4. Các kết quả mới của luận án
1.4.1.1 Nghiên cứu đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến tiếp xúc
tiếp xúc
Hiệ n nay, trên th ế giới các nghiên c ứ u t ậ p trung nhi ều vào đo biên dạ ng tròn xoay bằng phương pháp đo tiế p xúc (Máy đo CMM, tay máy, máy 1 t ọa độ , c ả m bi ế n tiế p xúc), các gi ải pháp nâng cao độ chính xác x ử dụng nhi ều đầu đo hoặ c thu ậ t toán tối ưu (Splin e , Simplex, Gausian, …) .
Nhóm tác gi ả Katsuyu Endo, Wei Gao và Satoshi Kiyono gi ới thi ệ u phương pháp đo biên dạ ng hình tr ụ bằng 5 đầ u dò ti ế p xúc đặ t theo hình xo ắ n ốc (Hình 1.21) với các góc tương ứng ϕ1 = 0o, ϕ2 = 395o, ϕ3 = 838,7o, ϕ4 = 1236,5o, ϕ5 = 1658,8o. Sử dụng phương pháp lọc ngược để xử lý tín hi ệ u t ừ các c ả m bi ế n nh ằ m tách các sai s ố chuyển động [31].
(a) (b)
Hình 1. 21: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc [31].
a) Vị trí 5 đầu đo theo hình xoắn ốc; b) Vị trí đầu đo theo phương dọc trục.
Nhóm tác gi ả Wenwen Liu, Penghao Hu và Kuangchao Fan phân tích, so sánh các k ỹ thu ậ t tách sai s ố (Error separation techniques - EST) hình tr ụ sử dụng 5 đầu đo tiế p xúc theo Tiêu chu ẩ n ISO 12180 [1]: Theo tiêu chu ẩ n ISO 12180 biên d ạ ng hình tr ụ có th ể được coi là ba độ lệ ch ch ồng ch ất: độ lệch hướng tâm, độ lệch đường trung tuyến và độ lệ ch mặ t c ắt ngang, như trong Hình 1.22 . Rõ ràng, độ lệch đườ ng trung bình biể u th ị độ l ệ ch của đường trung tuyế n c ủ a hình tr ụ và độ lệch hướng tâm, độ lệ ch mặ t c ắ t bi ể u th ị độ lệ ch bán k ính và độ tròn c ủ a mặ t c ắt tương ứ ng [32].
- 5 đầu đo tiế p xúc quét song song (Hình 1.22): 3 đầu đo đặ t trên 1 mặ t c ắ t, 2 đầu đo còn lạ i đặ t d ọc theo tr ục. Hình tr ụ đượ c chia thành M mặ t c ắ t và kho ả ng cách tr ục gi ữ a mỗi mặ t c ắ t là d. Năm đầ u dò chuyể n v ị được g ắ n trên bàn d ịch chuyể n d ọc theo hướng Z. Khi bàn d ịch chuyển được đặ t ở vị trí J (J = 1, 2, · · · , M) và hình tr ụ
xoay một vòng, đầ u dò 1 –3 xác định được các sai s ố xuyên tâm trong mặ t c ắ t ngang c ủa J, trong khi đó đầ u dò 4 và 5 xác định các sai s ố hướ ng Z trong các mặ t c ắ t ngang (J + 1) và (J + 2). Khi hoàn t ấ t vi ệ c thu th ậ p d ữ liệ u, bàn d ịch chuyể n di chuyể n m ộ t khoả ng cách d d ọc theo hướng Z và đi vào vị trí (J + 1). T ạ i th ời điểm này, đầ u dò 1 – 3
nằ m trong mặ t c ắ t ngang (J + 1) và đầ u dò 4 và 5 l ần lượt n ằ m trong mặ t c ắ t ngang (J + 2) và (J + 3) thu th ậ p d ữ liệ u c ủa vòng quay m ới s ẽ được th ự c hiệ n.
Hình 1. 22: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc quét song song [32].
