ĐATN Thiết kế thước quang

Trong công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm thường phải đo và kiểm định kích thước các sản phẩm hoặc một loạt sản phẩm giống nhau đòi hỏi độ chính xác nhất định. Một cách đơn giản là chúng ta đưa chúng về một hệ Đềcác vuông góc chuẩn và xác định kích thước thông qua các tọa độ.Đề tài nghiên cứu chế tạo máy đo 3 tọa độ là một đề tài mang tính thực tiễn và sẽ giúp sinh viên trong quá trình học tập

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

CHƯƠNG I: YÊU CẦU ĐỀ TÀI

Trong công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm thường phải đo và

chính xác nhất định Một cách đơn giản là chúng ta đưa chúng về một hệ Đềcác vuông góc chuẩn và xác định kích thước thông qua các tọa độ.Đề tài nghiên cứu chế tạo máy đo 3 tọa độ là một đề tài mang tính thực tiễn và sẽ giúp sinh viên trongquá trình học tập.

• Yêu cầu bài toán:

- Đo kích thước khoảng cách thông qua thông số đo từ 3 tọa độ (với thước

đo có độ phân giải là 20μm, nếu dùng mạch nhân 4, độ phân giải đạtđược là 5μm)

- Tốc độ di chuyển vừa phải, không quá nhanh Do độ dài của thước trên trục

Y và trục Z là 50cm, khoảng dịch chuyển của xe chạy trên sống của trục Y và Z khoảng 20cm Trục X có thước 80 cm và khoảng dịch chuyển của xe khoảng 50 cm

- Có khả năng điều khiển độc lập, đọc dữ liệu độc lập đồng thời cho 3 trụctọa độ

• Yêu cầu phần mềm sử lý số liệu:

- Xây dựng dưới dạng các Menu cho từng quá trình xử lý số liệu:

+ Menu đo và khai báo bán kính đầu đo

+ Menu nội suy đường đi đường đi của máy đo tọa độ sau khi tiến hành đo

- Xây dựng Menu cho từng kiểu đo:

+ Đo đường kính và sai lệch độ tròn

+ Đo độ phẳng

• Yêu cầu về quá trình vận hành:

Quá trình vận hành sử dụng bằng tay và điều khiển vị trí đầu đo đến vị trí mongmuốn Yêu cầu trong quá trình vận hành ta điều khiển với tốc độ chậm để vi điềukhiển có thể nhận dữ liệu và cũng tránh đầu đo bị hư hại

+ Thực hiện giao diện trên PC

+ Đưa dữ liệu từ Vi điều khiển xuất sang file để lưu trữ

CHƯƠNG II: TÌM HIỂU THƯỚC QUANG 2.1 Tìm hiểu thước quang AT 115

EffectiveLength : 100-1500 mm //Chiều dài hiệu quả



(for high accuracy):(100-1500mm)

2.2 Cấu tạo thước quang

Nguyên tắc tạo tín hiệu đo được xây dựng trên cơ sở điều khiển luồng ánhsáng đi qua hai mành chuyển động tương đối so với nhau làm cho quang thông đitới các tế bào quang điện thay đổi Các tế bào quang điện này có nhiệm vụ biến đổitín hiệu quang thành tín hiệu điện Tín hiệu nhận được là tín hiệu có quy luật được

xử lý để biết được chiều và độ dài dịch chuyển

Hình ảnh mô tả nguyên lí hoạt động của thước quang

Hình 2.1: Nguyên lý quét ánh sáng qua thước kính dựa trên hiệu ứng quang điệnCấu tạo của thước kính gồm có hai phần:

2.2.1 Phần cố định

Hình 2.2: Phần cố định cửa thướcThước chính – là một thước kính có bề mặt được chia ra hai phần riêng biệt.Trên phần thứ nhất, dọc theo chiều dài của thước có các vach đen xen kẽ các

