Nghiên cứu độ chính xác khi đo profile bề mặt chi tiết máy bằng phương

34 Hình 2.14: Các mô hình gương quay tạo tia laser quét góc“hội tụ” tại một điểm 35 Hình 2.15: Sự không song song với quang trục của tia qua thấu kính chuẩn trực do tia phản xạ từ gương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ 6

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY QUÉT LASER THEO ĐƯỜNG 13

1.1 Các phương pháp đo bằng quét tia laser và ứng dụng máy LSM 13

1.1.1 Các phương pháp đo biên dạng bằng quét tia laser theo đường 13

1.1.1.1 Phương pháp đo bằng quang thông chiếu sáng 13

1.1.1.2 Phương pháp tạo ảnh chi tiết trên đầu thu camera 14

1.1.1.3 Phương pháp tạo xung đo sử dụng tia laser quét 15

1.1.2 Ứng dụng của máy đo LSM 16

1.2 Giới thiệu một số máy LSM do các hãng sản xuất 18

1.3 Những vấn đề mà luận án tập trung nghiên cứu, giải quyết 20

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC BẰNG MÁY ĐO LSM VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC 21

2.1 Phương pháp đo kích thước bằng máy đo LSM 21

2.1.1 Sơ đồ khối chức năng 21

2.1.1.1 Đầu phát tia Laser 21

2.1.1.2 Bộ phận tạo tia Laser quét 22

2.1.1.3 Bộ phận trực chuẩn tia quét 23

2.1.1.4 Bộ phận cảm nhận chùm tia Laser quét và tạo tín hiệu đo 24

2.1.1.5 Bộ phận xử lý tín hiệu 25

2.1.1.6 Bộ phận hiển thị kết quả đo 26

2.1.2 Tính toán quan hệ tín hiệu đo và kích thước chi tiết 26

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của máy đo LSM 28

2.2.1 Các nguyên nhân gây sai số 28

2.2.1.1 Sai số do phương pháp đo 28

2.2.1.2 Sai số do kết cấu và điều kiện sử dụng 28

2.2.1.3 Phương thức khảo sát các sai số đo 28

2.2.2 Tính toán sai số và các biện pháp khắc phục 29

2.2.2.1 Xác định độ lệch tiêu điểm của tia quét góc khi sử dụng gương đa giác 29

2.2.2.2 Xác định độ không song song của tia laser quét khi tia quét góc đi lệch tiêu điểm 36

2.2.2.3 Sai số độ không song song của tia quét do quang sai của thấu kính chuẩn trực 38

2.2.2.4 Xác định sai số đo khi chùm tia quét không song song với quang trục42 2.2.2.5 Sai số do đường kính chi tiết đo và vận tốc quét của tia laser 47

2.2.2.6 Xác định sai số do gá đặt chi tiết 52

2.2.2.7 Xác định sai số do kích thước của tia laser và xác định độ phân giải đo 56 2.2.2.8 Mối quan hệ giữa độ chính xác đo và độ ổn định vận tốc quay của gương đa giác 62

2.2.2.9 Xác định sai số khi đo chi tiết ở trạng thái động 63

2.2.2.11 Xác định sai số do đặc trưng bề mặt chi tiết đo 74

2.2.2.12 Sai số do một số hiện tượng bất thường của máy 83

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO LSM 85 3.1 Thiết kế và lựa chọn hệ quang 86

3.1.1 Thiết kế thấu kính thứ nhất 86

3.1.2 Thấu kính TK2 96

3.2 Chọn gương quay và xác định vị trí đặt gương 97

3.3 Thiết kế đồ gá chi tiết đo 100

3.4 Thiết kế và chế tạo mạch xử lý tín hiệu đo 101

3.4.1 Tính toán mạch khuyếch đại 102

3.4.2 Mạch sửa xung 104

3.4.3 Mạch vi xử lý 105

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY LSM 113

4.1 Nguyên lý của việc hiệu chỉnh máy 113

4.2 Khả năng hiệu chỉnh của máy LSM 114

4.3 Hiệu chuẩn bằng phần mềm đo 117

4.4 Thực nghiệm xác định độ không đảm bảo đo của thiết bị 119

KẾT LUẬN 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Lê Xuân Cam, học viên cao học ngành Chế tạo máy khóa 2013-2015 Giáo viên hướng dẫn khoa học PGS TS Nguyễn Văn Vinh Tôi

xin cam đoan bản luận văn này với đề tài “Nghiên cứu độ chính xác khi đo profile bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét laser theo đường” là công

trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Máy đo LSM của các hãng 18

Bảng 2: Thời gian che khuất đo được tương ứng với các mẫu chuẩn 110

Bảng 3: Kết quả tính toán kích thước và sai số 111

Bảng 4: Kết quả đo trên thiết bị và độ lệch chuẩn 120

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nguyên lý đo theo năng lượng nhận được từ nguồn sáng khi chiếu

qua vật đo 13

Hình 1.2: Nguyên lý đo sử dụng đầu thu camera độ phân giải cao 14

Hình 1.3: Nguyên lý tạo xung đo sử dụng tia laser quét 15

Hình 1.4: Các ứng dụng của máy đo LSM 17

Hình 2.1: Sơ đồ chức năng của máy LSM 21

Hình 2.2: Các phương pháp tạo ra tia laser quét bằng gương đa giác quay 22

Hình 2.3: Chuẩn trực chùm tia quét góc thành chùm tia quét song 23

Hình 2.4: Sự giảm đường kính tia laser quét tại vị trí quét lên cạnh vật đo 24

Hình 2.5: Nguyên lý của bộ phận tạo xung đo 24

Hình 2.6: Sơ đồ chuyển đổi tương ứng từ độ rộng xung đo thành việc đếm số xung nhịp thời gian 25

