Máy đo tọa độ 3 chiều CMM

Chƣơng 4 : XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

4.1. Lập cơ sở dữ liệu

4.1.1. Máy đo tọa độ 3 chiều CMM

Máy đo tọa độ là tên gọi chung của các thiết bị vạn năng có thể thực hiện việc đo vị trí hình học các điểm đo theo phương pháp tọa độ. Thông số cần đo được tính từ các tọa độ điểm đo so với gốc tọa độ của máỵ Các loại máy này còn được gọi là máy quét hình vì chúng còn được dùng để quét hình dáng của vật thể. Có hai loại máy đo tọa độ thông dụng là máy đo bằng tay (đầu đo được dẫn động bằng tay) và máy đo CNC (đầu đo được điều khiển tự động bằng chương trình số).

Các máy đo tọa độ CMM hoạt động theo nguyên lý dịch chuyển một đầu dò để xác định tọa độ các điểm trên một bề mặt của vật thể. Máy đo tọa độ thường đo

SỐ LIỆU ĐẦU VÀO - Tọa độ các điểm trên biên dạng lỗ/trục - Các thông số: w, c1, c2, r1, r2, vmax, s, … - Thuật toán Chương trình SỐ LIỆU ĐẦU RA - Các giá trị a, b, l, m. - Sai lệch độ trụ nhỏ nhất - Biểu đồ biểu diễn sai số của các điểm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

các tọa độ theo phương chuyển vị X, Y, Z. Bàn đo được làm bằng đá granít, đầu đo được gắn trên giá, giá lắp trên thân trượt theo phương Z, khi đầu đo được điều chỉnh đến một điểm đo nào đó thì đầu đọc sẽ cho ta biết 3 tọa độ X,Y,Z tương ứng với độ chính xác cao, có thể lên đến 0,1 micromét.

Máy CMM thường thiết kế với 4 phần chính: - Thân máy

- Đầu dò

- Hệ thống điều khiển hoặc máy tính. - Phần mềm đọ

Hình 4.1 Cấu tạo máy CMM

Với hệ thống đầu đo cho máy CMM, người ta có thể sử dụng loại đầu dò tiếp xúc hay đo điểm rời rạc, hệ thống đầu đo laser, hoặc camerạ Máy đo CMM đa cảm biến có thể được trang bị nhiều hơn một cảm biến, camera hoặc đầu dò.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn Hình 4.2. Các loại đầu dò dùng cho máy CMM

Máy đo bằng tay có chuyển vị rất êm, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt trên đệm khí nén. Để kết quả đo tin cậy, áp suất khi nén cần phải được bảo đảm như điều kiện kỹ thuật của máy đã ghi nhằm đảm bảo đệm khí đủ áp suất và làm việc ổn định. Các máy của hãng Mitutoyo thường có yêu cầu áp suất khi nén là 0,4 MPa với lưu lượng 40 lít/phút ở trạng thái bình thường. Máy phải được vận hành ở nhiệt độ thấp từ 160C đến 260

C.

Máy đo 3D có phạm vi sử dụng lớn. Nó có thể đo kích thước chi tiết, đo profin, đo góc, đo độ sâụ.. Nó cũng có khả năng đo các thông số phối hợp trên một chi tiết như độ song song, độ vuông góc, độ phẳng. ... Đặc biệt máy có thể cho phép đo các chi tiết có biên dạng phức tạp, các bề mặt không gian như: bề mặt khuôn mẫu, cánh turbine, mui xe ô tô...

Để dễ dàng cho việc tính toán kết quả đo, kèm theo máy là phần mềm thiết kế cho từng loại thông số cần đọ Mỗi hãng chế tạo máy CMM đều viết riêng cho các máy của mình những phần mềm khác nhaụ Mỗi phần mềm có thể có nhiều môđun riêng biệt ứng dụng cho từng loại thông số. Ví dụ máy CMM của hãng Mitutoyo có các môdun phần mềm sau đây:

- Geopak : có nhiều cấp độ khác nhau, dùng cho đo lường vật thể 3D, có thể xuất sang file dạng .gws để chuyển đổi dữ liệu đo thành dữ liệu chuỗi điểm cho thiết kế chi tiết bằng phần mềm Pro/Engineer hoặc các phần mềm khác.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

- Scanpak: dùng để số hoá biên dạng 3D của vật thể, chuyên dùng để quét biên dạng và bề mặt 3D dùng cho tái tạo ngược.

