nghiên cứu ứng dụng máy đo tọa độ cnc cmm và phần mềm scanpak để thiết kế và chế tạo sản phẩm nhanh

Trong những năm gắn đây nhận thức được tầm quan trọng của máy đo tọa độ ,một số các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp đã đầu tư thiết bị này .Tuy nhiên việc khai thác còn bị hạn chế và ch

NGHIEN CỨU ỨNG DỤNG MÁY ĐO TOA ĐỘ CNC - - CMM

VA PHAN MEM SCANPAK DE THIET KE : VA CHE TAO SAN PHAM NHANH

Chủ nhiệm để tài: TS Thái Thị Thu Ha

Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt Q.10, TP.HCM Điện thoại: §4.8.8647256/5885

KS Tô Hoành Minh ~ Khoa Cơ khí, trường ĐH Bách Khoa TP.HCM - Tham gia

TS Phạm Ngọc Tuấn ~ Khoa Cơ khí, trường ĐH Bách Khoa TP.HCM - Tham gia

KS Hoàng Lanh ~ Khoa Cơ khí, trường ĐH Bách Khoa TP.HCM - Tham gia

KS Nguyễn Minh Long ~ Công ty nhựa Đô Thành - Tham gia

-2004-

LOI NOI DAU

Hiện nay khi kinh tế nước fa từng bước gia nhập nền kinh tế thế giới và khu vực thì việc đảm bảo chất lượng sản phẩm là vấn đề quan tâm hàng đầu của mỗi doanh nghiệp

Chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : Phương pháp công nghệ ,vật liệu ,thiết bị gia công ,hệ thống quản lý chất lượng và thiết bị đo lường v.v Để có thể đánh giá và đảm bảo chất lượng sản phẩm Hiện nay trên thế giới người Ta thường sử dụng máy đo tọa độ ( Coordinate measuring Machines) May do tọa độ CMM không những có khả năng đo và kiểm

tra các kích thước khác nhau của các bề mặt phức tạp ,mà còn có thể dùng cho việc tái tạo lại bề

mặt của sản phẩm để thiết kế mới lại chính sản phẩm cũng như bề mặt khuôn mẫu cần thiết Trong những năm gắn đây nhận thức được tầm quan trọng của máy đo tọa độ ,một số các cơ

sở nghiên cứu và doanh nghiệp đã đầu tư thiết bị này Tuy nhiên việc khai thác còn bị hạn chế và chưa có hiệu quả.Để khai thác có hiệu quả lọai thiết bị này cần phải nắm vững các phương pháp

đo ,các thao tác sử dụng dụng cụ đo và đặc biệt là nghiên cứu xử lý dữ liệu đo để có thể đo và tái

tạo lại bề mặt sản phẩm một cách chính xác

Đây là vấn đề cấp bách hiện nay cho nhiều doanh nghiệp cơ khí, đặc biệt là các doanh

= nghiệp chế biến nhựa và chế tạo khuôn mẫu

Giới thiệu về kỹ thuật tạo mô hình 3D từ mẫu 2.1, _ Xây dựng bề mặt dựa trên lưới tam giác trung gian

22 Xây dựng bề mặt dựa trên ý tưởng thiết kế Phần mềm Mitutoyo Scanpak

Độ: Tổng quan

3.2 Các thuậtngữ thường dùng trong đo lường tọa độ 3.3 Tìm hiểu Scanpak

3.4 Xuấtkết quả CHUONG II: CAC DANG SAI SO XAY RA TREN MAY DO CMM VA KHAC PHUC

1,

2 Các dang sai số

Sai số do đầu do 2.1 Sai số tiền dịch (pre-travel | error) 2.2 Khả năng lặp lại và tính trễ 2.3 _ Sai số do sự dụng đầu dò và cách hạn chế 2.4 Ảnh hưởng của bán kính mỗi đò và các thông số CNC 2.5 Bù trừ bán kính mũi dò

2.6 Lập quï đạo đo để tránh va đập gây lỗi

CHUONG III : PHAN MEM HO TRG

2.3 Bài toán nội suy

2.4 Lược bỏ dữ liệu

Sử dụng CHƯƠNG IV : QUI TRÌNH XÂY DUNES MO HINH 3D TU MAU BANG MAY CMM

2.1 Kha nang 2.2 _ Phương hướng xây dựng mặt từ dữ liệu quét hình

CHUONG V : KHA NANG UNG DUNG TRONG CONG NGHIEP

1 Ung dung trong lĩnh vực giày dép 1.1 Hệ thống CAD/CAM trong lĩnh vực giày dép 1.2 Thiết kế ngược phom giày trên máy CMM

13 Kétluan

2 Ứng dụng trong ngành may 2.1 Kháiniệm Ứng dụng hệ thống scan trong may mac 2.2 So sánh các đặc điểm hệ thống scan

o

I TONG QUAN VE MAY CMM VA PHAN MEM SCANPAK

1 GIGI THIEU CHUNG

1.1 Hé thong CMM

Máy đo tọa độ CMM (Coordinate Measuring Machine) lan dau tiên được giới thiệu trong khoảng cuối những năm 1950, bắt đâu phổ biến vào khoảng thời gian 1970, chúng nhanh

chóng trở thành tiêu chuẩn cho việc đẩm bảo chất lượng (quality assurance) và kỹ thuật tạo

mô hình 3D từ mẫu (reverse engineering) với sự hỗ trợ của các phân mễm chuyên dụng

Một hệ thống CMM gồm : máy, đầu dò, máy tính và phân mềm giao tiếp (hình 1.1)

Máy thông thường gồm 3 trục trực giao được điểu khiển servo để di chuyển đầu dò trong không gian 3 chiều Chuyển động của đầu dò có thể được diéu khiển bằng tay thông qua tay điều khiển (joystick) hoặc bằng máy tinh (CNC)

Hình 1.1 : Cấu trúc chung máy CMM : 1 - đầu dò ,2 - đường truyền ,3 - Joystick , 4 - Máy tính

CMM thu thập thông số hình học bằng cách dịch chuyển đầu dò trên bể mặt chỉ tiết cân đo Đâu dò là một công tắc điện tử thường đóng, khi mũi đâu dò tiếp xúc với bể mặt vật

công tắc này sẽ mở Trạng thái của công tắc này được theo dõi bởi máy tính, ngay khi nó chuyển sang trạng thái mở, vị trí của mũi đầu dò sẽ được ghi lại nhờ các encoder và thước quang trên mỗi trục phản hôi tín hiệu Mỗi điểm tiếp xúc của đầu dò với bể mặt vật sẽ cho

tương ứng với một tọa độ (x,y,z) duy nhất

Máy tính dùng các thuật toán liên kết những điểm tiếp xúc này để hình thành các đặc điểm hình học của vật thể Ví dụ, để đo đường kính lỗ, ta cho đâu dò chạm lỗ tại ít nhất 4 điểm trong cùng một mặt phẳng, phần mềm sẽ dùng thuật toán để tìm đường tròn xấp xỉ tốt

nhất (best fit) qua các điểm này, kết quả thu được ngoài giá trị đường kính, còn có độ không

tròn của bể mặt lỗ Nếu đo nhiễu lỗ, ta có thể tính được khoảng cách tâm giữa các lỗ, độ đồng trục, độ xuyên tâm, góc giữa các trục Như vậy, bằng những phép đo đơn giản, ta có thể tính toán được các mối quan hệ hình học phức tạp của các chỉ tiết mà không cần chế tạo đô gá và các dụng cụ đo chuyên dùng như khi đo bằng các phương pháp đo truyền thống Ưu điểm này,

cùng với độ chính xác rất cao là những nguyên nhân khiến máy đo tọa độ CMM được sử dụng

ngày càng rộng rãi để kiểm tra chỉnh xác trong công nghiệp (hình 1.2)

br ad

’ '

Hình 1.2: Đo và kiểm tra trên CMI

CMM là một trong những dụng cụ đo hiệu quả nhất để kiểm tra sự phù hợp của sản phẩm sau khi gia công với ý tưởng của người thiết kế ở dạng 3D Phát hiện ra sai lệch giúp ta quyết định thay đổi các thông số công nghệ cho thỏa thông số thiết kế hoặc ngược lại, chỉnh sửa thiết kế để phù hợp với điều kiện sản xuất

CMM còn là một robot có chức năng lập trình Qui trình đo một chỉ tiết có thể được ghi thành chương trình điểu khiển để do tự động các chỉ tiết khác cùng loại Vì vậy CMM được dùng trong các nhà máy lớn để kiểm tra chất lượng sản phẩm hàng lọat

