Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục (tóm tắt)

CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO TỌA ĐỘ 1.1 Giới thiệu chung máy đo tọa độ 1.1.1 Cấu trúc máy đo tọa độ Máy đo tọa độ hệ thống đo trang bị cấu để di chuyển hệ thống dị, nhằm mục đích xác định tọa độ không gian điểm bề mặt vật thể thực trình xử lý liệu thu thập (Theo tiêu chuẩn ISO 10360-1:2000) 1.1.2 Ứng dụng máy đo tọa độ a Kiểm tra sản phẩm sau gia công Máy đo tọa độ dùng để kiểm tra độ xác kích thước hình học chi tiết sau gia công b Lập vẽ Máy đo tọa độ dùng để tái tạo cách xác hình dạng 3D chi tiết có cấu tạo phức tạp hay mặt cong khơng có quy luật c Lập trình Máy đo tọa độ trang bị phần mềm có khả lập trình máy CNC 1.1.3 Các nguồn gây sai số máy đo tọa độ Máy đo tọa độ hình thành từ nhiều hệ thống khác theo Anderson [2] Chatterjee [3] nguồn sai số chủ yếu gồm có: Hệ thống khí: Bệ máy, bàn máy, phận dẫn hướng, trục với ổ đệm khí Sai số xuất khuyết tật chúng trình chế tạo, kiểm tra hay đặc tính độ cứng vững, giãn nở nhiệt Hệ thống truyền động: Các sai số liên quan đến hệ thống truyền động ảnh hưởng đến độ xác máy gồm: tốc độ đo không đều, tải trọng tác dụng lên cụm trục dẫn đến chuyển động không mong muốn gây rung động cấu trúc máy Hệ thống đo: Những sai số gây thước đo khuyết tật thước đo, độ nhạy cảm biến, độ lệch thiết bị thị… Hệ thống đầu dò: Những nguồn gốc sai số liên quan đến hệ thống dò do: hiệu chuẩn đầu dò, khe hở trục lắp kim dò, kim dò bị cong chuyển vị, trễ tín hiệu điện… Hệ thống máy tính: Lỗi phần mềm thuật tốn tính tốn, phương pháp nội suy, xấp xỉ, số hóa liệu… ảnh hưởng nhiều đến kết đo Bên cạnh nguồn sai số đề cập trên, độ xác máy đo tọa độ cịn bị ảnh hưởng nhân tố liên quan đến người vận hành môi trường 1.1.4 Các loại sai số máy đo tọa độ Vì độ xác máy đo chịu ảnh hưởng nhiều nguồn sai số nên máy đo tọa độ tồn nhiều loại sai số khác Sai số máy đo hệ thống hóa theo sơ đồ: SAI SỐ HÌNH HỌC SAI SỐ ĐỘNG HỌC SAI SỐ HỆ THỐNG SAI SỐ DO ĐỘ CỨNG VỮNG CÁC TRỤC SAI SỐ DO XỬ LÍ TÍN HIỆU SAI SỐ SAI SỐ DO RUNG ĐỘNG SAI SỐ DO TRỄ SAI SỐ NGẪU NHIÊN SAI SỐ DO NHIỆT SAI SỐ DO ĐẦU DỊ SAI SỐ ĐỘNG LỰC HỌC Hình 1.1 Các loại sai số máy đo tọa độ Các sai số xếp vào hai nhóm: sai số ngẫu nhiên hay sai số hệ thống, Theo Mahbubur Rahman [4] sai số có ảnh hưởng nhiều đến độ xác máy bao gồm: Sai số hình học; Sai số động học; Sai số độ cứng vững; Sai số nhiệt; Sai số động lực học 1.2 Các hướng nghiên cứu giới nước máy đo tọa độ Nhiều nhà khoa học giới tập trung vào nghiên cứu theo hướng sau: - Độ tin cậy kết đo - Tăng khả đo với nhiều nhiệm vụ khác - Có khả thích ứng với mơi trường cơng nghiệp - Tăng tốc độ đo 1.2.1 Các nghiên cứu giới để giảm sai số, tăng tốc độ đo, tăng độ tin cậy máy đo tọa độ a Các nghiên cứu giảm sai số hình học: Bao gồm Ahmad K Elshennawy Inyong Ham [5]; Edward P Morse [6]; Shigeo Ozono [7] b Các nghiên cứu giảm sai số động học: N.A Barakat, M.A Elbestawi, A.D Spence [9]; T.O Ekinci, J.R.R Mayer [10]; Jorge Santolaria, Juan-José Aguilar, José-Antonio Yagüe, Jorge Pastor [11] c Các nghiên cứu giảm sai số độ độ không cứng vững: Có tác giả Huang, Zhang d Các nghiên cứu giảm sai số nhiệt: Các tác giả Breyer, K.H, Pressel, H.G [12]; Valdés R A, B Di Giacomo F T Paziani [13] e Các nghiên cứu giảm sai số động lực học: Teague [20]; Nijs [21]; Asada [22]; Spong [23]; Lammerts [24]; Park [25]; Katebi [26]; Jones [27]; Weckenman, Breyer [28]; Huang [29]; [30], [31], Sartori [32]; Weekers [14]; Sergey, Viktor [33]; Wei Jinwen Chen Yanling [34] 1.2.2 Các nghiên cứu nước để giảm sai số, tăng tốc độ đo, tăng độ tin cậy máy đo tọa độ Gồm có Nguyễn Nam Khánh [37]; Lưu Văn Cảnh [38]; Phan Vũ Bảo [39]; Nguyễn Văn Quốc Khánh 1.2.3 Sự suy giảm độ xác máy đo tọa độ thực đo tốc độ cao Trong nghiên cứu bù sai số cho máy đo tọa độ dạng giàn chế tạo