Nghiên cứu thiết kế máy đo tọa độ ba chiều CMM

Và các giải pháp khắc phục sai số : Tăng độ chính xác các chi tiết gia công và các cụm lắp ráp chi tiết, sử dụng phần mềm bù trừ sai số của máy CMM [1], [19], và các yêu cầu môi trường l

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ

………

………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ………

………

………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ………

………

………

………

………

………

……… Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… tháng …….năm 2008

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tp.HCM, ngày 21 tháng 01 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : VÕ VĂN CƯƠNG Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 29/04/1981 Nơi sinh : Ninh Thuận

Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy MSHV : 00406054

I- TÊN ĐỀ TÀI : Nghiên cứu thiết kế máy đo tọa độ ba chiều CMM

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Trình bày tổng quan máy đo tọa độ ba chiều CMM

- Nghiên cứu, và đưa giải pháp giảm các sai số cho máy CMM

- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cơ cho máy CMM

- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống dẫn động cho máy CMM

- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống ổ đệm khí cho máy CMM

- Nghiên cứu, thiết lập thông số dao động cho hệ thống dẫn động của máy CMM

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngày 21 tháng 01 năm 2008

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ngày 30 tháng 06 năm 2008

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ

Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, anh chị em trong gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, hỗ trợ, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn đúng tiến độ và đạt yêu cầu mục tiêu đã đề ra

Tp.HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2008

Học viên

Võ Văn Cương

Tóm tắt luận văn

Máy đo tọa độ (CMM) là một máy đo có độ chính xác rất cao và khả năng linh hoạt cao Hiện nay, máy đo tọa độ CMM đã trở thành một bộ phận không thể thiếu trong hệ thống kiểm soát chất lượng trong nghành công nghiệp

Công việc nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn sản xuất Tham khảo các tài liệu nước ngoài và trong nước để tìm hiểu máy đo tọa độ độ ba chiều Cụ thể luận văn có các chương như sau:

Chương 1: tìm hiểu về vai trò, tình hình sản xuất và nghiên cứu máy CMM trong nước và ngoài nước

Chương 2: nghiên cứu các sai số và nguồn gốc gây ra các sai số cho máy CMM Để từ đó đưa ra giải pháp giảm các sai số gây ra cho máy CMM Đồng thời đưa ra phương án chọn dạng máy CMM để thiết kế

Chương 3 thực hiện thiết kế hệ thống cơ cho máy CMM dạng cầu, đồng thời thiết kế hệ thống ổ đệm khí và hệ thống dẫn động cho máy CMM dạng cầu di chuyển

Chương 4: thiết lập mối quan hệ giữa vị trí của cầu và vận tốc góc của động

cơ DC servo theo các thông số vật lý của hệ thống cơ

Kết quả là luận văn nghiên cứu thiết kế hệ thống cơ của máy CMM và thiết

kế hệ thống cơ cho máy đo tọa độ ba chiều CMM dạng cầu di chuyển

SUMMARY

Coordinate machine measuring (CMM) is a high precision measuring equipment and perform measure flexible Today, CMM is become an important part

in products quality control system in the industrial

The research derives from needs of practical production Reference from foreign and Viet Nam documents to research three dimentions coordinate measuring machine Following contents has been carried in the dissertation

Chapter 1: searching the role of CMM, history of development and researchs related to CMM in Viet Nam and the world

Chapter 2: researching errors of CMM and sources of errors of CMM Hence, suggesting principles and techniques of design to reduce or avoid this errors Chapter 3: designing the mechanical system, air bearing system and drive mechanism for Moving bridge CMM

Chapter 4: setting relation between input variable ( argular velocity of DC servo motors) and output variable (bridge position) depend on physical parameters

of the drive mechanism

The result of research in the dissertation is: designing the mechanical system

of Moving bridge CMM, air bearing and drive mechanism

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ĐO TỌA ĐỘ 3 CHIỀU CMM

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 19

2.1 Khái niệm và phân lọai máy đo tọa độ 19

2.2 Những yếu tố cần xem xét trước khi thiết kế máy CMM 29

2.3 So sánh và lựa chọn dạng máy thiết kế 31

2.4 Các loại sai số và nguyên nhân gây ra các sai số trong máy CMM 33 2.5 Các phương pháp giảm sai số 37

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ CHO MÁY CMM 39

3.1 Thiết kế sơ bộ cấu trúc máy CMM 39

3.2 Thiết kế hệ thống bộ đệm khí cho trục X,Y và Z 51

3.3 Thiết kế hệ thống truyền động trục X,Y và Z 51

CHƯƠNG 4 TÍNH ĐỘ RUNG ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG 65

4.1 Giới thiệu 65

4.2 Mô hình hệ thống dẫn động bằng phương pháp biểu đồ xương 67

4.3 Mô hình hệ truyền động trục Y bằng phương pháp biểu đồ xương 71 4.3.1 Mô hình vật lý của hệ thống dẫn động trục OY 71

KẾT LUẬN 82

1 Những vấn đề đạt được 82

2 Hướng phát triển trong tương lai 82

PHỤ LỤC 1 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LUẬN VĂN

Ngày nay, đo lường đóng một vai trò quan trọng trong nền công nghiệp cơ khí và điện tử nhằm tăng năng xuất theo Bosch [1], thúc đẩy tự động hóa quá trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm

Với sự cạnh tranh ngày càng khốc liệt của thị trường sản xuất (đặc biệt là lĩnh vực sản xuất sản phẩm cơ khí) Cùng với sự phát triển của công nghệ gia công cơ khí và sự ra đời của hệ thống sản xuất CAD/CAM đã yêu cầu những thiết bị đo phải

có độ chính xác cao, nhanh và có khả năng đo tọa độ hình dáng bề mặt của mẫu Từ những nhu cầu thực tế đó, máy Đo Tọa Độ 3 Chiều (Coordinate Measuring Machines-CMM) đã ra đời với những tính năng vượt trội so với những thiết bị đo thông thường (độ chính xác cao có thể lên đến µm hay nhỏ hơn và mức độ linh hoạt cao và có thể đo tọa độ của các mẫu 3D…)

Công nghệ Nano và Vi gia công (micro machining)…, quá trình gia công cơ khí đã được nâng lên tầm cao mới như độ chính xác, năng suất và các chi tiết rất nhỏ và cần độ chính xác cao do đó cũng cần các thiết bị kiểm tra tương ứng Vì vậy các loại máy Đo Tọa Độ 3 Chiều Nano cũng ra đời và đây cũng là một trong những thách thức và hướng phát triển của những loại thiết bị này Điều này được minh chứng qua nhiều đề tài nghiên cứu của Heinrich Schwenke, Frank Härtig, Klaus

Wendt, future challenges in coordinate metrology, Germany [20], Uwe Brand, Thomas Kleine-Besten, Development of a special CMM for dimensional metrology

on microsystem components, Germany [21]

