Nghiên cứu phương pháp không tiếp xúc đo profin bề mặt chi tiết cơ khí bằng đầu dò quang học hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ

Danh mục thuật ngữ, chữ viết tắt, ký hiệu Thông số nhám bề mặt : Surface roughness parameters Sampling length / Cut-off length : Chiều dài chuẩn Chiều dài đánh giá : Assessment length /

Ngô ngọc anh

Nghiên cứu phương pháp không tiếp xúc

đo profin bề mặt chi tiết cơ khí bằng

đầu dò quang học hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà NỘI - 2011

Trường đại học bách khoa hà nội

Ngô ngọc anh

Nghiên cứu phương pháp không tiếp xúc

đo profin bề mặt chi tiết cơ khí bằng

đầu dò quang học hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ

Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy

M số : 62.52.04.01

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Tiến Thọ

Hà NộI - 2011

C¸c kÕt qu¶ c«ng bè lµ trung thùc vµ kh«ng trïng víi mét c«ng tr×nh nµo kh¸c

Nghiªn cøu sinh

Ng« Ngäc Anh Ng« Ngäc Anh

Lời cảm ơn Trong quá trình nghiên cứu, tác giả luận án đ nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, những nhà khoa học trong và ngoài nước trong một số lĩnh vực liên quan, cùng các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình

Trước hết, lời cảm ơn sâu sắc nhất xin được gửi tới PGS.TS Nguyễn Tiến Thọ - một nhà khoa học, một người thầy lớn đ hết sức tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn tôi không chỉ trong quá trình thực hiện luận án này

Tiếp theo tôi xin cảm ơn TS Vũ Khánh Xuân, người hướng dẫn thứ hai đồng thời là thủ trưởng cơ quan tôi làm việc, đ tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành chương trình nghiên cứu

Xin gửi lời cảm ơn tới:

• Các thầy cô trong Bộ môn Cơ khí Chính xác và Quang học - Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà nội

• Giáo sư Kuang Chao Fan - Khoa Chế tạo máy - Trường đại học Quốc gia Đài loan với những bài báo liên quan tới vấn đề nghiên cứu của luận án cũng như những trao đổi nhiệt tình, nhanh chóng và giá trị

• TS Lê Duy Tuấn và một số đồng nghiệp thuộc Bộ môn Khí tài quang - Học viện

Kỹ thuật Quân sự với những trao đổi, thảo luận, tài liệu cũng như trợ giúp đo đạc thông số chi tiết quang học

• Các đồng nghiệp tại Viện nghiên cứu khoa học và chuẩn Hàn Quốc (KRISS):

TS Ho Suhng Suh, TS Jae Wan Kim, TS Chu Shik Kang, TS Eom Tae Bong đ gửi một số bài báo và tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu của luận án

• Thạc sĩ Bùi Quốc Thụ và các đồng nghiệp tại phòng Độ dài - Viện Đo lường Việt nam

Sau cùng tôi xin tỏ lòng biết ơn tới những người thân trong gia đình đ ủng hộ

và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

NCS Ngô Ngọc Anh

Danh mục thuật ngữ, chữ viết tắt, ký hiệu ……… 01

Danh mục bảng 03

Danh mục hình 04

Mở đầu ……… 08

Chương 1 - Tổng quan về Nhám bề mặt và phương pháp đo nhám 12

1.1 Sai lệch hình dạng, sóng và nhám bề mặt 12

1.2 Các thông số nhám bề mặt 13

1.2.1 Thông số nhám 2D 14

1.2.1.1 Đường trung bình, chiều dài chuẩn, chiều dài đánh giá: 15

1.2.1.2 Một số thông số về biên độ 16

1.2.1.3 Thông số về bước nhám RSm (hay Sm) 19

1.2.1.4 Thông số độ dốc trung bình tuyệt đối R∆a 19

1.2.1.5 Các hàm số phân tích thống kê và những thông số liên quan 21

1.2.2 Thông số nhám 3D 23

1.2.2.1 Phân loại thông số nhám 3D 23

1.2.2.2 Một số thông số nhám 3D 25

1.3 Phương pháp đo nhám bề mặt 27

1.3.1 Một số phương pháp đo theo mặt 28

1.3.1.1 Phương pháp đo tán xạ toàn phần 28

1.3.1.2 Giao thoa kế hoạt động theo nguyên lý dịch pha 29

1.3.1.3 Nguyên lý đo bề mặt theo sự thay đổi điểm hội tụ 32

1.3.2 Một số phương pháp đo chép hình 34

1.3.2.1 Phương pháp đo tiếp xúc bằng đầu dò 34

1.3.2.2 Thiết bị đo profin bề mặt theo nguyên lý tam giác đạc 35

1.3.2.3 Phương pháp đo chép hình profin bề mặt theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ 36

1.4 Kết luận chương 1 40

Chương 2 - Cơ sở tính toán thiết kế đầu dò không tiếp xúc đo profin bề mặt hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ 41

2.1 Sơ đồ nguyên lý của đầu dò quang học 41

2.2 Xây dựng cơ sở tính toán chuyển đổi tín hiệu đo trong hệ quang đầu dò 43

2.2.1 Công thức cơ bản xác định quan hệ giữa tia sáng ra với tia sáng vào của một thấu kính hội tụ 45

2.2.3.1 Trường hợp bề mặt vật đo nằm ngoài tiêu cự vật kính 55

2.2.3.2 Trường hợp bề mặt vật đo nằm trong tiêu cự vật kính 61

2.3 Biến đổi sai lệch hội tụ từ diện tích đốm sáng thành tín hiệu điện 67

2.3.1 Xác định sự thay đổi diện tích đốm sáng theo sai lệch hội tụ 67

2.3.2 Biến đổi diện tích chiếu sáng thành tín hiệu điện 70

2.4 Quá trình bù sai lệch hội tụ và hình thành số đo profin bề mặt 77

2.5 Kết luận chương 2 80

Chương 3 - Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp đo profin bề mặt bằng đầu dò laser tự động bù sai lệch hội tụ 81

3.1 Thiết lập hàm chuyển đổi tín hiệu đo lường trong trường hợp bề mặt vật đo phản xạ gương 81

3.1.1 Bề mặt đo nằm ngoài tiêu cự của vật kính 81

3.1.2 Bề mặt đo nằm trong tiêu cự của vật kính 84

3.1.3 Tóm tắt kết quả tính toán chuyển đổi tín hiệu đo lường 87

3.2 Cơ sở thiết lập thông số hệ quang theo yêu cầu đo lường 91

3.2.1 Đặc điểm của các thiết bị đo quang học 91

3.2.2 Cơ sở thiết lập thông số hệ quang theo yêu cầu đo lường 93

3.3 ảnh hưởng của góc nghiêng profin bề mặt tới độ chính xác của dịch chuyển bù sai lệch hội tụ 96

3.4 ảnh hưởng của nguồn sáng tới khả năng hội tụ thành điểm của hệ quang 101

3.4.1 Laser bán dẫn 101

3.4.2 Tính toán ảnh hưởng của độ loạn thị nguồn laser diode đến kích thước mũi dò quang học 103

3.4.3 Nhận xét về ảnh hưởng độ loạn thị của nguồn laser bán dẫn 109

3.4.4 Đảm bảo sự ổn định của nguồn laser 109

3.5 Một số biện pháp nâng cao độ nhạy và chất lượng hệ quang đầu dò 111

3.5.1 Một giải pháp nâng cao độ tin cậy của tín hiệu sai lệch hội tụ 111

3.5.2 Bảo vệ nguồn sáng và tăng cường độ nhạy của đầu dò laser với ánh sáng phân cực 113

3.5.2.1 Tạo ánh sáng phân cực thẳng và phân cực tròn 113

3.5.2.2 Sự biến đổi trạng thái phân cực tia sáng trong hệ quang đầu dò 114

3.5.3 Biện pháp giảm thất thoát tín hiệu đo với màng mỏng quang học 116

3.5.3.1 Khử phản xạ trên bề mặt thấu kính 116

3.5.3.2 Màng bán thấu 118

3.6 Kết luận chương 3 119

4.2.1 Đầu dò quang học 121

4.2.2 Xác định tín hiệu sai lệch hội tụ U1 123

4.3 Biến đổi tín hiệu sai lệch hội tụ U1 thành tín hiệu bù sai lệch hội tụ U2, hình thành số đo phương z của profin bề mặt 126