Bên cạnh chức năng đo kiểm tra, CMM còn được dùng để quét hình (scanning) - số hóa các bể mặt chỉ tiết phức tạp Với sự trợ giúc của các phần mềm CAD và hiện nay còn xuất hiện các phân mềm chuyên xử lý dữ liệu thu được từ quét hình, ta có thể tạo lại mô hình 3D của các vật thể thật - đây chính là kỹ thuật tạo mô hình 3D từ mẫu (revere engineering)

mà ta sẽ nói rõ hơn trong tài liệu này Nhu câu này ngày một cao dẫn đến sự ra đời của các

thiết bị chuyên quét hình như các tay đo, camera 3D Ngay cả CMM hiện nay cũng có thể

trang bị các lọai đầu dò laser để phục vụ công việc này nhanh chóng hơn

1.2 Phân loại CMM ch Máy đo toạ độ đựơc phân lọai theo nhiễu quan điểm khác nhau 1.2.1 Theo kiểu máy

Có nhiều dạng máy CMM Sự phân loại dựa vào số lượng thành phân chuyển động của máy,vị trí tương đối của chúng so với cơ cấu dẫn hướng, bộ phận gắn đầu dò và vị trí của bàn

đo Hai dạng máy CMM thông dụng được giới thiệu ở hình 1.3 Mũi tên trong hình để chỉ

những bộ phận và hướng chuyển động

Hinh 1.3b: Hai kiểu máy CMM dạng đứng và ngang trong thực tế

1.2.2 Theo phương pháp đo

Phân loại theo phương pháp đo thực chất là dựa trên hệ thống đầu dò sử dụng

a Tiếp xúc : CMM dạng tiếp xúc là loại sử dụng đầu đò cơ khí nêu trên Trong quá trình

đo đầu dò sẽ tiếp xúc và di chuyển trên mặt phẳng cân đo Hiện có 2 loại đầu dò dạng tiếp

xúc, loại nẩy (touch trigger) và loại dính trên bể mặt (contact)

Hình 1.4 : Một số kiểu máy CMM đạng tiếp xúc

©

a Không tiếp xúc : CMM không tiếp xúc sử dung dau dò dạng quang thay cho đầu dò cơ khí, đây là dạng đầu dò chuyên dùng để quét hình Trên đầu dò quang đông thời gắn đèn phát tia laser chiếu lên bể mặt vật và mắt thu tia phần xạ Đèn, vật đo và mắt thu được bố trí thành

dạng tam giác nên cấu trúc này được gọi là optical triangulation (hình 1.5) Mắt thu là các cảm

biến CCD bố trí thành dạng ma trận, tâm của tia phản xạ tương ứng một phân tử duy nhất trên

ma trận tùy thuộc vào độ sâu của điểm trên bể mặt

Bể mặt

Nguồn sáng

Hình 1.5: Nguyên tắc tạo ảnh optical triangulation

Hình 1.6 : Máy CMM dạng không tiếp xúc

Lợi điểm của dạng không tiếp xúẻ là thời gian của quét hình sẽ được cải thiện đáng kể

vì không dùng đẫu dò tiếp xúc lên bể mặt chỉ tiết (nhiều đầu dò analogue có khả năng quét đến

1000 điểm trong 1 giây) Mặt khác, đầu dò tiếp xúc bị giới hạn về hình học, những lỗ lõm quá nhỏ đâu dò không thể tiếp xúc, nhiều vật liệu khi tiếp xúc sẽ bị biến dạng , tray xước làm hồng bể mặt do vậy đo không chính xác Đo không tiếp xúc đã khắc phục được các nhược điểm trên Tuy nhiên chúng cũng có một số nhược điểm như độ chính xác kém và khó xử lý

kết quả hơn nhiễu như khi sử dụng đầu dò dạng cơ

1.3 Hệ thống đầu dò Đối với đầu dò dạng cơ khí, để phân loại đầu dó có thể dựa trên các nguyên tắc khác nhau :

1.3.1 Theo cấu tạo phần đầu dò (probe head) Probe head có nhiệm vụ thay đổi phương đầu dò để có thể tiếp xúc được các bể mặt có

c hướng khác nhau trong không gian

a Dang dau thẳng : đấy là loại có phân đầu cố định (rigid probe head) : loại này không ˆ

ở xoay được mà phải gắn thêm các kim dò khác (hình 1.7)

Chiểu dài toàn bộ B

'Yêu cầu công nghiệp ngày càng tăng do số chủng lọai sản phẩm ngày càng tăng và chỉ

tiết ngày càng phức tạp, hệ thống kiểm tra sẽ có yêu cầu khắt khe hơn Vì vậy máy đo tọa độ CMM với hệ thống đầu dò phải được phát triển để đáp ứng năng suất và chất lượng khi kiểm tra chỉ tiết trên nó Sự thành công của hệ thống phụ thuộc nhiều vào khả năng của từng lọai đầu

dò và độ chính xác của điểm tiếp xúc, việc chọn đầu dò thích hợp cho từng trường hợp cụ thể là rất cần thiết

a Dau dd quay (motorised probe head): đây là loại đầu dò có gắn động cơ giúp nó có thể quay được ; góc quay được điều khiển và phản hồi về máy tính (hình 1.10)

$ ;

Hình 1.10: Lọai đầu đồ xoay được

1.3.2 Đầu dò không tiếp xúc

a Loại dùng laser: Loại đâu đò này có thể bắt được hàng ngàn điểm trong một giây, nó

được ứng dụng để nâng cao năng suất cho việc quét hình Nó cho phép việc giảm thời

gian đo từ vài giờ thậm chí cả ngày trong vài phút

Hình 1.11a :: Đâu đồ laser

ä Loại quang học :

Hình 1.11b : Dang đầu dò quang

1.3.3 Vật liệu chế tạo đầu dò cơ khí :

œ Phẩn mũi dò :

a Hồng ngọc (rubi) : Đây là một trong những lọai vật liệu cứng nhất Rubi nhân tạo gồm 99% là oxyt nhôm tỉnh khiết được phát triển thành tinh thé ở 2000°C_ trong quá trình verneuil Loại đầu dò hình câu có-độ trơn bể mặt tốt và có khả năng chống va đập cao Trong

một số trường hợp việc sử dụng đầu dò rubi không tốt như khi dùng để scan trên nhôm do sự

6

hút vật liệu do hiện tượng dính mòn có thể xảy ra, trong trường hợp này tốt nhất là dùng silicon

nitride Trường hợp thứ hai có thể xày ra khi scan với mật độ cao trên gang và cũng do hiện tượng dính mòn và tốt nhất là dùng bạch ngọc (zirconia)

b Silicon nitrde: Lọai này có đặc tính gần giống hồng ngọc Nó rất cứng và chống mài mòn tốt, có thể gia công ở dạng cầu có độ chính xác cao Bể mắt của nó có độ trơn láng đặc biệt cao bằng cách đánh bóng và khắc phục được các nhược điểm của hồng ngọc

c Bạch ngọc (zirconia) : là vật liệu gốm với độ cứng và khả năng mài mòn gần giống

- hồng ngọc và nó dùng khi scan mật độ cao trên gang

a Phan than

a Thép

Thân thường được chế tạo từ thép không rỉ, thân có dạng hình tròn hoặc thanh đường

kính từ 2mm hoặc lớn hơn và chiều dài tới 30 mm phải bảo đảm có độ cứng vững tốt

b Tungsten carbite Loai này sẽ tạo cho thân đầu dò có độ cứng vững cao nhất khi yêu cầu đường kính thân nhỏ, đối với đường kính đầu dò nhỏ hơn 1mm và nhỏ hơn trong khi chiều dài của thân đến 50mm

Khi đường kính đầu dò lớn hơn 3mm và chiều dài lớn hơn 30mm,thì khi dùng gốm sẽ có

độ cứng vững có thể so được với thép nhưng trọng lượng nhẹ hơn tungsten carbide nhiều

Ngòai ra lọai này có thể bảo vệ được sự đột ngột khi va chạm

1.3 Hiệu quả khi sử dụng CMM

v_ Cải thiện sự chính xác rất nhiều do tránh được sự ảnh hưởng của yếu tố con người lên kết quả đo

_ Việc không phải chế tạo các đồ gá phức tạp giúp chi phí kiểm tra giảm đi và năng suất tăng, làm cho sắn xuất được liên tục

*ˆ Có khả năng đo, kiểm tra các chỉ tiết phức tạp về vị trí tương quan Máy CMM có thể dùng để đo các kích thước và kiểm tra vị trí tương quan trên các chỉ tiết

đạng hộp như block xe máy, ô tô

* Có khả năng quét hình những chỉ tiết phức tạp về mặt hình học với độ chính xác cao và

nhanh (khi sử dụng các đầu dò không tiếp xúc) (hình 1.12)