CMM hiện nay đã trở thành một bộ phận không thể thiếu của hệ thống kiểm soát chất lượng công nghiệp Hầu như không có hình dáng nào mà không thể đo bằng máy CMM Sự cải tiến về mức độ linh hoạt, kỹ thuật đo, phần cứng và độ chính xác nhằm tiết kiệm thời gian, chi phí, sức người trong việc kiểm tra bằng CMM và những ứng dụng trong lĩnh vực khác theo Bosch [1] Điều này cũng được

minh chứng qua nhiều báo cáo và những đề tài nghiên cứu liên quan đến Máy Đo Tọa Độ Ba Chiều Và ngày càng có nhiều nhà máy sản xuất CMM trên thế giới bảng 1.1:

Bảng 1.1 Một số nhà sản xuất máy CMM trên thế giới

1 Brown & Sharpe,USA

18 Renault Automation, France

19 Sheffield Measurement USA

Với những yêu cầu về độ chính xác khắc khe thì có những yêu cầu đặt biệt đối với cấu trúc máy CMM Việc khống chế các sai số trong máy CMM là một trong những vấn đề khó khăn và luôn là quan tâm của những nhà nghiên cứu về thiết bị đo Những đề tài nghiên cứu về sai số: ảnh hưởng độ chính xác của các chi tiết gia công và lắp ráp, ảnh hưởng trọng lượng các chi tiết và ảnh hưởng môi trường làm việc như : nhiệt độ, độ rung, độ ô nhiễm của môi trường đến độ chính xác của máy CMM [1] Và các giải pháp khắc phục sai số : Tăng độ chính xác các chi tiết gia công và các cụm lắp ráp chi tiết, sử dụng phần mềm bù trừ sai số của máy CMM [1], [19], và các yêu cầu môi trường làm việc của máy CMM để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo…

Máy đo tọa độ CMM có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực theo [1],[9],[10], [16] như :

Trong chế tạo các chi tiết cơ khí, điện tử, quang học và thiết kế mẫu, các dây chuyền tự động hóa:

Trong nghành sản xuất ô tô, hàng không và vũ trụ:

Tuy nhiên theo Bosch [1] thì máy CMM thực sự thích hợp với những điều kiện sau:

Số lượng sản phẩm nhỏ: Khi số lượng chi tiết sản xuất hàng loạt với những hình dạng đơn giản thì không nên sử dụng CMM mà nên sử dụng thiết bị đo chuyên dùng Chỉ với số lượng sản phẩm nhỏ thì sử dụng CMM mới có hiệu quả

Có nhiều đặc điểm hình học trên chi tiết: Khi yêu cầu chi tiết về kích thước và sai số hình dáng thì thiết bị CMM là giải pháp khả thi và hiệu quả kinh tế

Mức độ linh hoạt : Chúng ta có thể chọn hệ thống CMM để thực hiện

đo với chu kỳ đo ngắn và có thể đo nhiều yếu tố hình học cùng một lúc

Chi tiết có giá thành cao: Với chi tiết có yêu cầu khắc khe và giá thành chi tiết cao thì cần sử dụng CMM để tránh việc đo sai

Chu kỳ sản xuất không liên tục: Tức là quá trình đo cần thời gian để hoàn thành đo một chi tiết trước khi chi tiết tiếp theo đến

Vì những thuận lợi của máy CMM theo Bosch [1] thì CMM có quá trình hình thành và phát triển như sau:

Máy đo Microptic được tạo ra bởi Hilger và Watts của U.K Incorporated với những tiêu chuẩn riêng của mình trong việc hình thành tỉ lệ xích của thấu kính Công ty Carl Zeiss của Đức lần đầu tiên giới thiệu vào cuối thập niên 1920 Và nó trở nên phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới

Societe Genevoise của Thụy sĩ đã khởi tạo ra máy Jig-Boring Loại máy SIP là loại phổ biến Và những nền tảng thiết kế của chúng được ứng dụng trong máy Jig-Boring và CMM

Moore Special Tool của USA đã giới thiệu máy UMM (Universal measuring machine-máy đo vạn năng) đã dựa trên nền tảng của máy Jig-machines giống như máy SIP

Máy đo đầu tiên được gọi là máy đo tọa độ CMM được Ferranti Ltd của Scotland vào năm 1956 Năm 1961 đã thương mai hóa hãng Ferranti thành Codax

Yếu tố chính mà khiến CMM phát triển là độ chính xác cao, phạm vi đo lớn và

hệ thống đo số với khả năng tích hợp điện Hệ thống cảm biến hiển thị vân sáng là

lý tưởng vì có độ chính xác cao, giá thành không cao và dễ dàng đưa về điểm không

Tháng 12 năm 1965 Digital Electronic Automation của Italy đã tạo ra máy mà điều khiển chuyển động 3D bằng tay Đến năm 1973 thì máy CMM tự động hoàn toàn đã sản xuất

Vào năm 1968, Mittutoyo của Nhật đã thiết kế công cụ đo X-Y Sau đó, Mittutoyo đã phát triển thiết bị đo CMM với trục Z Vào năm 1980, Mittutoyo đã giới thiệu máy CMM điều khiển nhờ máy tính đầu tiên

Năm 1973, Carl Zeiss của Đức đã giới thiệu máy đo toạ độ vạn năng với đầu đo Đầu đo này có thể quét liên tục (Scanning) với đời máy CMM đầu tiên là UMM500 Vào năm 1978, Carl Zeiss giới thiệu máy CMM với đầu dò tiếp xúc xung (touch trigger) WMM 850, sử dụng cảm biến quang điện (piezo-electric) Đầu

dò có khả năng đạt độ chính xác cao nhưng chi phí thấp

Năm 1982, Carl Zeiss giới thiệu máy CMM lần đầu tiên, ZMC 550, với thiết kế đặt biệt để đáp ứng những sản phẩm truyền động và bánh răng

Năm 1985, Carl Zeiss và Sheffield đã tạo ra sản phẩm máy CMM có sử dụng phần mềm để hiệu chỉnh Quá trình Zeiss được gọi là độ chính xác nhờ máy tình ( Computer Aided Accurate – CAA.) trong khi Sheffield gọi nó là độ chính xác micro (Micro-proccessor Enhanced Accuracy (MEA) Kỹ thuật sữa lỗi sai số bằng phần mềm đã tạo một bước đột phá cho CMM

Năm 1989, Carl Zeiss của tập đoàn Coated Aging Resistant Technology –CARAT lần đầu tiên đã cải tiến độ cứng vững của thanh dẫn hướng trong những điều kiện nhiệt độ khác nhau

Sau đó những nhà sản xuất lớn, những công ty kỹ thuật và những nhà doanh nghiệp từ những quốc gia công nghiệp đã tham gia vào thị trường CMM Một số

nhà sản xuất máy CMM lớn như : Carl Zeiss, Leitz, Brown & Sharpe, SIP, … Sau

đó vì những yêu cầu từ những ngành công nghiệp mũi nhọn và nhu cầu thị trường thì ngày càng có nhiều hãng sản xuất và những trường đại học nghiên cứu và chế tạo thiết bị này

