Luận văn thạc sĩ về điều chỉnh sai số trong đo lường cơ điện tử

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu hiệu chỉnh sai số tay đo, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực kỹ thuật.

• Tác giả: Huỳnh Thanh Quang
• Người hướng dẫn: TS. Võ Tường Quân
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Hiệu Chỉnh Sai Số Tay Đo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết bị tay đo tọa độ

Thiết bị tay đo tọa độ (ACMM) là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực đo lường cơ điện tử. Thiết bị này có khả năng đo đạc chính xác các chi tiết có bề mặt phức tạp, điều mà các dụng cụ đo khác khó có thể thực hiện. Công nghệ đo lường này không chỉ giúp số hóa bề mặt vật thể ba chiều mà còn cho phép đo kiểm các kích thước ba chiều một cách nhanh chóng và tiện dụng. Tuy nhiên, để đạt được độ chính xác cao trong đo lường, cần phải hiểu rõ về các sai số có thể xảy ra trong quá trình đo. Một trong những vấn đề quan trọng là sai số đo lường, có thể ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng. Do đó, nghiên cứu về nghiên cứu sai số và điều chỉnh sai số là rất cần thiết để cải thiện độ chính xác của thiết bị.

1.1 Giới thiệu tay đo tọa độ

Tay đo tọa độ AACMM là một thiết bị đo tọa độ ba chiều, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất. Nguyên lý hoạt động của tay đo tọa độ là xác định dữ liệu về tọa độ của điểm trên bề mặt vật thể thông qua việc xác định giá trị các góc xoay tại mỗi khớp. Dữ liệu này sau đó được gửi về máy tính để xử lý. Việc sử dụng tay đo tọa độ giúp nâng cao độ chính xác trong đo lường cơ điện tử, đồng thời giảm thiểu thời gian và công sức trong quá trình đo đạc.

1.2 Ưu nhược điểm của tay đo tọa độ

Tay đo tọa độ có nhiều ưu điểm như tính cơ động, dễ dàng di chuyển và giá thành phù hợp. Tuy nhiên, cũng tồn tại một số nhược điểm như độ chính xác không cao so với các thiết bị đo khác. Việc phát triển công nghệ cao tích hợp cho tay đo nhằm khắc phục những nhược điểm này đang được nghiên cứu và phát triển. Công nghệ đo lường cần liên tục cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong ngành công nghiệp.

II. Một số nghiên cứu về hiệu chỉnh tay đo tọa độ

Chương này tập trung vào các nghiên cứu liên quan đến hiệu chỉnh sai số của tay đo tọa độ. Hiệu chuẩn là quá trình tinh chỉnh thiết bị đo thông qua việc so sánh với mẫu chuẩn có thông số chính xác. Nghiên cứu cho thấy rằng việc xác định phương pháp hiệu chuẩn phù hợp là rất quan trọng để nâng cao độ chính xác trong đo lường cơ điện tử. Các yếu tố như sai số hệ thống và sai số môi trường đều có thể ảnh hưởng đến kết quả đo. Do đó, việc khảo sát và phân tích các yếu tố này là cần thiết để cải thiện độ chính xác của thiết bị.

2.1 Khái niệm về hiệu chuẩn

Hiệu chuẩn (calibration) là một quy trình quan trọng trong đo lường. Quy trình này bao gồm việc so sánh kết quả đo của thiết bị với một tiêu chuẩn đã biết để xác định độ chính xác của thiết bị. Việc hiệu chuẩn không chỉ giúp phát hiện sai số mà còn cung cấp thông tin cần thiết để điều chỉnh thiết bị. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp hiệu chuẩn hiện đại có thể giảm thiểu sai số và nâng cao độ chính xác trong đo lường cơ điện tử.

2.2 Một số nghiên cứu trên thế giới về hiệu chỉnh tay đo tọa độ

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới nhằm cải thiện độ chính xác của tay đo tọa độ. Các nghiên cứu này thường tập trung vào việc phát triển các phương pháp hiệu chuẩn mới và ứng dụng công nghệ tiên tiến trong việc điều chỉnh sai số. Việc áp dụng giải thuật di truyền trong việc tìm bộ thông số phù hợp của tay đo cũng là một trong những hướng nghiên cứu tiềm năng. Những kết quả này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp.

