CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THƯỚC KÍNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO LƯỚI VẠCH TRÊN THÂN THƯỚC 1.1 Tổng quan về thước kính Thước kính là một hệ thống đo sử dụng đầu đọc quang điện tử để đo khoảng dịch chuyển dài của các cơ cấu chấp hành, kết quả đo được lưu trữ và hiển thị dưới dạng số. Hiện nay, thước kính rất phong phú và đa dạng cả về mẫu mã và chủng loại. Hình 1 là hình ảnh thước kính của một số hãng cung cấp hiện đã có mặt tại Việt nam. 10 Thước kính của hãng Mitutoyo Thước kính của hãng Sony Thước kính của hãng Renishow Thước kính của hãng Haidenhain Hình 1.
Hình ảnh một số loại thước kính hiện đã có mặt tại Việt nam.1 Một số ứng dụng của thước kính Thước kính là thiết bị đo dịch chuyển dài có độ chính xác cao do thân thước được làm từ thủy tinh có độ ổn định rất cao. Vì vậy, thước kính được đặc biệt sử dụng trong các thiết bị đòi hỏi độ chính xác cao.1 Ứng dụng của thước kính trong máy đo 3 tọa độ Ngày nay, máy đo 3 tọa độ (CMM) đã trở nên rất quen thuộc với các cơ sở nghiên cứu và sản xuất của Hình 1.2 Máy đo tọa độ của Mitutoyo 11 nước ta, bởi lẽ nó hỗ trợ rất hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu cũng như trong việc kiểm định chất lượng sản phẩm. Máy đo tọa độ hiện có tại Việt Nam được xuất xứ từ rất nhiều hãng sản xuất thiết bị đo nổi tiếng trên thế giới như Mitutoyo, Tesa, Mahr…Hình 1.1 là hình ảnh một dạng máy đo 3 tọa độ của hãng Mitutoyo. Máy đo 3 tọa độ rất đa dạng về chủng loại, phạm vi đo cũng như độ chính xác, tuy nhiên chúng có một điểm chung là đều sử dụng 3 thước kính đo dịch chuyển dài trên 3 trục X, Y, Z để xác định tọa độ của đầu đo so với điểm chuẩn 1.2 Ứng dụng của hệ đo dịch chuyển dài trong các máy gia công CNC Để xác định chính xác vị trí tương đối của dao cắt so với chi tiết gia công, hoặc lượng dịch chuyển của chi tiết gia công theo các trục tọa độ, các máy gia công điều khiển số và các đồ gá của máy thường được lắp các bộ thước kính đo dịch chuyển thẳng và góc.2 là hình ảnh đồ gá có sử dụng 3 thước kính.3 Đồ gá có sử dụng 3 thước kính 1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thước kính Cấu trúc của thước kính bao gồm 2 phần chính là thân thước và bộ phận đầu đọc.
Thân thước thường được làm bằng thủy tinh quang học và trên bề mặt được tạo 2 dãy lưới các vạch sáng và tối xen kẽ nhau trên suốt chiều dài thân thước. Trên dãy vạch chính, các vạch sáng và tối được khắc đều đặn trên toàn thân thước. Trên dãy vạch phụ, dãy các vạch tham khảo được khắc gián đoạn trên suốt chiều dài thân thước (dãy vạch phụ này thường được dùng để đọc vạch chẵn, hạn chế hành trình. Chiều dầy của vạch sáng và tối được chế tạo bằng nhau và tổng chiều dầy của chúng được gọi là bước vạch T.
Các vạch tối trên thân thước cho phép ánh sáng truyền qua còn các vạch sáng thì cho phép ánh sáng phản xạ trên bề mặt chúng. Tùy thuộc vào ánh sáng truyền tới các phần tử thu nhận tín hiệu là do nguồn sáng chiếu ánh sáng xuyên qua 12 các vạch tối hay phản xạ trên các vạch sáng của thân thước mà người ta chế tạo ra các loại thước kính theo phương pháp chiếu thuôn hay phản xạ.4 là sơ đồ cấu trúc của hệ thống đo dịch chuyển dài sử dụng đầu đọc quang điện theo phương pháp chiếu thuôn và phản xạ. Phương pháp chiếu thuôn b. Phương pháp phản xạ Hình 1.
