Luận án tiến sĩ Công nghệ ché tạo máy: Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục

Từ việc phân tích các nguyên nhân gây ra chuyển vị của khâu và khớp dẫn đến sai số của máy đo tọa độ và ảnh hưởng của các chuyển vị này đến độ chính xác của máy đo, tác giả chọn thành ph

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BÙ SAI SỐ CHO MÁY ĐO TỌA ĐỘ DẠNG CẦU TRỤC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

PHẠM HỒNG THANH

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BÙ SAI SỐ CHO MÁY ĐO TỌA ĐỘ DẠNG CẦU TRỤC

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số chuyên ngành: 62520401

Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Thị Phương Mai Phản biện độc lập 2: PGS TS Hà Minh Hùng

Phản biện 1: PGS TS Vũ Khánh Xuân Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Trường Thịnh Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS TS Thái Thị Thu Hà

Tp Hồ Chí Minh năm 2017

PHẠM HỒNG THANH

Trang 3

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu và các số liệu trình bày trong Luận án này được thực hiện tại Phòng Thiết kế của công ty TNHH Tân Hạnh và Phòng Thí nghiệm Đo lường – Khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh là hoàn toàn trung thực, chưa từng được ai công bố tại bất cứ đâu và tại bất cứ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh ngày 6 tháng 6 năm 2017

Tác giả

Phạm Hồng Thanh

Trang 4

ii

LỜI CẢM TẠ

Trong quá trình thực hiện luận án này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình, hiệu quả của các quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm tạ:

+ Cô hướng dẫn khoa học

Cô PGS TS Thái Thị Thu Hà

Đã hướng dẫn luận án tận tình, khoa học Thiết nghĩ luận án sẽ không thể hoàn thành nếu thiếu sự hướng dẫn của quý cô

+ Cô GS TS Ngô Kiều Nhi + Thầy PSG TS Trần Thiên Phúc + Thầy PGS TS Phạm Huy Hoàng + Thầy PGS TS Nguyễn Hữu Lộc + Thầy PGS TS Nguyễn Tiến Thọ

Đã giúp đỡ về phương pháp luận, các ý kiến đóng góp và các tài liệu hữu ích để luận án được hoàn thành

+ Thầy PGS TS Phạm Ngọc Tuấn + Thầy TS Trần Nguyên Duy Phương

Đã cho các đóng góp hữu ích và tạo điều kiện thuận lợi để luận án được trình bày tại các buổi sinh hoạt học thuật của bộ môn

+ Thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn + Thầy PGS TS Trần Doãn Sơn + Cô TS Hồ Thị Thu Nga + Thầy TS Bùi Trọng Hiếu + Thầy TS Trần Anh Sơn + Thầy TS Tôn Thiện Phương + Thầy TS Lê Đình Tuân + Thầy TS Võ Tường Quân

Cùng các quý thầy cô khác đã đóng góp hữu ích để luận án được hoàn thành

+ Th.S Huỳnh thanh Quang + KS Trần Quang Phước

Đã giúp đỡ để hoàn thành việc thực nghiệm kiểm chứng mô hình bù sai số

Trang 5

iii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Luận án “Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục” được trình bày trong 4 chương Đầu tiên, tác giả giới thiệu về máy đo tọa độ sau đó tìm hiểu sự cấp thiết của luận án, hệ thống lại các công trình nghiên cứu có liên quan đến lĩnh vực này ở trong và ngoài nước từ đó đặt ra các nhiệm vụ cụ thể của Luận án

Xu hướng hoàn thiện máy móc, thiết bị là nâng cao năng suất và chất lượng, máy đo tọa độ cũng không nằm ngoài quy luật đó Để nâng cao năng suất đo cần phải tăng tốc độ di chuyển của máy càng gần tốc độ giới hạn càng tốt Khi tăng tốc độ di chuyển, có sự thay đổi của tốc độ đầu dò, lực quán tính xuất hiện và tác động đến các bộ phận máy như khâu và khớp (đặc biệt là khớp) Khớp được tạo thành từ các ổ đệm khí liên kết giữa khâu mang (khâu có gắn các ổ đệm khí) và khâu dẫn hướng, do đặc tính làm việc của các ổ đệm khí là luôn có dao động nên khi có lực quán tính tác dụng các khớp sẽ chuyển vị và làm giảm độ chính xác của máy Việc giảm tốc độ di chuyển khi đo mâu thuẫn với xu hướng tăng năng suất của máy đo tọa độ vì vậy thực tế là muốn tăng năng suất thì cần phải đo với tốc độ di chuyển cao, lúc này chênh lệch giữa tốc độ di chuyển và tốc độ đo lớn, dẫn đến xuất hiện gia tốc và lực quán tính Dựa trên việc phân tích các giải pháp về thiết kế, chế tạo, sử dụng vật liệu, điều khiển, bù sai số của các nghiên cứu đã công bố, tác giả đã lựa chọn giải pháp hiệu chỉnh sai số để cải thiện độ chính xác của máy đo tọa độ

Từ việc phân tích các nguyên nhân gây ra chuyển vị của khâu và khớp dẫn đến sai số của máy đo tọa độ và ảnh hưởng của các chuyển vị này đến độ chính xác của máy đo, tác giả chọn thành phần chuyển vị cần được nghiên cứu là chuyển vị khớp Trong nội dung chương 2 tác giả thực hiện nghiên cứu các thành phần chuyển vị khớp bằng các cảm biến đo dịch chuyển lắp trên các khâu mang trên các trục của máy, đề xuất giải pháp xây dựng hàm biểu diễn các thành phần chuyển vị khớp theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần Nội dung chương 3 là tiến hành xây dựng mô hình toán học bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục Chương 4 tiến hành thực nghiệm kiểm tra đánh giá trên máy đo tọa độ trước và sau

Trang 6

iv

SUMMARY

The thesis of “Research the error compensation solution for the bridge coordinate measuring machine” is presented in four chapters First, the Coordinate Measuring Machine is introduced next the thesis’s materiality is surveyed then literature overview of reseearches that concerning this field is summarized, from that specific tasks of the thesis are determined Trends finishing machinery and equipment is to improve productivity and quality, coordinate measuring machine isn’t out of this rule To improve productivity traverse speed of the machine should be increased as close as possible speed limit When measuring at hight speed (there is rate of change), inertial forces appear and bring about CMM’s components, such as links, joints (especially joints) to be impacted Joints are prismatic formed from air bearings that mounted between the carriage and the slideway.Because of the air bearing’s property, joints are deformed under inertial forces The deceleration measurements contradict trend productivity growth of coordinate measuring machines so must accept the fact that the acceleration caused by hight travelling speed Based on analyses of the design, manufacture and use of materials, control, error compensation of the researches were published, an error compensation solution was chosen to improve the accuracy of CMMs The component of joints’ deformation were determined to be studied by investigating the sources which affect and cause the error of coordinate measuring machines In chapter 2 the component deformations of joints’re studied with some displacement measurement laser sensors (ZX – LD30V ) attached on the carrige and a solution was suggested to build the regression equations which describes the joint’s deformation by using empirical method Chapter 3 deals with the building of the mathematical model to compensate errors and a mathematical model for coordinate measuring machines is presented Some experimental researches have been carried out to evaluate the accuracy of the coordinate measuring machine before and after it was compensated errors in chapter 4 At last this thesis will be completed by conclusions and recommendations given in the last section

Trang 7

1.1.1 Cấu trúc của máy đo tọa độ 1

1.1.2 Ứng dụng của máy đo tọa độ 2

1.1.3 Các nguồn gây ra sai số trên máy đo tọa độ 3

1.1.4 Các loại sai số trên máy đo tọa độ 4

1.2 Các hướng nghiên cứu trên thế giới và trong nước về máy đo tọa độ 5

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới để giảm sai số, tăng tốc độ di chuyển, tăng độ tin cậy của máy đo tọa độ 7

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước để giảm sai số, tăng tốc độ di chuyển, tăng độ tin cậy của thiết bị đo nói chung, máy đo tọa độ nói riêng 15