III. Cơ sở lý thuyết hiệu chuẩn tay đo tọa độ

Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến hiệu chuẩn tay đo tọa độ. Phân tích động học tay đo tọa độ là một phần quan trọng trong việc hiểu rõ cách thức hoạt động của thiết bị. Phương pháp hiệu chuẩn được đề xuất trong nghiên cứu này bao gồm việc xây dựng mô hình thực nghiệm và các bước tiến hành cụ thể. Việc xây dựng hàm mục tiêu hiệu chuẩn cũng là một yếu tố quan trọng, giúp đánh giá độ chính xác của tay đo và từ đó đưa ra các điều chỉnh cần thiết.

3.1 Phân tích động học tay đo tọa độ

Phân tích động học của tay đo tọa độ giúp xác định các thông số động học và cách thức hoạt động của thiết bị. Việc hiểu rõ về động học không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong đo lường mà còn hỗ trợ trong việc phát triển các phương pháp hiệu chuẩn hiệu quả hơn. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng các yếu tố như độ cứng vững và sai số động học có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo.

3.2 Phương pháp hiệu chuẩn

Phương pháp hiệu chuẩn được đề xuất trong nghiên cứu này bao gồm các bước tiến hành cụ thể nhằm nâng cao độ chính xác của tay đo. Việc xây dựng hàm mục tiêu hiệu chuẩn là một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá độ chính xác của tay đo. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp hiện đại có thể giảm thiểu sai số và nâng cao độ chính xác trong đo lường cơ điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TAY ĐO TỌA ĐỘ 1.1 Giới thiệu tay đo tọa độ Ngày nay, để sản phẩm có sức cạnh tranh trên thị trường thế giới cũng như trong nước thì quy trình sản xuất phải đảm bảo được độ chính xác, mẫu mã phải đa dạng và thay đổi liên tục, giá thành chế tạo, đo lường và kiểm tra phải thấp… Sự xuất hiện các dòng máy CNC trong gia công cơ khí đã tạo nên đột phá đem đến khả năng tự chế tạo trong nước các sản phẩm có hình dạng phức tạp trong thời gian ngắn, là điều quyết định cho việc thay đổi mẫu mã. Tuy nhiên, dù việc gia công bằng máy thường hay máy CNC thì thao tác đo và kiểm tra tra kích thước hình học là rất quan trọng, các chi tiết càng phức tạp thì càng khó khăn. Vì vậy, cần thiết có các thiết bị xác định chính xác tọa độ trên bề mặt chi tiết hiện đại và tiện dụng hơn. Thiết bị này có thể đo đạc chính xác kích thước của vật, ngoài ra cần linh hoạt, dễ sử dụng và giá thành chấp nhận được Một trong những kĩ thuật đang được sử dụng rộng rãi hiện nay là kĩ thuật đo tọa độ (Coordinate Measuring Technique).

Ưu điểm của kỹ thuật đo tọa độ là các thông số, các điểm đo được số hóa vào máy tính, tạo điều kiện để tính toán các thông số hình học không thể đo trực tiếp(độ vuông góc, độ phẳng v.) một cách dễ dàng, tích hợp cao với các phần mềm thiết kế CAD. Thiết bị đo tọa độ phổ biến hiện nay là máy đo tọa độ CMM (Coordinate Measuring Machine). Ưu điểm của CMM là khả năng đo với độ chính xác rất cao (cấp micromet hoặc thậm chí nhỏ hơn). Thiết bị được vận hành bằng tay hoặc tự động, có khả năng lập trình để đo hàng loạt sản phẩm.

GVHD: TS Võ Tường Quân 5 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Hình 1-1: CMM kích thước trung bình Tuy nhiên nhược điểm của máy CMM là thiết bị chỉ đo được các bề mặt song song với các trục chuyển động của máy. Để đo các bề mặt phức tạp, các lỗ nghiên so với trục máy cần phải có đầu dò hoặc đồ gá chuyên dụng. Máy CMM cũng cần bàn map lớn và cứng vững để đảm bảo độ chính xác của máy. Điều này làm cho thiết bị cồng kềnh, không có khả năng cơ động.

Giá thành của CMM cũng khá cao. Tay đo tọa độ ACMM (Articular Coordinate Measuring Arm), thiết bị đo tọa độ ra đời đạt được sự cân đối giữa ưu và nhược điểm của máy CMM, tạo ra khả năng đo lường linh hoạt, độ chính xác và giá thành chấp nhận được. GVHD: TS Võ Tường Quân 6 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Hình 1-2 Một tay đo của Romer Nguyên lý hoạt động: Tay đo tọa độ xác định dữ liệu về tọa độ của điểm trên biên dạng vật đo thông qua việc xác định giá trị các góc xoay tại mỗi khớp, sau đó tọa độ được tính thông qua bài toán động học thuận. Dữ liệu về tọa độ điểm sau khi được tính toán được gửi về máy tính.

