Luận án Tiến sĩ: Cơ sở đảm bảo, nâng cao độ chính xác của phép đo độ tròn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Tạ Thị Thuý Hƣơng CƠ SỞ ĐẢM BẢO, NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHÉP ĐO ĐỘ TRÒN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học riêng hướng dẫn PGS.TS Vũ Toàn Thắng TS Nguyễn Cảnh Quang Các kết nghiên cứu luận án tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với điều kiện Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS TS Vũ Toàn Thắng Nghiên cứu sinh Tạ Thị Thuý Hương TS Nguyễn Cảnh Quang LỜI CÁM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu nhận nhiều giúp đỡ, góp ý chia sẻ người Lời xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Cơ khí Đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể Thầy hướng dẫn PGS.TS Vũ Toàn Thắng, TS Nguyễn Cảnh Quang, Thầy hướng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án Tôi xin chân thành biết ơn sâu sắc tới Quý Thầy Cô Bộ môn Cơ khí Chính xác Quang Học bảo cho ý kiến bổ ích, tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn anh chị em công tác Bộ môn Cơ khí xác Quang Học, tập thể NCS Bộ môn chia sẻ tạo điều kiện giúp Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đo Lường Quốc gia, Trung tâm Đo lường Quân đội, Phòng đo lường Mitutoyo Hà Nội giúp đỡ trình thực nghiệm Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Hải Phòng, Ban lãnh đạo Khoa Điện – Cơ tạo điều kiện chế độ, thời gian, công việc giúp hoàn thành nhiệm vụ Cuối xin cảm ơn đến gia đình, người thân bạn bè chia sẻ, động viên giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu Hà Nội, Ngày 24 tháng năm 2016 Tác giả luận án Tạ Thị Thuý Hương MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1.Danh mục chữ viết tắt, thuật ngữ 2.Danh mục ký hiệu DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU 15 MỞ ĐẦU 17 Lý lựa chọn đề tài luận án 17 Mục đích, đối tƣợng, phƣơng pháp phạm vi nghiên cứu 17 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 18 Những kết 18 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÉP ĐO ĐỘ TRÒN 19 1.1 Đặt vấn đề 19 1.2 Các định nghĩa sai lệch độ tròn 19 1.2.1 Định nghĩa sai lệch độ tròn theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 19 1.2.2 Định nghĩa sai lệch độ tròn theo tiêu chuẩn Việt Nam 20 1.3 Phƣơng pháp đo độ tròn 21 1.3.1 Phương pháp đo dụng cụ cầm tay 21 1.3.2 Phương pháp đo khối V 22 1.3.3 Phương pháp đo máy đo tọa độ 23 1.3.4 Phương pháp đo máy đo độ tròn chuyên dùng 24 1.4 Một số nghiên cứu nƣớc ổ khí quay phƣơng pháp đo độ tròn kết hợp nhiều đầu đo 28 1.4.1 Các nghiên cứu lý thuyết tính toán đệm khí 28 1.4.2 Các nghiên cứu kết cấu ổ khí quay 34 1.4.3 Các nghiên cứu kết hợp nhiều đầu đo 38 1.5 Kết luận chƣơng 43 CHƢƠNG 2: ĐẢM BẢO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH TÂM CỦA PHÉP ĐO ĐỘ TRÒN BẰNG Ổ KHÍ QUAY 44 2.1 Đặt vấn đề 44 2.2 Cơ sở tính toán thiết kế đệm khí: 45 2.2.1 Xác định thông số kết cấu đệm khí 47 2.2.2 Độ cứng đệm khí 57 2.2.3 Xác định áp suất nguồn làm việc cho ổ khí 57 2.2.4 Kích thước kết cấu đệm khí thiết kế 60 2.2.5.Kết cấu ổ khí quay 60 2.3 Phân tích yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng ổ khí quay định hƣớng công nghệ gia công chi tiết ổ khí 61 2.3.1 Xét ảnh hưởng việc bố trí đệm khí mặt trụ đến khả định tâm ổ khí 61 2.3.2 Xét ảnh hưởng bố trí đệm khí tới độ cứng làm việc ổ khí quay 65 2.3.3 Xét ảnh