tưởng Lowell Mintz cần biết rằng có công nghệ đáng giá và William muốn đảm bảo rằng “bí quyết” sẽ đến tay người phù hợp Phải mất thời gian và nỗ lực thì hai người mới phát triển được sự tin tưởng lẫn nhau Kết quả là, rất nhiều “bí quyết” đã được phát triển trong suốt quá trình và được bảo vệ bởi 22 bằng sáng chế của Hoa Kỳ và nhiều bằng sáng chế của nước ngoài Tinh thần kinh doanh và đầu tư ở Hoa Kỳ đã mang lại cơ hội duy nhất để biến ý tưởng khoa học thành hiện thực để ngành quang học thế giới hiện có công nghệ hoàn thiện độc đáo, có độ chính xác cao

Hình 1 27 Sản phẩm hoàn thiện

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

− Nghiên cứu mô hình máy tự động đánh bóng thấu kính bằng dung dịch từ tính

− Nghiên cứu về thành phần của hỗn hợp lỏng từ tính áp dụng cho mô hình − Tính toán, thử nghiệm và chế tạo mô hình máy tự động đánh bóng thấu kính − Giám sát và điều khiển mô hình trên HMI

1.4 Phương pháp thực hiện

− Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

Tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết về các bài toán, mô hình và lựa chọn các cảm biến,động cơ phù hợp, các nguyên lý điều khiển để xây dựng, thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống điện điều khiển

− Phương pháp nghiên cứu thiết kế:

Xây dựng bản vẽ thiết kế trên phần mềm Solidworks và các tài liệu chi tiết về sản phẩm

− Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

Tính toán và chế tạo mô hình hệ thống bằng phần cứng(sản phẩm thực tế) Khảo sát, điều chỉnh để đảm bảo mô hình hệ thống hoạt động đúng chức năng đã đề ra

1.5 Dự kiến kết quả đạt được

− Thuyết minh: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy đánh bóng thấu kính tự động sử dụng dung dịch từ tính

− Bản vẽ: Hệ thống cơ khí, hệ thống điều khiển − Lưu đồ thuật toán điều khiển mô hình

− Hoàn thành màn hình giám sát điều khiển trên HMI

− Sản phẩm mô hình máy tự động đánh bóng thấu kính sử dụng dung dịch từ tính

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY TỰ ĐỘNG ĐÁNH BÓNG THẤU KÍNH SỬ DỤNG DUNG DỊCH TỪ TÍNH MRF 2.1 Tổng quan về thiết kế và máy đánh bóng thấy kính trên thị trường

Máy đánh bóng thấu kính trên thị trường

Hình 2 1 Máy đánh bóng thấu kính Q Flex 100

Máy sử dụng lực hút của từ trường hỗ trợ chuyển động của “chất lỏng từ MRF” giúp đánh bóng các chi tiết gia công một cách hiệu quả, chính xác trong thời gian ngắn nhất Bên cạnh đó, Máy thích hợp với các sản phẩm có kích thước nhỏ, cần xử lý bề mặt tinh xảo và các chi tiết mỏng, dẹt vần xử lý bề mặt sáng, bóng mà không gây ảnh hưởng tới biên dạng

Bảng 2 1 Bảng thông số máy

Trọng lượng tối đa 2,5 kg (bao gồm cả giá đỡ ống kính

Đối với các thiết bị quang học nhỏ được sản xuất với số lượng lớn, kỹ thuật sản xuất thực tế duy nhất là đúc khuôn Trong trường hợp sản xuất khuôn mẫu, nhiều ứng dụng như ống kính máy ảnh, điện thoại di động có thể yêu cầu một số thấu kính phi cầu nhỏ có độ võng đáng kể hoặc các vùng có độ dốc cao trên bề mặt 2 Những khuôn này cũng có thể có hàm lượng tần số cao trên bề mặt của chúng trước khi hoàn thiện lần cuối Điều này đặt ra một thách thức đáng kể cho việc chế tạo Các phương pháp truyền thống để đánh bóng các bề mặt này không phù hợp và khó tiếp cận các khu vực có độ dốc cao hơn

