Với các hư hỏng về quang học với điều kiện kỹ thuật của phòng thí nghiệm không đủ khả năng khắc phục, mặt khác do dụng cụ đo đòi hỏi độ chính xác cao nên khả năng sau sửa chữa dụng cụ sẽ không đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu. Tuy nhiên, hệ thống cơ khí đảm bảo vẫn còn hoạt động tốt, cho nên hướng khắc phục là thay thế đầu đo cơ khí sử dụng hệ thống quang bằng đầu đo mới cho optimettheo hướng cải thiện độ chính xác và đơn giản trong thao tác đo.
Sau khi tham khảo các hệ thống đo đang được ứng dụng trong thực tế, tôi đưa ra hai hướng giải quyết như sau:
Ứng dụng phương pháp đo tiếp xúc bằng đầu đo điện cảm.
Ứng dụng phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng cảm biến laser.
a.Phương pháp đo tiếp xúc bằng đầu đo điện cảm
Phương pháp đo dùng đầu đo điện cảm có nhiều ưu điểm :
Lực đo không đáng kể (0,3 – 0,7N), vì đầu đo chỉ chuyển động trong ống dây cảm ứng.
Độ chính xác khá cao, tùy vào phạm vi đo có thể đạt được 0.5m, với độ phân giải 0,1m; độ chính xác lặp lại 0,1m.
Số liệu đo có thể giao tiếp trực tiếp với máy tính (khi đầu ra là số), hoặc thông qua chuyển đổi A/D (khi đầu ra là tương tự). Tốc độ đo nhanh, khả năng xử lý thông qua máy tính nên thao tác đo dễ dàng, chuẩn ‘0’ nhanh.
Như vậy, việc thay thế đầu đo cũ rất dễ dàng bằng cách thiết kế cơ cấu mang thân đầu đo có kết cấu tương tự, chỉ khác là đầu đo cơ khí sử dụng hệ thống quang được thay thế bằng đầu cảm biến. Nguyên lý hoạt động cũng là đo chuyển vị thẳng
quang học được thay thế bằng hiển thị số trên màn hình máy tính. Trong thực tế, việc áp dụng hướng cait tiến này là phổ biến, đặc biệt là các dụng cụ đo chính xác cần sử dụng cảm biến điện cảm để vẫn đảm bảo lực đo nhỏ mà nâng cao được độ chính xác.
Hình 2-4. Kết cấu Optimet sử dụng đầu đo điện cảm.
Tuy nhiên việc ứng dụng phương án này còn gặp một số khó khăn: Giá thành đầu đo điện cảm rất đắt tiền, trong khi sử dụng đòi hỏi việc bảo quản rất nghiêm ngặt, các thiết bị phụ kiện cũng rất phức tạp. Khả năng cải tiến trong phạm
b.Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng cảm biến khoảng cách laser
Hình 2-5. Cảm biến khoảng cách laser.
Phươngán đo này cómột số ưu điểm như :
Dùng ánh sáng laser mảnh chiếu lên vật đo nên không xuất hiện lực đo nên có thể đo được các chi tiết mềm mỏng.
Tốc độ đo cao, có thể lấy 10–1000 mẫu trong 1 giây, thích hợp cho việc kiểm độ tròn,đảo của hình trụ khi cho trục quay nhanh.
Tia sáng laser có độ đơn sắc cao, vì thế có thể tia chiếu rất nhỏ nhưng có cường độ lớn. Vì thế có thể coi điểm đo rất nhỏ, lại không phụ thuộc vào chất lượng bề mặt nên có khả năng đo các chi tiết phức tạp.
Kết cấu đầu đo đơn giản, rất dễ lắp đặt và thao tác khi đo.
Vì cảm biến có dạng hộp kích thước 50x60x20 nên khi thiết kế bộ gá cần làm dạng hộp bao cảm biến. Phần thân trụ có kích thước 29 để lắp vào ngàm trên thân optimet. Hướng cải tiến optimet dùng cảm biến khoảng cách laser là có thể thực hiện được trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Chương 3. THIẾT KẾ CẢI TIẾN OPTIMET ĐỨNG ИКВ 3.1. Cảm biến khoảng cách laser CD1-30N
Với phương án cải tiến theo phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng cảm biến khoảng cách laser được chọn thì cảm biến khoảng cách laser CD1-30N là một thành phần quan trọng trong việc cải tiến optimet sang hướng chuyển đổi số, nó cần phải được khảo sát và tìm hiểu.
3.1.1. Các thông số kỹ thuật
1. Các thông số chính
Khoảng cách đo : 30 ± 4 mm.
Nguồn phát: Laser bán dẫn đỏ, lớp II (bước sóng 650 nm, 3.3mW).