đen Đối với các thước kính dùng nguyên tắc cho ánh sáng qua thì vạch đen có tácdụng chắn sáng, còn khoảng trắng là để cho ánh sáng xuyên qua, còn đối với cácthước kính dùng nguyên tắc phản xạ ánh thì trên bề mặt thước được mạ một lớpphản xạ ánh sáng, sau đó các vạch được khắc trên đó bằng cách bóc lớp phản xạ ởphần được khắc đi Như vậy, trên thước sẽ còn lại các vạch phản xạ ánh sáng vàcác khoảng trắng Khi có nguồn sáng, ánh sáng chiếu qua các khoảng trắng đi tớicác bộ phận thu (photođiot hoặc phototransitor) đặt đối diện và tạo ra tín hiệu điện.Người ta thu các tín hiệu điện này rồi thông qua quá trình xử lý tín hiệu để nhậnđược các kết quả cần thiết.

Trên phần thứ hai có vạch mốc đánh dấu chuẩn “0”

2.2.2 Phần chuyển động

Hình 2.3: Phần di chuyển của thước quang

Để tạo ra sự thay đổi quang thông khi cho ánh sáng chiếu qua thước người tathay đổi diện tích cản quang bằng cách sử dụng một tấm mặt nạ cho di chuyểntương đối trên bề mặt thước Tấm mặt nạ này có cấu tạo như sau :

Trên mặt nạ có 4 ô cửa sổ, mỗi ô có các vạch khắc mà chiều rộng vạch khắc,khoảng trắng và chu kỳ vạch khắc giống hệt trên thước kính, nhưng khoảng cách

giữa các ô không đều nhau mà bố trí sao cho khi áp mặt nạ lên trên thước các vạchkhắc trên 4 ô của mặt nạ lệch pha nhau ¼ chu kỳ vạch khắc.

xử lý để biết được chiều và độ dài dịch chuyển

CHƯƠNG III: ĐỌC TÍN HIỆU TỪ THƯỚC QUANG 3.1 Tín hiệu thô thu được từ thước quang

Mỗi khi thước di chuyển được 20µm, sẽ có 2 tín hiệu hình sin lệch pha nhau 90ºtrên hai pha tương ứng

Hình 3.1: Thông số thước

Hình 3.2: Hai tín hiệu từ thước hình sin lệch pha nhau 90º kiểm chứng trên

Osilo

3.2 Biến đổi tín hiệu

3.2.1 Biến đổi xung

Mục đích là dùng thước để có được thông tin về tọa độ của điểm cần đo nên tínhiệu hình sin sẽ được chuyển sang xung vuông để có thể xử lí bằng mạch số và viđiều khiển Hai tín hiệu pha A và pha B đầu tiên được đưa qua mạch so sánh đểđưa về dạng xung vuông

Kết quả ta thu được dạng tín hiệu ra là hai tín hiệu xung vuông lệch pha nhau90º

Hình 3.3 : Dạng xung khi qua mạch so sánh

Để làm được điều này, ta sử dụng IC LM393 để biến đổi xung

Hình 3.4: Sơ đồ mạch điện để biến đổi sung

Thời giạn trễ: 65 (ns)

• Sơ đồ mạch điện

Hình 3.5: Sơ đồ đi dây của CD4030

3.2.3 Phân biệt chiều chuyển động

Dựa vào tín hiệu đầu ra

Sau khi tạo được 2 dãy xung vuông lệch pha nhau 900, dựa vào thứ tự các pha của tín hiệu có thể xác định được chiều chuyển động

Hình 3.6: Phân biệt chiều chuyển động dựa vào thứ tự mức các xung

0 0

0 0

0 0 0

0

1 1

1 1 1

1 A

0 0 → 0 1 → 1 1 → 1 0 → 0 0 → 0 1 → 1 1 → 1 0

Thêm IC 74LS74 vào mạch để biến mạch thành mạch giải mã Mục đích sử dụng mạch giải mã trong bài toán này cho ta biết chiều chuyển động của thước quang

Thời gian trễ: 25 (ns)

