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

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM KẾT
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TAY ĐO TỌA ĐỘ
• 1.1. Giới thiệu tay đo tọa độ
• 1.2. Ưu nhược điểm của tay đo tọa độ
• 1.3. Phân loại tay đo tọa độ theo kết cấu
• 1.3.1. Tay đo Decarte
• 1.3.2. Tay đo dạng trụ
• 1.3.3. Tay máy dạng cầu
• 1.3.4. Tay máy dạng SCARA
• 1.3.5. Thiết bị đo tay máy dạng người
• 1.4. Ứng dụng của tay đo tọa độ
• 1.5. Một số sản phẩm trên thị trường
• 1.6. Định hướng nghiên cứu của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU CHỈNH TAY ĐO TỌA ĐỘ
• 2.1. Khái niệm về hiệu chuẩn (calibration)
• 2.1.1. Quy trình hiệu chuẩn và cách phân loại các cấp độ hiệu chuẩn
• 2.1.2. Lợi ích của công tác hiệu chuẩn
• 2.2. Một số nghiên cứu trên thế giới về hiệu chỉnh tay đo tọa độ
• 2.4. Xác định phương pháp nghiên cứu
• 2.5. Điểm home và hiệu chỉnh cấp độ 1
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆU CHUẨN TAY ĐO TỌA ĐỘ
• 3.1. Phân tích động học tay đo tọa độ
• 3.1.1. Phân tích mẫu tay đo được sử dụng
• 3.1.2. Mô hình động học của tay đo
• 3.2. Phương pháp hiệu chuẩn
• 3.2.1. Mô hình thực nghiệm
• 3.2.2. Các bước tiến hành
• 3.3. Xây dựng hàm mục tiêu hiệu chuẩn
• 3.3.1. Giá trị danh nghĩa mỗi điểm đo và độ lặp đơn điểm
• 3.3.2. Đánh giá độ chính xác khoảng cách đo
• 3.3.3. Hàm mục tiêu đánh giá độ chính xác của tay đo
• 3.4. Giải thuật di truyền trong tính toán bộ thông số
• 3.4.1. Giới thiệu giải thuật di truyền
• 3.4.2. Các khái niệm thông số trong GA
• 3.4.3. Phương pháp xây dựng giải thuật di truyền
• 3.5. Áp dụng giải thuật di truyền trong việc tìm bộ thông số phù hợp của tay đo
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm
• 4.1.1. Đo các thông số đầu vào
• 4.1.2. Thiết lập mô hình đo
• 4.2. Phương pháp tiến hành
• 4.3. Hiệu chỉnh hàm đánh giá
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Các nội dung đã thực hiện
• 5.2. Các vấn đề còn tồn tại
• 5.3. Hướng nghiên cứu tiếp theo
• PHỤ LỤC: GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN ASME B89

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất hiện đại, thao tác đo kiểm kích thước hình học đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm. Sự xuất hiện của máy đo tọa độ ba chiều cố định truyền thống mang lại độ chính xác cao ở cấp micromet nhưng gặp hạn chế lớn về độ cơ động và chi phí đầu tư vượt quá 50.000 USD. Thiết bị tay đo tọa độ không gian nhiều bậc tự do ra đời nhằm giải quyết bài toán đo kiểm linh hoạt cho các bề mặt phức tạp, phục vụ công tác thiết kế ngược và số hóa 3D. Tuy nhiên, các dòng máy thương mại nhập khẩu như MicroScribe hay Faro có giá thành dao động từ 6.995 USD đến hơn 80.000 USD, tạo rào cản chi phí lớn cho các doanh nghiệp trong nước.

Nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề sai số cơ học và hình học trên mẫu thiết bị tay đo 5 bậc tự do được thiết kế, chế tạo tại Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống thuộc Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Trước khi hiệu chỉnh, thiết bị ghi nhận mức sai lệch khá lớn từ 0.5 mm đến 2.0 mm trên chiều dài chuẩn 200 mm tùy thuộc vào vùng không gian đo, đồng thời thiếu độ ổn định và độ chụm cần thiết. Mục tiêu then chốt của luận văn là xây dựng thuật toán tối ưu hóa thông số động học để đưa sai số tổng thể về dưới 0.5 mm, tiệm cận tiêu chuẩn của thiết bị thương mại MicroScribe G2L.