mới, Wim Weekers thấy thực đo với tốc độ di chuyển nhỏ 8mm/s (tốc độ đo nhỏ 5mm/s) máy đo tọa độ đảm bảo độ xác Tuy nhiên đo với tốc độ di chuyển cao tốc độ đo trường hợp (tốc độ đo lớn lấy 5mm/s, tốc độ di chuyển từ 10mm/s đến 70mm/s) máy đo xuất sai số sai số lớn chênh lệch tốc độ đo tốc độ di chuyển lớn Điều tác giả lý giải với tốc độ di chuyển 10mm/s lực quán tính sinh nhỏ, sai số động lực học xuất máy không đáng kể nên kết đo đảm bảo độ xác, cịn đo với tốc độ di chuyển cao, lực quán tính sinh lớn, sai số động lực học lớn (sai số có giá trị lớn tốc độ di chuyển 70mm/s) 1.3 Tính cấp thiết đề tài Các máy đo tọa độ điều bị giảm độ xác thực đo với tốc độ di chuyển cao việc nâng cao trì độ xác máy đo tọa độ nhằm đảm bảo khả làm việc máy đo tọa độ cần thiết quan trọng Hiện tại, việc hiệu chỉnh độ xác cho máy đo tọa độ Việt Nam phải thuê công ty nước thực hiện, điều vừa bị động vừa tốn chi phí cao Mặt khác giới cạnh tranh công ty, tập đoàn quốc gia diễn gay gắt khốc liệt xu hướng phát triển toàn cầu hóa ngày cao 1.4 Nhiệm vụ luận văn Xuất phát từ yêu cầu khách quan, cấp thiết để đảm bảo độ xác cho máy đo tọa độ nhằm nâng cao độ xác cho máy mới, cải thiện độ xác máy sau thời gian làm việc, đồng ý môn quản lý ngành cô hướng dẫn, tác giả thực đề tài: “Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục” với phạm vi thực nghiên cứu chuyển vị khớp máy đo lực quán tính gây ra, từ xây dựng mơ hình bù sai số tiến hành bù sai số nhằm hiệu chỉnh lại độ xác cho máy đo tọa độ dạng cầu trục 1.5 Mục đích nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục” thực với mục đích: Về lý thuyết: Nghiên cứu đề xuất giải pháp xây dựng mơ hình bù sai số để loại bỏ hạn chế ảnh hưởng chuyển vị khớp trượt gây nhằm nâng cao độ xác máy đo tọa độ đóng góp vào lý thuyết bù sai số cho máy đo tọa độ Về thực tiễn: - Ứng dụng phương pháp bù sai số để nâng cao độ xác cho máy đo tọa độ nói riêng máy mà kết cấu có sử dụng ổ đệm khí nói chung - Nâng cao suất đo cho máy đo chế tạo theo hướng giảm thời gian đo đảm bảo độ xác theo yêu cầu - Phương pháp bù dùng để hiệu chỉnh lại độ xác cho máy đo sau thời gian làm việc 1.6 Nội dung nghiên cứu Để đạt mục đích nghiên cứu đề mục 1.5, đề tài “Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục” tiến hành với nội dung trình bày luận văn sau: Chương tác giả giới thiệu máy đo tọa độ, nguồn gây sai số loại sai số Các cơng trình nghiên cứu giới nước nhằm hạn chế ảnh hưởng loại sai số đến độ xác máy Hiện tượng suy giảm độ xác máy đo tọa độ sau thời gian làm việc Trình bày tính cấp thiết đề tài, nhiệm vụ luận văn, mục đích nội dung nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương thực nghiên cứu chuyển vị khớp máy đo tọa độ dạng cầu trục có ảnh hưởng lực qn tính từ xây dựng quy luật chuyển vị khớp phương pháp thực nghiệm Chương biểu diễn tác động chuyển vị khớp đến vị trí đầu dị nhờ phương pháp mơ hình hóa biến đổi Denavit – Hartenberg từ xây dựng mơ hình tốn học, giải thuật phần mềm bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục Chương tiến hành thực nghiệm để đánh giá độ xác máy đo tọa độ sau bù sai số, thực nghiệm tiến hành máy đo tọa độ dạng cầu trục chế tạo Việt Nam Kết luận hướng phát triển trình bày phần cuối 1.7 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Với mục đích nghiên cứu nội dung nghiên cứu trình bày mục trước, đề tài có ý nghĩa mặt khoa học thực tiễn sau: Ý nghĩa mặt khoa học: - Đề tài đề xuất giải pháp tìm quy luật chuyển vị khớp máy đo có tác động lực qn tính từ xây dựng mơ hình bù sai số nhằm loại bỏ ảnh hưởng chuyển vị khớp gây từ hiệu chỉnh nâng cao độ xác máy đo tọa độ, làm phong phú thêm lý thuyết cho lĩnh vực nghiên cứu bù sai số cho máy đo tọa độ - Trong nghiên cứu công bố, mơ hình bù sai số đề xuất thường xây dựng cho mơ hình đơn trục thực nghiệm tiến hành cho