- Statpak : chuyên dùng để xử lý số liệu đọ

- Gearpak: chuyên dùng cho đo bánh răng, chuyển dữ liệu từ máy CMM sang máy kiểm tra bánh răng.

- Tracepak: chương trình quét vật thể 3D cho máy CMM vận hành bằng taỵ Máy CMM có nhiều chủng loại khác khác nhau về kích cỡ, thiết kế và công nghệ dò. Máy có thể chỉ có hệ điều khiển bằng tay hoặc có hệ điều khiển CNC/PC. Các máy CMM thường được sử dụng để đo kích thước, đo kiểm mẫu, góc, hướng hoặc chiều sâụ Các tính năng chung của máy CMM là có hệ thống bảo vệ chống va đập, khả năng lập trình on-line, tái tạo ngược.

Các thông số cơ bản được quan tâm của máy là các hành trình đo theo trục X,Y,Z; độ phân giải và trọng lượng vật đọ

Về kết cấu, máy CMM gồm nhiều loại : - Tay gấp

- Kiểu cầu - Kiểu chìa đỡ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn Hình 4.3. Máy đo CMM thông dụng kiểu cầu

Hình 4.4. Máy CMM kiểu Grantry của B&S

Hình 4.5. Máy CMM kiểu Cantiver của Tarrus

Kiểu tay gấp thường là loại máy nhỏ cầm tay, cho phép đầu dò xoay theo nhiều hướng khác nhaụ Máy kiểu cầu là loại có trục đo được lắp thẳng đứng với một dầm ngang đặt trên 2 trụ đỡ. Máy đo kiểu cầu (theo trục X) giúp mở rộng phạm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

vi đọ Với máy đo kiểu chìa đỡ, trục đo được đỡ bởi một kết cấu đỡ. Máy kiểu giàn có kết cấu khung treo trên các ụ đỡ để có thể mở rộng pham vi trên các vật được đọ Các máy đo kiểu giàn có cấu trúc tương tự như kiểu cầu . Đối với máy đo kiểu trục ngang, trục lắp đầu dò được đặt nằm ngang , một đầu gắn trên giá đỡ thẳng đứng có thể dịch chuyển được . Máy đo CMM cầm tay “Sigma Series” là loại máy thế hệ mới kết nối không dây và sử dụng năng lượng pin. Sigma series hiện có 9 chủng loại với các khoảng đo 1,8; 2,2; 2,5; 2,8; 3,0; 3,3; 3,6; 4,6 và 5,2 mét. Đây là loại máy có dải đo lớn nhất trên thị trường hiện naỵ

4.1.2. Tạo bộ dữ liệu cho chƣơng trình.

Tiến hành đo mẫu thử là một con lăn cán thép trên máy đo CMM 544 Mitutoyo của trung tâm thí nghiệm trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Mẫu thử được gá đặt chắc chắn trên bàn máỵ Khởi động máy CMM, máy nén khí cùng phàn mềm MCOSMOS và tiến hành thiết lập đầu đo, xây dựng hệ tọa độ cho mẫu thử.

Hình 4.6. Mẫu thử đo trên máy CMM.

Các thao tác tạo bộ dữ liệu đo trên máy CMM:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

Hình 4.7. Phần mềm GEOPAK

- Kích vào nút: Create a new part xuất hiện hộp thoại Start up wizard.

Hình 4.8. Hộp thoại Start up wizard - Để hiệu chuẩn đầu đo ta kích vào lệnh Exit and calibrate.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

- Tiến hành đo 6 điểm bất kỳ trên quả cầu chuẩn MasterBall, ta được đầu đo chuẩn.

Hình 4.9. Thiết lập thông số tạo đầu đo chuẩn - Chọn đầu đo vừa hiệu chỉnh rồi nhấn OK.

Hình 4.10. Hiệu chỉnh đầu đo - Khi đó xuất hiện hộp thoại:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

Hình 4.11. Giao diện chương trình sau khi hiệu chỉnh đầu đọ - Đo mặt phẳng chuẩn , dùng lệnh: Element planẹ

Hình 1.12. Hộp thoại Element plane - Chọn mặt phẳng vừa đo làm mặt phẳng chuẩn (XY plane)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

Hình 4.13. Chọn mặt phẳng chuẩn - Đo vòng tròn chuẩn, sử dụng lệnh: Element Circlẹ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

- Chọn tâm đường tròn vừa đo làm gốc tọa độ, sử dụng lệnh: Create Origin.

