ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘILUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ứng dụng đầu đo laser để xác định sai lệch độ tròn của chi tiết cơ khí trong... CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – H
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ ĐO LƯỜNG SỬ DỤNG LASER VÀ ĐO SAI LỆCH ĐỘ TRÒN
Tổng quan về laser
Laser (khuếch đại bằng phát xạ kích thích) là ánh sáng phát ra từ quá trình khuếch đại quang học, với bước sóng từ 1mm đến 1nm Khác với các loại sóng ánh sáng khác, laser có năng lượng gần như không thay đổi so với nguồn phát, mang lại độ đơn sắc, độ định hướng cao và khả năng kết hợp tốt Những đặc điểm này đã dẫn đến sự phát triển của ngành “Quang học laser” từ thế kỷ XX đến nay Laser được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như y học, gia công cơ khí, đo lường và vũ trụ, đặc biệt nổi bật trong lĩnh vực đo lường.
Các công nghệ đo lường bằng laser
Hiện nay, công nghệ đo lường bằng laser bao gồm ba phương pháp chính: đo theo điểm, đo theo đường, và đo dạng lưới Phương pháp đo dạng điểm sử dụng chùm tia laser hội tụ tại một điểm nhỏ trên mục tiêu, cho phép thu được một phép đo duy nhất trong mỗi lần đo Giá trị đo được phản ánh thuộc tính của mục tiêu tại điểm hội tụ Để có được thuộc tính toàn diện của chi tiết, cần thực hiện nhiều phép đo trên toàn bộ diện tích mục tiêu, yêu cầu thiết bị phải di chuyển nhiều lần để thu thập dữ liệu điểm đo.
Khác với phương pháp đo dạng điểm, phương pháp đo dạng đường kết hợp nhiều điểm đo thành một đường thẳng Thiết bị đo dạng đường có khả năng quét trên bề mặt, cung cấp một dãy giá trị đo tại nhiều điểm khác nhau Để thực hiện phương pháp này, cần có sự chuyển động tuyến tính của mục tiêu qua thiết bị đo, chẳng hạn như trong băng truyền.
Phương pháp đo dạng lưới là kỹ thuật sử dụng nhiều điểm trên bề mặt của mục tiêu để tạo thành một chùm sáng lớn Phương pháp này cho phép thu thập dữ liệu từ nhiều vị trí liên tiếp trong một vùng sáng, mang lại thông tin chi tiết và chính xác về bề mặt mục tiêu.
Máy đo độ tròn bằng laser dạng điểm đã chứng minh khả năng đáp ứng tốt theo nguyên lý của các nghiên cứu trước đây Công nghệ này không chỉ đảm bảo độ chính xác mà còn có giá thành thấp hơn so với hai công nghệ đo khác.
1.2.1 Các công nghệ đo lường laser dạng điểm
1.2.1.1 Dựa trên thời gian di chuyển
Phương pháp đo khoảng cách bằng laser dựa trên thời gian di chuyển (TOF) là một kỹ thuật phổ biến, trong đó một xung laser được phát ra từ nguồn laser đến mục tiêu Thời gian mà xung laser cần để đến mục tiêu và quay trở lại máy dò được ghi lại, từ đó cho phép tính toán khoảng cách giữa nguồn laser và mục tiêu một cách chính xác.
Phương pháp TOF (Time of Flight) hoạt động dựa trên nguyên tắc ánh sáng di chuyển với tốc độ không đổi trong chân không Khoảng cách giữa nguồn laser và mục tiêu tỷ lệ thuận với thời gian di chuyển của xung laser, đồng thời tỷ lệ nghịch với tốc độ ánh sáng trong môi trường mà xung di chuyển.
Phương pháp TOF sử dụng nguồn laser xung và máy dò để đo chính xác độ trễ thời gian giữa các xung laser phát ra và phản xạ Khoảng cách đến mục tiêu được tính toán dựa trên độ trễ này.
Hình 1 1 Phương thời gian di chuyển ݀ ൌ ͳ ʹݐǤ ܿ Trong đó : d là khoảng cách cần đo t là thời gian từ nhận được tia phản xạ c là tốc độ ánh sánh ( ܿ ൌ ͳͲ ଼ ݉ ݏΤ ሻ
1.2.1.2 Dựa trên nguyên tắc độ dịch pha
LIDAR, hay Light Detection and Ranging, là công nghệ sử dụng tia laser để đo khoảng cách đến các mục tiêu Thiết bị này phát ra xung laser trong không khí, phản xạ khi gặp vật thể và đo thời gian để xung quay lại, từ đó cung cấp thông tin chính xác về khoảng cách giữa thiết bị và mục tiêu.
Hình 1 2 Dựa trên nguyên tắc độ dịch pha[16]
1.2.1.3 Nguyên lý tam giác lượng
Nguyên lý tam giác lượng (Triangulation) là một kỹ thuật phổ biến để xác định các mối quan hệ không gian Kỹ thuật này thuộc phương pháp Active Structured Light (ASL), trong đó một điểm laser được quan sát qua một thấu kính bằng một cảm biến.
Vị trí của điểm laser trên cảm biến được xác định dựa vào vị trí của bề mặt thông qua phương pháp đo tam giác.
Hình 1 3 Nguyên tắc tam giác[16]
Việc sử dụng phép đo góc trong tam giác và thấu kính giúp đạt được sự cân bằng tối ưu về phạm vi và độ chính xác Các gương được điều khiển chính xác đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh đường cơ sở cho phép đo tam giác, mang lại độ chính xác cao dưới micron trong khoảng cách ngắn Phép đo tam giác có thể thực hiện với cảm biến ảnh tương tự, cho phép tốc độ dữ liệu lên đến 200K phép đo/giây Sự kết hợp với cảm biến pixelised (mảng) còn giúp phát hiện các lỗi như phản xạ nhiều lần, nâng cao hiệu quả đo lường.
Hình 1 4 Nguyên lý đo theo nguyên tắc tam giác[16]
Đầu đo laser CCD
Công cụ thực hiện nhiệm vụ đo lường là các thiết bị đo, về nguyên lý cấu tạo bao gồm các bộ phận chính sau :
- Bộ chuyển đổi dùng để tiếp nhận thông tin vào
- Bộ khuếch đại thông tin
- Bộ chỉ thị để biểu đạt hoặc ghi nhận thông tin ra Để đạt độ chính xác cao trong khi đo thì các bộ phận này cần phải đạt
- Chuyển đổi có độ nhạy giới hạn với độ ổn định cao
- Hệ số khuếch đại lớn
- Thông tin chính xác, độ tin cậy cao, thông tin ra cần dễ ghi nhận và quan sát
Hình 1 5 Cấu tạo của bộ đầu đo CCD
Bộ chuyển đổi là thiết bị đo lường dùng để phát hiện sự biến đổi của thông số đo Khi tín hiệu đầu vào là sự thay đổi kích thước X, thông tin đầu ra Y sẽ được chuyển tiếp đến bộ khuếch đại Nếu X và Y cùng thuộc một loại đặc tính vật lý, đó được gọi là chuyển đổi trực tiếp; ngược lại, nếu X và Y khác loại, ta có chuyển đổi gián tiếp.
Bộ khuếch đại đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi thông tin Y từ dạng tín hiệu nhỏ và phức tạp thành dạng dễ hiểu và ghi nhận Nhiệm vụ chính của nó là truyền và chế biến thông tin để có thể hiển thị rõ ràng trên các thiết bị chỉ thị Chất lượng của bộ khuếch đại được đánh giá thông qua độ nhạy và độ méo của tín hiệu đầu ra Y2.
Bộ chỉ thị yêu cầu ghi lại kết quả đo được, với nhiều loại thiết bị ghi khác nhau tùy thuộc vào loại cảm biến, tính chất đo tĩnh hay động, và mức độ chính xác cần đạt Các thiết bị ghi thường được phân loại theo những tiêu chí này.
- Thiết bị chỉ thị tự ghi
- Thiết bị chỉ thị số
Khi một tia laser chiếu vào mục tiêu, ánh sáng phản xạ từ mục tiêu sẽ được thấu kính nhận tập trung và hội tụ vào phần tử nhận ánh sáng Nếu khoảng cách giữa cảm biến và mục tiêu thay đổi, góc của ánh sáng phản xạ cũng sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi vị trí của điểm sáng trên phần tử nhận Sự thay đổi này tỷ lệ thuận với lượng di chuyển của mục tiêu.