Từ những nhu cầu phát triển của các ngành công nghiệp tiên tiến, những công nghệ cao như vi gia công, công nghệ Nano ngày càng được phát triển và sự cạnh tranh ngày càng cao Có nhiều nghiên cứu tiến sĩ về lĩnh vực thiết kế và gia công chính xác nói chung và máy đo tọa độ máy CMM nói riêng Có những chuyên gia hàng đầu về nghiên cứu máy chính xác, những nguyên lý thiết kế và gia công chính xác như Alexander H Slocum [16] Những đề tài nghiên cứu tiến sĩ của Layton Carter Hale [18] về nguyên lý và thiết kế máy chính xác [18]

Từ những nhu cầu đó có nhiều trường đại học nghiên cứu về máy chính xác như : Đại học California của Mỹ, viện kỹ thuật Kanagawa Institute of Technology của Nhật, Massachusetts Institute of Technology của Mỹ

Từ những yêu cầu đặt ra cho sự phát triển của nền công nghiệp gia công đã

có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới về máy CMM Nhóm nghiên cứu : Gerhard Trieb, Konigsbronn, Karl Shepperle, Oberkochen, Karl-Eugen Aubele, Gussenstadt với đề tài nghiên cứu: “Control for coordinate measuring intruments”,

đã nghiên cứu về quá trình động học của đầu đo trong quá trình lấy dữ liệu đo Nhóm nghiên cứu: R Hocken, J.A Simpson, B Borchardt, J Lazar, C Reeve, and P.Stein đã nghiên cứu và đưa ra hai nguyên tắc thiết kế và chế tạo máy đo chính xác

và máy dụng cụ: đó là bù sai số trong quá trình đo và thuật toán phân tích bằng thống kê [2]; Nhóm nghiên cứu : Karl-Hermanm Breyer, Heidenheim, Bernt Kamm Leiter, Oberkochen, Otto Ruck, Pfahlheim với đề tài:”Method of measuring elemental shapes of a workpiece on a coordinate measuring machine”, nghiên cứu

về cách thức mà máy CMM lấy dữ liệu tọa độ khi đo các chi tiết [3]; Wilhelmus Godefridus Weekers đã nghiên cứu về “Compensation for Dynamic Errors of Coodinatine Measuring Machines” [4], những sai số động học của máy CMM và

phương án bù sai số động học của máy CMM; Ulf Petterson vào năm 2004 đã nghiên cứu đề tài “ Identification and Adaptor Control of a Coordinate Measuring Machine”, trong bài nghiên cứu này đã mô hình hóa hệ thống cơ của máy CMM và xác định các thông số vật lý của hệ thống mô hình hóa và sử dụng Matlab để tính toán John A Bosch đã viết cuốn sách về CMM “ Coordinate Measuring Machines and Systems”, nội dung sách viết về tổng quan và tình hình phát triển, phân tích những sai số và những vấn đề trong máy CMM… [1]; David P Leech, Albert N Link với nghiên cứu “The Economic Impacts of NIST’S Software Error

Compensation Research”,1996 tìm hiểu về tính kinh tế của phần mềm sử dụng hỗ

trợ cho máy CMM nói chung và phần mềm NIST’S nói riêng về tính linh hoạt và khả năng bù trừ sai số bằng phần mềm của CMM[7]…

Do những tính năng thuận lợi của máy Đo Tọa Độ và nhu cầu phát triển của máy này mà nhiều nhà sản xuất và kinh doanh đã mạnh dạng đầu tư để phát triển lĩnh vực này Bảng 1.1 liệt kê một số nhà sản xuất máy CMM trên thế giới hiện nay Một số máy CMM của một số hãng nổi tiếng và những đặc điểm kỹ thuật [9], [10]:

Bảng 1.2 Một số dạng máy của các hảng sản xuất máy CMM trên thế giới

1.4+L/300 2.2+L/300 Wenzel,

Germany

Sheffield, USA CordaxEndeavor.121510

Cordax Micro Hite 3D

1219x1524x1016 600x750x430

3.3+L/250 3.0+3L/1000 Crown Windley,

2.3+4L/1000 1.2+3L/1000 L: chiều dài kích thước đo (mm)

Thiết kế máy chính xác hiện nay ở Việt Nam vẫn là một ngành non trẻ Nhờ quá trình hội nhập với thế giới việc sử dụng những máy gia công CNC có thể tạo ra các chi tiết chính xác cao Hiện nay, ở Việt Nam đã có một số nơi như BKMECH

có thể thiết kế một vài chi tiết có độ chính xác thấp trong máy CNC ( thân máy, bàn máy ) Nhưng về thiết kế máy CMM thì ở Việt Nam gần như là chưa có một cơ sở nào thiết kế và có đủ khả năng công nghệ, thiết bị để gia công các chi tiết của máy CMM

Hiện nay đã có một số cơ sở sản xuất đã đầu tư và sử dụng thiết bị này như: Công ty Nhựa DUYTAN đã đầu tư máy CMM của hãng Mitutoyo, Viện công nghệ Neptech đầu tư máy CMM của hảng Carl Zeiss, Công ty ASUZAK sử dụng máy của hãng Accretech…

Hiện nay, một số trường đại học lớn ở nước ta đã bắt đầu nghiên cứu về lĩnh vực máy đo tọa độ này như: khoa cơ khí của trường đại học Bách Khoa Thành phố

Hồ Chí Minh và Hà Nội đang nghiên cứu thiết kế máy CMM

Hãng Mitutoyo của Nhật liên kết với bộ môn đo lường của khoa cơ khí của trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh để phổ biến kiến thức về máy CMM vào trường này Hãng Carl Zeiss của Đức đã mời một số giáo viên của các trường đại học lớn ở Việt Nam tham quan công ty ở Đức năm 2007

Để đưa Việt Nam trở thành một nước công nghiệp Một trong những yêu cầu

là phát triển công nghiệp cao Nên chính phủ đã đầu tư kinh phí vào các trường đại học và các viện nghiên cứu để đầu tư nghiên cứu những thiết bị công nghệ cao Máy CMM cũng là một trong những công nghệ đó Vì vậy có một số đề tài nghiên cứu

về lĩnh vực này như “Ứng dụng Robot song song vào máy CMM” của nghiên cứu sinh Nguyễn Hữa Tâm do PGS.TS Thái Thị Thu Hà hướng dẫn

Tóm lại việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CMM hiện nay ở Việt Nam gần như là chưa hoàn thiện Do đó vấn đề nghiên cứu và chế tạo máy CMM là một lĩnh vực mới ở Việt Nam Vì vậy tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế máy Đo Tọa Độ Ba Chiều CMM”

Mục đích nghiên cứu:

Thiết kế máy CMM đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra

Mục tiêu nghiên cứu:

Tìm hiểu tổng quan các sai số trong máy CMM và nguồn gốc gây ra các sai

số này Để từ đó đưa ra các nguyên tắc và kỹ thuật thiết kế máy chính xác nói chung

và máy đo tọa độ 3 chiều nói riêng

Kiểm soát được các sai số hệ thống của máy chính xác (máy đo tọa độ 3 chiều) và đưa ra các phương án giảm các sai số này