Đầ u ra t ừ 5 đầu đo được s ử dụng để đo độ lệ ch bán kính c ủa các m ặ t c ắ t ngang cũng như các vector Least Square Center (LSC) c ủa m ặ t c ắ t ngang liên ti ếp, trong đó xác định m ặ t c ắt đường tâm cong c ủ a hình tr ụ. Hơn nữ a, biên d ạ ng hình tr ụ có th ể được xây d ự ng l ạ i mộ t cách chính xác b ằ ng cách l ắ p ráp t ừ ng mặ t c ắt ngang thu được trên đường tâm cong không gian.
Phương pháp này p hát hi ện chính xác đường tâm cong không gian c ủa hình tr ụ và các chuyển độ ng sai s ố c ủa hình tr ụ trong h ệ thống đo đượ c loạ i b ỏ hoàn toàn.
Việ c phát hi ện đầy đủ các thành ph ần hàm điề u hòa c ủa các mặ t c ắ t ngang liên tiế p ph ụ thu ộc vào cách ba đầ u dò trong mộ t mặ t c ắt được đặt tương đố i v ới nhau. Do đó, để đả m b ả o kh ả năng khử sai s ố tố t nên b ố trí góc c ủa ba đầ u dò mộ t cách phù h ợ p. Các đầ u dò c ần được hi ệ u chu ẩ n nghiêm ng ặ t và l ự a ch ọn c ẩ n th ận. Đặ c bi ệ t, s ự không đồ ng b ộ v ề độ nh ạy và độ tuyế n tính gi ữa năm đầ u dò c ần được kh ắ c ph ục càng nhi ề u càng t ốt, đây là yế u t ố chính ảnh hưởng đến độ chính xác c ủa đường tâm cong không gian c ủa hình tr ụ .
Phương pháp này phù hợp để đo biên d ạ ng tr ụ trên máy gia công . Trong đó, bàn dịch chuyể n đầu đo có th ể được g ắ n vào bàn d ịch chuyể n máy công c ụ. Phù h ợp đo biên dạ ng tr ụ bán kính l ớn, dài và t ốc độ quay th ấ p [33], [34], [35].
- 5 đầu đo đặt theo đường xo ắ n ốc (Hình 1.23): 5 đầ u dò chuyể n v ị được b ố trí trên một đường quét xo ắ n ốc được g ắ n trên bàn d ịch chuyể n, di chuyể n d ọc theo hướng Z. Ở đây, vị trí góc c ủa 5 đầ u dòϕn (n = 1, 2, 3, 4, 5) l ần lượt là 0o, 395o,
838,7o, 1236,5o, 1658,8o và bước c ủa đường xo ắ n ốc là T = 10 mm. T ổng s ố vòng tròn xoay c ủa đường xo ắ n ố c là M = 29 . Phương pháp đo biên dạ ng xo ắ n ốc có hai v ấn đề : Một là tri ệt tiêu hàm điề u hòa (Xác định đườ ng tâm cong) và hai là độ thẳng đa điể m EST dự a trên DFT (Discrete Fourier Transform).
Hình 1. 23: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc quét xoắn ốc [32].
Phép đo biên dạ ng hình tr ụ được chuyể n thà nh phép đo độ th ẳ ng mộ t chi ề u bằng độ thẳng đa điể m EST d ự a trên DFT . Độ thẳng đa điể m EST d ự a trên DFT được xây d ự ng theo gi ả định r ằ ng biên d ạng độ th ẳ ng là t ừ đầu đế n cu ối. Biên d ạ ng xo ắ n ốc thự c t ế trên hình tr ụ là không th ể đạt được. Do đó, việ c áp d ụ ng tr ự c ti ếp độ th ẳ ng EST dự a trên DFT để đo lường và tái c ấ u trúc biên d ạ ng xo ắ n ốc trên hình tr ụ sẽ làm gi ả m tính hoàn thi ệ n v ề mặ t lý thuyế t.
