f. Phương pháp đo vị trí tuyệt đối chu kỳ
3.2.4. Dụng cụđo kiểu tương tự
Dụng cụ đo theo kiểu ghi dữ liệu tương tự được đặc trưng trong giá trị tín hiệu đo có thể được gán cho mỗi giá trị đo của khối dữ liệu một cách liên tục.
Trong trường hợp đơn giản nhất là sự thay đổi điện trở được sử dụng phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn điện sẽ gây ra một tín hiệu đo điện. Một trong những ứng dụng của phương pháp này là bộ triết áp được làm việc như các bộ chia điệp áp.
Các thiết bị đo sử dụng kiểu này (tuyến tính hoặc quay) chỉ được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt, ví dụ như đặt thiết bị này vào miền không nhẵn tức miền không được mài nhẵn thì khả năng chính xác của chúng bị hạn chế. Với thiết bị đo kiểu tuyến tính thường là không lớn hơn 1%.
Các thiết bị đo kiểu cảm ứng ngày càng sử dụng phổ biến khi đo vị trí theo kiểu phi tuyến và truyền động tuyến tính, ví dụ dùng trong các bộ giải góc roto (bộ biến đổi góc) và thước tỷ lệ cảm biến.
Bộ giải góc rôto (Synchro resolver): Gồm các hệ thống đo kiểu quay khi
này, đo góc sử dụng nguyên tắc đo cảm ứng để đo vị trí theo kiểu tuyệt đối chu kỳ, không trực tiếp. Chúng thường là các bộ chuyển đổi với một roto (kiểu cánh quạt) và stato (kiểu khung). Hình 3.14
Sơ đồ trên hình 3.14a chỉ ra có một pha đơn đượctạo ra từ một cuộn stator và roto. Sơ đồ này không có ý nghĩa thực tiễn cho nắm mặc dù điện áp đầu vào và đầu ra được truyền tải đầy đủ.
Khi điện áp xoay chiều đặt vào cuộn dây stator là u1 =U1sinωt thì đường sức từ sinh ra trong cuộn dây stato sẽ gây ra sự biến thiên điện áp hoặc với tần số tương tự nhau khi điện áp đặt vào u2 = (U1sinωt)cosα = U2 sinωt.
Cũng chỉ ra trên hình 3.14a mối quan hệ giữa thời gian với sự thay đổi biên độ được điều chỉnh theo sự thay đổi đổi của góc α từ cosα. Tóm lại những ảnh hưởng của vị trí góc tương ứng và điện áp biến thiên gây ra một bước dịch chuyển là 1800 ở điện áp 0 trong trường hợp này. Điều này cho chúng ta thấy mối quan hệ khăng khít giữa biên độ và góc.
Hình 3.14. Nguyên lý bộ giải góc đồng bộ a – Với một cuộn stato, b – Với hai cuộn stato
Trên hình 3.14b cho thấy bộ giải góc rôto với một cuộn roto một pha và một stato hai pha. Hai cuộn dây quấn của stato được cấp điện áp xoay chiều lệch pha nhau về điện một góc 900: U1sinα hoặc U1 cosα. Tần số phổ biến ở đây là 2.5 kHz
Khi có một điện áp cos và một điện áp sin được đặt vào các cuộn dây stator thì từ trường biến thiên hình thành, gây cảm ứng trong cuộn dây roto một điện áp U2. Độ lớn của nó phụ thuộc vào góc quay của cuộn dây rôto đối với véctơ từ trường.