Do va scan các bể mặt phức tạp

2 GIGI THIEU VE KY THUAT TAO MO HINH 3D TU MAU

Nhu cầu tạo mô hình 3D tir m4u (Reverse Engineering — vt: RE) xuất phát từ thực tế là nhiều sản phẩm, chỉ tiết tồn tại mà không có mô hình CAD hoặc tương ứng, nhất là đối với những chỉ tiết chế tạo đã lâu, không rõ xuất xứ hoặc ngừng sản xuất mà nay cần phải chế tạo lại Việc tạo lại mô hình 3D của chúng là để áp dụng các phương pháp sản xuất hiện đại và chế tạo hàng loạt

RE được ứng dụng nhiều trong ngành khuôn mẫu và chế tạo để hỗ trợ cho việc thiết kế trở nên đơn

giản hon Lay vi dy, người thiết kế tạo hình một sản phẩm mới trên các mẫu đất sét, thạch cao để được hình dáng mong muốn, sau đó mới đem vật mẫu này quét hình và tạo mô hình 3D Điều này cho phép sản phẩm tạo ra được tạo dáng như mong muốn dễ dàng hơn là vẽ trực tiếp trên CAD

Quá trình RE gồm 2 bước, quét hình để thu được các điểm lấy mẫu trên bề mặt vật thể và

xây dựng lại mô hình 3D của vật từ các điểm này Để quét hình có nhiều lọai thiết bị chuyên dùng như các lọai tay đo (measuring arm), CMM và các máy quét laser, camera 3D Kết quả thu được của các thiết bị này cũng khác nhau, dẫn đến bước xây dựng mô hình 3D cũng khác nhau, phân thành 2 kiêu: ,

` Hình 1.13: Các lọai tay đo, CMM cỡ lớn và máy camera 3D _

2.1 Xây dựng bề mặt dựa trên tạo lưới tam giác trung gian

(triangular mesh based surface reconstruction) Phương pháp này được áp dụng khi số lượng điểm quét lớn, lên đến hàng trăm ngàn điểm

và phân bố không trật tự trong không gian (unorganized cloud points) Đây là dạng dữ liệu thu được từ các máy quét 3D tốc độ cao như CMM có gắn đầu laser, camera 3D, máy cắt lớp CT

phương pháp này xuất phát từ ý tưởng là nếu dùng mặt NURBS (Non-uniform Rational B-Splines)

ta có thể xắp xi bất cứ bề mặt nào Lưới các đỉnh điều khién (contro! point) của mặt NURBS được xây dựng trên các điểm quét hình, sau đó được tối ưu hoá dựa trên 2 thông số là độ chính xác và đơn giản Thực chất đây là một quá trình rất phức tạp và cũng chưa có thuật toán nào giải quyết triệt để mọi trường hợp [5]

b Lưới tam giác e Lưới tam giác được tôi ưu hóa _ d Mô hình mặt NURBS

gần như là bắt kỳ như các mẫu răng xương, sọ não trong cơ thể người, các mẫu phù điêu, trạm trổ

Hình 1.15 : Các mô hìnt a vỏ bơm, phù điêu, đô chơi (thực tê ảo), xương sọ người

Hạn chế của phương pháp là chưa thể hiện được cấu trúc của chỉ tiết ở mức độ cao hơn,

hiểu đơn giản là thể hiện được như cách mà ta vẽ ra chỉ tiết đó, do vậy ta khó thực hiện chỉnh sửa

hình dạng của chỉ tiết Hiện nay một số công trình nghiên cứu đang tập trung vào vấn dé này nhưng

mới chỉ áp dụng được cho những chỉ tiết cơ khí có phép tạo hình đơn giản Ví dụ như hình 1.16, chỉ

tiết tái tạo được phân tích thành các đặc điểm gồm các lỗ, góc lượn , các ràng buộc hình học song

song, đồng trục nên fa có thể thay đổi đặc điểm thiết kế như thay đổi đường kính lỗ dễ dàng

a/ Chi tiết ban đầu b/ Đám mây điểm c/Dang wireframe d/ Chỉ tiết tái tạo lại

Hình 1.16 : Kỹ thuật ngược dựa trên các đặc điểm chỉ tiết

2.2 Xây dựng bê mặt dựa trên ý tưởng thiết kế

(surface reconstruction based on intend design; computer aided reverse engineering) Phần lớn các sản phẩm cơ khí thường được mô hình hóa bằng các phần mềm CAD Nếu ta nắm được ý tưởng tạo hình của người thiết kế ban đầu, hay cách vẽ nên sản phẩm đó, ta có thể tái tạo nó một cách chính xác với lượng dữ liệu từ scan ít hơn nhiều so với phương pháp kỹ thuật ngược dựa trên lưới đa giác nêu trên Phương pháp này thích hợp với các chỉ tiết ít phức tạp và sử dụng các máy CMM, tay đo với tốc độ quét chậm

a Chỉ tiết ban đầu Các đường sean i c Tao mặt d Tao solid

Hình 1.17 : Ví dụ thiết kế ngược dựa trên ý tưởng thiết kế

Phương pháp này có nhược điểm là việc quét hình tưởng chừng như đơn giản nhưng lại đòi

hỏi sự xuyên suốt với việc tái tạo lại mô hình : cần gá đặt, lấy chuẩn và quét hình cho đúng với

cách vẽ chỉ tiết và phù hợp với yếu tố công nghệ Ngược lại, nó cũng có nhiều ưu điểm như : -_ Dữ liệu xử lý đơn giản :

- MO6hinh tao ra khéng bj sai s6 in dap

- Dé dang chinh sira dang thiét ké ban dau

-_ Không tốn thêm chỉ phí phụ đẻ trang bị thiết bị và phần mềm chuyên dụng Ễ Như vậy nếu chỉ được trang bị tay đo hoặc một máy CMM với đầu dò cơ khí chủ yếu dùng

để đo kiểm tra, sẽ kinh tế hơn nếu xây dựng mặt theo phương pháp này Vì vậy mục đích của đề tài của chúng tôi là nhằm xây dựng thành qui trình các bước để xây dựng mô hình 3D trén may CMI theo hướng này được ứng dụng trong ngành khuôn mẫu, giày dép :

3 PHAN MEM SCANPAK

3.1 Tông quan

SCANPAK là module phục vụ việc quét hình trong bộ phần mềm COSMOS của hãng

š Mitutoyo (hình 1.18) Người vận hành sử dụng SCANPAK để điều khiển CMM quét các contour

2D (scanning 2D contours) vắt ngang bề mặt cần lấy mẫu, sau đó xuất dữ liệu thu được dưới dạng

= chuẩn thông dụng như DXF, IGES sang các phần mềm CAD/CAM khác để tái tạo bề mặt

Hình 1.18 : Bộ phần mềm Mitutoyo COSMOS, trong dé quan trong nhdt 1a GEOPAK-Win (chương trình điều khiển

may CMM va tinh toán dữ liệu 3D) SCANPAK là một module tuỳ chọn phục vụ việc quét hình

3.2 Các thuật ngữ thường dùng trong đo lường tọa độ Trong GEOPAK-Win cũng như trong phần mềm đo lường tọa độ (coordinate metrology) của các hãng khác như PC-DMIS của Brown & Sharpe hay U-SOFT của Ziess thường sử dụng

3.2.1 Hé toa dé (coordinate system)

Có 2 loại hệ tọa độ được sử dụng trong phần mém :

» _ Hệ tọa độ máy (machine coordinảte system) : mỗi vị trí chuyển động của đầu dò được

tính toán trong một hệ tọa độ tuyệt đối mà các trục X,Y,Z của nó song song với các trục

máy Khi nhìn từ phía trước, chiều dương của các trục như hình 1.19a

» _ Hệ tọa độ vật đo (part coordinate system) : phần mềm cho phép thiết lập những hệ tọa độ

gắn liền với các đặc điểm của vật đo (hình 1.19b)

Có 3 kiểu tọa độ: tọa độ Cartesian, tọa độ trụ, tọa độ cầu Khi ta chọn kiểu hệ tọa độ nào thì kết quả tính toán sẽ được xuất ra trong hệ đó

Khái niệm về các hệ tọa độ nêu trên giống với khái niệm ta từng gặp trong kỹ thuật CNC

Tuy nhiên, trước khi gia công trên máy CNC, ta phải tìm cách gá đặt sao cho trục X của phôi song song với băng máy (trục X của máy) thì đối với CMM, điều này không cần thiết Trục X của chỉ tiết cần đo có thể chéo một góc bắt kỳ (hình 1.19b); khi ta ra lệnh máy di chuyển theo phương này,

10

phần mềm sẽ tự nội suy chuyển động 3 trục của máy để đạt được những vị trí (Y= const) như

a, Hệ tọa độ máy CT TT” b, Hệ tọa độ vật đo

Hình 1.19 : Hai loại hệ toạ độ sử dụng

Việc xây dựng hê tọa độ vật đo được gọi là quá trình gắn két (alignment) GEOPAK-Win cung cấp cho ta một số mẫu gắn kết (pattern of alignmen†) thường dùng đẻ thuận tiện cho việc xây đựng