Hình 2.7: Sự tương ứng giữa kích thước chi tiết với khoảng mà nó che khuất chùm tia quét 26

Hình 2.8: Sơ đồ đường đi của tia laser qua hệ gương tạo tia quét 29

Hình 2.9: Hệ tọa độ để xác định đường đi của tia laser quét 30

Hình 2.10: Xác định giao điểm N của tia tới T với mặt gương đa giác quay 30

Hình 2.11: Xác định giao điểm K của tia phản xạ P với quang trục x’ của TK1 32

Hình 2.12: Độ lệch giao điểm của tia phản xạ với quang trục của TK1 33

Hình 2.13: Đồ thị quan hệ giữa K và góc lệch  khi đo với các chi tiết với các đường kính khác nhau 34

Hình 2.14: Các mô hình gương quay tạo tia laser quét góc“hội tụ” tại một điểm 35 Hình 2.15: Sự không song song với quang trục của tia qua thấu kính chuẩn trực do tia phản xạ từ gương đa giác không đi qua tiêu điểm của TK1 36

Hình 2.16: Sơ đồ tính toán góc lệch của tia qua TK1 khi K nằm ngoài tiêu cự của

TK1 36

Hình 2.17: Sơ đồ tính toán góc lệch của tia qua TK1 khi K nằm trong khoảng tiêu cự của TK1 37

Hình 2.18: Sự không song song của của tia quét do quang sai của thấu kính chuẩn trực 38

Hình 2.19: Đường đi và các thông số hình học để tính quang sai của tia laser qua một thấu kính 40

Hình 2.20: Sơ đồ quét của chùm tia laser lên chi tiết khi chúng không 42

song song với quang trục của TK1 42

Hình 2.21: Sai lệch đo đối với nửa trên của chi tiết 43

Hình 2.22: Sai lệch đo đối với nửa dưới của chi tiết 44

Hình 2.23: Sơ đồ bố trí khác của hệ tạo tia quét gương phẳng - gương đa giác khi tiêu cự TK1 lớn 46

Hình 2.24: Sơ đồ bố trí thêm thấu kính phụ Fp khi tiêu cự TK1 lớn 47

Hình 2.25: Quan hệ vận tốc quét góc và quét song song của tia 48

Hình 2.26: Đồ thị mối quan hệ vận tốc quét của tia song song với vị trí của tia quét góc 48

Hình 2.27: Tính toán kết quả đo khi chi tiết đối xứng với trục của TK1 49

Hình 2.28: Đồ thị quan hệ góc quét giới hạn lên chi tiết đo và đường kính chi tiết với sai số đo 50

Hình 2.29: So sánh kết quả đo khi chi tiết đối xứng và không đối xứng với quang trục 51

Hình 2.30: Gắn hệ tọa độ cho tia quét và chi tiết đo 52

Hình 2.31: Tọa độ góc lệch của trục chi tiết Ox’ so với với trục chuẩn Ox 53

Hình 2.32: Phép quay tọa độ Oxyz xung quanh trục Oy để được hệ tọa độ Ox1y1z1 54

Hình 2.33: Phép quay tọa độ Ox1y1z1 xung quanh trục Oz1 để được hệ tọa độ

Ox’y’z’ 54

Hình 2.34: Mặt cắt của tia laser tại vị trí quét cạnh chi tiết 57

Hình 2.35: Dạng của xung phát từ tế bào quang điện khi tia laser quét lên chi tiết 57 Hình 2.36: Sự thu hẹp đường kính tia laser quét tại tiêu diện của thấu kính trực chuẩn 59

Hình 2.37: Sơ đồ điều chế để thu hẹp các mức “0” và “1” của xung phát từ tế bào quang điện 61

Hình 2.38: Hệ tọa độ khảo sát các phương mà chi tiết đo chuyển động 64

Hình 2.39 : Sơ đồ đo khi chi tiết chuyển động theo phương Oy 65

Hình 2.40: Sơ đồ đo khi chi tiết dao động điều hòa theo phương Oy 66

Hình 2.41: Biểu đồ giá trị đo kích thước chi tiết trong nhiều lần quét liên tục ở cùng một loạt đo khi chi tiết dao động điều hòa theo phương Oy 67khi chi tiết dao động 68

Hình 2.43: Sơ đồ đo khi chi tiết chuyển động theo phương Oz 69

Hình 2.44: Sơ đồ đo khi chi tiết chuyển động theo phương Ox 70

Hình3.45: Sự phản xạ của tia quét trên bề mặt chi tiết dạng cạnh 71

Hình 2.46: Sự phản xạ của tia quét trên bề mặt chi tiết dạng trụ 71

Hình 2.47: Sơ đồ tìm góc lệch tới hạn so với quang trục của tụ quang của

tia phản xạ mà tế bào quang điện có thể cảm nhận được 72

Hình 2.48: Quan hệ giữa góc lệch tới hạn của tia phản xạ và sai số đo 73

Hình 2.49: Sự phản xạ của tia quét trên bề mặt chi tiết đo 74

Hình 2.50: Các mức điện áp của xung tế bào quang điện 75

Hình 2.51: Vị trí các mặt cắt của tia laser quét trên cạnh các chi tiết nhẵn và nhám 76

Hình 2.52: Sự khác nhau về dạng xung ra của tế bào quang điện khi đo chi tiết nhẵn và nhám 77

Hình 2.46: Sự khác nhau về dạng xung ra của tế bào quang điện khiđo các chi tiết

có chiều cao nhám khác nhau 78

Hình 2.54: Sự khác nhau về dạng xung ra của tế bào quang điện khi đo các chi tiết có biên dạng nhám khác nhau 79

Hình 2.55: Hợp lực bám dính lên bề mặt chi tiết của một giọt lỏng do hiệu 81

ứng sức căng bề mặt 81

Hình 2.56: Sự thay đổi dạng xung của tế bào quang điện do nguồn phát laser không ổn định 83