Hình 4.15. Hộp thoại Create origin

- Sau khi lệnh kết thúc ta có được hệ tọa độ cho chi tiết cần đọ - Tiến hành đo các điểm bằng lệnh: Element point.

- Sau khi đo xong các điểm cần đo ở mặt thứ nhất, ta điều chỉnh đầu đo dịch đi một đoạn 24mm dọc theo trục z và tiếp tục đo các điểm ở mặt thứ haị Sau khi đo xong các điểm cần đo ở mặt thứ 2 thì làm tương tự như vậy và đo các điểm ở mặt thứ bạ

- Sau khi có kết quả là bộ dữ liệu tọa độ đo lấy trên máy CMM. Xuất dữ liệu của biên dạng trục ra các định dạng file thông dụng như Dxf, Iges... hoặc xuất trực tiếp ra định dạng Text.

- Định dạng text mà MCOSMOS cho ra khi đọc bằng Notepad có dạng như hình 4.17. Trong file Notepad được biểu diễn 4 cột: cột 1 là thứ tự điểm đo, cột 2 là tọa độ x, cột 3 là tọa độ y, cột 4 là tọa độ z tương ứng với các điểm trong cột 1. Các số liệu trong từng bộ cách nhau bởi một ký tự dấu cách  .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

Hình 4.16. Lệnh đo các điểm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

4.2. Giới thiệu về phần mềm matlab

Matlab là một ngôn ngữ lập trình thực hành bậc cao được sử dụng để giải các bài toán về kỹ thuật. Matlab tích hợp được việc tính toán, thể hiện kết quả, cho phép lập trình, giao diện làm việc rất dễ dàng cho người sử dụng. Dữ liệu cùng với thư viện được lập trình sẵn cho phép người sử dụng có được những ứng dụng sau đây:

- Sử dụng các hàm có sẵn trong thư viện, các phép tính toán học thông thường

- Cho phép lập trình tạo ra các ứng dụng mớị - Cho phép mô phỏng các mô hình thực tế. - Phân tích, khảo sát và hiển thị dữ liệụ - Với phần mềm đồ họa cực mạnh

- Cho phép phát triển, giao tiếp với các phần mềm khác như C++, Fortran.

ạ Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của Matlab.

Matlab là hệ thống tương giao, các phần tử dữ liệu là một mảng (mảng này không đòi hỏi về kích thước). Chúng cho phép giải quyết các vấn đề liên quan đến lập trình bằng máy tính, đặc biệt sử dụng các phép tính về ma trận hay véc tơ và có thể sử dụng ngôn ngữ C hoặc Fortran lập trình rồi thực hiện ứng dụng lập trình đó bằng các câu lệnh gọi từ Matlab. Matlab được viết tắt từ chữ MATRIX LABORATORY, phần mềm Matlab được viết nhằm cung cấp cho việc truy cập vào phần mềm ma trận một cách dễ dàng, phần mềm ma trận này được phát triển từ Linpack và Eispack. Ngày nay Matlab được phát triển từ LAPACK và ARTPACK tạo nên một nghệ thuật phần mềm cho ma trận.

Dữ liệu: Dữ liệu của MATLAB thể hiện dưới dạng ma trận (hoặc mảng – tổng quát), và có các kiểu dữ liệu được liệt kê sau đây:

- Kiểu đơn single, kiểu này có lợi về bộ nhớ dữ liệu vì nó đòi hỏi ít byte nhớ hơn, kiểu dữ liệu này không được thể hiện trong các phép tính toán học, độ chính xác kém hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

- Kiểu kép double kiểu này là kiểu thông dụng nhất của các biến trong MATLAB.

- Kiểu int8, uint8, int16… - Kiểu Char ví dụ như “hello”. - Kiểu cell.

- Kiểu structurẹ

Trong MATLAB kiểu dữ liệu double là kiểu mặc định sử dụng trong các phép tính số học.

b. Ứng dụng

MATLAB tạo điều kiện thuận lợi cho: - Các khóa học về toán học.

- Các kỹ sư, các nhà nghiên cứu khoa học.

- Dùng matlab để tính toán, nghiên cứu tạo ra các sản phẩm tốt nhất trong sản xuất.

