Nghiên cứu phương pháp nâng cao độ chính xác phép đo trên máy đo toạ độ ba chiều

- Phương pháp xác định các kích thước hình học phổ biến - Phương pháp đo đường kính hình trụ đặt bất kỳ trong không gian Hy vọng rằng với hướng tiếp cận này, bản luận văn sẽ góp một phần

Mở đầu 1

Chương I - Tổng quan về máy đo tọa độ 3

1.1 Giới thiệu chung về máy đo tọa độ 3

1 1.1 Phân loại các phương pháp đo tọa độ 5

1 1.2 Giới thiệu máy đo tọa độ đề các 8

1.1.2.1 Hệ thống đầu đo 9

1.1.2.2 Hệ thống dẫn động 10

1.1.2.3 Hệ thống đo 11

1.1.2.3 Máy tính và phần mềm đo lường 12

1.1.2.4 Quá trình đo trên máy đo tọa độ và nguyên tắc đo 13

Chương II Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo 16

2.1 Đệm khí 16

2.1.1 Lý do và tác dụng của việc sử dụng đêm khí 16

2.1.2 Chuyển đổi khí nén 19

2.1.3 Miền làm việc của đệm khí 19

2.2 Đầu đo 20

2.2.1 Đầu đo chuyển mạch điện tử, nguyên lý và cấu tạo 22

2.2.2 Đầu dò quang học 25

2.2.3 Đầu dò quét bằng tia lazer, nguyên lý hoạt động 25

2.2.4 Giới thiệu một số đầu đo của hãng Renishaw 27

2.2.5 Các mũ dò 28

2.2.6 Các loại cảm biến dùng trong đầu đo 31

2.2.7 Đảm bảo an toàn trong thiết kế đầu đo 32

2.2.8 Nghiên cứu lực tác động khi đo 33

2.3 Thước định chiều dài trên trục đo 44

2.3.1 Cấu tạo và thước kính 44

2.3.2 Chuyển đổi quang điện 46

2.3.3 Tạo và thu tín hiệu chu kỳ 46

2.3.4 Chia nhỏ khoảng cách giữa 2 vạch khắc 48

2.4 Phần mềm 53 2.5 sai số do mẫu điều chỉnh 58 2.6 Nhiệt độ 58 Chương III

Phương pháp xác định các kích thước hình học phổ biến

3 1 Cơ số hình học của phép đo tọa độ 60

3.1.1 Hệ tọa độ Đề các vuông góc 60 3.1 2 Các phép biến đổi tọa độ 64

3 2 Thuật toán xác định các kích thước hình học phổ biến

3.2.1 Thuật toán xác định đường thẳng qua tọa độ 2 điểm đo 67

3 2.2 Thuật toán xác định tâm và bán kính đường tròn 69

3 2.3 Thuật toán xác định đường kính mặt cầu 71 3.2.4 Đo đường kính trụ trên máy đo tọa độ ba chiều bằng tay 77

CHƯƠNG iV

phương pháp đo hình trụ đặt bất kỳ trong không gian

4 1 Đặt vấn đề 80

4 1.1 Một số kết quả đo đường kính hình trụ 80

4 1.2 Cơ sở lý thuyết xác định bán kính trụ khi biết toạ độ sáu điểm trên bề mặt 85 Kết luận 106

M ở Đầu

Khoa học phát triển đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của con người, đồng thời các thiết bị càng ngày càng có những khả năng đặc biệt để giúp con người xác định, nhận biết và phân loại sản phẩm Cụ thể, hiện nay có những thiết bị chuyên dụng nhằm đảm bảo chất lượng và yêu cầu chuyên môn hoá trong sản xuất công nghiệp Mỗi thiết bị đều có những khả năng nhất định,

nếu người sử dụng có những hiểu biết về thiết bị sẽ sử dụng thiết bị có hiệu

quả hơn

Riêng trong ngành Cơ khí, việc sử dụng thiết bị đo lường là rất quan

trọng Vì đây sẽ là kết quả để đánh giá khả năng gia công cững như đưa ra được những dự báo về khả năng, tuổi thọ của chi tiết được chế tạo Đây là một vấn đề lớn, bởi vì các hình dạng của chi tiết được chế tạo rất phức tạp, nhiệm vụ đặt ra là tìm được một kích thước chung nhất để đại diện cho chi tiết

thực

Máy đo toạ độ là một thành tựu to lớn của khoa học kỹ thuật, dùng để

đo kích thước hình học của vật thể Loại máy này được đánh giá cao hơn các

loại công cụ đo chiều dài khác vì dễ sử dụng đo được nhiều thông số và có độ chính xác cao

Những năm gần đây máy đo tọa độ được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam Trong tương lai thiết bị này sẽ còn được sử dụng rộng rãi hơn Tuy nhiên, hiểu biết về thiết bị này còn chưa nhiều vì vậy việc khai thác sử dụng còn nhiều hạn chế

Bản luận văn này tiếp cận máy đo tọa độ theo hướng nghiên cứu tìm hiểu một số yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo Trong đó, đặc biệt quan tâm đến quy trình lấy điểm đo trên bề mặt chi tiết nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo trên cùng một thiết bị

Với đề tài “Nghiên cứu phương pháp nâng cao độ chính xác phép đo trên máy đo tọa độ ba chiều” bản luận văn này đề cập đến một số nội dung sau:

- Các vấn đề tổng quan về máy đo tọa độ

- Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo

- Phương pháp xác định các kích thước hình học phổ biến

- Phương pháp đo đường kính hình trụ đặt bất kỳ trong không gian

Hy vọng rằng với hướng tiếp cận này, bản luận văn sẽ góp một phần

nhỏ trong việc tăng thêm hiểu biết về máy đo tọa độ nhằm nâng cao hiệu quả

sử dụng loại thiết bị đo này

Tuy nhiên, do thời gian và khả năng bản thân có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi thiếu sót và hạn chế Rất mong nhận được sự góp ý của các

thầy cô giáo, đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn chỉnh hơn

Chương I

Tổng quan về máy đo tọa độ

1.1 Giới thiệu chung về máy đo toạ độ:

Đo lường các thông số hình học của sản phẩm cơ khí nhằm qua đó đánh giá được chất lượng sử dụng của nó luôn chiếm một vai trò quan trọng trong

công nghiệp sản xuất cơ khí Trước đây, người ta thường sử dụng các thiết bị

đo như micrometers, panme, thước cặp, thước đo lỗ, thước đo sâu, thước đo chiều cao, kính hiển vi công cụ vạn năng để kiểm tra thông số kể trên Tuy nhiên các dụng cụ đo này có phạm vi đo bị giới hạn, phải đọc kết quả trực tiếp trên các vạch khắc của thước và xử lý kết quả thủ công

Do những yêu cầu cấp thiết trong sản xuất chế tạo mà đo lường ngày

càng phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó Nhiều phương pháp đo mới ra đời, nhiều phương tiện đo mới hiện đại được chế tạo với độ chính xác của phép đo ngày càng cao Từ thập kỷ 70 trở lại đây cùng với sự phát triển mạnh

mẽ của các ngành cơ - điện tử - tin học và việc ứng dụng những thành tựu của

kỹ thuật - điện tử tin học vào ngành cơ khí khiến cho đo lường tiến bộ vượt bậc Sự ghép nối thành công giữa máy tính và máy công tác làm xuất hiện các thiết bị đo, hệ thống đo lường mới sử dụng kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý có tính năng hiện đại và độ chính xác cao Các thiết bị đo thông minh được cài đặt các bộ vi xử lý hay vi tính đơn phiến mà chúng có những khả năng vượt trội các thiết bị đo thông thường như:

* Cho phép chuyển thẳng số liệu đo vào máy tính để xử lý và đưa ra kết quả đo nhanh chóng - chính xác

* Có khả năng tự xử lý và lưu giữ kết quả đo

* Thực hiện công việc đo theo chương trình

* Tự động thu thập số liệu đo và có khả năng truyền số liệu đi xa

Một bước nhảy vọt nhất là từ khi việc ghép nối máy tính và máy công tác trở thành hiện thực vào năm 1973 cho phép chuyển thẳng số liệu đo vào

máy tính để xử lý và đưa ra kết quả đo một cách nhanh chóng thì hàng loạt các thiết bị đo hiện đại ra đời: kính hiển vi đo lường kết nối camera, máy đo

độ không tròn, máy đo độ nhám, độ cứng, máy đo biên dạng có ghép nối máy tính Trong đó đặc biệt phải kể tới là máy đo tọa độ với các tên viết tắt như UMM (Universal Measuring Machine), CMS (Co-ordinate Measuring System) hay CMM (Co-ordinate Measuring Machine) đã sử dụng một cách hiệu quả những thành tựu đó để hoàn thiện khả năng đo lường vốn có của nó ngay cả với những phép đo phức tạp, khối lượng xử lý thông tin rất lớn Máy