trục riêng rẽ Đề tài xây dựng mơ hình bù sai số cho ba trục có xét đến tác động qua lại trục trình đo máy đo tọa độ Ý nghĩa thực tiễn: - Giải pháp bù sai số mà đề tài đề xuất ứng dụng để nâng cao độ xác cho máy đo tọa độ kết cấu máy có ổ đệm khí - Giải pháp bù sai số khơng hoàn thiện khả máy đo tọa độ chế tạo mà dùng để hiệu chỉnh cho máy đo sau thời gian làm việc CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ CỦA KHỚP TRÊN MÁY ĐO TỌA ĐỘ KHI CĨ LỰC QN TÍNH TÁC ĐỘNG 2.1 Kết cấu máy đo tọa độ dạng cầu dịch chuyển Cấu trúc máy đo tọa độ bao gồm phần: Kết cấu khí, hệ thống đầu dò, hệ thống truyền động điều khiển Chuỗi động học hình thành từ kết cấu khí, bao gồm khâu khớp để xác định vị trí đầu dị vật đo Bộ phận chuỗi động học khung máy, bàn máy để gá đặt chi tiết, giá đỡ, vật đo ba trục vng góc với đơi một, trục gồm có khâu dẫn hướng, khâu mang phần tử nối 2.2 Khớp máy đo tọa độ 2.2.1 Mơ hình khớp trượt Hình 2.1 Khớp khâu dẫn hướng khâu mang Khâu dẫn hướng mô hình hóa thanh, dùng để đỡ khâu mang Ổ đệm khí gắn khâu mang liên kết với khâu dẫn hướng tạo khớp trượt làm cho khâu mang chuyển động tương khâu dẫn hướng dọc theo trục X, Y, Z 2.2.2 Các khớp máy đo tọa độ dạng cầu dịch chuyển a) Ổ đệm khí nâng khâu mang theo phương trục X Hình 2.2 b) Ổ đệm khí nâng khâu mang theo phương trục X Các ổ đệm khí khớp trượt trục Y Khâu mang trục X Khâu dẫn hướng trục X Hình 2.3 Khớp trượt trục X Hình 2.4 Khớp trượt trục Z 2.3 Quy luật biến đổi chuyển vị khớp chịu lực quán tính 2.3.1 Các thành phần chuyển vị Để xác định chuyển vị khớp tác giả gắn cảm biến đo dịch chuyển khâu mang khớp Từ giá trị đo cảm biến chuyển vị tịnh tiến quay khâu mang khâu dẫn hướng trục xác định Y δ Y + SZ Z Y YϕX δ Z− Z ls Y X Hình 2.5 Mơ hình xác định chuyển vị xoay tịnh tiến khâu mang Hình 2.5 trình bày sơ đồ dùng để xác định chuyển vị góc xung quanh trục X chuyển động tịnh tiến theo phương trục Z khâu mang trục Y khâu chịu tác dụng lực quán tính Các cảm biến đo dịch chuyển tương ứng mặt bên khâu mang trục Y có phương vng góc với khâu dẫn hướng trục Y Các chuyển vị tịnh tiến xoay khâu mang trục Y khâu dẫn hướng trục Y xác định từ giá trị đo hai cảm biến hai mặt bên khâu mang Ký hiệu khoảng dịch chuyển cảm biến đo i δ j Ở số i biểu thị phần tử nằm trục tương ứng máy đo tọa độ j trục biểu thị phương dịch chuyển mà cảm biến thực đo Giá trị dương cảm biến tương ứng với khoảng dịch chuyển chiều dương trục j Chỉ số +/- cho biết cảm biến gắn vào mặt có dịch chuyển chiều hay ngược chiều với trục ± tọa độ Như vậy, giá trị Y δ Z khoảng dịch chuyển theo phương Z khâu mang trục Y khâu dẫn hướng trục Y a Thành phần chuyển vị xoay Chuyển vị góc Y ϕ X khâu mang trục Y chuyển động dọc khâu dẫn hướng trục Y xoay quanh trục X xác định sau: ± (2.1) δ Z− −Y δ Z+ Trong đó: ls + l s - Khoảng cách hai cảm biến Trình bày phần 2.3 cho thấy chuyển vị góc Y ϕ X đo nói chung khơng giống chuyển vị góc YrX Trường hợp có xét đến chuyển vị khâu chuyển vị góc YrX mơ tả chuyển vị góc tổng cộng khâu thuộc trục Y xung quanh trục X, thông số Y ϕ X mơ tả chuyển vị góc tương ứng khâu mang khâu dẫn hướng, trường hợp xét đến chuyển vị khớp, bỏ qua chuyển vị khâu thơng số Y ϕ X chuyển vị góc tổng cộng YrX b Thành phần chuyển vị tịnh tiến Thông số dịch chuyển Y S X khâu mang khâu dẫn hướng trục Y xác định biểu thức: Y SX = Y ϕX = Y δ Z− + Y δ Z+ (2.2) Để đo hai chuyển động tịnh tiến vng góc với khâu dẫn hướng hai chuyển động xoay quanh trục vng góc với khâu dẫn hướng, cần gắn bốn cảm biến khâu mang Để xác định chuyển vị khớp máy đo tọa độ lực quán tính gây đo tốc độ cao, cảm biến đo dịch chuyển bố trí sau: 2.3.2 Quy luật chuyển vị khớp xác định theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần a Chuyển vị khớp trục Y Y a Cảm biến vị trí số b Cảm biến vị trí số Hình 2.6 Cảm biến lắp bên phải bên trái