Đường kính điểm sáng : 0,5mm.
Nguồn : 12– 24V.
Dòng tiêu thụ : 75 – 120mA.
Công tắc (Switching): NPN - 100mA - 36V.
Mặt trên của cảm biến bố trí các nút điều khiển và các đèn hiển thị:
Nút 4 : Teachingđể xác nhận một cài đặt.
Núm chỉnh 5: Chuyển chế độ: chạy-cài đặt-chạy có thời gian trễ.
Núm chỉnh 6: Lựa chọn thời gian đo 1ms-10ms-100ms.
Núm chỉnh 7: Chọn trạng thái bề mặt: trắng-đen-tự động.
Đèn hiển thị khoảng cách đo 2 : hiển thị vị trí tương đối giữa cảm biến và vật đo, bố trí ở giữa, có kích thước to nhất, phát sáng ba màu xanh, cam, đỏ.
Đèn trạng thái đo 3: hiển thị cường độ tia phản xạ, có ký hiệu STAB.
Đèn hiển thị tín hiệu ra 1: ký hiệu OUT/Teach. Khi công tắc chế độ ở vị trí SET thìđèn này có tác dụng báo trạng thái cài đặt.
3. Cài đặtcác chế độ của cảm biến
a. Lựa chọn độ nhạy vật đo
Tùy thuộc vào tính chất màu sắc vật đo mà ta chọn chế độ nhạy hợp lý, có 3 nấc chỉnh: Trắng/Đen/Tự động. Thông thường ta để ở chế độ tự động để cảm biến tự động chọn chế độ.
b. Lựa chọn thời gian đo
Có 3 nấcthời gian 100ms,10ms,1ms. Thời gian đo càng lâu thìđộ chính xác càng cao, bởi vì trạng thái nhận của các tế bào nhạy sáng phụ thuộc nhiều vào thời gian.
Thời gian đo 1 ms 10 ms 100 ms
Độ phân giải 10μm 3μm 1μm
c. Lựa chọn chế độ hoạt động
Có 3 nấc chọn: SET/RUN/RUN OFF DELAY. SET: đặt chế độ cho cảm biến
RUN OFF DELAY: hoạt động ở chế độ ngắt quãng, dừng 40ms.
d.Đặt chế độ đo giới hạn giữa hai điểm
Khi đặt chế độ này, ta cần lấy hai mốc chuẩn đo, nếu vật đo nằm trong giới hạn của hai mốc thì cảm biến sẽ báo xác nhận, ngược lại nếu nằm ngoài hai mốc chuẩn này, cảm biến báo không xác nhận. Chức năng này thường dùng trong kiểm nghiệm loạt sản phẩm chế tạo theo dây chuyền.
e. Lựa chọn chế độ bù tín hiệu ra
Tín hiệu ra có thể được bù 12mA khi đo trong vùng đo. Khi đó trong khoảng đo, tín hiệu có thể cộng thêm hoặc trừ đi 12mA, lựa chọn này để phù hợp với thiết bị chuyển đổi bên ngoài. Còn ở chế độ mặc định thì đèn Distance sáng (màu da cam) và tín hiệu ra là 12 +/- 8mA.
Hình 3-2. Chế độ bù tín hiệu ra 128mm.
f. Cài đặt từ bên ngoài
Thay vì phải bấm nút xác nhận cài đặt teach trên cảm biến, ta có thể thực hiện thông qua dây REMOTE INPUT (có màu hồng). Khi đó gạt nút MODE SELECTOR về vị tríRUN hoặcRUN OFF DELAY.
Cấp xung để cài đặt hoạt động của cảm biến, hoàn thành việc cài đặt cảm biến tự động chuyển về chế độ hoạt động bình thường. Khi ở chế độ cài đặt giới hạn đo giữa hai điểm, cấp xung đầu tiên để xác nhận giới hạn thứ nhất, xung thứ hai
phải cấp trong 30 giây sau để xác nhận giới hạn thứ hai nếu không cảm biến sẽ hủy bỏ chế độ cài đặt và tự động hoạt động lại theo cài đặt gốc.
g.Đầu vào chốt
Có thể chốt tín hiệu ra bằng cách cấp xung điều khiển vào dây chốt BLANK IN, khi có tín hiệu chốt thì trạng thái tín hiệu ra được giữ ở giá trị cố định mặc dầu chi tiết đo thay đổi khoảng cách, sử dụng chốt trong quá trình đọc dữ liệu để đảm bảo độ chính xác khi đo vật thể ở trạng thái không ổn định (rung động).
Khi cấp tín hiệu cho dây chốt ở mức cao, tín hiệu đầu ra được giữ ở giá trị cố định trong suốt thời gian tín hiệu được cấp.