4.4 Xác định đặc tính của cơ cấu bù sai lệch hội tụ 128

4.5 Thực nghiệm xác định kích thước mũi dò quang học của đầu đo 129

4.6 Thiết kế chế tạo thiết bị đo profin bề mặt với đầu dò quang học 131

4.6.1 Mô tả thiết kế 131

4.6.2 Phương pháp hình thành số đo phương x của profin bề mặt 131

4.6.3 Thực nghiệm đánh giá độ chính xác số đo phương x 132

4.6.4 Đánh giá ảnh hưởng của độ thẳng đường trượt phương x tới độ chính xác số đo phương z của profin 133

4.6.5 Thu thập, lưu giữ và xử lý tín hiệu đo, hình thành profin bề mặt dạng số hóa 134

4.6.6 Giới thiệu thiết bị đo với đầu dò laser được chế tạo 135

4.7 Xây dựng chương trình đo nhám bề mặt 136

4.7.1 Thuật toán xử lý dữ liệu profin bề mặt 136

4.7.2 Xây dựng và đánh giá chương trình đo nhám bề mặt cho thiết bị đo laser không tiếp xúc được chế tạo 138

4.8 Thực nghiệm đánh giá độ chính xác của thiết bị đo được chế tạo bằng mẫu nhám chuẩn 142

4.9 Kết luận chương 4 144

Kết luận 145

Danh mục các công trình đG công bố của luận án 147

Tài liệu tham khảo .149

Phụ lục 1 155

Phụ lục 2 159

Phụ lục 3 173

Phụ lục 4 176

Phụ lục 5 190

Phụ lục 6 196

Danh mục thuật ngữ, chữ viết tắt, ký hiệu

Thông số nhám bề mặt : Surface roughness parameters

Sampling length / Cut-off length : Chiều dài chuẩn

Chiều dài đánh giá : Assessment length / Evaluation length

Thông số bước/khoảng cách : Spacing Parameter

Kỹ thuật đo chép hình : Profiling technique

Kỹ thuật đo bằng đầu dò tiếp xúc : Stylus technique

Tán xạ toàn phần : Total Integrated Scatter (TIS)

Thiết bị đo tam giác đạc : TriAngular Instrument (TAI)

Giao thoa kế dịch pha : Phase Shifting Interferometry (PSI) Thiết bị đo sự thay đổi tiêu điểm : Focus variation instruments

Phương pháp hội tụ loạn thị : Astigmatism method

Nguyên lý điều tiêu tự động : Autofocus principle

Tín hiệu sai lệch hội tụ : Focus Error Signal

Hàm phân bố biên độ : Amplitude Distribution Function (ADF) Hàm mật độ biên độ : Amplitude Density Function (ADF)

Đường phân bố biên độ : Amplitude Distribution Curve (ADC)

Đường tỷ lệ chịu tải : Bearing Ratio Curve (BRC)

Đường vùng chịu tải : Bearing Area Curve (BAC)

Đường tỷ lệ vật liệu : Material Ratio Curve (MRC)

Phương trình vi phân Lagrang 7 điểm : 7-point Lagrangian differential formula Khẩu độ số (NA) : Numerical Aperture / Angular Aperture

Phản xạ khuếch tán : Diffuse reflection

Hệ số phản xạ biên độ : Amplitude reflection coefficient

Hệ số truyền qua biên độ : Amplitude transmission coefficient

Hệ số phản xạ cường độ : Reflectance

Hệ số truyền qua cường độ : Transmittance

Một số ký hiệu

f1 : Tiêu cự vật kính

f2 : Tiêu cự thấu kính chuẩn trực

f3 : Tiêu cự thấu kính trụ

l : Khoảng cách giữa vật kính và thấu kính chuẩn trực

c : Khoảng cách giữa thấu kính chuẩn trực và thấu kính trụ

R : Bán kính đốm sáng tròn trên mặt phẳng thu khi hội tụ đúng

δ : Sai lệch hội tụ của bề mặt đo với tiêu cự vật kính

a, b : Kích thước hai bán trục đốm sáng êlíp trên mặt phẳng thu

U1 : Tín hiệu sai lệch hội tụ

U2 : Tín hiệu bù sai lệch hội tụ

Danh mục bảng

Trang Bảng 2.1 : Thông số xác định tia sáng đi qua các thấu kính trong hệ quang 49 Bảng 2.2 : Các công thức xác định R2 và tgα2 cho bề mặt phản xạ khuếch tán 63 Bảng 3.1 : Các công thức tổng quát xác định kích thước hai bán trục a và b 87 Bảng 3.2 : So sánh kích thước a và b trong các trường hợp khác nhau 90 Bảng 3.3 : Tính toán hệ quang với độ loạn thị của nguồn AS = 8àm 107 Bảng 3.4 : Tính toán hệ quang với độ loạn thị của nguồn AS = 200 àm 108 Bảng 4.1 : Những chân lấy tín hiệu ra cần sử dụng của SF-HD62 122 Bảng 4.2 : So sánh kết quả của chương trình đo với Softgauge 141 Bảng 4.3 : Kết quả đo so sánh với giá trị danh định 143 Bảng 4.4 : Kết quả đo so sánh với giá trị đo bởi thiết bị đo đầu dò tiếp xúc 143

Danh mục hình

Trang Chương 1

Hình 1.1: Sai lệch hình dạng, sóng và nhám trên profin bề mặt 12

Hình 1.2: a) Profin bề mặt nguyên thủy, b) Profin sóng và profin nhám .13

Hình 1.3: Phân loại các thông số nhám bề mặt 14

Hình 1.4: Những yếu tố cơ bản của profin nhám bề mặt 14

Hình 1.5: Profin bề mặt với một số khái niệm cơ bản 15

Hình 1.6: Profin với hai loại đường trung bình 15

Hình 1.7: Độ nhám trung bình Ra 16

Hình 1.8: Ba bề mặt có cùng giá trị Ra nhưng dạng profin nhám khác nhau 17

Hình 1.9: Ba bề mặt khác nhau có cùng dạng profin sóng sin, cùng giá trị Ra 17

Hình 1.10: Độ nhám bình phương trung bình Rq 17

Hình 1.11: Thông số nhám Rp, Rv và Rz 18

Hình 1.12: Bốn profin khác nhau có cùng Ra nhưng Rmax khác nhau 19

Hình 1.13: Sơ đồ xác định bước nhấp nhô trung bình RSm 19

Hình 1.14: Sơ đồ xác định độ dốc trung bình tuyệt đối R∆a 20

Hình 1.15: Hàm mật độ biên độ ADF(z) và hàm Abbot-Firestone 21

Hình 1.16: Đường cong ADF và thông số Rsk .22

Hình 1.17: Đặc tuyến ADCBAC của bề mặt tiện 23

Hình 1.18: Đặc tuyến ADCBAC của bề mặt mài khôn 23

Hình 1.19: Bộ 14 thông số 3D Birmingham 24

Hình 1.20: Mô tả bề mặt 3D 24

Hình 1.21: Lưới điểm số hoá bề mặt 3D 24

Hình 1.22: Một cách phân loại phương pháp đo nhám bề mặt 28

Hình 1.23: Nguyên lý đo tán xạ tích phân toàn phần 29

Hình 1.24: Giao thoa kế dịch pha PSI 30

Hình 1.25: Hệ giao thoa Mirau 31

Hình 1.26: Hệ giao thoa Linnik 31

Hình 1.27: Nguyên lý đo nhám bề mặt theo sự thay đổi tiêu điểm 32

Hình 1.28: Sơ đồ khối thiết bị đo chép hình bằng đầu dò tiếp xúc 34

Hình 1.29: Nguyên lý đo tiếp xúc bằng đầu dò 35

Hình 1.30: Nguyên lý đo tam giác đạc 35

Hình 1.31: Nguyên lý đo tự động dò điểm hội tụ 36

Hình 1.32: Các trạng thái hoạt động của thiết bị đo tự động dò tiêu điểm 37

Hình 1.33: Sơ đồ nguyên lý phương pháp dò tiêu điểm 38

Chương 2

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của đầu dò quang học tự động bù sai lệch hội tụ 41

Hình 2.2: Sự thay đổi hình dạng đốm sáng trên mặt phẳng thu khi bề mặt đo nằm ở các vị trí khác nhau lân cận tiêu cự vật kính 42