khâu mang trục Y Chuyển vị khớp trục Y theo phương X Phương pháp quy hoạch thực nghiệm sử dụng phương pháp thực nghiệm yếu tố tồn phần, ba thơng số độc lập L, Vy, Z ảnh hưởng đến chuyển vị khớp, thông số có mức: 140 ≤ L ≤ 700mm 10 ≤ Z ≤ 360mm 10 ≤ Vy ≤ 100mm / s Số thí nghiệm phải thực N = = Số lần đo thí nghiệm xác định dựa vào độ xác độ tin cậy thiết bị: tα k = ε σ (2.3) Trong đó: tα - Tham số hàm phân bố tiêu chuẩn Student k - Số lần đo thí nghiệm ε - Độ xác kết đo (thông số đo) σ -Giá trị trung bình phép đo thí nghiệm Với số lần đo nhỏ, độ tin cậy xác định qua phân bố Student với độ xác kết đo ε = tα σ Theo công thức (2.3) bảng giá trị tích phân Student, độ tin cậy phép đo α =96% số lần đo tối thiểu cho t thí nghiệm xác định: k = α ⇒ k ≥ 2.993 Quy luật chuyển vị ổ đệm khí vị trí số ( Y δ X (1) ) i y  V − 55   L − 420   L − 420   Z − 185  δˆX (1) = 4.042425 − 0.5769  y + 0.87035  ÷− 0.5063  ÷  ÷ ÷  280   280   175   45  (2.4) Quy luật chuyển vị ổ đệm khí vị trí số ( Y δ X (2) ) i  V − 55   L − 420   Z − 185  δˆX (2) = 7.827615 − 0.639175  y ÷+ 2.52501375  280 ÷− 1.0224475  175 ÷ 45        V − 55   Z − 185   L − 420   Z − 185  −0.84666  y ÷ − 1.4197  280 ÷ 175 ÷ ÷     45   175  (2.5)  V y − 55   L − 420  ÷+ 1.84750375  280 ÷    45  (2.6) Y Chuyển vị khớp trục Y theo phương trục Z Hàm chuyển vị ổ đệm khí vị trí số ( Y δ Z (3) ) i Y δˆZ (3) = 7.912169 − 0.53844625   Z −185   L − 420   Z −185  −0.43533875  ÷− 0.45398475  ÷  ÷  175   280   175  Hàm chuyển vị ổ đệm khí vị trí số ( Y δ Z (4) ) i Y  V y −55   L −420  ÷+3.277516625  ÷ 45  280    δˆZ (1) =12.76448575 −1.02908975   Z −185  −2.1227805  ÷  175  (2.7) b Chuyển vị khớp trục X a) Cảm biến lắp vị trí số b) Cảm biến lắp vị trí số Hình 3.7 Cảm biến đo chuyển vị khớp trục X Hàm chuyển vị ổ đệm khí vị trí số ( X δ Z (7) ) i  V y − 55   L − 420  ˆ X δZ (7) = 4.06767 − 0.30849  ÷+1.26507  280 ÷ 45      V y − 55   Z −185   L − 420   Z −185  −0.37046  ÷− 0.346983  ÷  ÷ ÷   280   175   45   175  (2.8) Hàm chuyển vị ổ đệm khí vị trí số ( X δ Z (6) ) i X  V y − 55   L − 420  ÷+1.431716  280 ÷ 45     δˆZ (6) = 5.497047 − 0.416599  (2.9)  V − 55   Z −185   L − 420   Z −185  −0.520479  y ÷  175 ÷− 0.480213  280 ÷  175 ÷ 45        c Chuyển vị khớp trục Z Hàm chuyển vị ổ đệm khí vị trí số 17 Z ( Z δY (17) ) i  Vy − 55   L − 420  ÷+ 0.711316  ÷ 45  280    δˆY (1) = 2.798883 − 0.216044  (2.10)  Vy − 55   Z −185   Z −185  −0.292746  ÷  ÷− 0.208356  ÷ 175    45   175  a) Cảm biến lắp vị trí số 17 b) Cảm biến lắp vị trí số 16 Hình 2.8 Cảm biến đo chuyển vị khớp trục Z Hàm chuyển vị ổ đệm khí vị trí số 16 ( Z δY (16) ) i Z V y −55   L − 420  ÷+ 0.961193  280 ÷    45  δˆY (16) = 3.751148 −0.254452   Z −185   L − 420   Z −185  −0.431174  ÷− 0.370716  ÷  ÷  175   280   175  10 (2.11) CHƯƠNG 3.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC BÙ SAI SỐ CHO MÁY ĐO TỌA ĐỘ DẠNG CẦU TRỤC Mơ hình động học máy khơng có sai số tác động 03 Zi 05 04 Yi 06 Xi 0i 02 01 00 Hình 3.1 Mơ hình động học máy đo có gắn hệ tọa độ Vị trí đầu dị khơng gian làm việc máy đo tọa độ xác định nhờ hệ tọa độ gắn máy, từ hệ tọa độ B = (O0X0Y0Z0) đến hệ tọa độ B6 = (O6X6Y6Z6) Khi đầu dò máy đo tọa độ chạm vào điểm khơng gian làm việc máy vị trí điểm xác định nhờ hệ thống tọa độ thiết lập Để đưa tọa độ điểm không gian làm việc máy hệ tọa độ gốc máy đo tọa độ cần thực phép biến đổi các hệ trục tọa độ sau: B6 ⇒ B5 ⇒ B4 ⇒ B3 ⇒ B2 ⇒ B1 ⇒ B0 (3.1) Trong trường hợp lý tưởng không xét đến sai số khớp gây mơ hình động học để biến đổi tọa độ điểm A vùng làm việc máy đo từ hệ tọa độ B6 hệ tọa độ B0 có dạng: ( DH ) = ( B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 ) (3.2) Hay: 3.2 ( DH ) 1 0 = 0  0 0 −d X + d X   − d Y − d Y + dY  −d Z1 − d Z − d Z + d Z + dZ   0  (3.3) Mơ hình động học máy đo có sai số tác động Khi thực đo