'Ví dụ : một trong các mẫu là : “mặt phẳng - đường tròn - đường thẳng” : Ta đo một miặt phẳng chuẩn trên chỉ tiết, gán nó là mặt XY của hệ tọa độ Sau đó, ta đo một đường tròn trên chỉ tiết và gán hình chiếu tâm đường tròn này lên mặt XY 1a gốc tọa độ Cuối cùng, ta đo một đường thẳng, khi đó trục X của hệ toạ độ vật đo sẽ song song với hình chiếu của đường thẳng này lên mặt XY Ta thấy hệ toạ độ vật

do đã có tâm O, trục X, trục Z (vuông góc với mặt XY), trục Y ( tạo bởi qui tắc bàn tay phải giữa trục X và Z ), như vậy nó đã hoàn toàn xác định Các mặt phẳng, đường thắng, đường tròn trong ví dụ này được gọi chung là các elements, chúng có thể tạo ra bằng cách đo trực tiếp hoặc gián tiếp qua các phép lấy giao, đối xứng, vuông góc

3.2.2 Vận tốc chạy (travelling speed) và vận tốc đo

(measurement speed) Vận tốc di chuyển máy từ điểm này tới điểm khác ban đầu nhanh sau đó chậm lại, 2 giá trị đó gọi là vận tốc chạy và vận tốc đo Vận tốc chạy nhằm rút ngắn thời gian đo, chỉ khi đầu

đò chạm vào vật lúc đã chuyển sang vận tốc đo thì điểm chạm

mới được tính Nếu đầu dò chạm vật khi vẫn ở vận tốc chạy,

chương trình sẽ báo lỗi Va chạm ở vận tốc chạy lớn có thể gây

2 = theoretical touch point

3.2.3 Bù trừ bán kính mũi đò (probe radius compensafion) Đầu mũi dò là một hình cầu nên điểm tiếp T

xúc thực sự giữa nó với bề mặt vật là một điểm

nằm trên chu vi hình cầu ¡ trong khi máy lại chỉ

“hiểu” được tọa độ tâm mũi dò Vì vậy trong kết

quả thu được luôn phải trừ đi một khoảng bằng

bán kính mũi dò ngược hướng tiếp xúc, công việc

này được thực hiện bởi GEOPAK-Win

Nếu như CMM đang vận hành bằng tay (manual mode), việc bù trừ được thực hiện theo một trong các trục X,Y,Z của hệ toạ độ máy Nếu

CMM dang van hanh theo chế độ CNC, việc bù

trừ thực hiện theo phương pháp tuyến với bề mặt vật đo Như vậy, chế độ CNC cho kết quả chính

xác hơn, vì thế ta nên đo vật trong chế độ CNC Hình 1.21

nếu có thể

Trước khi bắt đầu đo hoặc sean, ta phải khai báo đường kính mũi dò, vị trí tương đối của các mũi dò với nhau (nếu sử dụng nhiều hơn một mũi dò) Quá trình này thường được thực hiện bằng cách dùng các mũi dò này đo một khối cầu bằng sứ đuợc chế tạo chính xác gọi là master ball

Z

Khi phan mém GEOPAK-Win cé cai thém Scanpak thi trén thanh toolbar sé xuất hiện nút nhắn | để scan từng contour rời tac và ngoài Part Manager sẽ có thêm chức năng Paích Scanning Generation đề scan nhiều contours liên tục (hình 1.22) Tuỳ từng trường hợp mà ta

chọn cách quét hình thích hợp

Hình 1.22 : Sean nhiều contour liên tục vắt ngang bề mặt chỉ tiết

Từ màn hình GEOPAK-Win, nhắn vào nút tương ứng trên thanh toolbar hoặc gọi từ menu

Element/Contour

12

Khi đó cửa số Element Contour xuất hiện (hình 1.24), trong cửa số này, chú ý = nút nhắn

có ý nghĩa như sau :

lement Contour

` Hình 1.24 : Cita sé Element Contour

- O trang thái bat : “CNC scanning” - qué trinh scan duge điều khién tự động bởi máy tính Các đường contour khi scan tự động phải là những đường cong 2D (nằm trong một mặt es nao

đó) Người vận hành chỉ cần nhập vào điểm dau, điểm cuối, phương và hướng chạy của đầu dò

và máy tính sẽ điều khiển chuyển động của đầu dò theo quĩ đạo đã chỉ ra

- O trang thai tét : “Manual scanning” - qué trinh scan dugc thực hiện “bằng tay”, người van hanh ding joystick di chuyển đầu dò và ty nhập từng điểm đo Các đường confour khi scan bằng tay, nói chung, sẽ là các đường cong 3D

Nếu chọn chế độ CNC scanning, sẽ xuất hiện tiếp cửa số Scamming (CNC) (hình 1.25)

13

Trong ctra sé nay các ô có ý nghĩa như sau : ⁄ Start point : diém đầu ae vận hành ding joystick dich chuyển đầu dò đến điểm bắt

đầu contour và nhấn nút đi nhập điểm

Ta cũng có thẻ nhập tọa độ trực tiếp vào ô textbox bên cạnh Giá trị tọa độ có thê hiện thị ở

các dạng :

(Toa d6 Descartes (XYZ)

Toa do try (R-Phi-Z)

14

" _ Driving plane : mặt phẳng chạy, bao gồm các mặt phing XY, XZ, YZ, RZ, Z Trong 46

2 loại mặt phẳng RZ và ọZ cần giải thích rõ hơn như sau : + RZ : mặt phẳng tạo bởi trục Z và bán kính R tính từ gốc tọa độ.Tọa độ thứ 3 — góc @ — luôn là hằng số

Vector chỉ chiều bắt đầu di chuyển của đầu dò tại điểm đầu Các giá trị trong

các ô X, Y, Z là góc của vector chỉ hướng so với vector đơn vị của các trục

tương ứng Ví dụ muốn đầu dò đi theo chiều (+) trục Y thì nhập vào X:90, Y:0, Z:90 Trên hình 1.25, hướng di chuyển là theo chiều (-) trục Z

= Scanning

Ki l8 Hướng chạy đầu dò, sang trái hay sang phải Hướng này phụ thuộc vào vector

chỉ chiều nêu trên và mặt phẳng chạy theo qui tắc bàn tay phải : đặt lòng bàn tay phải ngửa song song với mặt phăng chạy, ngón trỏ hướng theo vector chỉ chiều, khi đó hướng của ngón cái chỉ sẽ là hướng chạy của đầu dò XS

= Pitch

Bước - khoảng cách giữa 2 điểm đo liên tiếp trên một contour Giá trị này nếu nhỏ thì contour thu được chính xác hơn khi giá trị lớn nhưng tốn thời gian hơn Giá trị

chọn từ 0.5 — 4mm tuỳ độ bất thường (irregularity) của bề mặt Thực tế nếu chọn

lớn hơn 4mm thì thời gian quét hình lại kéo dài và chương trình hay báo lỗi do đầu dò phải dò đường (bản chất quá trình dò đường tìm điểm đo sắp tới là quá

trình ngoại suy từ các điểm đã đo, nếu mật độ các điểm này quá thưa thì ngoại suy

không chính xác nên dễ báo lỗi)

" Safe dis Khoảng cách an toàn (safety distance) là khoảng cách giữa (a) : điểm tại đó

CMM chuyền từ vận tốc chạy sang vận tốc đo tới (b) : điểm chạm lý thuyết trên bề mặt vật

Giá trị này càng lớn thì càng an toàn, tuy nhiên thời gian đo sẽ tăng lên

iy

Bù trừ bán kính - xem 3.2.3 Sau khi nhập các thông số và nhắn OK CMM sẽ bat dau scan và màn hình hiển thị kết quả đo như

hình 1.27 Khi kết thúc scan contour này, tiến hành lập lại tir dau dé scan đường tiếp theo Mỗi

đường contour đều được lưu trong những ô nhớ được đánh số thứ tự, ví dụ Contour1, Confour2

i#fsert[ Scan contour trong mặt phẳng XY d IV sroel

3.3.2 Scan nhiều confours liên tiếp Ề Ị

Để scan nhiều contours liên tiếp như hình 1.22, mỗi contour là một mặt cắt ngang bề mặt

vật, tiến hành theo các bước sau :

'_ Trước tiên ta phải scan một đường contour biên - thường chọn tại mặt đối xứng hay mặt phân khuôn của chỉ tiết - bằng cách tiến hành như mục 3.3.1 Đường contour biên này chứa các cặp

điểm đầu, điểm cuối của các contour vắt ngang

v Chọn lệnh menu Output/ Contour save để lưu lai contour nay dưới dạng tập tin GWS (hình

1.28)

16

⁄_ Thoát khỏi Geopak Win, ngoài Part Manager chon menu CMM/ Patch Scanning Generator