Vị trí số 1 Vị trí số 2
Hình 1 6 Nguyên lý hoạt động của đầu đo Laser
1.3.3 Đầu đo laser ZX-L-N của hãng Omzom
Hình 1 7 ZX-L-N của hãng Omzom[11]
Cấu tạo gồm 3 bộ phận chính
Nguồn thu phát laser bao gồm bộ thu và cảm biến CCD, có chức năng phát và nhận laser phản xạ Sau đó, hệ thống sẽ xử lý tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
Bộ khuếch đại: Dùng để khuyết đại tín hiệu tích hợp bộ hiển thị kết đo
Hình 1 8 Cấu tạo của đầu đo ZX-L-N của hãng Omzom[11]
- Ngoài sự khác biệt về kích thước rõ ràng seri ZX cung cấp nguồn sáng nhạy nhất thế giới
Cảm biến quang điện có kích thước tương đương với cảm biến trong seri ZX nhỏ gọn, giúp tiết kiệm không gian hiệu quả trong các trang web sản xuất.
+ Tốc độ phản hồi cũng tương đương với cảm biến quang điện
+ Tốc độ phản hồi: 0,3 ms
- Nguồn sáng ( độ dài sóng): Laser bán dẫn ánh sáng nhìn thấy được với bước sóng 650nm, công suốt tối đa 1mW
A, Thông số nguồn thu phát laser
- Đo lường khoảng cách tại trung tâm: 28-32mm
- Phạm vi đo lường: ±2mm
- Nhiệt độ môi trường: Hoạt động: 0 đến 50ºC, lưu trữ: -15 ºC đến 60 ºC
- Mức độ bảo vệ: IP40
- Đầu ra tuyến tính: 4 đến 20 mA/F.S
- Điện áp cung cấp: 12 đến 24 VDC ±10%
- Dòng điện tiêu thụ: 200mA
- Nhiệt độ môi trường: Hoạt động: 0 đến 50ºC, lưu trữ: -15 ºC đến 60 ºC
- Mức độ bảo vệ: IP50
Hình 1 9 Bộ khuyết đâị củađầu đo ZX-L-N [11]
Khoảng cách cài đặt là khoảng cách từ bề mặt cảm biến đến vị trí vật cần phát hiện, với khoảng cách lý tưởng là 28mm-32mm Điểm ghi nhớ “T” cho phép cảm biến tự động xác định các giá trị ngưỡng bằng cách tạo ra môi trường hoạt động thực tế để phát hiện đối tượng Sau khi thiết lập điểm “T”, các giá trị ngưỡng có thể được điều chỉnh chính xác và sử dụng lại khi cần thiết.
ZX-LD30V áp dụng nguyên tắc ghi nhớ hai điểm, trong đó điểm giữa hai điểm nhớ được xác định là ngưỡng Nhờ vào việc ghi nhớ hai điểm này, thiết bị có thể đo các bước nhỏ, chẳng hạn như kích thước của một tờ giấy.
1.3.3.4 Ứng dụng Đầu đo được ứng dụng trong các lĩnh vực sau:
- Đo chênh lệch chiều cao và cấp độ
- Kiểm tra vị trí chính xác
- Sự khác biệt nhỏ về cấp độ
- Sử dụng trong chất bán dẫn và linh kiện điện tử
- Đóng gói, thực phẩm, hóa chất, và các mặt hàng vệ sinh
- Thiết bị gia dụng và tự động hóa thiết bị văn phòng
- Xe hơi, máy công cụ và robot.
Đo dịch chuyển siêu chính xác bằng giao thoa kế laser [13]
Trong những năm gần đây, các kỹ thuật xử lý tín hiệu mới cho giao thoa kế đã được phát triển, nổi bật là các kỹ thuật điều biến như điều biến tần số và điều biến pha Những kỹ thuật này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm việc tín hiệu giao thoa sau khi điều biến trở thành hàm liên tục theo thời gian và là chuỗi hàm điều hòa của tần số điều biến Dịch pha do chuyển động của gương đo trong giao thoa kế có thể được trích xuất chính xác từ tín hiệu giao thoa thông qua bộ khuếch đại lock-in Nguyên lý hoạt động của giao thoa kế điều biến pha được thể hiện rõ trong hình 1.10.
Sơ đồ giao thoa kế điều biến pha được xây dựng dựa trên nguyên lý của giao thoa kế Michelson, bao gồm một nguồn sáng laser, một lăng kính chia chùm, hai nhánh gương (nhánh tham chiếu và nhánh đo), cùng với một cảm biến quang để thu tín hiệu giao thoa Tia laser từ nguồn sẽ đi qua lăng kính chia chùm và được tách thành hai chùm sáng.
Một chùm sóng kết hợp, hướng tới nhánh tham chiếu, được điều biến pha theo hàm sin, sau đó phản xạ lại và giao thoa với chùm sáng quay về từ nhánh đo tại lăng kính chia chùm Tín hiệu này sẽ được thu nhận bằng cảm biến quang trước khi chuyển đến module xử lý tín hiệu.
Để điều biến hiệu quang hình học giữa hai nhánh theo hàm hình sin, cần gắn gương tại nhánh tham chiếu vào tinh thể PZT (transducer áp điện) và điều khiển điện áp.
16 giữa hai điện cực của PZT bằng bộ tạo hàm (FG), qua đó tạo ra sự thay đổi của quang lộ theo chu kỳ hình sin: ݉ ߱ ݐ [13]
Phương trình điện trường tại nhánh tham chiếu bị điều biến có thể được biểu diễn qua phương trình: \( E(t) = E_0 \cos(\omega_0 t + m \cos(\omega_m t)) \) Trong đó, \( E_0 \) là biên độ, \( \omega_0 \) là tần số góc sóng mang của nguồn laser, \( \omega_m \) là tần số góc điều biến và \( m \) là hệ số điều biến.
Về phía nhánh đo chùm sóng phản xạ lại từ gương động được biểu diễn như sau: ࡱ ሺ࢘ǡ ࢚ሻ ൌ ࡱ ൈ ࢋ ൬࣓ ࢚ା ࣊ ࣅ οࡸ൰ (1.3)
Trong đó ΔL là độ dịch chuyển của gương còn λ0 là bước sóng của nguồn laser
Lại có cường độ bức xạ tổng hợp I tỉ lệ với bình phương điện trường E do đó tín hiệu giao thoa thu được từ cảm biến quang có dạng: ܫ ൌ ۃȁܧ ሺݎǡ ݐሻ ܧ ሺݎǡ ݐሻȁۄ ଶ ൌ ۃܧ ሺݎǡ ݐሻ ܧ ሺݎǡ ݐሻۄ ൈ ۃܧ כ ሺݎǡ ݐሻ ܧ כ ሺݎǡ ݐሻۄ ൌ ܫ ͳ ൬Ͷߨ݊ ߣ οܮ ݉ ߱ ݐ൰൨ (1.4)
Trong đó ܫ ൌ ʹȁܧ ȁ ଶ ൌ ʹȁܧ ȁ ଶ do năng lượng của chùm sáng được chia đều cho
2 nhánh khi đi qua lăng kính chia chùm
Sau khi sử dụng phương trình Bessel loại 1 để khai triển tín hiệu có dạng: ܫ ൌ ܫ ቐͳ ൝ ൬Ͷߨ݊ ߣ οܮ൰ ൈ ܬ ሺ݉ሻ ʹ ܬ ଶ ሺ݉ሻ ൈ ሺʹ݇߱ ݐሻ ஶ ୀଵ ൩ െ ൬Ͷߨ݊ ߣ οܮ൰ ൈ ʹ ܬ ଶିଵ ሺ݉ሻ ൈ ሾሺʹ݇ െ ͳሻ ൈ ߱ ݐሿ ஶ ୀଵ ൡቑ (1.5)
Tín hiệu sẽ được xử lý bằng kỹ thuật trích xuất đồng bộ Lock-in amplifier, giúp thu được các cặp phần tử điều hòa chẵn và lẻ với pha vuông góc Cụ thể, các tín hiệu này được mô tả qua các phương trình ܫ ଵ và ܫ ଶ, thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố khác nhau trong quá trình xử lý tín hiệu.