tốc độ di chuyển cao (có gia tốc lớn), tác dụng lực quán tính, khớp máy đo tọa độ bị chuyển vị gây sai số đầu dò Các chuyển vị khớp tác động làm thay đổi vị trí tương quan số hệ trục tọa độ với dẫn đến số ma trận biến đổi hệ tọa độ bị thay đổi, cụ thể: Các ma trận biến đổi DH (theo phương pháp DenavitHartenberg) hệ tọa độ DH 6S ; DH 4S ; 1DH 2S chịu tác động chuyển vị khớp Trong ma trận biến đổi DH: DH ; DH ; DH1 giữ 11 nguyên Như có xét đến sai số khớp, mơ hình động học ma trận biến đổi tọa độ từ hệ tọa độ B6 hệ tọa độ B0 có dạng: s (3.4) ( DH ) = ( DH1 1DH 2S DH 3DH 4S 4DH 5DH 6S ) Kết nhân ma trận công thức (2.24) xem phụ lục 13 3.3 Mơ hình bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu dịch chuyển 3.3.1 Trường hợp không bù sai số Khi máy đo tọa độ làm việc tốc độ di chuyển thấp, khơng có gia tốc giá trị gia tốc nhỏ không đáng kể (đối với máy đo tọa độ nghiên cứu V< 10mm/s) lực quán tính sinh nhỏ Lúc chuyển vị khớp gần khơng có tọa độ vị trí đầu dị (D) xác định theo cấu trúc động học máy nhờ hệ tọa độ gắn khâu D Z Y rA X O Hình 3.2 Vị trí đầu dị khi khơng có sai số Vì khơng có sai số nên vị trí điểm cần tiến tới vị trí đầu dị hồn tồn trùng với hay nói cách khác vị trí đầu dị xác định theo lý thuyết vị trí đầu dị thực tế hoàn toàn trùng với điểm (D) vị trí tọa độ điểm (D) biến đổi từ hệ tọa độ B hệ tọa độ B0 máy sau: rD = ( DH ) rD (3.5) 3.3.2 Trường hợp có bù sai số Khi đo với tốc độ di chuyển cao (Vdichuyển ≥10mm/s), vận tốc đo lấy cũ (Vđo =1mm/s), chênh lệch tốc độ di chuyển tốc độ đo nhiều, gia tốc sinh lớn gây lực quán tính Dưới tác dụng lực quán tính, khớp (ba khớp trượt trục X, Y, Z) máy đo chuyển vị làm xuất sai số ảnh hưởng đến độ xác kết đo Lúc vị trí điểm cần tiến tới vị trí đầu dị khơng trùng với nữa, nói cách khác vị trí đầu dị xác định theo lý thuyết vị trí đầu dị thực tế khác Điểm đầu dị E Có chuyển vị khớp Hệ tọa độ đầu dò S BÙ SAI SỐ Khơngcó chuyển vị khớp Tọa độ sai D Tọa độ Hệ tọa độ gốc Hình 3.3 Biểu diễn lan truyền sai số từ hệ tọa độ đầu dò hệ tọa độ gốc 12 3.3.3 Xây dựng mô hình bù sai số cho máy đo tọa độ Trong trường hợp đo có chuyển vị khớp gây lực quán tính, chuyển vị thực chưa xét đến đưa vào phần mềm đo, gây thị sai tọa độ thực điểm (đầu dị) khơng gian làm việc máy kết đo máy hiểu bị mắc sai số α Hình 3.4 Vị trí đầu dị biểu diễn hai hệ quy chiếu Hình 3.4 biểu diễn vị trí điểm A hệ quy chiếu đầu dị khơng có chuyển vị có chuyển vị khớp: + xoy hệ tọa độ đầu dị khơng có chuyển vị khớp, tọa độ điểm A hệ trục tọa độ (xA; yA) + XoY hệ tọa độ đầu dị có chuyển vị khớp (để đơn giản tác giả giả sử chuyển vị khớp làm xoay hệ tọa độ oxy góc α), tọa độ điểm A có giá trị (XA; YA) Như vậy, có chuyển vị khớp tọa độ điểm A phải (X A; YA) tọa độ điểm A Tuy nhiên máy chưa chuyển sang hệ tọa độ (chưa bù sai số) nên tọa độ điểm A mà máy thị (x A; yA) nằm hệ trục tọa độ cũ tọa độ sai điểm A Có thể biểu diễn tọa độ (XA; YA) tọa độ sai (xA; yA) điểm A hệ quy chiếu xoy sau: Hình 3.5 Vị trí sai đầu dò biểu diễn hệ quy chiếu Trong đó: + Điểm D (xD; yD) tương ứng với điểm A có tọa độ (XA; YA) + Điểm S (xS; yS) tương ứng với điểm A có tọa độ sai (xA; yA) Hình 3.5 biểu diễn vị trí đầu dị khơng có sai số (D) vị trí đầu dị có sai số (S) mặt phẳng 2D 13 Hai điểm biểu diễn hệ tọa độ 3D từ hệ tọa độ B đầu dò đến hệ tọa độ gốc B0 máy (hình 3.6) Hình 3.6 Vị trí sai đầu dị biểu diễn hệ quy chiếu 3D + Ma trận để chuyển điểm D6 hệ B6 thành điểm D0 hệ B0: DH = DH1 1DH 2 DH 3 DH 4 DH 5 DH + Ma trận chuyển điểm S6 hệ B6 thành S0 hệ B0: DH = DH1 1DH 2 DH 3 DH 4 DH 5 DH + Ma trận đưa điểm S6 hệ Bs6 thành D0 hệ B0: ( DH ) = ( DH1 1DH 2S DH 3 DH 4S DH 5 DH 6S ) S S Trong đó: B6s ; B4s ; B2s hệ trục tọa độ bị thay đổi vị trí chuyển vị khớp gây Để thị tọa độ vị trí đầu dị (để bù sai số) có chuyển vị khớp lực quán tính gây tác giả tiến