Trong chương trình này, chon menu Edit/ Load Contour hoặc nhắn vào biểu tượng và chọn contour nói trên Khi đó contour biên sẽ được load vào vào khung tọa độ của chương trình

v⁄_ Ta có thể tạo các lưới contour cắt ngang :

- theo phuong X (hình 1.29)

- theo phuong Y (hình 1.30)

- theo hướng kính (hình 1.31) Trong chương trình này, các tab chính có ý nghĩa như sau :

= XI, YI : nếu nhập vào 2 ô này những giá trị khác 0 thì toàn bộ contour sẽ offset một đoạn

tương ứng theo phuơng X hoặc Y Theo kinh nghiệm sử dụng nên đặt ở đây giá trị XI và Y1 khoảng — 0.25mm để hạn chế trường hợp máy báo lỗi “Workpiece not found” (không

tìm thấy chỉ tiết) A1/D/R/X? : giá trị để scale tỉ lệ giữa chiều dài và chiều rộng của chỉ tiết Nên đặt là 0.' Grid : chọn dạng lưới, theo phương X, Y hoặc A (vt : Axial - hướng kính)

Pifch : khoảng cách giữa 2 điểm đo liên tiếp nhau trên một contour vắt ngang

3'"° Pitch : khoảng cách giữa 2 contour liên tiếp

Cac gid tri Pitch va 3 Pitch dat bing bao nhiêu là tuỳ độ chính xác lấy mẫu mong muốn

= Level to machine : chiều cao mũi dò rút lên khi di chuyển từ điểm do này sang điểm đo khác Giá trị này nên đặt từ 0.5 đến Imm để hạn chế máy báo lỗi '“Unknown error” do mũi

dò dính trên bề mặt chỉ tiết

17

Hình 1 ưới contour theo hướng k inh

Trong khi chạy một chương trình scan ta không được phép dừng máy CMM Bắt kỳ một thông báo lỗi nào xuất hiện cũng khiến ta phải thực hiện công việc lại từ đầu Đề tránh bị như vậy, đôi với những chỉ tiết có kích thước lớn n nên chia thành những vùng nhỏ và tiến hành scan từng vùng nay

như hình 1.32 Nhắn vào nút trên thanh toolbar để làm xuất hiện một khung chữ nhật ở góc trái cửa số, thay đổi kích thước và kéo khung chữ nhật này vào vùng có chỉ tiết của ta, sau đó chọn phan can scan tương ứng Chú ý, khi tiến hành scan thyc su, Geopak-Win chỉ tạo ra một contour duy nhất có tên là PatchCnt nên khi scan nhiều vùng khác nhau, ta phải save lại kết quả của lần

thực hiện trước để tránh bị ghi đè lên (xem mục 3.4 - phần ghỉ dữ liệu)

v_ Sau khi thiết lập các thông số, chọn Output/ CNC Parameter như hình 1.34 Ý nghĩa các thông số xuất hiện trong cửa số này đã được giải thích trong mục 3.1.2 Cuối cùng sau đó xuất chương trình scan này bằng lệnh Output/ GEOPAK Part program (hình 1.33)

chuong trinh scan vita tao ra béi Patch Contour Generator

Sau khi nhdn OK, Geopak-Win sé thyc hiện việc scan tự động từ điểm S đến điểm E Kết quả cuối cùng như đã thấy trên hình 1.22

3.4 Xuất kết quả

Kết quả thu được có thể ghỉ lại dưới các dạng chuẩn thông dụng như AutoCAD DXF, IGES bang lệnh Output/ Export Contour (hình 1.35) khi đó dữ liệu sẽ được ghi dưới dạng polyline trong đó các đỉnh là các điểm scan

Dạng dữ liệu này có nhược điểm là kích thước file lớn do phải chứa nhiều thông tin phụ về

= dạng đối tượng (entities), màu sắc, đường nét, không thuận tiện cho việc hậu xử lý Mặt khác khi

dùng Pro/Engineer để tái tạo mặt, mặc định của phần mềm này là luôn chuyển các đường polyline

thành các đường spline xấp xi giữa các điểm dữ liệu Cách này chỉ thích hợp đối với các máy quét

không tiếp xúc khi các điểm đo không hoàn toàn chính xác do xuất hiện nhiễu, còn đối với CMM, trái lại, cách này lại làm mất chính xác

20

et qua

Cách khác mà chúng tôi sử dụng là xuất dữ liệu dưới dạng các tập tin *.GWS (vt : Geopak Win Scanning) bằng lệnh Output/ Contour save Đây thực chất là file mã ASCII chứa tọa độ các điểm scan và các thông tin phụ khác File này sau khi xử lý loại bỏ các thông tin phụ là có thể nhập

trực tiếp vào các phần mềm CAD/CAM thông dụng như Pro/Engineer, MasterCAM

21

Il CAC DANG SAI SỐ XÂY RA TREN MAY DO CMM VA KHAC PHUC

1 CAC DANG SAISO Trong phần này chỉ nêu lên các sai số cơ khí đối với máy CMM Ta có thể hệ thống các sai số trên máy CMM như sau :

Sai số S:s6 hệ thống—T— Sai số hình học Sai số góc

tổng [— Sai số động me F Độ không thẳng

Độ khuông vuông góc

[— Độ cứng vững của mỗi trục L— Sai số do tính toán, xử lý dữ liệu

§.số ngẫu nhiên f— Do rung động E Bén trong Bộ phận truyền động

Bên ngoài Độ rơ và độ tất dân của mỗi phần

Bộ phận điều khiển [_ Do trễ Cấu trúc cơ khí

L Hệ thống dẫn động

Xử lý cáp

|_ Do nhiệt Bên trong Động cơ

L Linh kiện điện tử

Bên ngoài E Nhiệt độ môi =r Biến thiên

Sai số động học và hình học có liên quan với nhau

Cấu trúc thông dụng của CMM có dạng câu trục như hình 2.1 Khi máy tăng hoặc giảm tốc, lực quán tính xuất hiện do khối lượng phân bố của các thành phân trong cấu trúc của máy

Vì hệ dẫn động tập trung ở một bên trục y và đo giới hạn độ cứng của các bạc khí, hệ thống sẽ

có bậc tự do xoay xung quanh các khớp bạc khí Do cấu trúc phi Abbe, sai số xoay này sẽ hình

thành sai số dịch chuyển ở đầu dò

22

Các nghiên cứu trên CMM chỉ ra rằng thành phần kém cứng vững nhất trong máy là trục x và trụ đỡ bên phải của máy nên sai số động học xuất hiện chủ yếu theo phương này Các sai số này rất khó thể hiện và giải phương trình đại số nên trong thực tế, chúng thường được xác định bằng thực nghiệm

Con chạy trục x

Trục x

Trục z

Đâu dò Giá đỡ phải Con chạy trục y

Bàn máy

Giá đỡ Bạc khí

p Hình 2.1 : Cấu trúc dạng cầu trục của CMM

Hình 2.2 chỉ ra ảnh hưởng của các thông số như gia tốc, vận tốc lên sai số động học

của máy Sai số này được tính bằng cách, ban đầu cho máy di chuyển với các thông số CNC

rất nhỏ (xem mục 3.2.2 chương ]), khi này các ảnh hướng của sai số động học có thể bổ qua

Ta tiến hành thí nghiệm nhiều lần, ghi lại kết quả Sau đó, điều chỉnh các thông số CNC vói các giá trị khác nhau rồi tiến hành lại thí nghiệm tương tự Sai lệch của các giá trị này so với

lần đâu tiên thí nghiệm cho ta sai số động học

Đầu tiên, ta xét đến ảnh hưởng của gia tốc Vận tốc đo là 5mm/s, khỏang cách tiếp cận

(approaching distance - hay cdn goi la khéang cach an toàn như trong chương ]) là 2mm Với

vận tốc di chuyển lần lượt là 30mm/s, 50mm/s và 70mm/s, sai số động học được đo bằng cách thay đổi gia tốc di chuyển Quan hệ giữa sai số động học và gia tốc thể hiện ở hình 2.2a Khi

tăng khoảng cách tiếp cận, biến dạng và dao động gidm dẫn trước khi đầu dò chạm vào vật thể

Điều này được thể hiện trong hình 2.2b, trong đó, với khoảng cách tiếp cận 5mm, sai số động

học giảm đáng kể so với khi giá trị là 2mm

Quan hệ giữa sai số động học và vận tốc di chuyển máy thể hiện trong hình 2.2c Đồ thị chỉ ra sai số động học tăng khi vận tốc di chuyển máy tăng