u2 = (U1 cosα) sinωt + [(U1 cos(α +
2
π)] cosω
t = (U1 cosα) sinωt + (U1 sinα) cosωt = U1sin(ωt-α) 22°30'(16* 30°(12* Rụto Trục Khe hở khụng khớ S1 S2 S3 S4 R1 R3 Rụto Động Cố định trong vỏ
Cảm biến quay Biến ỏp quay
STATO STATO Mặt cắt A-B Ghộp nối stato cảm biến quay Biến ỏp quay-stato Cuộn dõy của biến ỏp quay Khe hở khụng khớ
Rụto của biến ỏp quay
Ghộp nối
với roto
Cuộn dõy quấn
của biến ỏp quay
A C Đường sức từ trường Ổ lăn Vỏ Trục B D Mặt cắt C-D Hình 3.15. Cảm biến góc quay Stato Rụto
So sánh với điện áp ở trên cuộn dây ban đầu thì điện áp trên cuộn dây thứ hai thay đổi liên tục với góc bất kỳ theo vị trí của bước. Một bộ tách pha đã cho thấy một sự phụ thuộc theo tỷ lệ đơn vào góc α.
Hình 3.15a trình bày sơ đồ mạch điện của một resolve không có vành quét Điện áp cảm ứng trong cuộn dây rotor được chuyển qua một biến thế quay không có vành quét. Hình 3.15b thể hiện các mặt cắt của một resolve. Tín hiệu điện àp tỷ lệ với góc quay của roto do resolve cấp ra chỉ cho được một tệp thứ tự các giá trị đo tuyệt đối trong phạm vi của một độ chia trên roto.
Vậy revolve là những hệ thống làm việc theo kiểu tuyệt đối/ chu kỳ. Thông thường một biến đổi vị trí thẳng trên độ dài 2 mm tương đương với một vòng quay của roto resolve. Để thích ứng được với bước vít me của trục chạy dao, các truyền động đo cho resolve phải đảm bảo không có khe hở và do đó không cần bảo dưỡng.
Thước tỷ lệ cảm biến (Industosyn scale): Để đo vị trí kiểu tương tự/ tuyệt
đối/ chu kỳ và trực tiếp, người ta dùng industosyn scale. Đây là một thước làm việc theo nguyên tắc cảm ứng dựa trên cơ sở nguyên lý của bộ giải góc roto dây quấn phẳng. Industosyn scal gồm một thước đo với cuộn dây phẳng quấn theo dạng gấp khúc hình chữ nhật. Các bộ chia sóng vuông được sử dụng trên thước tỷ lệ đặt trên một bản mạch in với các hệ thống cảm điện. (Hình 3.16)
Hình 3.16. Nguyên lý của hệ thống industosyn scale
a – Thước tuyến tính quay trong bộ giải góc đồng bộ, b – Con chạy stato trong bộ giải góc đồng bộ
Một rãnh trượt không tiếp xúc cùng với hai cuộn dây tạo sóng vuông được chuyển đổi vị trí một góc 900 ra đằng sau rồi di chuyển lên trên. Thao tác này được thực hiện một cách chính xác theo cách giống như trong bộ giải góc rôto 2 pha, nó giống như là 2 cuộn cảm đặt lệch nhau một góc 900 trong vòng một bước nên cũng gây ra một miền từ trường đặc biệt. Tất cả các thước tỷ lệ trong hệ thống cảm điện có bước (khoảng cách dây quấn) là 1/10” hoặc 2 mm. Với độ chính xác đạt được nằm trong dải đo micromet, trong khi các hệ thống đo độc lập chỉ cho độ chính xác nằm trong khoảng bước.
Thước đo được cố định trên thân máy, đoạn thước dẫn được lắp trên bàn máy di động mà ta cần đo các biến thiên vị trí của nó. Khoảng cách giữa các thước đo chính và thước đo dẫn khoảng 0.25 mm. Trong cuộn dây của thước đo chính có một điện áp tần số cao U1. Qua lớp cách, trong cuộn dây của thước dẫn cảm ứng một điện áp phụ thuộc vào vị trí của cuộn dây trên thước dẫn so với cuộn dây trên thước đo chính. Điện áp này được đánh giá trong hệ điều khiển và đưa ra giá trị đo vị trí của bàn máy.
