CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO TỌA ĐỘ 1 1. Giới thiệu chung về máy đo tọa độ 1.1 Cấu trúc của máy đo tọa độ Máy đo tọa độ là hệ thống đo được trang bị các cơ cấu để di chuyển hệ thống dò, nhằm mục đích xác định tọa độ trong không gian của các điểm trên bề mặt vật thể và thực hiện các quá trình xử lý đối với dữ liệu thu thập được (Tiêu chuẩn ISO 10360-1:2000), (hình 1.1 Máy đo tọa độ 3 chiều Hệ thống hình thành máy đo tọa độ bao gồm hai phần cơ bản là phần cứng và phần mềm, mỗi thành phần gồm có nhiều module với các chức năng khác nhau tham khảo [1] (hình 1. Cấu trúc cơ khí Máy tính số và thiết bị ngoại vi Hệ thống cảm biến đo dịch chuyển thẳng Phần cứng Hệ thống dẫn động Hệ thống điều khiển Máy đo Hệ thống đầu dò tọa độ Phần mềm điều khiển Phần mềm Phần mềm đo Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của máy đo tọa độ Luận án tiến sĩ kỹ thuật 2 1. Ứng dụng của máy đo tọa độ a.
Kiểm tra các sản phẩm sau gia công Máy đo tọa độ được dùng để kiểm tra độ chính xác kích thước và vị trí tương quan, chẳng hạn máy được dùng để kiểm tra các kích thước của một khuôn mẫu sau gia công từ đó có thể hiệu chỉnh, nâng cao chất lượng của khuôn để sản xuất hàng loạt. Chức năng này đặc biệt có ích khi thiết kế lại các chi tiết sẵn có trong ngành cơ khí, trong ngành thiết kế tạo dáng công nghiệp và cả trong ngành y sinh phẫu thuật chỉnh hình.3 Máy đo tọa độ dùng để kiểm tra các sản phẩm b. Lập bản vẽ Máy đo tọa độ còn là thiết bị số hóa không gian ba chiều, nhờ có máy đo tọa độ mà hình dạng 3D của một chi tiết có cấu tạo phức tạp hay các mặt cong không có quy luật được tái tạo một cách chính xác, từ đó tạo cơ sở cho việc lập bản vẽ thiết kế 2D đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của công tác thiết kế theo mẫu. Việc số hóa là một phần chính trong công nghệ thiết kế ngược (RE) đang được phát triển trên thế giới.4 Máy đo tọa độ lấy kích thước từ chi tiết và dựng lại trên máy tính Luận án tiến sĩ kỹ thuật 3 c.
Lập trình Máy đo tọa độ được trang bị phần mềm có khả năng lập trình như máy CNC, khả năng lập trình của máy được ứng dụng để kiểm tra biên dạng của chi tiết so với bản vẽ hay viết chương trình để đo và kiểm tra hàng loạt. Các nguồn gây sai số trên máy đo tọa độ Máy đo tọa độ là thiết bị đo có độ chính xác cao được hình thành từ nhiều hệ thống khác nhau (mục 1.1) do đó có rất nhiều nguồn gây ra sai số cho máy, dựa vào những bộ phận tạo thành máy đo tọa độ, Anderson [2] và Chatterjee [3] thấy rằng các nguồn sai số chủ yếu gồm có: Hệ thống cơ khí: Gồm các thành phần chính của kết cấu máy đo tọa độ: bệ máy, bàn máy, bộ phận dẫn hướng, các trục cùng với những ổ đệm khí. Những thành phần này gây ra sai số do những khuyết tật của chúng trong quá trình chế tạo, kiểm tra hay do đặc tính như độ cứng vững, giãn nở nhiệt… bản chất của những sai số này có thể là tĩnh hoặc động. Hệ thống truyền động: Đối với những máy đo tọa độ điều khiển số, trên các trục đều có gắn các động cơ, bộ truyền động và thiết bị điều khiển servo.
Các sai số liên quan đến hệ thống truyền động và ảnh hưởng đến độ chính xác của máy gồm: tốc độ của máy không đều, tải trọng tác dụng lên các cụm trục dẫn đến những chuyển động không mong muốn và gây ra các rung động trong cấu trúc máy. Hệ thống đo: Hệ thống đo của máy đo tọa độ gồm ba thước đo dịch chuyển thẳng được gắn dọc theo ba trục máy. Tọa độ thực tế của các điểm đo nhận được là từ các giá trị của các thước đo này. Những sai số chính gây ra bởi các thước đo là do các khuyết tật của thước đo, độ nhạy, sai số lắp đặt… Hệ thống đầu dò: Hệ thống đầu dò được dùng để xác định vị trí các điểm nằm trên bề mặt chi tiết được đo.
Những sai số liên quan đến hệ thống đầu dò bao gồm: hiệu chuẩn đầu dò, khe hở trục lắp kim dò, kim dò bị cong do chuyển vị, sự trễ của tín hiệu điện… Hệ thống máy tính: Hệ thống máy tính là trung tâm điều khiển máy bao gồm cả phần cứng và phần mềm. Những tiến bộ vượt bậc trong ngành công nghiệp máy tính cho phép phần cứng của mọi hệ thống điều khiển luôn đáp ứng được với mức Luận án tiến sĩ kỹ thuật 4 cao nhất, vì vậy, sai số chủ yếu là do phần mềm gây ra. Nhiệm vụ quan trọng của phần mềm là dựa trên các dữ liệu đo để tính toán cho ra các thông số về hình dạng và kích thước của vật đo. Lỗi của phần mềm có thể do thuật toán tính toán, phương pháp nội suy, xấp xỉ, số hóa dữ liệu… ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả đo.