Chúng ta có thể xây dựng sơ đồ Lissajous để xác định độ dịch pha và chiều chuyển động của gương Độ dịch chuyển ΔL sẽ được tính toán theo công thức cụ thể.
Phương trình (1.8) chỉ ra rằng độ dịch chuyển ΔL phụ thuộc vào cường độ của hai phần tử điều hòa và hai nghiệm J1(m), J2(m) của hàm Bessel loại 1 Biến động cường độ của nguồn laser thường làm giảm độ chính xác của phép đo, nhưng việc sử dụng tỉ số cường độ có thể khắc phục hạn chế này Tuy nhiên, ảnh hưởng từ các giá trị J1(m), J2(m) của hàm Bessel vẫn tồn tại Để loại bỏ ảnh hưởng của hệ số điều biến, chúng ta sẽ áp dụng phương pháp thích hợp.
Hình 1 11 Hàm Bessel và các giá trị đặc biệt [13]
Hình 1.11 minh họa các hàm Bessel J1(m), J2(m), J3(m) và J4(m), cho thấy rằng khi chọn giá trị m thích hợp, các phần tử J có thể bằng nhau Cụ thể, với m=2.62, ta có J1(m) = J2(m), và với m=3.77, ta có J2(m) = J3(m) Do đó, bằng cách cố định m, ta có thể lựa chọn giá trị m để triệt tiêu ảnh hưởng của hàm Bessel trong phương trình (1.8).
Qua việc chọn giá trị m độ dịch chuyển ΔL trở thành: οܮ ൌ ߣ Ͷߨ݊ൈ ିଵ ൬ܫ ଵ ܫ ଶ ൰ (1.9)
Phương trình (1.20) cho thấy rằng độ dịch chuyển ΔL hiện chỉ phụ thuộc vào dịch pha, đồng thời loại bỏ ảnh hưởng của hệ số điều biến m của hàm Bessel, từ đó nâng cao độ chính xác của phép đo.
Tốc độ đo và độ phân giải của giao thoa điều biến tần số [13]
Giao thoa kế 2 tần số sử dụng nguồn He-Ne laser thường được áp dụng trong hệ thống đo bán kính chi tiết cầu Để tạo ra nguồn laser phát đồng thời hai tần số, buồng cộng hưởng thường được đặt trong điện trường dọc trục lớn (hiệu ứng Zeeman, với tần số từ 1 MHz đến 4 MHz) hoặc sử dụng tinh thể điều biến ở tần số âm thanh (Acousto-optic modulator, với tần số xấp xỉ 20 MHz) Tốc độ lớn nhất của giao thoa kế 2 tần số được xác định theo công thức: ܸ ௫ = k * λ / T, với k = 0.8, λ = 632.8 nm là bước sóng của nguồn laser He-Ne, và T = 2 cho giao thoa kế một lần phản xạ Khi tần số lần lượt là 3 MHz và 20 MHz, tốc độ đo lớn nhất đạt được tương ứng là 0.75 m/s và 5 m/s.
Tốc độ đo của giao thoa kế điều biến tần số phụ thuộc vào tần số điều biến, với tốc độ đo lớn nhất được xác định theo công thức ܸ ௫ = ସ ఒ బ , trong đó ݂ là tần số điều biến.
Công thức 1.11 cho thấy rằng tốc độ đo của giao thoa kế điều biến tần số bị giới hạn bởi tần số điều biến fm Đặc biệt, laser bán dẫn có thể điều biến tần số thông qua điều biến dòng bơm, với dải tần số từ kHz đến GHz Tuy nhiên, việc điều biến toàn bộ dòng bơm có thể gây mất ổn định về cường độ và tần số của nguồn laser Để khắc phục điều này, chỉ một phần nhỏ dòng bơm được điều biến, trong khi dòng điện 1 chiều được duy trì để đảm bảo nguồn nuôi ổn định cho laser Điều này được thực hiện bằng cách cộng dòng điều biến từ bộ phát hàm chuẩn với dòng 1 chiều từ bộ điều khiển để cấp cho nguồn laser.
Hình 1 12 Cấu trúc giao thoa kế điều biến tần số
(a): sơ đồ thiết kế; (b): bộ cộng tín hiệu dòng nuôi
Đô phân giải của giao thoa kế điều biến tần số có thể được tính toán từ phương trình (1.13) Ảnh hưởng của các tham số chính đến kết quả đo được xác định thông qua việc tính toán vi phân toàn phần của dịch chuyển Các yếu tố này bao gồm các biến số trong phương trình, cho phép phân tích sâu hơn về độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo Việc hiểu rõ những ảnh hưởng này là cần thiết để tối ưu hóa quy trình đo lường và cải thiện hiệu suất của hệ thống giao thoa kế.
Độ phân giải và độ chính xác của giao thoa kế phụ thuộc vào bộ đo pha của bộ trích xuất đồng bộ Pha của tín hiệu giao thoa được tạo ra từ cường độ của các thành phần điều hòa bậc chẵn và bậc lẻ Do đó, độ phân giải của phép đo pha bị ảnh hưởng bởi độ sâu điều biến m của giao thoa kế Nghiên cứu này đề xuất tính toán và điều khiển độ sâu điều biến như một giải pháp để cải thiện độ chính xác của phép đo.
Chiều sâu điều biến m được xác định trên bộ tín hiệu đo 13 thông qua giá trị của hàm Bessel như sau: ݉ ൌ ଶ ሺሻ షభ ሺሻା శభ ሺሻ (1.14)
Cường độ của tín hiệu điều hòa của 4 thành phần, từ I1 đến I4, đầu được khai triển từ phương trình (3) và (4) như sau: ܫ ଵ ൌ ܫ ܸܬ ଵ ሺ݉ሻ ൬Ͷߨ݊ ߣ ߂ܮ൰ Ǣ ܫ ଶ ൌ ܫ ܸܬ ଶ ሺ݉ሻ ൬Ͷߨ݊ ߣ ߂ܮ൰ Ǣ ܫ ଷ ൌ ܫ ܸܬ ଷ ሺ݉ሻ ቀ ସగ ఒ బ ߂ܮቁ; ܫ ସ ൌ ܫ ܸܬ ସ ሺ݉ሻ ቀ ସగ ఒ బ ߂ܮቁ;
Tổng quan về phép đo độ tròn
1.5.1 Các định nghĩa về phép đo độ tròn
Theo tiêu chuẩn ISO 6318-1985, sai lệch độ tròn được xác định thông qua chênh lệch giữa bán kính lớn nhất Rmax và bán kính nhỏ nhất Rmin của các đường tròn bao quanh biên dạng chi tiết Để xác định tâm của hai đường tròn bao, có thể áp dụng một số phương pháp khác nhau.
Tâm bình phương nhỏ nhất (LSC) là tâm chung của hai đường tròn, được xác định dựa trên tổng bình phương nhỏ nhất của sai lệch bán kính Điều này giúp xác định vị trí chính xác của đường tròn trung bình, tối ưu hóa sự phù hợp giữa các đường tròn.
MZC (Tâm miền tối thiểu) là tâm chung của hai đường tròn bao quanh biên dạng thực của chi tiết Tâm này được xác định để đảm bảo khoảng cách giữa hai đường tròn là nhỏ nhất, giúp tối ưu hóa thiết kế và cải thiện độ chính xác của sản phẩm.
MCC (Tâm đường tròn ngoại tiếp nhỏ nhất) là tâm chung của hai đường tròn, được xác định là tâm của đường tròn ngoại tiếp với bán kính nhỏ nhất bao trùm biên dạng chi tiết.
Tâm đường tròn nội tiếp lớn nhất (MIC) là điểm chung của hai đường tròn, đóng vai trò là tâm của đường tròn nội tiếp có bán kính lớn nhất bao quanh biên dạng chi tiết.
