tìm hiểu về cơ sở thiêt kế, nguyên lý hoạt động của phương pháp đo và mô hình máy

tài liệu tham khảo tìm hiểu về cơ sở thiêt kế, nguyên lý hoạt động của phương pháp đo và mô hình máy

Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật nh ngày nay,đặc biệt là ngành côngnghệ thông tin,kĩ thuật điện tử thì việc ghép nối với máy tính để qua đó sử lí các

số liệu đo sẽ trở nên đơn giản và hiệu qủa hơn rất nhiều Chính từ những khả năng

u việt nh vậy đã cho ra đời một thiết bị đo đáp ứng đợc hầu hết các yêu cầu kĩthuật khắt khe mà với những phép đo thông thờng khó có thể đáp ứng đợc, đó làmáy đo biên dạng chi tiết tròn Độ tròn và biên dạng của chi tiết đo đợc xác địnhmột cách chính xác thông qua bộ xử lí số liệu đo đã đợc lập trình và cài đặt sẵntrong máy tính

Mặc dù máy đo biên dạng chi tiết tròn có nhiều tính năng mà với các phép

đo thông thờng khó có thể thực hiện một cách chính xác , song trong tình hìnhthực tế sản xuất cơ khí ở Việt Nam hiện nay cha có cơ sở nào đa các tính năng uviệt của máy áp dụng vào trong sản xuất bởi vì giá thành của nó rất cao Việc

tìm hiểu và khai thác các tính năng của nó cũng cha đợc quan tâm lu ý nhiều bởimột số các khó khăn khác nhau

Nội dung đề tài tốt nghiệp là tìm hiểu về cơ sở thiết kế, nguyên lí hoạt

động của phơng pháp đo và mô hình máy tại phòng nghiên cứu đo lờng của bộmôn Cơ Khí Chính Xác và Quang Học_ khoa Cơ Khí_ trờng Đại Học Bách Khoa

Hà Nội Trong suốt qúa trình tìm hiểu và nghiên cứu về máy đo độ tròn chúng em

đã nhận đợc sự ủng hộ nhiệt tình cùng những ý kiến đóng góp đầy qúy báu củacác thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là sự hớng dẫn đầy nhiệt tâm của thầy

giáo trực tiếp hớng dẫn Nguyễn Văn Vinh đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ

án này Qua đây em xin đợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy , các cô.Kính chúc các thầy, các cô luôn dồi dào sức khỏe để tiếp tục dậy dỗ, chỉ bảo vàhớng dẫn những trang lứa sinh viên nh chúng em ra trờng, tạo điều kiện chochúng em đợc đóng góp một phần sức lực nhỏ bé của mình cho xã hội, cho đất n-ớc

Chơng I.

đo biên dạng chi tiết tròn bằng máy đo.

I Định nghĩa độ tròn.

Độ tròn đuợc định nghĩa là sai lệch lớn nhất giữa bề mặt thực của chi tiết

đến đờng tròn áp Đờng tròn áp là đờng bao quanh và tiếp xúc với đờng giới hạncủa bề mặt thực Nếu gọi Ra là bán kính vòng tròn áp , Rt là bán kính bề mặtthực lấy cùng tâm với đờng tròn áp thì sai lệch giữa hai đờng tròn trên đợc viết là:

tròn = Ra  Rtmax Hay :

tròn = R max  Rmin

Hình I.1

II Các phơng pháp đo độ tròn.

Độ tròn của chi tiết đợc xác định thông qua sự quan sát lợng biến thiên

đ-ơng kính : phđ-ơng pháp đo 2 tiếp điểm, phđ-ơng pháp đo 3 tiếp điểm

+ Phơng pháp đo 2 tiếp điểm (H_I.2) : Phơng pháp này đợc sử dụng khitiết diện đo có méo cạnh chẵn

Hình I.2_ Phơng pháp đo hai tiếp điểm.