Potentiometer:
Trong giao thoa kế Michelson thì một nguồn sáng phát ra một chùm ánh sáng đơn sắc với chiều dài bước và tần số như nhau rồi chúng được tách làm hai phần nhờ một gương nửa trong suốt. Hai chùm sáng này được phản xạ toàn bộ qua hai gương, nơi mà một gương thì được đặt thẳng với điểm chuẩn còn một gương có Potentiometer sử dụng quan hệ tuyến tính giữa chiều dài của một thước đo dẫn điện với điện trở của nó. Trên máy công cụ CNC thường cần có độ chia đơn vị đo không nhỏ hơn hoặc bằng 0.001 mm. Độ chia này không thể đưa vào Potentiometer, do vậy chúng không được máy công cụ sử dụng để đo vị trí.
3.2.5 Giao thoa kế laze
Giao thoa kế laze là một hệ thống đo có độ chính xác cực kỳ cao dùng trong phép đo khoảng cách và quét ảnh trên các máy công cụ. Ví dụ như là sự kết hợp giữa quét ảnh, đo khoảng cách và thước khắc vạch chia, hoặc quét ảnh và đo độ chính xác của ổ lăn các trục và trục răng…Nó cũng được sử dụng trong các thước lỷ lệ lớn và độ chính xác cao của máy công cụ và dùng như một hệ thống đo vị trí.
thể dịch chuyển được và được định vị trên cơ cấu kiểm tra bên dưới. Đó là nơi mà các chùm ánh sáng được phản sạ lại sẽ giao thoa với một chùm ánh sáng khác. Điều này gây lên sự suy giảm tương hỗ hoặc sự khuyếch đại theo vị trí các bước giao thoa tương ứng trong bộ thu quang điện. Các mạch xung sẽ được hình thành từ tính hiệu nhận được, số mạch xung thì tỷ lệ với phần tính hiệu nhận được. Độ chính xác của phương pháp giao thoa có thể coi như phụ thuộc vào độ ổn đinh của dải nguồn sáng, mà nó chỉ bị ảnh hưởng bởi tác động của điều kiện xung quanh như là áp suất khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm, hàm lượng CO2 trong không khí và điều kiện làm việc của máy laze. Có rất nhiều cách để tăng độ ổn định của sóng ánh sáng song phù hợp nhất là phương pháp dùng ti laze tần số kép.
Sai số của phép đo có thể đạt được xấp xỉ 1àm/m nếu các giao thoa kế laze giữ được ổn định và có thể ghi được với tốc độ là 18m/phút. Độ chính xác có thể đạt được qua sự khuyếch đại là 5.10-3àm.
3.2.6. Đầu kích quang điện động
Trên hình3.17, mô tả nguyên lý hoạt động của đầu kích quang điện động.
Hình 3.17Nguyên tắc hoạt động của đầu kích quang điện động (phillips) 1. Nguồn sáng, 2. Thấu kính, 3. Vùng kích hoạt (10 tế bào quang điện) biến
đổi theo tần số chuẩn thông qua chuỗi tế bào quang điện, 4. Chuỗi tế bào quang điện (220 diôt), 5. Đế thép, 6. Vùng không phản quang, 7. Vùng phản
Trong phương pháp này, nhịp đo chuẩn không phải là từ một tia chớp mà từ 220V dây tế bào quang điện sắp xếp bên nhau.
Qua một thấu kính độ phận giải vạch chia của thang đo được hình thành trên các tế bào quang điện. Mỗi loạt 10 tế bào quang điện được kích thích cùng một lúc ở đầu ra.
Điện áp đầu ra của chúng tỷ lệ với dòng ánh sáng dọi vào vùng tế bào quang điện này. Mặt phân chia các tế bào quang điện (trên phương diện điện tử) được nhận biết bởi các chuỗi tế bào quang điện (photodiodesarray) xếp lệch nhau, mô phỏng về điện tử như một máy quét quang động (optoscaner)
Dòng tổng cộng của tất cả các tế bào quang điện hình thành tín hiệu đo vị trí về pha của nó tương quan với tần số quét.