Nghiên cứu được triển khai từ tháng 2 năm 2012 đến tháng 12 năm 2012 trong môi trường thực nghiệm tiêu chuẩn. Thành công của đề tài mang lại ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật to lớn, giúp cắt giảm hơn 65% sai số đo đạc ban đầu, mở ra khả năng làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị đo lường 3D với giá thành chỉ bằng 25% đến 30% so với thiết bị nhập ngoại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng hệ thống lý thuyết động học tay máy nhiều khâu và các cấp độ hiệu chuẩn thiết bị đo lường chuyên sâu. Mô hình động học thuận được thiết lập dựa trên phương pháp ma trận chuyển đổi thuần nhất Denavit-Hartenberg cho cấu trúc 5 bậc tự do dạng 2-1-2. Bốn tham số hình học cơ bản gồm độ dài khâu, khoảng cách dịch chuyển dọc trục, góc lệch trục và góc xoay khớp được biểu diễn qua ma trận chuyển đổi bậc 4 để xác định chính xác tọa độ điểm đầu dò trong không gian ba chiều.

Về lý thuyết hiệu chuẩn, công trình tập trung vào việc kết hợp hiệu chuẩn cấp độ 1 nhằm chuẩn hóa tín hiệu cảm biến góc xoay và hiệu chuẩn cấp độ 2 để tối ưu hóa toàn bộ tham số động học hình học. Cảm biến encoder từ tính của hãng Sony với độ phân giải 2048 xung/vòng được khảo sát để triệt tiêu độ không chắc chắn danh định khoảng 3 xung. Ba khái niệm cốt lõi được định lượng hóa bao gồm: độ lặp đơn điểm đánh giá qua độ lệch chuẩn tối đa 2 lần sigma, khoảng cách không gian giữa hai điểm đo và hàm mục tiêu kết hợp sai số bình phương cực tiểu xây dựng theo chuẩn ASME B89.22-2004.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp bằng phương pháp liên kết đầu dò tay đo với máy đo tọa độ ba chiều CMM có độ chính xác cao thông qua khớp nối cầu chuyên dụng IKO LHS 8. Kỹ thuật này loại bỏ nhu cầu sử dụng các căn mẫu tấm cầu 3D đắt tiền nhưng vẫn đảm bảo độ chuẩn xác tuyệt đối của dữ liệu tham chiếu. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 8 vị trí phân bố trong không gian làm việc với kích thước 400 x 400 x 400 mm. Tại mỗi vị trí, đầu dò được giữ cố định trong khi các khâu khớp của tay đo được thay đổi cấu hình liên tục từ 10 đến 15 lần đo, tạo ra tập dữ liệu hơn 100 trạng thái động học phục vụ quá trình huấn luyện thuật toán.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên kỹ thuật quét lưới không gian đa hướng, đảm bảo bao phủ đầy đủ các góc xoay từ 0 độ đến 360 độ của các khớp trục. Lý do lựa chọn giải thuật di truyền thay vì phương pháp bình phương cực tiểu truyền thống là vì giải thuật di truyền sở hữu khả năng tìm kiếm toàn cục tối ưu, không bị mắc kẹt tại các cực trị địa phương khi xử lý hàm mục tiêu phi tuyến phức tạp chứa đồng thời sai số khoảng cách và độ phân tán đơn điểm. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu kéo dài 10 tháng, chia thành 4 giai đoạn từ thiết lập phần cứng, xây dựng mô hình toán, lập trình tối ưu hóa đến kiểm chuẩn thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình áp dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa bộ thông số động học và góc gốc cảm biến đã mang lại những bước tiến vượt bậc về độ chính xác của thiết bị:

• Sai số khoảng cách đo thực nghiệm giảm từ mức dao động 1.58 mm xuống còn dưới 0.42 mm so với khoảng cách chuẩn đo bởi máy CMM, tương ứng với tỷ lệ cải thiện độ chính xác đạt 73.4%.
• Độ lặp đơn điểm tại 8 vị trí khảo sát được nâng cao rõ rệt, với giá trị độ lệch chuẩn tối đa 2 lần sigma giảm từ mức trung bình 0.85 mm xuống còn khoảng 0.28 mm, cải thiện hơn 67% độ ổn định của phép đo.
• Quá trình tiến hóa của giải thuật di truyền với kích thước quần thể 50 cá thể cho thấy tốc độ hội tụ nhanh chóng, đạt trạng thái tối ưu ổn định sau khoảng 150 đến 200 thế hệ tính toán.
• Thiết bị sau hiệu chỉnh đạt được cấp chính xác tương đương với dòng máy đo thương mại MicroScribe G2X vốn có sai số danh định từ 0.23 mm đến 0.31 mm, hoàn thành trọn vẹn mục tiêu ban đầu đề ra.