Hình 2.3: Sơ đồ hệ quang đầu dò 44

Hình 2.4: Hai tia sáng đặc biệt đi qua một thấu kính hội tụ 45

Hình 2.5: Tia vào hội tụ a) và tia vào phân kỳ b) của một thấu kính hội tụ 46

Hình 2.6: Quy ước dấu của góc vào và góc ra 47

Hình 2.7: Quan hệ giữa góc vào và góc ra 47

Hình 2.8 Trường hợp bề mặt vật nằm đúng tiêu cự vật kính (xét trong mặt xOz) 48

Hình 2.9 Trường hợp bề mặt vật nằm đúng tiêu cự vật kính (xét trong mặt yOz) 49

Hình 2.10 Đường đi của các tia sáng biên trong trường hợp bề mặt vật nằm đúng tiêu cự vật kính với cách biểu diễn đồng thời hai mặt xOz và yOz trên một mặt phẳng 51

Hình 2.11 Sự thay đổi hình dạng đốm sáng trên một mặt phẳng thu dịch chuyển 52

Hình 2.12 Sự thay đổi hình dạng đốm sáng trên mặt phẳng thu khi bề mặt vật đo lân cận tiêu điểm F của vật kính 53

Hình 2.13: Các dạng phản xạ ánh sáng trên bề mặt .54

Hình 2.14: Trường hợp bề mặt vật đo nằm ngoài tiêu cự của vật kính 55

Hình 2.15: Đường truyền tia sáng qua TK2 và TK3 trong mặt xOz 57

Hình 2.16: Đường truyền tia sáng qua TK2 và TK3 trong mặt yOz 57

Hình 2.17: Sự hình thành đốm sáng êlíp trên mặt phẳng thu 58

Hình 2.18: Bề mặt vật đo nằm trong tiêu cự của vật kính 61

Hình 2.19: Quan hệ giữa ao và bo với δ khi có xét chiều của các trục êlíp 65

Hình 2.20: Quan hệ giữa ao và bo với δ khi chỉ xét kích thước hình học của êlíp 65

Hình 2.21: Phân tích hình dạng của đốm sáng trên mặt phẳng thu 67

Hình 2.22: Sự thay đổi hình dạng đốm sáng trên mặt phẳng thu tương ứng với các sai lệch hội tụ δ khác nhau 67

Hình 2.23: Tính toán diện tích chiếu sáng 68

Hình 2.24: Quan hệ giữa diện tích từng phần SA, SB, SC, SD của đốm sáng với δ 70

Hình 2.25: Quan hệ giữa tổng diện tích đốm sáng S Σ với δ 70

Hình 2.26: Quan hệ giữa chênh lệch diện tích tuyệt đối ∆S với δ 70

Hình 2.27: Quan hệ giữa chênh lệch diện tích tương đối ∆S/S với δ 70

Hình 2.28: Sơ đồ bố trí 4 quang điện trở A, B, C, D trên mặt phẳng thu 71

Hình 2.29: Quan hệ giữa điện trở R và diện tích chiếu sáng S của quang điện trở 71

Hình 2.30: Sơ đồ mạch điện cặp quang điện trở A và B 73

Hình 2.31: Sơ đồ mạch điện thu được tín hiệu sai lệch hội tụ U1 73

Hình 2.32: Đồ thị quan hệ S(A+B) và S(C+D) với δ 75

Hình 2.33: Đồ thị quan hệ S(A+B) và S(C+D) với δ nhỏ 75

Hình 2.34: Đồ thị quan hệ R và S của quang điện trở 75

Hình 2.35: Đồ thị quan hệ R và ∆S lân cận điểm (R0,S0) 75

Hình 2.36: Đồ thị quan hệ R(A+B) và R(C+D) với δ 75

Hình 2.37: Đồ thị quan hệ R(A+B) và R(C+D) với δ nhỏ 75

Hình 2.39: Quan hệ tín hiệu điện U1 với sai lệch hội tụ δ 75

Hình 2.38: Đồ thị quan hệ U(A+B) và U(C+D) với δ nhỏ 75

Hình 2.40: Nguyên lý hội tụ loạn thị của đầu dò quang học 76

Hình 2.41: Sơ đồ khối nguyên lý tự động bù sai lệnh hội tụ 77

Hình 2.42: Tín hiệu U1 và U2 khi bề mặt đo nằm đúng tiêu cự vật kính 78

Hình 2.43: Tín hiệu U1 và U2 khi bề mặt đo nằm trong tiêu cự vật kính 79

Hình 2.44: Tín hiệu U1 và U2 khi bề mặt đo nằm ngoài tiêu cự vật kính 79

Chương 3 Hình 3.1: Phản xạ gương với bề mặt đo nằm ngoài tiêu cự vật kính 82

Hình 3.2: Phản xạ gương với bề mặt đo nằm trong tiêu cự vật kính 84

Hình 3.3: Khẩu độ số của vật kính 91

Hình 3.4: Độ phân giải quang 92

Hình 3.5: Chiều sâu hội tụ 92

Hình 3.6: Bù sai lệch hội tụ với bề mặt đo vuông góc quang trục 97

Hình 3.7: Bù sai lệch hội tụ với bề mặt đo nghiêng dốc 97

Hình 3.8: Bù sai lệch hội tụ với bề mặt đo nghiêng dốc 98

Hình 3.9: Laser diode 102

Hình 3.10: Độ loạn thị của laser diode 102

Hình 3.11: Sơ đồ gốc hệ chiếu sáng của đầu dò a) và sơ đồ tương đương b) 103

Hình 3.12: Sơ đồ hệ quang đầu dò với hai nguồn điểm L1 và L2 104

Hình 3.13: Mạch tự động ổn định dòng điện ACC 110

Hình 3.14: Mạch tự động ổn định công suất phát laser 110

Hình 3.15: Sự thay đổi của U1 do độ sáng 112

Hình 3.16: Sự thay đổi của U Σ do độ sáng 112

Hình 3.17: Các dạng phân cực thu được khi tia sáng phân cực thẳng đi qua tấm ẳ λ với các góc α khác nhau 114

Hình 3.18: Tia sáng thay đổi trạng thái phân cực khi phản xạ và đi qua bản ẳλ 114

Hình 3.19: ứng dụng phân cực ánh sáng trong hệ thống đo nhám bằng laser 115

Hình 3.20: Nguyên lý khử ánh sáng phản xạ với màng mỏng quang học 117

Chương 4

Hình 4.1: Đầu DVD-pickup SF-HD62 120

Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý bù sai lệch hội tụ bằng hệ thống số 121

Hình 4.3: Vị trí 24 chân tín hiệu của DVD pickup SF-HD62 122

Hình 4.4: Mạch tự động ổn định công suất phát laser 123

Hình 4.5: Mạch tạo tín hiệu tín hiệu sai lệch hội tụ U1 sử dụng vi mạch INA115 124

Hình 4.6: Sơ đồ của mạch khuếch đại vi sai INA115 124

Hình 4.7: Sơ đồ thí nghiệm xác định tín hiệu sai lệch hội tụ U1 124

Hình 4.8: Đặc tuyến U 1 của SF-HD62 125

Hình 4.9: Đặc tuyến U 1 của HOP-1102 125

Hình 4.10: Sơ đồ thí nghiệm xác định tín hiệu bù sai lệch hội tụ U2 126

Hình 4.11: Mạch biến đổi tín hiệu sai lệch hội tụ U1 thành tín hiệu bù sai lệch hội tụ U2 127

Hình 4.12: Mô hình hệ dao động bậc 2 128

Hình 4.13: Hàm truyền mạch kín 128

Hình 4.14: Kết cấu của cơ cấu bù sai lệch hội tụ 128

Hình 4.15: Sơ đồ xác định hàm PSF của vật kính theo phương pháp isophotometer 129

Hình 4.16: ảnh thực nghiệm đo kích thước mũi dò quang của đầu dò laser 130

Hình 4.17: Đặc tuyến hàm nhòe điểm (PSF) của vật kính đầu SF-HD62 130

Hình 4.18: Mô hình máy đo nhám được chế tạo 131

Hình 4.19: Cụm dịch chuyển mang theo đầu dò laser 132

Hình 4.20: Sơ đồ đo đánh giá độ chính xác của trục vítme 133

Hình 4.21: ảnh thực nghiệm đánh giá độ thẳng sống trượt trục X 133

Hình 4.22: Card thu thập dữ liệu PCI-1711 134

Hình 4.23: Các chân kết nối tín hiệu vào và ra trong card PCI-1711 134

Hình 4.24: Máy đo profin bề mặt bằng đầu dò laser không tiếp xúc 135

Hình 4.25: Động cơ servo và khối dịch chuyển theo trục Y 136

Hình 4.26: Chuyển đổi giữa hệ tọa độ máy và hệ tọa độ vật 137

Hình 4.27: Chương trình tính thông số nhám bề mặt 138

Hình 4.28: Giao diện chương trình đo profin bề mặt không tiếp xúc 139

Hình 4.29: Giao diện kết quả đo của chương trình đo profin không tiếp xúc 140

Hình 4.30: Profin bộ dữ liệu softgauge cho bề mặt mài nghiền và đánh bóng 141

Hình 4.31: Một số mẫu nhám chuẩn được sử dụng để đánh giá máy đo nhám 142

Hình 4.32: So sánh profin và kết quả đo giữa máy SV3000CNC và máy đo laser không tiếp xúc được thiết kế chế tạo 144