đo tọa độ có khả năng xác định kích thước, hình dáng, sai số vị trí dễ dàng, chính xác, nhanh chóng với khả năng tiếp cận đối tượng đo phong phú nên hầu như các bề mặt hay vật thể thực đều đo được bởi thiết bị này Do đó CMM đã trở thành một công cụ vạn năng và mạnh mẽ trong đo lường sản xuất cơ khí và trong nghiên cứu khoa học

Với những ưu điểm nổi trội đó, máy đo tọa độ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong đo lường sản xuất ở các quốc gia trên thế giới Tại Việt Nam chỉ trong vài năm gần đây máy đo tọa độ của nhiều hàng sản xuất đã được giới thiệu và bán cho các cơ sở trung tâm sản xuất CMM đi vào ngành sản xuất cơ khí đã tạo ra một bước nhảy vọt trong đo lường cơ khí - góp phần đẩy mạnh sự phát triển của khoa học kỹ thuật

Muốn đáp ứng được sự phát triển trong sản xuất thì việc kiểm tra đo

lường độ chính xác của chi tiết cũng phải được hiện đại hoá Nhiều phương pháp đo mới cũng như thiết bị đo mới ra đời Sự thành công trong ghép nối máy tính và máy công cụ đã quyết định sự xuất hiện của các trung tâm đo mềm Điều đó có nghĩa là việc đo - di chuyển đầu đo được thực hiện nhờ hệ thống dẫn động tự động đồng thời việc xử lý dữ liệu đo được thực hiện qua hệ thống máy tính Sau khi xử lý máy tính sẽ đưa ra tất cả các thông số cần đo

mà người sử dụng yêu cầu Một trong các thiết bị đo như thế là máy đo tọa

độ Cơ sở của phương pháp đo tọa độ dựa trên việc coi bề mặt chi tiết là một tập hợp có quy luật của vô số các điểm mà vị trí của một điểm bất kỳ nếu đặt trong một hệ tọa độ sẽ được xác định qua bộ tọa độ của điểm đó Phương pháp này không mới nhưng khả năng mạnh mẽ tiềm tàng của nó được thực sự

Hình 1.1

phát huy trong máy đo tọa độ nhờ sự ghép nối để xử lý bằng máy tính ở đây

ta đề cập tới bản chất của phương pháp đo này là một phép đo gián tiếp - khác với các phép đo trực tiếp như ở thước cặp, panme Ví dụ khi đo đường kính của một hình trụ bằng thước cặp thì nó là khoảng cách giữa hai điểm xa nhất theo phương đo còn trong máy đo tọa độ thì ta xác định tọa độ một số điểm lựa chọn trên bề mặt trụ rồi từ đó qua chương trình trong máy tính tìm ra đường kính của đường tròn xấp xỉ tốt nhất

với bộ điểm đó Nghĩa là kết quả đo ở đây là

một giá trị trung bình một đại lượng gián

tiếp được xác định qua các đại lượng trực

tiếp là tọa độ các điểm đo Sau đây là một ví

dụ có thể phần nào làm rõ đặc điểm M1, M2,

M3 của phép đo tọa độ

Với một chi tiết như (hình 1.1) ta cần

xác định đường kính của trụ ngoài và của lỗ

Để tìm đường kính của trụ ngoài ta cố định

A B C trục z và đo ba điểm A(x 1 , y 1 ), B(x 2 , y 2 ), C(x 3 , y 3) của mặt ngoài, từ ba tọa độ này ta xác định được đường tròn qua 3 điểm có đường kính ∅1 - đó là đường kính trụ ngoài Để đo đường kính lỗ xiên, người ta đo ba điểm trên bề mặt xiên M1(x1, y1, z1), M2(x2, y2, z2), M3(x3, y3, z3) xác định mặt phẳng này cùng vectơ pháp tuyến của nó Lấy ba điểm M4(x4, y4, z4), M5(x5, y5, z5),

M6(x6, y6, z6) trên mặt trụ trong rồi chiếu lên mặt phẳng đầu theo phương của vectơ pháp tuyến ta được các điểm có tọa độ (x’4, y’4, z’4), (x’5, y’5, z’5), (x’6, y’6, z’6) Từ ba điểm này ta xác định được đường tròn đường kính ∅2 - đó là đường kính của trụ xiên

Như vậy ta thấy phương thức tiếp cận đối tượng đo của máy đo tọa độ hoàn toàn mới: Rất linh hoạt và hiện đại Do đó các thiết bị đo tọa độ như máy đo tọa độ Đềcác, độc cực, cầu, tay quay với khả năng đo lường lớn là không thể thiếu trong các trung tâm đo mềm một phần quan trọng trong hệ thống sản xuất linh hoạt

1.2 Phân loại các phương pháp đo tọa độ

Hiện nay, với công cụ toán học đa dạng chúng ta có thể thực hiện được tất cả các phép đo vị trí, kích thước tương quan hình dáng hình học của một đối tượng, nhất là các chi tiết có hình dạng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác

tương quan hình học cao Vì thế công tác đo lường càng đòi hỏi cần phải áp dụng công nghệ tiên tiến và các công cụ toán học về đo lường Đo lường các thông số hình học của chi tiết trong hệ tọa độ đề các ngày càng được áp dụng

như một phương pháp đo lường phổ biến nhất trong việc xác định các thông

số hình học của chi tiết Có rất nhiều phương pháp để xác định tọa độ của một

vị trí bất kỳ trong không gian Nhưng việc xác định tọa độ điểm đo trong hệ trục tọa độ đề các là đơn giản hơn cả Thêm vào đó việc chế tạo các thiết bị đo cho hệ tọa độ này cũng trở lên đơn giản rất nhiều Đối với phần cứng của

máy, những vấn đề khó khắc phục để tạo nên độ chính xác cao cho thiết bị như độ ổn định kết cấu, độ đảm bảo đo, độ chính xác thiết kế, độ cứng vững của phần cứng… đã được hạn chế một cách tối đa Ngoài ra, đối với trợ giúp của phần mềm đo lường xử lý và tính toán dữ liệu đo, việc sử dụng các thuật toán để giải bài toán đo lường và đưa ra kết quả đo cũng cải thiện được phần sai số

Hơn thế nữa, khi sử dụng hệ tọa độ đề các làm cho kết cấu của máy trở lên đơn giản Việc thiết kế ba trục chuyển động của đầu đo trùng với các trục

X, Y, Z của hệ trục tọa độ đề các, trên đó có gắn với các thước định chiều dài tuân theo nguyên tắc Abbe trong khi đo Như vậy, càng làm cho máy đo tăng thêm độ chính xác

* Hiện nay khi nói tới phương pháp đo tọa độ trong không gian người ta thường phân loại dựa trên các cơ sở sau:

- Dựa vào quan hệ giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo ta có đo tiếp xúc và

đo không tiếp xúc (Sử dụng đầu đo tiếp xúc hoặc đầu đo không tiếp xúc) Khi đo tiếp xúc đầu đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết đo theo điểm, theo đường hoặc theo mặt Khi đó giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo tồn tại một áp lực, gọi là lực đo Lực đo làm cho sự tiếp xúc ổn định Nhưng mặt khác dưới

Nghiên cứu ph-ơng pháp nâng cao độ chính xác phép đo trên máy đo toạ độ ba

tỏc dụng của lực đo, bề mặt chi tiết sẽ bị biến dạng, nếu sự biến dạng vượt quỏ giới hạn đàn hồi, sau khi đo sẽ để lại vết trờn bề mặt chi tiết đo

Khi đo khụng tiếp xỳc, đầu đo khụng tiếp xỳc với mặt chi tiết đo, đo đú khụng cú ỏp lực tiếp xỳc giữa chỳng, tức là khụng cú lực đo Đo khụng cú lực

đo nờn khụng cú sai số đo do biến dạng bề mặt, khụng làm tổn hại tới bề mặt chi tiết đo, đặc biệt là đối với cỏc chi tiết làm bằng vật liệu kộm bền

- Dựa vào cấu trỳc chuyển động giữa cỏc phần của mỏy đo ta cú cỏc loại mỏy đo sau: Mỏy đo tọa độ hệ tọa độ đề cỏc, mỏy đo tọa độ dạng tay quay… Mỏy đo tọa độ hệ tọa độ đề cỏc là loại mỏy được xõy dựng trờn cơ sở gồm 03 chuyển động di chuyển đầu đo theo 03 trục của hệ tọa độ đề cỏc Mỗi trục xỏc định một tọa độ của điểm cần đo và kết hợp 3 tọa độ đú mỏy đo cho

ta kết quả

Mỏy đo tọa độ dạng tay mỏy là loại mỏy được xõy dựng trờn cơ sở chuyển động quay của cỏc khõu (gọi là tay mỏy) Đầu đo được di chuyển nhờ cỏc khõu nối với nhau bằng cỏc khớp quay Cỏc khớp quay được gắn sensor