Hình 3.1: Sơ đồ các bộ phận của máy đo LSM 85

Hình 3.2: Thông số kết cấu hệ quang 86

Hình 3.3: Góc quang sai hệ quang phát 87

Hình 3.4: Thông số kết cấu hệ quang 90

Hình 3.5: Hình vẽ biểu diễn quang sai hệ quang 91

Hình 3.6: Bảng các hệ số quang sai 91

Hình 3.7: Đồ thị hàm truyền điều biến MTF 92

Hình 3.8: Sơ đồ điểm ảnh 92

Hình 3.9: Thông số kết cấu sau tối ưu 93

Hình 3.10: Hình vẽ biểu diễn quang sai hệ quang sau tối ưu 94

Hình 3.11: Đồ thị hàm truyền điều biến MTF sau tối ưu 94

Hình 3.12: Hệ số các quang sai sau tối ưu 95

Hình 3.13a: Đồ gá kẹp thấu kính TK1 95

Hình 3.13b: Thấu kính TK1 96

Hình 3.14a: Thấu kính TK2 96

Hình 3.14b: Thấu kính TK2 97

Hình 3.15: Kích thước gương đa giác 97

Hình 3.16: Vị trí đặt gương và nguồn laser 98

Hình 3.17a: Kích thước đồ gá chi tiết đo 100

Hình 3.17b: Đồ gá chi tiết đo chế tạo 100

Hình 3.18: Xung thu được khi chưa có vật đo 101

Hình 3.19: Xung thu được khi có vật đo 101

Hình 3.20: Mạch khuyếch đại dòng – áp 102

Hình 3.21: Khoảng thời gian ứng với kích thước chi tiết 103

Hình 3.22: Mạch khuyếch đại dòng – áp sau thiết kế 104

Hình 3.23: Hình ảnh nhiễu 104

Hình 3.24: Mạch lọc tích cực LM6321 105

Hình 3.25: Xử lý tín hiệu qua mạch vi xử lý 105

Hình 3.26: Sơ đồ chân Vi xử lý Texas Instruments LM4F120XL 106

Hình 3.27a và hình 3.27b 106

Hình 3.27a: Chu trình hệ thống 107

Hình 3.27b: Chu trình ngắt 108

Hình 3.28: Sơ đồ chân mạch xử lý tín hiệu 109

Hình 3.29: Mạch xử lý tín hiệu đo và bộ nguồn chế tạo 109

Hình 3.30: Thiết bị LSM chế tạo 110

Hình 3.31: Đồ thị biểu diễn sai số của máy LSM chế tạo 111

Hình 4.1: Đồ thị đặc tính quan hệ giữa giá trị đo và giá trị thực 116

Hình 4.2: Sơ đồ thuận toán phần mềm đo 118

Hình 4.3: Phần mềm đo 119

LỜI NÓI ĐẦU

Để đo kích thước đường kính, đo biên dạng và kiểm tra độ tròn của các chi tiết cơ khí người ta sử dụng các phương pháp đo hai tiếp điểm, phương pháp ba tiếp điểm dùng các dụng cụ như panme, thước cặp, đồng hồ so, khối V,… Các phương pháp này chỉ thích hợp với những bề mặt không bị khuyết tật và năng suất, hiệu quả công việc không cao, đặc biệt là không đáp ứng được khi cần đo những chi tiết cần độ chính xác cao, bề mặt dễ bị biến dạng

và đo với tốc độ nhanh hay đo chi tiết đang chuyển động

Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển đã đưa laser vào trong đo lường hiện đại Với những tính năng ưu việt của nó, người ta đã giải quyết bài

toán đo kích thước, đo biên dạng bằng phương pháp quét tia laser (Laser scan micrometer - LSM) với độ chính xác, năng suất, khả năng đáp ứng cao

hơn rất nhiều so với các phương pháp truyền thống Hiệu quả mang lại là nâng cao tự động hóa quá trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, năng suất lao động và giảm giá thành sản xuất

Qua tìm hiểu, máy Laser scan micrometer (LSM) đã được sử dụng ở nước ta nhưng mới chỉ ở các Công ty liên doanh nước ngoài Sở dĩ nó chưa được phổ biến do giá thành của máy LSM là tương đối cao từ 7000  30000 USD (tùy thuộc vào phạm vi đo, độ chính xác và các công dụng đặc biệt khác của máy) chưa phù hợp với điều kiện kinh tế, kỹ thuật trong gia công cơ khí ở Việt Nam Việc đưa ứng dụng công nghệ đo bằng máy LSM phù hợp với điều kiện gia công, sản xuất hiện có tại Việt nam, đồng thời nghiên cứu công nghệ chế tạo, lắp ráp nó với mục đích giảm giá thành là các vấn đề mà những người làm công tác đo lường cần quan tâm

Đề tài “Nghiên cứu độ chính xác khi đo profile bề mặt chi tiết máy

xác và các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo biên dạng chi tiết bằng phương pháp quét laser theo đường là cơ sở chế tạo, hiệu chỉnh máy LSM tại Việt Nam nhằm ứng dụng vào khảo sát chất lượng các chi tiết trong công nghệ Quân sự, cụ thể là khảo sát chất lượng Vỏ đạn là lĩnh vực bị hạn chế khi cần mua các thiết bị kỹ thuật của nước ngoài

Luận văn được trình thành các phần như sau:

1 Phần mở đầu

2 Phần nội dung: gồm 4 chương

Chương I: Tổng quan về máy quét laser theo đường

Chương II: Nghiên cứu phương pháp đo kích thước bằng máy đo LSM

và các yếu tố ảnh hưởng

Chương III: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy đo LSM

Chương IV: Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của máy đo LSM

3 Kết luận

Luận văn này được thực hiện tại bộ môn Cơ khí chính xác và quang học dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS TS Nguyễn Văn Vinh Vì thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và đồng nghiệp