Bề mặt thực Vòng tròn áp

Công thức tính độ tròn :

2

Min Max X



tròn

Muốn đo đợc X max và X min cần phải đo liên tục trên toàn vòng Trong khi

đó chuyển đổi đo thờng đứng yên, chi tiết quay toàn vòng Với phơng pháp đonày chi tiết phải xoay liên tục , đầu đo luôn rà trên bề mặt chi tiết làm mòn đầuđo

và mặt chuẩn đo Trên thực tế, để tránh làm tổn hại dụng cụ đo và làm mònbềmặtchuẩn đo, đồng thời để cho qúa trình thực hiện phép đo đợc nhanh ngời đonên thực hiện phép đo theo một số điểm nhất định nh hình I.3 :

iii iv

iv

Hình I.4_ Phơng pháp đo ba tiếp điểm.

Công thức tính độ tròn :

tròn =

Trong đó  là gócV đợc chọn theo số cạnh n của méo :

Các phơng pháp xác định độ tròn ở trên đều thông qua sự biến thiên của

đ-ờng kính (Di ).

Nhận xét: Các phơng pháp đo độ tròn nêu trên có khả năng đo độ tròn

t-ơng đối tốt Tuy nhiên những pht-ơng pháp này cho năng suất không cao, độ chínhxác còn nhiều hạn chế và chỉ thích hợp với các bề mặt không bị khuyết Chính vì

lý do đó, nên cần phải có những thiết bị đo tiên tiến hơn, có khả năng phát hiện

độ tròn một cách chính xác và đo đợc nhiều bề mặt phức tạp Với sự phát triểncủa khoa học kĩ thuật nh hiện nay, đặc biệt là ngành công nghệ thông tin việcghép nối với máy tính để lấy và xử lí số liệu sẽ trở nên đơn giản và hiệu qủa hơnrất nhiều Máy đo độ tròn đợc tìm hiểu và thiết kế dựa trên cơ sở đó

III Xây dựng công thức xác định độ không tròn trong hệ tọa độ cực.

Để thực hiện phép đo độ tròn trong hệ tọa độ cực thì yêu cầu đặt ra là phải

đặt đợc tâm chi tiết trùng với tâm quay của bàn đo, điều này trong thực tế là rấtkhó khăn Đối với máy đo độ tròn, chi tiết đợc đặt bất kì trên bàn đo nên có độ

lệch tâm e giữa tâm thực của chi tiết và tâm quay của bàn đo Số đo bán kính Ri

sẽ có lẫn độ lệch tâm e trong đó, nhng có thể xác định đợc tâm thực và bán kính thực của chi tiết từ tập hợp n bộ số đo (i, Ri ) _ là độ biến thiên góc quay và

biến thiên bán kính của chi tiết mà máy đo thu đợc trong qúa trình đo Khi đó độtròn của chi tiết là :

tròn = R ctmax - R ctmin

12

1min max

Hình 1.5 cho thấy tâm của bàn đo là O (gốc tọa độ độc cực), tâm thực của

chi tiết là O1, OO1= e, la độ lệch tâm OO1 lập với trục Ox một góc  khi  = 0.Xét tại i, điểm đo là Mi , số đo OMi= ri , còn bán kính thực là OMi= Ri

Hình I.5

Xét OO1Mi :

áp dụng định lí hàm số cos :

Bán kính trung bình của chi tiết đo:

Nh vậy bán kính từng điểm trên đờng tròn sẽ sai lệch so với bán kính trung bình một giá trị :

)cos(

2 2

2 1 2

i i

i i

Luôn luôn tìm đợc một đờng tròn xấp xỉ tốt nhất với tập hợp n điểm đo Phuơng pháp bình phơng nhỏ nhất chỉ ra rằng Rtb sẽ là bán kính gần đúng nhất với bộ số liệu đo khi tổng bình phơng các sai lệch đo Ri đạt giá trị nhỏ nhất , nghĩa là;

(Ri)2 = F(e, ) ==> min (*)Trong F(e,) các giá trị ri i là tọa độ các điểm đo bằng số đã biết, chỉ cònhai ẩn số la độ lệch tâm e và góc lệch , biểu thức (*) thỏa mãn khi :

Thay các giá trị của Ri và lấy đạo hàm riêng của biểu thức F(e, ) theo

e,  vào các phơng trình (I.1) đợc:

Đây là hệ phơng trình hai ẩn siêu việt, phi tuyến nên ta không thể giải bằng

ph-ơng pháp thông thờng mà phải dùng phph-ơng pháp gần đúng Có nhiều phph-ơng pháp