Cách điề n vào một phân đoạ n d ữ liệ u c ủa đầ u dò 2- 4 ở phầ n cu ối c ủa phép đo tr ở thành một yế u t ố quan tr ọng để xác định độ chính xác c ủa phép đo. Theo kinh
nghiệ m c ủ a tác gi ả , n ế u các sai s ố về độ th ẳ ng c ủa biên d ạ ng xo ắ n ốc th ự c t ế có ý nghĩa trong các đầ u ra c ủa các đầu dò, thì đó có thể là m ột gi ả i pháp t ốt r ằ ng một phân đoạ n d ữ li ệ u c ủa đầ u dò 2 - 4 ở đầu đuôi đo được gán b ởi d ữ liệu được thu th ậ p b ởi đầ u dò 1 ở đầu đo. Do một đoạ n d ữ li ệ u c ủa đầ u dò 2 - 4 ở đầ u cu ối đo không chắ c ch ắn, độ chính xác c ủa biên d ạng đườ ng xo ắ n ốc đo được ở c ả hai đầ u c ủa hình tr ụ b ị suy gi ảm đáng kể. Do đó, chiều dài đo hiệ u qu ả rút ng ắ n c ủa biên d ạng đường xo ắ n ốc là một điể m yế u [36], [37], [38].
- K ỹ thu ậ t tách l ỗi s ử d ụng khối V [39], [40], [41]:
Mộ t b ộ ph ậ n k ế t n ối hai kh ối V có chức năng là đường d ẫn hướng và mang theo mộ t bàn d ịch chuyể n. M ột đầ u dò chuyể n v ị được g ắ n trên bàn d ịch chuyể n. Khi hình tr ụ được điề u khi ể n b ởi tr ục chính quay, đầ u dò ti ế p t ục thu th ậ p dữ li ệ u. T ạ i th ời điể m đo , hai kh ố i V ph ả i ti ế p xúc chính xác v ới b ề mặ t c ủa hình tr ụ và h ệ thống đo phả i tránh xoay và di chuyể n theo tr ục Z. Do năm điể m ti ế p xúc v ới b ề mặt đo trong khi đo, hệ thống này có th ể được coi là hệ th ống đo EST năm điểm tươn g tự .
Hình 1. 24: Sơ đồ quét khối V.
Bên trái hiển thị hình trụ đo được trong hệ tọa độ OXYZ; bên phải hiển thị mặt cắt ngang của hình trụ trong mặt phẳng của khối V [39].
Xét h ệ tr ụ c OXYZ (Hình 1.24) với tr ục Z trùng v ới tr ục c ủa hình tr ụ danh nghĩa và mặ t ph ẳng được xác định b ởi tr ụ c X và Y trùng v ới mặ t ph ẳ ng kh ối V. Tr ục Y là đường phân giác c ủa kh ối V. Đặ t t ổ ng s ố điể m quét trên m ỗi vòng quay là N và
khoả ng th ời gian góc quét ph ải là δ = 2π/N. Đặ t v ị trí góc c ủa đầ u dò làϕ = kδ đố i v ới tr ục X và n ử a góc c ủa kh ối V là α = uδ. Bởi vì h ệ thống di chuyể n trên hình tr ụ trong quá trình đo, các chuyển độ ng sai s ố xuyên tâm và nghiêng c ủa hình tr ụ sẽ không liên quan đến đầ u ra c ủa đầ u dò. Tuy nhiên, vì hai biên d ạ ng c ắt ngang được ti ế p xúc b ởi hai kh ối V có sai s ố tròn, nó s ẽ làm cho h ệ th ống đo tạ o ra các chuyển động sai s ố xuyên tâm và nghiêng. T ạ i th ời điểm này, đầ u dò n ằ m trong mặ t c ắt ngang đo sẽ thu thậ p các sai s ố h ỗn h ợ p xuyên tâm, bao g ồ m biên d ạ ng c ắ t ngang r(z, i) (i = 0, 1,… , N − 1), chuyển độ ng sai s ố xuyên tâm c ủ a h ệ th ống đo ex(z, i), ey(z, i) (i = 0, 1, …, N − 1) trong mặ t c ắt có đầu dò, cũng như của sai s ố chuyển độ ng esx(z), esy(z). Đầ u ra c ủa đầ u dò là:
t(z, i) = r(z, i + k) + [ex(z, i) − esx(z)] cos(ϕ) +Σ ey(z, i) − esy(z)Σ sin(ϕ) (1. 1) Trong quá trình đo, hai mặ t c ắ t ngang ti ế p xúc v ới hai kh ối V điề u khi ể n các chuyển động sai s ố xuyên tâm và nghiêng c ủ a h ệ thống đo lường, t ạ o ra các chuyể n độ ng sai s ố lặ p l ạ i c ủa h ệ thống đo lườ ng trong mỗi vòng quay. Điề u này làm cho biên dạ ng hình tr ụ đo đượ c không b ị ảnh hưởng b ở i các sai s ố chuyển động c ủa hình tr ụ .