Em xin được cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Vinh và sự góp ý của các thầy cô, đồng nghiệp trong suốt quá trình làm luận văn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY QUÉT LASER THEO ĐƯỜNG

1.1 Các phương pháp đo bằng quét tia laser và ứng dụng máy LSM

1.1.1 Các phương pháp đo biên dạng bằng quét tia laser theo đường

1.1.1.1 Phương pháp đo bằng quang thông chiếu sáng

Nguyên lý của phương pháp: Ánh sáng từ nguồn chiếu bằng tia quét

khi qua hệ quang sẽ được hội tụ tại đầu thu của tế bào quang điện Với đặc tính hoạt động: khi kích thước chi tiết tăng thì quang thông của nguồn sáng tới tế bào quang điện giảm do đó năng lượng nhận được của tế bào quang điện giảm Như vậy, thông qua độ lớn của giá trị năng lượng thu ta có thể xác định được kích thước của chi tiết

Hình 1.1: Nguyên lý đo theo năng lượng nhận được từ nguồn sáng khi

chiếu qua vật đo

Công thức tính kích thước đo: W

W

d D

- Khó khăn trong việc tạo ra nguồn sáng có kích thước nhỏ mà vẫn đảm bảo về mặt năng lượng chiếu sáng

- Độ chính xác đo bị ảnh hưởng bởi sự không ổn định năng lượng phát của nguồn sáng cũng như các yếu tố hấp thụ năng lượng trên đường đi của các tia sáng như hệ quang, môi trường hay bản thân chi tiết đo

1.1.1.2 Phương pháp tạo ảnh chi tiết trên đầu thu camera

Nguyên lý của phương pháp: Ánh sáng từ nguồn chiếu bằng đèn LED

năng lượng cao hoặc nguồn tia quét qua hệ quang tạo ảnh chi tiết trên đầu thu camera Với đặc tính tạo ảnh tỷ lệ thuận nên thông qua việc xác định độ lớn ảnh trên camera ta có thể xác định được kích thước chi tiết

Công thức tính: d’ = d.β Trong đó β là hệ số tạo ảnh

Ưu điểm: Do kết hợp được đồng thời việc đo kích thước với sự thu hình

ảnh của chi tiết trên màn hiển thị nên thuận tiện trong công việc xử lý, hiệu chỉnh cũng như có thể dễ dàng phối hợp để đo các thông số khác của chi tiết

Nhược điểm: Thiết bị tương đối phức tạp và đắt tiền vì để có độ chính

xác đo cao thì ta cần cũng cần phải có bộ đọc tín hiệu đo cùng với một đầu thu camera có độ phân giải và độ chính xác tương ứng

Hình 1.2: Nguyên lý đo sử dụng đầu thu camera độ phân giải cao

1.1.1.3 Phương pháp tạo xung đo sử dụng tia laser quét

Nguyên lý của phương pháp: Với đặc tính chi tiết đo che khuất và

không che khuất chùm tia quét từ thấu kính chuẩn trực TK1 sẽ tạo ra xung phát từ tế bào quang điện Độ rộng của xung này tỷ lệ với kích thước chi tiết nên thông qua việc xác định các khoảng thời gian xung ta có thể xác định được kích thước của chi tiết

Hình 1.3: Nguyên lý tạo xung đo sử dụng tia laser quét

Công thức tính đường kính chi tiết: d = V.t (1.2)

Trong đó:

- V là vận tốc quét dài của laser

- t là khoảng thời gian tế bào quang không nhận được tín hiệu laser

Ưu điểm của phương pháp:

- Có kết cấu tương đối đơn giản nhưng có thể đo với độ chính xác cao

- Việc xử lý xung phù hợp với xu hướng phát triển của các thiết bị điện

tử số hiện nay

Nhược điểm của phương pháp:

- Khó khăn tạo ra được nguồn tia quét lên chi tiết với độ song song cao

và vận tốc quét ổn định

- Đòi hỏi phải có một bộ đọc xung đo có tính ổn định với độ phân giải cao, tương ứng với độ chính xác đo

Đặc điểm chung của các phương pháp đo bằng tia laser quét này là có tốc độ đo cao đến 10.000 phép đo trong một giây và có thể đạt độ chính xác đến 0,01 micromet

Do những ưu điểm vượt trội phương pháp tạo xung được xử dụng phổ biến trong các máy đo quét laser hiện nay Vì vậy, luận văn đi sâu nghiên cứu phương pháp thứ 3

1.1.2 Ứng dụng của máy đo LSM

Đo lường sử dụng phương pháp quét laser (Laser scan micrometer) đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới với rất nhiều tính năng ưu việt so với các phương thức đo truyền thống như sử dụng thước kẹp, panme hay đo 3 tiếp điểm:

- Đo lường không tiếp xúc

- Khả năng đo khi chi tiết đang chuyển động, ở nhiệt độ cao

- Độ chính xác rất cao

- Thời gian đáp ứng nhanh

- Khả năng đo nhanh, số lượng lớn, thích ứng rất tốt trong môi trường công nghiệp

- Khả năng đo các chi tiết có kích thước quá lớn hay quá nhỏ, các chi tiết dị dạng, …

Với những ưu điểm vượt trội như vậy nên máy đo sử dụng phương pháp quét laser được ứng dụng rộng rãi:

- Ứng dụng trong tự động hoá, cơ khí và công nghệ vật liệu

- Ứng dụng trong công nghiệp điện tử

- Ứng dụng trong công nghiệp cao su và nhựa

Hình 1.4: Các ứng dụng của máy đo LSM

1.2 Giới thiệu một số máy LSM do các hãng sản xuất

Trên thế giới việc tìm hiểu, nghiên cứu chế tạo máy đo LSM đã được các hãng nổi tiếng về chế tạo dụng cụ đo quan tâm từ khá sớm như hãng Keyence, Mitutoyo, Lad, … Dưới đây là một số đời máy của các hãng đã được ứng dụng khá nhiều trong công nghiệp