Ưu điểm của hệ thống đo này là ở chỗ, với một khoảng chia vạch đo 635 àm, có thể đạt độ phân giải vạch chia là 0.5 àm.
Dưới đõy là một số hỡnh ảnh cỏc thiết bị đo cơ điện tử, đo dịch chuyển thẳng và đo dịch chuyển gúc.
Cụng dụng là để điều khiển biờn độ và độ lệch điện ỏp cho phộp nội suy với độ chớnh xỏc cao và ngoài ra cũn giản thiểu được ảnh hưởng do nhiễu xạ. Nội suy tớnh hiệu nờn tới 100x. Xử lý tớn hiệu đơn qua bộ nối. Hỗ trợ cho gỏ đặt bởi đốn LED đặt ở đầu nối cũng cú thể sử dụng như
kiểu chõn khụng cao tần.
Thiết bị đo dịch chuyển thẳng:
* Bộ mó húa tuyến tớnh thu gọn
Kiểu thu gọn nay đẻ lộ ra bộ mó húa tuyến tớnh (linear encoder)
- Kớch thước nhỏ về diện tớch bề mặt nờn hạn chế miền làm việc
- Dung sai gỏ đặt lớn
- LiX 2x: Khụng nhạy với sự nhiễu
- Tốc độ dịch chuyển lớn
- Được tớch hợp bởi cỏc vi mạch điện tử qua đầu kết nối cú 15 chõn cắm D-sub
- Trờn 100 lần nội suy (trước khi chuyển pha 900
)
- Điểm chuẩn (chớnh xỏc và định lại được theo cả hai phương dịch chuyển)
- Điểu chỉnh độ lệch và biờn độ động học
- Cú thể ghi trờn thước tỷ lệ bằng thộp SINGLEFLEX hoặc DOUBLEFLEX LIX 41: cú thể ghi trờn thước thủy tinh
* Encoder tuyến tớnh được bọc kớn RSF
Kiểu được bọc kớn thớch hợp cho những miền làm việc cú nhiều bụi bẩn. Cỏc rónh đọc được giữ kớn trờn suốt chiều dài để trỏnh khỏi cỏc tỏc động của nhiệt độ và bụi bẩn.
Hỡnh 3.19. Encoder tuyến tớnh được bọc kớn RSF
* Encoder tuyến tớnh để hở RSF
Kiểu encoder tuyển tớnh hở được thiết kế cho sử dụng trờn cỏc mỏy cụng cụ và hệ mỏy nơi mà yờu cầu độ chớnh xỏc đặc biệt cao về giỏ trị đo. Cỏc ứng dụng đặc trưng bao gồm: dụng cụ đo và chế tạo trong trong ngành cụng nghiệp bỏn dẫn, cỏc hệ thống mỏy PCB, cỏc mỏy siờu chớnh xỏc, cỏc mỏy cụng cụ độ chớnh xỏc cao, hệ thống đo trờn mỏy và cỏc bộ so sỏnh, kớnh hiểm vi đo lường, cỏc dụng cụ đo chớnh xỏc khỏc, cỏc bộ dẫn động trực tiếp.
* Sensor đo dịch chuyển tuyến tớnh
Đõy là sensor đo vị trớ tuyến tớnh khụng tiếp xỳcGemco LPS sử dụng cú bản quyền và đảm bảo kỹ thuật tử giảo, truyền tớn hiệu chớnh xỏc, tồn tại dưới dạng chiếc và được kết nối với vị trớ của mỏy
Hỡnh 3.21. Sensor đo dịch chuyển tuyến tớnh
3.3. Kết luận chương 3
Cỏc thiết bị đo dịch chuyển hiện đại là sản phẩm của ngành Cơ điện tử, trong thời đại khoa học và cụng nghệ phỏt triển khụng ngừng như hiện này thỡ cỏc sản phẩm này vụ cựng phong phỳ, đa dạng và ngày càng được cải tiến mạnh mẽ. Cỏc sản phẩm này cho độ chớnh xỏc đo rất cao và đó được ứng dụng trong cỏc hệ thống đo của cỏc mỏy cụng cụ hiện đại.
