Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu hiệu chỉnh sai số tay đo

Trong luận văn này, mục tiêu đặt ra là nghiên cứu các sai số của thiết bị, từ đó đề ra phương pháp thực nghiệm, nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả đo.. Hình 1-2 Một tay đo của Romer

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -

HUỲNH THANH QUANG

NGHIÊN CỨU HIỆU CHỈNH

SAI SỐ TAY ĐO

CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, Tháng 12 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS VÕ TƯỜNG QUÂN

2 TS Lê Ngọc Bích

3 TS Võ Hoàng Duy

4 PGS.TS Từ Diệp Công Thành

5 TS Phan Tấn Tùng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Huỳnh Thanh Quang Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 26/01/1986 Nơi sinh: Khánh Hòa Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số : 11390714

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu hiệu chỉnh sai số tay đo II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tổng quan cơ cấu cơ khí, nguyên lý hoạt động của tay đo tọa độ - Khảo sát các yếu tố của tay đo gây ra sai số trong kết quả đo

- Xây dựng thuật toán hiệu chỉnh các thông số của tay đo Lập mô hình thực nghiệm Kết quả của thuật toán là bộ thông số bù trừ cho kết quả đo

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngày 14 tháng 02 năm 2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 06 tháng 12 năm 2012 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS VÕ TƯỜNG QUÂN

Tp HCM, ngày tháng năm 2012

TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đề tài luận văn này, tôi xin cảm ơn đến giáo viên hướng dẫn, TS Võ Tường Quân đã tận tâm định hướng, giúp đỡ về chuyên môn và kinh nghiệm trong nghiên cứu

Tôi xin gởi lời cảm ơn đến Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Điều Khiển Số và Kỹ thuật hệ thống, phòng Đo Lường Khoa cơ khí đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để tôi có thể nghiên cứu và thử nghiệm trong những điều kiện tốt nhất

Để có được tri thức hôm nay, xin được cảm ơn quý thầy cô bộ môn Kỹ Thuật Cơ Điện Tử trong suốt thời gian đại học và cao học Nguồn tri thức của quý thầy cô là tài sản vô giá của mỗi thế hệ sinh viên

Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, gia đình thân thương đã luôn hỗ trợ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tu nghiệp

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 12 năm 2012

Học viên

Huỳnh Thanh Quang

Tóm tắt luận văn

Tay đo tọa độ AACMM (Articulated Arm Coordinate Measuring Machine) là thiết bị đo tọa độ ba chiều, được sử dụng ngày càng sử dụng rộng rãi trong sản xuất Là sự kết hợp giữa tay máy và thiết bị đo tọa độ, tay đo tọa độ có nhiều ưu điểm trong việc do đạc các chi tiết có bề mặt phức tạp mà các dụng cụ đo khác khó có thể làm được Tay đo tọa độ được ứng dụng trong việc số hóa bề mặt vật thể ba chiều, đo kiểm các kích thước ba chiều một cách nhanh chóng và tiện dụng

Trong luận văn này, mục tiêu đặt ra là nghiên cứu các sai số của thiết bị, từ đó đề ra phương pháp thực nghiệm, nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả đo

Với mục tiêu này, các nội dung sau lần lượt được đề cập: - Nghiên cứu tổng quan về tay đo tọa độ, kết cấu, phân loại, hãng sản xuất - Khảo sát các sai số của thiết bị Qua đó cũng tham khảo các nghiên cứu

đề cập đến việc hiệu chỉnh các thông số động học của tay đo - Xây dựng cơ sở lý thuyết để áp dụng giải thuật di truyền trong quá trihf

hiệu chỉnh giá trị đo - Xây dựng mô hình thực nghiệm - Kết luận và hướng phát triển

SUMMARY

Articulated Arm Coordinate Measuring Machines – AACMMs, or ACMM for short, are measuring devices, which are widely used in industrial and life Inheriting from both 3D Measuring machine and manipulator, AACMM have their own advantages in measuring complex surface, which is not measured easily in tradition measuring devices AACMM is applied in measuring, 3D digitizing, and reverse engineering

In this thesis, a method in ACMM calibration is discussed Highlights in this thesis are:

- An introduction of ACMMs, and ACMM in the market with different types and features

- A study on error and error compensation - Overview of other authors on ACMM calibration works - Building a theory and experimental works to calibrate an existing

ACMM - Conclusion and future work

LỜI CAM KẾT

Tôi tên: Huỳnh Thanh Quang Lớp: CHCDT2011

MSHV: 11390714 Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại học, Đại học Bách khoa Tp.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “Nghiên cứu hiệu chỉnh sai số tay đo” dưới sự hướng dẫn của TS Võ Tường Quân từ ngày 14/02/2012 đến 06/12/2012

Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học do tôi thực hiện Tôi đã thực hiện luận văn đúng theo quy định của phòng Đào tạo sau đại học, Đại học Bách khoa Tp.HCM và theo sự hướng dẫn của TS Võ Tường Quân

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên đây Nếu có sai phạm trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu các hình thức xử lý của phòng Đào tạo Sau đại học và Ban Giám hiệu trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh

Học viên

Huỳnh Thanh Quang

Mục lục

Chương 1TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TAY ĐO TỌA ĐỘ 5

1.1Giới thiệu tay đo tọa độ 5

1.2Ưu nhược điểm của tay đo tọa độ 9

1.3Phân loại tay đo tọa độ theo kết cấu 10

1.3.11.3.21.3.31.3.41.3.51.4Ứng dụng của tay đo tọa độ 12

Chương 2MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU CHỈNH TAY ĐO TỌA ĐỘ 17