Bên cạnh các nguồn sai số đã đề cập ở trên, độ chính xác của máy đo tọa độ còn bị ảnh hưởng bởi các nhân tố liên quan đến người vận hành và môi trường. Những yếu tố như làm sạch vật đo, chọn các điểm đo, hướng đo, tốc độ của máy, loại đầu dò. của người vận hành có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của máy. Môi trường xung quanh nơi đặt máy đo tọa độ cũng có vai trò rất quan trọng đối với độ chính xác của máy, chẳng hạn sự thay đổi nhiệt độ sẽ ảnh hưởng nhiều đến kích thước hình học của cấu trúc máy, rung động hay độ ẩm cũng gây ra sai số và làm giảm độ chính xác của máy đo tọa độ.
Các loại sai số trên máy đo tọa độ Vì máy đo tọa độ được tạo thành từ nhiều bộ phận nên có nhiều nguồn gây ra sai số. Các nguồn gây sai số này sinh ra các loại sai số khác nhau làm ảnh hưởng đến độ chính xác của máy. Theo quy luật xuất hiện, các tác giả Anderson [2], Elbestawi, Barakat và Spence chia các sai số thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên (hình 1. SAI SỐ HÌNH HỌC SAI SỐ ĐỘNG HỌC SAI SỐ HỆ THỐNG SAI SỐ DO ĐỘ CỨNG VỮNG CÁC TRỤC SAI SỐ DO XỬ LÍ TÍN HIỆU SAI SỐ SAI SỐ DO RUNG ĐỘNG SAI SỐ DO TRỄ SAI SỐ NGẪU NHIÊN SAI SỐ DO NHIỆT SAI SỐ DO ĐẦU DÒ SAI SỐ ĐỘNG LỰC HỌC Hình 1.5 Các loại sai số trong máy đo tọa độ Luận án tiến sĩ kỹ thuật 5 Trong các sai số của máy đo tọa độ, những sai số có ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của máy theo các tác giả Mahbubur và Rahman [4] bao gồm: - Sai số hình học.
- Sai số động học. - Sai số do độ cứng vững. - Sai số do nhiệt. - Sai số động lực học.
Các hướng nghiên cứu trên thế giới và trong nước về máy đo tọa độ Khi xem xét về tính năng của máy đo tọa độ, người ta quan tâm đến ba tiêu chí quan trọng nhất, đó là: độ chính xác, tốc độ và tính linh hoạt. Một máy đo tọa độ có tính năng kỹ thuật mong muốn là máy đo có độ chính xác và tốc độ của máy cao, có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường không thuận lợi, chính vì vậy, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu theo các hướng sau: Độ tin cậy của kết quả đo Xu hướng này đòi hỏi máy được chế tạo ra phải kiểm soát được độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo. Để tính toán độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo thì cần phải có kiến thức về hệ thống đo lường, sai số (hệ thống, ngẫu nhiên) ảnh hưởng đến độ chính xác đo và phương pháp được sử dụng để tính ảnh hưởng của các sai số này. Tăng khả năng đo với nhiều nhiệm vụ khác nhau Máy có khả năng thực hiện càng nhiều các nhiệm vụ đo khác nhau và thực hiện được các nhiệm vụ đo càng phức tạp càng tốt.
Nếu máy đáp ứng được yêu cầu này thì máy sẽ có khả năng đo được các bề mặt, các biên dạng phức tạp hơn và thực hiện được nhiều thao tác đo khác nhau trên một chi tiết cần đo. Có khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp Ban đầu các máy đo tọa độ được thiết kế và sử dụng chủ yếu trong môi trường phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, nhu cầu sử dụng máy đo tọa độ gần với môi trường sản xuất hay tích hợp máy vào một dây chuyền sản xuất ngày càng tăng. Và theo đó điều kiện làm việc của môi trường (rung động, nhiệt độ, độ ẩm.) sẽ làm giảm độ chính xác của máy đo tọa độ.
Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải duy trì được độ Luận án tiến sĩ kỹ thuật 6 chính xác cao của máy dưới ảnh hưởng của điều kiện môi trường làm việc không thuận lợi. Tốc độ di chuyển của đầu dò cao Thông thường, để đạt được độ chính xác cao thì tốc độ của đầu dò phải thấp. Vấn đề này có thể được chấp nhận trong phòng thí nghiệm, tuy nhiên môi trường sản xuất thực tế sẽ không chấp nhận tốc độ đầu dò thấp vì lý do kinh tế. Trong các xu hướng nghiên cứu đã trình bày ở trên, xu hướng tăng tốc độ của đầu dò (tốc độ di chuyển) đã, đang và sẽ còn được quan tâm vì các nguyên nhân: Thứ nhất: Do sự cạnh tranh ngày càng gay gắt giữa các công ty, việc nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường có liên quan đến sự phát triển và tồn tại của mỗi công ty.
Máy đo tọa độ là thiết bị đo lường dùng để kiểm tra chất lượng sản phẩm vì vậy, tăng tốc độ của đầu dò có liên quan đến việc đưa sản phẩm ra thị trường sớm hay muộn. Thứ hai: Do các sản phẩm ngày càng nhiều, đa dạng, phong phú về hình dạng và kích thước nên sản lượng đo ngày càng lớn vì vậy việc tăng tốc độ của đầu dò đóng vai trò quan trọng trong yếu tố tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm. Thứ ba: Trong các công nghệ chế tạo hiện đại đang phát triển hiện nay (Công nghệ thiết kế ngược, công nghệ in 3D.