Máy tính sẽ thực hiện nhiệm vụ xử lý dữ liệu, liên kết các điểm nhận được thành đám mây điểm, hoặc một đối tượng đồ họa khác như các bề mặt hoặc các khối rắn. Giống với một máy CMM, tay đo tọa độ tạo ra mô hình 3D của vật mẫu, có ra khả năng liên kết với các phần mềm CAD, CAM để tạo mô hình 3D. Khi đo, người vận hành dùng tay điều khiển để đầu dò tiếp cận với bề mặt cần đo, tay đo sẽ xác định tọa độ ba chiều của vị trí đo so với gốc tọa độ của nó và số hóa kích thước này lên máy tính. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ dưới đây GVHD: TS Võ Tường Quân 7 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Hình 1-3: Sơ đồ nguyên lý tay đo Mẫu phát minh đầu tiên 18/4/1974, có số hiệu 3,994,798 với tay đo có đầu dò vật có biên dạng ống, do Homer Eaten phát minh.

Hình 1-4 Mẫu tay đo đầu tiên GVHD: TS Võ Tường Quân 8 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Hiện nay trên thế giới có nhiều nhà sản xuất máy tay đo nhưng lớn nhất là hai hãng FARO và ROMER. Ngoài ra còn một số hãng khác như: Immersion; TRIMAQS; ScanWorks; Metris; Mitutoyo… 1.2 Ưu nhược điểm của tay đo tọa độ Ưu điểm - Gọn nhẹ, cơ động, dễ dàng di chuyển. - Giá thành phù hợp. - Kết cấu cơ khí linh hoạt giúp đầu dò tiếp cận với bề mặt có biên dạng phức tạp như các đường rãnh, các lỗ nhỏ có đường trục không vuông góc với bề mặt vật đo dễ dàng, không yêu cầu gá đặt chuyên dụng.

Đây là ưu điểm của Tay Đo so với các máy CMM. Nhược điểm - Độ chính xác không cao do đặc thù kết cấu. - Tăng độ chính xác và vùng hoạt động sẽ làm tăng đáng kể giá thành. - Không có chức năng tự động kiểm tra hàng loạt như các máy CMM.

Ngày nay, việc phát triển công nghệ cao tích hợp cho các tay đo nhằm khắc phục những nhược điểm cũng như phát huy lợi thế của tay đo đang được nghiên cứu và phát triển. - Tay đo tích hợp hệ thống quét bằng laser. - Tay đo có hệ thống đầu dò dùng cảm biến chạm kích. GVHD: TS Võ Tường Quân 9 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Hình 1-5 Tay đo của hãng Faro có sử dụng cảm biến laser 1.3 Phân loại tay đo tọa độ theo kết cấu 1.1 Tay đo Decarte Hình 1-6 Tay đo Decarte Tay được nhận biết với 3 khớp trượt mà các trục của chúng vuông góc lần lượt với nhau, tay máy có dạng tọa độ Decarte đòi hỏi có độ cứng vững cao.

Độ chính xác của việc định vị trí của phần cổ tay là hằng số với mọi điểm trong không gian hoạt động của tay. Vùng hoạt động của tay có dạng là một hình hộp chữ nhật. Tuy nhiên với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, kết cấu này không đáp ứng được do bị giới GVHD: TS Võ Tường Quân 10 HVTH: Huỳnh Thanh Quang hạn về độ linh hoạt ,vì sử dụng các khớp trượt. Đây cũng chính là kết cấu của máy đo hệ trục tọa độ (hay còn gọi tắt là máy CMM).

Qua đây ta thấy được hạn chế của máy đo hệ trục tọa độ.2 Tay đo dạng trụ Loại này gồm 3 khớp nối: khớp đầu tiên là khớp xoay, 2 khớp còn lại là khớp lăng trụ mỗi khớp chuyển động ứng với mỗi bậc tự do. Cấu trúc cơ khí dạng này có độ cứng vững tốt. Vùng làm việc của dạng này là hình trụ hình vành khăn.3 Tay máy dạng cầu Loại này khác với loại cầu là khớp nối thứ 2 được thay thế bằng khớp nối xoay trong hệ tọa độ cầu, mỗi chuyển động của mỗi khớp tương ứng với một bậc tự do. Đối với loại này độ cững vững thấp hơn loại dạng cầu trên và có cấu trúc cơ khí phức tạp hơn.