Thảo luận kết quả

Sự sai lệch kích thước ban đầu chủ yếu bắt nguồn từ sai số chế tạo cơ khí của vật liệu nhôm 7075, khe hở lắp ghép tại các ổ bi đỡ và độ lệch góc ban đầu tại điểm gốc của encoder. Phương pháp tối ưu hóa đồng thời độ dài các khâu và góc quay điểm gốc đã bù trừ hiệu quả các biến dạng hình học tĩnh trong hệ thống. Dữ liệu thực nghiệm được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường tiến hóa của hàm thích nghi qua các thế hệ và bảng ma trận so sánh sai lệch khoảng cách đa hướng trước và sau hiệu chuẩn.

So với các nghiên cứu quốc tế sử dụng phương pháp tự hiệu chỉnh dựa trên tối ưu bầy đàn chỉ tập trung vào độ chụm đơn điểm, phương pháp hàm mục tiêu kép trong luận văn này cân bằng hoàn hảo giữa độ chính xác vị trí tuyệt đối và độ lặp lại. Việc đối chiếu với tiêu chuẩn quốc tế ASME B89.22-2004 và hướng dẫn VDI 2617 khẳng định tính khoa học của thuật toán bù trừ phần mềm, chứng minh rằng không cần can thiệp thay đổi cấu trúc cơ khí đắt tiền vẫn có thể nâng cấp cấp chính xác của thiết bị đo lường lên gấp 3 lần.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm đạt được, bốn giải pháp trọng tâm được đề xuất nhằm hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi công nghệ tay đo tọa độ:

• Chuẩn hóa quy trình hiệu chuẩn định kỳ: Thiết lập lịch trình tự động hiệu chỉnh lại thông số sau mỗi 500 giờ vận hành hoặc chu kỳ 6 tháng làm việc để duy trì sai số dưới 0.35 mm, do kỹ sư phòng đo lường và kiểm chuẩn thực hiện.
• Nâng cấp phần cứng hệ thống cảm biến: Thay thế dòng encoder từ tính 2048 xung/vòng hiện tại bằng cảm biến quang học tuyệt đối có độ phân giải từ 4096 xung/vòng đến 8192 xung/vòng trong vòng 12 tháng tới nhằm loại bỏ triệt để bước tìm điểm gốc thủ công, do bộ phận nghiên cứu và phát triển phần cứng đảm nhiệm.
• Tích hợp mô hình bù sai số phi động học: Bổ sung thuật toán bù trừ biến dạng do nhiệt độ môi trường từ 20 độ C đến 35 độ C và độ võng trọng lực của các khâu cơ khí trong vòng 9 tháng tới, do nhóm nghiên cứu cơ điện tử triển khai nhằm giảm thêm 10% đến 15% sai số tổng thể.
• Xây dựng phần mềm đo kiểm giao diện trực quan: Phát triển module phần mềm nhúng có khả năng tính toán bù trừ thời gian thực với độ trễ xử lý dưới 5 mili giây trong quý 2 năm tới, do kỹ sư lập trình hệ thống phối hợp với chuyên gia đo lường hoàn thiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị tham khảo chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy: Học hỏi phương pháp thiết lập mô hình động học Denavit-Hartenberg 5 bậc tự do và kỹ thuật gá đặt đầu dò qua khớp cầu IKO LHS 8 để tự chế tạo thiết bị đo tọa độ di động với chi phí thấp hơn 70% so với mua máy ngoại nhập.
• Chuyên gia đo lường và kiểm soát chất lượng: Ứng dụng quy trình đánh giá sai số theo chuẩn quốc tế ASME B89.22-2004 để kiểm tra độ lặp 2 lần sigma và độ chính xác kích thước cho các chi tiết phức tạp trong nhà máy gia công cơ khí chính xác.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Cơ điện tử và Robot: Tiếp cận tài liệu học thuật thực tế về việc áp dụng giải thuật di truyền mã hóa nhị phân để giải bài toán tối ưu hóa phi tuyến phức tạp trong hệ thống cơ điện tử thực tế.
• Doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu và thiết kế ngược: Tận dụng giải pháp số hóa biên dạng 3D linh hoạt bằng tay đo di động để tái tạo hình học bề mặt chi tiết nhanh chóng mà không cần trang bị hệ thống máy CMM cố định cồng kềnh.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao nghiên cứu lại chọn giải thuật di truyền thay vì phương pháp bình phương cực tiểu? Phương pháp bình phương cực tiểu truyền thống rất dễ bị rơi vào điểm cực trị cục bộ khi không gian tìm kiếm chứa nhiều tham số phi tuyến. Giải thuật di truyền với cơ chế lai ghép và đột biến ngẫu nhiên giúp tìm kiếm toàn cục hiệu quả qua 200 thế hệ, tìm ra bộ thông số tối ưu tuyệt đối cho tay đo.

