Các nghiên cứu trong nước

4. Các kết quả mới của luận án

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, hiện nay các thiết bị đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay bằng phương pháp tiếp xúc (Máy đo CMM, máy đo độ tròn, tay máy, máy đo biên dạng, …) và không tiếp xúc (Máy đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc, máy phóng hình, …) đã được sử dụng khá nhiều trong các nhà máy sản xuất cơ khí chính xác, đặc biệt trong các doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài. Cảm biến LSM cũng được một số doanh nghiệp đầu tư trong kiểm soát chất lượng chi tiết tròn xoay nhưng ứng dụng chủ yếu để đo đường kính, độ tròn tại một mặt cắt (Sử dụng định nghĩa độ tròn = (Dmax - Dmin)/2). Chưa có cơ sở đo lường pháp lý nào ở Việt Nam thực hiện được việc hiệu chuẩn thiết bị LSM.

Hiện nay, ở nước ta đã có một số công trình nghiên cứu tại Trường đại học Bách khoa Hà Nội về cảm biến LSM và ứng dựng trong đo biên dạng một số chi tiết dạng tròn xoay:

Luận văn thạc sĩ của Trần Hải Bình (Khóa 35) nghiên cứu về máy đo LSM. Luận văn thạc sĩ của Phạm Duy Hùng (Năm 2020) và Lưu Đức Hùng (Năm 2020) nghiên cứu về phương pháp và xây dựng hệ thống đo biên dạng sử dụng quét laser.

Các luận văn này chủ yếu tập trung về nguyên lý cảm biến đo LSM, ứng dụng cảm biến LSM trong đo biên dạng 2D, độ tròn và chế tạo mô hình máy. Tuy nhiên, các kết quả thiết kế và chế tạo còn nhiều hạn chế, đặc biệt sai số máy lớn do chưa khắc phục được hết các yếu tố ảnh hưởng. Chưa phân tích và xây dựng được hoàn thiện nguyên lý phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser.

25

Như vậy, cho đến nay trên thế giới và trong nước chưa có công trình nghiên cứu đầy đủ nào về phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến quét laser LSM và các yếu tố ảnh hưởng đến sai số của phương pháp. Các nghiên cứu trên thế giới chủ yếu là phương pháp tiếp xúc và tập chung nghiên cứu giải pháp giảm thiểu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng tiếp xúc. Một số nghiên cứu, ứng dụng laser 2D, laser sử dụng hiệu ứng Doppler trong đo biên dạng tròn xoay với độ chính xác còn hạn chế. Vì vậy tác giả chọn hướng nghiên cứu này là hoàn toàn mới về lý thuyết và có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc ứng dụng kiểm soát chất lượng biên dạng chi tiết tròn xoay, đặc biệt biên dạng đạn trong sản xuất Công nghiệp Quốc phòng.

Nội dung luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề chính sau: - Nghiên cứu cơ sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay.

- Nghiên cứu xây dựng phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng quét laser.

- Nghiên cứu, phân tích và tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser.

- Đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp đo xây dựng. - Xây dựng mô hình thiết bị thử nghiệm ở điều kiện Việt Nam.

- Thử nghiệm đo biên dạng một số chi tiết tròn xoay và đánh giá độ không đảm bảo đo của phép đo biên dạng sử dụng thiết bị sau chế tạo.

26

1.5 Kết luận Chương 1

Nội dung Chương 1 đã định nghĩa về sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 12180-1:2011 làm cơ sở định hướng các nội dung nghiên cứu về biên dạng tròn xoay.

Trình bày tổng quan về các phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay. Phân tích ưu điểm, nhược điểm của phương pháp đo tiếp xúc và không tiếp xúc. Với sự phát triển phần cứng và hỗ trợ bằng phần mềm thì nhược điểm của phương pháp đo không tiếp xúc được khắc phục đáng kể, đặc biệt là độ chính xác, do đó phương pháp này ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đo lường công nghiệp.

Phương pháp đo biên dạng sử dụng laser quét cho tốc độ đo nhanh, độ chính xác cao nhờ sử dụng cảm biến đo Laser scan micrometer có thể đạt được độ phân giải đến 0,01 µm, độ lặp lại 0,03 µm, độ chính xác 0,5 µm và tốc độ quét mẫu đến vài nghìn lần/giây. Các nghiên cứu trong nước và thế giới về phương pháp đo này.