Hình 1 14 Các định nghĩa về sai lệch độ tròn[10]
Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2510-78: Sai lệch độ tròn là khoảng cách lớn nhất 'm từ các điểm của biên dạng thực tới đường tròn áp
Đường kính vòng tròn áp được xác định là đường kính nhỏ nhất tiếp xúc ngoài với biên dạng thực cho chi tiết trục, hoặc đường kính lớn nhất tiếp xúc trong với biên dạng thực cho chi tiết lỗ Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2510-78, cách xác định tâm MIC và MCC tương đương với tiêu chuẩn ISO 6318-1985.
Hình 1 15 Định ngĩa sai lệch độ tròn theo tiêu chuẩn TCVN 2510-78[8]
1.5.2.1 Đo bằng dụng cụ cầm tay
Phương pháp đo độ tròn bằng dụng cụ cầm tay như thước cặp và panme là kỹ thuật đo hai tiếp điểm để xác định giá trị đường kính của chi tiết Phương pháp này giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình sản xuất và kiểm tra chất lượng sản phẩm Sử dụng thiết bị cầm tay cho phép người dùng thực hiện đo đạc một cách dễ dàng và nhanh chóng, từ đó nâng cao hiệu quả công việc.
23 nhau Thực hiện đo trên toàn vòng, khi đó sai lệch độ tròn được xác định: ∆m = (Dmax
Xét trường hợp chi tiết méo hai cạnh
Hình 1 16 chi tiết méo hai cạnh[10]
Thực hiện đo theo 2 phương A-A và B-B, sai lệch độ tròn được xác định: 'm = (DAA
Hình 1 17 Chi tiết méo 3 cạnh[10]
Thực hiện đo theo 2 phương A-A và B-B, sai lệch độ tròn được xác định: 'm = (DAA
Phương pháp DBB)/2 có ưu điểm nổi bật là đơn giản, tiện dụng và dễ thao tác, cho phép đo các chi tiết với kích thước đa dạng Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại nhiều nhược điểm, như độ chính xác đo không cao và không thể xác định chính xác đường kính toàn bộ vòng tròn từ nhiều phương khác nhau, dẫn đến việc không phản ánh đầy đủ hình ảnh tiết diện đo Hơn nữa, phương pháp này chỉ phù hợp với các chi tiết có số cạnh méo chẵn, không thể phát hiện sai lệch ở các chi tiết có số cạnh méo lẻ.
Phương pháp đo độ tròn bằng khối V là một kỹ thuật phổ biến, đặc biệt hiệu quả cho các chi tiết có số cạnh méo lẻ Trong quá trình đo, chi tiết được đặt lên khối V và tiếp xúc với hai tiếp điểm A và B, trong khi đồng hồ so được điều chỉnh để đầu đo chạm vào bề mặt chi tiết Đây là phương pháp đo ba tiếp điểm, trong đó đầu đo cùng với hai tiếp điểm A và B đảm bảo tính chính xác trong việc xác định độ tròn của chi tiết.
Khi chi tiết B nằm ở phía đối diện so với tâm O, nó được gọi là 3 tiếp điểm khác phía (hình 1.18a) Ngược lại, khi đầu đo và 2 tiếp điểm A, B nằm cùng phía với tâm O, thì được gọi là 3 tiếp điểm cùng phía (hình 1.18b) Trong quá trình đo, chi tiết sẽ được quay 360° để xác định sai lệch độ tròn.
Trong đó: x là chỉ thị của đồng hồ đo, K là tỷ số truyền của khối V
Giá trị chuyển vị của đầu đo (xmax - xmin) phụ thuộc vào số cạnh méo của chi tiết và góc α của khối V Để đảm bảo 3 điểm: đầu đo và 2 tiếp điểm A, B đều nằm trên đường tròn ngoại tiếp nhỏ nhất và đường tròn nội tiếp lớn nhất của chi tiết, góc của khối V cần được chọn phù hợp theo công thức (1.16).
Hình 1 18 Sơ đồ đo trên khối V[10] n
Trong đó: α là góc của khối V n là số cạnh méo của chi tiết
Để đảm bảo ba điểm I, A, B nằm trên cả đường tròn nội tiếp lớn nhất và đường tròn ngoại tiếp nhỏ nhất của chi tiết, các đoạn thẳng OA và OB cần vuông góc với các mặt chuẩn của khối V (OA ٣ PA và OB ٣ PB) Xét tứ giác OAPB với góc của khối V: α = 180° - ܣܱܤ, trong đó với chi tiết méo 3 cạnh, góc ܣܱܤ = 120°, và với chi tiết méo n cạnh, góc ܣܱܤ = 360°/n Do đó, để đo sai lệch độ tròn trên khối V, cần biết số cạnh méo của chi tiết để chọn góc α phù hợp, đây là một trong những hạn chế lớn nhất của phương pháp đo bằng khối V.
Hình 1 19 Chi tiết méo 3 cạnh đo trên khối V[8]
Khi góc của khối V được chọn theo công thức (1.4) có hệ số chuyển đổi sin 2
K D [8] không phụ thuộc vào phương án đặt đầu đo cùng phía hay khác phía
Ngoài ra theo [8] khi đo chi tiết méo n cạnh trên khối V có góc α bất kỳ thì hệ số chuyển đổi K sẽ là:
Sai lệch độ tròn được xác định:
Phương pháp đo độ tròn bằng khối V vẫn phổ biến nhờ vào tính đơn giản và chi phí thấp, tuy nhiên, để đảm bảo kết quả đo chính xác, cần có bộ góc V chuẩn để kiểm tra Mỗi góc V chỉ phù hợp với một số cạnh méo nhất định; ví dụ, khi đo chi tiết méo 7 cạnh với góc α° trên khối V, hệ số K=0 sẽ không phát hiện méo Phương pháp này dễ dẫn đến nhầm lẫn trong việc công bố kết quả về độ lớn và số cạnh méo Hệ số K chỉ chính xác khi độ lớn các cạnh méo đều nhau; nếu không, kết quả đo sẽ không phản ánh đúng tình trạng thực tế của chi tiết.
1.5.2.3 Đo trên máy đo CMM
Để xác định độ tròn của chi tiết, máy đo 3 tọa độ sẽ rà các điểm đo quanh chi tiết, với ít nhất 4 điểm cần được đo để đánh giá chính xác hình dáng thực Qua 3 điểm không thẳng hàng, có thể xác định một đường tròn Sau khi thu thập dữ liệu tọa độ (x,y,z) và chiếu lên mặt phẳng chuẩn, ta sẽ có bộ tọa độ mới (x’,y’) Từ đó, sử dụng thuật toán theo tiêu chuẩn ISO 6318-1985 để xác định tâm chi tiết Phương pháp đo này mang lại độ chính xác cao, nhưng cũng chịu ảnh hưởng bởi sai số từ các trục đo (±'x, ±'y, ±'z) Chẳng hạn, máy đo 3 tọa độ của hãng Insight có độ chính xác 3.0μm+L/300mm, do đó, đối với các chi tiết yêu cầu nghiêm ngặt về độ tròn, cần sử dụng thiết bị và phương pháp đo chuyên dụng.
1.5.2.4 Đo trên máy đo độ tròn
Phương pháp đo này áp dụng hệ tọa độ cực, trong đó chi tiết trụ được tạo ra bằng cách quay một đường sinh quanh trục song song với nó Mỗi điểm trên tiết diện cắt ngang được mô tả bằng bán kính quay R và góc quay θ.
Hình 1 21 Đo trên máy đo độ tròn[10]
Trên hình 1.21 khi quay chi tiết quanh tâm (tâm chi tiết trùng với tâm quay), sử dụng
1 đầu đo dịch chuyển thẳng đặt hướng kính sẽ cho biết thông tin về biến thiên bán kính
Ứng dụng đầu đo laser để xác định sai lệch độ tròn của chi tiết
Các nghiên cứu về máy đo độ tròn :
Trong nghiên cứu, hệ thống xác định sai lệch độ tròn của chi tiết cơ khí trong hệ tọa cực đã được xây dựng Tín hiệu đồng bộ từ đồng hồ so và encoder được thu nhận để tạo ra bộ số liệu, từ đó sử dụng khai triển Fourier để xác định sai lệch độ tròn Để nâng cao độ chính xác, tác giả đã thiết kế ổ khí quay theo phương pháp điện khí tương đương, loại bỏ khe hở khớp động như ở các ổ bi thông thường.