Sử dụng phần mềm hỗ trợ Ansys để kiểm tra biến dạng của hệ thống do ảnh hưởng của trọng lượng của các chi tiết máy ở trạng thái tĩnh và trạng thái động Đưa ra phương pháp luận để thiết kế máy có độ chính xác cao (như máy đo tọa độ 3 chiều) đảm bảo các yêu cầu đặt ra Và đưa ra phương pháp thiết kế máy đo toạ độ với độ chính xác đảm bảo theo khả năng công nghệ ở Việt Nam

Giới hạn của luận văn nghiên cứu

Đối với máy đo tọa độ 3 chiều những yêu cầu đặt ra ngoài yêu cầu của hệ thống cơ còn yêu cầu về hệ thống điều khiển, phần mềm sử dụng trong máy và môi trường làm việc của máy Đo Toạ Độ 3 Chiều cũng là những yêu cầu chính yếu để đáp ứng yêu cầu đặt ra của máy Đo Tọa Độ 3 Chiều Vì vậy những vấn đề về gây ra sai số không phải hệ thống như : độ rung và nhiệt độ cũng là những nguồn gây ra sai số chính cho máy CMM

Sau khi thiết kế hệ thống cơ của máy việc tiếp theo là phải kiểm soát các sai

số của chúng Thiết lập biểu đồ sai số của hệ thống cơ để làm tín hiệu hồi tiếp để bù sai số bằng phần mềm

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

THIẾT KẾ

Trong chương này tập trung phân tích những ưu và nhược điểm của từng loại máy CMM Từ đó đưa ra phương án chọn loại máy cần phải thiết kế Đồng thời tìm hiểu các sai số và nguồn gốc gây ra các sai số này, để từ đó đưa ra các nguyên tắc

và kỹ thuật thiết kế để giảm các sai số này

Dựa vào một số hãng sản xuất máy CMM trên thế giới để đưa ra các thông số yêu cầu kỹ thuật cho thiết kế máy

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật ban đầu cho máy CMM cần thiết kế:

Kích thước máy

Phạm vi đo

Tốc độ đo

Tốc độ di chuyển của mỗi trục ở chế độ bình thường

Nhiệt độ môi trường làm việc

Độ chính xác ở 200C

1400x1220x2600mm 650x600x500

80 -200 mm/s 20-30 mm/phút

200C ± 20C

3.0+L/300 (µm)

2.1 Khái niệm và phân lọai máy đo tọa độ

2.1.1 Khái niệm máy Đo Tọa Độ Ba Chiều CMM:

Theo Bosch [1] máy Đo Tọa Độ Ba Chiều được định nghĩa như sau:

Máy đo toạ độ (CMM) là hệ thống được thiết kế để di chuyển đầu dò nhằm xác định toạ độ các điểm rời rạc trên bề mặt chi tiết đo so với hệ tọa độ chuẩn của

máy Tuy nhiên chúng có thể ước lượng các thông số của chi tiết (ví dụ đường kính, khoảng cách và góc…) một cách trực tiếp từ những điểm đo bằng cách dựa vào các thuật toán xấp xĩ

Một hệ thống máy CMM thông thường như hình 2.1:

Hình 2.1 Hệ thống Máy Đo Tọa Độ Ba Chiều CMM Một hệ thống máy CMM thông thường gồm các bộ phận chính sau:

Máy tính điều khiển (phần mềm điều khiển)

Bộ điều khiển máy CMM

Máy CMM

Hệ thống đầu dò

Một máy CMM (dạng cầu di chuyển) bao gồm các bộ phận chính như sau :

Hình 2.2 Những bộ phận chính của một máy CMM dạng cầu [9] 2.1.2 Phân loại máy CMM

Theo tiêu chuẩn CMM ANSI/ASME B89.1.12M

như sau:

Loại cầu di động (Moving Bridge CMM)

Loại cầu cố định (Fixed Bridge CMM)

Loại cầu nhô ra (Cantilever CMM)

Loại tay ngang (Horizontal Arm CMM)

Loại cần trục ( Grantry CMM)

Thước đo Kiểm tra vị trí

Khung đở

Đầu đo

Mũi đầu dò

Giảm chấn Trục Z

Có thể tóm tắt những ứng dụng theo những cấu trúc máy CMM như sau: Bảng 2.1 Những lĩnh vực ứng dụng tương ứng với từng dạng máy CMM

Loại cầu nhô

ra (Cantilever CMM)

Loại tay ngang (Horizontal Arm CMM)

Loại cần trục(Grantry CMM)

x (tàu vũ trụ, xe cở lớn)

Theo Alexander H Slocum [16] dựa vào cấu trúc máy CMM có các loại sau:

a Loại cầu nhô ra (Fixture table cantilever arm CMM):

Hình 2.3 Mô hình máy thực tế dạng cầu nhô ra

Loại máy có cầu nhô ra (bàn máy cố định) có những đặc điểm sau:

Khối lượng di chuyển của các chi tiết máy nhẹ

Tốc độ đo cao

Hành trình trục Y bị giới hạn

Hành trình trục Z bị giới hạn

Đặc chi tiết lên máy dễ dàng

Có thể đo các chi tiết có khối lượng lớn vì ít ảnh hưởng đến trọng lượng chi tiết gây ra biến dạng của bàn máy

Cần nhô ra có thể có tần số dao động riêng điều này tạo ra sai số Abbe

có thể lớn

Bàn máy

Đầu đo Bàn máy

b Loại cầu di chuyển (Moving Bridge CMM):

Hình 2.4 Mô hình máy CMM dạng cầu di chuyển Loại máy có cầu di chuyển có những đặc điểm sau:

Phạm vi trục Y lớn

Đưa chi tiết lên máy theo hướng trục Y

Phạm vi đo bị giới hạn bởi chiều rộng của cầu Y

Trọng lượng của chi tiết bị giới hạn vì sự biến dạng của bàn máy do trọng lượng của chi tiết sẽ gây ra sai số đo

Trọng tâm của cầu không nằm tại trọng tâm của cần trục Y Nên trọng tâm luôn luôn thay đổi gây ra sai số do biến dạng của cần Y

Ổ đệm khí của cầu không được tác dụng tải trước khi vận hành điều này làm giảm tốc trong quá trình thực hiện đo

Bàn máy

Đầu đo

c Loại máy CMM cột có bàn máy di chuyển ( Column-type fixture bridge moving table)

Hình 2.5 Mô hình máy dạng cột có bàn máy di chuyển thực tế

Để khắc phục những nhược điểm của loại máy CMM có cầu di chuyển thì loại máy này được thiết kế và chúng có những đặc điểm sau:

Hệ thống rất chính xác, nhưng bị giới hạn về trọng lượng chi tiết đo

Bàn máy có thể làm lớn để tránh biến dạng do trọng lượng của chi tiết

Thời gian đo thấp bởi vì khối lượng lớn của bàn máy

Chiều rộng của chi tiết bị giới hạn do kích thước giới hạn của cầu nhô

ra

Ảnh hưởng của nhiệt độ và gradient nhiệt độ đến độ chính xác của máy có thể tạo ra các sai số đáng kể cho kết quả đo