2.1Khái niệm về hiệu chuẩn (calibration) 17

2.1.1 Quy trình hiệu chuẩn và cách phân loại các cấp độ hiệu chuẩn 17

2.1.2 Lợi ích của công tác hiệu chuẩn 19

2.2Một số nghiên cứu trên thế giới về hiệu chỉnh tay đo tọa độ 20

2.3Kết luận 26

2.4Xác định phương pháp nghiên cứu 27

2.5Điểm home và hiệu chỉnh cấp độ 1: 28

Chương 3CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆU CHUẨN TAY ĐO TỌA ĐỘ 29

3.1Phân tích động học tay đo tọa độ 29

3.1.1 Phân tích mẫu tay đo được sử dụng 29

3.1.2 Mô hình động học của tay đo 32

3.2Phương pháp hiệu chuẩn 35

3.2.1 Mô hình thực nghiệm 35

3.2.2 Các bước tiến hành 35

3.3Xây dựng hàm mục tiêu hiệu chuẩn 36

3.3.1 Giá trị danh nghĩa mỗi điểm đo và độ lặp đơn điểm 36

3.3.2 Đánh giá độ chính xác khoảng cách đo 36

3.3.3 Hàm mục tiêu đánh giá độ chính xác của tay đo 37

3.4Giải thuật di truyền trong tính toán bộ thông số 37

3.4.1 Giới thiệu giải thuật di truyền 37

Quá trình phát triển: Giải thuật di truyền có thể được chỉ ra qua các mốc thời gian sau : 37

3.4.2 Các khái niệm thông số trong GA 39

GVHD: TS Võ Tường Quân 2 HVTH: Huỳnh Thanh Quang

Chương 4MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 45

4.1Xây dựng mô hình thực nghiệm 45

4.1.1 Đo các thông số đầu vào 45

4.1.2 Thiết lập mô hình đo 45

5.3Hướng nghiên cứu tiếp theo 59

PHỤ LỤC: GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN ASME B89.4.22-2004 63

Danh sách hình vẽ

Hình 1-1: CMM kích thước trung bình 6

Hình 1-2 Một tay đo của Romer 7

Hình 1-3: Sơ đồ nguyên lý tay đo 8

Hình 1-4 Mẫu tay đo đầu tiên 8

Hình 1-5 Tay đo của hãng Faro có sử dụng cảm biến laser 10

Hình 1-6 Tay đo Decarte 10

Hình 1-7: Thiết bị đo tay máy dạng trụ (trái) và dạng cầu (phải) 11

Hình 1-8: Thiết bị đo tay máy dạng SCARA (trái) và dạng tay người (phải) 12

Hình 1-9: Tay đo dùng để số hóa khung sườn chi tiết mẫu và thiết kế ngược 13

Hình 1-10 Dùng tay đo để xây dựng bề mặt từ các mô hình 13

Hình 1-11: Các dòng sản phẩm của Microscribe 14

Hình 1-12: Tay đo của Faro (trái) và Mitutoyo(phải) 15

Hình 2-1: Ball plates và ball bar 20

Hình 2-2: Một số dạng bố trí 3D Ball Plates 21

Hình 2-3: Kích thước 3DBP và vị trí đo [9] 21

Hình 2-4: Vòng bi khớp cầu 22

Hình 2-5: Thiết lập DBSS để hiệu chỉnh ACMM [5] 23

Hình 2-6: căn mẫu đơn giản a,b và phức tạp c [10] 23

Hình 2-7: Bố trí các quả cầu để thực nghiệm hiệu chỉnh [10] 24

Hình 2-8: Hiệu chỉnh thông qua khảo sát độ lặp đơn điểm của tay đo [12] 25

Hình 2-9: sơ đồ bố trí các điểm xoay[13] 26

Hình 3-1: Tay đo tọa độ DCSELAB 29

Hình 3-2 Bản vẽ lắp tay đo tọa độ 30

Hình 3-3 Bản vẽ khớp 1 30

Hình 3-4: Bản vẽ khớp 2&3 31

Hình 3-5 Bản vẽ khớp 4 31

Hình 3-6 Bản vẽ khớp 5 31

Hình 3-7: Sơ đồ động học tay đo 32

Hình 3-8: Lưu đồ giải thuật di truyền 41

Hình 4-1 Sơ đồ phân bố vị trí đo đơn điểm 46

Hình 4-2:Kích thước khớp nối cầu IKO LHS 8 46

Hình 4-3 Khớp nối cầu IKO LHS 8 47

Hình 4-4: Bản vẽ đồ gá đầu dò tay đo vào đầu dò CMM 48

Hình 4-5 Thao tác thực nghiệm trên máy CMM 49

Hình 4-6 Thay đổi các vị trí khác nhau cho tay đo 50

Hình 4-7: Biểu đồ giá trị hàm mục tiêu qua các thế hệ di truyền 51

Hình 4-8: Kết quả hiệu chỉnh 53

Hình 4-9: Biểu đồ thực hiện giải thuật di truyền với hàm đánh giá cải tiến 56

GVHD: TS Võ Tường Quân 4 HVTH: Huỳnh Thanh Quang

Danh sách bảng biểu

Bảng 1.1: Thông số và giá tay đo Microscribe 13

Bảng 1.2: Thông số tay đo Faro 13

Bảng 3.1: Bảng thông số Denavite- Hartenberg 31

Bảng 4.1: Giá trị đầu vào của các tham số hiệu chuẩn 44

Bảng 4.2: Vị trí các điểm đo 49

Bảng 4.3: Kết quả thực hiện giải thuật di truyền 50

Bảng 4.4: Kết quả khoảng cách giữa các vị trí đo từ CMM (mm) 53

Bảng 4.5: So sánh sai lệch khoảng cách so với khoảng cách đo của CMM trước và sau hiệu chuẩn (mm): 53