Trờn cỏc mỏy cụng cụ sử dụng thiết bị đo cơ điện tử thỡ k ết quả đo được trờn mỏy cú thể trực tiếp chuyển đổi thành tớn hiệu điều khiển dịch chuyển của mỏy hoặc hiển thị làm dữ liệu xỏc định kết quả đo.
Thụng qua những khảo sỏt về phương phỏp đo, vị trớ lắp dụng cụ, chuẩn đo và cỏc chỉ tiờu kinh tế, kỹ thuật …để từ đú lựa chọn được thiết bị đo đối với mỏy cần cải tiến.
Cỏc thiết bị do cơ điện tử là những sản phẩm đó được tiờu chuẩn húa và sản xuất thành thương phẩm cú giỏ thành hạ là giải phỏp lựa chọn hợp lý để ứng dụng cho cỏc mỏy cụng cụ vạn năng thụng thường. Lựa chọn này cho phộp nõng cao độ chớnh xỏc của phộp dịch chuyển trong cỏc chuyển động định vị của mỏy cụng cụ nhờ việc nõng cao độ chớnh xỏc dụng cụ đo.
Chương IV: NGHIấN CỨU, ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO DỊCH
CHUYỂN THẲNG CHO CHẠY DAO DỌC VÀ CHẠY DAO NGANG TRấN
MÁY TIỆN REN VÍT VẠN NĂNG
4.1. Đỏnh giỏ, lựa chọn phương phỏp đo dịch chuyển thẳng trờn mỏy tiện ren
vớt vạn năng.
Hiện nay trờn cỏc mỏy tiện ren vớt vạn năng cần đo dịch chuyển thẳng theo hai phương x, z tương ứng là dịch chuyển dọc theo phương z và dịch chuyển ngang theo phương x của bàn dao ngoài ra cũn cú dịch chuyển nhỏ chạy dao dọc và ngang của bàn dao trờn.
Trờn cỏc mỏy tiện này đều sử dụng dụng cụ đo dịch chuyển là thước đo vũng và được đo theo nguyờn tắc đo giỏn tiếp là biến chuyển động tịnh tiến thẳng của bàn dao thành chuyển động quay của thước đo vũng thụng qua cỏc bộ truyền bỏnh răng – bỏnh răng, thanh răng - bỏnh răng hoặc vớt me – đai ốc. Giỏ trị đo sẽ được đọc thụng qua cỏc vạch chia trờn thước đo vũng.
Như đó nhận xột trong mục 2.4 sử dụng phương phỏp đo giỏn tiếp cho độ chớnh xỏc thấp hơn so với đo trực tiếp bởi cỏc sai số tớch lũy qua cỏc bộ truyền trung gian. Mặt khỏc, với việc sử dụng cỏc dụng cụ đo cơ khớ nếu đo bằng phương phỏp đo trực tiếp sẽ gặp khú khăn khi lắp rỏp dụng cụ đo trờn mỏy. Theo lý thuyết, từ phương trỡnh động học của phộp đo giỏn tiếp dịch chuyển thẳng bằng du xớch vũng là iTG
nì
1
= c (với n là số vạch chia của du xớch, c là độ chớnh xỏc của dụng cụ đo, iTG tỉ số truyền trung gian) ta cú thể muốn độ chớnh xỏc đo c tựy ý bằng cỏch tăng số lượng vạch chia n trờn thước đo vũng. Song trờn thực tế thước đo vũng sử dụng trờn cỏc mỏy vạn năng hiện nay cho độ chớnh xỏc đo tối đa là 0.01mm ữ 0.0025 mm.
Vậy để nõng cao được độ chớnh xỏc đo dịch chuyển, ngoài cỏc biện phỏp cụng nghệ ra cú một số phương phỏp như: Giảm thiểu bộ truyền trung gian hoặc sử