1.2.3 Sự thay đổi tốc độ khi đo làm suy giảm độ chính xác của máy đo tọa độ 17

1.3 Tính cấp thiết của luận án 17

1.4 Nhiệm vụ của luận án 18

1.5 Mục đích nghiên cứu 18

1.6 Nội dung nghiên cứu 19

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 19

Kết luận chương 1 20

Trang 8

vi

ĐO TỌA ĐỘ KHI CÓ LỰC QUÁN TÍNH TÁC ĐỘNG

2.1 Kết cấu của máy đo tọa độ dạng cầu trục 21

2.2 Khớp trên máy đo tọa độ 22

3.2.1 Mô hình khớp trượt 22

2.2.2 Các khớp trên máy đo tọa độ dạng cầu trục 23

2.2.3 Các thành phần chuyển vị trên khớp 24

2.3 Chuyển vị của khớp trên máy đo 30

2.3.1 Phân tích chuyển vị của khớp trên trục Y 30

2.3.2 Quan hệ giữa lực quán tính và thành phần chuyển vị khớp 38

2.4 Xác định quy luật biến đổi của các chuyển vị khớp khi chịu lực quán tính 42

2.4.1 Các thành phần chuyển vị 42

2.4.2 Bố trí các cảm biến đo chuyển vị khớp 43

2.4.3 Chọn cảm biến đo chuyển vị cho các khớp 45

2.4.4 Tiến hành thực nghiệm 50

2.4.5 Xác định quy luật chuyển vị khớp 52

Trang 9

vii

MÁY ĐO TỌA ĐỘ DẠNG CẦU TRỤC

3.1 Mô hình động học của máy khi không có sai số tác động 65

3.1.1 Xây dựng hệ quy chiếu cho máy đo tọa độ 65

3.1.2 Mô hình động học của máy đo tọa độ dạng cầu trục 66

3.2 Mô hình động học của máy đo khi có sai số tác động 68

3.2.1 Xác định ma trận biến đổi SDH65 từ hệ tọa độ B6 sang hệ tọa độ B5 68

3.2.2 Xác định ma trận biến đổi 3DH4S từ hệ tọa độ B4 sang hệ tọa độ B3 69

3.2.3 Xác định ma trận biến đổi 1DH2S từ hệ tọa độ B2 sang hệ tọa độ B1 70

3.3 Mô hình bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục 72

3.3.1 Trường hợp không bù sai số 72

3.3.2 Trường hợp có bù sai số 72

3.3.3 Xây dựng mô hình bù sai số cho máy đo tọa độ 73

3.3.4 Các giai đoạn bù sai số cho máy đo tọa độ 77

3.3.5 Xây dựng giải thuật và phần mềm bù sai số cho máy đo tọa độ 79

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO CỦA MÁY SAU KHI ĐƯỢC BÙ SAI SỐ 4.1 Giới thiệu máy đo tọa độ được bù sai số 86

4.2 Chọn phương pháp kiểm tra cho máy đo toạ độ, các bước thực hiện đo kiểm tra đánh giá độ chính xác 86

4.2.1 Mục đích 86

4.2.2 Các phương pháp kiểm tra độ chính xác cho máy đo tọa độ 87

4.2.3 Các bước thực hiện đo kiểm tra độ chính xác 88

4.3 Thiết bị, vật mẫu dùng để kiểm tra độ chính xác 88

Trang 10

viii

4.3.2 Quy trình đo kiểm tra độ chính xác 89

4.4 Đo các căn mẫu trên máy đo tọa độ khi chưa được bù sai số 91

4.4.1 Đo chiều dài các căn mẫu theo phương AB (Phương trục X) 91

4.4.2 Đo chiều dài các căn mẫu theo phương CD (Phương trục Y) 94

4.4.3 Đo chiều dài các căn mẫu trong mặt XY (Phương EF) 96

4.4.4 Đo các căn mẫu trong mặt phẳng XZ (Phương GH) 98

4.4.5 Đo các căn mẫu trong mặt phẳng YZ (Phương IJ) 99

4.4.6 Đo các căn mẫu theo phương MN 101

4.4.7 Đo các căn mẫu theo phương PQ 103

4.5 Đo các căn mẫu trên máy đo tọa độ khi đã được bù sai số 105

4.5.1 Đo chiều dài các căn mẫu theo phương trục X (Phương AB) 105

4.5.2 Đo chiều dài các căn mẫu theo phương trục Y (Phương CD) 106

4.5.3 Đo chiều dài các căn mẫu theo phương EF (Mặt phẳng XY) 108

4.5.4 Đo các căn mẫu theo phương GH (Mặt phẳng XZ) 110

4.5.5 Đo các căn mẫu theo phương IJ (Mặt phẳng YZ) 111

4.5.6 Đo các căn mẫu theo phương MN 113

4.5.7 Đo các căn mẫu theo phương PQ 115

4.5.8 So sánh kết quả đo của máy trước khi bù sai số, sau khi bù sai số với tiêu chuẩn ISO 10360 117

Trang 11

trượt dọc trục X Phụ lục 7 Công thức chuyển hệ tọa độ B3 về B2 Phụ lục 8 Công thức chuyển hệ tọa độ B2 về hệ tọa độ B1 khi có biến dạng khớp

trượt dọc trục Y Phụ lục 9 Công thức chuyển hệ tọa độ B1 về B0 Phụ lục 10 Công thức chuyển hệ tọa độ B2 về hệ tọa độ B1 khi không có biến

dạng khớp trượt dọc trục Y Phụ lục 11 Công thức chuyển hệ tọa độ B4 về hệ tọa độ B3 khi không có biến

dạng khớp trượt dọc trục X Phụ lục 12 Công thức chuyển hệ tọa độ B6 về hệ tọa độ B5 khi không có biến

dạng khớp trượt dọc trục Z Phụ lục 13 Kết quả nhân ma trận s

DH6

0

Phụ lục 14 Công thức tính tọa độ X sau khi bù Phụ lục 15 Công thức tính tọa độ Y sau khi bù Phụ lục 16 Công thức tính tọa độ Z sau khi bù Phụ lục 17 Chương trình điều khiển và bù sai số cho máy đo tọa độ Phụ lục 18 Biên bản kiểm tra kỹ thuật và các tham số đo lường

Trang 12

x

DANH MỤC MỘT SỐ CÁC KÍ HIỆU

VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

i Biểu diễn các trục của máy đo tọa độ (i = X, Y, Z) j Phương chuyển động tịnh tiến hay trục xoay (j = X, Y, Z) irj µrad Thành phần chuyển vị góc của khâu mang chuyển động trên

trục i xoay xung quanh trục j φj µrad Thành phần chuyển vị góc xung quanh trục j của một khâu

trong chuỗi động học của máy đo

iφj µrad Thành phần chuyển vị góc xung quanh trục j của một khâu

nằm trên trục i

iφj.c µrad Thành phần chuyển vị góc xung quanh trục j của một khâu

thành phần thuộc trục i itj µm Thành phần tịnh tiến của khâu mang nằm trên trục i theo

phương trục j

ji µm Thành phần dịch chuyển của khâu mang trên trục i đối với

khâu dẫn hướng theo trục i theo phương trục j

kim Kg Khối lượng của các khâu (khâu dẫn hướng, khâu mang) trên

trục i

kF N Lực quán tính tác dụng lên các khâu

i

q N/mm Lực phân bố trên các khâu



jiS µm Khoảng dịch chuyển của khâu mang trục i đối với khâu dẫn

hướng trục i khi khâu mang xoay quanh trục j

Trang 13

mƩ Kg Ma trận khối lượng C Ns/mm Ma trận giảm chấn K N/mm Ma trận độ cứng

 tq

µm Tọa độ suy rộng (các chuyển vị) As; AuAv Thành phần trong hệ mã hóa (s = 0,1,2,3; u=1,2; v=2,3)

pqDH Ma trận biến đổi từ hệ tọa độ q sang hệ tọa độ p (q = 0,…6;

 µrad Góc xoay của trục Z6 quanh trục X5 4

 µrad Góc xoay của trục Z4 quanh trục Y3 1

 µrad Góc xoay của trục X2 quanh trục Z1 1

 µrad Góc xoay của trục Z2 quanh trục X1 L mm Vị trí của đầu dò theo phương trục X

z mm Vị trí đầu dò theo phương trục Z



t Tham số của hàm phân bố tiêu chuẩn Student

 Giá trị trung bình của phép đo trong mỗi mẫu

Vdichuyển mm/s Vận tốc di chuyển (vận tốc không đo) Vđo mm/s Vận tốc đo (vận tốc đầu dò chạm vào vật đo) B(n=0,1 6) Các hệ trục tọa độ được gắn trên máy đo tọa độ

Trang 14

xii

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Nguồn gốc gây ra sai số động lực học 11 2 Bảng 2.1 Các thành phần chuyển vị có ảnh hưởng lớn trên các loại máy đo tọa độ 29 3 Bảng 2.2 Các thành phần chuyển vị được nghiên cứu 30 4 Bảng 2.3 Khi đo với Vđo = 1mm/s, tốc độ di chuyển Vy = 9mm/s, gia tốc

66mm/s2 41 5 Bảng 2.4 Khi đo với Vđo = 1mm/s, tốc độ di chuyển Vy = 10mm/s, gia tốc

75mm/s2 41 6 Bảng 2.5 Khi đo với Vđo = 1mm/s, tốc độ di chuyển Vy = 50mm/s, gia tốc