27

Chương 2. XÂY DỰNG CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG QUÉT LASER 2.1 Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay

2.1.1 Định nghĩa chi tiết tròn xoay

Trong tọa độ không gian đề các vuông góc OXYZ khi quay mặt phẳng YOZ chứa đường cong C(z,y) quanh trục OZ một góc 360 thì mỗi điểm Pij trên đường cong C(z,y) sẽ vạch ra một đường tròn có tâm Oi thuộc trục OZ và nằm trên mặt phẳng vuông góc với OZ. Như vậy, khi quay đường cong C(z,y) nằm trong mặt phẳng YOZ quanh OZ thì sẽ tạo nên một hình được gọi là mặt tròn xoay. Đường C(z,y) được gọi là đường sinh của mặt tròn xoay đó. Trục OZ được gọi là trục của mặt tròn xoay (Hình 2.1).

Hình 2. 1: Mô hình chi tiết tròn xoay.

Tọa độ điểm Pij (xij, yij, zij) bất kỳ trên biên dạng chi tiết tròn xoay được xác định như sau: sin cos ij ij ij ij ij ij ij i x R y R z z           (2. 1) Trong đó:

+ i là chỉ số thứ tự mặt cắt ngang và j là chỉ số thứ tự điểm trên cùng một mặt cắt ngang.

+ ij là góc quay của chi tiết.

+ Rij là bán kính hình tròn tâm Oi tại mặt cắt thứ i. + zi là tọa độ theo phương OZ của mặt cắt thứ i.

Trong thực tế sản xuất, chi tiết dạng tròn xoay là chi tiết quan trọng, chiếm đa số và được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực. Biên dạng của sản phẩm ảnh hưởng rất nhiều đến tính năng hoạt động của nó trong quá trình vận hành, lắp đặt, kiểm tra. Một số dạng chi tiết tròn xoay thể hiện trên hình 2.2.

28

(a) (b)

(c) (d)

Hình 2. 2: Một số dạng chi tiết tròn xoay.

a) Các chi tiết trụ bậc, b) Chi tiết đạn, c) Trục chuẩn, d) Dưỡng kiểm lỗ.

2.1.2 Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay thực

Hình 2. 3: Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay [57].

Biên dạng mặt cắt ngang của chi tiết tròn xoay được mô tả như là tín hiệu có chu kỳ xác định với tần số cơ bản bằng tần số quay của chi tiết. Một chi tiết tròn xoay

29

được tạo thành từ các mặt cắt ngang liên tiếp được sắp xếp theo hướng dọc trục trong hệ tham chiếu OXYZ như hình 2.3 và biên dạng chi tiết tròn xoay được mô tả như một hàm Fourier mở rộng [32], [57], [58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66]:   0  1 , p( ) cos( ) p( )sin( ) p r z  r z  a z p b z p        (2. 2) Ở đây: - z là vị trí mặt cắt ngang. - là góc quay của chi tiết.

- r z0  là bán kính trung bình của mặt cắt ngang chi tiết ở vị trí z.

- a (z)+jb (z)p p là véc tơ điều hòa thứ p của biên dạng mặt cắt ngang tại vị trí z và có thể được thể hiện bằng phép nội suy Legendre:

    0 0 ; a b M M j j p pj p pj j j a z a z b z b z     (2. 3)

Thay công thức (2.3) vào (2.2) ta được biên dạng chi tiết tròn xoay r z , được viết như sau:

  0   10 10   11 11 

1 1

2 2 2

, cos( ) sin( ) cos( ) sin( )

cos( ) sin( ) ( ) cos( ) ( )sin( )

a b M M j j j j p p j j p r z r z a b a z b z a z b z a z p b z p                                      (2. 4)

Trong công thức (2.4), thành phần 2-5 là các thành phần điều hòa bậc nhất miêu tả tâm bình phương nhỏ nhất (LSC) của biên dạng mặt cắt ngang trong OXYZ. Thành phần 2 và 3 là các thành phần tuyến tính dọc trục Z (Thành phần lệch tâm đặt và lệch trục). Nếu chúng được loại bỏ, chi tiết tròn xoay sẽ nằm ngay trong hệ tọa độ chi tiết O’X’Y’Z’ như thể hiện trên hình 2.3. Mặc dù hướng và vị trí của chi tiết nói chung có thể thay đổi trong các hệ tọa độ khác nhau nhưng biên dạng chi tiết sẽ không thay đổi.

Hình 2. 4: Biên dạng chi tiết tròn xoay [59].