Sai s ố do các chuyển động c ủa hình tr ụ đượ c lo ạ i b ỏ, trong khi đó, sai số độ thẳ ng do chuyển động sẽ ảnh hưởng tr ự c tiếp đến độ chính xác đo của biên d ạ ng hình tr ụ, điề u này s ẽ làm giả m tính hoàn ch ỉnh v ề mặ t lý thuyế t.
Việ c phát hi ệ n đầy đủ các thành ph ần hàm điề u hòa c ủa các mặ t c ắ t ngang liên tiế p ph ụ thu ộc vào các giá tr ị góc l ự a ch ọn của đầ u dò và kh ối V. Do đó, để đả m b ả o kh ả năng gi ả m ảnh hưở ng sai số t ốt, giá tr ị góc c ủa đầ u dò ph ải được ch ọn c ẩ n thậ n.
Đây là một h ệ thố ng đo biên dạ ng di độ ng và phù h ợp để đo t r ự c ti ế p trên h ệ thống. Trong quá trình đo, điề u quan tr ọng nh ấ t là tránh h ệ thống đo quay xung quanh và di chuyể n d ọ c theo tr ục Z c ủ a hình tr ụ. Làm th ế nào để gi ảm tác động t ừ sai l ệ ch độ thẳ ng c ủa đườ ng d ẫ n là r ấ t quan tr ọng đối v ới độ chính xác c ủa phép đo biên d ạ ng.
Bù độ lệ ch th ẳ ng c ủa đường d ẫn được đề xu ất để c ả i thi ện độ chính xác c ủa phép đo biên d ạ ng. Tuy nhiên, theo quan điể m c ủa tác gi ả , có th ể là m ột gi ả i pháp t ố t để sắ p xếp theo đường kính c ủa đầ u dò th ứ hai theo hướng d ọc của đầu dò ban đầ u.
Nhóm tác gi ả Chuanzhi Sun, Hongye Wang, Yongmeng Liu, Xiaoming Wang, Baosheng Wang, Chengtian Li và Jiubin Tan nghiên c ứ u mô hình đo biên dạ ng hình tr ụ bậc có tính đến năm loạ i l ỗi có h ệ th ống và phân tích các ảnh hưởng c ủa năm lỗ i có hệ thống đối v ới k ế t qu ả đo biên dạ ng hình tr ụ bậ c [42], [43] như độ lệch tâm, bù đầ u dò, bán kính đầ u dò, nghiêng tr ục, nghiêng đường d ẫn hướng. Ảnh hưởng c ủa các l ỗ i đến độ lệ ch góc mẫu và đưa ra giả i pháp s ử dụng b ộ lọc Spline để nâng cao độ chính xác phép đo độ tr ụ và độ đồng tr ục c ủa chi ti ế t tr ụ bậ c.