408mm/s2 41 7 Bảng 2.6 Một số thông số kỹ thuật của đầu cảm biến SMARTSENSOR ZX-LD30V 49 8 Bảng 2.7 Một số thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại ZX- LDA11-N 49 9 Bảng 2.8 Các mức của thông số Lx, Vy, z khi thực nghiệm 53 10 Bảng 2.9 Ma trận thực nghiệm theo thông số đầu vào và mã hóa ổ khí ở vị

trí số 1 54 11 Bảng 2.10 Ma trận quy hoạch với biến ảo của ổ đệm khí ở vị trí số 1 55 12 Bảng 2.11 Ma trận quy hoạch đầy đủ của ổ đệm khí ở vị trí số 1 55 13 Bảng 2.12 Ma trận thực nghiệm theo thông số đầu vào và mã hóa ổ khí ở vị

trí số 2 58 14 Bảng 2.13 Ma trận quy hoạch với biến ảo ổ đệm khí ở vị trí số 2 59 15 Bảng 2.14 Ma trận quy hoạch đầy đủ ổ đệm khí ở vị trí số 2 59 16 Bảng 4-1 Một số hệ thống tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của máy đo tọa độ 87 17 Bảng 4.2 Kích thước các căn mẫu ở nhiệt độ thực nghiệm t = 210±10C 91 18 Bảng 4.3 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương trục X khi chưa bù sai số 91 19 Bảng 4.4 Kết quả đo mẫu 200mm theo phương trục X khi chưa bù sai số 92 20 Bảng 4.5 Kết quả đo mẫu 300mm theo phương trục X khi chưa bù sai số 92

Trang 15

xiii

21 Bảng 4.6 Kết quả đo mẫu 400mm theo phương trục X khi chưa bù sai số 93 22 Bảng 4.7 Kết quả đo mẫu 500mm theo phương trục X khi chưa bù sai số 93 23 Bảng 4.8 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương trục Y khi chưa bù sai số 94 24 Bảng 4.9 Kết quả đo mẫu 200mm theo phương trục Y khi chưa bù sai số 9425 Bảng 4.10 Kết quả đo mẫu 300mm theo phương trục Y khi chưa bù sai số 95 26 Bảng 4.11 Kết quả đo mẫu 400mm theo phương trục Y khi chưa bù sai số 95 27 Bảng 4.12 Kết quả đo mẫu 500mm theo phương trục Y khi chưa bù sai số 96

28 Bảng 4.13 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương EF khi chưa bù sai số 96

31 Bảng 4.16 Kết quả đo mẫu 400mm theo phương EFkhi chưa bù sai số 97

33 Bảng 4.18 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương GH khi chưa bù sai số 98

38 Bảng 4.23 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương IJ khi chưa bù sai số 99

43 Bảng 4.28 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương MN khi chưa bù sai số 101

48 Bảng 4.33 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương PQ khi chưa bù sai số 103

Trang 16

xiv

53 Bảng 4.38 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương trục X đã bù sai số 105

58 Bảng 4.43 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương trục Y đã bù sai số 106

63 Bảng 4.48 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương EF đã bù sai số 108

68 Bảng 4.53 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương GH đã bù sai số 110

73 Bảng 4.58 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương IJ đã bù sai số 111

Trang 17

xv

78 Bảng 4.63 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương MN đã bù sai số 113

83 Bảng 4.68 Kết quả đo mẫu 100mm theo phương PQ đã bù sai số 115

88 Bảng 4.73 Giá trị mẫu nhận được theo phương trục X trước và sau khi bù sai số 117

89 Bảng 4.74 Giá trị mẫu nhận được theo phương trục Y trước và sau khi bù sai số 117

90 Bảng 4.75 Giá trị mẫu nhận được theo phương EF trước và sau khi bù sai số 117

91 Bảng 4.76 Giá trị mẫu nhận được theo phương GH trước và sau khi bù sai số 118

92 Bảng 4.77 Giá trị mẫu nhận được theo phương IJ trước và sau khi bù sai số 118

93 Bảng 4.78 Giá trị mẫu nhận được theo phương MN trước và sau khi bù sai số 118

94 Bảng 4.79 Giá trị mẫu nhận được theo phương PQ trước và sau khi bù sai số 118

Trang 18

xvi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1 Hình 1.1 Máy đo tọa độ 3 chiều 1

2 Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của máy đo tọa độ 1

3 Hình 1.3 Máy đo tọa độ dùng để kiểm tra các sản phẩm 2

4 Hình 1.4 Máy đo tọa độ lấy kích thước từ chi tiết và dựng lại trên máy tính 2

5 Hình 1.5 Các loại sai số trong máy đo tọa độ 4

10 Hình 2.2 Khớp giữa khâu dẫn hướng và khâu mang 22

11 Hình 2.3 Sơ đồ bố trí các ổ đệm khí của máy đo tọa độ dạng cầu trục 22

12 Hình 2.4(a,b) Các ổ đệm khí hai bên khâu dẫn của khớp trượt trên trụcY 13 Hình 2.5 Khớp trượt trên trục X 23

14 Hình 2.6 Khớp trượt trên trục Z 23

15 Hình 2.7 Các thành phần chuyển vị của khâu mang và khâu dẫn 24

16 Hình 2.8 Sơ đồ liên kết khâu và khớp của khâu mang trên trục Y 31

17 Hình 2.9 Các thành phần chuyển vị xoay trên trục Y 32

18 Hình 2.10 Biểu diễn chuyển vị của một điểm thuộc khâu dẫn hướng trục X 33

19 Hình 2.11 Mômen lực của các phần tử đối với trục Z của khâu dẫn trục Y 34

20 Hình 2.12 Chuyển vị góc của khâu dẫn hướng trục X tại một điểm 37

21 Hình 2.13 Chuyển vị góc của một điểm trên khâu dẫn hướng trục X 37

22 Hình 2.14 Biểu diễn trạng thái cân bằng của khâu mang trên trục Y 38

23 Hình 2.15 Thực hiện xác nhận sai số trên máy đo 40

Trang 19

xvii

24 Hình 2.16 Mô hình xác định chuyển vị xoay, tịnh tiến của khâu

mang 42

25 Hình 2.17 Bố trí các cảm biến đo dịch chuyển trên trục Y 44

26 Hình 2.18 Bố trí các cảm biến đo dịch chuyển trên trục X 44

27 Hình 2.19 Bố trí các cảm biến đo dịch chuyển trên trục Z 45

28 Hình 2.20 Nguyên lý đo của cảm biến laser 48

29 Hình 2.21 Cảm biến laser ZX-LD30V 49

30 Hình 2.22 Hình ảnh bộ khuếch đại tín hiệu từ đầu đo ZX-LD30V 50

31 Hình 2.23(a,b,c) Cảm biến lắp trên khâu mang của trục Y đo dịch chuyển theo phương X 52

32 Hình 2.24 Tín hiệu của các cảm biến trước khi đo 53

33 Hình 2.25 Tín hiệu của các cảm biến khi thực hiện đo 53

34 Hình 2.26 (a,b,c) Cảm biến lắp trên khâu mang của trục Y đo dịch chuyển theo phương Z 61

35 Hình 2.27(a,b,c) Cảm biến lắp trên khâu mang trục X đo dịch chuyển theo phương Z 62

36 Hình 2.28(a,b) Cảm biến lắp trên khâu mang trục Z đo chuyển vị theo phương trục Y 63

37 Hình 3.1 Các hệ trục tọa độ được gắn trên máy đo 65

38 Hình 3.2 Mô hình động học đơn giản của máy đo có gắn hệ tọa độ 65

39 Hình 3.3(a,b,c) Hệ tọa độ B6 và B5 khi xét đến chuyển vị khớp trục Z 68

40 Hình 3.4(a,b) Hệ tọa độ B4 và B3 khi có xét đến chuyển vị khớp trục X 69

41 Hình 3.5(a,b) Hệ tọa độ B2 và B1 khi có xét đến chuyển vị khớp trục Y 70

42 Hình 3.6 Vị trí của đầu dò khi khi không có sai số 72

43 Hình 3.7 Biểu diễn lan truyền sai số từ hệ tọa độ đầu dò về hệ tọa độ gốc 73

44 Hình 3.8 Vị trí của đầu dò được biểu diễn trong hai hệ quy chiếu 74 45 Hình 3.9 Vị trí đúng và sai của đầu dò được biểu diễn trong một hệ