Do đó, mô hình toán học của biên dạng chi tiết tròn xoay có thể được biểu thị bằng công thức:

       , 0 1 , 2 ,

r z r z r z  r z  (2. 5) Ở đây:

30  

1 1 1 1 1

2 2

, cos( ) sin( ) cos( ) sin( )

a b M M j j j j j j r z  a z  b z  a  b                  là thành phần điều hòa bậc nhất đặc trưng cho tâm bình phương nhỏ nhất (LSC) của biên dạng tròn mỗi mặt cắt và là một thành phần thay đổi dọc trục Z. Rõ ràng, đường tâm cong được xác định thông qua các LSC bằng vectơ a z1( ) jb z1( ) như thể hiện trong hình 2.3.

  2 2 , p( ) cos( ) p( )sin( ) p r z   a z p b z p   

   đại diện cho độ không tròn của biên dạng cắt ngang dọc theochi tiết.

Hình 2. 5: Các dạng biên dạng tròn xoay [32].

a) Đường kính thay đổi dọc trục, b) Đường tâm thay đổi, c) Đường kính thay đổi trong từng mặt cắt.

Do đó, biên dạng chi tiết tròn xoay có thể được coi là tập hợp của nhiều mặt cắt ngang sắp xếp dọc theo đường tâm cong. Chúng ta có thể sử dụng phương pháp mặt cắt để đo độ lệch hướng tâm, độ tròn và vectơ LSC của mỗi mặt cắt ngang dọc theo chi tiết tròn xoay, sau đó xây dựng lại biên dạng chi tiết tròn xoay theo phương trình (2.5).

Hình 2. 6: Cách xây dựng biên dạng chi tiết tròn xoay [37].

Các lỗi biên dạng sau đó có thể được đánh giá dựa trên biên dạng chi tiết tròn xoay vừa xây dựng lại.

31

2.2 Nguyên lý, cấu tạo cảm biến đo Laser Scan Micrometer

2.2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến Laser Scan Micrometer

Hình 2. 7: Mô hình hoạt động của cảm biến đo LSM [28].

Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo Laser scan micrometer được trình bày như sau (Hình 2.7): Laser được chiếu lên gương đa giác lắp cố định trên trục động cơ. Vị trí gương đa giác được điều chỉnh sao cho điểm laser chiếu trên gương trùng với vị trí tiêu điểm trước của thấu kính chuẩn trực. Động cơ quay làm quay gương đa giác tạo thành chùm tia laser và sau khi đi qua thấu kính chuẩn trực trở thành chùm song song. Thấu kính hội tụ có tác dụng hội tụ chùm tia song song quét qua vùng đo về mặt cảm biến quang điện. Khi đặt vật đo vào vùng quét laser giữa hai thấu kính, đường kính của vật đo tỷ lệ với thời gian chùm tia laser bị che khuất. Sau khi sử lý tín hiệu thu từ cảm biến quang điện ta xác định thời gian che khuất và tính được kích thước vật đo [27], [28], [29], [30], [67], [68], [69].

Hình 2. 8: Mô hình mối quan hệ giữa kích thước vật đo với khoảng thời gian che khuất.

Từ hình 2.8 ta có đường kính vật đo: D  2 . ( / 2)f tg 

Khi α/2 là góc nhỏ thì tg( / 2)   / 2 do đó:

.

D  f  (2. 6)

Theo tính chất của gương phẳng: Khi tia tới cố định, nếu gương quay một góc

g thì tia phản xạ sẽ quay một góc  = 2g (2. 7) Mặt khác: αg = g . t2 = 2.n.t2 (2. 8)

32

Thay công thức (2.7) và (2.8) vào công thức (2.6) ta được công thức xác định đường kính như sau:

2

4 . . .

D  n f t (2. 9)

Trong đó: t2 là thời gian vật đo che khuất chùm tia laser.

g là vận tốc góc của gương đa giác.

n là vận tốc quay của gương đa giác (vòng/s). f là tiêu cự của thấu kính chuẩn trực.

Hình 2. 9: Các khoảng thời gian trong một chu kỳ quét tại mặt cắt thứ i.

Với cảm biến quét laser LSM trong một chu kỳ quét ta xác định được các thông số sau (Hình 2.9):

+ Khoảng cách từ điểm cố định trên cùng vùng quét laser phía trên (Điểm T) đến điểm cao nhất trên bề mặt chi tiết đo (Điểm Pij) tương ứng với thời gian quét laser t1.