hưởng tải trọng đặt lệch bàn quay đến độ nghiêng đường tâm trụ quay 66 2.3.4 Xét ảnh hưởng sai số hình học tới chức làm việc đệm khí trụ trục quay 67 2.3.5 Xét ảnh hưởng độ nhám bề mặt 70 2.4 Xây dựng thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết 71 2.4.1.Thực nghiệm đo kiểm, đánh giá thông số hình học nhám bề mặt chi tiết ổ khí 71 2.4.2 Thực nghiệm đánh giá đặc tính làm việc ổ khí quay 75 2.5.Kết luận: 83 CHƢƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO ĐỘ TRÒN BẰNG PHƢƠNG PHÁP KẾT HỢP NHIỀU ĐẦU ĐO 82 3.1 Đặt vấn đề: 83 3.2 Phƣơng pháp đo độ tròn sử dụng đầu đo 83 3.2.1 Cơ sở lý thuyết 83 3.2.2 Xác định vị trí đặt đầu đo 90 3.2.3 Đánh giá sai số phương pháp sử dụng đầu đo 91 3.3 Phƣơng pháp đo độ tròn sử dụng đầu đo 93 3.3.1 Cơ sở lý thuyết 93 3.3.2 Xác định vị trí đặt đầu đo 97 3.3.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm đầu đo 99 3.3.4 Đánh giá sai số mô hình thiết kế 102 3.4 Kết luận 107 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 108 4.1.Mô hình thực nghiệm 1108 4.2.Thực thí nghiệm 110 4.2.1 Thí nghiệm với áp suất nguồn cấp bar 111 4.2.2 Thí nghiệm với áp suất nguồn cấp bar 119 4.2.3 Thí nghiệm với áp suất nguồn cấp bar 119 4.3 Đánh giá kết luận 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ HƢỚNG NGHIÊN CỨU 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 144 PHỤ LỤC 145 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1.Danh mục chữ viết tắt, thuật ngữ STT Ký hiệu, chữ viết tắt BTD CMM LSC ISO MCC MIC Tiếng Anh Tiếng Việt Bậc tự Máy đo toạ độ Coordinate Measuring Machine Tâm bình phương nhỏ Least Square Center Tiêu chuẩn quốc tế International Organization for Standardization Tâm đường tròn ngoại tiếp nhỏ Minimum Circumscribed circle Centre Tâm đường tròn nội tiếp lớn Maximum Centre MZC Tâm miền tối thiểu Minimum Zone Center TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Profile Biên dạng Inscribed circle 2.Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu Tiếng Việt ai, bi, ci biên độ méo αi Góc lệch pha θ Góc quay ∆m Sai lệch độ tròn ∆// Dung sai độ song song ex,ey E Môđun đàn hồi vật liệu F Lực nâng đệm khí 10 K Độ cứng 11 Mms Mômen ma sát 12 O Tâm chi tiết đo 13 O’ Tâm bàn quay 14 P Áp suất Hệ số tính biên độ méo Độ lệch tâm theo phương x, y 15 P0 Áp suất nguồn 16 Q Tải trọng 17 Rz Độ nhám bề mặt 18 z Khe hở 19 r Chiều rộng rãnh khí 20 s Chiều sâu rãnh khí 21 rn Bán kính đệm khí 22 r0 Bán kính rãnh dẫn khí 23 d1 Đường kính lỗ tiết lưu 24 L Chiều dài chảy lỗ tiết lưu d1 25 Sn Diện tích đệm khí DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các phương pháp xác định đường tròn bao 20 Hình 1.2: Định nghĩa sai lệch độ tròn theo TCVN [8] 20 Hình 1.3: Sơ đồ đo độ tròn dụng cụ cầm tay 21 Hình 1.4: Sơ đồ đo độ tròn khối V [6] 22 Hình 1.5: Chi tiết méo cạnh đo khối V [11] 23 Hình 1.6: Hình ảnh đo độ tròn máy toạ độ [5] 24 Hình 1.7: Sơ đồ đo sai lệch độ tròn hệ tọa độ cực 24 Hình 1.8: Hình ảnh máy đo độ tròn hãng giới [37, 40] 25 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý máy đo độ tròn sử dụng đầu đo [6] 25 Hình 1.10: Sơ đồ biểu diễn chi tiết đặt lên bàn quay 26 Hình 1.11 Hình ảnh khe hở hướng kính ổ bi 27 Hình 1.12.