Trang 20

xviii

46 Hình 3.10 Vị trí đúng và sai của đầu dò được biểu diễn trong hệ quy

chiếu 3D 75

47 Hình 3.11 Giao diện phần mềm đo mPrecision v1.0 80

48 Hình 3.12 Giải thuật bù sai số cho máy đo tọa độ 82

49 Hình 3.13 Cửa sổ lập trình phần mềm bù sai số 84

50 Hình 4.1 Máy đo tọa độ dạng cầu trục được chế tạo tại Việt Nam 86

51 Hình 4.2 Bộ căn mẫu dùng kiểm tra 88

52 Hình 4.3 Các miếng căn mẫu 88

53 Hình 4.4 Giá gá đỡ căn mẫu 88

54 Hình 4.5 Nam châm kẹp 88

55 Hình 4.6 Các phương đo kiểm tra độ chính xác của máy đo tọa độ 89

56 Hình 4.7 Đo kiểm tra chiều dài căn mẫu 100mm ở nhiệt độ t = 210±10C 90

57 Hình 4.8 Đo căn mẫu có chiều dài 100mm theo phương trục X 91

62 Hình 4.13 Đo căn mẫu có chiều dài 100mm theo phương trục Y 94

Trang 21

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO TỌA ĐỘ

Trang 22

1

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

1.1 Giới thiệu chung về máy đo tọa độ 1.1.1 Cấu trúc của máy đo tọa độ

Máy đo tọa độ là hệ thống đo được trang bị các cơ cấu để di chuyển hệ thống dò, nhằm mục đích xác định tọa độ trong không gian của các điểm trên bề mặt vật thể và thực hiện các quá trình xử lý đối với dữ liệu thu thập được (Tiêu chuẩn ISO 10360-1:2000), (hình 1.1)

Hình 1.1 Máy đo tọa độ 3 chiều Hệ thống hình thành máy đo tọa độ bao gồm hai phần cơ bản là phần cứng và phần mềm, mỗi thành phần gồm có nhiều module với các chức năng khác nhau tham khảo [1] (hình 1.2)

Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của máy đo tọa độ

Cấu trúc cơ khí

Máy đo tọa độ

Máy tính số và thiết bị ngoại vi Hệ thống cảm biến đo dịch chuyển thẳng

Hệ thống dẫn động Hệ thống điều khiển

Hệ thống đầu dò Phần mềm điều khiển

Phần mềm đo Phần

mềm Phần cứng

Trang 23

Hình 1.3 Máy đo tọa độ dùng để kiểm tra các sản phẩm

b Lập bản vẽ

Máy đo tọa độ còn là thiết bị số hóa không gian ba chiều, nhờ có máy đo tọa độ mà hình dạng 3D của một chi tiết có cấu tạo phức tạp hay các mặt cong không có quy luật được tái tạo một cách chính xác, từ đó tạo cơ sở cho việc lập bản vẽ thiết kế 2D đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của công tác thiết kế theo mẫu Việc số hóa là một phần chính trong công nghệ thiết kế ngược (RE) đang được phát triển trên thế giới

Trang 24

1.1.3 Các nguồn gây sai số trên máy đo tọa độ

Máy đo tọa độ là thiết bị đo có độ chính xác cao được hình thành từ nhiều hệ thống khác nhau (mục 1.1.1) do đó có rất nhiều nguồn gây ra sai số cho máy, dựa vào những bộ phận tạo thành máy đo tọa độ, Anderson [2] và Chatterjee [3] thấy rằng các nguồn sai số chủ yếu gồm có:

Hệ thống cơ khí: Gồm các thành phần chính của kết cấu máy đo tọa độ: bệ máy, bàn

máy, bộ phận dẫn hướng, các trục cùng với những ổ đệm khí Những thành phần này gây ra sai số do những khuyết tật của chúng trong quá trình chế tạo, kiểm tra hay do đặc tính như độ cứng vững, giãn nở nhiệt… bản chất của những sai số này có thể là tĩnh hoặc động

Hệ thống truyền động: Đối với những máy đo tọa độ điều khiển số, trên các trục

đều có gắn các động cơ, bộ truyền động và thiết bị điều khiển servo Các sai số liên quan đến hệ thống truyền động và ảnh hưởng đến độ chính xác của máy gồm: tốc độ của máy không đều, tải trọng tác dụng lên các cụm trục dẫn đến những chuyển động không mong muốn và gây ra các rung động trong cấu trúc máy

Hệ thống đo: Hệ thống đo của máy đo tọa độ gồm ba thước đo dịch chuyển thẳng

được gắn dọc theo ba trục máy Tọa độ thực tế của các điểm đo nhận được là từ các giá trị của các thước đo này Những sai số chính gây ra bởi các thước đo là do các khuyết tật của thước đo, độ nhạy, sai số lắp đặt…

Hệ thống đầu dò: Hệ thống đầu dò được dùng để xác định vị trí các điểm nằm trên

bề mặt chi tiết được đo Những sai số liên quan đến hệ thống đầu dò bao gồm: hiệu chuẩn đầu dò, khe hở trục lắp kim dò, kim dò bị cong do chuyển vị, sự trễ của tín hiệu điện…

Hệ thống máy tính: Hệ thống máy tính là trung tâm điều khiển máy bao gồm cả

phần cứng và phần mềm Những tiến bộ vượt bậc trong ngành công nghiệp máy tính cho phép phần cứng của mọi hệ thống điều khiển luôn đáp ứng được với mức

Trang 25

SAI SỐ DO XỬ LÍ TÍN HIỆU

SAI SỐ DO RUNG ĐỘNG

SAI SỐ DO TRỄ SAI SỐ DO NHIỆT

SAI SỐ DO ĐẦU DÒ SAI SỐ ĐỘNG LỰC HỌC

cao nhất, vì vậy, sai số chủ yếu là do phần mềm gây ra Nhiệm vụ quan trọng của phần mềm là dựa trên các dữ liệu đo để tính toán cho ra các thông số về hình dạng và kích thước của vật đo Lỗi của phần mềm có thể do thuật toán tính toán, phương pháp nội suy, xấp xỉ, số hóa dữ liệu… ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả đo

Bên cạnh các nguồn sai số đã đề cập ở trên, độ chính xác của máy đo tọa độ còn bị ảnh hưởng bởi các nhân tố liên quan đến người vận hành và môi trường Những yếu tố như làm sạch vật đo, chọn các điểm đo, hướng đo, tốc độ của máy, loại đầu dò của người vận hành có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của máy Môi trường xung quanh nơi đặt máy đo tọa độ cũng có vai trò rất quan trọng đối với độ chính xác của máy, chẳng hạn sự thay đổi nhiệt độ sẽ ảnh hưởng nhiều đến kích thước hình học của cấu trúc máy, rung động hay độ ẩm cũng gây ra sai số và làm giảm độ chính xác của máy đo tọa độ

1.1.4 Các loại sai số trên máy đo tọa độ

Vì máy đo tọa độ được tạo thành từ nhiều bộ phận nên có nhiều nguồn gây ra sai số Các nguồn gây sai số này sinh ra các loại sai số khác nhau làm ảnh hưởng đến độ chính xác của máy Theo quy luật xuất hiện, các tác giả Anderson [2], Elbestawi, Barakat và Spence chia các sai số thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên (hình 1.5)

Trang 26

5

Trong các sai số của máy đo tọa độ, những sai số có ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của máy theo các tác giả Mahbubur và Rahman [4] bao gồm:

- Sai số hình học - Sai số động học - Sai số do độ cứng vững - Sai số do nhiệt

- Sai số động lực học

1.2 Các hướng nghiên cứu trên thế giới và trong nước về máy đo tọa độ

Khi xem xét về tính năng của máy đo tọa độ, người ta quan tâm đến ba tiêu

chí quan trọng nhất, đó là: độ chính xác, tốc độ và tính linh hoạt Một máy đo tọa độ có tính năng kỹ thuật mong muốn là máy đo có độ chính xác và tốc độ của máy cao, có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường không thuận lợi, chính vì vậy, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu theo các hướng sau:

Độ tin cậy của kết quả đo

Xu hướng này đòi hỏi máy được chế tạo ra phải kiểm soát được độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo Để tính toán độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo thì cần phải có kiến thức về hệ thống đo lường, sai số (hệ thống, ngẫu nhiên) ảnh hưởng đến độ chính xác đo và phương pháp được sử dụng để tính ảnh hưởng của các sai số này

Tăng khả năng đo với nhiều nhiệm vụ khác nhau

Máy có khả năng thực hiện càng nhiều các nhiệm vụ đo khác nhau và thực hiện được các nhiệm vụ đo càng phức tạp càng tốt Nếu máy đáp ứng được yêu cầu này thì máy sẽ có khả năng đo được các bề mặt, các biên dạng phức tạp hơn và thực hiện được nhiều thao tác đo khác nhau trên một chi tiết cần đo

Có khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp

Ban đầu các máy đo tọa độ được thiết kế và sử dụng chủ yếu trong môi trường phòng thí nghiệm Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng máy đo tọa độ gần với môi trường sản xuất hay tích hợp máy vào một dây chuyền sản xuất ngày càng tăng Và theo đó điều kiện làm việc của môi trường (rung động, nhiệt độ, độ ẩm ) sẽ làm giảm độ chính xác của máy đo tọa độ Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải duy trì được độ