Bảng 4.6: Độ lệch chuẩn giá trị tọa độ trước và sau hiệu chuẩn (mm) 54

Bảng 4.8: Kết quả giải thuật di truyền sau khi hiệu chỉnh hàm mục tiêu 54

Bảng 4.9: Độ lệch chuẩn giá trị tọa độ giữa hàm mục tiêu (12) và (19) (mm) 56

Bảng 4.10: Độ lệch chuẩn giá trị tọa độ giữa hàm mục tiêu (12) và (19) (mm) 56

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TAY ĐO TỌA ĐỘ

1.1 Giới thiệu tay đo tọa độ

Ngày nay, để sản phẩm có sức cạnh tranh trên thị trường thế giới cũng như trong nước thì quy trình sản xuất phải đảm bảo được độ chính xác, mẫu mã phải đa dạng và thay đổi liên tục, giá thành chế tạo, đo lường và kiểm tra phải thấp… Sự xuất hiện các dòng máy CNC trong gia công cơ khí đã tạo nên đột phá đem đến khả năng tự chế tạo trong nước các sản phẩm có hình dạng phức tạp trong thời gian ngắn, là điều quyết định cho việc thay đổi mẫu mã Tuy nhiên, dù việc gia công bằng máy thường hay máy CNC thì thao tác đo và kiểm tra tra kích thước hình học là rất quan trọng, các chi tiết càng phức tạp thì càng khó khăn Vì vậy, cần thiết có các thiết bị xác định chính xác tọa độ trên bề mặt chi tiết hiện đại và tiện dụng hơn Thiết bị này có thể đo đạc chính xác kích thước của vật, ngoài ra cần linh hoạt, dễ sử dụng và giá thành chấp nhận được

Một trong những kĩ thuật đang được sử dụng rộng rãi hiện nay là kĩ thuật đo tọa độ (Coordinate Measuring Technique) Ưu điểm của kỹ thuật đo tọa độ là các thông số, các điểm đo được số hóa vào máy tính, tạo điều kiện để tính toán các thông số hình học không thể đo trực tiếp(độ vuông góc, độ phẳng v.v ) một cách dễ dàng, tích hợp cao với các phần mềm thiết kế CAD

Thiết bị đo tọa độ phổ biến hiện nay là máy đo tọa độ CMM (Coordinate Measuring Machine) Ưu điểm của CMM là khả năng đo với độ chính xác rất cao (cấp micromet hoặc thậm chí nhỏ hơn) Thiết bị được vận hành bằng tay hoặc tự động, có khả năng lập trình để đo hàng loạt sản phẩm

GVHD: TS Võ Tường Quân 6 HVTH: Huỳnh Thanh Quang

Hình 1-1: CMM kích thước trung bình

Tuy nhiên nhược điểm của máy CMM là thiết bị chỉ đo được các bề mặt song song với các trục chuyển động của máy Để đo các bề mặt phức tạp, các lỗ nghiên so với trục máy cần phải có đầu dò hoặc đồ gá chuyên dụng Máy CMM cũng cần bàn map lớn và cứng vững để đảm bảo độ chính xác của máy Điều này làm cho thiết bị cồng kềnh, không có khả năng cơ động Giá thành của CMM cũng khá cao

Tay đo tọa độ ACMM (Articular Coordinate Measuring Arm), thiết bị đo tọa độ ra đời đạt được sự cân đối giữa ưu và nhược điểm của máy CMM, tạo ra khả năng đo lường linh hoạt, độ chính xác và giá thành chấp nhận được

Hình 1-2 Một tay đo của Romer

Nguyên lý hoạt động: Tay đo tọa độ xác định dữ liệu về tọa độ của điểm trên biên dạng vật đo thông qua việc xác định giá trị các góc xoay tại mỗi khớp, sau đó tọa độ được tính thông qua bài toán động học thuận Dữ liệu về tọa độ điểm sau khi được tính toán được gửi về máy tính Máy tính sẽ thực hiện nhiệm vụ xử lý dữ liệu, liên kết các điểm nhận được thành đám mây điểm, hoặc một đối tượng đồ họa khác như các bề mặt hoặc các khối rắn Giống với một máy CMM, tay đo tọa độ tạo ra mô hình 3D của vật mẫu, có ra khả năng liên kết với các phần mềm CAD, CAM để tạo mô hình 3D

Khi đo, người vận hành dùng tay điều khiển để đầu dò tiếp cận với bề mặt cần đo, tay đo sẽ xác định tọa độ ba chiều của vị trí đo so với gốc tọa độ của nó và số hóa kích thước này lên máy tính

GVHD: TS Võ Tường Quân 8 HVTH: Huỳnh Thanh Quang

Hình 1-3: Sơ đồ nguyên lý tay đo

Mẫu phát minh đầu tiên 18/4/1974, có số hiệu 3,994,798 với tay đo có đầu dò vật có biên dạng ống, do Homer Eaten phát minh