hành sau: + Đưa điểm S0 (chỉ thị sai tọa độ vị trí đầu dị) hệ tọa độ gốc B máy điểm S6 hệ tọa độ đầu dò B6: ( ) ( DH = DH 5 DH 4 DH 3 DH 2 DH1 1DH ) + Để thị vị trí đầu dị hệ tọa độ gốc máy, đưa tọa độ điểm S6 hệ B6 điểm D0 hệ B0 ( DH ) S = ( DH1 1DH 2S DH 3 DH 4S DH 5DH 6S ) Vậy mơ hình tốn học bù sai số máy đo tọa độ: 0XD  0XS  0  0   YD  = ( DH ) s ( DH )  YS   0Z D   0ZS          14 (3.6) Trong đó: +  X D ; 0YD ; Z D  Là tọa độ điểm D (đầu dò) hệ tọa độ gốc B máy bù sai số 0 +  X S ; YS ; Z S  Là tọa độ điểm S (đầu dò) hệ tọa độ gốc B máy chưa bù sai số 3.4 Giải thuật phần mềm bù sai số cho máy đo tọa độ 3.4.1 Giải thuật bù sai số cho máy đo tọa độ BẮT ĐẦU Đ Kiểm tra điều kiện bù (VdichuyểnLDI3) { SYSTEMTIME st,lt; GetSystemTime (&st); GetLocalTime(<); FILE *pFile; pFile=fopen("C:\\a.txt","w"); CString str; str.Format("%02d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d: %02d",lt.wYear,lt.wMonth,lt.wDay,lt.wHour,lt.wMinute,lt.wSecond,lt.wMilli seconds); fputs(str,pFile); fclose(pFile); if(DeProbe>5) { long xx,yy,zz; EP_GetENCCounter(&xx,0,CARD_INDEX); EP_GetENCCounter(&yy,1,CARD_INDEX); EP_GetENCCounter(&zz,2,CARD_INDEX); realX=(double)xx/1000; realY=(double)yy/1000; realZ=(double)zz/1000; if (TravelSpeed!=0&&TravelSpeed>=10) { double X=realX; double Y=realY; double Z=realZ; double VY=TravelSpeed; double l56=454.3; 16 double dZ5=(977-Z); double dZ4=217; double dY4=181.2; double l34=514.3; double l12=526; double lc12=648.6; double dZ1=210; double dY1=293+Y; double dX0=1198.3; double dX3=(1085.25-X); double dZ3=59; double dY5=89; tX= A; Phụ lục 14 tY= B; Phụ lục 15 tZ= C; Phụ lục 16 realX=tX; realY=tY; realZ=tZ; EP_AbortMotion(GROUP_INDEX); mCode=1; DeProbe=0; } //nLIOTriggerCount[3]++;// local I/O Trigger }} CHƯƠNG } NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA KẾT QUẢ ĐO SAU KHI BÙ SAI SỐ CHO MÁY ĐO TỌA ĐỘ 4.1 Mục đích, lựa chọn phương pháp kiểm tra bước kiểm tra độ xác cho máy đo toạ độ Mục đích kiểm tra độ xác máy đo tọa độ đánh giá khả bù phần mềm, xem phần mềm bù sai số xây dựng có đạt yêu cầu 17 đặt hay không (sai số máy đo có phần mềm bù đảm bảo theo tiêu chuẩn ISO 10360-2: ( + L / 250) µm ) đo với tốc độ di chuyển cao 4.1.1 Lựa chọn phương pháp kiểm tra độ xác cho máy đo tọa độ Hiện giới thường sử dụng hệ thống tiêu chuẩn theo bảng 4.1 để đánh giá độ xác cho máy đo tọa độ chế tạo Bảng 4-1 Một số hệ thống tiêu chuẩn đánh giá độ xác máy đo tọa độ STT Quốc gia Tiêu chuẩn đánh giá Mỹ Pháp Quốc tế Anh Đức Nhật ASME B89.1.12M NF E 11-150 ISO 10 360- Part BS 6808 VDI/VDE 2617 JIS B 7440 4.1.2 Các bước thực đo kiểm tra độ xác máy - Tiến hành đo vật mẫu máy đo tọa độ chưa bù sai số - Tiến hành đo mẫu máy đo tọa độ bù sai số 4.2 Thiết bị, vật mẫu dùng để kiểm tra độ xác 4.2.1 Thiết bị kiểm tra độ xác Thiết bị kiểm tra độ xác máy đo tọa độ sau thời gian sử dụng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh chế tạo Phạm vi đo máy (700 x 570 x 400mm) Hình 4.2 Bộ mẫu dùng kiểm tra Hình 4.1 Máy đo tọa độ dùng để kiểm tra Hình 4.3 Giá đỡ mẫu Nam châm kẹp 4.2.2 Vật mẫu dùng để kiểm tra độ xác máy đo Vật mẫu dùng để kiểm tra độ xác máy đo tọa độ mẫu theo tiêu chuẩn Đức tương đương với tiêu chuẩn Châu Âu DIN EN ISO, số hiệu 600000-8905-000 (hình 4.2), đồ gá nam châm kẹp (hình 4.3) 18 4.3 Quy trình đo kiểm tra độ xác máy đo toạ độ Quy trình đo kiểm tra độ xác máy đo toạ độ sử dụng mẫu tiêu chuẩn VDI/VDE 2617 Đức giống tiêu chuẩn quốc tế ISO 10360 thực theo bước sau: Trong không gian đo máy chọn bảy phương đo khác nhau: a Bốn đường chéo không gian đo b Ba đường chéo mặt phẳng XY, YZ, XZ c Các phương đo chọn song song với trục OX, OY, OZ Theo phương đo chọn đo chiều dài năm mẫu chuẩn Chiều dài mẫu chuẩn đo ba lần Các giá trị đo ghi lại đánh giá Như sau đo có tổng cộng 105 giá trị đo lưu trữ Các giá trị cho biết