Trang 27

6

chính xác cao của máy dưới ảnh hưởng của điều kiện môi trường làm việc không thuận lợi

Tốc độ di chuyển của đầu dò cao

Thông thường, để đạt được độ chính xác cao thì tốc độ của đầu dò phải thấp Vấn đề này có thể được chấp nhận trong phòng thí nghiệm, tuy nhiên môi trường sản xuất thực tế sẽ không chấp nhận tốc độ đầu dò thấp vì lý do kinh tế

Trong các xu hướng nghiên cứu đã trình bày ở trên, xu hướng tăng tốc độ của đầu dò (tốc độ di chuyển) đã, đang và sẽ còn được quan tâm vì các nguyên nhân:

Thứ nhất: Do sự cạnh tranh ngày càng gay gắt giữa các công ty, việc nhanh chóng

đưa sản phẩm ra thị trường có liên quan đến sự phát triển và tồn tại của mỗi công ty Máy đo tọa độ là thiết bị đo lường dùng để kiểm tra chất lượng sản phẩm vì vậy, tăng tốc độ của đầu dò có liên quan đến việc đưa sản phẩm ra thị trường sớm hay muộn

Thứ hai: Do các sản phẩm ngày càng nhiều, đa dạng, phong phú về hình dạng và

kích thước nên sản lượng đo ngày càng lớn vì vậy việc tăng tốc độ của đầu dò đóng vai trò quan trọng trong yếu tố tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm

Thứ ba: Trong các công nghệ chế tạo hiện đại đang phát triển hiện nay (Công nghệ

thiết kế ngược, công nghệ in 3D ), máy đo tọa độ đóng vai trò là thiết bị số hóa dữ liệu, việc tăng tốc độ của đầu dò dẫn đến giảm thời gian lập bản vẽ thiết kế và chế tạo và cuối cùng là nhanh chóng đưa sản phẩm từ bản vẽ thành vật thật

Đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm tăng tốc độ của đầu dò, giải pháp mà các nhà nghiên cứu: McMurty, Sutherland, Weckenmann, Lu, Jones, Katebi, Kunzmann, Lotze, Neumann và Phillips đưa ra là cần phải tăng tốc độ di chuyển của đầu dò máy đo tọa độ Như một hệ quả tất yếu, khi tăng tốc độ di chuyển sẽ làm chênh lệch giữa tốc độ di chuyển và tốc độ đo tăng (gia tốc tăng lên, lực quán tính lớn), sai số động lực học tăng lên và giảm độ chính xác đo xuống, chính vì vậy cần phải nghiên cứu hạn chế sai số động lực học để máy đo tọa độ duy trì được độ chính

xác cần thiết khi đo ở tốc độ di chuyển cao

Trang 28

7

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới để giảm sai số, tăng tốc độ di chuyển, tăng độ tin cậy của máy đo tọa độ

Theo hình 1.5 các hướng nghiên cứu trên thế giới hiện nay:

a Các nghiên cứu giảm sai số hình học

Sai số hình học là những sai số của các chi tiết riêng biệt, sai số hình học sinh ra do độ không chính xác khi gia công và lắp đặt các chi tiết máy Sai số hình học có thể là độ không chính xác về độ thẳng, độ phẳng, độ song song, độ vuông góc của các chi tiết trong máy đặc biệt là của chi tiết dẫn hướng và các trục Để hạn chế ảnh hưởng của sai số hình học đến độ chính xác của máy, ngoài giải pháp nâng cao chất lượng gia công, lắp ráp người ta còn áp dụng các biện pháp khác, cho đến nay, nhiều công trình nghiên cứu về sai số hình học đã được công bố và ảnh hưởng của sai số hình học đến độ chính xác của máy đo tọa độ cơ bản đã được giải quyết Để bù sai số vị trí hình học cho máy đo tọa độ khi không xét ảnh hưởng của nhiệt độ, Ahmad K Elshennawy và Inyong Ham [5] đã ứng dụng kỹ thuật bù sai số trên cơ sở hiệu chỉnh một mô hình động học Edward P Morse [6] đề xuất việc xây dựng và sử dụng các dữ liệu từ các vật mẫu như là các tiêu chuẩn đo để ước lượng và đánh giá độ chính xác của máy đo tọa độ Makoto Abbe, Kiyoshi Takamasu và Shigeo Ozono [7] trình bày phương pháp hiệu chỉnh nhờ sử dụng một mặt cầu ba chiều có thể lập trình, mặt cầu này được xác định bởi máy đo tọa độ chuẩn, máy đo tọa độ cần kiểm tra được hiệu chỉnh nhờ việc so sánh các tọa độ ba chiều Phương pháp này có thể kiểm tra 21 loại sai số hình học của máy Phương pháp tự hiệu chỉnh được J.P Kruth, P Vanherck, L De Jonge [8] đề xuất bằng cách sử dụng một đĩa trên đó có gắn các quả cầu mẫu để xác định sai số Sau khi đo các quả cầu ở các vị trí khác nhau trong không gian, các sai số hình học có tính hệ thống được tính toán và được đưa vào phần mềm bù sai số

b Các nghiên cứu giảm sai số động học

Sai số động học xuất hiện và ảnh hưởng đến khả năng tiến tới một vị trí xác định của máy đo tọa độ khi máy thực hiện đo Vị trí của các trục dẫn hướng, các khớp nối, động cơ… ảnh hưởng đến sai số động học, vì vậy sai số này phản ánh sự không đảm bảo chính xác hướng chuyển động Để hạn chế và loại bỏ tác động của

Trang 29

8

sai số động học đến độ chính xác của máy đo tọa độ nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện N.A Barakat, M.A Elbestawi, A.D Spence [9] trình bày một mô hình động học của máy đo được đơn giản hóa bằng một số giả định Mô hình được nghiên cứu và được nâng cao bởi việc bổ sung các sai số hình học có liên quan Các tác giả thực hiện hai cách tiếp cận để đánh giá các hệ số của mô hình Cách tiếp cận thứ nhất là đo một thước vòng, trong cấu trúc lưới, trong vùng đo của máy, các sai số thu được trong các phép đo được xử lý để tạo ra tập các giá trị hệ số của mô hình Cách tiếp cận thứ hai dựa trên cơ sở đo 21 sai số riêng rẽ trong máy nhờ dụng cụ đo giao thoa laser, những giá trị đo này được dùng để đánh giá tập hệ số mô hình khác Phương pháp bù được đề xuất và kiểm tra nhờ việc dùng mô hình và các tập giá trị hệ số thu được Vùng không gian đo của máy được đánh giá theo tiêu chuẩn ASME trước và sau khi bù, sự cải thiện trong vùng đo của máy được chứng minh và so sánh T.O Ekinci, J.R.R Mayer [10] đề xuất việc phân tích sai số của máy đo tọa độ trên cơ sở phân loại sai số bằng cách tìm sai số vị trí của đầu dò, khi chịu tác động của các sai số động học các khớp nối Phương pháp phân loại này tạo ra khái niệm cơ sở để phân tích các sai số của máy, tính hợp lý của phương pháp được kiểm tra thông qua việc nghiên cứu sai số góc quay và sai số tịnh tiến của các khớp Những hạn chế của mô hình sai số tịnh tiến và quay dựa trên yếu tố toán học thuần túy được khảo sát tỉ mỉ thông qua các mô phỏng và thực nghiệm Jorge Santolaria, Juan-José Aguilar, José-Antonio Yagüe, Jorge Pastor [11] trình bày kỹ thuật ước lượng thông số động học để cải tiến việc hiệu chỉnh và khả năng lặp lại của các máy đo tọa độ dạng tay máy khớp nối trên cơ sở sử dụng dữ liệu thu được khi dùng máy đo vật mẫu và đa thức khai triển Fourier

c Các nghiên cứu giảm sai số độ do độ không cứng vững

Sai số do độ không cứng vững có thể sinh ra do các nguyên nhân như: các giả thiết về độ cứng vững giới hạn không hoàn toàn chính xác, do trọng lượng của các thành phần trong kết cấu máy và hình dạng của các thành phần đó Các sai số do độ không cứng vững gây ra liên quan đến các tải tĩnh hoặc tải trọng thay đổi chậm theo thời gian trên các bộ phận máy và sự thay đổi của các bộ phận máy này khi