Hình 1-4 Mẫu tay đo đầu tiên

Hiện nay trên thế giới có nhiều nhà sản xuất máy tay đo nhưng lớn nhất là hai hãng FARO và ROMER Ngoài ra còn một số hãng khác như: Immersion; TRIMAQS; ScanWorks; Metris; Mitutoyo…

1.2 Ưu nhược điểm của tay đo tọa độ Ưu điểm

- Gọn nhẹ, cơ động, dễ dàng di chuyển - Giá thành phù hợp

- Kết cấu cơ khí linh hoạt giúp đầu dò tiếp cận với bề mặt có biên dạng phức tạp như các đường rãnh, các lỗ nhỏ có đường trục không vuông góc với bề mặt vật đo dễ dàng, không yêu cầu gá đặt chuyên dụng Đây là ưu điểm của Tay Đo so với các máy CMM

Nhược điểm

- Độ chính xác không cao do đặc thù kết cấu - Tăng độ chính xác và vùng hoạt động sẽ làm tăng đáng kể giá thành - Không có chức năng tự động kiểm tra hàng loạt như các máy CMM Ngày nay, việc phát triển công nghệ cao tích hợp cho các tay đo nhằm khắc phục những nhược điểm cũng như phát huy lợi thế của tay đo đang được nghiên cứu và phát triển

- Tay đo tích hợp hệ thống quét bằng laser - Tay đo có hệ thống đầu dò dùng cảm biến chạm kích

GVHD: TS Võ Tường Quân 10 HVTH: Huỳnh Thanh Quang

Hình 1-5 Tay đo của hãng Faro có sử dụng cảm biến laser

1.3 Phân loại tay đo tọa độ theo kết cấu 1.3.1 Tay đo Decarte

Hình 1-6 Tay đo Decarte

Tay được nhận biết với 3 khớp trượt mà các trục của chúng vuông góc lần lượt với nhau, tay máy có dạng tọa độ Decarte đòi hỏi có độ cứng vững cao Độ chính xác của việc định vị trí của phần cổ tay là hằng số với mọi điểm trong không gian hoạt động của tay Vùng hoạt động của tay có dạng là một hình hộp chữ nhật Tuy nhiên với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, kết cấu này không đáp ứng được do bị giới

hạn về độ linh hoạt ,vì sử dụng các khớp trượt Đây cũng chính là kết cấu của máy đo hệ trục tọa độ (hay còn gọi tắt là máy CMM) Qua đây ta thấy được hạn chế của máy đo hệ trục tọa độ

1.3.2 Tay đo dạng trụ

Loại này gồm 3 khớp nối: khớp đầu tiên là khớp xoay, 2 khớp còn lại là khớp lăng trụ mỗi khớp chuyển động ứng với mỗi bậc tự do Cấu trúc cơ khí dạng này có độ cứng vững tốt Vùng làm việc của dạng này là hình trụ hình vành khăn

1.3.3 Tay máy dạng cầu

Loại này khác với loại cầu là khớp nối thứ 2 được thay thế bằng khớp nối xoay trong hệ tọa độ cầu, mỗi chuyển động của mỗi khớp tương ứng với một bậc tự do Đối với loại này độ cững vững thấp hơn loại dạng cầu trên và có cấu trúc cơ khí phức tạp hơn Vùng không gian làm việc có dạng hình cầu

Hình 1-7: Thiết bị đo tay máy dạng trụ (trái) và dạng cầu (phải)

1.3.4 Tay máy dạng SCARA

Loại thiết bị này có 2 khớp nối xoay và 1 khớp nối lăng trụ, các trục của khớp nối song song với nhau

GVHD: TS Võ Tường Quân 12 HVTH: Huỳnh Thanh Quang

1.3.5 Thiết bị đo tay máy dạng người

Loại tay máy hình dạng người (Scriber) có 3 khớp nối xoay, trục quay đầu tiên của khớp nối thứ nhất là trục gốc và trục của 2 khớp nối còn lại thì song song với nhau Sơ đồ động của thiết bị này mô phỏng theo cánh tay người, khớp nối thứ 2 được gọi là khớp nối bả vai và khớp nối thứ 3 được gọi là khớp nối khuỷu tay

Hình 1-8: Thiết bị đo tay máy dạng SCARA (trái) và dạng tay người (phải)

Ưu điểm của thiết bị đo tọa độ dạng tay máy là khả nằng di chuyển đầu dò linh hoạt, nhưng thiết bị có độ chính xác không cao Cùng với việc phát triển mẫu mã, nhu cầu đo bề mặt có biên dạng phức tạp ngày càng cao Để đáp ứng nhu cầu này, trên thị trường thế giới đã xuất hiện thiết bị đo bề mặt 5 khâu chứa toàn khớp bản lề

1.4 Ứng dụng của tay đo tọa độ

Tay đo được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp thiết kế, chế tạo và đo lường: thiết kế ngược, phát triển kiểu dáng sản phẩm v.v… và đem lại hiệu quả kinh tế cao

Hình 1-9: Tay đo dùng để số hóa khung sườn chi tiết mẫu và thiết kế ngược

Hình 1-10 Dùng tay đo để xây dựng bề mặt từ các mô hình

1.5 Một số sản phẩm trên thị trường

MICROSCRIBE: sử dụng phương pháp tiếp xúc

Bảng 1.1: Thông số và giá tay đo Microscribe

GVHD: TS Võ Tường Quân 14 HVTH: Huỳnh Thanh Quang FARO: sử dụng cảm biến tiếp xúc hoặc laser, độ chính xác cao (0.02-0.01 mm) giá thành dao động từ $40 000 đến $80 000.