Tổng quan về thiết kế máy

Quá trình thiết kế máy không chỉ đơn thuần là lựa chọn tập hợp các chỉ tiết máy mà là một quá trình sáng tạo, thể hiện ý tưởng của người thiết kế Thông thường người thiết kế có thể lựa chọn một trong rất nhiều chi tiết để thực hiện một chức năng nào đó trong hệ thống cơ khí Do đó khi được cung cấp kiến thức đầy đủ về chỉ tiết máy thì việc thiết kế máy càng tốt hơn

Để thỏa mãn các yêu cầu chung của máy, quá trình thiết kế máy cũng tương tự quá trình thiết kế một sản phẩm, bao gồm các nội dung sau:

Bước 1: Xác định nhu cầu thị trường về máy thiết kế Bước 2: Xác định các yêu cầu kỹ thuật cho máy

Bước 3: Xác định nguyên lý họat động và chế độ làm việc của máy dự định thiết kế, lựa chọn phương án các sơ đổ nguyên lý để chọn ra sơ đổ hợp lý nhất Hình thành bộ phận công tác

Bước 4: Lập sơ đồ động chung toàn máy và các bộ phận máy thỏa mãn các yêu cẩu cho trước Để xuất một số phương án thực hiện, đánh giá và so sánh để tìm ra các phương pháp hợp lý nhất, đáp ứng tốt nhất các yêu cầu đã đặt ra Chọn chủng loại chỉ tiết phù hợp trên sơ đồ động

Bước 5: Tính công suất cẩn thiết, chọn động cơ và phân bố tỉ số truyền cho hệ thống truyền động Xác định trị số và đặc tính tải trọng tác dụng lên các bộ phận máy

Bước 6: Chọn vật liệu thích hợp nhằm sử dụng tính chất đa dạng và khác biệt của vật liệu để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy làm việc của máy

Bước 7: Tiến hành tính toán động học, lực tác dụng và tính toán thiết kế nhằm định ra các kích thước gần đúng của chỉ tiết máy và để thỏa mãn các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của chúng Trên cơ sở đó kết hợp với các yêu cẩu về tiêu chuẩn hoá, lấp ráp, công nghệ chế tạo và các yêu cầu cụ thể khác để xác định lần cuối kích thước của chỉ tiết máy, bộ phận máy và toàn máy Tính toán kiểm nghiệm sau khi đã biết kết cấu để đảm bảo các chỉ tiêu về khả năng làm việc an toàn và tin cậy cho máy…

Bước 8: Sản xuất thử, điều chỉnh, sửa chữa lại thiết kế

Bước 9: Lập tài liệu thiết kế: thuyết minh, hướng dẫn sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa máy

Như thế thiết kế máy là công việc rất phức tạp, liên quan chặt chẽ đến việc thiết kế các chi tiết máy và bộ phận máy

2.2 Cấu trúc chung và nguyên lý làm việc của hệ thống Cấu trúc chung

Cấu trúc của mô hình máy tự động đánh bóng thấu kính bao gồm:

1 Hệ thống truyền động vitme bao gồm

+ Động cơ bước và driver: Driver giao tiếp với PLC điều khiển động cơ bước

+ Trục vitme: Điều khiển nâng hạ phôi

+ Nguồn điện: cung cấp năng lượng cho động cơ bước 2 Hệ thống đánh bóng bao gồm:

+ Động cơ bước và driver: Driver giao tiếp với PLC điều khiển động cơ bước quay phôi và máng chứa dung dịch từ tính

+ Bộ xoay giữ phôi: Dùng để giữ phôi trong quá trình gia công và di chuyển phôi đến các vị trí lập trình

+ Máng chứa dung dịch từ tính: Chứa dung dịch đánh bóng từ tính

+ Nam châm vĩnh cửu: Giữ cho dung dịch từ tính ổn định trong máng chứa + Van điện từ 3/2: Cung cấp khí cho van chân không và bộ xoay giữ phôi + Van chân không: Tạo dòng khí chân không để giữ phôi trong quá trình