Cũng thừa hưởng từ những nghiên cứu trên [10] đã nâng cao độ chính xác của phép đo độ tròn bằng cách sử dụng kết hợp nhiều đầu đo
Hiện nay, việc đo kiểm độ tròn thường sử dụng các phương pháp đo tiếp xúc, tuy nhiên, điều này có thể ảnh hưởng đến bề mặt chi tiết và làm giảm độ chính xác, đặc biệt với vật liệu mềm Do đó, các phương pháp đo không tiếp xúc, đặc biệt là công nghệ chùm tia laser, ngày càng được ưa chuộng trong hệ thống đo kiểm.
Về nguyên lý làm việc của máy đo độ tròn khi sử dụng đầu đo laser
Hình 1 25 NLLV cảu máy đo độ tròn sử dụng đầu đo laser
1, Bàn máy 2, Bộ phận vi chỉnh độ nghiêng tâm 3, Bàn gá 4, Chi tiết 5 Cảm biến laser 6,
Hệ thống dẫn động trục Z 7 Hệ thống dẫn động trục Y 8, Hệ thống ổ khí 9, Hệ thống dẫn động trục quay và đếm góc quay
Hình 1 26 Các thành phầm trên máy đo độ tròn sử dụng đầu đo laser
Nguyên lý làm việc của hệ thống bắt đầu bằng việc đặt phôi lên bàn máy và sử dụng lệnh trên MATLAB để khởi động động cơ quay Cảm biến laser quét tại hai tiết diện khác nhau trên chi tiết, và thông qua thuật toán được lập trình sẵn, hệ thống xác định độ lệch tâm, hiển thị kết quả trên màn hình Dựa vào độ lệch tâm này, người dùng điều chỉnh đường tâm chi tiết bằng các vít vi chỉnh trên bàn gá Sau khi hoàn tất việc điều chỉnh, đầu laser được di chuyển đến tiết diện cần kiểm tra, và quy trình kiểm tra được thực hiện Kiểm tra dựa vào hai thông số chính: tọa độ vị trí từ cảm biến và kết quả từ encoder cho vị trí góc quay Thuật toán trong chương trình sẽ cung cấp kết quả về độ sai lệch độ tròn và biện dạng méo, hiển thị rõ ràng trên màn hình.
Các chi tiết hình tròn xoay chiếm 70% trong ngành cơ khí, và để kiểm tra sai lệch độ tròn, cần sử dụng máy đo chuyên dụng để đánh giá chính xác biên độ méo Phương pháp đo tiếp xúc với vật liệu mềm có thể gây biến dạng, dẫn đến độ chính xác thấp Do đó, phương pháp không tiếp xúc bằng đầu đo laser trở nên hiệu quả hơn trong việc đo các vật liệu mềm Đầu đo laser ZX-L-N của hãng Omzom được ứng dụng trong hệ thống đo này.
Vậy để hoàn thành được hệ thống đo sai lệch đọ tròn của chi tiết cần phải thực hiện các nhiệm vụ :
- Lấy được tín hiệu đo từ đầu đo laser vào hệ thống điều khiển, đồng bộ với tín hiệu của encoder
- Dựa vào các nghiên cứu trước đây, xác định thuật toán điều khiển
- Xây dựng hệ thống cơ khí và điều khiển của thiết bị
- Thực nghiệm quá trình đo và đánh giá các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến sai số của phép đo
Các nhiệm vụ trên được trình bày ở các chương tiếp theo
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO KHÔNG TIẾP XÚC BẰNG LASER ĐỂ XÁC SAI LỆCH ĐỘ TRÒN CỦA CHI TIẾT
Xây dựng hệ thống cơ khí
Các nghiên cứu trước đây đã xác nhận rằng ổ bi trong hệ thống dẫn động bàn đo có khe hở khớp động lớn hơn độ chính xác của phép đo Do đó, không thể sử dụng ổ bi thông thường cho hệ dẫn động bàn đo Nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp thay thế là sử dụng ổ khí quay.
Tại Việt Nam, việc tính toán đệm khí được thực hiện thông qua phương pháp điện khí tương đương, khác biệt so với các nghiên cứu toàn cầu Phương pháp này cho phép xác định lực nâng dựa trên áp suất nguồn cấp và các thông số kết cấu của đệm.
Đệm khí phẳng lắp trên mặt đầu trục quay tạo lực nâng, đảm bảo khả năng tải và cân bằng theo phương hướng trục cho ổ Phân tích cho thấy, đệm khí dạng rãnh sử dụng phương pháp điện khí tương đương để xác định thông số kết cấu Áp suất khí cấp P0 qua lỗ tiết lưu d1 tương đương với cản trở R1, dẫn đến áp suất giảm xuống p1 Dòng khí nén chảy qua các rãnh phân phối khí vào rãnh tròn có bán kính r0, trong đó rãnh phân phối khí hoạt động như dây dẫn với điện trở rất nhỏ Dòng khí tiếp tục chảy qua diện tích cản trở R2 đến đường kính ngoài của đệm khí rn, tạo nên vùng đồng áp p1 với bán kính r0 Công thức tính toán đệm khí cho buồng một lỗ tiết lưu trung tâm cũng áp dụng cho trường hợp thay buồng bằng rãnh dẫn khí Lực nâng của đệm khí được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Sn là diện tích ngoài của đệm khí: Sn = π.rn 2 (mm 2 )
P0: áp suất nguồn cung cấp đệm khí hoạt động (N/mm 2 )
Việc sử dụng ổ khí quay trong máy đo độ tròn giúp tăng độ chính xác tâm quay so với ổ bi, như đã chỉ ra trong nghiên cứu của [8] Từ những năm 2000, Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tiến hành các nghiên cứu về đệm khí và ổ khí quay Hình 2.2 minh họa kết cấu ổ khí đầu tiên được chế tạo tại phòng thí nghiệm, bao gồm cặp bộ đôi bạc - trụ, trong đó trụ đứng yên được cấp khí qua các buồng chứa khí, tạo lớp khí nén giữa bề mặt bạc và trục Kết cấu này cho phép bề mặt trụ định vị 4 bậc tự do, trong khi mặt đầu chỉ định vị 1 bậc tự do Tuy nhiên, do đệm khí liền với trục nên không thể điều chỉnh khe hở, yêu cầu xác định điểm làm việc của hệ thống ổ khí để điều chỉnh khe hở tương ứng với độ cứng của ổ Hơn nữa, với chỉ một đệm khí trên mặt đầu, khả năng tải và độ cứng của hệ thống bị hạn chế, dẫn đến sự thay đổi khe hở đệm khí lớn khi có chất tải.
Hình 2 2 Đệm khí đầu tiên tại bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học[10]
Kết cấu ổ khí được thiết kế với hai phần chính: đệm khí và trục quay, nhằm kiểm soát chuyển động theo các trục x, y, z, chỉ cho phép một bậc tự do quay quanh trục z Sáu đệm khí trụ được lắp trên trục quay, chia thành hai tầng để định vị hướng kính và hạn chế bốn bậc tự do Hai tầng đệm khí được bố trí trên một đoạn trụ dài (l ≥ 1,5d), giúp định vị ổn định đường tâm của trục quay Ba đệm khí phẳng ở mặt đầu có tác dụng chống di chuyển dọc trục và đảm bảo lực nâng của ổ, chỉ còn lại một bậc tự do quay quanh trục z.
Hình 2 3 Kết cấu đệm khí của LATS Tạ Thúy Hương[10]
Trong cấu trúc này, việc sử dụng vít để điều chỉnh khe hở giữa đệm khí trụ và trục quay là rất quan trọng Khe hở cần phải được điều chỉnh sao cho nhỏ hơn 10 μm và đồng đều Điều này phụ thuộc chủ yếu vào tay nghề của người thợ.
Trong cấu trúc đệm khí, khớp cầu tự lựa đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng Khi đệm khí bị lệch khỏi vị trí cân bằng, áp lực không đồng đều giữa hai bên bề mặt sẽ tạo ra mô men quay quanh khớp cầu tự lựa, giúp đẩy đệm khí trở lại vị trí cân bằng.