(Nguồn: http://www.dirdim.com/prod_digitizers.htm , ngày 10/6/2012)

Bảng 1.2: Thông số tay đo Faro

Hình 1-12: Tay đo của Faro (trái) và Mitutoyo(phải)

Ngoài ra còn một số hãng khác như: ScanWorks, Metris, Mitutoyo, ROMER

Ở nước ta đã bắt đầu áp dụng thiết bị này, song hầu hết các doanh nghiệp phải mua thiết bị đo của nước ngoài với chi phí giá thành cao Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo tay đo là cần thiết

1.6 Định hướng nghiên cứu của đề tài Đối tượng nghiên cứu

Lấy mẫu thiết bị là tay đo tọa độ 05 bậc tự do được thiết kế và chế tạo tại PTN Trọng Điểm Điều khiển số & Kỹ thuật hệ thống Hiện tại thiết bị đo có sai lệch khá lớn: 0.5 -2 mm trên độ dài đo 200mm tùy thuộc vào vị trí đo so với gốc tọa độ Như vậy có thể thấy thiết bị không có độ ổn định và không có độ chụm (precision) cần thiết Sai số này xuất phát từ nhiều nguyên nhân:

• Hệ thống cơ khí: đặc tính như độ cứng vững, giãn nở nhiệt, sai số động học, do các thanh bị biến dạng trong quá trình vận hành máy

GVHD: TS Võ Tường Quân 16 HVTH: Huỳnh Thanh Quang • Hệ thống cảm biến: Các tín hiệu đo được từ cảm biến có thể bị sai lệch do

tín hiệu cảm biến bị nhiễu, cảm biến chưa được điều chỉnh để cho ra giá trị phù hợp

• Các yếu tố môi trường: Sự thay đổi nhiệt độ, rung động v.v… Để cải thiện độ chính xác cũng như độ chụm của thiết bị tay đo tọa độ, cần tiến hành hiệu chuẩn thiết bị Thao tác hiệu chuẩn (calibration) là quá trình tinh chỉnh thiết bị (ở đây là thiết bị đo) thông qua việc so sánh kết quả đo với một mẫu chuẩn có thông số kích thước chính xác biết trước, và tìm cách tối thiểu sai số kết quả của thiết bị cần hiệu chuẩn và thiết bị chuẩn Hiệu chuẩn là một phạm vi rộng, và có thể áp dụng lên toàn bộ hệ thống: hệ cơ, hệ điện-cảm biến và phần mềm tính toán kết quả

Với đặc thù của tay đo tọa độ là thiết bị vận hành bằng tay, sai số cơ khí là không đáng kể, các yếu tố môi trường có thể được loại trừ thông qua điều kiện vận hành thiết bị phù hợp Mục tiêu của luận văn là đưa ra một phương pháp thực nghiệm nhằm hiệu chỉnh giá trị các cảm biến góc quay của tay đo, nâng cao độ chính xác trong kết quả đo đạt 0.5 mm, tương đương với sản phẩm Microscribe G2L trên thị trường

Chương 2 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU CHỈNH TAY ĐO TỌA ĐỘ

Chương này đề cập đến một số kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về vấn đề hiệu chuẩn tay đo tọa độ

2.1 Khái niệm về hiệu chuẩn (calibration)

Hiệu chuẩn robot được định nghĩa là quy trình cải thiện độ chính xác của robot, chủ yếu can thiệp bằng phần mềm hơn là thay đổi cấu trúc cơ khi hoặc thiết kế của robot [1, 2] Vì robot cũng như các dạng máy móc khác, có thể bị ảnh hưởng khi lắp ráp, trôi điểm chuẩn, sai số và khi bảo trì, thay thế v.v… nên calibration có thể giảm thiểu việc sửa đổi toàn bộ robot do các nguyên nhân nói trên

2.1.1 Quy trình hiệu chuẩn và cách phân loại các cấp độ hiệu chuẩn

Tổng quát, tiến trình hiệu chuẩn bao gồm 4 bước chính: - Chọn một hàm liên hệ phù hợp mô tả mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra - Thu thập một số dữ liệu đo để xem xét quan hệ thực tế giữa đầu vào và đáp

ứng đầu ra - Tính toán dựa trên dữ liệu thu thập được nhằm xác định sai số các thông số

hoặc nhiễu của quy trình đo - Tích hợp kết quả hiệu chỉnh được vào phần mềm nhằm hiệu chỉnh kết quả

đo/điều khiển Về phân loại, có thể phân các loại hiệu chỉnh thành 2 [2] hoặc 3 cấp độ [1] Cách phân loại thành 3 cấp được mô tả như sau:

Cấp độ 1: hiệu chuẩn khớp (joint level calibration): Mục đích của quy trình này

là xác định chính xác mối liên hệ giữa giá trị dịch chuyển được cảm biến báo về và giá trị dịch chuyển thực tế Mối quan hệ thường được biểu diễn ở dạng tổng quát:

Trong đó hi là hàm biểu diễn liên hệ theo tham số γi giữa đầu vào thực tế θi và giá trị cảm biến ηi hi được xác định tùy thuộc vào loại cảm biến được sử dụng Quy

GVHD: TS Võ Tường Quân 18 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Phương pháp hiệu chuẩn phổ biến là đưa về một điểm home biết trước Với vị trí đó, các khâu của thiết bị cần nằm ở vị trí duy nhất, tức là θi xác định, với hàm hi đã có ta sẽ tính được γi