đánh bóng thấu kính

+ Nguồn điện: Cung cấp năng lượng cho hệ thống 3 Hệ thống cấp phôi bao gồm

+ Cơ cấu giữ phôi: làm nhiệm vụ di chuyển và cấp phôi

+ Cảm biến vật cản hồng ngoại: phát hiện phôi ở vị trí cấp phôi + Camera: phát hiện viết xước trên phôi

Quay nghịch

Hình 2 3 Minh họa bề mặt tiếp xúc phôi với dung dịch mài MR

2.3 Nghiên cứu MRF

Chất từ lưu biến (MRF) , nổi tiếng trong ngành quang học chính xác, là một quá trình đánh bóng phù hợp Phôi được lắp đặt ở một khoảng cách cố định so với bánh xe hình cầu đang quay Một nam châm nằm bên dưới bề mặt bánh xe sẽ tạo ra từ trường trong khe hở giữa bánh xe và phôi Khi chất lỏng MR được đưa đến bánh xe, nó sẽ bị từ trường kéo vào bề mặt bánh xe và hành động đẩy phôi vào dải ruy băng chất lỏng MR sẽ tạo ra một công cụ đánh bóng dưới khẩu độ Một chương trình máy tính phức tạp xác định lịch trình thay đổi vị trí của phôi khi nó quét qua vùng đánh bóng, theo đường xoắn ốc hoặc đường raster

Dụng cụ MRF có những hạn chế khi đánh bóng các bề mặt nhỏ, dốc, lõm và hiệu chỉnh MSF Cụ thể, hai trong số những thách thức chính khi đánh bóng các bề mặt này là: tạo ra khoảng trống giữa phôi và dụng cụ trong quá trình xử lý và phát hiện hiệu quả khi cố gắng sửa MSF

Về khe hở, bán kính phôi phải lớn hơn bán kính dụng cụ gia công đối với bề mặt lõm Điều này cung cấp không gian cần thiết để tránh va chạm không mong muốn Khi khẩu độ số của phôi lớn hơn, cũng có khả năng xảy ra va chạm giữa phôi và kết cấu đỡ bánh xe, bao gồm cả bộ truyền động cho bánh xe Để đáp ứng các yêu cầu về khoảng sáng gầm này, đai truyền động được đặt gần bánh xe là một trong những giải pháp tốt nhất để ngăn ngừa va chạm khi có góc nghiêng

Nhiều bề mặt có lỗi MSF được tạo ra bởi các kỹ thuật đánh bóng thông thường và dưới khẩu độ đã bị hạn chế về khả năng hiệu chỉnh MRF do kích thước của nội dung tần số và hiệu quả của điểm Khả năng bánh xe 10 mm mới giờ đây cho phép đánh bóng quang học lõm xuống bán kính cong 7 mm và hiệu suất điểm cao hơn nhiều để hiệu chỉnh MSF

Hình 2 4 Một raster bánh xe 10 mm đánh bóng một quang học plano đường kính 20 mm

Một trong những giới hạn trong quá trình hoàn thiện xác định liên quan đến kích thước của đối tượng cần chỉnh sửa và kích thước tương đối của nó với điểm được sử dụng để đánh bóng Đối với một kích thước bánh xe nhất định, có thể sử dụng nhiều thông số quy trình khác nhau để điều chỉnh kích thước và hình dạng của vết, tuy nhiên, cách tốt nhất để giảm kích thước vết để hiệu chỉnh các tính năng MSF hiệu quả hơn là sử dụng bánh xe nhỏ hơn

Các thử nghiệm đánh bóng được mô tả đã được hoàn thành trên cả bánh xe 10 mm và bánh xe 20 mm Đo lường mục tiêu giống nhau đã được sử dụng cho cả hai thử nghiệm đánh bóng Đối với thử nghiệm này, một quang học phẳng có bán trên thị trường có đường kính 25,4 mm đã được chọn

Kết quả thực tế cho thấy rõ sự khác biệt về hiệu suất của hai bánh đánh bóng Bánh xe đánh bóng 10 mm cho thấy rõ khả năng đánh bóng của điểm đến 0,8 mm, trong khi bánh xe 20 mm cho thấy không có sự hội tụ ở các tần số đó Điều đáng ngạc nhiên là bánh xe 20 mm có độ hội tụ nhỏ trong dải từ 1 đến 2 mm