Bảng 1: Máy đo LSM của các hãng

1

KEYENCE LM 7070

Xuất xứ: Nhật Bản Khoảng đo: (0,5 – 60) mm Khoảng cách giữa hai khối thu phát: 250 ± 50 mm

Độ chính xác: ± 3 μm Khả năng lặp lại: ± 0,2 μm Tốc độ đo: 2400 mẫu/ giây Nguồn laser: GaN green Điều kiện hoạt động: 0 ± 50o

Độ chính xác: ± 5,9 μm Khả năng lặp lại: ± 3 μm

Độ tuyến tính: ± 15 μm Kích thước: 165x102x61 mm Nguồn laser: Diot

Bước sóng 670 nm Màu laser: đỏ Công suất: 1mW

Tại Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo máy LSM vẫn chỉ dừng ở việc giới thiệu về nguyên lý ở một số trường đại học Trường đại học Bách khoa

Hà Nội đã có 01 luận văn tốt nghiệp đại học của Quách Hoàng Hải - Nguyễn Thành Hùng (Khóa 47) và 01 luận văn thạc sĩ của Trần Hải Bình (Khóa 35) nghiên cứu về máy đo LSM, tuy nhiên kết quả thiết kế chế tạo còn nhiều hạn chế, đặc biệt sai số máy lớn Hơn thế nữa, do giá thành còn rất cao (LS5000 của KEYENCE được chào bán với giá: 27049$ hay LSM 1305 của MITUTOYO với giá: 24569$) nên cũng chỉ có ở một số nhà máy 100% vốn nước ngoài đưa vào sử dụng và đã đem lại hiệu quả rất lớn Đặc biệt trong Quân đội việc trang bị máy đo LSM là rất khó khăn do các hãng không được phép bán cũng như cung cấp các dịch vụ kỹ thuật cao cho Quân đội Vì vậy

LAP METIS 90

Nguồn điện: 24 VDC ± 20% Cân nặng: 2,6 kg

Điều kiện hoạt động: (0 – 40) o

Độ phân giải: 0,0001 mm Khả năng lặp lại: 1μm

Độ tuyến tính: ± 6 μm Sai số vị trí: ± 8 μm Vùng đo: (30 x 120) mm Tốc độ quét: 3200 lần/s Bước sóng: 650 nm Tốc độ quét tia laser: 904 m/s Điều kiện hoạt động: (0 – 40) o

C

nên vấn đề nghiên cứu và chế tạo nó là cấp thiết để phục vụ phát triển công nghiệp nói chung và công nghệ Quân sự nói riêng

1.3 Những vấn đề mà luận án tập trung nghiên cứu, giải quyết

Với phạm vi của một luận văn cao học không đủ để có một nghiên cứu mang tính toàn diện mà chỉ thực hiện đƣợc một số nội dung chính gồm:

- Nghiên cứu tổng quan về máy đo LSM

- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy đo LSM

- Nghiên cứu các biện pháp xử lý sai số đo

- Thực nghiệm đo trên các mẫu chuẩn

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC BẰNG MÁY ĐO LSM VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC

2.1 Phương pháp đo kích thước bằng máy đo LSM

Máy đo LSM 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

2.1.1 Sơ đồ khối chức năng

Hình 2.1: Sơ đồ chức năng của máy LSM 2.1.1.1 Đầu phát tia Laser

Tia Laser được tạo ra từ một đầu phát Laser khí He-Ne hoặc Laser bán dẫn Với thiết bị đo cần độ chính xác cao nên sử dụng Laser He-Ne vì nó đảm bảo hơn về sự đơn sắc (ánh sáng đỏ bước sóng 650 nm) và độ song song (góc phân kỳ khoảng 0,5 mR) của tia

2.1.1.2 Bộ phận tạo tia Laser quét

Có nhiều phương pháp tạo tia 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 máy quét laser

Người ta thường bố trí hệ quang tạo tia Laser quét bằng phương pháp

đa giác quay như hình 2.2 (ưu nhược điểm của các phương pháp này sẽ được nói đến ở các phần sau) Khi sử dụng phương pháp này, cứ một vòng quay của gương sẽ tạo ra n chu kỳ quét của tia phản xạ (n là số cạnh của đa giác)

do đó có thể cho vận tốc quét và tần số đo lớn

Hình 2.2: Các phương pháp tạo ra tia laser quét bằng gương đa giác quay

2.1.1.3 Bộ phận trực chuẩn tia quét

Hình 2.3: Chuẩn trực chùm tia quét góc thành chùm tia quét song

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 2.3)

Ngoài chức năng chuẩn trực chùm tia quét thì thấu kính TK1 còn có chức năng rất quan trọng sau: Tia Laser quét 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 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 2.4) 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

Hình 2.4: Sự giảm đường kính tia laser quét tại vị trí quét lên cạnh vật đo 2.1.1.4 Bộ phận cảm nhận chùm tia Laser quét 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

cảm nhận người ta thường chuyển đổi nó thành tín hiệu xung điện như sau:

Hình 2.5: Nguyên lý của bộ phận tạo xung đo

Tia Laser quét sau khi qua vật đo sẽ được hội tụ nhờ một kính tụ, tại tiêu điểm của kính tụ ta đặt một tế bào quang điện, như vậy với sự không liên tục của chùm Laser quét đến kính 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 tín hiệu dạng xung ở đầu ra (Hình 2.5)

Thông qua độ rộng t của đoạn xung mức “0” ứng với thời gian không

có tín hiệu điện của tế bào quang điện ta hoàn toàn có thể xác định được kích thước của chi tiết