Trang 30

9

Hình 1.6 Sai số do độ không cứng vững gây ra zĐể giảm sai số của máy do độ không cứng vững gây ra Huang, Zhang đề xuất giải pháp gia tăng độ chính xác gia công chi tiết, dùng các cấu trúc có độ cứng vững cao, các vật liệu có độ bền lớn, khối lượng riêng nhỏ và hệ số giãn nở nhiệt thấp

d Các nghiên cứu giảm sai số do nhiệt

Hình 1.7 Sai số do nhiệt Sai số do nhiệt chủ yếu do trường nhiệt độ trong máy và vật đo gây ra Sai số nhiệt có thể được phân biệt thành hai loại Thứ nhất, sự khác biệt giữa nhiệt độ của các chuẩn đo lường (các thước đo của máy) và vật đo sẽ gây ra sai số đo Thứ hai, trường nhiệt độ trong máy sẽ gây ra những chuyển vị (chẳng hạn như bộ phận dẫn hướng bị uốn cong ) và do đó sẽ gây ra sai số hình học (hình 1.7) Sai số nhiệt phụ thuộc vào cấu trúc máy, đặc tính vật liệu, sự phân bố nhiệt độ bên trong máy đo tọa độ, ảnh hưởng của các nguồn nhiệt bên ngoài như nhiệt độ môi trường hay các nguồn nhiệt bên trong như nhiệt từ động cơ Có nhiều nguồn nhiệt tác động đến hoạt động của máy như ánh sáng, sự điều hòa không khí, người xung quanh máy,

Trang 31

10

hay nhiệt sinh ra bởi quá trình hoạt động máy Hiện tượng lưu nhiệt: nhiệt được lưu giữ trong các bộ phận máy từ trạng thái nhiệt trước đó Sai số nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của máy Sự biến thiên của sai số nhiệt rất phức tạp, không theo một quy luật nào nên khó xác định, tuy vậy cũng có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến sai số của máy Các tác giả Breyer, K.H, Pressel, H.G [12] nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ chính xác của máy đo tọa độ và đề xuất biểu thức tính tọa độ của đầu dò thì tất cả các kích thước đo của cơ cấu phải là hàm số với biến số là nhiệt độ tại thời điểm đo Valdés R A, B Di Giacomo và F T Paziani [13] tổng hợp các sai số do nhiệt gây ra trong máy đo tọa độ Các tác giả đưa ra phương trình biểu diễn các thành phần sai số trong không gian đo của máy chịu tác động của nhiệt độ Các phương trình này kết hợp phép biến đổi thuần nhất, kỹ thuật hồi quy, giải thuật bình phương nhỏ nhất và được áp dụng cho máy đo tọa độ dạng cầu trục Giá trị các sai số hình học và sự thay đổi các giá trị này do nhiệt độ gây ra được thu thập nhờ hệ thống giao thoa kế laser, đồng thời các giá trị nhiệt độ được giám sát bằng một cặp nhiệt điện kiểu chữ T làm bằng đồng và hợp chất đồng-Nikel Từ mô hình đề xuất, các thành phần sai số không gian được tổng hợp Các kết quả thu được, được so sánh với chính các sai số đó nhận được từ việc đo bằng bộ thước mẫu

e Các nghiên cứu giảm sai số động lực học

Sai số động lực học xuất hiện trong quá trình chuyển động của các bộ phận máy, chịu tác dụng của lực quán tính do động cơ hay các rung động gây ra Sai số động lực học là sai số ngẫu nhiên, biến đổi không có quy luật, thay đổi nhanh theo thời gian, việc mô hình hóa chính xác sai số động lực học là rất khó khăn Sai số động lực học phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: kết cấu của máy, sự phân bố khối lượng của các thành phần trong máy, sự phân bố tải Đặc biệt sai số động lực học xuất hiện trong trường hợp có sự thay đổi tốc độ chuyển động của các bộ phận khi máy thực hiện đo hay dò ở tốc độ di chuyển cao và điều này có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của máy đo tọa độ Sai số động lực học tác động lên cấu trúc máy gây ra các chuyển vị, ảnh hưởng đến độ chính xác của máy

Trang 32

11

Luận án tiến sĩ kỹ thuật Bảng 1.1 Nguồn gốc gây sai số động lực học

Hình 1.8 Sai số động lực học Hình 1.8 mô tả ảnh hưởng của sai số động lực học đến độ chính xác của máy Trục X chuyển động với tốc độ thay đổi đột ngột, gây ra chuyển vị trên trục Z, dẫn đến sai số trong độ dịch chuyển dọc trục Z

* Nguồn gây ra sai số động lực học

Theo Wim Weekers [14] các nguồn gây ra sai số động lực học bao gồm: kết cấu của máy, độ cứng vững của máy, môi trường… các nguồn gốc này được xếp theo hai nhóm nguyên nhân có ảnh hưởng đến tính chất của sai số thay đổi theo thời

Cưỡng bức

- Gia tốc các trục

Trang 33

12

Gian, đó là nhóm nguyên nhân gây ra sai số động lực học do dao động và nhóm nguyên nhân gây ra sai số động lực học do lực quán tính (bảng 1.1) Sai số động lực

học do dao động hay quán tính gây ra có thể là cưỡng bức hay tự do

Nếu máy đo chịu tác động của lực kích thích lúc ban đầu và dao động này được duy trì bởi lực đàn hồi trong kết cấu thì dao động của máy là dao động tự do Khi kết cấu máy chịu lực tác động thay đổi theo thời gian thì dao động của máy là dao động cưỡng bức, lúc này hệ thống máy dao động với tần số của lực tác động Trường hợp máy chịu dao động cưỡng bức có thể xẩy ra hiện tượng cộng hưởng: biên độ dao động của hệ thống rất lớn nếu tần số của lực tác động gần với tần số dao động riêng của hệ thống Hocken [15], Weck [16] và Pereira, Hocken [17] đã chỉ ra dao động cưỡng bức có thể do các nguồn lực kích thích bên ngoài thông qua bệ, đế máy (dao động cưỡng bức ngoài) hoặc các nguồn gây dao động bên trong máy đo (dao động cưỡng bức nội) chẳng hạn các nguồn gây dao động do bộ điều khiển, do khuyết tật của các ổ đỡ, các trục quay, các bộ truyền động Để máy đo tọa độ không bị tác động hay ảnh hưởng do các nguồn dao động cưỡng bức thì cần phải loại bỏ hay hạn chế các nguồn dao động cưỡng bức bên trong và bên ngoài khi chế tạo hay khi sử

dụng máy

Thành phần sai số động lực học do lực quán tính sinh ra

Sai số động lực học do tác động của lực quán tính được xem xét dựa vào sự chuyển vị của khâu và khớp Vì chuyển động trên các trục có sự thay đổi tốc độ nên các bộ phận của máy đo tọa độ (như các khâu, khớp) sẽ chịu ảnh hưởng của lực quán tính Do tính mềm dẻo của các bộ phận trong cấu trúc máy nên lực quán tính làm các bộ phận này bị chuyển vị và ảnh hưởng đến độ chính xác vị trí đầu dò Việc mô hình hóa tác động của lực quán tính tương đương với việc mô hình hóa các sai số do tải trọng cơ học gây ra và thực tế các kiểu sai số động lực học này được

Hocken, Weck [18], Slocum [19] xem như là các sai số tĩnh

* Các giải pháp giảm ảnh hưởng của sai số động lực học đến độ chính xác của máy đo tọa độ

Dao động tự do hoặc do lực cưỡng bức hay lực quán tính gây ra chuyển vị

Trang 34

13

Luận án tiến sĩ kỹ thuật đầu dò và vật đo Mức độ dao động tác động đến độ chính xác của máy đo phụ thuộc vào việc xây dựng máy, khung máy, hướng và sự biến thiên tốc độ mà máy đo chịu tác dụng Các giải pháp hiệu quả chống lại ảnh hưởng của dao động đến độ chính xác của máy là thiết kế hệ thống đo, chế tạo máy đo tốt hơn hoặc là cô lập, cách ly máy đo với các nguồn gây ra dao động Máy đo được chế tạo tốt hơn khi giảm thiểu được những ảnh hưởng xấu do sự thay đổi tốc độ gây ra Biện pháp cách ly nhằm làm giảm bớt các dao động của nền móng hay dao động từ các nguồn gây sai số khác sao cho máy chịu sự thay đổi tốc độ ở mức độ thấp và có thể chấp nhận các dao động phát sinh Muốn có được kết quả đo chính xác, đặc biệt trong trường hợp đo với tốc độ di chuyển cao thì ảnh hưởng của các sai số động lực học cần phải được giảm đến mức nhỏ nhất Để đảm bảo độ chính xác của máy đo tọa độ, trong thực tế, có ba cách tiếp cận nhằm giảm tác động của sai số động lực học đến mức