Vùng không gian làm việc có dạng hình cầu. Hình 1-7: Thiết bị đo tay máy dạng trụ (trái) và dạng cầu (phải) 1.4 Tay máy dạng SCARA Loại thiết bị này có 2 khớp nối xoay và 1 khớp nối lăng trụ, các trục của khớp nối song song với nhau. GVHD: TS Võ Tường Quân 11 HVTH: Huỳnh Thanh Quang 1.5 Thiết bị đo tay máy dạng người Loại tay máy hình dạng người (Scriber) có 3 khớp nối xoay, trục quay đầu tiên của khớp nối thứ nhất là trục gốc và trục của 2 khớp nối còn lại thì song song với nhau. Sơ đồ động của thiết bị này mô phỏng theo cánh tay người, khớp nối thứ 2 được gọi là khớp nối bả vai và khớp nối thứ 3 được gọi là khớp nối khuỷu tay.

Hình 1-8: Thiết bị đo tay máy dạng SCARA (trái) và dạng tay người (phải) Ưu điểm của thiết bị đo tọa độ dạng tay máy là khả nằng di chuyển đầu dò linh hoạt, nhưng thiết bị có độ chính xác không cao. Cùng với việc phát triển mẫu mã, nhu cầu đo bề mặt có biên dạng phức tạp ngày càng cao. Để đáp ứng nhu cầu này, trên thị trường thế giới đã xuất hiện thiết bị đo bề mặt 5 khâu chứa toàn khớp bản lề.4 Ứng dụng của tay đo tọa độ Tay đo được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp thiết kế, chế tạo và đo lường: thiết kế ngược, phát triển kiểu dáng sản phẩm v.v… và đem lại hiệu quả kinh tế cao. GVHD: TS Võ Tường Quân 12 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Hình 1-9: Tay đo dùng để số hóa khung sườn chi tiết mẫu và thiết kế ngược Hình 1-10 Dùng tay đo để xây dựng bề mặt từ các mô hình 1.5 Một số sản phẩm trên thị trường MICROSCRIBE: sử dụng phương pháp tiếp xúc.1: Thông số và giá tay đo Microscribe Tên thiết bị Tầm hoạt động Độ chính xác Giá thành MicroScribe G2X -5 DOF 1255 mm 0.23 mm $ 6 995 MicroScribe G2LX -5DOF 1656mm 0.31 mm $ 8 495 MicroScribe G2X -6 DOF 1270 mm 0.23 mm $ 8 995 MicroScribe G2LX -6 DOF 1670 mm 0.31 mm $ 10 495 (Nguồn:http://www.com, cập nhật ngày 10/6/2012 ) GVHD: TS Võ Tường Quân 13 HVTH: Huỳnh Thanh Quang FARO: sử dụng cảm biến tiếp xúc hoặc laser, độ chính xác cao (0.01 mm) giá thành dao động từ $40 000 đến $80 000.

(Nguồn: http://www.com/prod_digitizers.htm , ngày 10/6/2012) Bảng 1.2: Thông số tay đo Faro Tên thiết bị Tầm hoạt động Độ chính xác Faro GAGE PLUS 120 cm 0.005 mm Faro Platinum 120 cm 0.013 mm Faro Platinum 180 cm 0.02 mm Faro Platinum 240 cm 0.025 mm Faro Platinum 300 cm 0.043 mm Faro Platinum 370 cm 0.061 mm Hình 1-11: Các dòng sản phẩm của Microscribe GVHD: TS Võ Tường Quân 14 HVTH: Huỳnh Thanh Quang Hình 1-12: Tay đo của Faro (trái) và Mitutoyo(phải) Ngoài ra còn một số hãng khác như: ScanWorks, Metris, Mitutoyo, ROMER Ở nước ta đã bắt đầu áp dụng thiết bị này, song hầu hết các doanh nghiệp phải mua thiết bị đo của nước ngoài với chi phí giá thành cao. Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo tay đo là cần thiết.6 Định hướng nghiên cứu của đề tài Đối tượng nghiên cứu Lấy mẫu thiết bị là tay đo tọa độ 05 bậc tự do được thiết kế và chế tạo tại PTN Trọng Điểm Điều khiển số & Kỹ thuật hệ thống. Hiện tại thiết bị đo có sai lệch khá lớn: 0.5 -2 mm trên độ dài đo 200mm tùy thuộc vào vị trí đo so với gốc tọa độ. Như vậy có thể thấy thiết bị không có độ ổn định và không có độ chụm (precision) cần thiết.