2.1.1.5 Bộ phận xử lý tín hiệu

Hình 2.6: Sơ đồ chuyển đổi tương ứng từ độ rộng xung đo thành việc

đếm số xung nhịp thời gian

Để chuyển đổi thời gian t ở mức “0” của xung tế bào quang điện thành kết quả đo người ta thiết kế bộ xử lý tín hiệu gồm các bộ phận như sau:

- Mạch tạo xung nhịp thời gian: Để tạo ra các xung nhịp có tần số cao và

ổn định thường sử dụng mạch tạo dao động dùng tinh thể thạch anh

- Bộ so sánh tín hiệu xung: Tín hiệu xung từ đầu ra của tế bào quang điện

và thiết bị tạo xung nhịp sẽ cùng đi vào bộ so sánh tín hiệu Bộ so sánh sẽ làm công việc đếm số xung N phát ra từ thiết bị tạo xung nhịp thời gian trong khoảng thời gian bằng độ rộng t ở mức “0” của xung tế bào quang điện

- Bộ xử lý tín hiệu đo: Sau khi so sánh tín hiệu xung bộ xử lý tín hiệu

có nhiệm vụ chuyển đổi số xung đếm N thành tín hiệu số cho bộ hiển thị kết quả đo

Ngoài ra bộ xử lý tín hiệu còn có chức năng xử lý và hiệu chỉnh các yếu

tố khác ảnh hưởng đến kết quả đo

2.1.1.6 Bộ phận hiển thị kết quả đo

Từ số xung đếm N qua bộ xử lý ta có thể hiển thị số trực tiếp kết đo theo kiểu hệ LED 7 thanh Tuy nhiên, hiện nay với phát triển của máy tính điện tử người ta có thể kết nối bộ xử lý xung đếm với CPU và thông qua một phần mềm tương thích để đưa kết quả đo cũng như các thông số kỹ thuật cần thiết

có liên quan đến quá trình đo ra màn hình máy tính

2.1.2 Tính toán quan hệ tín hiệu đo và kích thước chi tiết

Quy trình xử lý tín hiệu đo của máy LSM:

Hình 2.7: Sự tương ứng giữa kích thước chi tiết với khoảng mà nó che

khuất chùm tia quét

Giả sử khoảng chi tiết che khuất chùm tia quét song song tương ứng với góc quét  của chùm tia quét góc

Ta có kích thước D của chi tiết:

D = v.t hoặc D = MN = 2 f tg(/2) (2.1) Khi /2 là những góc nhỏ:

Đếm số xung nhịp trong thời gian che khuất

Hiển thị kích thước

Vận tốc quay n (vòng/giây) của gương đa giác là sẽ tương ứng với vận tốc góc của nó là:

g = 2.n (rad/s) (2.3) Theo tính chất của gương phẳng: Khi tia tới cố định, nếu gương quay một góc  thì tia phản xạ sẽ quay một góc 2

Với quan hệ góc quay giữa tia và gương: t = 2 g lấy đạo hàm theo

thời gian 2 vế ta có:

dt

dt = 2

dt

dg

(2.4)

Từ đó ta có vận tốc góc của tia quét góc: t = 2.g = 4.n (rad/s)

Gọi t là khoảng thời gian chi tiết che khuất tia quét ta có:

 = t.t = 4.n.t (2.5) Thay vào biểu thức trên ta được:

Vậy đường kính chi tiết tròn xoay cần đo là:

n là vận tốc quay của gương đa giác (vòng/s)

f là tiêu cự của thấu kính TK1

ft là tần số phát của xung chuẩn

N là số xung mà máy đếm tần số đo được

Nhìn vào biểu thức trên ta thấy do các đại lượng n; f; ft là các thông số

đã được xác định của máy quét LSM nên N chính là đại lượng đặc trưng cho

sự thay đổi của đường kính D khi ta đo các chi tiết

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của máy đo LSM

2.2.1 Các nguyên nhân gây sai số

2.2.1.1 Sai số do phương pháp đo

Với phương pháp đo bằng máy LSM, như đã tính toán ở trên, ta có công thức xác định đường kính của chi tiết đo:

D = 4.n.f

t

f N

Công thức cho thấy độ chính xác đo phụ thuộc vào:

- Độ không ổn định vận tốc của mô tơ dẫn đến sai số tốc độ quay n của

gương đa giác

- Sự không ổn định về tần số của máy tạo xung nhịp thời gian thạch anh

- Sai số của thấu kính trực chuẩn TK1 dẫn đến các sai số về tiêu cự f

2.2.1.2 Sai số do kết cấu và điều kiện sử dụng

Công thức trên chỉ đúng khi các điều kiện lý tưởng của chế tạo, lắp đặt thiết

bị và gá đặt chi tiết đo được thỏa mãn cũng như môi trường tuyệt đối ổn định

Vì các điều kiện lý tưởng này trong thực tế là không thể có nên ta cần phải xét ảnh hưởng của chúng đến sai số đo

2.2.1.3 Phương thức khảo sát các sai số đo

Vấn đề đặt ra là phải tính ảnh hưởng của từng nguyên nhân đến kết quả

đo Tuy nhiên ta thấy rằng một yếu tố sai lệch có thể do nhiều nguyên nhân sinh ra (Ví dụ: Độ không song song của chùm tia quét có thể được gây ra bởi các nguyên nhân: Do quét tia bằng gương đa giác, đặc trưng hình học của thấu kính TK1 hay sai số do lắp đặt, )

Như vậy, luận văn này sẽ khảo sát mức độ ảnh hưởng của các yếu tố sai lệch một cách cụ thể cũng như tổng quát Từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục trên cơ sở các nguyên nhân gây ra nó