+ Khoảng cách từ điểm cao nhất (Điểm Pij) đến điểm thấp nhất(Điểm Hij) của chi tiết đo (Đường kính vật đo) ) tương ứng với thời gian quét laser t2.

+ Khoảng cách từ điểm thấp nhất(Điểm Hij) của chi tiết đo đến điểm cố định thấp nhất của vùng quét laser phía dưới (Điểm B) tương ứng với thời gian quét laser t3.

33

2.2.2 Cấu tạo cảm biến Laser Scan Micrometer

Cảm biến LSM cấu tạo có 2 bộ phận chính:

- Bộ phận tạo ra tín hiệu đo: Gồm có hệ quang (Gương, thấu kính, laser) và mạch tạo xung đo trên cơ sở các cảm nhận từ chi tiết đo.

- Bộ phận xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo: Gồm có bộ xử lý và chuyển đổi xung đếm thành kết quả đo kết hợp với hệ thống CPU chuyển đổi các dữ liệu đo sang các giao diện khác như: màn chỉ thị, bàn phím, máy in, chuyển đổi D/A....

Sơ đồ khối chức năng:

Hình 2. 11: Mô hình chức năng của cảm biến LSM

Hình 2. 12: Mô hình các bộ phận của cảm biến LSM [70].

- Đầu phát laser: laser được tạo ra từ một đầu phát laser khí He-Ne. Ánh sáng đỏ bước sóng 650 nm.

- Bộ phận tạo laser quét:

Có nhiều phương pháp tạo laser quét như các phương pháp gương đa giác quay, gương điện kế, gương dao động ... nhưng với ưu điểm là đơn giản và cho tốc độ quét cao nên phương pháp gương đa giác quay được sử dụng phổ biến nhất trong cảm biến quét laser.

34

Hệ quang tạo quét laser bằng phương pháp đa giác quay như hình 2.13 và hình 2.14. Khi sử dụng phương pháp này, cứ một vòng quay của gương sẽ tạo ra s chu kỳ quét của tia phản xạ (s là số cạnh của đa giác) do đó có thể cho vận tốc quét và tần số đo lớn.

Hình 2. 13: Mô hình tạo chùm tia quét laser bằng gương đa giác quay.

Hình 2. 14: Mô hình tạo chùm tia quét laser bằng gương đa giác quay.

- Bộ phận trực chuẩn tia quét:

35

Các tia laser phản xạ từ gương đa giác quay sẽ lập thành một chùm tia quét góc. Tuy nhiên khi xác định đường kính D các chi tiết ta phải quét lên hai đường sinh đối tâm do đó bắt buộc chùm tia quét phải là song song. Như vậy cần thiết phải có sự trực chuẩn chùm tia quét góc thành chùm tia quét song song. Để thực hiện điều này người ta đặt điểm "hội tụ" của chùm tia quét góc tại tiêu điểm của một thấu kính chuẩn trực TK1 (Hình 2.14).

Ngoài chức năng chuẩn trực chùm tia quét thì thấu kính chuẩn trực còn có chức năng rất quan trọng sau: Tia quét laser góc cũng như tia laser từ nguồn phát nó có độ song song rất cao vì vậy sau khi qua TK1 thì nó sẽ hội tụ tại tiêu diện sau của TK1. Như vậy, so với đường kính chùm tia phát thì đường kính của tia quét tại tiêu diện của TK1 nó đã giảm được nhiều lần (Hình 2.15). Nhờ sự giảm đường kính của tia quét này mà khả năng phân giải khi nhận cạnh vật đo của tia quét được tăng lên tức là tăng độ chính xác của phép đo.

- Bộ phận cảm nhận chùm tia quét laser và tạo tín hiệu đo:

Trong quá trình quét sẽ có một khoảng thời gian tia laser bị che khuất bởi chính vật đo. Để chuyển đổi sự không liên tục này thành tín hiệu đo ở bộ phận cảm nhận người ta thường chuyển đổi nó thành tín hiệu xung điện như sau:

Hình 2. 16: Mô hình bộ phận tạo xung đo.

Tia quét laser sau khi qua vật đo sẽ được hội tụ nhờ một kính hội tụ TK2, tại tiêu điểm của kính hội tụ ta đặt một tế bào quang điện, như vậy với sự không liên tục của chùm quét laser đến kính hội tụ, do sự che khuất của vật thì sau khi khuyếch đại tín hiệu điện của tế bào quang điện kết hợp mạch chuyển đổi thích hợp ta sẽ được một