đo gúc Kết cấu nhỏ gọn, cú thể gắn trờn bàn mỏy hoặc ngay trờn thõn chi tiết

đo Như vậy, mỏy đo cú thể di chuyển đầu đo một cỏch rất linh hoạt, cỏc khõu

cú tớnh mềm dẻo cao, giảm được những hạn chế về khụng gian đo Dựa vào

độ dài của cỏc khõu và tớn hiệu đo gúc quay, phần mền sẽ đưa ra kết quả đo là tọa độ cỏc điểm đo trờn bề mặt vật đo nhờ phộp biến đổi từ hệ tọa độ cực và cỏc phộp tớnh ứng dụng cơ học hệ nhiều vật

- Dựa vào hệ dẫn động cỏc khõu của mỏy đo ta cú cỏc loại mỏy đo sau: Mỏy tự động và mỏy điều khiển bằng tay

Nghiên cứu ph-ơng pháp nâng cao độ chính xác phép đo trên máy đo toạ độ ba

Hỡnh 1.2: Mỏy đo tọa độ dạng quay Hỡnh 1.3: Mỏy đo tọa độ Đềcỏc

Mỏy đo điều khiển bằng tay tức là việc di chuyển đầu đo đến điểm cần

đo được thực hiện bằng tay Loại mỏy này thường phụ thuộc nhiều vào người thao tỏc, do vậy mang lại độ chớnh xỏc khụng cao cho phộp đo và rất khú cho việc tớch hợp với hệ thống kiểm tra tự động trờn dõy chuyền sản xuất

Mỏy đo tọa độ tự động (CNC CMM) là loại mỏy mà việc dẫn động chuyển động của cỏc khõu được thực hiện nhờ cỏc động cơ điều khiển Servo

Vỡ vậy việc di chuyển đầu đo tới vị trớ cần đo được thực hiện một cỏch nhanh chúng, chớnh xỏc và cú thể ứng dụng đo tự động trờn dõy chuyền sản xuất

1.3 Giới thiệu mỏy đo tọa độ đề cỏc

Cấu hỡnh cơ bản của một mỏy đo tọa độ bao gồm cỏc thành phần sau:

* Hệ thống đầu đo với hệ thống dẫn động đầu đo

* Hệ thống điều khiển

* Mỏy vi tớnh và phần mềm đo lường

* Cỏc thiết bị ngoại vi khỏc

Hình 1.4: Hệ thống máy đo tọa độ 3D hệ tọa độ đề các

1.3.1 Hệ thống đầu đo

Đặc điểm của phương pháp đo tọa độ như đã nói ở trên là phải xác định tọa độ các điểm trên bề mặt chi tiết Công việc này được thực hiện bởi các đầu đo Nhiệm vụ của đầu đo là khi chạm vào chi tiết sẽ báo về vị trí của nó trong hệ tọa độ của máy chính là tọa độ điểm chạm trên bề mặt chi tiết Đây chính là thiết bị cảm nhận thu nhận thông tin từ chi tiết đo nên đầu đo là một

bộ phận quan trọng trong thiết bị đo tọa độ Mỗi máy đo được trang bị một hệ thống đầu đo Các đầu đo này phải đảm bảo lực tiếp xúc ổn định trong mọi điểm đo Hệ thống đầu đo trong máy đo tọa độ gồm nhiều đầu dò Mỗi đầu đo được ký hiệu bằng một chữ số và được ghi vào bảng đầu dò dưới số hiệu của

nó Trước khi đo phải xác định cỡ đầu dò rồi sử dụng đầu dò cần thiết tùy theo từng nhiệm vụ đo cụ thể theo số hiệu của nó Một số nhiệm vụ đo cần phải đo với nhiều đầu dò thì có thể sử dụng chức năng thay đầu dò trong máy, khi đó máy đo sẽ tự động tính toán với đầu dò hiện thời

Đầu dò thường có dạng hình cầu để đo các phần tử hình học từ bất kỳ điểm nào trên bề mặt của nó đều cách tâm một khoảng cố định bằng bán kính cầu

* Giá giữ đầu dò:

Trước đây, các mũi dò lựa chọn cho từng công việc đo được gá lên đầu

đo và sau đó được calip bằng chuẩn calip Ngày nay công việc đó được thay thế bởi hệ thống thay đổi mũi dò mà hạt nhân của hệ thống này là một đĩa tiếp hợp để giữ các đầu dò cần thiết Tổ hợp mũi dò tốt nhất có thể giữ được các

mũi dò phục vụ cho từng loại chi tiết đo hay họ các chi tiết Đĩa tiếp hợp này

có khả năng tiếp nhận các mũi dò trở lại vị trí với độ chính xác 1àm Có các dạng mũi dò khác nhau được lưu giữ trên một giá giữ mũi dò Giá giữ mũi dò

đã được calip trước đó và trở thành dụng cụ đã được điều chỉnh Các số liệu cần thiết khi thay đổi mũi dò đều được lưu giữ trong máy Sự thay đổi mũi dò

có thể thực hiện bằng tay hay trong các máy CMM hiện đại công việc này được thực hiện bởi cơ cấu tự động thay đổi mũi dò, thậm chí ngay cả trong khi đang đo tự động

Đĩa tiếp hợp là một trong những cụm chi tiết của hệ thống thay đổi mũi

dò và đồng thời là bộ phận liên kết giữa mũi dò và các cảm biến Bộ phận này thể hiện nguyên tắc không gian điểm đỡ có độ chính xác cao, một nam châm vĩnh cửu giữ và kẹp đĩa dùng lực gián tiếp Để dịch chuyển hay gá đặt đĩa từ lực được tăng lên hay giảm đi theo yêu cầu

1.3.2 Hệ thống dẫn động

Muốn đo được các điểm khác nhau trên những bề mặt khác nhau của chi tiết ta cần cho đầu dò chạm vào các điểm đó Như vậy đầu dò phải dịch chuyển được theo các phương khác nhau mà ở máy đo tọa độ Đềcác, đầu dò dịch chuyển theo 3 chiều trục tọa độ Ox, Oy, Oz của máy Việc dẫn động đầu

đo đòi hỏi phải nhẹ những, tránh va đập làm hỏng đầu dò cũng như phát sai tín hiệu về bộ xử lý Do đó ta cần giảm hệ số ma sát trên các sống dẫn một cách tối đa nhằm giảm lực cản khi di chuyển đầu dò Điều này được thực hiện nhờ một hệ thống đệm khí trên các sống dẫn và toàn bộ hệ thống đo đều được

di chuyển trên đệm khí

Trong máy CMM của hãng Tesa (Mỹ) có tổng số 26 đệm khí gồm : 9 chiếc trên trục X, 9 chiếc trên trục Y và 8 chiếc trên trục Z Trong máy CMM của hãng MITUTOYO (Nhật bản) có tổng số 20 đệm khí gồm: 7 chiếc trên trục X, 7 chiếc trên trục Y và 6 chiếc trên trục Z Chúng có nhiệm vụ tạo sự chuyển động không tiếp xúc giữa các bề mặt trên sống dẫn nhờ sự cứng vững

và lực nâng của các màng khí Các đệm khí này được tính toán thiết kế phù hợp với yêu cầu về tải trọng và sai số tại từng trục cũng như từng vị trí trên

trục Đồng thời tuỳ theo yêu cầu về định vị, điều chỉnh mà một số đệm khí có bulông điều chỉnh Kích thước các đệm khí này không giống nhau tùy theo chức năng của nó: Các đệm chịu lực lớn như trên trục X có kích thước lớn hơn các đệm chịu lực nhỏ hay để điều chỉnh trên trục Z Các đệm khí được hoạt động nhờ hệ thống cung cấp khí nén Khí nén dùng để vận hành CMM cần thỏa mãn những yêu cầu sau:

* áp suất khí vận hành của CMM trong khoảng 4 - 4,5 kgf/ cm2

* Khí cần phải làm sạch trước khi đưa vào vận hành độ tinh khiết cần đạt 97% trở lên Khí không được phép lẫn tạp chất ở thể rắn, dầu, hơi nước Để lọc khí người ta sử dụng một màng lọc bằng than hoạt tính đặt sau màng lọc phụ

Hình 1.5: Bộ điều chỉnh lượng cấp không khí

1.3.3 Hệ thống đo

Để biết vị trí đầu dò hay chính là tọa độ điểm đo ta cần biết nó có vị trí như thế nào trên các trục tọa độ Đối với máy đo tọa độ Đề các vuông góc ta cần biết vị trí của đầu dò trên 3 trục Ox, Oy, Oz của hệ tọa độ máy Người ta thực hiện điều này bằng cách gắn trên 3 trục tọa độ máy 3 thước kính Thước kính là một loại thước khắc vạch với độ chính xác rất cao được chế tạo từ thủy tinh đặc biệt có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp khoảng 8 - 10ppm/K (8.10-6