để giải phơng trình này, ở đây ta dùng phơng pháp lặp Newton

Giả sử nghiệm gần đúng đầu tiên của hệ (I.2) là e1, 1 sai khác so với nghiệm đúng một lợng tơng ứng h1, k1nên hệ (I.2) có thể viết thành:

Khai triển TAYLOR cho hệ (I.3) tại các giá trị nghiệm e1, 1 có:

Trong đó 1, 2 là đại lợng vô cùng bé cấp cao hơn h1, k1 nên một cách gần đúng ta có hệ hai phơng trình bậc một với ẩn h1, k1:

sin)(

1sin

),(0

cos)

(

1(

er R n

er

e F R

r e R n Cos

r

e

i

i i i i

i

i

i i i

i i

,

0 ,

,

1 1 1 1 2 2

1 1 1 1 1 1

k h

e F e

F

k h

e F e

,

0

;

,

1 1 2 1 1 1

1 1

1 2

1 1 1 1 1 1

1 1

1 1

k h k

F h e F e

F

k h k

F h

e F e

1 2 1 2 2

1 1 1 1 1

k c h b a

k c h b a

21

121

211

2

122

11

.

.

.

.

c b c

b

b a b

a k

c b c

b

c a

c

a h

n

i i

ict i ict

ict

n i

n

i i

ict

i i

n i

i i

n i

n

i i

ict ict

n

i i

R

Cos R e e R Sin

R R n B

R

Sin R e R

Cos R e n B

B B Sin

R e

F b

R

Cos R e R R A

A R

Cos R e n

n e

F b

1 1

1 2 1

1 1

1 1

1

1 1

2 2

2 1

1 2

2

1

1 1

1

1 1

12

11

211

i ict

i ict

n

i i

i i

R

Sin R e Cos

R R e R C

C R

Sin R e n Cos

R e

F c

b e

F F c

1 2 1 1

2 1 1

2 1

1 1

1 1

2 2

2 1

2 1

1 1

trớc, nghiệm đầu tiên có thể rất xa so với nghiệm đúng và số lần lặp sẽ lớn Để

giảm bớt số lần lặp, nhanh chóng nhận đợc nghiệm, cần có biện pháp xác định

nghiệm gần đúng đầu tiên

ở đây [h], và [k] là các sai số giữa nghiệm gần đúng tìm đợc và nghiệm

thực Nó phụ thuộc vào độ phân giải của panme điều chỉnh tâm theo hai trục X, Ycủa bản chỉnh tâm Với mô hình đã chế tạo độ phân giải của panme là 0.01mm

nên sẽ chọn [h] = [k] = 0.005

III.1 Chọn số liệu ban đầu cho vòng lặp:

Việc chọn lựa các số liệu ban đầu cho các vòng lặp có ảnh hởng quyết

định đến số bớc lặp Nếu chọn số liệu ban đầu sai khác nghiệm đúng của bài toáncàng nhiều thì số lần lặp càng tăng

Qua ba điểm không thẳng hàng dựng đợc một đờng tròn, tuy nhiên trong

số các điểm đo điều quan trọng là chọn ba điểm đo nào để độ lệch tâm của

vòng tròn vừa xác định đợc so với tâm của vòng tròn trung bình là nhỏ nhất Giả

sử các điểm đo có sai số so với vòng tròn trung bình là bằng nhau, nếu ta chọn ba

điểm đo càng gần nhau thì cung xác định sẽ có độ lệch tâm so với tâm vòng tròn trung bình càng lớn do sai số bán kính Ri Ngợc lại, nếu chọn ba điểm đo cách

đều nhau thì phép lặp sẽ hội tụ về nghiệm càng nhanh

Nh vậy, từ tập n điểm đo sẽ xác định đợc ba điểm đo có diện tích tam giác tạo bởichúng là lớn nhất Qua ba điểm đo đó ta xác định đợc nghiệm gần đúng đầu tiên [e1,1]

Giả sử ba điểm đo có toạ độ A(RA,A), B(RB,B), C(RC, C) chia ba gócquét từ điểm xuất phát đến điểm kết thúc Vì ba điểm cùng nằm trên một đờngtròn nên cùng có chung bán kính, theo phơng trình (I) có:

Từ hệ phơng trình (VII) tìm đợc [e, ] lấy làm nghiệm gần đúng đầu tiên

C ict

B B

B ict

A A

A ict

Cos eR

R e

R

Cos eR

R e

R

Cos eR

R e

2 2

2 2

2 2

e1 = (RA2 - RB2)/[2 RACos(-A) - RBCos( -B)]

Trong hai giá trị  ở trên, ta sẽ nhận giá trị  nào mà làm e > 0

Mặt khác qua ba điểm không thẳng hàng xác định đợc một tam giác, do đócũng xác định đợc diện tích ABC trên là:

SABC = abSinCTrong đó:

Trong đó: (e,) là cặp nghiệm của hệ (I.7)

Thuật toán xác định cặp nghiệm ban đầu:

 A c

C A C

A R R R Cos R

b 2  2  2   

 B c

C B C

B R R R Cos R

a 2  2  2   

B A B

A R R R Cos R

2 2

2

2

2 2

2

B B

B

C B C

B C B C A C

A C A B A B

A B

A

Cos eR R

e

Cos R R R R Cos

R R R R Cos

R R R

a Từ tập hợp n bộ điểm đo (Ri, i), i = 1 n, chọn ba điểm đo bấtkỳ.

b Tính cặp nghiệm (e, ) theo hệ phơng trình (I.7)

c Tính diện tích tam giác tạo bởi ba điểm đo đó

d Lặp lại từ bớc một và so sánh diện tích các tam giác Từ đó tìm

đợc tam giác có diện tích tam giác lớn nhất

e Chọn đợc bộ thông số (e, ) ứng với diện tích đó Và đó chính làcặp nghiệm (e, ) ban đầu cho hệ (VII)

Đánh giá độ tròn:

Sau khi đã xác định đợc e và  đủ bộ chính xác cần thiết ta sẽ xác định

đ-ợc một tập Rict theo công thức (I), trong đó sẽ có một giá trị Rictmax và một giá trịRict min Độ tròn của chi tiết sẽ là: tròn = Rict max - Rict min Do các chuyển đổi đo lờng

đợc ghép nối trực tiếp với máy tính nên kết quả đo sẽ nhận đợc ngay sau khi đo

Tuy nhiên cần lu ý rằng, cũng giống nh các phơng pháp đo gián tiếp khác,phơng pháp đo độ tròn theo toạ độ cực không tránh khỏi sai số do chính bản chấtcủa phơng pháp gây nên

III.2 ảnh hởng của độ lệch tâm e đến độ chính xác của phơng pháp đo.

Giả sử chi tiết cần đo L đặt lên bàn quay với độ lệch tâm e và góc lệch ,chia miền đo thành các lớp ứng với các góc 

Tại điểm đo i , bán kính thực của chi tiết là:

Sai số của phép đo R đợc tính theo công thức:





Cos er r e

R  i  i i  

i i

i i

d F dr r

 di = 2_ là độ chính xác của sensor đo góc.

Tính các đạo hàm riêng:

Vậy:

= f1(e)1 + f2(e)2

Nhận xét: Sai số của phép đo R là một hàm phi tuyến theo độ lệch tâm e Để

khảo sát sự phụ thuộc của sai số R vào e dới dạng hàm số là rất phức tạp, khi e tăng thì R lúc tăng, lúc giảm Mặt khác đây là phơng pháp đo so sánh nên sai sốcủa nó còn phụ thuộc vào bán kính chuẩn

Trong bố số liệu (i, ri)các giá trị riđợc đo theo phơng pháp so sánh mà bán kính chuẩn ở đây chính là khoảng cách từ tâm quay đến đầu đo ở vị trí ban đầu

e

eCos r

r

F

2

2 2

e

reSin F

2

2 2

e

reSin erCos

r e

eCos r

R

o m o1

m2

m2 m1 m1

m

m m

(ứng với góc 0 = 0) khi ta bắt đầu tiến hành phép đo Khi đặt chi tiết lên bàn đo

ta không biết liệu tâm chi tiết có lệch so với tâm quay hay không do đó ta không biết đợc giá trị thực của bán kính chuẩn là bao nhiêu Hình 1.7a cho thấy O là tâm quay, 01là tâm thực của chi tiết, ORo= Ro là bán kính chuẩn Tại vị trí

ibất kỳ, bán kính thực ri đo đợc là:

ri = Ro   Ri

 Ri _ là độ biến thiên bán kính tại điểm đo i

Nh vậy khi gá đặt chi tiết lên bàn đo, không thể nào biết chính xác bán kính chuẩn Ro Do đó khi nhập giá trị bán kính làm chuẩn so sánh vào máy tính sẽ sai khác với bán kính Ro một lợng là  R, nên bán kính thực mà máy tính thu nhận đ-