Hình 2 4 Kết cấu đệm khí bị lệch[10]
Khi hốc đặt bi cầu tự lựa bị lệch, sự phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí sẽ không đồng đều, dẫn đến hiện tượng khí thoát ồ ạt ra khỏi bề mặt theo đường chảy ngắn nhất, gây nguy cơ tiếp xúc cơ khí ở cạnh bên phải Độ lệch càng lớn thì góc nghiêng của bề mặt đệm khí cũng tăng, do đó để duy trì khoảng cách khe hở z không đổi, cấu trúc đệm khí đã được cải tiến từ 6 tấm gộp thành 1 dạng nguyên khối Nhờ vậy, 6 vùng đệm khí luôn đảm bảo đồng tâm và khoảng cách khe hở giữa chúng bằng nhau.
Để cải thiện hiệu suất của đệm khí trụ, cần phải điều chỉnh phân bố áp suất trên bề mặt, tránh việc tạo ra hai lỗ tiết lưu và rãnh dẫn đối xứng qua hốc đặt bi cầu Thay vào đó, việc gộp 6 tấm thành 1 khối sẽ giúp duy trì hai vùng áp lực khí nén ở hai bên, từ đó giảm độ nghiêng lệch của đệm khí và dễ dàng hơn trong quá trình lắp ráp.
Hình 2 7 Bản vẽ đệm khí mới
Kết cấu này có nhược điểm là khó gia công chế tạo và yêu cầu độ chính xác cao, đòi hỏi một quy trình công nghệ nghiêm ngặt Tuy nhiên, nếu tuân thủ đúng các quy trình công nghệ và thực hiện kiểm tra thường xuyên trong quá trình gia công, vấn đề này sẽ được giải quyết hiệu quả.
2.1.2 Thiết kế hệ thống dịch chỉnh chi tiết trên bàn quay
Trong hệ thống máy đo độ tròn, việc gá đặt chi tiết lên bàn đo thường không thể đảm bảo tâm chi tiết trùng với tâm bàn đo, dẫn đến hiện tượng lệch tâm và nghiêng trục Để khắc phục vấn đề này, cần sử dụng hệ thống dịch chỉnh tâm và chỉnh nghiêng nhằm đưa tâm chi tiết về đúng vị trí tâm của bàn đo.
Cụm X, Y bao gồm ba phần chính: tấm đế được kết nối với ổ khí quay, tấm giữa được thiết kế để di chuyển theo phương X, Y thông qua các ray trượt liên kết và hoạt động nhờ thanh bi trượt.
Hình 2 8 Kết cấu cụm điều chỉnh X_Y
Khi chi tiết lệch theo phương Y, ta xoay đuôi panme (2) tương ứng với các vạch chia để điều chỉnh Xoay đuôi panme theo chiều kim đồng hồ sẽ làm tấm trên dịch chuyển về phía trước, trong khi xoay ngược chiều sẽ di chuyển ngược lại, như hình 2.18 Tương tự, khi chi tiết lệch theo phương X, ta cũng xoay đuôi panme (1) để điều chỉnh Việc xoay đuôi panme theo chiều kim đồng hồ sẽ làm tấm trên dịch chuyển tiến, và xoay ngược chiều sẽ làm dịch chuyển ngược lại, cũng theo hình 2.18 Khi kết hợp các tấm lại, ta có thể điều chỉnh cụm chi tiết di chuyển theo hai chiều X và Y Dựa vào các thông số kiểm tra trên phần mềm Matlab, ta có thể dễ dàng điều chỉnh chi tiết về đúng tâm.
Hình 2 9 bản vẽ phân bộ điều chỉnh X-Y
1.Tấm trượt trên ; 2.Tấm chặn ; 3.Bulong M4 ; 4.Bulong M3 ; 5.Tấm trượt giữa ;
6 Gối chặn ; 7.Bulong M4 ; 8.Thanh bị trượt ; 9.Ray trượt ; 10.Tấm trượt dưới ;
11.Gối đỡ panme ; 12.Bulong M3 ; 13.Đuôi panme ; 14.Bulong M4 ; 15.Vít M3 ;16.Lò xo
2.1.2.2 Cụm dịch chỉnh góc nghiêng
Tương tự khi tính toán thiết kế cụm chỉnh tâm X-Y
Nguyên lí hoạt dộng cụm chỉnh nghiêng X-Y
Cụm chỉnh nghiêng theo phương X-Y gồm 3 bộ phận chính Bộ phận chỉnh nghiêng gồm hai cụm chỉnh nghiêng tạo hướng theo X-Y Tấm dưới nắp với cụm chỉnh tâm X-
Y, tấm giữa là cầu nối giữa hai cụm chỉnh nghiêng, tấm trên nối với mâm cặp
Cụm chỉnh nghiêng sử dụng cơ cấu trục vít bánh vít và có thể điều chỉnh dễ dàng bằng núm điều chỉnh với các vạch chia rõ ràng Khi kết hợp hai bệ tinh chỉnh, người dùng có thể đạt được hai phương tinh chỉnh theo trục X và Y.
Hình 2 10 bản vẽ 3d cụm chỉnh nghiêng
Để tạo góc nghiêng cho chi tiết theo phương Y, cần xoay núm vặn cụm chỉnh nghiêng (2) một cách hợp lý dựa trên các vạch chia Khi muốn điều chỉnh theo chiều phương, hãy thực hiện các bước tương ứng để đảm bảo sự chính xác trong quá trình điều chỉnh.
Y như hình 2.10 ta xoay ngược chiều kim đồng hồ núm vặn (2) còn ngược chiều ta xoay ta xoay cùng chiều kim đồng hồ
Xây dựng hệ thống điều khiển
2.2.1 Hệ thống mạch điều khiển trung tâm
Mạch điều khiển trung tâm được sử dụng là mạch Ardunio mega 2560
Arduino Mega 2560 là phiên bản nâng cấp của Arduino Mega 1280, nổi bật với khả năng ứng dụng đa dạng hơn Điểm khác biệt lớn nhất của Arduino Mega 2560 là chip ATmega2560, thay thế cho chip ATmega1280 của phiên bản cũ, mang lại hiệu suất và tính năng cải tiến vượt trội.
Nền tảng mã nguồn mở này chứa các thành phần bao gồm 54 chân digital, trong đó
Arduino Mega 2560 được trang bị 15 chân PWM, 4 cổng UART phần cứng, 16 đầu vào analog, 1 cổng USB, 1 đầu ICSP, 1 jack cắm điện, 1 nút reset và 1 thạch anh 16MHz, cung cấp đầy đủ linh kiện cần thiết để hỗ trợ hoạt động của các vi điều khiển.
Arduino Mega 2560 khác biệt với các vi xử lý khác của Arduino ở chỗ nó sử dụng chip ATmega16U2 thay vì chip FTDI để chuyển đổi tín hiệu từ USB Mặc dù có cấu trúc tương tự như Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560 sở hữu nhiều chân hơn và tính năng mạnh mẽ hơn Người dùng có thể lập trình cho Arduino Mega 2560 bằng phần mềm tương tự như với Arduino Uno R3.
Chức năng của mạch Arduno 2560 được thể hiện qua hình dưới đây
Hình 2 13 Chức năng của Ardunio Mega 2560 trong hệ tống
Mạch xử lý trung tâm Mega 2560 có bốn chức năng chính Đầu tiên, khi nhận tín hiệu từ người vận hành, nó sẽ điều khiển động cơ để bàn đo quay Trong quá trình đo, mạch Mega 2560 đồng bộ hóa hai tín hiệu từ encoder và đầu đo laser tại cùng một thời điểm Các giá trị này được gửi lên máy tính qua giao tiếp UART để tính toán giá trị đo.
2.2.2 Mạch đọc tín hiệu của đồng hồ đo laser
Dựa trên catalogue sản phẩm, tín hiệu giá trị đo của đầu đo laser là giá trị analog, với mỗi giá trị đo tương ứng với một giá trị điện áp và dòng điện Để đọc giá trị đo từ đầu đo laser bằng mạch xử lý trung tâm Arduino Mega 2560, cần sử dụng các chân đọc tín hiệu analog Bằng cách tham khảo biểu đồ tuyến tính trong catalogue, có thể xác định hàm số liên hệ khi lập trình để đọc tín hiệu đo.