Sơ đồ cấu trúc của thước kính. Bộ phận đầu đọc bao gồm hệ tạo nguồn sáng song song (nguồn chiếu sáng và thấu kính hội tụ), mặt nạ và một dãy tế bào quang điện. Mặt nạ là một tấm chắn một phần ánh sáng tới thân thước. Trên thân mặt nạ được tạo 5 cửa sổ chắn sáng, trong đó có 4 cửa sổ chính a, b, c, d được sử dụng để xác định lượng dịch chuyển tương đối của đầu đọc so với thân thước và chúng được chế tạo lệch pha nhau 1/4 bước vạch T như được thể hiện trên hình 1.
Cửa số còn lại được chế tạo để đọc vạch khắc tham khảo trên thước chính. Tại mỗi cửa sổ trên mặt nạ, lưới vạch được tạo ra có quy luật giống với quy luật tạo vạch trên thân thước. Dãy các tế bào quang điện A, B, C, D được đặt đối diện với các cửa sổ trên mặt nạ để thu nhận ánh sáng từ nguồn sáng chiếu xuyên qua các vạch tối trên mặt nạ và thân thước.5)T 1 2 a b c d 3 4 A B C D 1-Chùm sáng song song; 2-Mặt nạ; 3-Thân thước; 4-Tế bào quang điện Hình 1. Sơ đồ vị trí tương quan của các cửa sổ a, b, c, d so với thân thước.
Trong quá trình hoạt động, ánh sáng được phát liên tục từ nguồn sáng xuyên qua các vạch tối trên các cửa sổ của mặt nạ và thân thước chính để tới bề mặt các tế bào quang điện. Như thể hiện trên hình 1.5, khi đầu đọc di chuyển tương đối (dịch chuyển sang trái hoặc phải) so với thân thước chính một lượng dx sẽ tạo sự thay đổi khe sáng từ nguồn sáng tới các tế bào quang điện. Khi đó, diện tích bề mặt tế bào quang điện bị chiếu sáng sẽ thay đổi một lượng là ds = h.dx với h là chiều dài của vạch sáng, tối trên mặt nạ. Sự thay đổi của ds sẽ kéo theo sự thay đổi lượng quang thông dΦ tới bề mặt các tế bào quang điện A, B, C, D.
Vì các cửa sổ a, b, c, d đặt lệch pha nhau 1/4 chu kỳ T nên diện tích chùm sáng chiếu tới bề mặt các tế bào quang điện tương ứng là khác nhau gây nên hiệu ứng quang điện (hiện tượng các tế bào bị suy giảm điện trở khi chịu tác động của ánh sáng) khác nhau tại các tế bào quang điện. Khi thước kính ở trạng thái như hình 1.5: Tại cửa sổ a: Các vạch sáng trên cửa sổ che kín các vạch tối trên thân thước, không cho ánh sáng đi qua. Vì vậy, điện trở của tế bào quang điện A đạt cực đại (Rmax). 14 Tại cửa sổ b: Các vạch sáng và tối trên cửa sổ trùng khít với các vạch trên thân thước, diện tích bề mặt tế bào quang điện B bị chiếu sáng đạt giá trị cực đại.
Vì vậy, điện trở của tế bào quang điện B đạt cực tiểu (Rmin). Tại cửa sổ c: Các vạch sáng trên cửa sổ che đi 1/2 vạch tối bên trái trên thân thước làm cho diện tích chiếu sáng tới tế bào quang điện C bị giảm đi một nửa so với tế bào quang điện B (ta gọi vị trí này là vị trí trung hoà). Lúc này điện trở của tế bào quang điện C là R0 = (Rmax + Rmin)/2. Tại cửa sổ d: Các vạch sáng trên cửa sổ che đi 1/2 vạch tối bên phải trên thân thước làm cho diện tích chiếu sáng tới tế bào quang điện D cũng bị giảm đi một nửa so với tế bào quang điện B.