Việc hiệu chuẩn ở cấp độ 1 thường được tiến hành một lần trong quá trình sản xuất và chỉ được thực hiện lại khi thiết bị gặp hư hỏng, mất chuẩn Một số thiết bị khác (sử dụng encoder tương đối chẳng hạn), việc hiệu chỉnh cảm biến được thực hiện mỗi lần sử dụng thông qua điểm gốc chỉ định trước (điểm home)

Cấp độ 2: cấp độ động học (kinematic model calibration level): Mục đích của

cấp độ này là nâng cao độ chính xác của các thông số động học của thiết bị cũng như mỗi liên hệ về góc của giữa các khâu Do đó cấp độ 2 có liên hệ mật thiết với cấp độ 1 Trong cấp độ này, các khâu của thiết bị xem như cứng, không biến dạng, các cảm biến xoay xem như xoay quanh trục của mình mà không biến dạng, không bị rơ Cấp độ 2 chỉ quan tâm đến mối quan hệ động học giữa các khâu, khớp

Trong đó g là hàm mô tả động học thể hiện mối liên hệ giữa giá trị thực tế giữa vector vector vị trí (và hướng) của điểm chấp hành (End Effector) với η là vector giá trị cảm biến thu nhận được,γ là vector tham số của g, và a là vector thông số của mô hình động học g Với g được chọn dựa trên mô hình thực tế của thiết bị, cần xác định η,γ,a

Trình tự bốn bước hiệu chuẩn trong cấp độ này bao gồm: xác định hàm động học của thiết bị thông qua ma trận biến đổi thuần nhất Denavit - Hartenberg [3] hoặc một số phương pháp khác Sau đó tiến hành đo thực nghiệm một số điểm trên không gian hoạt động của thiết bị, từ đó xác định chính xác các tham số cần thiết thông qua một hàm đánh giá (thường sử dụng bình phương cực tiểu), cuối cùng tiến hành hiệu chỉnh với các thông số tìm được

Cấp độ 3: cấp độ phi – động học (non-kinematic level/nongeometric calibration

level): Sai số trong điểm chấp hành được xem xét dưới tác động của các tác nhân “phi

động học” như biến dạng khâu,khớp, độ rơ cơ khí, lực ma sát Ngoài ra, khi thiết bị được điều khiển động lực học (thay vì động học), thì sự thay đổi động lực học sẽ gây ra sai số và thiết bị cần hiệu chỉnh ở cấp độ này

2 thông số ẋ,ẍ là vận tốc và gia tốc của điểm công tác (End Effector), và µ là bộ thông số động lực học mô tả chuyển động của robot

Để tìm được hàm liên hệ l là việc phức tạp Ngay cả khi các khâu được xem

như tuyệt đối cứng, việc điều khiển theo moment cũng làm cho công tác hiệu chuẩn – bù trừ trở nên rất khó khăn Do đó có ít nghiên cứu về cấp độ này [1,2]

Với cách phân loại 2 cấp, hiệu chuẩn được chia thành Model-based parametric calibration và Model non-parametric calibration: dựa trên kết cấu động học và không dựa trên kết cấu động học của robot Việc phân thành 2 hay 3 cấp chỉ là nhóm các thành phần sai số thành các nhóm khác nhau và về sự tương đồng trong cách hiệu chuẩn Trong mỗi cấp cũng gồm 4 bước như đã trình bày

2.1.2 Lợi ích của công tác hiệu chuẩn

Việc hiệu chuẩn thiết bị robot mang lại nhiều lợi ích [1] v Cho phép sử dụng khả năng lập trình offline cho các tác vụ của robot, giúp tiết

kiệm thời gian, chi phí và rủi ro cho việc thực nghiệm trên robot thật Khi hiệu chỉnh tốt, kết quả mô phỏng sẽ chính xác, nếu không kết quả lập trình offline không có nhiều ý nghĩa

v Cải thiện khả năng điều khiển và mô phỏng hoạt động của thiết bị, các vấn đề về trọng lượng, lực ma sát v.v được quan tâm nhằm tăng độ chính xác khi điều khiển

v Kiểm nghiệm quy trình sản xuất thiết bị v Giám sát các thành phần của thiết bị, từ đó kiểm định hoạt động và đưa ra các

phương án bảo trì, thay thế

GVHD: TS Võ Tường Quân 20 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Tay đo tọa độ là thiết bị có cấu trúc của cả tay máy và robot, do đó tay đo tọa độ thừa hưởng phương pháp hiệu chuẩn từ 2 loại thiết bị này

2.2 Một số nghiên cứu trên thế giới về hiệu chỉnh tay đo tọa độ

Có nhiều nghiên cứu về vấn đề hiệu chỉnh tay đo đã được thực hiện Một phương pháp phổ biến là sử dụng căn mẫu, mà phổ biến là tấm cầu chuẩn (ball plates) và thanh cầu (ball bar – thường dùng với các máy có điều khiển NC) được dùng như vật mẫu để đo Thông qua xác định tâm của quả cầu chuẩn trên các căn mẫu này, sai số của thiết bị được tính toán

Hình 2-1: Ball plates và ball bar

Khi hiệu chỉnh tay đo, tọa độ 3D thể hiện đầy đủ hơn là 2D [9] Khi đó tấm cầu 3D (3D Ball Plate – 3DBP) được sử dụng Đây là tấm cầu có chiều cao của các quả cầu khác nhau, nhằm kiểm tra khoảng cách trong không gian 3D