ợc để vẽ biên dạng vật, tính toán độ lệch tâm e và độ tròn của chi tiết thực chất là:

ri' = ri  R

 Dấu "+" cho trong trờng hợp bán kính khai báo > bán kính Ro

 Dấu "-" cho trong trờng hợp bán kính khai báo < bán kính Ro

Trong các công thức (8) và(9) các giá trị Ro , R là không đổi, chỉ có Ri

là thay đổi theo từng điểm đo Chính vì thế mà bộ n điểm đo (ri', i) máy tính thu nhận đợc không phải là bộ số liệu thực của chi tiết, nên khi tính toán sẽ dẫn đến sai số do độ lệch tâm e gây ra Xét trên hình 7b, nhận thấy rằng nếu độ lệch tâm càng lớn thì tại một điểm đo i thì độ biến thiên Ri càng lớn Dẫn đến các sai lệch giữa bán kính thực ri' càng lớn, do đó sai số của phép đo tăng Tóm lại nếu

độ lệch tâm e càng tăng thì sai số của phép đo cũng tăng

Để giảm sai số của phép đo có hai cách sau:

1 Khai báo bán kính chuẩn vào máy bằng bán kính R0

2 Tâm chi tiết trùng với tâm quay

Nhận xét: Cách thứ nhất rất khó thực hiện bởi vì khi đo chi tiết đợc đặt bất

đo lờng và điều khiển Có thể nói trong tơng lai các máy đo độ tròn áp dụng

ph-ơng pháp này sẽ thay thế cho các phph-ơng pháp đo độ tròn cổ điển (phph-ơng pháp hai tiếp điểm, phơng pháp ba tiếp điểm)

Ưu điểm nổi bật của phơng pháp này là cho phép đặt chi tiết đo lên bàn đo một cách bất kỳ nhờ vậy giảm nhẹ khó khăn gá đặt chi tiết Kết quả đo nhận đợc một cách nhanh chóng và có khả năng tự động hoá cao nhờ việc chuyển trực tiếp các thông số đo vào máy tính để xử lý Và đặc biệt thích hợp cho việc kiểm tra độtròn các bề mặt khuyết.

Chơng II.

Máy đo biÊn dạng.

I Cấu tạo chung của máy đo biên dạng chi tiết tròn.

Các máy đo biên dạng thờng gồm hai phần chính,đó là phần cơ và phần

điều chỉnh, chi tiết đo đợc gá lên bàn đo Các bộ phận này đợc gá đồng trục với

nhau và đợc điều khiển bởi động cơ dẫn động quay góc .

+ Bộ phận đo, cho thông tin về độ biến thiên bán kính ri của chi tiết trong

qúa trình đo.Bộ phận này bao gồm một bộ dẫn động nâng hạ đầu đo bán kính cótác dụng điều chỉnh dịch chuyển lên xuống của hê thống đo gồm đầu đo và cảmbiến đo độ dài thông qua vít me điều chỉnh

Hình 2.1_Sơ đồ nguyên lí máy đo độ tròn.

1 Cảm biến đo góc; 2 Đĩa chia độ; 3 Động cơ; 4 Đế máy; 5 Bánh răng;

6 Núm điều chỉnh; 7 Bàn đo; 8 Bàn chỉnh tâm; 9 Mâm cặp; 10 Chi tiết đo;

11 Đầu đo; 12 Cảm biến đo độ dài; 13.Núm dịch chỉnh thanh răng mang

đầu đo; 14 Tay quay diều chỉnh nâng hạ đầu đo;

 Phần điện cũng gồm hai bộ phận chính thực hiện hai chức năng riêng đólà:

1 2 4

+ Bộ phận thực hiện chức năng đo gồm : điện động cơ, cảm biến đo góc, cảmbiến đo độ dài.