Quan hệ giữa sai số động học và vận tốc đo thể hiện trong hình 2.2d Đồ thị chỉ ra sai số động học tăng khi vận tốc đo tăng Khi vận tốc này vượt quá 10mm/s thì đầu dò khi chạm vào

bể mặt chỉ tiết bị biến dạng lớn, dẫn đến sai số tăng vọt

Quan hệ giữa sai số động học và khoảng cách tiếp cận thể hiện trong hình 2.2e Vận tốc

và gia tốc di chuyển và 50mm/s và 60mm/$ˆ tương ứng Vận tốc và gia tốc đo và 5mm/s và

Vi các sai số này rất khó bù trừ bằng phương trình toán, nên thường chúng được bù trừ

trực tiếp trong quá trình đo bằng các công cụ như mạng neuron Phần bù trừ được viết dưới dạng viết ở ngôn ngữ DMIS (Dimensional Measuring Interface Standard) - ngôn ngữ chuẩn dùng trong CNC-CMM dưới dạng module và ghép vào các phần mềm điều khiển CMM

23

" _ Sai số do sử dụng dau dd

Khảo sát các sai số liên quan đến đầu dò là phần chính của chương này Ta có thể hình

dung việc sử dụng đầu dò đúng cách cũng rất quan trọng để dữ liệu của CMM thu được là

chính xác Các sai số có thể là do biến dạng của đầu dò, do phương pháp bù trừ bán kính mũi

đò, do sử dụng đâu dò không đúng cách Ngoài ra khi sử dụng CMM để thiết kế ngược còn có yêu cầu độ chính xác theo nguyên mẫu, điều này liên quan đến các thông số như bán kính mũi

dò, bước, góc tiếp cận Ngoài ra ta cũng phải khảo sát phương pháp lap qui dao di chuyển đầu

đò để tránh va đập gây lỗi trong trường hợp dùng CMM để quét hình các bể mặt phức tạp

(free-form surface)

24

2 SAISỐ DO ĐẦU DÒ

2.1 Sai số tiên dịch (pre-travel error) Cấu trúc đầu dò touch-trigger (TP) như ở hình 2.1 Thân đầu dò (stylus) gắn cứng vào ˆ

` một đĩa, đĩa này được gá trên 3 khớp tạo bởi sự tiếp xúc giữa mặt cầu và mặt trụ hạn chế 6

bậc tự do Lực nén ban đầu Fs của lò xo giúp cố định đĩa chứa thân xuống các khớp Khi xảy ra

sự tiếp xúc giữa đầu dò và bể mặt chỉ tiết, lực tác động Fc tạo nên moment chống lại moment

Hình 2.1 : Sơ đổ cấu tạo đầu dò Mỗi khớp nối tạo bởi hình trụ tiếp xúc lên 2 khối cầu hạn chế 2 bậc tự do

Trên hình (2.2a) khi Fc x L = Fs x R : điều kiện cân bằng xảy ra : các khớp có xu hướng tách rời (bình thường chúng tạo thành một mạch điện kín) Khi Fc tiếp tục tăng và vượt qua một nguỡng thì một trong hai khớp tách rời, khi đó mạch theo dõi sẽ phát ra một xung Xung

này có nhiệm vụ phát ra tín hiệu ngừng máy chuyển động và mạch điều khiển sẽ đọc tọa độ

tức thời của các trục đưa về máy tính Xung này cũng làm cho ngưng cung cấp dòng điện trong

mạch để tránh trường hợp phát ra tỉa lửa điện tại khe hổ giữa các khớp, giúp cho cơ cấu bền hơn Khi máy ngừng và dịch chuyển ngược lại, lò xo đẩy đầu dò trở lại vị trí như ban đầu

a Lực trong mặt phẳng XY b Luc theo phương Z

Hình 2.2 : Khi tiếp xúc, lực tác động lên đầu dò chống lại lực nén lò xo

25

Ta thấy khi đầu dò vừa tiếp xúc chỉ tiết (Fc= 0) thì xung chưa phát ra nên máy vẫn dịch chuyển thêm một đoạn (hình 2.3a) Đoạn dịch chuyển thêm này tạo nên sai số tiền dịch (pre-

travel error) của đầu dò Sai số này làm cách kết quả đo các kích thước ngoài nhỏ đi và các

kích thước trong lớn lên (hình 2.3b) Khi sử dụng đâu dò TP2, chiểu dài 10mm và lực đo khỏang

7-8g (lực nhỏ nhất với đầu dò TP2) thì sai số này vào khoảng +0.8 um Sai số theo các phương cũng khác nhau do độ lớn lực tác động lên đầu dò để tạo ra xung thay đổi tùy theo hướng tiếp

a, Nguyên nhân xuất hiện tai sai số b Đường kính đo được nhỏ hơn kích thuớc thật

Hình 2.3 : Sự xuất hiện sai số

Mặc dù sai số tiển dịch có thể ảnh hưởng nhiều đến kết quả đo (nhất là khi chiều dài của đầu dò lớn), ta có thể bù trừ nó bằng phương trình toán hoặc lập bản đồ hay bang thống kê

sai số

a Bằng phương trình toán : Quá trình dò được thể hiện trên hình 2.4 Khi ? </¿ CMM sẽ dịch chuyển với vận tốc không đổi vụ Vì lúc này đầu dò chưa tiếp xúc với chỉ tiết, vị trí theo phương x của mũi dò so

với CMM (gọi là X,) bằng với vị trí nghỉ được định nghĩa với X,= 0 Không có lực tác dụng lên

mũi dò (F, =0) CMM dịch chuyển đâu dò của nó ở vận tốc không đổi nên Xcw sẽ tăng tuyến tính Khi t = tạ đâu đò chạm vào vào bể mặt chỉ tiết và gây ra lực va đập F uạp, đầu dò

có thể nẩy lên một hay nhiều lần Ngay sau thời điểm tọ mạch giám sát sẽ phát ra tín hiệu dừng tới CMM để giảm tốc độ Tại thời điểm t= tị, Xcw sẽ tới giá trị cực đại Khỏang cách mà máy CMM dịch chuyển từ khi đầu dò chạm chi tiét goi 1A Xqus a9 Mili dd sé di chuyển cùng một khổang cách so với vị trí nghỉ của nó Khi này lực đàn hồi kéo đầu dò trở về vị trí nghỉ, giá trị lớn nhất của nó lä (F qw a¿) Tại t = tạ, CMM đọc giá trị tọa độ điểm do bằng cách cộng thêm

đoạn dịch chuyển của mũi dò (so với vị trí nghỉ của nó) với tọa độ được phản hồi về từ các

thước quang Nếu đầu dò chạm chỉ tiết thì cả chỉ tiết và thân đâu dò sẽ bị biến dạng đàn hồi

một đoạn d(t) (hình 2.5) và có thể tính tóan dựa trên phương trình Hertz :

2 d(t)= 9F ( Ụ

4rE, trong d6 r, 1a bin kinh cha mii dd, #;(/) là lực đo tác động lên đâu dò, chỉ tiết giả sử là phẳng

E, 1a ứng suất Young rút gọn được tính theo (2.4)

(2.1)

26

ngược với dấu của hướng đo Giá trị r và bạ có thể được xác định bằng việc ca líp hệ thống đầu dò Giá trị d(t;) phụ thuộc vật liệu chỉ tiết, ví dụ đối với chỉ tiết bằng nhôm, đầu dò bằng hồng ngọc đường kính 0,3 mm và lực đo tĩnh là 4,9.10”N thì độ biến dạng là Inm

z6)

dự)

Hình 2.5 : Độ biến dạng d(t) của đầu đo và chỉ tiết do tác dụng của lực F(t)

Ta cũng có thể xác định lực đo tác động lên mũi dò Lực này thường rất nhỏ ,nhưng nó

cũng đủ nguy hiểm cho chỉ tiết, đặc biệt đối với các vật liệu mêm như nhôm, đồng Lực lớn nhất chỉ tiết có thể chịu được mà không biến dạng đàn hôi có thể xác định được, sau khi va đập

lực quá độ có thể tính tóan và so sánh với lực tới hạn

Lực đầu dò tới hạn : Lực Fy được xác định như là lực gây ra ứng suất cắt với mức độ nào đó dưới bể mặt chỉ tiết và biến dạng dẻo bắt đầu, nó được xác định theo công thức : no 3

r

27

Khi tiến hành calip cho mỗi đầu dò, ngòai việc nhằm xác định hình dáng và đặc tính của đầu

dò, phần mêm sẽ tự động tính toán giá trị bồi thường trung bình, nhờ vậy giảm giá trị sai số tiên dịch đi đáng kể Hình 2.6 thể hiện bản đổ sai số tiên dịch sau khi đầu dò TP6 thân dài

(50mm) và lực đo 15gr được.calib, giá trị biến thiên chỉ còn 3.3um Như vậy quá trình calip là

rất quan trọng, nhất là khi chương trình đo lớn

dò để đo nhiều lần một đặc điểm (chính là khoảng biến thiên + 2ơ trong phân bố chuẩn)