nhỏ nhất, đó là giải pháp thiết kế, giải pháp điều khiển và giải pháp bù sai số

Giải pháp thiết kế

Hướng tiếp cận dựa vào thiết kế nhằm cải tiến chuỗi kết cấu của máy, trước hết cấu trúc máy phải được thiết kế sao cho sai số Abbe nhỏ, đồng thời giảm thiểu sự truyền của các sai số (nhất là các sai số xoay) đến vị trí đầu dò Nhìn chung chuỗi kết cấu của máy nên tạo thành một đường ngắn nhất giữa đầu dò và vật đo vì như vậy sự nhậy của máy đo đối với sai số động lực học sẽ là nhỏ nhất Để tránh sai số động lực học lớn do lực quán tính gây ra thì các bộ phận của máy được chế tạo phải có khối lượng nhỏ và độ cứng cao Teague [20] đề xuất các bộ phận máy khi thiết kế nên có hình dạng đối xứng cao, sử dụng các loại vật liệu có hệ số dãn nở nhiệt bé đồng thời dùng các truyền động êm để tránh lực tác động theo các hướng không mong muốn, ông cũng đề xuất một giải pháp cho vấn đề thiết kế đó là tách biệt riêng rẽ giữa hệ thống đo và hệ thống dẫn động Nijs [21] đã phát triển một mô hình có thể dùng để tối ưu hóa thiết kế cấu trúc cơ khí của máy trước khi chế tạo vật mẫu đầu tiên, ngoài ra giải pháp thiết kế máy cũng sử dụng các hệ thống giảm chấn để giảm biên độ dao động và nhanh chóng xác lập trạng thái ổn định

Trang 35

14

Giải pháp điều khiển

Để nâng cao khả năng chịu tác động của máy đo tọa độ đối với sai số động lực học một số tác giả sử dụng giải pháp cải tiến bộ điều khiển của máy trong đó có các nỗ lực cải tiến bộ điều khiển của máy đo tọa độ nhằm làm giảm nhanh các dao động do sự thay đổi từ tốc độ di chuyển sang tốc độ dò gây ra hoặc là tác động của động cơ, điều khiển servo, bộ phận cung cấp khí đến trạng thái dao động ổn định Asada [22] và Spong [23] đã đưa ra mô hình và giải thuật điều khiển có xét đến các trường hợp tay máy cứng tuyệt đối cũng như trường hợp tay máy có khâu hoặc khớp chuyển vị hoặc cả khâu và khớp cùng chuyển vị, vấn đề này đã được Lammerts [24] phát triển thêm Trong công trình nghiên cứu của mình Park [25] và các tác giả nhận thấy: thực tế các dao động còn lại sau quá trình dừng cũng cản trở robot tiến nhanh đến vị trí và kéo dài thời gian thực hiện vì vậy việc giảm thời gian xác lập được xem là vấn đề chính trong điều khiển vị trí Trên cơ sở xác nhận việc tăng tốc độ di chuyển (dẫn đến sự biến đổi tốc độ lớn) là nhân tố chính ảnh hưởng đến thời gian đo cũng như giảm độ chính xác của kết quả đo Katebi [26] mô tả việc phát triển một hệ thống servo và thiết kế bộ điều khiển vị trí tối ưu cho máy đo để giải quyết vấn đề mâu thuẫn giữa tốc độ của máy cao và yêu cầu độ chính xác cần đạt được Jones [27] trình bày phương pháp giảm dao động bằng cách lọc các lệnh vào bộ điều khiển và tối ưu hóa thời gian điều khiển chuyển động của máy

Trong máy đo tọa độ có hai hệ thống: hệ thống điều khiển và hệ thống đo Hệ thống điều khiển là một phần của kết cấu liên quan đến nhiệm vụ điều khiển Hệ thống điều khiển vòng đóng bao gồm hệ thống truyền động, khâu dẫn hướng, khâu mang và thước đo, còn hệ thống điều khiển vòng hở được mở rộng bởi bộ phận kết nối đầu dò với khâu mang Hệ thống đo là một phần của chuỗi kết cấu giữa thước đo và đầu dò, để đo chính xác thì vị trí tương đối của đầu dò đối với tọa độ gốc của máy phải được biết, điều này có nghĩa là tọa độ của đầu dò theo ba phương đối với ba thước đo phải được giám sát Nhiệm vụ điều khiển ở đây là đảm bảo đầu dò di chuyển nhanh khi đo các điểm sao cho tại thời điểm đo thì chuyển vị của hệ đo lường phải nhỏ nhất, vì vậy hệ thống điều khiển phải có khả năng điều khiển gia

Trang 36

15

Luận án tiến sĩ kỹ thuật giới hạn, điều này làm xuất hiện mâu thuẫn: tốc độ di chuyển nhỏ (sự thay đổi của tốc độ đầu dò nhỏ) nhưng phải đảm bảo thời gian đo ngắn và việc điều khiển hệ thống vòng kín là không đủ vì nó không bao gồm hệ thống đo Do đó cần phải có một mô hình hệ thống vòng hở chính xác để đảm bảo các độ lệch là nhỏ nhất Nhìn chung việc điều khiển chính xác vị trí đầu dò khi đo hay dò với tốc độ cao là rất mất

thời gian đặc biệt là trong các nhiệm vụ đo phức tạp với số lượng điểm đo lớn

Giải pháp bù sai số

Trong trường hợp chuỗi kết cấu của máy đo tọa độ và việc điều khiển máy vẫn không làm máy đạt độ chính xác cần thiết thì kết quả đo có thể được bù sai số ở vị trí đầu dò liên quan đến hệ tọa độ gốc của máy Trong trường hợp này sai số động lực học được Weckenman, Breyer [28], Huang [29], [30], [31], Sartori [32], Weekers [14], Sergey, Viktor [33], Wei Jinwen và Chen Yanling [34] quan niệm và giải quyết như các sai số hệ thống và phần mềm bù sai số được xem như một giải

pháp tốt để giải quyết sai số do sai số động lực học gây ra

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước để giảm sai số, tăng tốc độ di chuyển, tăng độ tin cậy của thiết bị đo nói chung và máy đo tọa độ nói riêng

Các nghiên cứu trong nước nhằm nâng cao độ chính xác cho thiết bị đo hoặc tay máy bao gồm “Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của một hệ thống đo lường các bề mặt” của Trần Hữu Tâm [35] Trong nghiên cứu của mình tác giả đã sử dụng giải thuật khử sai số dựa trên thuật toán back propagation để chỉnh sai số hệ thống của thiết bị bằng cách lựa chọn và cụ thể hóa phương pháp xử lý sai số khi đo bề mặt phức tạp Phương pháp bù bằng cách dùng mạng neutron nhân tạo để nâng cao độ chính xác hình học của thiết bị đo đã được tác giả kiểm chứng trên mô hình thực nghiệm là thiết bị đo tọa độ Micro – Scriber Tác giả Lương Hồng Sâm [36] thực hiện nghiên cứu “Nâng cao độ chính xác định vị cho tay máy bằng phương pháp hiệu chỉnh sai lệch vị trí” Lương Hồng Sâm đã đưa ra và giải bài toán động học ngược cho một tay máy cụ thể (Scorbot ER-VII) bằng phương pháp giải tích từ đó tìm được bộ tham số di chuyển Tác giả cũng đã ứng dụng mạng neutron nhằm xác định hàm sai lệch định vị tổng hợp, từ đó tác giả bù trực tiếp vào bộ tham số di chuyển để hiệu chỉnh sai lệch vị trí nhằm nâng cao độ chính xác định vị cho tay

Trang 37

16

máy Đặng Quốc Cường đã thực hiện công trình nghiên cứu “Xác định sai số hệ thống trong máy đo 3 tọa độ bằng phương pháp tự kiểm định” Trong luận án thạc sỹ về bù sai số hình học cho máy đo tọa độ, Nguyễn Nam Khánh [37] đã phân tích, hệ thống sai số hình học và biểu diễn các sai số này dưới dạng các phương trình toán học Sai số hình học được mô hình hóa theo các tọa độ tương ứng với vị trí của các bộ phận chuyển động trên các trục máy, tác giả đã sử dụng Matlab để xây dựng chương trình tính toán sai số hình học từ đó bù sai số hình học cho máy Nguyễn Nam Khánh đưa ra phương pháp luận để thiết kế máy có độ chính xác cao, khắc phục những nhược điểm trong gia công cơ khí nhằm mục tiêu chế tạo được máy đo tọa độ với độ chính xác đảm bảo theo khả năng công nghệ ở Việt Nam