Chiều cao chi tiết bị giới hạn do giới hạn kích thước chiều cao cầu

Có chi phí chế tạo rất cao

Đầu đo Bàn máy

d Loại tay ngang có khối cột di chuyển (Moving ram horizontal arm CMM):

Hình 2.6 Mô hình máy CMM dạng tay ngang có khối cột di chuyển

Loại máy CMM tay ngang có những đặc điểm sau:

Độ chính xác trung bình đối với những chi tiết lớn

Có thể đo những chi tiết có những hố sâu

Giới hạn kích thước theo phương oz

Ảnh hưởng trọng lượng chi tiết đến độ chính xác của máy

Cần nhô ra có tần số riêng lớn gây ra sai số Abbe lớn cho máy CMM

e Loại tay ngang có bàn di chuyển ( Moving table horizontal arm CMM):

Hình 2.7 Mô hình máy CMM dạng tay ngang có bàn di chuyển

Đầu đo Bàn máy

Đầu đo Bàn máy

Loại máy tay ngang có bàn di chuyển có những đặc điểm sau;

Có thể đo những chi tiết có kích thước lớn, nhưng trọng lượng của chi tiết ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo

Có thể đo những chi tiết có hố sâu

Giới hạn kích thước chiều cao của chi tiết

Cầu nhô ra có thể tạo ra tần số riêng gây ra sai số Abbe lớn

Những loại máy đã được nêu trong các phần a, b, c và e đều có những đặc điểm hạn chế như kích thước chi tiết cần đo và trọng lượng của chi tiết ảnh hưởng đến kết quả đo do làm biến dạng của bàn máy Để khắc phục nhược điểm này có một loại máy dạng cần trục (Grantry CMM) được thiết kế:

f Loại cần trục (Grantry CMM):

Hình 2.8 Mô hình máy CMM dạng cần trục thực tế

Loại máy CMM dạng cần trục có những đặc điểm sau:

Hành trình đo rất lớn

Vì có kích thước rất lớn nên độ biến dạng của những chi tiết của máy lớn

Trọng lượng của chi tiết không ảnh hưởng đến kết quả đo

Sử dụng lý tưởng khi sử dụng hệ thống giao thoa laser

Tất cả các loại máy trên đều bị ảnh hưởng cấu trúc của các chi tiết trên máy gây ra sai số trong quá trình đo Do đó một loại máy CMM cầu vòng ( Ring birdge CMM) đã được nghiên cứu Đây là loại máy có độ chính xác cao so với các loại

máy khác

g Loại máy cầu vòng ( Ring birdge CMM):

Hình 2.9 Mô hình máy CMM dạng cầu vòng thực tế Loại máy cầu vòng có những đặc điểm sau:

Tỷ số độ cứng và trọng lượng được tối ưu, do đó có độ cứng và độ ổn định cao

Cầu vòng luôn luôn đối xứng qua mặt phẳng thẳng đứng

Tất cả các ổ đệm khí đều có tải trọng trước nên sẽ vận hành rất nhanh

Đầu đo Bàn máy

Cầu vòng

Bàn máy được tách biệt so với hệ thống đo, do đó trọng lượng của chi tiết sẽ ít ảnh hưởng đến kết quả đo

Chiều rộng của chi tiết bị giới hạn

2.2 Những yếu tố cần xem xét trước khi thiết kế máy CMM [16]

Hình học : Việc thiết kế các chi tiết máy sao cho không gian để đo chi tiết là

lớn nhất Những máy phải khả năng đo các chi tiết có khối lượng lớn từ 10-18KN Thể tích làm việc : chiều rộng : 1000-1200mm, chiều dài : 750-2000mm, chiều cao : 620-1000mm

Động học: Cấu trúc máy nên ở dạng đối xứng để tránh hiện tượng biến dạng

do trọng lực và lực quán tính, để độ chính xác của máy không phụ thuộc vào độ biến dạng cấu trúc của máy Bệ máy nên đặt trên ba điểm nhằm giảm khả năng ảnh hưởng biến dạng của nền đến độ chính xác của máy là nhỏ nhất

Động lực học: để di chuyển nhanh và chính xác, tất cả các ổ đệm phải có lực

ma sát nhỏ nhất và phải có tải ban đầu Thông thường yêu cầu sử dụng ổ đệm khí Tương tự như vậy các hệ thống dẫn động yêu cầu tạo ra moment quán tính nhỏ nhất khi chuyển động để moment, độ biến dạng góc và sai số Abbe là nhỏ nhất Cùng với yếu tố động lực học thì yêu cầu độ rung động của các chi tiết trên máy và nền (đế)

để máy có độ rung động nhỏ nhất có thể

Yêu cầu về năng lượng: Không giống như những máy công cụ (CNC) cần

một nguồn năng lượng lớn để thắng lực cắt trong quá trình gia công các chi tiết, nên máy CMM chỉ cần yêu cầu một nguồn năng lượng nhỏ để di chuyển Khối lượng của cấu trúc máy CMM nên nhỏ nhất để tránh gây hại cho người vận hành Các nguồn cung cấp năng lượng (động cơ) cũng yêu cầu công suất nhỏ nhất để giảm nguồn nhiệt tạo ra làm tác hại đến các chi tiết khác Việc sử dụng ổ đệm khí cũng là một yêu cầu tất yếu để tránh ma sát tạo ra do nhiệt và giảm công suất cho động cơ

Vật liệu: Độ ổn định kích thước sử dụng để chọn vật liệu cho các chi tiết

trong máy là một yếu tố quan trọng nhất Tuy nhiên, những sai số hình học nhờ sử dụng interferometer laser (giao thoa kế laser) để xác định và đưa tín hiệu hồi tiếp về

phần mềm Do đó trong trường hợp máy có vấn đề về sai số hay tác động của nhiệt

độ môi trường thì yêu cầu hiệu chỉnh lại Tỉ số giữa độ cứng và trọng lượng là một yếu tố chính để chọn vật liệu cho các chi tiết máy Tỉ số này lớn nhất thì năng lượng yêu cầu dẫn động là nhỏ nhất, do đó nguồn nhiệt tạo ra từ động cơ cũng nhỏ nhất Vật liệu thường sử dụng ở đây là hợp kim nhôm vì đặc tính ổn định nhiệt với điều kiện nhiệt độ môi trường Do nhôm có hệ số tản nhiệt cao, do đó nhôm sẽ có

độ hấp thu và tản nhiệt nhanh hơn so với ceramic và granite Nhưng cấu trúc của chi tiết có thể ảnh hưởng do biến dạng nhiệt có thể tạo ra sai số Abbe và moment uốn Trong ngành không gian vũ trụ đã thành công trong việc tạo ra vật liệu có tỉ

số độ cứng và trọng lượng cao Vì những đặc tính ưu việc của hộp kim nhôm mà vật liệu hộp kim nhôm là một trong những vật liệu được sử dụng chính trong cấu trúc của máy