• Sơ đồ mạch điện

Hình 3.7: Mạch kiểm tra chiều của thước quang

3.2.4 Nhận tín hiệu Reference

Với mục đích lọc nhiễu tín hiệu đầu vào Người dùng chỉ việc cấp tín hiệu đầu vào và đầu ra có được tín hiệu đảo loại được tạp nhiễu rất tốt Mình lấy ví dụ nếu bạn cấp 0V đầu vào thì đầu ra là 5V, cấp 5V đầu vào thì đầu ra là 0V, nếu cấp 3.5V đầu vào để giả lập cho tín hiệu nhiễu thì đầu ra vẫn 5V tùy vào bạn tính toán hoặc theo hysteric mặc định của nó

Tìn hiệu Reference là một tín hiệu quan trọng và có độ rộng nhỏ tương ứng với20±10µm nên để tránh nhiễu ta dùng IC đảo có trễ 74HC14 cho tín hiệu này Tínhiệu RefX là đầu ra của 74HC14 sẽ được đưa vào chân ngắt của vi điều khiển đểdùng phần mềm giải quyết hai nhiệm trên của tín hiệu Reference

Thời gian trễ: 12 (ns

3.3.1 Sử dụng vi điều khiển Arduino Mega

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với

nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạchnguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Ưu điểm của nổi trội của Arduino:

- Quan trọng hơn, trong phương pháp ngắt thì bộ vi điều khiển còn có thể che (làm lơ) một yêu cầu phục vụ của thiết bị Điều này lại một lần nữa không thể thực hiện được trong phương pháp thăm dò

- Lý do quan trọng nhất mà phương pháp ngắt được ưu chuộng là vì nó không lãngphí thời gian cho các thiết bị không cần phục vụ Còn phương pháp thăm dò làm lãng phí thời gian của bộ vi điều khiển bằng cách hỏi dò từng thiết bị kể cả khi chúng không cần phục vụ

Ở Arduino Mega có một số chân có chức năng nhất định:

- External Interrupt: 2 (interrupt 0), 3 (interrupt 1), 18 (interrupt 5), 19 (interrupt 4),

20 (interrupt 3) và 21 (interrupt 2) Các chân này có thể được cấu hình để kích hoạt một ngắt trên một mức độ thấp, một góc lên và xuống, hoặc một sự thay đổi trong mức độ

Sơ đồ chân

Hình 3.10: Sơ đồ chân Arduino Mega

Mô tả sơ đồ chân:

VCC Điện áp cung cấp số

GND Chân nối đất

3.4 Truyền tín hiệu thông qua kết nối với máy tính

3.4.1 Truyền thông nối tiếp

Để máy tính có thể hiểu và đọc tín được các thông số quả thước quang, ta xây dựng một modun và sử dụng Arduino Mega để thu kết quả Kết nối với máy tính thông qua cổng Serial

Cổng nối tiếp (Serial port) là một cổng thông dụng trong các máy tính trong

các máy tính truyền thống dùng kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính như: bàn phím, chuột điều khiển, modem, máy quét

Mặc dù khái niệm cổng nối tiếp có thể được hiểu theo một nghĩa khác: Các cổng hoạt động theo nguyên lý "nối tiếp", nghĩa là dữ liệu được truyền từng bit trên

Một số tốc độ Baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400,

4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 … Nếu tốc độ bit càng cao thì thời gian truyền 1 bit càng nhỏ thì thời gian chuyển mức logic càng phải nhỏ Điều này làm giới hạn tốc Baud và khoảng cách truyền

Ở bài này sử dụng tốc độ 115200 baud rate

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG HỆ ĐỌC 3 TỌA ĐỘ 4.1 Giới thiệu sơ qua về phần cơ khí

4.1.1 Đệm khí

Không giống như đệm con lăn tiếp xúc, đệm khí sử dụng một lớp khí nén mỏng

để tạo nên sự không ma sát giữa 2 bề mặt phân cách Lớp khí của đệm được tạo rabằng cách cung cấp một lưu lượng khí vào đệm, khí qua lỗ tiết lưu chảy vào buồnghoặc phân theo các dạng rãnh, khi đó hình thành một phân bố áp giữa bề mặt đệm

và bề mặt dẫn, tạo ra một lức nâng đệm khí ra khỏi bề mặt dẫn, khe hở giữa hai bềmặt gọi là khe hở khí