Mở đầu

Trong ngành công nghệ chế tạo máy, một chi tiết cơ khí sau gia công ngoài

độ chính xác kích thước, hình dạng và vị trí tương quan thì độ nhám bề mặt đóng một vai trò quan trọng Đôi khi nhám là yếu tố quyết định đến chất lượng và giá trị của chi tiết Ví dụ độ nhám các sản phẩm như: bộ đôi động cơ diesel, chi tiết quang học, căn mẫu, bàn máp càng nhỏ thì giá trị sản phẩm đó càng cao [57]

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Hiện nay, yêu cầu đo và đánh giá độ nhám đòi hỏi chính xác hơn, nhanh hơn và đa dạng hơn trước Phương pháp đo độ nhám bằng đầu dò tiếp xúc quen thuộc với lịch sử phát triển lâu đời đI đáp ứng được phần lớn nhu cầu đo nhám Tuy nhiên nó có một số nhược điểm như: độ chính xác phụ thuộc vào kích thước mũi dò, có thể làm xước bề mặt đo, không đo được trên bề mặt mềm, mũi dò có thể bị vỡ hay gIy [52], [54] Có những bề mặt không cho phép có sự tiếp xúc cơ học Để đáp ứng những yêu cầu đó và bổ sung cho phương pháp đo tiếp xúc, các phương pháp và thiết bị đo nhám không tiếp xúc càng ngày càng được chú trọng nghiên cứu nhằm hoàn thiện khả năng đo nhám bề mặt Đề tài này đi theo hướng phát triển chung đó của thế giới

Phương pháp đo nhám được nghiên cứu ở đây là phương pháp đo không tiếp xúc theo nguyên lý chép hình bề mặt với một mũi dò quang học Tương tự phương pháp đo chép hình bằng đầu dò tiếp xúc, trong quá trình dịch chuyển song song với bề mặt vật thì mũi dò quang học này cũng dịch chuyển lên xuống bám theo mọi nhấp nhô trên bề mặt đó Dịch chuyển lên xuống của mũi dò quang học cho ta một profin chép hình bề mặt được đo Trong phép đo này, thông tin gốc nhận được là số đo profin bề mặt Sau đó người ta xử lý số đo profin gốc này theo những chỉ tiêu khác nhau có thể cho ra hơn 60 thông số nhám bề mặt như [12] [14] [36]: Ra, Rz, Rq, Rku, Rsk, R∆a, Vì vậy, phép đo

profin bề mặt chính là phép đo gốc để đánh giá độ nhám bề mặt Luận án chọn đề tài là:

″Nghiên cứu phương pháp không tiếp xúc đo profin bề mặt chi tiết cơ khí bằng đầu dò quang học hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ″

Đầu dò quang học là một hệ quang sử dụng nguồn sáng laser Chùm tia laser qua vật kính hội tụ thành một điểm trên bề mặt vật đo như một mũi dò quang học Do nhấp nhô trên bề mặt sinh ra sai lệch hội tụ, điểm hội tụ này không nằm trên bề mặt vật nữa Để phép đo chép hình được thực hiện, ta cần làm cho điểm sáng hội tụ luôn bám trên profin bề mặt được đo Hệ thống tự động bù sai lệch hội

tụ được sử dụng để đảm bảo yêu cầu đó Tín hiệu bù sai lệch hội tụ mô tả profin

bề mặt là thông tin cần xác định Đây là một vấn đề chuyên môn sâu đI được nghiên cứu ở các nước tiên tiến trên thế giới [13], [18], [27], [28] Tuy nhiên các tài liệu về cơ sở tính toán, thiết kế, chế tạo … loại thiết bị đo này không được công bố rộng rIi Trong khi đó ở nước ta phương pháp đo này cũng chưa được nghiên cứu Điều đó khẳng định tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế đầu dò quang học sử dụng ánh sáng laser hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ để đo profin bề mặt chi tiết cơ khí theo phương pháp đo không tiếp xúc và chế tạo mô hình thiết

bị đo là hai mục tiêu chính của luận án

3 Nội dung nghiên cứu

Luận án tập trung giải quyết những vấn đề cơ bản sau:

• Xây dựng cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế hệ quang đầu dò không tiếp xúc với nguồn sáng laser hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ

• Tính toán định lượng quá trình chuyển đổi tín hiệu đo lường trong đầu dò

• Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác, độ nhạy và độ tin cậy của chuyển đổi tín hiệu đo trong đầu dò và đưa ra giải pháp đảm bảo và nâng cao chất lượng của hệ thống đo

• Thiết kế chế tạo mô hình thiết bị thực nghiệm và xác định các đặc tính chuyển đổi đo lường Đánh giá đối chứng thiết bị đo được chế tạo với thiết

bị đo nhám dạng đầu dò tiếp xúc SV-3000CNC của Viện Đo lường Việt nam và đề xuất hướng phát triển tiếp theo của phương pháp

Những nội dung nghiên cứu trên được trình bày trong 04 chương và 06 phụ lục:

5 Những kết quả mới

Mục đích đặt ra của luận án là đạt được những kết quả sau:

• Xây dựng cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế đầu dò quang học hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ để đo profin bề mặt Đây là một phương pháp đo không tiếp xúc mới

• Tính toán xác định chuyển đổi tín hiệu đo lường trong đầu dò quang học theo quá trình sau: từ nhấp nhô của bề mặt biến đổi thành tín hiệu quang rồi thành tín hiệu quang điện, cuối cùng là tín hiệu bù sai lệch hội tụ

• Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác, độ nhạy và độ tin cậy của đầu dò quang học và đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống

đo

• Thiết kế chế tạo mô hình thiết bị đo profin bề mặt hoạt động theo nguyên lý trên, thực nghiệm xác định đặc tính của chuyển đổi đo lường Đánh giá kiểm chứng thiết bị đo được chế tạo với một thiết bị đo dạng đầu dò tiếp xúc

Tác giả luận án rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các chuyên gia, các nhà khoa học trong lĩnh vực có liên quan để phương pháp và thiết bị đo không tiếp xúc theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ này được nghiên cứu sâu hơn và có thể mở ra một hướng ứng dụng mới không chỉ trong phạm vi đo nhám bề mặt

Chương 1 Tổng quan về Nhám bề mặt và phương pháp đo nhám

Trong ngành công nghệ chế tạo cơ khí, các chi tiết sau quá trình gia công luôn tồn tại những sai lệch không mong muốn Chúng ảnh hưởng tới chức năng làm việc, đặc biệt là đối với những chi tiết lắp ghép có chuyển động tương đối với nhau

Có 04 loại sai lệch chính gồm: sai lệch kích thước; sai lệch hình dạng như độ tròn,

độ trụ, độ thẳng, độ phẳng .; sai lệch vị trí tương quan giữa các bề mặt như độ vuông góc, song song, độ đồng trục, độ đảo, độ đối xứng, độ xuyên tâm ; và nhám

là do các sống trượt, trục chính trong máy gia công bị biến dạng do nhiệt hay do sự mòn không đều của các bộ phận trong máy

Sóng bề mặt: là những thành phần sai lệch có tỷ lệ giữa bước và biên độ nhấp nhô trong khoảng 100 đến 1000 Sóng thường có dạng tuần hoàn theo chu kỳ Đó là kết quả của quá trình gia công không phù hợp như: phôi hay máy bị võng, uốn; do rung động; máy bị rơ; ảnh hưởng của vật liệu gia công hoặc do các yếu tố khác từ bên ngoài …

Nhám bề mặt: Nhám là thành phần sai lệch nhỏ nhất gây ra bởi quá trình gia công còn tồn tại trên bề mặt chi tiết, chẳng hạn như vết của lưỡi cắt trong quá trình tiện, phay hay dấu vết để lại do mài, mài nghiền hay đánh bóng Toàn bộ những thành phần sai lệch bất quy tắc có tỷ lệ giữa bước và biên độ nhấp nhô nhỏ hơn 100 lần được coi là nhám Tùy thuộc từng phương pháp gia công mà nhám có thể ở dạng tuần hoàn theo chu kỳ hay ngẫu nhiên