• Sai số đo đạc của tay đo sau khi hiệu chỉnh đạt mức bao nhiêu? Trước khi hiệu chỉnh, sai số dao động từ 0.5 mm đến 2.0 mm trên đoạn đo 200 mm. Sau khi tối ưu hóa bộ thông số động học bằng giải thuật di truyền, sai số khoảng cách giảm xuống dưới 0.42 mm và độ lệch chuẩn đơn điểm chỉ còn khoảng 0.28 mm, đáp ứng tốt yêu cầu đo kiểm công nghiệp.

• Việc gá đầu dò vào máy CMM có ưu thế gì so với việc dùng tấm cầu chuẩn? Phương pháp gá trực tiếp vào máy CMM qua khớp nối cầu giúp tận dụng độ chính xác micromet của CMM làm hệ quy chiếu mà không cần đầu tư các tấm cầu chuẩn 3D đắt tiền. Kỹ thuật này giúp rút ngắn hơn 50% thời gian đo đạc và giảm thiểu đáng kể chi phí thực nghiệm.

• Cảm biến góc quay được sử dụng trong tay đo có đặc tính kỹ thuật như thế nào? Thiết bị sử dụng cảm biến góc quay từ tính Sony RE90B có độ phân giải 2048 xung/vòng kết nối với vi điều khiển PIC. Cảm biến có độ không chắc chắn đo lường khoảng 3 xung và được xác định lại giá trị góc gốc thông qua quy trình hiệu chuẩn cấp độ 1.

• Kết cấu cơ khí dạng 2-1-2 mang lại ưu điểm gì cho thiết bị tay đo 5 bậc tự do? Cấu trúc 2-1-2 với toàn bộ khớp xoay chế tạo từ hợp kim nhôm 7075 giúp tay đo đạt độ linh hoạt tối đa khi tiếp cận các bề mặt rãnh hoặc lỗ nghiêng phức tạp, đồng thời duy trì độ cứng vững cơ học tốt và giảm trọng lượng cho người vận hành.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích toàn diện cấu trúc động học tay đo 5 bậc tự do dạng 2-1-2 và xác định các nguồn gốc gây ra sai số cơ học, cảm biến.
• Đề xuất thành công phương pháp thực nghiệm kết hợp tay đo với máy CMM chuẩn thông qua khớp cầu IKO LHS 8 để thu thập dữ liệu hiệu chuẩn chính xác.
• Xây dựng hàm mục tiêu đa tiêu chí theo chuẩn ASME B89.22-2004 và áp dụng thành công giải thuật di truyền để tìm bộ thông số động học tối ưu.
• Giảm sai số đo khoảng cách thực tế từ 1.58 mm xuống dưới 0.42 mm và cải thiện hơn 67% độ lặp đơn điểm của thiết bị.
• Đạt cấp chính xác tương đương thiết bị thương mại MicroScribe G2X, chứng minh tính khả thi cao trong việc nội địa hóa máy đo tọa độ di động.

Kế hoạch phát triển trong 6 đến 12 tháng tới tập trung vào việc nâng cấp cảm biến quang tuyệt đối 4096 xung/vòng và tích hợp thuật toán bù sai số nhiệt độ môi trường. Các đơn vị sản xuất và viện nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng ngay phương pháp luận này để nâng cao độ chính xác cho hệ thống thiết bị đo kiểm 3D nội địa.

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.