độ xác máy đo toạ độ không gian làm việc Theo quy trình trên, để đánh giá việc hiệu chỉnh độ xác máy đo tọa độ chế tạo Việt Nam sau năm sử dụng, không gian làm việc máy, tác giả chọn bảy phương đo sau: J H P M G A E I Q D N F B C Hình 4.4 Các phương đo kiểm tra độ xác máy đo tọa độ - Trong mặt phẳng XY chọn ba phương đo: + Phương AB song song với trục X máy + Phương CD song song với trục Y máy + Phương EF dọc đường chéo mặt XY - Trong mặt phẳng XZ chọn phương đo: + Phương GH theo đường chéo mặt XZ - Trong mặt phẳng YZ chọn phương đo: + Phương IJ theo đường chéo mặt YZ - Trong bốn đường chéo không gian đo chọn hai đường chéo: + Đường chéo MN + Đường chéo PQ 19 4.4 Đo mẫu máy đo tọa độ chế tạo chưa bù sai số Để có kết đo trường hợp máy đo chưa bù sai số tác giả thực 280 lần đo với mẫu, trường hợp đo mẫu có chiều dài 100mm theo phương AB lấy làm ví dụ minh họa A Hình 4.5 Bảng 4.2 Số lần đo 4.5 B Đo mẫu có chiều dài 100mm theo phương trục X Kết đo mẫu 100mm theo phương trục X có sai số Tọa độ XA 8,556 8,552 8,555 8,554 8,554 8,555 8,556 8,555 Tọa độ XB 108,560 108,562 108,561 108,563 108,563 108,562 108,561 108,562 100,007 ± 0,002 L L= XB- XA 100,004 100,010 100,006 100,009 100,008 100,007 100,005 100,008 Đo mẫu máy đo tọa độ chế tạo bù sai số Kết đo mẫu có chiều dài 100mm theo phương AB Bảng 4.3 Số lần đo Kết đo mẫu 100mm theo phương trục X bù sai số Tọa độ XA 36,452 36,453 36,454 36,453 36,453 36,452 36,453 36,452 Tọa độ XB 136,454 136,456 136,457 136,456 136,456 136,456 136,457 136,455 100,003 ± 0,001 L 20 L= XB- XA 100,002 100,003 100,003 100,003 100,003 100,004 100,004 100,003 4.6 So sánh kết đo máy trước bù sai số, sau bù sai số với tiêu chuẩn ISO 10360-2 4.6.1 Đo chiều dài mẫu theo phương AB (Phương trục X) Bảng 4.4 Giá trị mẫu nhận theo phương trục X trước sau bù sai số Các kích thước (mm) 100±0,0002 200±0,00025 300±0,0003 400±0,00035 500±0,0004 Máy chưa bù sai số (mm) 100,007 200,007 300,008 400,009 500,012 Máy bù sai số (mm) 100,003 200,003 300,004 400,004 500,005 Tiêu chuẩn ISO (mm) 100±0,0034 200±0,0038 300±0,0042 400±0,0046 500±0,0050 4.6.2 Đo chiều dài mẫu theo phương CD (theo phương trục Y) Bảng 4.5 Giá trị mẫu nhận theo phương trục Y trước sau bù sai số Các kích thước (mm) 100±0,0002 200±0,00025 300±0,0003 400±0,00035 500±0,0004 Máy chưa bù sai số (mm) 100,008 200,009 300,009 400,012 500,013 Máy bù sai số (mm) 100,003 200,003 300,004 400,004 500,005 Tiêu chuẩn ISO (mm) 100±0,0034 200±0,0038 300±0,0042 400±0,0046 500±0,0050 4.6.3 Đo chiều dài mẫu theo phương EF (trong mặt XY) Bảng 4.6 Giá trị mẫu nhận theo phương EF trước sau bù sai số Các kích thước (mm) 100±0,0002 200±0,00025 300±0,0003 400±0,00035 500±0,0004 Máy chưa bù sai số (mm) 100,008 200,009 300,009 400,012 500,013 Máy bù sai số (mm) 100,003 200,003 300,004 400,004 500,005 Tiêu chuẩn ISO (µm) 100±0,0034 200±0,0038 300±0,0042 400±0,0046 500±0,0050 4.6.4 Đo mẫu theo phương GH (trong mặt phẳng XZ) Bảng 4.7 Giá trị mẫu nhận theo phương GH trước sau bù sai số Các kích thước (mm) 100±0,0002 200±0,00025 300±0,0003 400±0,00035 500±0,0004 Máy chưa bù sai số (mm) 100,007 200,008 300,009 400,011 500,012 Máy bù sai số (mm) 100,003 200,003 300,004 400,004 500,005 Tiêu chuẩn ISO (µm) 100±0,0034 200±0,0038 300±0,0042 400±0,0046 500±0,0050 4.6.5 Đo mẫu theo phương IJ (mặt phẳng YZ) Bảng 4.8 Giá trị mẫu nhận theo phương IJ trước sau bù sai số 21 Các kích thước (mm) 100±0,0002 200±0,00025 300±0,0003 400±0,00035 500±0,0004 Máy chưa bù sai số (mm) 100,008 200,009 300,010 400,011 500,012 Máy bù sai số (mm) 100,003 200,003 300,004 400,004 500,005 Tiêu chuẩn ISO (µm) 100±0,0034 200±0,0038 300±0,0042 400±0,0046 500±0,0050 4.6.6 Đo mẫu theo phương MN Bảng 4.9 Giá trị mẫu nhận theo phương MN trước sau bù sai số Các kích thước (mm) 100±0,0002 200±0,00025 300±0,0003 400±0,00035 