2.2.2 Tính toán sai số và các biện pháp khắc phục

2.2.2.1 Xác định độ lệch tiêu điểm của tia quét góc khi sử dụng gương đa giác

Hình 2.8: Sơ đồ đường đi của tia laser qua hệ gương tạo tia quét

Như đã nói ở chương I thì chùm tia laser quét lên chi tiết phải song song với quang trục, muốn vậy thì hệ tia phản xạ quét góc từ gương đa giác phải đi qua tiêu điểm của thấu kính chuẩn trực TK1

Tuy nhiên do tính chất của việc sử dụng gương đa giác quay sẽ tạo ra

độ lệch của tia phản xạ so với tiêu điểm của TK1 Độ lệch này gây ra sự không song song của chùm tia quét dẫn đến sai số đo, vì vậy ta cần phải xác định nó để đưa ra biện pháp đảm bảo độ chính xác đo

Hình 2.9: Hệ tọa độ để xác định đường đi của tia laser quét

Để thuận tiện cho việc tính toán ta gắn hệ gương và thấu kính với hệ tọa Đề-các vuông góc xOy (Hình 2.9) như sau:

- Tâm quay của gương trùng với tâm tọa độ O

- Trục Ox đi qua tâm gương và song song với quang trục của TK1 Ox và quang trục x’ của TK1 cách nhau một khoảng là h

- Vì bài toán đặt ra là tính khoảng lệch do gương tạo ra nên để đơn giản cho việc tính toán ta giả thiết tia tới T (cố định) phản xạ từ gương phẳng cắt trục Ox tại điểm (0, r) với r là bán kính gương và tạo với Ox một góc α (Hình 2.9)

Ta có phương trình của tia tới T trong hệ tọa độ Oxy:

y – 0 = tgα (x – r) hay y = tgα (x – r) (2.9)

Khi mặt phản xạ của gương đa giác đang ở vị trí góc quay  (Hình 2.10),

ta thấy đường thẳng  qua nó có:

- Hệ số góc: -(900 - ) = ( - 900)

- Đi qua điểm M có tọa độ M (r.cos , r.sin)

Vậy, phương trình của  trong tọa độ Oxy là:

y - r.sin = tg( - 900).(x - r.cos)

y - r.sin = -cotg (x - r.cos)

y = -x cotg + r(cotg cos + sin)

Từ (2.9) và (2.10) ta thấy giao điểm N của tia tới T và  có hoành độ xN

là nghiệm của phương trình:

tg r

cot

) sin / 1 (





Thay vào trên ta có tọa độ của điểm N trong hệ tọa độ Oxy:

(2.11)

Hình 2.11: Xác định giao điểm K của tia phản xạ P với quang trục x ’ của TK1

Nhìn vào hình 2.11 ta thấy tia phản xạ P từ gương đa giác có hệ số góc:  - 2.( - ) = (2 - )

Mặt khác P đi qua điểm N đã được xác định ở hệ (2.11) nên ta xác định được phương trình của P trong hệ tọa độ Oxy:

g tg

r

cot

) cot sin

/ 1 (

tg r

cot

) sin / 1 (

tg g tg

tg r

cot

cot sin

/ 1 2

sin / 1

tg g tg

tg r

cot

cot sin

/ 1 2

sin / 1

cot sin

/ 1 2

sin / 1

g tg

h tg g tg

tg r

=      

 cot  ( 2 )

) cot (

).

2 / ( cot 2 2

sin / 1

g tg

h tg g

tg tg

Mặt khác, ta thấy rằng hệ số góc  = (2 - ) là góc quét so với quang

trục của tia phản xạ P lên thấu kính chuẩn trực TK1 Thay  =

2



 

vào công thức (2.13) ta xác định được:

tg

g tg

h tg g

tg tg

r

2 cot

2 cot

4 cot 2 2 sin

1

Hình 2.12: Độ lệch giao điểm của tia phản xạ với quang trục của TK1

Khi chi tiết đo nằm đối xứng qua quang trục P sẽ quét lên TK1 theo 2 tia giới hạn P1, P2 với các góc quét tương ứng là  =  (Hình 2.12) với giá trị của  phụ thuộc vào đường kính chi tiết đo  = aratg 

của  ta sẽ xác định được độ lệch ΔK = xK1- xK2 =

) , (

) , ( ) , (

trong đó xK1và xK2 là giá trị của xK tương ứng với các góc 

Để khảo sát hàm số này ta xét độ lớn của độ lệch ΔK theo đồ thị ở hình 2.13

0 0,5

1 1,5

Hình 2.13: Đồ thị quan hệ giữa K và góc lệch  khi đo với các chi

tiết với các đường kính khác nhau

Với các thông số r, h,  đã được chọn khi thiết kế và  được xác định theo đường kính chi tiết đo thì để độ lệch ΔK nhỏ thì r, h phải có giá trị nhỏ tối thiểu Để đạt được điều này ta cần:

+ h = 0: Trục gương đa giác phải trùng với quang trục của thấu kính trực chuẩn

+ r = rmin: trong đó rmin là kích thước tối thiểu có thể đạt được khi chế tạo gương đa giác

Đặc biệt khi r = h = 0 thì độ lệch ΔK luôn bằng 0, từ đó ta đưa ra các kết cấu hệ quang “lý tưởng” cho chùm tia quét góc như hình 2.14 sau:

Hình 2.14: Các mô hình gương quay tạo tia laser quét góc“hội tụ”

tại một điểm

Tuy nhiên các mô hình này có nhược điểm không thể tạo ra sự quét liên tục với tần số cao của tia quét (Một vòng quay của gương chỉ cho một lần quét lên chi tiết, còn khi sử dụng gương đa giác thì một vòng quay sẽ cho số lần quét lên chi tiết bằng số cạnh của nó)