Các thông số được quan tâm để hiệu chuẩn: Φ,d,a, α trong mô hình D-H

GVHD: TS Võ Tường Quân 22 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Một dụng cụ hiệu chuẩn được Hamana, H và đồng nghiệp đề xuất [5] là sử dụng hai vòng bi khớp cầu (spherical bearing) có độ rơ thấp (2.5µm) để hiệu chuẩn Thiết bị đề xuất gọi là Double Spherical Bearing Bar (DSBB)

Hình 2-4: Vòng bi khớp cầu

Mô hình thực nghiệm: gắn DSBB vào CMM thay cho hệ thống đầu dò và một

đầu vào đầu dò của tay đo DSBB có khoảng cách giữa 2 tâm quả cầu r đã biết Di

chuyển đầu CMM mỗi 100mm trong một không gian 400 x 400 x 400 mm, tổng cộng 125 điểm được đo, mỗi điểm 10 lần Sau đó lặp lại quy trình này với các vùng nhỏ hơn: 200 x 200 x 200 mm, 100 x 100 x 100 mm Bố trí thí nghiệm đo được thiết kế như Hình 2-5 Ưu điểm của cách thực nghiệm này là khả năng đánh giá sai số trên từng vùng không gian của tay đo

Các thông số được quan tâm để hiệu chuẩn: Φ,d,a, α trong mô hình D-H của

thiết bị

Tính toán và hiệu chuẩn kết quả: Thông qua sai số khoảng cách giữa tay đo đo

được và khoảng cách r của DSBB, điểm công tác của tay đo được xác định và so sánh

với giá trị của máy đo tọa độ CMM Phương pháp tính toán để tìm các tham số phù hợp là bình phương cực tiểu phi tuyến

Hình 2-5: Thiết lập DBSS để hiệu chỉnh ACMM [5]

Trong [10,11], R Furutani và đồng sự phân tích và đề xuất phương pháp bố trí các quả cầu trên căn mẫu nhằm hiệu chỉnh thông số động học của tay đo tọa độ Trong bài viết, R Furutani phân loại căn mẫu thành 2 loại là đơn giản và phức tạp, từ đó đề xuất phương pháp kết hợp các căn mẫu đơn giản để áp dụng trong việc thực nghiệm Căn mẫu đơn giản có từ 1 đến 3 quả cầu kết hợp Căn mẫu với 3 quả cầu vừa đủ để xác định một hệ trục không gian tọa độ Căn mẫu có từ 4 quả cầu trở lên được xem là căn mẫu phức tạp

GVHD: TS Võ Tường Quân 24 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Bài viết cũng trình bày phương pháp tính số phép đo tối thiểu ứng với mỗi loại căn mẫu được sử dụng khi dùng bình phương cực tiểu để tính thông số tay đo

Hình 2-7: Bố trí các quả cầu để thực nghiệm hiệu chỉnh [10]

G Gao và đồng nghiệp [12] trình bày phương pháp hiệu chuẩn thông số động học của tay đo tọa đồ sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization)

Phương pháp thực nghiệm: cố định đầu dò vào một lỗ côn, sau đó thay đổi vị trí các khâu của ACMM Đây là phương pháp tự hiệu chỉnh ACMM mà không cần căn mẫu ngoài

Phương pháp hiệu chuẩn quan tâm đến độ giá trị góc tại vị trí ban đầu của tay

đo Các thông số d,a, α xem như đúng

Phương pháp tính toán: Sử dụng giải thuật Particle Swarm Optimization (PSO) để tìm bộ thông số tối ưu của các góc tại vị trí ban đầu, từ đó tăng lặp đơn điểm của đầu dò Các thông số của PSO được chọn theo kinh nghiệm Sai số của độ lặp được

xác định bằng cách thực hiện cho N điểm và tính trung bình sai số E, độ lệch chuẩn σ, từ đó tính sai số của ACMM là E+3σ

Hình 2-8: Hiệu chỉnh thông qua khảo sát độ lặp đơn điểm của tay đo [12]

Phương pháp này có ưu điểm là thực nghiệm đơn giản, tuy nhiên thông số duy nhất được khảo sát là độ chụm đơn điểm của tay đo Giá trị khoảng cách không được xem xét mà chỉ là một yếu tố dùng để kiểm tra lại kết quả hiệu chỉnh độ chụm

T.V Light và đồng nghiệp [13] trình bày phương pháp hiệu chỉnh thông số động học của tay đo bằng giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) Mục tiêu của tác giả là tối ưu giá trị của các góc tại vị trí reset và độ dài các khâu của tay đo Cả 2 nhóm thông số này được xem xét và tối ưu đồng thời khi thực hiện GA

GVHD: TS Võ Tường Quân 26 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Quá trình thực nghiệm được tiến hành bằng cách gắn đầu dò vào một khớp cầu, cố định khớp cầu trên bàn từ nam châm và tiến hành thay đổi vị trí các khâu của tay đo

Hình 2-9: sơ đồ bố trí các điểm xoay[13]

Dữ liệu các góc xoay thu về được sử dụng để huấn luyện cho GA, mục tiêu là tăng độ lặp đơn điểm của phép đo Cũng như [12], nhiều vị trí khác nhau được chọn theo kinh nghiệm mà không có giải thích cụ thể Ngoài ra hàm mục tiêu của GA cũng không được mô tả mà cụ thể Độ chính xác được đánh giá bằng cách đo ngẫu nhiên kích thước những vật mẫu biết trước kích thước (dùng máy CMM đo), so sánh và đưa ra độ chính xác của tay đo sau hiệu chuẩn