Hình 2 14 Biểu đồ tuyến tính của đầu đo laser[14] Để sử dụng tín hiệu analog trên cần cấu hình cho đầu đo laser
Các bước thiết lập chế độ bộ khuếch đại
Bước 1: Tắt nguồn cung cấp cho bộ khuếch đại
Bước 2: Ở mặt sau của bộ khuếch đại, di chuyển nút ấn xuống dưới
Mục đích: Lúc này, đầu ra của bộ khuếch đại là dòng điện (4~20mA)
Hình 2 15 Mặt sau của bộ khuếch đại đâị đo laser[11]
Bước 3: Bật nguồn cung cấp, ở mặt trước, di chuyển nút sang chế độ “FUN”
Bước 4: Sử dụng phím Trái và Phải trên màn hình, đến [SPCL]
Sử dụng phím Lên và Xuống trên màn hình, đến [SET]
Hình 2 16 Sử dụng phím Lên và Xuống đến SET [11]
Bước 4: : Sử dụng phím Trái và Phải trên màn hình, đến [FOCUS]
Sử dụng phím Lên và Xuống trên màn hình, đến [mA]
(Ta chọn chế độ đầu ra là mA để tương thích với phần chỉnh trước đó ở Bước 2)
Hình 2 17 chọn chế độ đầu ra là mA[11]
Màn hình sẽ hiển thị giá trị cài đặt điểm trên (đơn vị mA)
Giá trị đầu ra của dòng điện max sẽ hiển thị trên màn hình (ở đây là 20mA)
Sử dụng phím Trái, Phải, Lên, Xuống để chỉnh giá trị khoảng cách lớn nhất mà đầu đo laser đo được
( Ở đây, với đầu đo ZX-LD30V, giá trị đo tối đa là: 32.000mm)
Hình 2 18 Chọn giá trị đo tối đa là 32.000mm [11]
Màn hình sẽ hiển thị giá trị cài đặt điểm trên (đơn vị mA)
Giá trị đầu ra của dòng điện min sẽ hiển thị trên màn hình (ở đây là 4mA)
Sử dụng phím Trái, Phải, Lên, Xuống để chỉnh giá trị khoảng cách lớn nhất mà đầu đo laser đo được
( Ở đây, với đầu đo ZX-LD30V, giá trị đo tối thiểu là: 28.000mm)
Hình 2 19 Chọn giá trị đo tối thiểu là 32.000mm[11]
Bước 7: Bấm phím “ENT” để kết thúc quá trình thiết lập Nếu màn hình hiển thị [FOCUS]->[OK], thì quá trình thiết lập thành công
Nếu màn hình hiển thị [NG], kiểm tra lại các cài đặt ban đầu
Hình 2 20 Kết quả của thiết lập FOCUS->OK [11]
Kết quả của thiết lập [FOCUS]->[OK]
Dựa trên catalog của đầu đo laser, 2 chân xuất tín hiệu đo là dây chống nhiễu màu trắng và dây màu đen
Hình 2 21 các chân tín hiệu của đầu đo[14] ỉ¯ዌ¯ዛዘÀዉệ²ዞዙዒ ዅዋ¯ዐዉÀዉệÀዉ¯ዉ
Hình 2 22 Bộ chuyển đổi tín hiệu analog
2.2.3 Mạch đọc tín hiệu của encoder
Encoder lựa chọn dùng để xác định vị trí góc quay của vật đo trong quá trình đo độ tròn Thông số kỹ thuật:
-Bộ mã hóa quay tăng dần, AB hai pha
-Tốc độ cơ học tối đa 6000 vòng / phút
-Tần số đáp ứng: 0-20KHz là loại encoder tương đối LPD3806-G5-24C Encoder được lắp dưới trục ổ khí
Lưu đồ thuật toán đọc tín hiệu từ encoder như thể hiện ở hình 2.23
Hình 2 23 Lưu đồ thuật toán đọc tín hiệu từ encoder[8]
2.2.4 Mạch điều khiển động cơ Ở đây ta sử dụng chân số 9 của mạch Arduino mega để cấp xung điều khiển xuống mạch L298 Và được nối với chân INT1 của mạch kích xung Chân GND của mạch Arduino được nối với chân INT 2 của mạch kích xung L298 Yêu cầu điều khiển là khi ấn nút connect thì động cơ bắt đầu quay với tốc độ mong muốn Quay đến khi encoder đat 360 độ (1 vòng) thì dừng lại
Dải băm xung có thể điều chỉnh từ 0-255, cho phép kiểm soát động cơ hiệu quả Để thực hiện phương pháp băm xung nhóm, chúng ta đã sử dụng Module L298 để điều khiển động cơ.
Hình 2 24 Mạch L298 Động cơ được sử dụng ở đây là động cơ Allen-Bradlay KINETI3 với các thông số như sau:
Nguồn điện của driver là 200-240Vac tần số: 50-60Hz
Nguồn của động cơ được cấp bởi Driver
2.2.5 Xây dựng thuật toán xử lý tín hiệu đo
Tại Việt Nam, nghiên cứu đã phát triển thuật toán tính sai lệch độ tròn thông qua ba phương pháp: phương pháp tam giác, phương pháp hình chiếu và phương pháp Fourier Đặc biệt, phương pháp Fourier được ứng dụng để xác định độ lớn cạnh và số cạnh méo, từ đó tính toán sai lệch độ tròn một cách chính xác.
Trong đó:- a0: Sai lệch vị trí ban đầu do chỉnh đầu đo x không trùng với giá trị trung bình của biên độ.
- D1: góc pha tại vị trí ban đầu của lệch tâm
Trong đó: aj: là biên độ méo tại tần số thứ j
Dj: góc pha tại vị trí ban đầu của tần số thứ j
Sau khi tìm được a0, a1, α1 ta có: x’i = a0 + a1.sin(θi +α1) Biến thiên của chỉ thị đo sau khi đã loại được độ lệch tâm: xi – x’i
Sai lệch độ tròn của chi tiết được xác định:
2.2.5.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ quay và đọc giá trị đo
Lưu đồ điều khiển động cơ bắt đầu bằng việc đặt bộ đếm về 0 trước khi tiến hành đo Động cơ sẽ quay và đọc giá trị góc quay Khi giá trị góc quay đạt đến mức đã định, động cơ sẽ tự động dừng lại.
Hình 2 25 Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ quay và đọc giá trị đo [8]
2.2.5.2 Lưu đồ thuật toán xử lý tín hiệu đo
Sau khi hoàn tất quá trình thu nhận tín hiệu đo, ta sẽ có một tập hợp n số liệu đo (οܴ Ǣ ߮ ሻ Tiếp theo, cần nhập tần số méo lớn nhất để tiến hành khai triển, sau đó thực hiện tính toán biên độ và tần số.
Chương trình tính toán dựa trên khai triển Fourier mang lại sự tiện lợi và chính xác Nó không chỉ cho phép xác định sai lệch độ tròn mà còn tính toán độ lệch tâm và các biên độ tại các tần số méo khác nhau.
Hình 2 26 Lưu đồ thuật toán xử lý tín hiệu đo[8]
Xây dựng phần mềm tính toán và hiển thị kết quả đo
Hình 3 1 Sơ đò chức năng NLLV của hệ thống điều khiển
Sử dụng phần mềm Matlab để tạo giao diện, tính toán, hiển thị và lưu trữ kết quả Chức năng của phần mềm nhằm:
- Thiết lập chế độ kết nối
- Khai báo các thông số gá đặt
- Tính toán, hiển thị và lưu trữ kết quả đo được
Giao diện phần mềm hiện thị kết quả đo
Trong Matlab, để xử lý tín hiệu đo ta có lớp chức năng
Lớp choncom.fig là thành phần quan trọng trong việc tạo giao diện làm việc cho máy đo độ tròn Khi hoàn thành việc thiết kế giao diện, MATLAB sẽ tự động sinh ra các chương trình và hàm liên quan, hỗ trợ quá trình thiết kế đầu đo laser.