1/độ) 12

Thước kính có phạm vi đo lớn, độ chính xác cao, tín hiệu đo được xử lý

tự động và nhanh chóng qua một bộ đầu đọc tín hiệu mà vạch trên thước Các thước trên 3 trục tọa độ có chiều dài khác nhau tương ứng với giới hạn đo của từng máy

1.3.4 Máy tính và phần mềm đo lường

Bộ phận đo trong máy xác định các điểm riêng biệt cần thiết trên bề mặt chi tiết đo, sau đó chương trình đo sẽ tính toán các thông số hình học từ tọa độ

các điểm đó Muốn tính toán được như vậy, trước hết khi đo phải tuân theo nguyên tắc số điểm đo ít nhất cho phép đối với từng hình dạng của vật đo Ví dụ: để xác định một mặt phẳng cần ít nhất 3 điểm , một mặt côn cần ít nhất 6 điểm… Khi số điểm đo thực hiện nhiều hơn số điểm ít nhất thì việc tính toán lại dựa trên phương pháp bình phương bé nhất để tìm ra thông số rồi so sánh với dung sai cho phép Đó là cơ sở để xây dựng các phần mềm chuyên dùng cho máy đo tọa độ Các chương trình phần mềm này được cài đặt trong máy tính Máy tính chính là phương tiện để người sử dụng giao tiếp với máy đo

Như vậy tuỳ theo yêu cầu đo mà người dùng sẽ gọi một chương trình thích hợp trong hệ thống chương trình đó để điều khiển quá trình đo và xử lý số liệu đo đưa ra kết quả cuối cùng Máy đo tọa độ có một chương trình cơ bản

và một số chương trình phục vụ Người ta còn đưa vào sử dụng các chương

trình con (part program ) để sử dụng trong những yêu cầu đo đơn giản nhằm tiết kiệm bộ nhớ, thời gian

Chương trình cơ bản của máy đo tọa độ có 4 phương thức hoạt động:

* Phương thức đơn: Được sử dụng nếu nhiệm vụ đo chỉ xuất hiện một lần và không yêu cầu lặp lại quá trình đo, khi đó quá trình đo sẽ không được đưa vào bộ nhớ

* Phương thức học: Được sử dụng nếu quá trình đo và đánh giá lặp lại nhiều lần Trong phương thức này việc đo được thực hiện dưới hình thức một

chương trình con lấy từ chương trình cơ bản Các chương trình con này sẽ xuất hiện tại thời điểm nào đó trong phương thức gọi lại

* Phương thức gọi lại: Tái hiện lại chương trình con đã tạo trong phương thức học

* Phương thức soạn thảo

Có bốn mức sử dụng cho từng trình độ và yêu cầu công việc :

- Mức 1: dành cho người mới học với các lệnh cho các công việc đơn giản

- Mức 2: gồm các lệnh cho công việc sử dụng hàng ngày trong phân xưởng

- Mức 3: dành cho những người đã sử dụng thành thạo tất cả các lệnh

- Mức 4: bổ sung một số chương trình nhánh và phụ để khai thác nâng cao

Trong CMM thì hệ thống đo, máy tính và phần mềm tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh Mặc dù khả năng của máy đo tọa độ rất phong phú nhưng việc khai thác sử dụng nó lại phụ thuộc vào người sử dụng thông qua việc tạo các

chương trình phần mềm cho máy hoạt động

1.3.5 Quá trình đo trên máy đo tọa độ và nguyên tắc đo

Quá trình đo trên máy đo tọa độ là quá trình đầu đo tiếp xúc trực tiếp với chi tiết đo, đưa ra chỉ thị đo đồng thời ghi chúng vào bộ nhớ nếu cần thiết Ngoài ra, trong quá trình đo này một loạt các phép xử lý số liệu đo, tính toán các thông số hình học của bề mặt đo, kích thước vị trí tương quan giữa chúng và tính toán sai lệch thử rồi đưa ra kết quả đo Trong những máy đo tọa

độ hiện đại ngày nay, tất cả các quá trình đo đều được thực hiện tự động nhờ

hệ thống cơ điện khí và những thiết bị tính toán Những hệ thống và thiết bị

này tạo thành những phân hệ trong hệ điều khiển Sự có mặt của chúng phụ thuộc vào mức độ tự động của máy đo

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống đo

1 Hệ thống đo trên máy đo tọa độ: Có nhiệm vụ xác định tọa độ điểm

trên bề mặt chi tiết đo bằng bộ đầu dò, ghi và đưa ra tín hiệu chỉ thị vị trí của đầu đo bảo đảm giá trị tọa độ cố định trong từng thời điểm đo

2 Thiết bị ghép nối máy tính: Đây là phần chuyển tiếp giữa hệ đo và bộ

phận xử lý với nhiệm vụ đưa dữ liệu đo vào máy tính để tính toán

3 Máy tính điện tử: Tín hiệu từ đầu đo đưa vào máy được lưu trong bộ

nhớ của hệ thống chỉ thị đo tọa độ và sau đó được đưa vào thiết bị xử lý để đưa ra kết quả cuối cùng

4 Bộ nhớ ngoài: Lưu giữ các kết quả trong quá trình đo

5 Màn hình, bàn điều khiển: Các chương trình đo được đưa vào bộ phận

này để điều khiển máy đo tọa độ đây chính là bộ phận giao tiếp giữa người sử dụng và máy đo Thông qua bộ phận này mà người sử dụng điều khiển được quá trình đo cũng như tính ra các thông số cần biết

6 Thiết bị in và thiết bị ghi hình: Kết quả đo cùng với sự đánh giá sai

lệch được đưa vào phân hệ này Nếu kết quả ở dạng số liệu thì đưa ra máy in, nếu kết quả dạng biểu đồ thì được đưa ra màn hình Mọi khả năng vận hành ứng dụng của máy đo tọa độ được đánh giá căn cứ vào những tính năng của

hệ thống máy tính Tuỳ theo yêu cầu mà máy tính có thể là loại chuyên dùng tính toán thiết kế kỹ thuật có bàn phím bộ điều khiển riêng hoặc sử dụng những chương trình tính toán định trước Ngày nay, hệ thống máy tính đã được tối ưu cả về chất lượng cũng như hình thức với độ tin cậy cao tốc độ xử

lý nhanh, đạt hiệu quả cao trong ứng dụng

Khi thực hiện thao tác đo, người ta đưa đầu đo tới các bề mặt chi tiết tại những điểm cần thiết sao cho lực đo không làm biến dạng đầu đo làm cho hệ thống cảm ứng phát sai tín hiệu về máy Tuy nhiên do đầu đo có dạng hình cầu nên các giá trị tọa độ điểm đo chính là tọa độ tâm đầu đo chứ không phải

là điểm chạm thực tế Như vậy để nhận biết đúng các điểm trên bề mặt chi tiết

ta cần phải bù bán kính đầu đo Việc bù bán kính đầu đo không được thực hiện cho từng điểm riêng biệt mà cho toàn yếu tố nghĩa là các yếu tố đầu tiên được tính cho tâm bi đo và sau đó mới được bù trong quá trình tính toán Đối với các yếu tố đơn giản ta chỉ cần cộng hay trừ kích thước bị đo còn đối với các yếu tố phức tạp thì giá trị bù tính theo phương vuông góc với chi tiết tại điểm tiếp xúc

Chương ii

Các y ếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo

2.1 Đệm khí

2.1.1 Lý do và tác dụng của việc sử dụng đệm khí trong CMM

Ta thấy máy đo tọa độ CMM vi phạm hai nguyên tắc cơ bản trong đo

lường là nguyên tắc Abbe và nguyên tắc xích kích thước ngắn nhất Trong đó

vi phạm nghiêm trọng nguyên tắc Abbe

Nguyên tắc Abbe phát biểu như sau :

“Nếu đường tâm của kích thước đo và đường tâm của kích thước mẫu cùng nằm trên một đường thẳng thì phép đo đạt độ chính xác cao nhất ”

Nguyên nhân chính gây ra sai số này là do trong dụng cụ đo luôn luôn có khâu tĩnh gắn với chuẩn đo và khâu động gắn với mặt đo mà trong khâu động bao giờ cũng tồn tại khe hở khớp động Do đó các dụng cụ đo nên chế tạo tuân theo nguyên tắc Abbe sẽ đạt dược độ chính xác cao hơn Vậy mà trong CMM kích thước mẫu là ba thước kính được đặt trên trên 3 trục x, y, z còn chi tiết được đặt ở bàn đo cách xa kích thước mẫu, do đó hệ thống này đã không tôn trọng nguyên tắc Abbe Tuy nhiên CMM vẫn đạt độ chính xác đo cao - điều đó nghĩa là nó đã khắc phục được sai số Abbe