Vì vậy, điện trở của tế bào quang điện D cũng là R0. Khi đầu đọc dịch chuyển sang bên phải 1 chu kỳ T so với thước kính: ⇒ Tại 1/4 chu kỳ đầu: - Tại A: Rmax giảm đến R0 - Tại C: R0 tăng đến Rmax - Tại B: Rmin tăng đến R0 - Tại D: R0 giảm đến Rmin ⇒ Tại 1/4 chu kỳ tiếp theo: - Tại A: R0 giảm đến Rmin - Tại C: Rmax giảm đến R0 - Tại B: R0 tăng đến Rmax - Tại D: Rmin tăng đến R0 ⇒ Tại 1/4 chu kỳ sau: - Tại A: Rmin tăng đến R0 - Tại C: R0 giảm đến Rmin - Tại B: Rmax giảm đến R0 - Tại D: R0 tăng đến Rmax ⇒ Tại 1/4 chu kỳ cuối: - Tại A: R0 tăng đến Rmax - Tại C: Rmin tăng đến R0 - Tại B: R0 giảm đến Rmin - Tại D: Rmax giảm đến R0 Như vậy, điện trở của các tế bào quang điện A, B, C, D lại trở về giá trị ban đầu sau khi đầu đọc dịch chuyển tương đối so với thân thước 1 chu kỳ. Quá trình này diễn ra liên tục tạo nên các tín hiệu chu kỳ. Sử dụng mạch cầu với các điện trở RA, RB và R0 sẽ thu được điện áp ra U1 có dạng cosin; với các 15 điện trở R C, R D và R0 sẽ thu được điện áp ra U2 có dạng Sin.
Nói cách khác, điện áp U1 và U2 sẽ là hai điện áp hình hình sin lệch pha nhau 900 và biến thiên theo dịch chuyển tương đối của đầu đọc so với thân thước với chu kỳ bằng chu kỳ vạch khắc T trên thân thước.6 là sơ đồ mạch cầu và dạng tín hiệu ra. RA R0 RC R0 U1 U2 U0 U0 RB R0 RD R0 U U1 U2 x T T Hình 1.6 Sơ đồ mạch cầu và dạng tín hiệu ra của đầu đọc quang học. Khi đó, chiều dịch chuyển và lượng dịch chuyển tương đối của đầu đọc so với thân thước được xác định thông qua chiều biến thiên và số lần biến thiên giá trị các tín hiệu ra của đầu đọc quang học. Độ phân giải của hệ thống được quyết định bới giá trị bước của vạch T trên thân thước chính và khả năng xử lý các tín hiệu ra U1 và U2.3 Phương pháp xử lý tín hiệu 1.1 Thủ thuật chia nhỏ chu kỳ tín hiệu.
16 Các thiết bị đo dịch chuyển dài thường đạt được độ phân giải và độ chính xác nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước cơ sở T. Ví dụ, với thước cặp có bước vạch trên thước chính là 1mm nhưng lại có độ chính xác là 0,1; 0,05; 0,02; hoặc với dụng cụ đo dịch chuyển dài hiển thị số ELECTRA có bước cơ sở T= 20 µ m lại có độ phân giải chỉ là 1 µ m. Điều đó được thực hiện nhờ thủ thuật chia nhỏ khoảng cách giữa hai vạch trên thân thước chính. Chia nhỏ khoảng cách giữa hai vạch trên thân thước là một thủ thuật thường thấy trong các dụng cụ đo lường với nhiều phương pháp khác nhau.
Với thước cặp, việc tăng độ phân giải của dụng cụ được thực hiện nhờ thủ thuật chia nhỏ khoảng cách giữa hai vạch khắc bằng du xích. Số vạch chia trên du xích sẽ quyết định độ phân giải của dụng cụ đo.