Thông số này xuất hiện do đặc tính biến thiên nhỏ trong cơ cấu cơ khí và điện bên trong đầu

dò, nó tăng tuyến tính (phép đo càng kém chính xác) khi tăng lực đo và chiều dài đầu dò

Tính trễ là một dạng sai số hệ thống phụ thuộc vào việc đo thực hiện trước đó Khi đầu

dò thôi biến dạng, vị trí phục hôi của nó phụ thuộc và hướng đã biến dạng Nếu phép đo thực hiện cùng hướng với lần đo liễn trước sẽ đòi hỏi ít lực hơn nếu đo theo chiều ngược lại Giá trị

này sẽ cao nhất khi đo liên tiếp theo 2 chiều nguợc nhau Thông thường giá trị này nhỏ hơn giá

trị độ lặp lại

28

mặt - nhất là khi sử dụng loại đầu đò dạng touch-trigger Đối với loại này, góc lý tưởng là 90°

+20°, nếu không đâu dò dễ bị trượt, dữ liệu thu được sẽ không ổn định

Y7” góc tiến so với

tuyến Nén cho dau do

probe path Prep tuys tiến tới theo phương vuông

góc vái hinh cầu

Hình 2.8

Trường hợp va chạm theo phương song song với thân đầu dò không cho dữ liệu ổn định bằng

va chạm theo phương vuông góc với trục đầu dò

§@|

Mi hướng va chạm vuông

|| góc với chân đầu dò : tốt

i oo

ụ hướng va chạm song Hình 2.9 : Chọn hướng va chạm tối ưu

song với chân đầu dõ

Sen

Trường hợp phương chạm theo góc bất kỳ (không vuông và không song song với kim đò) cho

độ ổn định kém hơn trường hợp vuông góc Đối với loại đầu dò xoay được,cân tránh cho đầu

đò chạm theo phương dọc kim dò

29

không vuông góc Bite song song voi khớp xoay

Hình 2.10 : Hạn chế để đầu dò tiếp xúc theo những phương này

Các trường hợp chạm không phải bằng mũi mà bằng thân hay chuôi đâu dò (shanking)

đều gây sai số lớn, vì khi đó hệ thống vẫn giả sử là tiếp xúc bằng mũi Đây là trường hợp hay

gặp khi phải đo những-bê mặt bên nghiêng hoặc lõm về bên trong Cách khắc phục là chọn

đầu dò có đường kính mũi lớn hơn (hình 2.11), điểu chỉnh góc nghiêng của đầu dd hoặc gắn thêm một đầu dò mới theo phương vuông góc với mặt bên cần đo

Hình 2.11 : Cách khắc phục là có thể dùng một thay đầu đò có bán kính mũi dò lớn hơn

( khi đó phải khai báo lại đầu dò )

Cách dùng mũi dò lớn hơn giúp “kéo dài” chiều dài hiệu dụng (effective working

length — hình 2.12 ) của thân đâu dò vì khi đó đầu dò có thể đưa xuống một lỗ sâu hơn trước khi bị chạm bằng thân Tuy nhiên đường kính mũi dò bị hạn chế bởi đường kính lỗ Hơn nữa, việc sử dụng đầu dò lớn hơn cũng làm giảm số điểm đo được vì thế có thể gây mất chính xác

về hình dáng theo nguyên mẫu nên thường ta nên nối dài đầu dò một đoạn vừa đủ

Chiếu dãi hiệu dụng {EWL)

——*#—#ut

Hình 2.10 : Dùng đầu dò lớn giúp tăng chiểu dài hiệu dung ( Effective Work Length ) và khỏang phân biệt giữa

mũi về đuôi dau do ( Ball/Stern Clearance )

30

2.5 Ánh hưởng của bán kính mũi dò va các thông số CNC

Khi dùng máy CMM để quét hình, có 5 thông số ảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác theo

nguyên mẫu :

- Kich thước mũi dd

- _ Kích thước của chỉ tiết

-_ Hướng đặt của chi tiết -_ Bước

- _ Vận tốc dịch chuyển đầu dò : Các thông số này còn tương tác lẫn nhau, ví dụ : tương tác giữa kích thước mũi dò và kích thước chỉ tiết, giữa độ lớn bước và vận tốc dịch chuyền, giữa kích thước mũi dò, bước và kích

thước chỉ tiết

Trong [8], GS Chang-Xue Feng, trường ĐH Bradley, Mỹ đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cũng trên máy CMM Mitutoyo, phan mém Scanpak và đầu đò TP để quét hình các chỉ tiết

đơn giản, rồi sau đó đem so sánh với những kích thước tương tự khi đo bằng Geopak-Win (coi như

là chuẩn) Nghiên cứu này đã đưa ra những kết luận thiết thực về ảnh huởng của các thông số nêu trên đến độ chính xác của dữ liệu :

- _ Các thông số như phương pháp bù trừ bán kính mũi dò của Scanpak và góc tiếp cận của đầu dò (probe approaching angle) không ảnh hưởng lớn đến kết quả đo

-_ Vật có kích thước lớn thì quét hình chính xác hơn -_ Đầu dò có bán kính lớn thì chính xác hơn (dĩ nhiên phải thỏa điều kiện bán kính mũi dò nhỏ hơn bán kính cong nhỏ nhất trên bề mặt chỉ tiết )

~_ Bước không ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác, tuy nhiên nó lại có ảnh hưởng đến các thông số khác Hiển nhiên giá trị bước và vận tốc dịch chuyển càng nhỏ thì càng tốt, tuy

nhiên khi đó năng suất sẽ giảm Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng khi chiều dài chỉ tiết khỏang 32mm thì chọn giá trị bước khỏang 3mm, vận tốc 6mm/s và dùng mũi dò Ø3 là tối

ưu

- _ Quét hình trong mặt phẳng XZ cho kết quả tốt nhất Vì vậy nếu cần đòi hỏi độ chính xác cao nên gá đặt chỉ tiết sao cho đầu dò quét hình theo phương vuông góc với mặt này

2.6 Bù bán kính mũi dò

Thông thường việc bù trừ bán kính mũi dò trên máy CMM được thực hiện theo từng

contour Hình 2.11 mô tả đầu dò và bể mặt chỉ tiết tiếp tuyến với nhau tại điểm tiếp xúc, giá trị tọa độ CMM đọc được là tâm đầu dò Pp¡ trong khi điểm tiếp xúc thực sự là P‹ạ

tuyến của đường cong tại mỗi điểm trên nó Có nhiều dạng đường cong sử dụng, như phương

pháp nội suy Krig hoặc dùng đường B-spline, NURBS Chi tiết xin tham khảo thêm chương 3

31

thay đổi từ từ cho đến khi đầu dò có thể di chuyển tự do Hướng của đầu dò cũng có thể được thay đổi (trong trường hợp tổng quát với các lọai đầu dò xoay được)

Đâu tiên, mỗi đọan quĩ đạo mặc định được lập ra bằng cách (a) chon đầu dò thích hợp với bể

mặt, (b) xác định góc của đâu dò dựa trên khả năng tiếp cận bề mặt, (c) xác định vị trí đo trên mỗi bể mặt và (d) nối các điểm lại với nhau Sau đó quá trình kiểm tra bắt đầu được thực

hiện Nếu phát hiện va đập, đầu tiên quĩ đạo của mũi dò sẽ được thay đổi, tiếp theo hệ thống

sẽ kiểm tra tới thân dò và cuối cùng là trục chính Sơ đồ kiểm tra được tóm tắt trong hình 2.13

Di chuyển thân -> Hướng của đầu dò

Doan 1

Di chuyển trục -> Chiểu dài đầu dò

Q Do va dap vao mii dò

Mũi dò có dạng cầu với đường kính xác định Để đơn giản, ta coi mũi dò là một điểm,

và vì CMM di chuyển theo đường thẳng nên va đập nếu xảy ra sẽ là giao điểm của đường thẳng (quĩ đạo của mũi do) và bê mặt chỉ tiết

Các bể mặt khuôn mẫu phức tạp thường được thể hiện bằng mặt Bezier hoặc B-Spline

Mỗi điểm trên bể mặt phức tạp có thể được thể hiện p(u,v) dạng đại số :

với r là bán kính đầu dò Phương trình (2.12) biểu diễn 3 biểu thức không tuyến tính với 3 ẩn,

ta có thể giải bằng phương pháp Newton Hình 2 mô tả sự giao nhau bằng cách giải phương

trình (2.14)

Hình 2.14 :Sự giao nhau của đường thẳng và bể mặt bất kỳ

Nếu bể mặt chỉ tiết là mặt phẳng, va đập xảy ra khi đường thẳng giao với mặt phẳng (được offset từ mặt phẳng gốc theo hướng pháp tuyến một đoạn bằng bán kính đầu dò) Hình 2.15 chỉ ra ba khả năng liên quan giữa đường thẳng và mặt phẳng