Trong phần này ta phân tích sai số Abbe trong máy đo tọa độ và phương pháp hạn chế nó tới mức tối đa và cơ sở lựa chọn kích thước hệ thống phù hợp Để phân tích ta xét mô hình tương tự như xe mang đầu đo chạy trên cầu của máy đo tọa độ Mô hình gồm một thanh mang đầu đo gắn vuông góc với sống trượt Sống trượt này trượt trong một rãnh trượt có 4 đệm khí hoạt động Các đệm khí này được bố trí đối xứng và giả định là cùng loại Trọng lượng của sống dẫn và thanh đo là Q coi như đặt ở điểm giữa của sống là O Các kích thước khác như hình 2.1

Hình 2.1 : Sơ đồ tác động lực

* Khi chưa có lực đẩy để dịch chuyển đầu đo :

Gọi lực đẩy của các đệm là N1, N2, N3, N4 nhưng vì lý do đối xứng nên:

N1 = N3 = N1 N2 = N4 = N2

để cho gọn ta gọi là N1 và N2, khi đó ta có phương trình cân bằng lực :

* Khi xuất hiện lực đẩy Pd sẽ làm sống dẫn và thanh nghiêng đi một góc

ϕ gây ra biến thiên khe hở ∆z cho tất cả các đệm: ∆z = a tgϕ

Biến thiên ∆z này gây ra biến thiên lực đẩy là ∆N ở tất cả các đệm Chúng có cùng ∆N do có cùng biến thiên khe hở ∆z vì có cùng một đường đặc tính làm việc Do đó lực ở các đệm sẽ là:

Pd = Fms = [(N1+ ∆N) + (N2 - ∆N) + (N1 - ∆N) + (N2 + ∆N)].fms = 2[N1 + N2]

fms

Muốn đầu đo dịch chuyển thì lực đẩy phải thắng lực ma sát - nghĩa là :

Pd > 2(N1 + N2) fms = fms.Q (2.3)

Vấn đề đặt ra là: Pd = f.Q là lực đẩy cần thiết để hệ bàn trượt dịch chuyển

mà Pd đặt tại C nên nó làm thanh đo nghiêng đi một góc ϕ Vào lúc đầu đo

chạm bề mặt chi tiết thì bàn đo (mang thước đo) còn cách chi tiết một khoảng

δ1 Vì thế khi Pd thoả mãn các yêu cầu trên thì đã có một sai số δ1 là: δ1 = l

tgϕ ≈ 1ϕ

Muốn giảm δ1 ta cần giảm ϕ tức là giảm ∆z dẫn tới giảm ∆N do đó lực

đẩy phải nhỏ nhất bằng cách giảm

tối đa hệ số ma sát Mặt khác khi xét

ở phần trên ta coi thanh và sống dẫn

cứng tuyệt đối nhưng thực tế dưới

tác dụng của Pd thanh đo đã bị cong

một giá trị δ2 Nếu coi đầu O là

ngàm ta có thể tính được δ2 qua công thức của sức bền vật liệu: Hình 2.2 : Độ cong của dầm

δ2 =

3

Pl3EJ

Nếu không vi phạm nguyên tắc Abbe thì mặc dù vẫn có Pd nhưng do l =

0 nên δ = 0 Nhưng do bắt buộc phải có chiều dài l nên để δ giảm thì phải

giảm lực đo trong khi Q không giảm được nữa nên chỉ còn cách giảm fms

Hiện nay phương pháp dùng đệm khí được coi là biện pháp hữu hiệu

nhất để giảm hệ số ma sát Đó chính là nguyên nhân của việc sử dụng đệm khí

trong máy đo tọa độ

2.1.2 Ch uyển đổi khí nén

Nguyên tắc của đệm khí là dựa trên mối quan hệ giữa áp suất và lưu

lượng với kích thước trong chuyển đổi khí

nén Trong dòng chảy của chất khí chịu

nén với áp suất H cố định ta đặt một tiết

diện thắt có diện tích F1 Khi đó dòng đi

qua F1 sẽ có lưu lượng là G áp suất giảm

xuống còn h Lỗ tiết lưu F1 có tác dụng

cản trở dòng khí qua nó như điện trở

trong mạch điện nên được gọi là khí trở

Khí trở này là đại lượng tỷ lệ nghịch với bình phương tiết diện chảy F

Hình 2.3: Sơ đồ chuyển đổi khí nén

Để tăng cường mối quan hệ phụ thuộc người ta bố trí trên dòng chảy khí hai cản trở F1 và F2 Khi đó với áp suất H trước cản trở F1, áp suất h sau F1

trước F2 sẽ phụ thuộc vào H, F1, F2 Khoảng không gian giữa F1 và F2 được gọi là buồng đo, lưu lượng khí phụ thuộc vào H và các kích thước F1, F2 ở đệm khí người ta tạo F2 bằng đầu phun d2 cách tấm chắn phẳng cách miệng phun d2 một khe hở z Lỗ tiết lưu F1 có dạng tròn còn buồng khí F2 thường có dạng hình chữ nhật

Với áp suất nguồn H cố định và d1, d2cố định thì

2.1.3 Miền làm việc của đệm khí

Đối với một chuyển đổi thì chỉ tiêu đo lường chính là tỷ số truyền hay độ nhạy của chuyển đổi và miền làm việc với sai số phi tuyến cho trước Hàm

chuyển đổi của chuyển khí nén là một hàm phi tuyến, độ dốc của tiếp tuyến qua điểm uốn của đường đặc tính dùng để biểu thị tỷ số truyền của hệ

Từ đồ thị ta thấy càng xa điểm uốn thì đường cong càng xa tiếp tuyến ∆ Sai số ∆y = y∆ - y tính trên khoảng đo là sai số phi tuyến δ:

o

y.100%

d4

4dd

Tỷ số truyền i* = dh

dz = - 0,65Ha = - 2,6H

2 2 1

dd

Với sai số phi tuyến 1% ta có miền làm việc [z1, z2] quan hệ giữa h và z được coi là tuyến tính và để tính toán được dựa trên quan hệ h = - 0,65 H.a.z với sai số không quá 1% ta phải cho đệm khí làm việc trong miền này

- Đầu đo có đặc điểm là trực tiếp thực hiện nhiệm vụ đo, biến chuyển vị của đầu đo thành chuyển vị của kim chỉ thị trên mặt chia số và ta đọc kết quả trên màn hiển thị

- Đầu dò chỉ có nhiệm vụ tạo tín hiệu đo cho bộ phận đo để thực hiện nhiệm vụ đo tức là đầu dò chỉ là bộ phận tạo mối liên hệ giữa chi tiết đo và bộ phận đo

Đầu dò có hai bộ phận chính là ;

* Mũi dò là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với chi tiết đo

* Bộ phận cảm biến: là bộ phận có nhiệm vụ tạo tín hiệu điện khi có chuyển vị ở bất kỳ phương nào đồng thời đảm bảo điểm không duy nhất đối với mọi điểm đo

Tuỳ theo cách tiếp xúc của đầu dò với chi tiết mà có các chế độ đo cơ bản sau:

* Chế độ đo tĩnh: là chế độ mà đầu dò chỉ tiếp xúc với chi tiết đo tại

từng điểm riêng lẻ trên bề mặt Chế độ này thường dùng khi ta vận hành bằng tay

* Chế độ đo quét động : Trong chế độ này đầu dò luôn luôn tiếp xúc với

bề mặt chi tiết và các tọa độ điểm được chuyển tới máy tính với mũi dò bị lệch khỏi điểm không Do sự lệch này tọa độ đọc được trên thước thường lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị thực Giá trị thực nhận được bao gồm giá trị đọc được trên thước cộng với giá trị nhận được trên hệ thống cảm ứng Quá trình quét liên tục cùng với sự dịch chuyển liên tục của máy cho ta giá trị đo của một

dãy giới hạn các điểm Một số điểm được chạm trong thời gian ngắn - các điểm này rất cần thiết để xác định các bề mặt tự do như bề mặt cong, profin răng

* Chế độ tự định tâm : Chế độ này thường được sử dụng để đo các rãnh,

khe hở, lỗ nông Trong trường hợp này tất cả các trục sẽ không bị kẹp và lực

đo chỉ có theo hướng được dò Mạch điều khiển vị trí sẽ điều khiển các đầu

đo cảm ứng trên cả 3 trục về vị trí không trong quá trình dò

Ngày nay có nhiều loại đầu dò mới ra đời và ngày càng hoàn thiện Chúng có những đặc điểm như:

* Kích thước nhỏ gọn, phạm vi đo rộng

* Mũi dò có khả năng lệch theo mọi hướng đo

* Đảm bảo điểm không duy nhất trong mọi lần đo, mọi điểm đo

* Tạo tín hiệu điện khi có chuyển vị từ bất kỳ phương nào

* Lắp được nhiều loại mũi dò khác nhau, khi cần thiết có thể nối dài thêm đầu dò, sử dụng khớp nối, khớp xoay để kết hợp đo nhiều thông số bằng nhiều đầu đo cùng một lúc

Hình 2.4: Kết cấu đầu đo

Hiện nay có rất nhiều loại đầu đo với nhiều hãng sản xuất khác nhau nên việc phân loại đầu đo không được thống nhất Sau đây tôi xin nêu một số loại chủ yếu :

* Đầu đo chuyển mạch điện tử

* Đầu đo quang học

* Đầu đo quét

2.2.1 Đầu đo chuyển mạch điện tử, nguyên lý và cấu tạo

Loại đầu đo này thường dùng khi đo từng điểm riêng lẻ, kể cả đo tự động hay vận hành bằng tay Đầu đo chuyển mạch điện tử của hãng Renishaw (Anh) có sơ đồ nguyên lý như hình dưới đây Trong đó mũi dò liên kết chặt chẽ với một cơ cấu khoá có tác dụng tạo ra một lực đàn hồi theo các hướng của hệ tọa độ Vị trí cân bằng được xác định chính xác bởi lực lò xo tác động lên ba vị trí đơn gồm ba đôi thanh trụ và ba quả cầu tiếp xúc Các đôi thanh trụ và từng quả cầu được sắp xếp thành từng bộ và được mắc nối tiếp nhau trong mạch điện Khi mũi dò chạm vào vật đo, tức là đã có một lực Fc tác động vào mũi đo làm điểm tiếp xúc bi - thanh trụ mở ra, mạch điện bị ngắt và kết quả đo tức thời được ghi lại trên tất cả các trục qua việc đọc số trên ba thước kính gắn trên ba trục

Hình 2.5: Nguyên lý đầu đo chuyển mạch điện tử

Hình 2.6: Đồ thị liên hệ lực tác dụng và điện trở tiếp xúc

Tuy nhiên, do hướng đo không phải lúc nào cũng giống nhau, vì thế nên hướng của lục tác động Fc cũng sẽ bị thay đổi Trong hình dưới đây sẽ minh họa mối liên hệ giữa hướng của lực tác dụng lên mũi đo và độ lớn của lực tác động cần thiết để tách tiếp điểm điện trong hệ thống đầu đo

Hình 2.7: H ướng lực tác dụng lên mũi dò

Xét lực tác động để ngắt mạch trong mặt phẳng XY Giả thiết, đầu đo tiến đến mặt vật đo theo hai hướng là từ trái sang phải và ngược lại Khi tiếp xúc với mặt vật đo sẽ phát sinh hai lực đo ngược chiều nhau tương ứng là FL

và FH và cả hai lực này đều chịu phản lực từ một lực nén của lò xo FS

Do khi xuất hiện lực tác dụng F thì cơ cấu mũi đo bị quay đi một góc tựa trên các gối đỡ bi cầu tại một hoặc đồng thời hai vị trí Như vậy, trong hình vẽ trên sẽ chỉ ra Bán kính quay (tính từ tâm que đo tới điểm tiếp xúc giữa thanh

trụ và mặt bi cầu R2 và R1 tương ứng với hai lực FL và FH) Do Khoảng cách

R1lớn hơn R2 Nên lực tác động FHbao giờ cũng lớn hơn

Trong trường hợp lực tác động để ngắt mạch theo hướng thẳng đứng của trục Z Ta thấy FC ngược chiều với lực đẩy của lò xo FS Để tách được sự tiếp xúc giữa thanh trụ và gối đỡ bi cầu, tức là ngắt được mạch điện trong mạch đo thì: FC > FS

Trong quá trình đo, tọa độ điểm đo cần lấy chính là tọa độ của tâm mũi

đo hình cầu tại thời điểm mũi dò bắt đầu chạm chi tiết đo Tọa độ điểm chạm thực được xác định bằng cách cộng thên hoặc trừ vào tọa độ tâm mũi dò một đoạn bằng bán kính mũi dò tính theo phương pháp tuyến với bề mặt đo tại điểm tiếp xúc

Hình 2.8: Lực tác động lên mũi dò làm tách tiếp điểm điện

2.2.2 Đầu dò quang học

Đầu dò quang học sử dụng khi đo các kích thước lỗ, rãnh nhỏ hoặc các

vị trí mà mũi dò không thể lách vào để thực hiện thao tác đo Khi đo bằng loại đầu dò này, ảnh của đối tượng đo và mũi dò được khuếch đại hiện rõ trên màn

hình quan sát Người đo sử dụng các núm vặn vi chỉnh để đưa ảnh của đầu dò vào đúng vị trí cần đo trên trên ảnh phóng đại của đối tượng đo trên màn hình

2.2.3 Đầu dò quét bằng tia Laser nguyên lý hoạt động

Trong chế độ quét động, thường sử dụng hai loại đầu dò Loại đầu dò tiếp xúc và đầu dò sử dụng tia Laser

- Đối với loại đầu dò tiếp xúc, trong quá tình do, mũi dò luôn tiếp xúc với bề mặt chi tiết đo và quá trình quét sẽ cho ta một dãy các điểm đo Để thực hiện nhiệm vụ quét như vậy người ta phải sử dụng một loại đầu dò chuyên dụng khác là đầu dò cứng hay đầu dò quét

Đầu dò quét của máy đo tọa độ nhãn hiệu UMM850 gồm có ba lò xo lá hình bình hành đặt song song chồng lên nhau và trực giao nhau Ba lò xo lá

này có thể dịch chuyển trong giới hạn ± 2,5mm theo ba phương x, y, z Các

lò xo này có thể biến dạng ở tốc độ di chuyển cao theo hướng dịch chuyển để cảm nhận sự bù do quán tính và khoảng cách để bảo vệ đầu dò trong trường hợp va chạm Trong mỗi trục có một hệ thống cảm ứng để ghi lại độ dịch chuyển của của mỗi lò xo lá Khi không cần thiết, các lò xo lá bị khoá bởi cơ cấu khoá đẩy điện giữ lò xo tại vị trí trung tâm của nó, đầu dò có thể dịch chuyển theo ba trục qua các đường dẫn tương ứng Mỗi lò xo có một cơ cấu khoá đẩy riêng nên trong trường hợp chỉ dò theo một phương thì hai lò xo là ứng với hai phương còn lại sẽ được khoá lại nên đầu dò không chuyển động theo hai phương này được

Trong khi đo dù thao tác bằng tay hay tự động thì không bao giờ đưa được vị trí của mũi dò đúng được vị trí đo tức là khi mũi dò tiếp xúc với bề mặt vật đo tại một điểm thì lực đo trong các lần đo, các điểm đo luôn khác nhau Do đó người ta phải thiết kế một hệ thống đo thứ hai có chuyển vị nhỏ hơn

Hệ đo này khiến cho kết quả đo vẫn chính xác mặc dù sau khi máy đo phát lệnh dừng thì mũi dò vẫn đi quá điểm tiếp xúc Giá trị được tính qua biểu thức:

MV = MC + PH

Trong đó : MV - giá trị kích thước thực

MC - giá trị đọc trên thước kính

PH - giá trị đọc trên hệ đo bù

- Loại đầu dò sử dụng tia Laser để quét cơ bản nguyên lý hoạt động như hình 2.9

Tia Laser được phát ra từ đầu phát Laser sau đó chiếu vào hệ gương tạo

ra sự cộng hưởng làm tăng cường độ tia chiếu Từ đây tia Laser được chiếu lên bề mặt cần quét Khi gặp bề mặt chi tiết tia Laser bị phản xạ ngược lại theo một góc nhất định và được một Camera kỹ thuật số thu nhận tín hiệu sau khi tia sáng đi qua hệ thấu kính và bộ lọc

Các thông số cơ bản của một đầu quét Laser là:

- Bề rộng quét được của đầu đo (Width of field of View)

- Chiều sâu quét được của đầu quét (Depth of field of View)

- Độ chính xác khi quét

- Tốc độ quét (Số điểm quét được / Giây)

Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động của đầu quét Laser

2.2.4 Giới thiệu một số loại đầu đo của hãng Renishaw

1- Đầu đo không tiếp xúc ( Non-Contact Trigger Probes )

Hệ thống đầu đo quang học OTP6M sử dụng các kỹ thuật về ánh sáng để chế tạo các đầu đo không tiếp xúc dùng trong CMM OTP6M có đặc điểm :