Đệm khí buồng lỗ tiết lưu trung tâm[51] 27 Hình 1.13: Đệm khí dạng buồng dạng rãnh với lỗ tiết lưu trung tâm [51] 30 Hình 1.14: Đệm khí phẳng lỗ tiết lưu với rãnh dẫn [50] 31 Hình 1.15: Đệm khí buồng mạch điện-khí tương đương [11] 33 Hình 1.16: Kết cấu ổ khí dạng buồng dùng cho máy đo độ tròn năm 1960 [22] 34 Hình 1.17: Kết cấu ổ khí quay [50] 35 Hình 1.18: Kết cấu ổ khí máy đo độ tròn hãng Newways [32] 36 Hình 1.19: Một số hình ảnh ổ khí quay [34] 36 Hình 1.20: Kết cấu ổ khí quay có bố trí đệm khí mặt ống trụ [11] 37 Hình 1.21: Sơ đồ đo độ tròn kết hợp đầu đo [41] 38 Hình 1.22: Sơ đồ đo độ tròn kết hợp ba đầu đo dịch chuyển [42] 39 Hình 1.23: Sơ đồ đo độ tròn kết hợp đầu đo Muralikrishnan – Mỹ [29] 40 Hình 1.24: Sơ đồ đo độ tròn kết hợp đầu đo S.Mekid- Anh [39] 40 Hình 1.25: Sơ đồ đo độ tròn kết hợp đầu đo Zhang – Trung Quốc [19] 41 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý ổ khí 45 Hình 2.2: Nguyên lý làm việc đệm khí [12] 45 Hình 2.3: Phân bố áp suất theo kiểu dẫn khí bề mặt đệm [33] 46 Hình 2.4: Đệm khí phẳng dạng rãnh lỗ tiết lưu mạch điện khí tương đương 47 Hình 2.5: Đồ thị hàm số f=f(y) 49 Hình 2.6: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ f với x chọn 50 khe hở z = 8μm; L= 2,5mm; y = 7,68 50 Hình 2.7 Đệm khí trụ dạng rãnh chữ nhật mạch điện – khí tương đương 51 Hình 2.8: Dạng phân bố áp suất bề mặt đệm khí 52 Hình 2.9: Biểu đồ phân bố áp suất với s = 0,2 mm, r = 0,3 mm z = 0,015 mm 54 Hình 2.10: Biểu đồ phân bố áp suất với s = 0,6 mm, r = 0,3 mm z = 0,015 mm 54 Hình 2.11: Biểu đồ quan hệ chiều sâu rãnh lực nâng 55 Hình 2.12: Biểu đồ phân bố áp suất với r = 0,2 mm, s = 0,3 mm z = 0,015 mm 55 Hình 2.13: Biểu đồ phân bố áp suất với r = 0,6 mm, s = 0,3 mm z =0,015 mm 56 Hình 2.14: Biểu đồ quan hệ chiều rộng rãnh lực nâng 56 Hình 2.15: Quan hệ áp suất nguồn P0 khe hở z tải trọng không đổi 58 Hình 2.16: Tốc độ thay đổi khe hở z thay đổi áp suất nguồn P0 59 Hình 2.17 Kết cấu đệm khí thiết kế 60 Hình 2.18: Kết cấu ổ khí quay 61 Hình 2.19 Bố trí đệm khí cho ổ quay [11] 61 Hình 2.20: Bố trí ba đệm khí với trục bị méo cạnh 62 Hình 2.21: Sơ đồ bố trí đệm khí quanh trục quay bị méo 62 Hình 2.22: Độ dao động tâm quay trục quay méo 64 Hình 2.23: Sơ đồ bố trí đệm khí trục quay 65 Hình 2.24: Sơ đồ bố trí đệm khí trục quay 65 10 0.2 Biên độ méo (mm) 0.18 Đầu đo C 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Số cạnh méo Hình 4.22: Kết biên độ méo tần số méo đầu đo C với áp suất nguồn bar(chưa chỉnh tâm) Nhận xét: Hình ảnh đồ thị cho thấy biên độ cạnh méo - độ lệch tâm lớn e = 2c1  0,4 mm (bao gồm độ lệch tâm chi tiết so với bàn đo độ dao động tâm) Các tần số méo cạnh (phản ảnh độ méo trục quay, độ nghiêng độ ô val chi tiết đo), thấy xuất tần số méo cạnh 3, 4, với biên độ méo trội Tuy nhiên tất biên độ méo cạnh có trị số nhỏ nhiều so với độ lệch tâm e (max 8,5µm [...]... đầu đo sẽ loại bỏ được độ lệch tâm và biến động tâm tức thời nâng cao độ chính xác cho phép đo Nghiên cứu cơ sở học thuật của phép đo từ đó xây dựng những giải pháp phù hợp, chỉ đạo cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị đo đáp ứng nhu cầu sản xuất là lý do lựa chọn đề tài Cơ sở đảm bảo, nâng cao độ chính xác của phép đo độ tròn 2 Mục đích, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu - Mục đích của. .. với tâm quay của bàn đo Tuy nhiên trong quá trình quay, nếu tâm quay không phải là một điểm cố định, tức là có sự biến động tâm thì sai số do mất độ ổn định tâm sẽ ảnh hưởng theo tỉ lệ 1:1 lên giá trị đo Do đó sử dụng ổ khí quay có độ chính xác định tâm cao là cơ sở để đảm bảo độ chính xác cho phép đo độ tròn Mặt khác trong