4.3. Ứng dụng phần mềm matlab chạy chƣơng trình PSO ứng dụng.

- Nhấp chuột vào biểu tượng chương trình matlab, xuất hiện hộp thoại:

Hình 4.18. Giao diện chương trình. - Vào File, chọn: Set path. Xuất hiện hộp thoại:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

Hình 4.19. Hộp thoại Set path.

-Click chuột vào Ađ Foder, xuất hiện hộp thoại: Browse For Folder.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

- Chọn đường dẫn đến nơi để chương trình thuật toán rồi click chuột vào

OK. Sau đó click chuột vào Save để lưu lệnh.

Hình 4.21. Hộp thoại Set path khi đã chọn xong - Click vào close để đóng hộp thoại set path.

- Khi hộp thoại Set path đóng lại thì màn hình trở về giao diện chương trình ban đầụ Để chạy chương trình ta gõ lệnh pso.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

Kết quả của chương trình sau khi chạy thuật toán PSO là các giá trị (a, b, l, m) tương ứng ở dòng Result và sai số độ trụ nhỏ nhất ở dòng Cylindricitỵ Và hiển thị hộp thoại Fugure1 biểu diễn trụ kết quả và các điểm đo từ thực nghiệm, hình 4.23.

Hình 4.23. Hình trụ kết quả và các điểm đọ

Hình trụ mầu xanh là hình trụ kết quả phù hợp nhất với bộ dữ liệu được đo (mầu vàng) từ thực nghiệm để sai số độ trụ là nhỏ nhất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

Kết quả:

Sau nhiều lần chạy chương trình ta có kết quả của thuật toán đạt được khi giá trị kết quả không thay đổi hoặc có giá trị gần nhaụ

Bảng 4.1: Kết quả của PSO (đơn vị: mm)

Các thông số Giá trị a 0.0052 b 0.0057 l -0.0002 m - 0.0003 Cylindricity 0.0068 0 2 4 6 8 10 12 0 50 100 150 200 250 300 350 Lần lặp tối đa cyl indr ic it y e rr or m m Hình 4.25. Các lần lặp của PSO

4.4. So sánh thuật toán PSO với thuật toán Dhanish. 4.4.1. Thuật toán Dhanish xác định độ không tròn. 4.4.1. Thuật toán Dhanish xác định độ không tròn.

Thuật toán Dhanish: Thuật toán do P.B.Dhanish công bố trên International journal of Machine Tool & Manufacture 42(2002) 1589 - 1594. Thuật toán này cho phép xác định sai số độ không tròn từ bộ dữ liệu tọa độ các điểm đo thuộc đường tròn cần kiểm trạ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

Xác định vấn đề:

Gọi (x1, y1), (x2, y2), …, (xi, yi), …, (xn, yn) là tọa độ theo phương x , y trong mặt phẳng xy của n điểm trên vòng tròn cần đo (Hình vẽ 3.1). Ta cần phải tìm tọa độ của tâm (x0, y0) và bán kính r0 của một đường tròn lý tưởng phù hợp nhất với các đường tròn vừa đo được . Sai số của đường tròn lý tưởng này so với điểm thứ I có tọa độ (xi, yi) là:

  2 2

0 0 0

i i i

e  x x  y y r

Gọi giá trị lớn nhất và nhỏ nhất trong các giá trị ei này là emax và emin. Sai số độ tròn h có thể tính được: h = emax - emin. Theo định nghĩa độ không tròn, mục đích của bài toán là xác định các tọa độ x0, y0 và bán kính r0 sao cho giá trị h là nhỏ nhất

Mô tả thuật toán: Bài toán gồm 19 bước.

Bƣớc 1: Xác định tọa độ tâm tạm thời (xấp xỉ) của các điểm đã cho theo công thức:

0 0 i i x x n y y n    

Bƣớc 2: Chuyển điểm gốc của hệ tọa độ sang điểm tâm mới xác định được (x0, y0). Khi đó tọa độ các điểm ban đầu sẽ tương đương các cặp tọa độ mới x' , 'i y i trong

đó 0 0 ' ' i i i i x x x y y y        (xi,yi) (x0,y0) emax emin

Hình 4.26. Mô phỏng tọa độ các điểm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnụedụvn

Bƣớc 3: Tính toán các khoảng cách từ mỗi điểm đến tâm mới: 2 2 'i 'i 'i