Bộ lọ c spline là một b ộ lọc k ỹ thu ậ t s ố dự a trên ch ức năng khối spline được định nghĩa theo ISO - 16610 [44] như sau:
[1 + α 4Q]w = z 1 2sin λC (1. 2) α =
Trong đó z là biên dạng chưa lọ c, w là biên d ạng đã được l ọc, Δx là khoả ng th ời gian mẫ u, λc là bước sóng đóng - c ắ t c ủa b ộ lọc và Q là ma tr ậ n l ọ c. Hàm truyề n c ủa bộ lọc spline là:
H (λ ) = 1
1 + sin ( ) / sin ( ) (1. 3)
Nhóm tác gi ả Dongliang Liu, Peng Zheng, Jianghao Wu, Haotian Yin, Linna Zhang ứ ng d ụ ng thu ậ t toán Increment-Simplex để đánh giá lỗi hình tr ụ trên các điể m hình học thu đượ c [45] . Ý tưở ng c ủ a gi ả i pháp là xóa các điể m hình h ọc đo được ít ả nh hưởng đế n kế t qu ả đánh giá, khi đó hiệ u qu ả đánh giá sẽ đượ c cả i thi ệ n.
N ội dung thu ật toán được mô tả như sau: Cho t ậ p con S’ c ủ a tập điể m S và vùng ch ứ a nh ỏ nhấ t c ủa nó, điể m P là m ột điể m trong t ậ p S không thu ộc t ậ p S’ và n ằ m ngoài vùng ch ứ a nh ỏ nh ấ t c ủ a t ậ p S’, điể m P và t ậ p S’ tạ o thành một t ậ p m ới S’’, khi đó điể m P ph ả i n ằ m trên ranh gi ới c ủa vùng ngăn nhỏ nh ấ t c ủa t ậ p S’’ và sai s ố hình h ọc t’’ c ủa tậ p S’’ phả i l ớn hơn lỗ i s ố liệ u hình h ọc t’ c ủa t ậ p h ợp S’. Sau đó tăng điể m P lên n điểm để tạ o mộ t t ậ p Sn. Sai s ố hình h ọ c c ủa Sn cũng phả i l ớn hơn sai số hình h ọc c ủa tậ p S’. Có th ể suy ra ở trên r ằng các điể m bên ngoài vùng ch ứ a t ối thi ể u c ủa t ậ p con S’ được thay th ế bằng các điể m bên trong vùng t ối thi ể u c ủa t ậ p con S’ để tạ o thành t ậ p mới Sn. Vì khi vùng ch ứ a t ối thi ể u c ủ a t ậ p con S’ chứ a t ập điể m S thì vùng ch ứ a t ố i thiể u c ủa t ập điể m S là vùng ch ứ a t ố i thi ể u c ủa t ập điể m S’. Do đó, trong quá trình đánh giá lỗ i hình h ọc, miễ n là tìm th ấ y m ột tậ p con S’ c ủa tậ p S thì vùng ch ứ a nh ỏ nhấ t c ủa t ậ p con S’ ch ứ a t ập điể m S và vùng ch ứ a nh ỏ nhấ t c ủa t ập điể m S có th ể thu được. N ếu vùng ngăn chặ n t ố i thi ể u c ủa t ậ p h ợp con S’ không ch ứ a t ấ t c ả các điể m c ủa t ậ p hợp S, m ột s ố điểm bên ngoài vùng ngăn chặ n t ối thi ể u c ủ a t ậ p h ợp con S’ sẽ được thay th ế cho các điể m bên trong vùng t ối thi ể u c ủa t ậ p h ợp con S’ để có được m ộ t t ậ p hợp con mới. Sai s ố hình h ọc c ủa t ậ p con m ới ph ả i l ớn hơn sai số hình h ọc c ủ a t ậ p con cũ. Do đó, sau nhiề u l ầ n l ặ p l ạ i, ph ải tìm được vùng ch ứ a t ố i thi ể u ch ứ a t ậ p con S’ c ủ a tấ t c ả các điể m c ủ a t ập điể m S. B ằng cách này tìm được vùng ch ứ a t ối thi ể u và thu
được sai số hình h ọc c ủ a tậ p S [46], [47], [48].