33

Đường thẳng 1 Đường thẳng 3 Đường thẳng 2

Mặt phẳng chứa bể mặt

Hình 2.15 : Ba trường hợp quan hệ giữa mặt phẳng và đường thẳng

a Dd va dap vào thân đầu dò Hình dáng của thân đầu dò thường có dạng hình trụ Để đơn giản ta có thể coi nó là đoạn thẳng Khi CMM dịch chuyển theo đường thẳng thì quĩ đạo của đoạn thân là mặt phẳng

(tam ký hiệu là A) Do vậy việc phát hiện va đập của thân đầu dò với bể mặt chỉ tiết (ký hiệu

B) được xác định bằng cách tính toán giao tuyến giữa A và B, Nếu B là mặt phẳng, ta tính

tóan va đập bằng cách kiểm tra các cạnh biên của mặt này có giao với mặt A hay không

Nếu B là mặt cong, đâu tiên kiểm tra xem mặt B có giao với mặt phẳng vô tận chứa A hay không Nếu có giao giữa chúng sẽ là đường thẳng hoặc đường cong Tiếp theo, kiểm tra giao tuyến này có cắt với các cạnh của mặt A ? Nếu có giao điểm, tức là mặt A và B giao nhau ; nếu không, ta vẫn phải kiểm tra xem giao tuyến này nằm bên trong hay ngòai mặt A Việc này thực hiện bằng cách chọn một điểm bất kỳ trên giao tuyến,vd điểm đầu hoặc cuối, và kiểm tra điểm này có nằm trong mặt A ? Nếu nó nằm trong thì mặt A và B giao nhau Hình

2.16 biểu điễn giao tuyến giữa mặt A và mặt B khi B là mặt cong free-form

Hình 2.16 : Giao tuyến của mặt phẳng và bể mặt dạng bất kỳ a_ Dò va đập vào trục

Trong thực tế, trường hợp va đập giữa trục mang đầu dò với bể mặt chỉ tiết hiếm khi

xảy ra so với trường hợp va đập của mũi và đoạn nối dài

oe

ä Lập trình tránh va đập vào mũi dò

Như đã mô tả ở các mục trước, quĩ đạo quét hình bao gồm nhiễu đoạn, trong đó mỗi đoạn là quĩ đạo để mũi dò di chuyển từ điểm hiện thời (điểm đầu) tới điểm tiếp theo (điểm đích) Vì máy CMM luôn di chyển theo đường thẳng và đầu dò tiến đến bể mặt chỉ tiết theo phương pháp tuyến với bể mặt, quĩ đạo di chuyển mặc định cho tất cả các đoạn được cho như hình Mũi dồ từ điểm đo hiện thời rút lại về điểm lòi, sau đó dịch chuyển tới điểm tới và

chạm vào điểm đo tiếp theo Khỏang cách giữa điểm đo hiện thời và điểm lùi được gọi là

khôang cách lùi Khôang cách giữa điểm tới và điểm đo tiếp theo thì được gọi là khỏang cách tới Chú ý rằng hai đường thẳng nối hai cặp điểm là theo hướng pháp tuyến với bề mặt Để

tránh va đập, ta cần kiểm tra sự giao nhau của ba đường thẳng với bể mặt chỉ tiết Tuy nhiên nếu đặt khôang cách lùi và khỏang cách tới bằng nhau , chúng ta chỉ cần kiểm tra sự giao nhau của hai đường vì đoạn tới của điểm này sẽ là lùi tại điểm kế tiếp (hình 2.17)

Hình 2.17 : Đường gốc của đường đo Hình 2.18: Đường lỗi của phần tử

Trong hình 2.18 PT là điểm hiện tại an tòan (nghĩa là mũi dò đã di chuyển đến điểm

này an tòan) Cho điểm đích PT1 và khỏang cách tới, đoạn quĩ đạo hình thành bằng cách nối

PT và điểm tới PT2 (LNI), và PT2 tới PTI (LN2) Chiểu dài LN2 là khỏang cách tới (lùi),

chiều dài LNI là khổang cách dịch chuyển .Việc dịch chuyển đầu dò tới điểm đích bao gồm

ba bước (1) PT ->PT2, (2) PT2—>PTI và (3) PTI->PT2 Bước thứ nhất để tránh va chạm

cần kiểm tra sự giao nhau trên đoạn quĩ đạo mặc định này Nếu có va chạm, đọan quĩ đạo sẽ `

được thay đổi dân, lặp đi lặp lại cho đến khi đạt điều kiện an toàn Khi xem xét mối quan hệ giữa giữa bể mặt và đoạn quĩ đạo, ba điều kiện va đập có thể xây ra :

A: ChỉLNI giao

B: Chỉ LN2 giao

C: Cả LNI và LN2 có giao nhau

Để ý rằng trường hợp giao giữa LN2 và bể mặt chỉ tiết được loại bớt do đó chính là điểm đo mong muốn Để xác định điều kiện tránh va đập cần kiểm tra A va C bằng thuật toán nêu trên Đây tạm gọi là phép kiểm tra TEST1 để phân biệt với phép kiểm tra TEST2

khác sẽ được nêu tiếp sau Nếu trường hợp A xảy ra, LN1 được nâng lên một độ cao định

trước và vòng qua vật cần

Hình 2.19: Sự thay đổi đường đi của đầu dò nếu LNI có giao nhau

Trén hinh 2.19 mũi dò được nâng lên từ PT lên PT3 một khỏang xác định theo phương

thẳng đứng, sau đó dịch chuyển tới PT4 (điểm phía trên PT2) có cùng khỏang cách và đi tới

PT2 Đường vòng này sẽ được kiểm tra bằng TEST2 Trong trường hợp B hình 2.20, chương

trình sẽ bổ điểm đo hiện tại và thử tới điểm đích kế tiếp, quĩ đạo mới sẽ kiểm tra bởi TEST1

Nếu trường hợp C xảy ra (hình 2.21) khỏang cách tới của đầu dò sẽ được rút ngắn lại trước khi kiểm tra phép thử TEST1 khác Nếu không có va đập, chương trình sẽ ghi lai qui dao này và thay PT bằng PT2 (PT2 trở thành điểm hiện thời) và lấy điểm đích kế tiếp để bắt đầu chu kỳ mới (đoạn qui dao kế tiếp)

LNI LNI

ft YY

Hinh 2.20: Su thay đổi đường đi của đầu dò nếu LN2 có giao nhau

Hình 2.21 : Sự thay đổi đường đi của đầu dò nếu LNI và LN2 có giao nhau

Trong TEST2, đường vòng tương ứng trường hợp A của TEST1 được xem như một

đoạn quĩ đạo khác ngoại trừ việc LN3 phải được kiểm tra trước Nếu LN3 bị giao, chương trình sẽ bỏ đoạn dịch lên thẳng đứng và thay bằng hướng khác Tức là nếu chỉ LN5 bị giao, điểm đích hiện thời sẽ bỏ và điểm khác thay vào Nếu chỉ LN4 bị giao, chiều dài của LN3 và LN5 sẽ được tăng lên Nếu LN4 và LN5 đều bị giao, chiều dài LN5 sẽ rút ngắn Đoạn quĩ đạo mới được sửa này sẽ được kiểm bằng TEST2 lặp lại nhiều lần cho đến khi nó không bị

giao nữa hoặc chương trình sẽ bỏ điểm đích hiện thời vì chỉ LN5 đã bị giao

a Chon va diéu chỉnh hướng đầu dò

Việc chọn vàchỉnh hướng di chuyển của đầu dd thường ít được coi trọng, tuy nhiên nó

cũng là một chỉ tiêu để tránh va đập và phụ thuộc vào đặc điểm cuả bể mặt Góc nghiêng cục

bộ có thể đạt được của đâu dò đối trong khỏang diện tích vô cùng nhỏ AŠ của bể mặt § là :

Tập hợp các pháp tuyến đơn vị của tất cả các điểm trén bé mat S được gọi là anh Gauss cha mặt phẳng, GI(S) Góc côn cục bộ có thể đạt được LAC (S) được định nghĩa như sau :

LAC(N,) = W|gocŒ, n)<z!2,VneGI(S)| (2.13)

Việc tính tóan LẠC cho các đặc điểm hình học bể mặt khác nhau là rất quan trong

trong việc xác định góc nghiêng của đầu dò Trong thực tế không cần xác định LAC chính

xác cho tòan bể mặt, CMM chỉ tính toán thông số này qua một số điểm đo hữu hạn Hình 2.22 chỉ ra véc tơ đơn vị của các điểm đo trên bể mặt phức tạp Nếu tập hợp các vector đơn vị của

bể mặt S được ký hiệu là Nọ thì góc côn cục bộ có thể đạt được LAC (S) được định nghĩa :

LAC(N,) = {I|goc(I,n)<2/2,VneN,|} (2.14)

36