Cảm biến và bộ điều khiển: cảm biến sử dụng đo trong máy tọa độ là

encoder quan tuyến tính để đo khoảng di chuyển, được gắn trên cấu trúc của máy

Để tăng độ chính xác của máy có thể sử dụng laser interferometers ( giao thoa laser)

Để giảm chi phí vì sử dụng các thiết bị đo chính xác thì có thể sử dụng kỹ thuật biểu đồ sai số và tích hợp vào phần mềm để làm tín hiệu hồi tiếp bù trừ trong phần mềm Đây là một phương pháp mới và có hiệu quả Một lợi điểm của việc sử dụng biểu đồ sai số là cho phép dể bảo trì và sữa chữa khi gặp vấn đề về độ chính xác của máy

Độ an toàn: Độ an toàn luôn là một trong những yếu tố quan trọng cần xem

xét trong quá trình thiết kế Việc thiết kế máy cũng cần phải xem xét đến các yếu tố

an toàn cho người vận hành và an toàn cho máy khi xảy ra sự cố

Khả năng thích nghi với người sử dụng (ergonomics): Chỉ tiêu thiết kế

thân thiện với người sử dụng, tính tiện lợi và không gây ảnh hưởng đến sức khỏe cũng là một trong những yêu cầu quan trọng trong quá trình thiết kế

Sản xuất: Theo như truyền thống, đối với những máy có độ chính xác cao

thì yêu cầu phải xử lý bằng tay Tuy nhiên, để đảm bảo năng xuất và ít phụ thuộc vào tay nghề của người gia công thì cần phải sử dụng thiết bị mài đảm bảo yêu cầu dung sai kích thước Một trong những phương pháp hiệu quả là mài, và sau đó sử dụng kỹ thuật biểu đồ sai số để bù trừ sai số

Lắp ráp: Các chi tiết máy có thể lắp ráp để dàng và càng ít phục thuộc kinh

nghiệm người thợ càng tốt Nên tiêu chuẩn hóa các chi tiết để có khả năng lắp lẫn hoàn toàn để giảm chi phí và có quy trình gia công chuẩn

Vận chuyển máy: Máy CMM thường phải vận chuyển đi nơi khác để lắp

đặt Do đó yếu tố dể dàng vận chuyển cũng phải đảm bảo Và cần phải có yếu tố hiệu chỉnh để trong quá trình lắp ráp cần phải hiệu chỉnh lại nhằm đảm bảo sai số cho máy

Bảo trì: Những ổ đệm khí và sóng dẫn hướng cần phải giữ tránh bụi bẩn và

hơi ẩm Những vị trí bôi trơn cần phải đảm bảo kín tránh ảnh hưởng ra môi trường

Chi phí: Đây là yếu tố cần được xem xét cho từng đối tượng sản xuất Một

thiết kế hiệu quả là thiết kế đảm bảo yêu cầu nhưng với chi phí thấp nhất

Tiến trình thiết kế: cần phải đảm bảo tiến độ trong một thời gian ngắn nhất

có thể

2.3 So sánh và lựa chọn dạng máy thiết kế

Từ những vấn đề cần xem xét và những đặc điểm của từng dạng máy đã được nêu ở trên Trong phần này sẽ thực hiện phân tích và chọn dạng máy để thiết

kế Và từ đó đưa ra các yêu cầu kỹ thuật ban đầu (thông số ban đầu) để thiết kế máy CMM Dựa vào các yêu cầu kỹ thuật của những nhà sản xuất máy CMM trên thế giới làm tài liệu tham khảo, dựa vào quá trình nghiên cứu, khả năng công nghệ ở Việt Nam, và đánh giá nhu cầu của thị trường trong nước để đưa ra các yêu cầu kỹ thuật một cách thích hợp nhất

Hiện nay nhu cầu sử dụng máy CMM ở Việt Nam thông thường phục vụ cho các xưởng gia công cơ khí chính xác : Công ty nhựa Duy Tân sử dụng máy CMM dạng cầu di chuyển (Moving brigde CMM) của Nhật, Công ty ASUZAC ở khu công nghiệp Bình Dương sử dụng máy CMM dạng cầu di chuyển của hãng ACRETECH của Đức, Viện công nghệ NEPTECH sử dụng máy CMM dạng cầu di chuyển của hãng Carl Zeiss của Đức…Nhìn chung do đặc thù nền công công nghiệp ở Việt Nam nên nhu cầu sử dụng máy CMM dạng cầu di chuyển là chủ yếu

Theo Alexander H Slocum [16] thì có thể dựa vào các chỉ tiêu kỷ thuật để

lựa chọn phương án thiết kế bằng quá trình phân tích cấp bậc (Analytic Hierarchy Process-AHP) cho từng loại máy như sau:

Bảng 2.2 Trọng số của các đặc tính kỹ thuật để đánh giá chọn loại máy CMM

Mức độ

chính

xác

Chi phí sản xuất

Khả năng gia công

Khả năng lắp ráp

Mức

độ phát triển

Mức tiện dụng

Ưu tiên ưu tiên

trung bình Mức độ

Sau khi tính toán các hệ số trên thì kết quả bằng phân tích cấp bậc AHP có kết quả sau :

Bảng 2.3 Kết quả tính toán mô hình dựa vào trọng số đặc tính kỹ thuật

1 1.05 1.07 Dựa vào trọng số trong bảng tính toán trong bảng 2.3 [16] và lĩnh vực ứng dụng của máy CMM trong bảng 2.1, cùng với với nhu cầu sử dụng của thị trường hiện nay ở Việt Nam, những kết quả phân tích những đặc điểm của từng dạng máy [16] trong phần trên nên tôi quyết định chọn máy CMM dạng cầu di chuyển (Moving bridge CMM) để thiết kế

2.4 Những sai số và nguồn góc gây ra các sai số trong máy CMM

Trong phần này sẽ nêu ra các sai số tồn tại trong máy CMM và tìm hiểu các nguồn góc gây ra các sai số này, đồng thời đưa ra những chiến lược giảm các sai số

Để từ đó đưa ra các nguyên tắc và kỹ thuật thiết kế để giảm các sai số gây ra cho máy

Khi nghiên cứu về máy đo CMM thì tùy vào từng kiểu máy mà có các sai số khác nhau Theo như Wilhelmus Godefridus Weekers [4], Profeschrift [12] và Alexander H Slocum [16] thì có thể tóm tắc các sai số đối với các máy CMM như sau:

Hệ thống cơ học: các thành phần chính của cấu trúc máy CMM như bàn máy

để đỡ chi tiết đo, bộ phận dẫn hướng (guideways), các bộ phận chuyển động(carriages) trên hệ thống ổ đệm khí Các bộ phận này sẽ gây ra các sai số cho máy do gia công không chính xác, hiệu chỉnh và các đặc tính của chi tiết (như: độ cứng, sự giãn nở do nhiệt, dao động)