+ Bộ phận thực hiện chức năng xử lí tín hiệu đo gồm : CPU, bộ đệm I/O,

bộ tạo xung, bộ xác định chiềuvà bộ đếm thuận nghịch

II Các bộ phận chức năng

II.1 Cảm biến đo góc.

II.1.1 Cấu tạo

+ Gồm một đĩa chia độ có độ phân giải là  = 1 Đĩa đợc chia thành 360khoảng sáng tối (tơng đơng với 360 ) và đan xen nhau trên toàn bộ chu vi của

đĩa Trục quay của đĩa đặt đồng tâm với trục quay của bàn đo

+ Một cảm biến chuyển đổi quang điện gồm một LED phát tia hồng ngoại

và hai photodiod để thu nhận tín hiệu Các photodiod đợc bố trí lệch nhau 90 vềpha nhằm cho biết chiều quay của bàn đo là thuận hay ngịch thông qua bộ đếm thuận ngịch LED và photodiod là hai bộ phận chính để xác định thông tin về góc

quay i của chi tiết.

Hình II.3 :Cấu tạo của cảm biến đo góc

1 Đĩa chia độ; 2 Led hồng ngoại; 3 Photodiod

 LED : Đầu LED phát tia hồng ngoại chứa một thấu kính hội tụ có tácdụng chuyển toàn bộ quang năng mà nó phát ra theo phơng vuông góc vớiphotodiod

Khoảng sáng Photodiod Khoảng tối

3

Thấu kính hội tụ

Hình II 4: Cấu tạo của Led phát tia hồng ngoại

 Photodiod : Đây là một linh kiện điện tử , thực chất nó là một chất bándẫn có tính chất nhạy sáng, nhất là ánh sáng hồng ngoại

Hình II 5: Cấu tạo của photodiod

II.1.2 Nguyên lí hoạt động

Khi ánh sáng hồng ngoại từ đầu Led chiếu vào, độ dẫn điện của photodiod

sẽ tăng tỷ lệ với lợng quang thông nhận đợc ở trạng thái bình thờng tứcphotodiod cha nhận đợc ánh sáng hồng ngoại từ Led thì tại điểm A cha có dòng

điện chạy qua, điện áp là 0 vôn

Hình II.6 Nguyên lý hoạt động của photodiod.

v

ở trạng thái hoạt động, tức là lúc này photodiod nhận đợc ánh sáng hồngngoại từ đầu Led, tại điểm A có dòng điện chạy qua, vôn kế hoạt động Tùy theo lợng quang thông photodiod nhận đợc mà vôn kế thay đổi từ (0  5 vôn), sựthay đổi này diễn ra trên tiết diện thu của photodiod Khiđĩa chia độ quay đợc

một góc  các photodiod chuyển trạng thái từ sáng sang tối (hoặc từ tối sang

sáng).Cứ nh vậy các khoảng sáng tối sẽ liên tục chạy đều qua một vị trí theochiều quay của đĩa chia độ mà tại đó sự biến thiên quang thông với photodiod làlớn nhất hoặc bé nhất tùy theo lợng quang thông mà photodiod nhận đọc từ Ledhồng ngoại Tín hiệu điện áp ra thu đợc có dạng hình Sin , tín hiệu này sau khi đ-

ợc tạo xung, số hóa và nội suy sẽ đợc cộng lại trong một bộ đếm điện tử rồi qua

bộ chỉ thị để hiển thị kết qủa đo ra màn hình máy tính

Trong các máy đo độ tròn thờng các góc i và i+1 hơn nhau một lợng

=

n

0

360

, với n là số điểm đo Số điểm đo n này sẽ do ngời điều khiển máy

nhập vào từ bàn phím theo ý muốn khi bắt đầu thực hiện qúa trình đo

II.2 Cảm biến đo độ dài.

II.2.1 Cấu tạo

Gồm đầu đo mang thanh răng, thanh răng này ăn khớp với bánh răng Z2

lắp cố định và đồng trục với bánh răng Z3, bánh răng Z3 ăn khớp với bánh răng Z1

Đĩa chia độ đợc gắn trên trục bánh răng Z1 và nằm giữa Led hồng ngoại vàphotodiod

1

5 6

7