- Hoạt động trơn và không gây ồn

- Không cần bôi trơn

- Chuyển động tốc độ cao

Nhược điểm: Cần thêm nguồn cung cấp khí nén cho máy, trên toàn bộ máy sốlượng đệm khí khá lớn nên nguồn cấp khí nén phải đảm bảo Thường dùng máynén khí, chính điều này cũng gây ra nhược điểm vì máy nén khí hoạt động liên tụcgây ra tiếng ồn và rung có thể ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của máy Khắcphục bằng cách đưa máy nén ra xa một khoảng cách so với máy, và chân máy đođược thiết kế để giảm ảnh hưởng của những rung động bên ngoài đến quá trình đo.

4.1.2 Đầu đo

Đầu đo gồm 3 lò xo lá hình bình hành đặt song song chồng lên nhau và trựcgiao nhau Ba lò xo lá này có thể dịch chuyển trong giới hạn ±2,5 mm theo 3phương X, Y, Z Các lò xo lá hình bình hành này có thể biến dạng ở tốc độ dichuyển cao theo hướng dịch chuyển để cảm nhận sự bù do quán tính và khoảngcách để bảo vệ đầu dò trong trường hợp bị chạm

Hình 4.2: Hình ảnh đầu đoMột hệ thống đo cảm ứng trong mỗi trục ghi lại sự dịch chuyển (độ lệch) củamỗi lò xo lá và khi không cần thiết, lò xo lá bị khóa bởi cơ cấu đẩy khóa điện đểgiữ lò xo tại vị trí trung tâm của nó

Một thiết bị tự động bù trọng lượng sao cho khối lượng của các đầu đo lắp trêngiá giữ đầu dò lên tới giá trị lớn nhất là 600g Các cần đẩy - ống dây phát ra mộtlực đo điện – không thay đổi trong các bước chọn trước để giữ cho mũi dò luôn tiếpxúc với vật đo.

Đầu đo có thể dịch chuyển theo 3 trục bằng các đường dẫn tương ứng Trong bất

kỳ chyển động nào, hai trong ba lò xo lá được kẹp riêng một cơ cấu khóa đẩy điệnchính xác Vì vậy đầu đo không thể dịch chuyển theo các hướng này Quá trình kẹpnày được xác định tự động do việc chọn hướng đo hoặc chọn trước

Hình 4.3: Mô hình đầu đo

Ở đâu, đầu đo được thiết kế như một công tắc để bật tắt mạch điện, khi đầu

đo tiếp xúc với chi tiết, hệ thống sẽ ngắt và chốt số liệu ở thời điểm đấy

4.1.3 Sống dẫn

Sống dẫn dạng chữ nhật Để chế tạo được máy đo ba tọa độ thì yêu cầu đầu tiên

là phải chế tạo được sống dẫn để đệm khí di chuyển trên đó Các sống dẫn yêu cầucao về độ phẳng, độ song song - đến cỡ < 5 µm, đồng thời nhám bề mặt phải nhỏ -

cỡ 3µm Hiện nay có nhiều dạng sống dẫn chạy trên đệm khí trong các máy đo toạ

độ nói chung và máy đo ba toạ độ nói riêng

• Sống dẫn dạng chữ nhật

• Sống dẫn dạng tam giác, ngày nay ta được sử dụng nhiều vì nó có nhiều

ưu điểm như: giảm bớt được một mặt phải gia công, giảm bớt được sốđệm khí mà vẫn đảm bảo định vị ổn định cho các xe trượt gắn trên nó VÍ

dụ như: sống dẫn trục X của máy MITUTOYO QM – MEASURE 333,máy của hãng DEA.