Hệ thống dẫn động: một trục của CMM thường bao gồm bộ phận dẫn động,

truyền động và động cơ servo Các sai số do hệ thống dẫn động gây sai số cho máy

có thể là do tốc độ không chính xác, không phải hằng số, hay các tải trọng cơ gây ra các chuyển động không mong muốn trên các carriage, hay do sự rung động của cấu trúc cơ học trong máy Thông thường sai số vị trí không quan trọng lắm, vì tọa độ của điểm đo được thể hiện trên thang đo chứ không phải vị trí mà ta ra lệnh trước

Hệ thống đo: tọa độ của các điểm đo được là giá trị từ các thước đo thẳng

(linear scale) trên các trục của máy CMM Thông thường các sai số gây ra do thước

đo là do độ không chính xác của bước thang đo, độ lệch và sai số hiệu chỉnh trên thiết bị đọc, sai số nội suy, sai số trong việc số hóa tín hiệu Ngoài ra, khi sử dụng đầu đo thì cũng xuất hiện các sai số do sự trễ pha khi xét đến bộ phận đỡ (stylus support), sự uốn của thanh đỡ(stylus) và sai số của hệ thống đo trên nó Các sai số của tín hiệu điện cũng khá quan trọng mà chủ yếu là do thời gian chờ ( times delay)

Hệ thống máy tính: hệ thống máy tính ở đây gồm phần cứng và phần mềm

Nhiệm vụ quan trọng của phần mềm là thực hiện việc tính toán để chuyển đổi các điểm đo được sang tọa độ chi tiết và để hình thành kích thước và hình dáng của chi tiết cần đo Các sai số sẽ rất nghiêm trọng nếu dùng thuật toán tính toán sai hoặc không phù hợp và ảnh hưởng đến kết quả đo cuối cùng của CMM

Bên cạnh các nguyên nhân gây ra sai số ở trên, độ chính xác của CMM còn

chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như vận hành và điều kiện môi trường

sử dụng của CMM Các yếu tố vận hành như: chiến lược đo, cách tháo dỡ chi tiết,

vệ sinh chi tiết trước khi đo Các yếu tố môi trường cũng rất quan trọng như: nhiệt

độ môi trường và sự rung động Nhiệt độ môi trường sẽ gây biến dạng hình học của

các chi tiết trong cấu trúc máy theo đó sẽ gây ra sai số cho máy Nếu máy đặt trong môi trường rung động lớn thì rung động này sẽ truyền qua các bộ phận của máy, do

đó sẽ gây ra các sai số cho máy Hai đặc tính nhiệt độ và dao động sẽ gây ra sai số không hệ thống cho máy, hai sai số này rất khó xác định một cách chính xác

Với mục đích tăng đặc tính kỹ thuật cho máy để đáp ứng các xu hướng đã nêu

ở trên thì cần phân loại sai số theo các trạng thái tĩnh tương đối và trạng thái động

Ở trạng tĩnh tương đối, các sai số được xét ở trạng thái máy đứng yên hoặc máy làm việc với tốc độ rất chậm và sai số gây ra ở trạng thái này thay đổi rất chậm theo thời gian và được xem như sai số hệ thống mà trên lý thuyết có thể khử nó được một cách hoàn toàn Sai số ở động tức là sai số xét đến khi máy thực hiện một nhiệm vụ

đo lường đã được lập trình với một tốc độ đo nào đó Khi tốc độ càng cao thì độ chính xác đo sẽ giảm Nhìn chung, cả hai loại sai số trên có một đặc điểm chung là đều gây sai số về mặt không gian giữa đầu đo và chi tiết đo và gây sai số về mặt hình học tương ứng với từng điều kiện làm việc của nó

Khi xem xét độ chính xác cơ học của máy nhiều trục cũng như CMM có ba nguyên nhân chính gây sai số ở trạng thái tĩnh tương đối như sau [16]:

o Sai số hình học: Những sai số hình học trên mỗi trục, mỗi trục đều tồn

tại 3 sai số thẳng và 3 sai số xoay trên mỗi trục Hơn nữa, những sai số tương đối giữa các trục với nhau Do vậy sẽ tạo ra 21 nguồn gốc sai số hình học trong máy Tuy nhiên các sai số này có thể tính toán theo một hàm vị trí hiện tại của máy Sử dụng giao thoa laser ( laser interferometer ) và những kỹ thuật đo khác có để tạo lên biểu đồ sai số hình học trong cấu trúc máy Dữ liệu này để làm tín hiệu hồi tiếp cho việc bù trừ phần mềm bằng phương pháp bù sai số Việc bù trừ này không tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường do đó trong quá trình lập biểu đồ sai số thì cần phải đặc máy ở một nhiệt độ nhất định

o Sai số động học của máy: Những sai số động học chính gây ra trong

máy là do độ rung động của máy và độ rung nền Những sai số do việc

đọc thời gian trễ khi đầu dò tiếp xúc với chi tiết và lúc đầu dò nhận tín hiệu Điều này có thể hiệu chỉnh bằng cách đặt một can mẫu có độ chính xác cao lên bàn máy Việc đọc kích thước can mẩu để đưa ra khoảng cách ở một vận tốc nhất định thì sẽ ước lượng được thời gian phát xung Trong thực tế thì sai số cho việc này là 1µm Cần phải đảm bảo máy có cấu trúc đủ cứng vững để sai số này được không được vượt quá một giá trị cho phép Một ảnh hưởng nữa về độ rung động của máy

và của nền rất khó để xác định trước các giá trị Tuy nhiên có thể thiết

kế theo kinh nghiệm của những người thiết kế

o Sai số do nhiệt: có hai loại sai số sinh ra do nhiệt Thứ nhất, là sai số do

nhiệt độ khác nhau giữa thang đo và chi tiết đo Thứ hai, là do độ chênh lệch nhiệt độ sinh ra trong các chi tiết máy gây các biến dạng uốn của guideway và theo đó gây sai số hình học Hầu hết các kim loại để giản

nở với phạm vi 11-22µm/m/C Nhưng nhiệt độ thay đối của môi trường làm việc thông thường là : +/-5C Do đó yếu tố này sẽ ảnh hưởng rất lớn đối vơi sai số của máy Nên máy cần đặt trong môi trường yêu cầu

có có độ chính xác nhiệt độ theo yêu cầu độ chính xác nhiệt của các chi tiết trong máy CMM Chú ý rằng các chi tiết trong máy cần phải sử dụng các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt tương tự nhau Điều này rất khó khăn cho quá trình chọn vật liệu khi thiết kế

o Việc sử dụng phần mềm để bù nhiệt độ thì rất khó khăn bởi vì luôn luôn tồn tại gradient nhiệt ở mọi vị trí Nhiệt độ có thể làm cong chi tiết nên gây ra sai số biến dạng góc Do đó cần phải giới hạn nhiệt độ môi trường sử dụng máy CMM

Các sai số liên quan đến đặc tính động học sẽ thay đổi nhanh theo thời gian, như sự biến dạng của các chi tiết phụ thuộc vào gia tốc theo sự chuyển động và rung động (cả dao động tự do lẫn cưỡng bức) Các sai số này phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc CMM như sự phân bố khối lượng, độ cứng các chi tiết, khả năng giảm chấn