Trong các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của máy đo tọa độ, yếu tố nhiệt độ là nguyên nhân gây ra sai số lớn nhất Dưới tác dụng của nhiệt độ, các bộ phận, kết cấu của máy thay đổi về kích thước, hình dạng và gây ra sai số vì vậy để hạn chế sai số do nhiệt gây ra, một số giải pháp đã được sử dụng: Thứ nhất là sử dụng các loại vật liệu có độ giãn nở nhiệt càng bé càng tốt chẳng hạn như đá granit, hợp kim nhôm A6061, thép Invar để chế tạo các chi tiết, bộ phận máy; Thứ hai là nhiệt độ của môi trường đo được khống chế trong phạm vi cần thiết (từ 20 – 250C) và thứ ba là bù sai số nhiệt Lưu Văn Cảnh [38] thực hiện phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chính xác của máy, xây dựng và mô hình hóa các sai số hình học dưới tác động của nhiệt và đưa ra giải pháp bù sai số do nhiệt gây ra để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo

Bù sai số động học cho máy đo tọa độ được Phan Vũ Bảo [39] thực hiện Phan Vũ Bảo đã chọn phương pháp phân tích kết hợp với thực nghiệm không sử dụng sensor Mô hình toán được dùng để tính các dao động, chuyển vị của các chi tiết, các cụm chi tiết là phương pháp phần tử hữu hạn Để giải các bài toán dao động, tác giả dùng phần mềm Matlab, để tính toán – kiểm tra các sai số khác cho kết cấu cơ máy của máy đo tọa độ tác giả sử dụng phần mềm Ansys

Dựa vào mô hình sai số hình học, mạng thần kinh xấp xỉ hàm sai số và Hole Plate tự chế tạo, Nguyễn Văn Quốc Khánh đã xây dựng phần mềm dùng để calip

Trang 38

17

1.2.3 Sự thay đổi tốc độ khi đo làm suy giảm độ chính xác của máy đo tọa độ

Để di chuyển từ điểm đo này sang điểm đo khác, trước tiên đầu dò của máy được tăng tốc để đạt tới tốc độ di chuyển cao, khi tiến tới một điểm có khoảng cách định trước đối với điểm đo, đầu dò được giảm tốc xuống tốc độ đo, quá trình thay đổi tốc độ như vậy sinh ra lực quán tính và ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả đo (đặc biệt là khi tốc độ di chuyển đầu dò gần với tốc giới hạn) Trong nghiên cứu bù sai số cho máy đo tọa độ dạng giàn, Wim Weekers [14] thực hiện đo với tốc độ di chuyển Vdichuyển≤ 8mm/s (tốc độ đo Vđo≤ 5mm/s) thì kết quả đo không có sai số Tuy nhiên khi đo với tốc độ di chuyển 10mm/s ≤Vdichuyển≤ 70mm/s và tốc độ đo như trên (Vđo≤ 5mm/s) thì kết quả đo xuất hiện sai số và sai số này càng lớn khi sự chênh lệch giữa tốc độ đo và tốc độ di chuyển càng lớn, (sai số có giá trị lớn nhất khi tốc độ di chuyển bằng 70mm/s) Với các máy đo tọa độ sau một thời gian sử dụng, khi thực hiện đo với tốc độ di chuyển cao các máy này cũng không giữ được độ chính xác như ban đầu, khảo sát máy đo tọa độ 3D CNC sau 5 năm sử dụng cho thấy kết quả này Sự thay đổi của tốc độ trong quá trình đo gây ra lực quán tính, lực quán tính càng lớn khi sự chêch lệch giữa tốc độ di chuyển và tốc độ đo càng lớn Các chi tiết trong kết cấu máy khi chịu một lực quán tính nào đó sẽ bị chuyển vị, rung động và kéo theo sự ảnh hưởng của toàn kết cấu

1.3 Tính cấp thiết của luận án

Các máy đo tọa độ dù được chế tạo mới hay đang sử dụng, khi thực hiện đo có sự thay đổi tốc độ đều bị giảm độ chính xác, đặc biệt là khi đo với tốc độ di chuyển cao vì vậy việc nâng cao và duy trì độ chính xác của máy đo tọa độ nhằm đảm bảo khả năng làm việc của máy đo tọa độ là cần thiết và quan trọng

Hiện tại, việc hiệu chỉnh độ chính xác cho máy đo tọa độ ở Việt Nam đều phải thuê công ty nước ngoài thực hiện, điều này vừa bị động vừa tốn chi phí cao

Mặt khác hiện nay trên thế giới sự cạnh tranh giữa các công ty, tập đoàn và các quốc gia đang diễn ra gay gắt và khốc liệt do xu hướng phát triển toàn cầu hóa ngày càng cao Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo, sử dụng và cải tiến các máy móc thiết bị công nghiệp nói chung và máy đo tọa độ nói riêng để thực hiện và giám sát quá trình sản xuất là một tất yếu khách quan nhằm phát triển kinh tế, phát huy nội

Trang 39

18

lực, nâng cao khả năng cạnh tranh của nước ta trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy; chế tạo, lắp ráp ôtô; điện – điện tử Để đạt được mục tiêu đến năm 2020 Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp có tỉ trọng GDP công nghiệp (khoảng 40-41%) thì nhiệm vụ nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng rô bốt công nghiệp nói chung và máy đo tọa độ nói riêng đã trở thành chủ trương của Nhà nước thông qua một loạt các dự án và đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước như KHCN-04-06 do trung tâm NCKT tự động hóa, trường ĐHBK Hà Nội chủ trì, đề tài KC-03-02 do trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh chủ trì, đề tài KC-05-13/06-10 do trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh chủ trì Các nghiên cứu về máy đo tọa độ của các tác giả Võ Văn Cương, Phan Vũ Bảo, Lưu Văn Cảnh, Nguyễn Nam Khánh, Đặng Quốc Cường, Thái Thị Thu Hà, Phạm Hồng Thanh [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47] chứng tỏ việc nghiên cứu về máy đo tọa độ trong nước đã và đang được quan tâm

1.4 Nhiệm vụ của luận án

Xuất phát từ yêu cầu khách quan, cấp thiết để đảm bảo độ chính xác cho máy đo tọa độ nhằm nâng cao độ chính xác cho máy mới, cũng như cải thiện độ chính xác của máy sau một thời gian làm việc, được sự đồng ý của bộ môn quản lý ngành

và của cô hướng dẫn, tác giả thực hiện luận án: “Nghiên cứu giải pháp bù sai số

cho máy đo tọa độ dạng cầu trục” với phạm vi thực hiện là nghiên cứu chuyển vị

của các khớp trên máy đo khi quá trình đo có sự thay đổi tốc độ, từ đó xây dựng mô hình bù sai số và tiến hành bù sai số nhằm hiệu chỉnh lại độ chính xác cho máy đo tọa độ dạng cầu trục

1.5 Mục đích nghiên cứu

Luận án “Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục”

được thực hiện với các mục đích

Về lý thuyết:

Nghiên cứu này đã đề xuất giải pháp và xây dựng một mô hình bù sai số mới để loại bỏ và hạn chế sự ảnh hưởng của thành phần chuyển vị do các khớp trượt gây ra nhằm nâng cao độ chính xác của máy đo tọa độ và đóng góp vào lý thuyết bù sai số cho máy đo tọa độ

Trang 40

1.6 Nội dung nghiên cứu

Để có thể đạt được mục đích nghiên cứu đã đề ra trong mục 1.5, luận án

“Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục” được tiến hành với các nội dung được trình bày trong luận án như sau:

Chương 1 tác giả giới thiệu máy đo tọa độ, các nguồn gây sai số và các loại sai số Các công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước nhằm hạn chế ảnh hưởng của các loại sai số đến độ chính xác của máy Hiện tượng suy giảm độ chính xác của máy đo tọa độ khi thực hiện đo có sự thay đổi tốc độ (nhất là khi đo với tốc độ di chuyển cao) Trình bày tính cấp thiết của luận án, nhiệm vụ của luận án, mục đích và nội dung nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Chương 2 thực hiện nghiên cứu chuyển vị của các khớp trên máy đo tọa độ dạng cầu trục khi có ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ đo từ đó xây dựng quy luật chuyển vị của các khớp này bằng phương pháp thực nghiệm

Chương 3 biểu diễn tác động của chuyển vị khớp đến vị trí đầu dò nhờ phương pháp mô hình hóa và biến đổi Denavit – Hartenberg từ đó xây dựng mô hình toán học, giải thuật và phần mềm bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục

Chương 4 tiến hành thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của máy đo tọa độ sau khi đã được bù sai số, thực nghiệm được tiến hành trên máy đo tọa độ 3D CNC Kết luận và hướng phát triển trình bày ở chương 5

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Với mục đích nghiên cứu và nội dung nghiên cứu đã được trình bày trong các mục trước, luận án có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn như sau:

Ý nghĩa về mặt khoa học:

Tiêu đề	Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục
Tác giả	Phạm Hồng Thanh
Người hướng dẫn	PGS. TS Thái Thị Thu Hà
Trường học	Đại học Quốc gia TP. HCM
Chuyên ngành	Công nghệ chế tạo máy
Thể loại	Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	155
Dung lượng	2,13 MB