- Mục tiêu hiệu chuẩn: độ lặp đơn điểm khi đo, khoảng cách giữa các điểm, và vị trí điểm khởi động (điểm home/reset)

- Mô hình hiệu chỉnh: Sử dụng một dạng căn mẫu biết trước kích thước, hoặc tự hiệu chỉnh thông qua phương pháp cố định đầu dò và mục tiêu hiệu chuẩn là tối ưu độ lặp đơn điểm của đầu dò này

- Phương pháp gá đầu dò để đo: dùng đầu dò côn để định tâm quả cầu chuẩn, gắn đầu dò vào một khớp cầu và cố định khớp cầu trên bàn từ, cố định đầu dò vào một lỗ côn

- Thông số động học được chọn là một phần hoặc toàn bộ thông số động học H, dựa theo kinh nghiệm

D Phương pháp tính toán thông số động học: phổ biến nhất là dùng Least Square Fitting (tuyến tính và phi tuyến) Ngoài ra có thể áp dụng các giải thuật thông minh

- Số điểm đo: được tính toán cụ thể nếu sử dụng LSF (số ràng buộc lớn hơn hoặc bằng số thông số cần tính) hoặc chọn theo kinh nghiệm trong các phương pháp dùng giải thuật thông minh

- Phương pháp đánh giá sai số sau hiệu chỉnh: hầu hết sử dụng độ lệch chuẩn tối đa của thiết bị so với giá trị trung bình hoặc đo ngẫu nhiên các kích thước đã biết để kết luận về độ chính xác sau hiệu chuẩn Hiện nay trên thế giới, có 2 chuẩn để đánh giá tay đo [7] là ASME B89.4.22-2004 và VDI guideline 2617 9:2009 là 2 quy trình hướng dẫn đánh giá sai số của tay đo

2.4 Xác định phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở các nghiên cứu đã tìm hiểu và tổng hợp, phương án hiệu chuẩn được xác định như sau:

- Cấp độ hiệu chuẩn: cấp độ 2: hiệu chỉnh các thông số động học

- Các thông số được quan tâm để hiệu chuẩn: d, a, trong mô hình D-H của thiết bị và giá trị góc Φ tại vị trí home

GVHD: TS Võ Tường Quân 28 HVTH: Huỳnh Thanh Quang - Mục tiêu hiệu chuẩn: độ lặp đơn điểm và kết quả các kích thước đo đoạn thẳng của thiết bị

- Phương pháp hiệu chuẩn các thông số: Sử dụng giải thuật di truyền để tạo ra các bộ thông số khả dĩ cho tay đo Hàm mục tiêu được xây dựng và sử dụng để đánh giá độ phù hợp của mỗi bộ thông số này Bộ thông số có hàm mục tiêu phù hợp với các yêu cầu đề ra sẽ được chọn làm bộ thông số hiệu chuẩn

- Mô hình thực nghiệm: Đo độ lặp và khoảng cách trên một bộ mẫu có kích thước biết trước

2.5 Điểm home và hiệu chỉnh cấp độ 1:

Như đã trình bày, hiệu chỉnh cấp 2 đã bao gồm hiệu chỉnh cấp 1 cho cảm biến Tuy nhiên với việc sử dụng encoder tương đối, việc hiệu chỉnh cấp 1 cần được xem xét để có thể sử dụng giá trị từ các cảm biến này Thông thường có thể sử dụng một điểm home biết trước vị trí để từ đó tìm lại bộ thông số cảm biến cho thiết bị tại vị trí home Tuy nhiên điều này là khó khăn vì vị trí tọa độ của điểm home tùy thuộc vào vị trí điểm gốc tọa độ của tay đo, là một điểm tưởng tượng trong một thiết bị cơ khí

Phương pháp đề xuất là xác định tương đối chính xác vị trí điểm home thông qua đo trực tiếp trên tay đo (vị trí gốc tọa độ được xác định gần đúng) Mục đích của phương pháp này là khởi tạo một vùng giá trị ban đầu cho các encoder trên thiết bị Từ các giá trị này sẽ tiến hành hiệu chỉnh để tìm bộ thông số tốt nhất Sau khi quá trình hiệu chỉnh hoàn tất, đặt đầu dò vào vị trí điểm home để lấy giá trị chính thức cho encoder

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆU CHUẨN TAY ĐO TỌA ĐỘ

3.1 Phân tích động học tay đo tọa độ 3.1.1 Phân tích mẫu tay đo được sử dụng

Hình 3-1: Tay đo tọa độ DCSELAB Tay đo tọa độ được chế tạo tại Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Điều khiển số 7 Kỹ thuật hệ thống có các thông số chế tạo như sau:

GVHD: TS Võ Tường Quân 30 HVTH: Huỳnh Thanh Quang - Vật liệu chế tạo: Nhôm 7075

- Cảm biến khớp quay: Encoder Sony Magnetic Rotary 2048C , độ phân giải 2048 xung/vòng

EncoderRE90B Mạch đọc cảm biến sử dụng PIC - Đầu dò kim nhọn bằng kim loại - Độ chính xác đăng ký: 0.5 mm - Tín hiệu kích hoạt thu nhận dữ liệu được là pedal đạp chân Kết cấu cơ khí tổng quát của tay đo được thể hiện ở các hình bên dưới

Hình 3-2 Bản vẽ lắp tay đo tọa độ

Bản vẽ chi tiết các khớp:

Hình 3-3 Bản vẽ khớp 1