Để đơn giản ta gọi sai số động học để chỉ các sai số này

Như vậy để cải tiến độ chính xác của máy CMM thì cần phải xem xét các yếu tố như kỹ thuật thiết kế hiện đại, cải tiến về vật liệu, cải tiến kỹ thuật gia công, và việc

sử dụng phần mềm bù vào sai số đóng vai trò quan trọng trong việc gia công và thiết kế máy CMM Những yêu cầu này trở nên quan trọng trong việc ứng dụng CMM vào trong các quá trình sản xuất Hơn thế nữa, chúng sẽ đóng vai trò quan trọng hiện nay do nhu cầu về độ chính xác của các chi tiết càng phức tạp và tinh vi,

có khả năng thay thế cho các thiết bị chuyên dùng khác

2.5 Các phương pháp giảm sai số

Sau khi đã phân tích và những nguyên nhân gây ra sai số đối với máy CMM thì trong phần này sẽ tập trung đưa ra các giải pháp để giảm sai số gây ra đối với máy này Theo Bosch [1] thì có 2 chiến lược giảm sai số đối với máy CMM: Tránh các nguyên nhân gây ra sai số và bù các sai số này bằng phần mềm

a Tránh các nguyên nhân gây ra các sai số:

Thực hiện giải pháp này ta có hai giải pháp tương ứng như sau:

Tăng độ chính xác chi tiết trong quá trình gia công: Nếu theo cách này thì

việc gia công yêu cầu phải gia công chi tiết có độ chính xác cao điều này làm tăng chi phí chế tạo Nhưng việc gia công chỉ đạt đến một giới hạn nào đó không thể tăng hơn được Nên giải pháp này chỉ hạn chế một phần nào đó

Cải tiến thiết kế bằng cách đưa ra các kỹ thuật thiết kế giảm sai số: Việc

thiết kế cần phải kiểm soát các sai số tương tác giữa các yếu tố Đồng thời phải có

hệ thống điều chỉnh để tăng khả năng chính xác và bù trừ vào các sai số này Tuy nhiên giải pháp này cũng chỉ trong một giới hạn nhất định Hơn nữa làm tăng chi phí chế tạo cho máy

b Giảm sai số bằng phần mềm

Thực hiện giải pháp này ta có 2 giải pháp tương ứng như sau:

Bằng cách hiệu chỉnh phần mềm với sai số hình học hệ thống: Để thực

hiện việc hiệu chỉnh để tránh các sai số hệ thống của máy CMM thì yêu cầu trước

tiên là phải kiểm soát được sai số tương quan giữa các chi tiết máy Các mô hình tính toán các sai số gây ra đối với máy để từ đó lập các biểu đồ sai số bù trừ vào phần mềm

Bằng cách hiệu chỉnh tính toán trực tuyến cho sự thay đổi hình học và sai số do môi trường làm việc (nhiệt độ và rung động): sử dụng phương pháp này

sẽ loại trừ được các sai số gây ra do tác động của môi trường và điều kiện làm việc của hệ thống máy CMM

Nói chung việc sử dụng phương pháp bù sai số bằng phần mềm là một bước phát triển đột phá đối với máy CMM nói chung và máy CNC nói riêng Điều này không những giảm chi phí chế tạo mà còn tăng độ chính xác cho kết quả đo Nên bù sai số bằng phần mềm là một phương pháp đem lại kinh tế rất cao [7]

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ CHO MÁY CMM

Sau khi phân tích các sai số và nguồn g c gây ra các sai số cho máy CMM

Để từ đó sử dụng các nguyên tắc và kỹ thuật thiết kế theo Layton Carter Hale [19] nhằm đảm bảo độ chính xác cho máy CMM Vì thời gian có hạn nên trong phần luận văn này chỉ tập trung phân tích và thiết kế hệ thống cơ cho máy CMM Sau khi hoàn thành chương này thì thiết kế hệ thống cơ để đảm bảo sai số đã đặt ra cho

hệ thống

3.1 Thiết kế sơ bộ cấu trúc máy CMM:

Như trong phần tổng quan đã trình bày những bộ phận của hệ thống máy CMM Nhưng ở đây chỉ thiết kế đối với máy CMM dạng cầu di động (Moving bridge CMM) như đã phân tích trong chương 2

Sơ đồ máy CMM dạng cầu gồm các bộ phận như trong hình 2.2 đã nêu:

Kiểm tra vị trí Thước đo Khung đở

Trục Z

Đầu đo

Mũi đầu dò

Giảm chấn Chi tiết trên bàn máy

Mỗi một bộ phận có nhiều lựa chọn khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện sử dụng và yêu cầu mà sử dụng từng loại cho thích hợp Sau đây sẽ phân tích lựa chọn một số yêu cầu cần đạt được trong quá trình thiết kế để từ đó đưa ra mô hình máy thiết kế

Một máy CMM như trong hình 2.2 bao gồm những bộ phận chính sau:

Đế máy (bệ máy) : Có chức năng đở toàn bộ các bộ phận của máy Yêu

cầu đối với đế máy là phải đủ độ cứng vững, độ biến dạng và giảm được khả năng truyền rung động từ nền đến các chi tiết trong máy CMM

Bàn máy: Dùng để đặt chi tiết cần đo lên để thực hiện đo Yêu cầu

chung đối với bàn máy là độ ổn định nhiệt độ cao và ít ảnh hưởng của

nhiệt độ, có độ phẳng và độ bóng cao, hhưng phải có giá thành rẻ

Khung đỡ và các dầm (carriages): Dùng làm khung sường để đỡ các

chi tiết khác và để lắp đặt các bộ phận và các chi tiết khác lên Yêu cầu chung đối với khung đỡ và các dầm là có độ ổn định nhiệt cao, ít ảnh hưởng nhiệt độ môi trường và gradien nhiệt, có thể gia công dễ dàng,

trọng lượng riêng nhẹ, tránh biến dạng uốn

Hệ thống thanh dẫn hướng (guideways): yêu cầu phải ít ảnh hưởng về

nhiệt, có độ ổn định nhiệt cao, chống uốn và biến dạng tốt Có độ thẳng

và độ phẳng cao, có độ bóng bề mặt cao

Hệ thống trượt : ma sát nhỏ, có khe hở thấp giữa các chi tiết chuyển

động tương đối, có độ chính xác cao, vệ sinh với môi trường

Hệ thống truyền động: Giá thành thấp, có độ chính xác cao, tránh rung

động , có tốc độ truyền chuyển động nhanh, đủ công suất dẫn động máy

Ít tản nhiệt ra môi trường để giảm ảnh hưởng nhiệt độ đến các chi tiết

của máy

Hệ thống đầu dò: có độ chính xác đảm bảo yêu cầu đặt ra, mức độ đáp

ứng xung (trigger) cao Tránh biến dạng khi đầu dò va chạm với chi tiết

trong quá trình đo