500±0,0004 Máy chưa bù sai số (mm) 100,008 200,009 300,010 400,011 500,012 Máy bù sai số (mm) 100,003 200,003 300,004 400,004 500,005 Tiêu chuẩn ISO (µm) 100±0,0034 200±0,0038 300±0,0042 400±0,0046 500±0,0050 4.6.7 Đo mẫu theo phương PQ Bảng 4.10 Giá trị mẫu nhận theo phương PQ trước sau bù sai số Các kích thước (mm) 100±0,0002 200±0,00025 300±0,0003 400±0,00035 500±0,0004 Máy chưa bù sai số (mm) 100,007 200,008 300,009 400,010 500,012 Máy bù sai số (mm) 100,003 200,003 300,004 400,004 500,005 Tiêu chuẩn ISO (µm) 100±0,0034 200±0,0038 300±0,0042 400±0,0046 500±0,0050 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Có nhiều nguồn gây sai số ảnh hưởng đến độ xác kết đo máy đo tọa độ, nguồn dao động lực qn tính Các máy đo tọa độ (cả máy máy cũ) có xu hướng giảm độ xác tăng tốc độ đo để đảm bảo suất Khi tăng tốc độ đo, lực quán tính xuất tác động đến phận máy khâu khớp (đặc biệt khớp) Để đảm bảo độ xác máy cần nghiên cứu giải pháp bù sai số, chương tóm tắt kết thực luận án đề xuất hướng nghiên cứu Kết luận Tất kiểu máy đo tọa độ dù thiết kế cứng vững (tay đo ngang, công xôn) hay thiết kế cứng vững (như kiểu khung dàn cầu trục) chịu chuyển vị khớp lớn có gia tốc trục lớn Các chuyển vị khớp truyền đến vị trí đầu dị thơng qua cấu trúc động học máy gây sai số Dựa việc phân tích giải pháp thiết kế, chế tạo, sử dụng vật liệu, điều khiển, bù sai số nghiên cứu công bố, tác 22 giả lựa chọn giải pháp hiệu chỉnh độ xác cho máy đo tọa độ nhằm loại bỏ ảnh hưởng chuyển vị khớp lực quán tính gây Các kết đạt luận án: Luận án trình bày nguồn gốc gây chuyển vị dẫn đến sai số máy đo tọa độ, phân tích ảnh hưởng thành phần chuyển vị đến độ xác máy đo từ lựa chọn thành phần chuyển vị cần nghiên cứu chuyển vị khớp Tiến hành nghiên cứu thành phần chuyển vị khớp cảm biến đo dịch chuyển lắp khâu mang trục máy, tác giả đề xuất giải pháp xây dựng hàm biểu diễn thành phần chuyển vị khớp theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần Dựa cấu trúc máy đo tọa độ cụ thể, tác giả xây dựng mơ hình tốn học để chuyển điểm từ hệ tọa độ đầu dò hệ tọa độ máy hai trường hợp khơng có chuyển vị khớp có chuyển vị khớp Luận án xây dựng mơ hình toán học bù sai số chuyển vị khớp máy đo tọa độ gây ra, từ giải thuật phần mềm xây dựng để thực bù sai số cho máy Thực nghiệm kiểm tra cho thấy: phần mềm bù sai số loại bỏ thành phần chuyển vị khớp máy có độ xác đạt theo tiêu chuẩn giới Phương pháp bù áp dụng cho máy mà kết cấu có sử dụng ổ đệm khí Một số điểm luận án: + Tác giả đề xuất giải pháp tiến hành nghiên cứu thành phần chuyển vị khớp (được coi thành phần thông số ngẫu nhiên) phương pháp quy hoạch thực nghiệm + Tác giả xây dựng mơ hình tốn học để bù sai số hình học thơng số động lực học gây (chuyển vị khớp) + Tác giả xây dựng quy trình calip phần mềm cho máy đo tọa độ dạng cầu trục là: xác định chuyển vị khớp, đo chuyển vị khớp từ hiệu chỉnh độ xác cho máy Hướng phát triển đề tài Giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục xây dựng xem xét áp dụng cho dạng máy đo tọa độ khác hay thiết bị mà kết cấu có sử dụng ổ đệm khí Để thuận tiện cho việc biểu diễn thực bù sai số, mối quan hệ chuyển vị khớp có lực qn tính tác động nghiên cứu để biểu diễn tất chuyển vị khớp theo hàm 23 ... máy bù sai số 0 +  X S ; YS ; Z S  Là tọa độ điểm S (đầu dò) hệ tọa độ gốc B máy chưa bù sai số 3.4 Giải thuật phần mềm bù sai số cho máy đo tọa độ 3.4.1 Giải thuật bù sai số cho máy đo tọa. .. THÚC Hình 3.7 Giải thuật bù sai số cho máy đo tọa độ Trình tự tiến hành bù sai số cho máy đo tọa độ sau: Bước 1: Kiểm tra điều kiện bù sai số cho máy đo tọa độ Bước 2: Nhập giá trị tọa độ đầu dò... nên máy đo tọa độ tồn nhiều loại sai số khác Sai số máy đo hệ thống hóa theo sơ đồ: SAI SỐ HÌNH HỌC SAI SỐ ĐỘNG HỌC SAI SỐ HỆ THỐNG SAI SỐ DO ĐỘ CỨNG VỮNG CÁC TRỤC SAI SỐ DO XỬ LÍ TÍN HIỆU SAI SỐ