4.2 Xây dựng mạch điện

Do hệ thống cơ khí có ba trục Mỗi trục có cơ cấu chấp hành là một động cơmột chiều cho việc truyền động, có cảm biến là thước quang và các công tắc hànhtrình hai bên Cộng với việc cần thiết ghép nối máy tính, chúng em đã đưa ra thiết

kế như sau:

Hệ thống điều khiển gồm 1 mạch chính (Vi điều khiển) được kết nối với máy tính qua cổng COM theo chuẩn nối tiếp RS232, 3 mạch điều khiển động cơ và đọc thước cho từng trục (Mạch đọc) được kết nối với Vi điều khiển qua chuẩn nối tiếp SPI Ngoài ra còn có mạch nguồn cung cấp điện áp 5V và 24V cho các mạch điều khiển

Hình 4.4: Mô hình hệ thống điều khiển

4.2.1 Xây dựng mạch điện cho mạch đọc thước quang

Mạch này đảm nhiệm các vai trò :

- Thiết lập mạch giao tiếp giữa thước quang và vi điều khiển để có thể lấyđược tín hiệu từ thước

- Giao tiếp với với vi điều khiển qua các dây nối

+ Nhận các thông số khi điều khiển, các điểm đặt SetPoint về vị trí cho Mạchđọc…

+ Gửi giá trị tọa độ hiện tại của các trục cũng như giá trị khi đầu đo

Dựa vào công dụng và mạch sử dụng của từng con IC, ta tiến hành xây dựng một modun chứa tất cả cho nhiệm vụ xử lý thước quang

Hình 4.5: Modun mạch điện đọc thước quang

4.2.2 Xây dựng mạch điện cho Vi điều khiển

Nhiệm vụ:

- Giao tiếp với máy tính để nhận và gửi dữ liệu:

+ Nhận các thông số như chế độ điều khiển các điểm đặt SetPoint về vị trí…

+ Gửi giá trị tọa độ hiện tại của các trục cũng như giá trị khi đầu đo tác động lênmáy tính

- Truyền và nhận dữ liệu với các mạch đọc

+ Phối hợp hoạt động của các mạch đọc

+ Gửi các thông số như chế độ điều khiển, các điểm đặt SetPoint về vị trí cho mạchđọc…

+ Nhận giá trị tọa độ hiện tại của các trục cũng như giá trị khi đầu đo tác động từmạch đọc

- Nhận tín hiệu ngắt khi đầu đo chạm vật cần đo

Hình 4.6: Xây dựng mạch điện cho Vi điều khiển

3.3 Hoàn thiện mạch

Sau khi thực hiện các công đoạn làm mạch và hàn linh kiện, ta thu được mạch hoàn chỉnh

4.3.1 Mạch đọc thước quang

Hình 4.7: Mặt trước và mặt sau của mạch đọc thước quang

4.3.2 Mạch Vi điều khiển

Hình 4.8: Mặt trước và mặt sau của mạch vi điều khiển

Chương V: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 5.1 Thuật toán

r x i y j z k r = r + r + r

Hình 5.1: Tọa độ Đề các, ,

i j k

r urr

là các vectơ đơn vị hướng theo các trục Ox, Oy, Oz

XM, yM, zM được gọi là ba tọa độ của điểm M trong hệ tọa độ Đề-Các

 Phép tịnh tiến trong không gian

Khi thiết kế một chi tiết, điểm P của vật đặt trong hệ toạ độ vật O’x’y’z’được xác định bởi 3 số đo: hoành độ x’, tung độ y’ và cao độ z’ Đem chi tiết đặttrong không gian của hệ toạ độ Oxyz (Hệ toạ độ của máy) có Ox//O’x’, Oy//O’z’,Oz//O’z’ và điểm gốc O’ có toạ độ (a, b, c) trong hệ toạ độ Oxyz Để xác định cácthông số hình học của chi tiết ta tịnh tiến hệ toạ độ Oxyz về hệ toạ độ vật O’x’y’z’

Hình 5.2 :Phép tịnh tiến trong không gianĐiểm P trong hệ tọa độ máy có toạ độ: (x, y, z)

Điểm P trong hệ tọa độ vật có toạ độ: (x’, y’,z’)

Hệ toạ độ O’x’y’z’ là hệ toạ độ mới có được bằng cách tịnh tiến song song

hệ toạ độ Oxyz đến hệ O’x’y’z’ Ta có:

'''

Toạ độ cũ = Toạ độ mới + Toạ độ gốc mới trong hệ cũ

Hay nói cách khác phép tịnh tiến chính là phép chuyển từ gốc O sang gốc O’

thông qua véctơ dẫn: Huur =ai b j ckr+ r+ r

Ma trận chuyển có dạng:

1 0 0 a

0 1 0 b ans(a,b,c)

Khi muốn tịnh tiến một điểm P từ vị trí 1 sang vị trí 2 theo vectơ dẫn

 Phép quay trong không gian

Khi tiến hành các phép đo trên máy đo 3 toạ độ ta bắt gặp trường hợp mặtphẳng chuẩn không song song với một trong các mặt phẳng toạ độ của hệ toạ độOxyz, cần chuyển hệ toạ độ Oxyz về hệ toạ độ mới O’x’y’z’ sao cho mặt phẳngchuẩn song song với một trong các mặt phẳng toạ độ O’x’y’, O’y’z’ hoặc O’x’z’bằng phép quay

Hình 5.3:Phép quay trong không gian

Khi qoay hệ trục toạ độ Oxyz quanh một vectơ bất kỳ ta được hệ Ox’y’z’ vớicác cosin chỉ hướng của các trục mới so với trục cũ như sau:

Đối với trục cũ x’ Cosin chỉ hướng của trục mớiy’ z’

Ta xét trường hợp thường gặp đó là phép quay hệ toạ độ Oxyz về hệ toạ độ

mới O’x’y’z’ thoả mãn điều kiện trục Oz’ cùng phương với vectơ mur =(a b c, , )

đã biết Từ đó ta xác định được vectơ cosin chỉ hướng

• Trục Ox’ là giao tuyến của mặt phẳng Ox’y’ với mặt phẳng Oxz

• Trục Ox’ là giao tuyến của mặt phẳng Ox’y’ với mặt phẳng Oyz

• Trục Oy’ là giao tuyến của mặt phẳng Ox’y’ với mặt phẳng Oxz

• Trục Oy’ là giao tuyến của mặt phẳng Ox’y’ với mặt phẳng Oyz

Hình 5.4: Phép quay trong không gian

Ta lựa chọn trường hợp đầu tiên đó là trục Ox’ là giao tuyến của mặt phẳng Ox’y’ có phương trình:

cosα x + cosβ y + cosγ

.z = 0Với mặt phẳng Oxz có phương trình: y=0

Như vậy trục Ox được xác định:

0osos

x t y c

c

αγ

os' 1,0.

os

c i

c

α γ

os cos cos 1+

α γ

α γ α γ

Như vậy ta đã xác định được các trục Oz’ và Ox’ Vì trục Oy’ vuông góc với

cả hai trục Ox’ và Oz’ nên nếu gọi ur'j

là véctơ chỉ hướng của Oy’ thì :' ^ '

Cosin chỉ hướng của trục Oy’ là:

2

2

2 2

os cos

os cos cos

5.1.2 Thuật toán đo độ tròn

• Qua 3 điểm đo trong mặt phẳng

Giả sử đo trong mặt phẳng được toạ độ 3 điểm:

2 1 1 2 0

Xác định được tâm I và bán kính đường tròn

• Qua n điểm đo trong mặt phẳng

Giả sử có n điểm đo A x y i( i, i)

, i=1,n

Gọi I x y( 0, 0)

là tâm đường trònKhi đó bán kính đường tròn được xác định:

Điều này xảy ra khi: 0 0

Chọn nghiệm gần đúng đầu tiên (x y0 1, 0 1)

Để quá trình lặp nhanh hội tụ về

nghiệm đúng (x y0 1, 0 1)

được xác định là tâm của đường tròn đi qua ba điểm trong tập số liệu đo có miền diện tích tam giác tạo bởi 3 điểm đó là lớn nhất

Giả sử nghiệm gần đúng đầu tiên là (x y0 1, 0 1)

có sai khác với nghiệm đúng một

x x F

R

R

y y F

0, 005

0, 005

n n