trường hợp yêu cầu độ chính xác của phép đo cao hơn độ chính xác định tâm ổ... tài luận án là xây dựng được các giải pháp nhằm đảm bảo và nâng cao độ chính xác cho phép đo sai lệch độ tròn, làm cơ sở lý thuyết để ứng dụng chế tạo thiết bị đo phục vụ đo lường các chi tiết cơ khí  Đối tượng nghiên cứu: + Nghiên cứu ổ khí quay để đảm bảo độ chính xác định tâm cho phép đo sai lệch độ tròn + Nghiên cứu phương pháp kết hợp nhiều đầu đo để khử độ lệch tâm bao gồm cả lượng biến động... biên dạng thực của chi tiết đo, sự chênh lệch lớn nhất giữa các giá trị Ri chính là sai lệch độ tròn Định nghĩa về sai lệch độ tròn theo các tiêu chuẩn đã nêu ở mục 2.1 đều được xây dựng trong hệ toạ độ cực, vì vậy phương pháp đo độ tròn trong hệ tọa độ cực là phương pháp đo trực tiếp, đạt độ chính xác đo cao, phản ánh đầy đủ và trung thực nhất tiết diện của chi tiết cần đo Phương pháp đo này đã phát... ey(θ) là độ lệch tâm chiếu lên trục X và trục Y Từ công thức (1.9) cho thấy nếu không tồn tại độ lệch tâm Δ(θ) tín hiệu thu được từ đầu đo x(θ) sẽ phản ánh trung thực biên dạng chi tiết đo r(θ), điều này có nghĩa độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ lệch tâm Δ(θ), ảnh hưởng trực tiếp 1:1 đến kết quả đo Vì vậy để đảm bảo và nâng cao độ chính xác cho phép đo phải xây dựng các giải pháp loại bỏ độ lệch... 3 tọa độ Chi tiết được đặt lên bàn đo của máy đo 3 tọa độ, đầu đo sẽ rà các điểm đo quanh chi tiết Qua 3 điểm không thẳng hàng xác định được một đường tròn Để xác định chi tiết có bị méo hay không thì phải đo ít nhất tại 4 điểm Số lượng điểm đo càng lớn thì càng phản ánh được chính xác hình dáng thực của tiết diện đo Với bộ số liệu đo là toạ độ (x,y,z) của các điểm đo, chiếu lên mặt phẳng chuẩn thường... triển thành các sản phẩm thương mại được chào bán trên thị trường Trên hình 1.8 là máy đo độ tròn của các hãng Taylor Hobson, Marh, Mitutoyo Hình 1.8: Hình ảnh máy đo độ tròn của các hãng trên thế giới [37, 40] Nguyên lý hoạt động của máy đo độ tròn Trên hình 1.9 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo độ tròn Chi tiết đo 5 đặt lên bàn quay 7 được dẫn động bằng ổ quay 4, trên bàn quay có bộ phận điều... tiết đo để khử thành phần z, được bộ tọa độ mới (x’,y’) Dùng thuật toán để xác 23 định tâm của chi tiết từ bộ tọa độ (x’,y’) theo một trong bốn định nghĩa về độ tròn của tiêu chuẩn quốc tế ISO 6318-1985 (E) đã trình bày ở trên ∆m = Rmax - Rmin (1.7) Biên dạng thực Đường tròn thiết kế Điểm đo Đường tròn áp Hình 1.6: Hình ảnh đo độ tròn trên máy toạ độ [5] Phương pháp đo độ tròn trên máy đo 3 toạ độ (hình... kết quả chính xác cao Tuy nhiên đây là phương pháp đo gián tiếp thông qua bộ số liệu điểm đo lấy từ các trục x, y, z, các trục này đều có sai số (±x, ±y, ±z) và khi đo theo các phương khác nhau thì sai số sẽ ảnh hưởng trực tiếp lên kết quả đo Ví dụ máy đo 3 tọa độ của hãng Insight ký hiệu 121511 công bố độ chính xác đo là 3.0µm+L/300mm (Ở nhiệt độ 20℃±1℃, độ ẩm 55%-65%), như vậy nếu đo độ tròn trên... chứng nhằm chứng minh cơ sở khoa học của các luận điểm lý thuyết đã nêu  Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu về ổ khí quay tĩnh và phương pháp kết hợp 3 đầu đo để đo độ tròn ngoài các chi tiết trụ tròn có đường kính 20 ÷200 mm, chiều dài từ 20 ÷150 mm 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Sử dụng ổ khí quay làm yếu tố định tâm đảm bảo độ chính xác cho phép đo độ tròn mang lại ý nghĩa