- Sử dụng nguồn sáng laser

- Sai số về vị trí là 1µm

- Dễ dàng trang bị những bộ phận mới

- Có khả năng tự thay đổi khi đo

2- Đầu đo tiếp xúc: Đầu đo tiếp xúc TP20 được thiết kế sử dụng cho các

máy đo tự động hoặc điều khiển bằng tay Đầu đo và các module mũi đo được gắn với nhau bằng lực hút nam chân Thuận tiện cho việc thay đổi mũi đo bằng tay hoặc tự động khi đo các chi tiết có hình dáng phực tạp Đồng thời bảo vệ an toàn cho đầu đo khi va chạm với vật đo Các module có hình dáng

và kích thước khác nhau sử dụng thuận tiện cho các nhiệm vụ đo khác nhau

3- Đầu đo điều khiển bằng tay (Manual Probe Heads) MIH ( Manual

Indexable Head) có đặc điểm sau:

- Có thể lặp lại tới 720 vị trí

- Bộ nhớ có thể ghi nhớ 20 vị trí của đầu đo

- Tương thích với hầu hết các đầu đo Renishaw khác

- Có khả năng mang thanh nối d.i tới 300mm khi đo các bề mặt sâu

4- Đầu đo sử dụng động cơ

Loại đầu đo điều khiển bằng động cơ thường dùng là đầu đo ký hiệu PH10M Nó là loại đầu đo với nhiều chức năng ứng dụng nhất PH10 có thể mang một thanh nối dài đồng thời lắp được với nhiều loại mũi dò phức tạp và

kết nối được với máy ghi hình Đầu đo có thể quay theo các phương khác nhau

- 0o ÷ 105o theo phương thẳng đứng với góc lắc tại chỗ là 7,5o

- ± 180o theo mặt nằm ngang với góc lắc 7,5o

Đầu đo này có khả năng tự động thay đổi mũi dò, có thể nối dài mũi dò tới 300mm

2.2.5 Các loại mũi dò

1 Mũi dò rubi hình cầu ( Rubi Ball Styli )

Mũi dò loại này có đầu tiếp xúc với chi tiết là một quả cầu được chế tạo

từ rubi và đạt độ cầu rất cao Rubi là vật liệu có độ cứng lớn nên trong quá trình sử dụng độ mòn của mũi dò không đáng kể và ảnh hưởng của nó tới độ chính xác của phép đo giảm tới mức tối đa Hơn nữa rubi có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp nên sai số do giãn nở nhiệt không đáng kể, tỷ trọng nhỏ khiến khối lượng mũi dò nhỏ không ảnh hưởng tới lực đo

Đầu mũi dò làm bằng rubi có khả năng gắn trên nhiều loại vật liệu khác nhau của thân mũi dò như: thép, gốm, cacbit mà vẫn đảm bảo độ cứng vững của đầu dò

2 Mũi dò hình sao (star styli)

Mũi dò hình sao bao gồm rất nhiều mũi dò đơn cùng lắp trên một chi tiết nối trung gian Chúng thường được sử dụng để kiểm tra các bề mặt chi tiết có đặc điểm: những điểm tận cùng bên trong như các mặt các rãnh, khe trong lỗ nhằm giảm tối thiểu khoảng cần dịch chuyển của đầu dò do chúng có nhiều mũi dò đo ở các vị trí khác nhau Tuỳ theo yêu cầu đo mà ta có thể tạo ra các mũi dò hình sao với đặc tính khác nhau

3 Mũi dò nhọn (pointer styli)

Mũi dò loại này được thiết kế để đo những vị trí đặc biệt, đo ren hay đo nhám bề mặt Sử dụng mũi dò nhọn có đầu nhọn hình cầu sẽ làm tăng độ

chính xác của phép đo, hơn nữa nó cho phép xác định chính xác vị trí của các

lỗ rất nhỏ

4 Mũi dò hình cầu bằng gốm (ceramic hollow styli)

Mũi dò này thích hợp cho việc đo các lỗ sâu theo cả ba hướng x, y, z Hơn nữa ảnh hưởng của nhấp nhô bề mặt sẽ giảm tới mức tối đa khi sử dụng đầu cầu có đường kính lớn

5 Mũi dò hình đĩa (disc styli)

Mũi dò hình đĩa có hình dạng là một phần mỏng được cắt từ một quả cầu lớn Chúng được sử dụng để đo các lỗ hoặc rãnh Khi sử dụng mũi dò loại này cần chú ý các đặc điểm sau:

- Mặc dù đo bằng mũi dò đĩa có biên dạng cầu giống như khi đo trên mũi

dò hình cầu cùng đường kính nhưng do chỉ có một phần nhỏ của bề mặt cầu tiếp xúc với chi tiết, đĩa lại mỏng nên yêu cầu về độ chính xác biên dạng rất cao để đảm bảo bề mặt đĩa tiếp xúc với chi tiết đo đúng yêu cầu

- Một mũi dò hình đĩa nếu chỉ có các thông số về đường kính thì chỉ đo được theo hai phương x và y

- Nếu đĩa có thêm một chốt trụ tròn gắn ở mép đĩa sẽ cho phép đo được theo phương z Chốt trụ gắn trên đĩa này được calip theo chuẩn khi lắp đặt Việc khoá hay chỉ cho phép mũi dò chuyển động theo phương nào đó sẽ cho phép mũi dò đĩa đo được theo trục z

- Mũi dò hình đĩa có lỗ ren ở tâm đĩa cho phép lắp thêm những mũi dò khác để đo các vị trí mà đĩa không tới được như đáy lỗ

6 Mũi dò hình trụ (cylinder styli)

Mũi dò loại này được sử dụng để đo những lỗ của các tấm mỏng hoặc đo

bề mặt ren, xác định tâm lỗ của các tấm mỏng Các mũi dò hình trụ tròn đầu cho phép đo theo cả ba hướng tọa độ nên có thể dùng mũi dò loại này để kiểm tra bề mặt

7 Phần nối dài mũi dò (stylus extension)

Phần phụ này có tác dụng dự phòng để kéo dài mũi dò trong những

trường hợp bề mặt cần kiểm tra quá sâu hay vướng mà bản thân mũi dò không với tới được Tuy nhiên, sử dụng thanh nối dài mũi dò sẽ làm giảm độ chính xác của phép đo do độ cứng vững của mũi dò bị giảm

8 Mũi dò 5 hướng (5 - way stylus centre)

Đây là một đầu dò có tính linh hoạt cao với một đầu dò đơn được lắp thêm một chi tiết chuyển tiếp ở trung tâm Chi tiết này có lỗ lắp ren ở 5 hướng khác nhau: 4 phương nằm ngang và một phương thẳng đứng Sử dụng 5 mũi

dò có cùng đường kính ren ở đầu nối (M2, M3, M4 hoặc M5) Phụ tùng này cho phép người sử dụng lắp các mũi dò tùy từng yêu cầu cụ thể

Hình 2.10: Nguyên lý đo độ dịch chuyển trong đầu đo

Công nghệ đo lường quang học cho phép đầu đọc số có khả năng đọc được độ phân giải trên lưới tới 0.02µm

Độ chính xác của đầu đọc được xác định bởi độ thẳng của các đường trên lưới cách tử và được hiệu chỉnh bằng độ vuông góc của các tấm lưới cách

tử với nhau chứ không phụ thuộc vào thiết kế cơ khí của đầu đo

* Cảm biến chủ động: Là loại mà có các động cơ gắn bên trong để tạo ra

lực tiếp xúc, các động cơ này vừa đóng vai trò tạo lực tiếp xúc, vừa điều chỉnh lực đó Độ lệch của mũi dò khác nhau nhưng lực đo thay đổi rất ít (Có thể điều chỉnh được giải lực)

Đối với đầu đo loại này, khi sử dụng để quét thì độ dịch chuyển của đầu mũi đo sẽ lớn hơn, vì nó cần để giữ cho lực tiếp xúc đều trong quá trình quét

Hướng đo phụ thuộc vào sự điều chỉnh lực tiếp xúc để đảm bảo giảm tối đa

độ cong mũi đo do lực tì của đầu đo lên mặt vật đo

Do vậy, loại cảm biến chủ động này có kết cấu phức tạp hơn

2.2.7 Đảm bảo an toàn trong thiết kế kết cấu đầu đo

- Trên đầu đo, người ta đã thiết kế một khớp nối với một lực hút nhỏ đủ

để cho đầu mũi đo không bị rơi Khi chuyển động quá theo hướng trục X và Y thì khớp nối này sẽ bị tách rời, kết cấu của đầu đo sẽ an toàn

- Trong trong trường hợp nếu mũi đo lao thẳng vào bề mặt vật đo theo

hướng trục Z thì ngay trên nép nối của đầu đo đã có một hệ thống giảm sóc, chúng bị nén lại một cách cân bằng, như vậy sẽ bảo vệ kết cấu đầu đo không

bị phá hỏng cũng như làm sai lệch đầu đọc số bên trong thân đầu đo

Hình 2.12: Lực tiếp xúc và độ lệch của mũi đo

- Mặc dù các loại cảm biến chủ động có thể tạo ra một lực tiếp xúc vừa

đủ, nhưng khi hướng tiếp xúc thay đổi thì cũng sẽ làm cho mũi đo chịu các lực tác dụng khác nhau