50 diện ta chỉ cần gọi hàm ấy ra là có thế sử dụng đc và lập trình các chức năng như mong muốn
Để thiết lập chân COM kết nối giữa bo mạch Arduino Mega 2560 và MATLAB, người dùng cần xác định cổng COM đang sử dụng, có thể kiểm tra trong mục Tools của Arduino hoặc trong Control Panel Sau khi lập trình giao diện, MATLAB sẽ tự động tạo ra các hàm cần thiết Tác giả đã viết mã chính để giao diện hoạt động, kết nối người dùng với máy đo độ tròn, thu nhận và xử lý dữ liệu từ bo mạch Arduino.
Khi hàm tính toán được kích hoạt, nó sẽ truy xuất dữ liệu từ bảng Excel và tiến hành tính toán dựa trên công thức đã được lập trình trước Lớp này chứa các hàm tính toán, cung cấp thông số và giá trị liên quan đến bài toán, bao gồm xử lý Fourier, độ lệch tâm, sai số và độ méo cạnh Sau khi hoàn tất tính toán, kết quả sẽ được trả về lớp choncom để hiển thị trên giao diện kết quả của phép đo.
Lớp Calculate_lechtam.m được sử dụng để tính toán độ lệch tâm e một cách chính xác Khi người dùng nhấn câu lệnh, hàm Calculate_lechtam.m sẽ được kích hoạt để thực hiện các phép tính cần thiết Sau khi hoàn tất, kết quả đo sẽ được gửi lại cho hàm choncom và hiển thị trên màn hình.
Hàm Excel để lưu trữ kết quả đo
Để lưu trữ kết quả đo một cách lâu dài và tiện lợi cho việc truy xuất dữ liệu, nhóm đã sử dụng hàm Excel để lưu trữ trực tiếp trên máy tính Phương pháp này không chỉ đảm bảo thời gian lưu trữ kết quả mà còn giúp tránh tình trạng thiếu dung lượng bộ nhớ.
Hình 3 2 Bảng Excel lưu giữ tín hiệu đo
Các bước thực hiện đo như sau:
Bước 1: Khi bảng giao diện xuất hiện, chọn cổng kết nối giữa máy tính và mạch Arduino Mega (chọn cổng Com3) Sau khi lựa chọn cổng kết nối xong, nhấn vào phần tiếp theo.
Để bắt đầu quá trình đo chi tiết tại vị trí A, trước tiên, bạn cần nhấn vào “connect” Sau khi hoàn tất việc đo, hãy nhấn vào “độ lệch tâm tại A” để lưu kết quả Tiếp theo, chọn phần “độ lệch tâm” để xác định độ lệch tâm tại vị trí A.
Sau khi xác định độ lệch tâm tại vị trí A, việc điều chỉnh độ lệch tâm được thực hiện thông qua cụm chỉnh tâm Để đạt được độ chính xác cao, ta sử dụng đuôi panme trên cụm chỉnh tâm để thực hiện việc chỉnh tinh.
Bước 2: Sau khi đo và chỉnh xong độ lệch tâm ở vị trí A thì ta di chuyển đầu đo lên đến vị trí B để tiếp tục đo tại vị trí B
Bước 4: Sau khi đo tại B, phần mềm sẽ tính toán độ nghiêng của chi tiết Ta điều chỉnh độ nghiêng của chi tiết bằng hệ thống điều chỉnh nghiêng
Bước 5: Đưa đầu đo về trị cần đo
Bước 5: Tiến hành đo lần đầu để xác định độ lệch tâm của chi tiết so với tâm bàn đo Sử dụng cụm điều chỉnh tâm XY để điều chỉnh sao cho tâm của bàn chi tiết trùng khớp với tâm của bàn đo.
Bước 6: Sau khi có kết quả đo thì ta ấn vào” lưu kết quả đo” để lưu kết quả vừa đo được vào phần mềm “excel”
Kết luận chương 2: Trong chương 2, chúng tôi đã phát triển hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển cho thiết bị đo Đồng thời, chúng tôi đã xử lý phương pháp lấy tín hiệu đồng bộ giữa đầu đo laser và encoder Ngoài ra, thuật toán Fourier đã được xác định để tính toán sai lệch độ tròn của chi tiết.
Các nhiệm vụ về thực nghiệm kiểm tra kết quả đo và đánh giá yếu tố kỹ thuật đến sai số của phép đo được thể hiện ở chương 3
XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU KỸ TỐ KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG
Thực quá trình đo và đánh giá kết quả đo
3.1.1 Qui trình thực nghiệm đo
Thực hiện thí nghiệm đối với việc sử dụng 3 đầu đo kết hợp, đo độ tròn chi tiết ổ bi có đường kính D0mm, với nguồn áp suất khí 4bar
Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường, bước đầu tiên là lắp đặt và điều chỉnh chính xác vị trí ba đầu đo lên hệ dẫn tiến Tiếp theo, cần lắp chi tiết cần đo lên mâm cặp, đảm bảo rằng vật đo được căn chỉnh vuông góc với tâm ổ khí.
- Bước 2: Điều chỉnh đầu đo cách bề mặt đo 28-32 mm, sao cho màn hình bộ khuếch đại không hiện thị lỗi
- Bước 3: Cấp khí cho ổ khí quay áp suất từ lớn hơn 4 bar,
- Bước 4: Kết nối tín hiệu từ đầu đo laser và encoder góc vào máy tính
- Bước 5: Đo tại hai thiết diện để tính được góc nghiêng
- Bước 6: Chỉnh lại góc nghiêng theo kết quả hiển thị trên màn hình
- Bước 7: Di chuyển đến điểm cần đo
- Bước 5: Xử lý kết quả đưa ra được độ lệch tâm e trong lần đo đầu tiên
- Bước 6: Chỉnh lại độ lệch tâm e, tiến hành đo lấy kết quả đo
Thực hiện với quy trình và trình tự như trên xuất kết quả ra file excel và xử lý bằng phần mềm Matlab
Quá trình thực nghiệm được thực hiện trên mô hình đo ổ khí quay với áp suất đầu vào 5 bar tại một vị trí cụ thể Vật đo sử dụng là vòng bi 6310, có đường kính vòng ngoài là 110 mm.
Kết quả : x Lần đo thứ 1:
Số lần trích mẫu 601 lần/vòng quay Tần số méo lớn nhất I ,giá trị 0.037 mm
Hình 3 4 Kết quả đo lần 1
Trích xuất giá trị đo từ đầu đo laser và encoder
Hình 3 5 Trích dẫn giá trị điểm đo lần 1 x Lần đo thứ 2:
Số lần trích mẫu 601 lần/vòng quay, tần số méo lớn nhất I giá trị 0.0282 mm
Hình 3 6 Kết quả đo lần 2
Hình 3 7 Trích dẫn số liệu điểm đo lần 2 x Lần đo thứ 3:
Số lần trích mẫu 601 lần/vòng quay tần số méo lớn nhất I giá trị 0.0412
Hình 3 8 Kết quả đo lần 3
Hình 3 9 Trích dẫn số liệu điểm đo lần 3 x Lần đo thứ 4:
Số lần trích mẫu 601 lần/vòng quay tần số méo lớn nhất I giá trị 0.0233 mm
Hình 3 10 Tríc dẫn số liệu điểm đo lần 4 x Lần đo thứ 5:
Số lần trích mẫu 601 lần/vòng quay tần số méo lớn nhất I giá trị 0.0236 mm
Hình 3 11 Kết quả đo lần 5
Hình 3 12 Trích dẫn giá trị điểm đo lần 5
Sau khi tiến hành đo tại một vị trí trên, tiếp tục tiến hành đo tại nhiều vị trí khác trên ổ bi
Bảng 3 1 Kết đo lại các vị trí
TT Vị trí đo Lần đo
Tần số méo lớn nhất
Biên độ méo lớn nhất
Với cùng mẫu vật đo, tiền hành đo trên máy CMM để so sánh kết quả
Hình 3 13 Kết đo đo trên máy CMM Đánh giá kết quả đo:
Việc sử dụng đầu đo laser giúp xác định biên độ méo và tần số méo lớn nhất của chi tiết, đồng thời thể hiện biên dạng của sản phẩm Qua nhiều lần đo tại các vị trí khác nhau, kết quả cho thấy chênh lệch không đáng kể, chỉ ở mức phần nghìn mm, điều này khẳng định độ ổn định cao của hệ thống.