Các thành phần sai lệch hình dạng, sóng hay nhám thường không xuất hiện riêng rẽ mà chúng đồng thời tồn tại trên bề mặt chi tiết Vì vậy sau khi đo được profin bề mặt, ta cần tách lọc để có được nhám, sóng hay sai lệch hình dạng tùy theo mục đích đo cụ thể (hình 1.2)

Hình 1.2: a) Profin bề mặt nguyên thủy, b) Profin sóng và profin nhám được tách riêng [45]

1.2 Các thông số nhám bề mặt

Do có kết cấu rất phức tạp nên không thể có một hay một vài thông số nào đó

đủ khả năng mô tả đầy đủ các đặc tính của bề mặt Thường chúng chỉ có thể mô tả

được một vài đặc tính nào đó tùy theo yêu cầu sử dụng Ngày nay, mặc dù lĩnh vực

đo lường bề mặt đh được phát triển rộng rhi trên toàn thế giới nhưng ở mỗi nước vẫn

có sự khác biệt Tồn tại một số lượng lớn các thông số nhám bề mặt, đa phần trong

số chúng được phát triển với mục đích mô tả chức năng của những bề mặt trong những ứng dụng cụ thể Thực tế có đến hơn 60 thông số nhám đang được sử dụng trong công nghiệp Chúng xuất hiện trong các tiêu chuẩn quốc tế: ISO [35], [36], [37] hay tiêu chuẩn quốc gia về nhám bề mặt: ANSI [12], AS [14] … hoặc trong các tiêu chuẩn ngành trong công nghiệp Những tiêu chuẩn này phần lớn là tương đồng nhưng cũng có một số điểm khác biệt Việt nam cũng đh có tiêu chuẩn quốc gia về nhám bề mặt TCVN 2511 ban hành năm 1995 chỉ với 5 thông số

Mặc dù số lượng thông số độ nhám là lớn nhưng nhìn chung vẫn có thể được phân loại một cách thỏa đáng (hình 1.3) Ngoài các thông số 2D được đánh giá qua

• Các thông số về biên độ: là các thông số đặc trưng được đo theo các phương vuông góc với bề mặt (ví dụ Ra, Rz, Rq, Rt, Rp, Rv, Ry, Rmax…)

• Các thông số về khoảng cách: là các thông số đặc trưng được đo theo phương ngang bề mặt (ví dụ RSm, RS, RPc, HSC …)

• Các thông số hỗn hợp: là các thông số được xác định thông qua việc kết hợp cả hai yếu tố biên độ và khoảng cách (ví dụ R∆a, R∆q )

Hình 1.4: Những yếu tố cơ bản của profin nhám bề mặt [56]

Cỏc thụng số nhỏm bề mặt

Cỏc thụng số nhỏm 2D

Cỏc thụng số nhỏm 3D

Cỏc thụng số hỗn hợp 2D

Cỏc thụng số

bước 2D

Cỏc thụng số biờn độ 3D

Cỏc hàm số thống kờ 3D

Cỏc thụng số hỗn hợp 3D

Cỏc thụng số bước 3D

1.2.1.1 Đường trung bình, chiều dài chuẩn, chiều dài đánh giá:

Hình 1.5: Profin bề mặt với một số khái

• Chiều dài chuẩn: Profin bề mặt khi đo bao gồm các đoạn bằng nhau gọi là chiều dài chuẩn Sai lệch biên độ z được tính so với đường trung bình như được mô tả trong hình 1.5 Chiều dài chuẩn được lựa chọn phù hợp với từng bề mặt cụ thể giúp cho việc đánh giá nhám bề mặt chính xác nhất

• Đường trung bình: đường trung bình hay còn gọi là đường chuẩn là đường chia profin bề mặt thành hai phần sao cho tổng bình phương các khoảng cách từ các điểm trên profin đó tới đường trung bình là nhỏ nhất Đường trung bình là đường cơ sở để xác định các thuật toán tính thông số nhám bề mặt Tùy theo dạng bề mặt mà đường trung bình có thể là đường thẳng hay đường cong (hình 1.6)

• Chiều dài đánh giá: là chiều dài mà qua đó có thể xác định một cách chắc chắn các thông số nhám đặc trưng cần biết Nó bao gồm một hoặc nhiều chiều dài chuẩn (hình 1.5) Thông thường các thông số nhám được định nghĩa trên một chiều dài chuẩn nhưng thực tế người ta đánh giá chúng trên một vài chiều dài chuẩn, theo tiêu chuẩn là 5, rồi tính giá trị trung bình Điều đó giúp cho việc đo và đánh giá các thông số nhám một cách chính xác hơn

Hiện nay, số lượng các thông số nhám được quy định trong các tiêu chuẩn quốc tế, quốc gia và tiêu chuẩn ngành rất khác nhau Nhiều thông số được tác giả mô tả và phân tích chi tiết trong [1] Trong luận án này, chỉ một số thông số nhám tiêu biểu được nhấn mạnh để qua đó thấy rằng hầu hết các thông số đều được xác

định qua số đo của profin nhám bề mặt

1.2.1.2 Một số thông số về biên độ

• Độ nhám trung bình Ra

Ra là thông số nhám được sử dụng nhiều nhất và là một trong những thông số

đầu tiên được sử dụng để mô tả bề mặt Nó được định nghĩa là giá trị trung bình số học của trị tuyệt đối sai lệch profin nhám so với đường trung bình trong phạm vi chiều dài đánh giá (hình 1.7) Trị số của nó được xác định qua công thức sau:

- L : là chiều dài đánh giá

- z(x) hay zi là cao độ của các điểm trên profin nhám tới đường trung bình Một cách dễ hình dung thì Ra chính là chiều cao của hình chữ nhật có diện tích bằng tổng diện tích bao bởi profin nhám đến đường trung bình tính trên chiều dài

đánh giá L

Hình 1.7: Độ nhám trung bình Ra

Mặc dù Ra là thông số quốc tế về độ nhám và được sử dụng rất rộng rhi nhưng

nó không thể cung cấp được đầy đủ thông tin mô tả profin bề mặt Hình 1.8 là một

ví dụ với ba bề mặt có cùng giá trị Ra nhưng dễ thấy chúng rất khác nhau: bề mặt

đầu tiên có các đỉnh nhám nhọn và cao, bề mặt thứ hai có các rhnh nhám hẹp và sâu còn bề mặt thứ ba thì không có cả đỉnh nhám nhọn cũng như rhnh nhám sâu Thậm chí ngay cả các bề mặt có cùng dạng profin và cùng trị số Ra thì chúng vẫn có thể khác nhau (hình 1.9)

Để phân biệt các bề mặt như vậy, ta cần dùng đến các thông số khác Hình dạng bề mặt càng phức tạp thì càng cần nhiều thông số nhám khác ngoài Ra để có thể mô tả đầy đủ đặc điểm bề mặt đó

Hình 1.8: Ba bề mặt có cùng giá trị Ra

nh−ng dạng profin nhám khác nhau [61]

Hình 1.9: Ba bề mặt khác nhau có cùng dạng profin sóng sin và giá trị Ra

• Thông số nhám Rz

- Theo tiêu chuẩn ISO 4287-1997 [36]: Rz là khoảng cách giữa đỉnh nhám cao nhất và rhnh nhám thấp nhất trên profin trong phạm vi một chiều dài chuẩn

Rz(ISO4287:1997) = Rp + Rv (1.3) với Rp là thông số đỉnh nhám cao nhất còn Rv là thông số rhnh nhám sâu nhất

- Theo tiêu chuẩn ISO 4287-1:1984 [35]: Rz là sai lệch trung bình số học của profin theo mười điểm trên profin nhám trong phạm vi một chiều dài chuẩn Nó có trị số là giá trị trung bình của tổng chiều cao 5 đỉnh nhám cao nhất và chiều sâu 5 rhnh nhám sâu nhất so với đường trung bình Định nghĩa này tương tự như trong tiêu chuẩn công nghiệp Nhật bản (JIS) Công thức tính như sau:

Nhận xét: Rz chỉ cần một chiều dài chuẩn để xác định nên nó rất hữu dụng khi

bề mặt chỉ có một khoảng ngắn có thể đo được Do đó nó đặc biệt phù hợp khi đánh giá bằng cách đo trực tiếp trên đồ thị profin do đơn thuần chỉ là phép đo khoảng cách thẳng theo các điểm