Hình 3-3. Các trạng thái khi chốt.
4. Thông số về kích thước
Cảm biến được chế tạo có dạng hộp bằng hợp kim đúc liền khối, nhằm bảo vệ phần kết cấu điện tử bên trong. Phần để lắp ráp được làm lồi sang hai bên hông với chiều dày 0,2mm. Vì vậy khi gá có thể lấy chuẩn một mặt hoặc cả hai mặt đối diện. Kích thước được thể hiện chi tiết trên Hình 3-4. Dây cáp tín hiệu được bọc kim và bọc nhựa chắc chắn, chiều dài dây là 2m, có thể nối dài bằng đầu nối tiêu chuẩn. Tia laser được phát ra trên mặt gương trước, cách mép dưới 44mm.
Hình 3-4. Thông số kích thước.
3.1.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến
Hoạt động trên nguyên lý quang-điện như đã trình bày ở Chương 1, các tế bào quang điện được thay thế bằng các mảng thu bán dẫn để thu nhận sự thay đổi góc tia sáng phản xạ từ vật đo.
Hầu hết các loại cảm biến laser để có cấu tạo gồm các bộ phận như nhau. Gồm nguồn phát laser 1 và bộ thu bán dẫn 5 để đo khoảng cách tới vật theo nguyên lý đo tam giác. Nguồn phát là một bóng laser bán dẫn, thông qua thấu kính hội tụ 2 để tạo tia sáng song song và rất mảnh chiếu đến vật 3. Vật phản xạ lại các tia sáng này, các tia sáng phản xạ lại qua một thấu kính hội tụ 4 và chiếu lên bộ thu có dạng một điểm sáng. Khi vật thể dịch chuyển thìđiểm sáng này cũng dịch chuyển theo do đó khoảng cách có thể được xác định theo sự dịch chuyển của điểm sáng này trên bộ thu.
Hình 3-5. Cấu tạo cảm biến laser : 1.Đầu phát laser; 2.Hệ thấu kính hội tụ ; 3.Vật đo; 4.Hệ thấu kính thu ; 5.Đầu thu quang điện.
Ánh sáng phản xạ lại từ vật đo bao gồm hai thành phần: phản xạ chính và phản xạ khuyếch tán. Cường độ ánh sáng phản xạ phụ thuộc vào loại v ật liệu và điều kiện bề mặt vật thể. Tia phản xạ chính có thành phần nhiều hơn khi vật có bề mặt gương, nhẵn bóng. Ngược lại tia phản xạ khuyếch tán nhiều hơn đối với bề mặt phản xạ là nhám.
Thông thường khi cần đo chính xác cao thì vật đo cần có bề mặt nhẵn bóng, bởi vì thành phần tia sáng phản xạ chính có cường độ cao, sau khi đi qua hệ thống thấu kính sẽ đạt được độ hội tụ tốt nhất và cường độ tín hiệu trên bộ thu có mức độ chênh lệch lớn nhất, kết quả chính xác hơn. Tuy nhiên trong đo lường không phải chi tiết nào cũn g đạt độ nhẵn bóng theo yêu cầu mà trong thực tế các vật đo kiểm là các chi tiết có độ nhám nhất định nên thường dùng là cảm biến loại tia phản xạ khuyếch tán. Loại này cường độ ánh sáng chiếu trên bộ thu thấp hơn, giá trị vị trí chính xác là điểm có cường độ chiếu lớn nhất, vì vậy thuật toán xử lý của cảm biến
Hình 3-6. Vị trí đo đúng là có mức tín hiệu cực đại.
1. Bộ phát
Bộ phát thông thường là nguồn phát laser bán dẫn tạo tia sáng quang học chiếu lên vật đo. Ưu điểm của ánh sáng laser là có thể hội tụ thành tia sáng rất nhỏ mà vẫn đảm bảo cường độ cao. Hầu hết các bộ phát đang sử dụng là nguồn laser công suất thấp phát tia sáng 670nm là ánh sáng thấy được. Thông qua h ệ thống quang để tạo tia sáng kích thước nhỏ tại điểm đo. Kích cỡ của tia sáng phụ thuộc vào kết cấu hệ thống quang và quyết định đến kích thước giới hạn của vật đo. Ví dụ tia sáng có kích thước là 30μm chỉ đo được những vật có kích thước >30μm.
Đường kính điểm sáng thường xác định tại giới hạn đo nhỏ nhất (standoff) nhưng do hạn chế về mặt vật lý của hệ thống quang, không thể tạo tia sáng có kích thước như nhau dọc theo vùng làm việc được mà có dạng bị thắt lại tại giới hạn đo nhỏ nhất, đi ra khỏi vùng đo tia sáng mở rộng dần ra.