- Độ cứng của mũi đo rất khác nhau tuỳ thuộc vào các hướng: Trên trục

Z thì lực tác dụng là lực nén; trên trục X và Y thì lục tác dụng lại là lực uốn

- Vì thế, nếu máy quét theo 3 chiều kích thước thì điều này trở nên rất quan trọng

2.2.8 Nghiên cứu Lực tác động trong khi đo

Một trong những mực tiêu mà chúng tôi đã đề cập đến trong phần giới thiệu là làm sao để giảm tối đa khoảng thời gian cần thiết cho mỗi lần tiến hành đo Điều này có nghĩa là, cũng giống như những trường hợp khác, tốc độ

dò, hay chính là tốc độ của hệ thống dò phải đạt mức cao nhất khi nó tiếp xúc với vật chưa thành phẩm lần đầu tiên Tuy nhiên tốc độ dò thường bị hạn chế bởi động lực dò, động lực này sẽ tăng nhanh theo tốc độ dò Trong phần này chúng tôi sẽ giải thích những loại lực nào sinh ra và chúng phụ thuộc vào tốc

độ dò như thế nào sẽ sinh ra và chúng phụ thuộc vào tốc độ dò như thế nào

Để tính được tốc độ dò tối đa, cần phải xác định được lực nào sẽ sinh ra trước khi vật đo hay đầu đo bị ảnh hưởng Tuy nhiên, trước hết chúng ta sẽ tìm hiểu quá trình dò

a) Quá trình dò

Với 1 hệ thống dò thông thường, quá trình dò được mô phỏng như hình

2.12 ở thời điểm t < to, máy đo CMM chuyển động với vận tốc ổn định Vo, vì đầu dò không tiếp xúc với vật đo Tại vị trí x của đầu dò liên quan đến máy

đo CMM (được xác định là Xt), tương ứng vị trí nghỉ nó được xác định là Xt =

0 Giữa đầu dò và vật đo không có lực nào sinh ra (Ft = 0) Giá mang đầu đo

trên CMM di chuyển đầu dò với vận tốc ổn định, do đó XCMM tăng tuyến tính Tất cả quá trình này đều được biểu diễn ở phần bên trái biểu đồ hình 2.1, với

0 < t < to ở thời điểm t = to, que dò tiếp xúc với bề mặt của vật đo Đầu đo với khối lượng nhất định phải giảm dần tốc độ nhưng mặc dù vậy nó vẫn tạo ra một lực va chạm Fimp Đầu đo có thể nảy lên một hoặc vài lần Vì trong quá trình va chạm năng lượng chắc chắn sẽ bị tiêu hao nên các lực sinh ra do những va chạm tiếp theo sẽ nhỏ hơn so với lực sinh ra ngay sau lần va chạm đầu Ngay sau thời điểm to, hệ thống đầu đo sẽ phát hiện được độ lệch của que

dò và gửi tín hiệu về cho bộ điều khiển CMM và phát đi tín hiệu bắt đầu điều chỉnh giảm tốc độ dịch chuyển đầu đo ở thời điểm t = t1, XCMM đạt giá trị lớn nhất Khoảng cách mà giá mang đầu đo trên máy CMM di chuyển được kể từ thời điểm đầu dò tiếp xúc với bề mặt vật đo được gọi là khoảng quá đà (Xovt) Mũi dò cũng tịnh tiến được một khoảng cách tương đương tới vị trí tạm ngừng Vì Hệ thống giảm chấn đầu do phải dừng lại ở 1 vị trí ổn định nên cần phải có một lực để giữ đầu dò ở vị trí dùng đó Độ lớn tối đa của lực này được gọi là lực quá đà (Fovt) Cuối cùng tín hiệu đo thu được là tín hiệu phản hồi tại thời điểm mà lực đo phù hợp Giá mang đầu đo trên máy đo đợi cho tới khi đầu đo tìm được vị trí mà đầu đo xác định được lực đo và dừng lại để thực hiện phép đo ở thời điểm t = t2

Lúc đó nó sẽ tự động cộng thêm khoảng cách trên thước kính gắn trên giá mang đầu đo một khoảng bằng bán kính mũi đo Đây là thời điểm thực hiện bù đường kính của mũi đo Nếu mũi dò tiếp xúc với vật đo cả mũi đo và vật đo đều bị lõm vào một đoạn d(t) như trong hình 2.2 và ta hoàn toàn có thể tính toán được chiều dài đoạn d(t) theo công thức (2.3) Vị trí cua vật đo Xwp

có thể được xác định theo công thức:

Xwp = XCMM(t2) + Xt (t2) ± Xt(t2) ± (rt - bst - d(t2)) (2.5)

Trong công thức này:

- rt là bán kính mũi dò

- bst là độ uốn

Hình 2.14: Độ nún d(t) do lực va Ft(t)

c ủa đầu bi cầu với một mặt phẳng

Hình 2.13: Diễn tả sự dịch chuyển của giá mang đầu đo (XCMM);

sự dịch chuyển của mũi đo (X t ) và lực tác động giữa mũi dò với vật đo

Tín hiệu điều chỉnh bán kính đầu dò (rt - bst - d(t2)) ngược với dấu với tín hiệu của tốc độ dò(1) Phương pháp này được miêu tả theo hình 2.1, giá trị rt

và bst dương thường được xác định

nhờ xác định đường kính của hệ

thống dò Liệu phần mềm vi tính có

thể điều chỉnh được độ lõm dt2 hay

không, điều đó còn phụ thuộc vào

( 1 ) Đôi khi, điều này có thể được giải thích là: Khi đo một lỗ trụ, bán kính của đầu đo

s ử dụng sẽ phải được cộng vào chiều dài đường di chuyển của giá mang đầu đo hai lần Trong trường hợp đo bên ngoài (Chẳng hạn khi đo đường kính trụ ngoài) sẽ phải lấy

kho ảng cách di chuyển được của CMM trừ đi hai lần bán kính đầu đo.

Những lực tác dụng trong suốt quá trình dò thường rất nhỏ, nhưng cũng không nhỏ đến độ bỏ qua được những ảnh hưởng tới vật đo, đặc biệt với những vật làm bằng vật liệu mềm như: nhôm, đồng đỏ, đồng thau

Trong phần tới chúng ta có thể tính được lực tối đa mà vật đo có thể chịu

mà không bị biến dạng Sau đó lực va chạm và lực quá đà được tính và so sánh với lực cho phép Giả sử đầu dò không bị nảy lên trước khi giá mang đầu

đo của CMM di chuyển đến điểm quá đà, thì độ va chạm và lực quá đà sẽ sinh

ra ở các thời điểm khác nhau Giả định này có đúnh hay không còn phụ thuộc vào thời gian tính từ thời điểm bắt đầu mũi dò chạm vào bề mặt vật đo và đến khi kết thúc giai đoạn quá đà (t1 - to), tần số riêng của đầu đo và sự giảm chấn cua nó, và tốc độ di chuyển của toàn bộ trọng lượng hệ thống đầu đo treo lơ lửng phát sinh ra một động năng bị tổn thất Chúng ta sẽ biết được rằng tần số riêng đặc trưng vào khoảng 500Hz Ví dụ như, Giả sử độ lệch của mũi dò được tính trong trường hợp năng lượng tiêu hao sau mỗi lần và chạm là 5%, tốc độ đo là 1mm/s, gia tốc của máy đo là 100mm/s2, que dò sẽ chệch hướng ngay sau lần va chạm đầu tiên của que dò với vật đo và tần số lúc này là

500Hz Kết quả này được diễn tả bằng đồ thị trên hình 2.14 Vì tốc độ va

chạm giảm dần tới 5% trong gần nửa khoảng thời gian giá mang đầu đo cần thiết để trở lại vị trí đứng yên, đảm bảo an toàn để kiểm soát sự phân biệt giữa lực va chạm và lực quá đà

Hình 2.15: Lý thuyết phân tích sự nẩy

đầu đo Sau 4,8µs tốc độ va chạm giảm 5%

so với giá trị ban đầu Các tham số lấy

mẫu: tần số riêng 500Hz, tốc độ đo 1mm/s,

sự chuyển động của CMM giảm 100mm -2 ,

năng lượng suy giảm sau mỗi lần va chạm

là 5%

b) Lực đo cho phép

Trong phần này chúng ta phải tínhlực đo cho phép Fy Lực Fy này được xác định bởi lực đo làm cho ứng suất trượt tại một điểm thuộc bề mặt vật đo