Như các biểu thức mô tả ở trên, rõ ràng Rz(ISO4287:1997) ≥ Rz(ISO4287:1984) Do định nghĩa thông số Rz giữa ISO 4287:1997 và ISO 4287:1984 là khác nhau nên trong một số tiêu chuẩn khác như AS 2536-1982 [14] ., Rz vẫn được định nghĩa theo mười điểm đánh giá trên một chiều dài chuẩn còn Rz(ISO4287:1997) được đặt một tên khác là Ry. Tại Việt nam, hầu hết người dùng đều hiểu Rz là thông số nhám đánh giá theo mười điểm

• Rmax (hay Rymax)

Hình 1.12 minh họa bốn profin bề mặt có cùng giá trị Ra nhưng dạng profin hoàn toàn khác nhau Trong trường hợp này người ta sử dụng một thông số nhám

Với dz(x) / dx là độ dốc cục bộ của profin nhám

Dưới dạng số hoá, profin được lấy dữ liệu tại những điểm rời rạc cách đều nhau một khoảng lấy mẫu ∆x Giá trị R∆a được xác định từ từng độ dốc cục bộ

∆z / xi ∆ i tại khoảng lấy mẫu thứ i (hình 1.14):

Hình 1.14: Sơ đồ xác định độ dốc trung bình tuyệt đối R∆aTới đây có một vấn đề cần lưu ý Trong các tài liệu kỹ thuật, độ dốc cục bộ của profin có tới ba công thức có thể được áp dụng [42] Các công thức này lần lượt dựa trên mối quan hệ tương đối giữa 2, 3 hay 7 điểm lân cận Độ dốc cục bộ tại khoảng lấy mẫu thứ i được tính như sau:

với zi là cao độ của điểm lấy mẫu thứ i trên profin

Theo cách hiểu đơn giản nhất, người ta hay sử dụng công thức (1.9) hoặc (1.10) để tính toán độ dốc cục bộ Tuy nhiên, trong các tiêu chuẩn quốc tế [36] hay tiêu chuẩn ngành [12] đều sử dụng theo công thức (1.11) để tính toán Vì sao vậy?

Giáo sư Chetwynd ở trường đại học Warwick - Anh đh chứng minh một cách tường minh từ năm 1978 rằng phương pháp tính dựa trên bảy điểm tốt hơn phương pháp ba điểm và hai điểm [22] Công trình của ông đh là tài liệu tham khảo không thể thiếu của các tiêu chuẩn nhám quốc tế cũng như tiêu chuẩn ngành Cách tính theo hai điểm được sử dụng bởi các phần mềm cũ của các nhà chế tạo thiết bị đo nhám, và được mô tả trong [35] Hầu hết các chương trình tính toán ngày nay dựa trên phương trình vi phân Lagrangian 7 điểm (công thức 1.11) do nó có thể giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu tần số cao

1.2.1.5 Các hàm số phân tích thống kê và những thông số liên quan

Profin bề mặt có thể được coi như tạo bởi sự chồng chập của nhiều profin dạng sóng sin đơn thuần với các bước sóng và biên độ khác nhau Khi đó, hàm số mô tả các biên độ với các bước sóng khác nhau được gọi là hàm phổ biên độ Hàm số thu

được qua phép bình phương hàm phổ biên độ gọi là phổ năng lượng còn hàm số biểu diễn các giá trị tương đối của bình phương biên độ của từng thành phần gọi là phổ mật độ phổ năng lượng Hàm phổ liên quan đến đặc tính hoạt động của bề mặt Nó bao gồm cùng lượng thông tin như hàm tương quan nhưng được diễn đạt theo cách khác [12]

• Hàm mật độ biên độ (hay hàm phân bố biên độ): ADF(z) hay p(z):

Hình 1.15: Hàm mật độ biên độ ADF(z) và hàm Abbot-Firestone

ADF là hàm mật độ xác suất các chiều cao của bề mặt [45] Nó thường được tính như một biểu đồ tần số của các điểm được số hóa của profin trên toàn bộ chiều dài đánh giá Đồ thị hàm ADF có dạng hình chuông tương tự như nhiều hàm phân

bố xác suất khác ADF cho biết có bao nhiêu phần của profin nằm trong một khoảng

bề mặt Rsk đh được tác giả phân tích trong [1] Quan sát dạng đặc tuyến ADC ta biết

được một cách định tính Rsk và dạng bề mặt tương ứng Ví dụ, nếu ADC đối xứng qua đường trung bình của profin (hình 1.16b) thì Rsk = 0, trong khi nó lệch lên trên

đường trung bình thì Rsk < 0 (hình 1.16a) và ngược lại khi lệch dưới đường trung bình thì Rsk > 0 (hình 1.16c)

a) Rsk < 0 b) Rsk = 0 c) Rsk > 0

Hình 1.16: Đường cong ADF và thông số Rsk [56]

• Đường cong Abbott – Firestone:

Đường cong Abbot-Firestone còn có những tên khác tương đương cũng hết sức thông dụng: đường cong Abbot, đường cong tỷ lệ chịu tải BRC, đặc tuyến vùng chịu tải BAC hay đặc tuyến tỷ lệ vật liệu MRC [56] Sở dĩ như vậy là do đường cong này thể hiện tỷ lệ vật liệu trên profin độ nhám bề mặt (hình 1.15) Nó biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dài cơ sở tương đối tp với chiều sâu của mặt cắt

Hình dạng của đường cong Abbot cho ta thấy ngay được dạng profin bề mặt

được đo Với bề mặt sau khi tiện thường có đỉnh nhám chiếm ưu thế thì đường Abbot sẽ rất dốc còn đường ADC sẽ chủ yếu tập trung dưới đường trung bình Ngược lại với bề mặt có rhnh nhám chiếm ưu thế như những bề mặt sau khi mài khôn thì đường Abbot thoải hơn trong khi ADC chủ yếu nằm trên đường trung bình Trong các thiết bị đo nhám ngày nay, hai đường cong này được biểu diễn trên cùng một hình với tên gọi chung là đồ thị ADCBAC Hình 1.17 và 1.18 là ví dụ về một bề mặt tiện và một bề mặt mài khôn với các đặc tuyến ADCBAC tương ứng [62]

Hình 1.17:

Đặc tuyến ADCBAC của bề mặt tiện

Hình 1.18:

Đặc tuyến ADCBAC của bề mặt mài khôn

Từ đường cong Abbot-Firestone, ta xác định được những thông số liên quan tới khả năng làm việc của bề mặt Ví dụ với những bề mặt có đặc tuyến ADCBAC giống hình 1.18 thì chịu tải tốt còn bề mặt có ADCBAC như hình 1.17 có khả năng lưu dầu bôi trơn tốt

Trong những năm gần đây, người ta rất quan tâm tới việc đo và đánh giá nhám ba chiều của bề mặt, gọi tắt là nhám 3D Nhiều thông số đh được đưa ra nghiên cứu và hiệu quả ứng dụng của chúng đh được chứng minh Một vài trong các thông số này chỉ đơn thuần là phần mở rộng của các thông số 2D tương ứng khi

đánh giá theo ba chiều Tuy nhiên, cũng có những thông số đặc trưng chỉ có ở dạng 3D, chẳng hạn như hướng kết cấu bề mặt Từ những năm 1990, một bộ gốc gồm 14 thông số 3D đh được xây dựng với tên gọi là bộ "14 thông số nhám Birmingham" [19] (hình 1.19) Đến nay có nhiều thông số nhám 3D khác được bổ sung và đh xuất hiện một số trong các tiêu chuẩn ngành [12] Hiện nay một bộ thông số 3D cũng

đang được xem xét trong dự thảo Tiêu chuẩn quốc tế về nhám bề mặt

Hình 1.19: Bộ 14 thông số 3D Birmingham

Trong phép đo thông số nhám 3D, bề mặt được mô tả bởi một hàm số là cao

độ của các điểm trên nó: f = z(x,y) với hai biến độc lập (x,y) là tọa độ điểm được xét Một số khái niệm cơ bản như diện tích mẫu As, diện tích đánh giá Ae, mặt trung bình

đều được định nghĩa xuất phát từ những khái niệm tương đương trong mô tả 2D Hình (1.20) mô tả một bề mặt 3D cần đánh giá còn hình (1.21) là lưới điểm đo của

bề mặt đó

Hình 1.20: Mô tả bề mặt 3D [50] Hình 1.21: Lưới điểm số hoá bề mặt 3D

Một số ký hiệu sau thường được dùng khi mô tả và đánh giá độ nhám 3D bề mặt:

- f = z(x,y): hàm số mô tả cao độ các điểm trên bề mặt so với mặt trung bình

- Ae: diện tích đánh giá, Ae = Lx ì Ly

14 thông số nhám 3D Birmingham

Các thông số biên

độ nhám

Các thông số hỗn hợp

Các thông số bước nhám

- As: diện tích mẫu, As = ∆x ì∆y

- ∆x: khoảng lấy mẫu theo phương x – khoảng cách lưới điểm theo phương x

- ∆y: khoảng lấy mẫu theo phương y – khoảng cách lưới điểm theo phương y

- Lx: chiều dài đánh giá theo phương x, Lx = Mì∆x

- Ly: chiều dài đánh giá theo phương y, Ly = Nì∆y

Ngoài những thông số xuất phát từ thông số nhám 2D tương ứng còn có những thông số khác mà chỉ khi mô tả 3D mới có Vì thế số lượng các thông số nhám 3D là khá nhiều và phức tạp Trong giới hạn của luận án, một vài thông số 3D đơn giản và

có mối liên hệ chặt chẽ với các thông số nhám 2D tương ứng sẽ được đề cập tới Tất cả những thông số này đều được xác định trên bộ tọa độ lưới các điểm đo trên bề mặt [12], [40], [50]

1.2.2.2 Một số thông số nhám 3D

• Thông số nhám trung bình Sa: là trung bình số học của giá trị tuyệt đối độ lệch chiều cao các điểm trên bề mặt cần đánh giá so với mặt trung bình trong phạm vi diện tích đánh giá Trị số của Sa được xác định qua công thức sau:

Ly Lx a

1

S Z(x, y) dxdyA

Ly Lx 2 q

1

S Z (x, y) dxdyA

Tương tự như thông số Rz thì Sz cũng vẫn tồn tại hai định nghĩa khác nhau:

- Sz là khoảng cách từ đỉnh nhám cao nhất tới rhnh nhám sâu nhất trong phạm vi diện tích mẫu As Dễ thấy: Sz = Sp + Sv (1.21)

- Sz theo mười điểm (hay còn gọi là S5z): là giá trị trung bình của tổng giá trị tuyệt đối chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu 5 rhnh thấp nhất trong phạm vi diện tích mẫu As:

và ∆y ngày càng nhỏ thì các phép tính về nhám bề mặt ngày càng chính xác giống như khi được tính trên một profin liên tục Yêu cầu này đw được quán triệt khi thiết

kế chế tạo các thiết bị đo nhám hiện đại

Ngày nay, trong lĩnh vực đo nhám bề mặt có rất nhiều kỹ thuật đo khác nhau Các thiết bị đo cũng được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào từng tiêu chí cụ thể Hình 1.22 biểu diễn một trong những cách phân loại đó với ba nhóm cơ bản: đo theo mặt, đo chép hình và đo bằng kính hiển vi [39], [52] Các thiết bị đo chép hình có thể là dạng tiếp xúc như loại thiết bị đo đầu dò quen thuộc; có thể là dạng không tiếp xúc như các thiết bị đo chép hình quang học: chiếu hình, đo theo nguyên lý dò tìm tiêu điểm hệ quang, tam giác đạc Các thiết bị đo quang học ưu

điểm lớn nhất là không có sự tiếp xúc vật lý nên không có khả năng làm hư hại bề mặt đo Bản chất không tiếp xúc khiến cho các thiết bị đo quét quang học có thể đạt

được thời gian đo và tốc độ đo nhanh hơn [55] Tuy nhiên, việc phân tích tính toán thông số nhám từ các dữ liệu đo được bởi thiết bị đo quang học là khá phức tạp Đối với loại thiết bị đo đầu dò tiếp xúc, ta có thể dự đoán tín hiệu ra qua mô hình với một quả cầu có đường kính hữu hạn dịch chuyển và luôn tiếp xúc với bề mặt Trong khi đó, vấn đề không đơn giản khi nghiên cứu tương tác giữa trường sóng điện từ của ánh sáng… với bề mặt được đo Có nhiều học thuyết về bản chất của chùm tia tới và bề mặt đo trong khi rất khó khẳng định được trong thực tế Tương tác giữa chùm tia với bề mặt là rất phức tạp nên ta không thể tách rời các đặc tính hình học

và bản chất vật liệu của bề mặt trong phép đo Vì vậy, cần phải có hiểu biết về bản chất bề mặt được đo trước khi lựa chọn một thiết bị đo quang học phù hợp [45]

Hình 1.22: Một cách phân loại phương pháp đo nhám bề mặt

Nhìn chung, xét về bản chất của phương pháp đo thì có hai loại: Một là đo chép hình profin bề mặt rồi từ tập dữ liệu tọa độ các điểm trên profin đó xử lý ra các thông số cần đo Cách này cho phép ta xử lý ra bất kỳ thông số nào theo yêu cầu Hai là phương pháp đo trực tiếp cho ra thông số nhám mà các kỹ thuật đo theo mặt nói trên là ví dụ Thông thường phép đo được xác định từ tính chất thống kê của bề mặt, ví dụ như phân tích phân bố cường độ của các tia sáng tán xạ trong phương pháp đo tán xạ toàn phần Phương pháp này chỉ cho phép xử lý ra một số ít các thông số nhám

Dưới đây một số phương pháp đo tiêu biểu

1.3.1 Một số phương pháp đo theo mặt

1.3.1.1 Phương pháp đo tán xạ toàn phần

Đây là một phương pháp điển hình cho kỹ thuật đo độ nhám mà không cần chép hình profin bề mặt Trong đó chỉ có thông số nhám Rq được xác định

Hình 1.23: Nguyên lý đo tán xạ tích phân toàn phần

Phương pháp đo tán xạ toàn phần [49], [56], [57] được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong đo lường kiểm tra các bề mặt quang học Sơ đồ nguyên lý của phương pháp này được thể hiện trong hình 1.23 Bề mặt đo được chiếu rọi bởi chùm tia laser với một cường độ xác định Chùm tia đi qua khe hẹp trên quả cầu tích phân rồi tán xạ trên bề mặt mẫu nằm bên trong quả cầu đó Chỉ có tia phản xạ gương sẽ trở lại qua cửa thoát ra ngoài Các tia tán xạ đi theo nhiều hướng khác nhau sẽ phản xạ liên tiếp trên bề mặt trong của quả cầu rồi cuối cùng tới cảm biến quang, tại đó cường độ của chúng được đo

Cường độ lượng tia tán xạ là Iscatter có liên quan với độ nhám bình phương trung bình của bề mặt được đo Rq qua công thức:

o

.RI

I

2

4

(1.24) Trong đó Io là cường độ của chùm tia phản xạ Công thức này khá chính xác với những bề mặt có giá trị độ nhám Rq nhỏ hơn bước sóng λ của chùm tia tới 1.3.1.2 Giao thoa kế hoạt động theo nguyên lý dịch pha

Hình 1.24 mô tả một giao thoa kế dịch pha (PSI) [23], [45] Đó là sự tích hợp của một giao thoa kế với một kính hiển vi Trong PSI gương tách tia hướng chùm sáng đi xuống theo một đường chuẩn tới một gương phẳng lý tưởng, tại đó ánh sáng

sẽ được phản xạ hoàn toàn Gương tách tia sẽ hướng chùm tia thứ hai đi tới bề mặt

được đo rồi phản xạ lại Hai chùm tia này kết hợp với nhau tại bộ tách tia tạo thành hình ảnh vân giao thoa trên bề mặt cảm biến

Hình 1.24: Giao thoa kế dịch pha PSI

Thông thường các PSI sử dụng kết cấu đồng trục, nghĩa là hai chùm tia truyền

đi theo cùng một hướng Tuy nhiên kết cấu không đồng trục cũng được sử dụng, ở

đó ảnh của bề mặt có thể được hội tụ trên cảm biến hoặc không Khi đó một thuật toán truyền số được sử dụng cho phép hội tụ số Quang lộ trên nhánh chuẩn được hiệu chỉnh sao cho thu được độ tương phản giao thoa cực đại Trong quá trình đo, dịch chuyển khiến cho hiệu quang lộ tới bề mặt được đo và quang lộ tới gương chuẩn thay đổi, kết quả tạo ra sự thay đổi hình ảnh vân giao thoa Sau đó biểu đồ pha được xây dựng từ từng dịch chuyển trên thiết bị ghi giao thoa Cuối cùng, các thông tin về cao độ các điểm trên bề mặt được phân tích từ biểu đồ pha Sự chênh lệch quang lộ được tạo ra bằng nhiều cách Ví dụ như vật kính và gương chuẩn của

hệ thống được dịch chuyển bởi một cơ cấu truyền động dạng áp điện Đối với những

bề mặt có chiều cao nhấp nhô của nhám lớn hơn ẵ bước sóng, người ta sử dụng các thuật toán về pha hoặc dùng phương pháp bước sóng kép