Mối quan hệ giữa ΔK với độ không song song của chùm tia ra khỏi TK1 sẽ được xét ở phần sau

2.2.2.2 Xác định độ không song song của tia laser quét khi tia quét góc đi lệch tiêu điểm

Như đã xét ở phần I, ta luôn có độ lệch ΔK của 2 tia giới hạn so với tiêu điểm F của TK1, độ lệch này dẫn đến sự không song song của 2 tia khúc xạ qua TK1 tương ứng là R1, R2 (Hình 2.15)

Hình 2.15: Sự không song song với quang trục của tia qua thấu kính chuẩn trực do tia phản xạ từ gương đa giác không đi qua tiêu điểm của TK1

Ta cần khảo quan hệ giữa độ lệch so với tiêu điểm của tia phản xạ P với

độ không song song so với quang trục của tia khúc xạ R

Xét 2 trường hợp có thể xảy ra:

a/Vị trí giao điểm K 1 nằm ngoài khoảng tiêu cự của TK1 (Hình 2.16)

Ta cần tính quan hệ giữa khoảng lệch tiêu điểm k1 và góc quét  với góc lệch 

Hình 2.16: Sơ đồ tính toán góc lệch của tia qua TK1 khi K nằm ngoài



O

N K

2

Gọi:

+ K’1 là ảnh (thật) của K1 qua thấu kính TK1

+ d1 và d’1 là khoảng cách của K1 và K’1 đến TK1

+ f và f’ là tiêu cự trước và tiêu cự sau của TK1

Ta có phương trình tạo ảnh của K1 qua TK1:

f d

.

) (

.

f d

f d tg

tg 

(2.17) Lại thay thay d1 = k1 + f ta được:

(2.18)

b/Vị trí giao điểm K 2 nằm trong tiêu cự của TK1 (Hình 2.17)

Ta cần tính quan hệ giữa khoảng lệch tiêu điểm k2 và góc quét  với góc lệch 

Hình 2.17: Sơ đồ tính toán góc lệch của tia qua TK1 khi K nằm

trong khoảng tiêu cự của TK1

Gọi:

+ K’2 là ảnh (ảo) của K2 qua thấu kính TK1

+ d2 và d’2 là khoảng cách của K1 và K’1 đến TK1 (để tiện cho việc tính toán d’2 ta lấy giá trị dương)

+ f và f’ là tiêu cự trước và tiêu cự sau của TK1

Ta có phương trình tạo ảnh của K1 qua TK1

'

2

d f

f d

.

) (

.

f d

d f tg

'

) (

f

d f

tg 

(2.21) Thay d2 = f – k2 ta được

(2.22) Mối quan hệ giữa các góc lệch ,  của các tia quét từ thấu kính chuẩn trực TK1 với sai số đo kích thước chi tiết sẽ được ta xét ở phần sau

2.2.2.3 Sai số độ không song song của tia quét do quang sai của thấu kính chuẩn trực

Hình 2.18: Sự không song song của của tia quét do quang sai của

Về nguyên lý tia laser quét khi đi qua tiêu cự của thấu kính chuẩn trực

sẽ cho chùm tia quét song song, tuy nhiên điều này chỉ có thể áp dụng được một cách chính xác đối với các tia có góc mở  nhỏ

Như ta đã xét ở phần trên thì do phải hạn chế về kích thước thiết bị ta không thể tăng nhiều về tiêu cự của TK1 trong khi yêu cầu lại phải đo được chi tiết có kích thước lớn vì vậy trong máy LSM thì góc mở  là tương đối lớn Khi đó tia quét lên chi tiết không còn song song với quang trục nữa mà sẽ tạo với quang trục một góc quang sai  (Hình 2.18)

Nhiệm vụ đặt ra là ta phải xác định  theo các thông số của TK1 và độ

lớn chi tiết đo

a) Đặc điểm về quang sai của tia laser quét trong máy LSM

So với các phương pháp tính quang sai tạo ảnh thì quang sai của tia laser quét qua thấu kính TK1 mà ta đang xét trong luận văn này có những khác biệt như sau:

Đặc điểm quang sai tia laser

quét trong máy LSM

Đặc điểm quang sai tạo ảnh

Quang sai đường đi của một

tia sáng qua hệ quang

Quang sai sự tạo ảnh của một vật qua hệ quang

Quang sai được tính toán

không nằm trên mặt phẳng chứa

ảnh mà là trên phương đo đi qua

trục chi tiết

Quang sai được tính toán trên mặt chứa ảnh

Quang sai được tính chỉ với

từng tia riêng biệt

Từ một điểm trên vật quang sai được tính với nhiều tia từ nó đến Pupin vào

Quang sai sắc không đáng kể

do tia laser quét có độ đơn sắc rất

cao

Tồn tại quang sai sắc do tia sáng được xét là tổng hợp của nhiều bước sóng khác nhau

Với những khác biệt nêu trên, khi tính quang sai trong máy LSM ta không thể áp dụng phương pháp tính các quang sai thành phần trong quang sai tạo ảnh (cầu sai, Koma, sai sắc ) mà phải tính toán một cách cụ thể đối với đường đi của các tia đơn sắc

b) Xác định độ không song song của các tia qua thấu kính chuẩn trực

Hình 2.19: Đường đi và các thông số hình học để tính quang sai của tia

laser qua một thấu kính

Ta xét bài toán với các thông số như sau (hình 2.19):

- Tia laser quét (từ gương đa giác) để xét quang sai là tia đi qua tiêu điểm F của TK1 tạo với quang trục một góc  (nó tương ứng với việc xác định sai số khi đo chi tiết có đường kính D = 2.f.)

- Thấu kính trực chuẩn có bề dày d, chiết suất n2, các bán kính cong 2 mặt cầu là r1 và r2 (bán kính cong lấy giá trị dương với mặt cầu lồi và âm với