Hình 3-7. Kích thước của tia sáng laser.
2. Bộ thu
Bộ thu quang này thường có hai loại chính: bộ dò vị trí (position-sense detectors - PSD) và mảng điểm dò (Charge Coupled Device array - CCD). Mỗi loại có ưu điểm và hạn chế riêng sẽ đươc phân tích cụ thể dưới đây.
Bộ thu PSD: (là loại bộ thu tương tự) Được chế tạo bằng vật liệu nhạy sáng có dạng tấm mỏng hình chữ nhật hai đầu có hai cực điện. Cường độ dòngđiện ở mỗi cực điện phụ thuộc vào vị trí điểm sáng chiếu lên đó. Nếu điểm sáng chiếu tại tâm thì cường độ dòngđiện ở hai cực bằng nhau, khi điểm sáng dịch chuyển xa tâm thì giá trị dòng điện hai cực điện thay đổi, từ đó có thể xác định vị trí điểm sáng thông qua sự thay đổi dòngđiện tại hai điện cực.
Hình 3-8. Cấu tạo bộ thu PSD.
Ưu điểm của PSD là tốc độ đo có thể đạt đến 200Khz, kết cấu của bộ xử lý không có gì phức tạp. Ngoài ra bộ thu này không phụ thuộc vào cường độ tia sáng chiếu lên nó mà chỉ phụ thuộc vào vị trí tia chiếu, với đặc tính này ta có thể loại bỏ ảnh hưởng của chất lượng tia laser (cường độ không ổn định).
Nhược điểm của bộ thu PSD là không thể xác định giá trị cực đại của tia sáng chiếu lên. Vìđây là bộ thu tương tự nên giá trị cường độ dòng điện tín hiệu chỉ phản ánh gần đúng kết quả đo theo tỷ lệ của hai tín hiệu X2X1 / X2 X1. Muốn đạt độ chính xác cao thì cần tăng hệ số khuếch đại của mạch ngoài lên.
Mảng điểm thu (CCD): Bao gồm một mảng các đơn vị thu ảnh, mỗi đơn vị cho ra tín hiệu điện phụ thuộc vào ánh sáng chiếu vào. Nếu một mảng có 256 điểm
cường độ khác nhau biến thiên như Hình 3-9, mạch xử lý sẽ lọc ra giá trị cực đại để tìm vị trí thu chính xác. Hệ thống càng có nhiều các đơn vị điểm thu này sẽ có độ phân giải của phép đo cao. Với công nghệ chế tạo hiện nay, người ta có thể giảm kích thước của các đơn vị thu để tăng mật độ lên nhiều lần.
Hình 3-9. Cấu tạo và mức tín hiệu của bộ thu CCD.
Loại này yêu cầu quá trình xử lý số liệu phức tạp hơn PSD vì phải quét tất cả các đơn vị thu để lọc ra giá trị cực đại, do đó tốc độ xử lý dữ liệu chậm hơn. Kết cấu thường lớn hơn PSD làm kích thước cảm biến cũng lớn hơn. Các đơn vị thu hoạt động độc lập với nhau, vì thế có thể nhận nhiều tia sáng chiếu lên cùng một lúc. Thực tế có thể ứng dụng khả năng này cho phép đo trực tiếp chiều dày của chi tiết như sau: tia sáng phát ra theo một dải song song, chi tiết đo chắn ngang qua dải chiếu sáng làm xuất hiện một vùng tối trên bộ thu, từ đó có thể tính được chiều dày của chi tiết.
3.1.3. Nguyên lýđo tam giác ứng dụng trong cảm biến khoảng cách
Gọi là nguyên lýđo tam giác là vì tia sáng phát ra đến vật đo và phản xạ trở lại đầu nhận của cảm biến là một tam giác khép kín. Tia sáng laser được chiếu ra từ thiết bị và tia phản xạ từ bề mặt vật đo đi qua hệ thấu kính, được hội tụ thành điểm sáng trên bộ thu. Bộ thu xác định góc nghiêng giữa tia phản xạ và tia phát, từ đó định ra khoảng cách.
Sau đây là phần trình bày chi tiết về cơ sở lý thuyết áp dụng cho phương pháp đo tam giác. Các cảm biến thực tế có hình dạng khác nhau nhưng đều hoạt động theo nguyên lý chung – nguyên lý đo tam giác.
Hình 3.10 Cấu tạo cảm biến khoảng cách laser.
Theo sơ đồ hoạt động như trên, nguồn sáng chiếu tia sáng mảnh lên bề mặt vật thể, tia sáng phản xạ thông qua hệ thống thấu kính sẽ tạo tia hội tụ trên mảng