Thiết bị đo PSI thường sử dụng một trong hai kết cấu với cách bố trí các vật kính hiển vi khác nhau Hình 1.25 thể hiện kết cấu vật kính Mirau, ở đó các phần tử

A, B và C dịch chuyển còn D là chuẩn Hình 1.26 là kết cấu vật kính Linnik, trong

đó các phần tử B và C dịch chuyển tham chiếu tới D và E Kết cấu dạng Mirau nhỏ

gọn hơn và ít cần tới sự điều chỉnh hơn kiểu Linnik Đối với cả hai loại vật kính, phải là giao thoa ánh sáng trắng khi cả gương chuẩn và đối tượng đo đúng tiêu điểm Với vật kính Mirau, điều này được thực hiện qua sự điều chỉnh độ nghiêng và vị trí của gương chuẩn Còn với vật kính Linnik, cả gương chuẩn và đối tượng phải đúng tiêu điểm Hơn nữa cả hai nhánh của vật kính Linnik phải được chế tạo bằng nhau trong phạm vi vân giao thoa, hai vật kính trong hệ Linnik phải phù hợp Điều đó khiến chi phí tăng cao Hệ Linnik có độ phóng đại và độ phân giải đạt tới tương

đương với các kính hiển vi quang học tiêu chuẩn có độ phân giải cao nhất

Hình 1.25: Hệ giao thoa Mirau [45] Hình 1.26: Hệ giao thoa Linnik [45]

Một loại kết cấu khác là dựa trên nguyên lý của giao thoa kế Michelson Một lăng kính tách tia dạng khối lập phương được đặt bên dưới vật kính để hướng chùm tia tới bề mặt chuẩn Ưu điểm của kết cấu Michelson là phần trung tâm của vật kính không bị chặn Tuy nhiên, lăng kính tách tia lập phương được đặt trong phần hội tụ của chùm tia khiến cho quang sai xuất hiện Nhược điểm của loại thiết bị này là có khẩu độ số nhỏ và khoảng làm việc lớn

Nguồn sáng được sử dụng trong các hệ thống đo PSI có bước sóng trong một dải hẹp như: điốt laser, LED, nguồn sáng trắng được lọc dải hẹp hay đèn quang phổ… Độ chính xác bước sóng trung tâm và độ rộng phổ cường độ sáng có ảnh hưởng quan trọng đến độ chính xác của kết quả đo Các phép đo profin bề mặt được thực hiện bằng cách sử dụng một cảm biến hình ảnh bao gồm một mảng tuyến tính các sensor ảnh điểm Khoảng cách và bề rộng của các điểm ảnh trên cảm biến xác

định các thuộc tính của độ phân giải ngang của thiết bị PSI có thể đạt được độ phân giải và độ lặp lại tới dưới nanomét nhưng rất khó xác định độ chính xác do nó phụ

thuộc nhiều vào bề mặt được đo Chỉ những bề mặt có các điểm liền kề chênh lệch không quá ẳ bước sóng nguồn mới đo được trên PSI.Phạm vi đo của PSI bị giới hạn trong khoảng một vân hay xấp xỉ ẵ bước sóng trung tâm λ của nguồn sáng Do đó các thiết bị đo PSI chỉ được sử dụng để đo những bề mặt rất phẳng Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng chỉ những bề mặt có độ nhám Ra (hay Sa) nhỏ hơn 1/10 bước sóng λ mới đo được bằng PSI Hạn chế đó được khắc phục bằng cách kết hợp PSI với một thiết bị đo giao thoa quét kết hợp CSI với chế độ quét dọc Độ chính xác của PSI tăng lên cho phép đo được những bề mặt siêu phẳng, thậm chí còn phẳng hơn cả bề mặt chuẩn qua phương pháp trung bình hoá PSI còn có thể đo được những bề mặt có độ phản xạ thấp tới dưới 5% mặc dù tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu sẽ tăng khi độ phản xạ giảm Độ tương phản tối ưu đạt được khi các hệ số phản xạ của

bề mặt chuẩn và bề mặt được đo là phù hợp với nhau

1.3.1.3 Nguyên lý đo bề mặt theo sự thay đổi điểm hội tụ

Hình 1.27: Nguyên lý đo nhám bề mặt theo sự thay đổi tiêu điểm

Sự thay đổi điểm hội tụ kết hợp độ sâu hội tụ nhỏ của hệ thống quang với chức năng quét đứng có thể cung cấp thông tin về nhấp nhô và màu sắc từng điểm trên bề mặt Hình 1.27 là sơ đồ nguyên lý đo theo sự thay đổi điểm hội tụ [45] Bộ phận chính là một hệ quang học chính xác bao gồm các thấu kính với nhiều công dụng cho phép đo với độ phân giải ngang khác nhau Nhờ vào gương tách tia, chùm

sáng phát ra từ nguồn sáng trắng đi qua hệ thống quang rồi hội tụ trên bề mặt được

đo nhờ một vật kính Phụ thuộc vào kết cấu nhấp nhô trên bề mặt được đo mà chùm tia sáng sẽ phản xạ theo nhiều hướng Nếu bề mặt đo có tính phản xạ khuếch tán, tia sáng sẽ phản xạ với cường độ như nhau theo mọi hướng Trong trường hợp phản xạ gương, ánh sáng chủ yếu chỉ đi theo hướng mà góc phản xạ bằng góc tới Tất cả các tia xuất phát từ bề mặt vật đo sẽ đi qua vật kính và hệ quang rồi chiếu tới cảm biến nhạy sáng nằm phía sau gương tách tia Do hệ quang có độ sâu hội tụ nhỏ nên chỉ một vùng nhỏ của đối tượng đo có ảnh sắc nét Để thực hiện được phép dò hoàn toàn

bề mặt với toàn bộ độ sâu điều tiêu, các phần tử quang học chính xác được dịch chuyển dọc theo quang trục trong khi dữ liệu từ bề mặt liên tục được lưu lại Điều này đảm bảo rằng từng khu vực trên đối tượng được hội tụ sắc nét Các thuật toán chuyển đổi dữ liệu mà cảm biến thu được sẽ cho ta thông tin ba chiều với một hình

ảnh có màu sắc thật sự trung thực và đầy đủ chiều sâu điều tiêu Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích sự thay đổi tiêu điểm này, thông thường là dựa trên tính toán độ sắc nét tại một vị trí cụ thể Phương pháp tiêu biểu là dựa trên việc đánh giá các dữ liệu mà cảm biến thu được trong một diện tích cục bộ nhỏ Nhìn chung, đối với một đối tượng điểm được hội tụ càng sắc nét thì sự biến thiên của các giá trị cảm biến của các khu vực lân cận càng lớn Ví dụ, độ lệch chuẩn của các giá trị cảm biến thu được có thể được sử dụng như một thước đo đơn giản đối với độ sắc nét Độ phân giải đứng của một thiết bị đo sự thay đổi điểm hội tụ phụ thuộc vào vật kính

được lựa chọn và có thể nhỏ tới 10 nm Phạm vi quét theo phương đứng phụ thuộc vào khoảng làm việc của vật kính, nó có thể tới vài chục milimét Phạm vi đo ngang XìY có thể đạt tới (100ì100) mm bằng cách sử dụng các thuật toán đặc biệt kết hợp với một bàn đo dịch chuyển hai chiều có động cơ truyền động Tương phản với các

kỹ thuật đo quang học khác bị giới hạn đối với các chiếu sáng đồng trục, bề mặt với

độ dốc tối đa có thể đo được với loại thiết bị này không phụ thuộc vào khẩu độ số của vật kính Nó cho phép đo được các profin có độ dốc tới 80°

Phương pháp đo theo sự thay đổi điểm hội tụ được ứng dụng cho nhiều loại bề mặt với các hệ số phản xạ quang học khác nhau Bề mặt mẫu có thể thay đổi từ bóng sáng tới phản xạ khuếch tán, từ các vật liệu đồng nhất cho tới vật liệu hợp chất phức tạp, và từ bề mặt có đặc tính nhẵn mịn tới thô ráp Nguyên lý đo này khắc phục việc