Chương 1 trình bày tổng quan về đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay. Định nghĩa và phân tích rõ về sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 12180-1:2011 trong mục 1.3 trình bày các phương pháp 4 đo biên dạng; phân tích ưu điểm, nhược điểm của các phương pháp đo này; phương pháp đo biên dạng bằng quét laser. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay trong mục 1.5 là kết luận các nội dung nghiên cứu chính của luận án.2 Định nghĩa về sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay Sai lệch khi đo biên dạng chi tiết tròn xoay cơ bản giống các sai lệch khi xác định biên dạng hình trụ theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 12180-1:2011 [1], Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 5906 : 2007 [9] và TCVN 7294 -1: 2003 [10]. Định nghĩa về mặt toán học vùng dung sai bao gồm một tập hợp các điểm Pi nằm trong hai hình trụ giới hạn có bán kính r1 và r2 (r1 < r2) (Hình 1.
2: Các điểm nằm trong dung sai [1]. Sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay được chia thành các dạng như sai lệch đường tâm chỉ ra trên Hình 1.3, sai lệch hướng tâm Hình 1.4 và sai lệch mặt cắt mô tả trên Hình 1. 3: Sai lệch đường tâm [1]. 4: Sai lệch hướng tâm [1].
5: Sai lệch mặt cắt [1]. - Sai lệch đường tâm: độ lệch trong phôi hình trụ danh nghĩa có trục cong (ở chế độ phẳng hoặc không gian), nhưng có tiết diện là hình tròn và bán kính không đổi. - Sai lệch hướng tâm, nghĩa là các biến thể trong kích thước mặt cắt ngang: độ lệch trong phôi hình trụ danh nghĩa có tất cả các mặt cắt ngang hình tròn và đồng tâm với một trục thẳng, nhưng đường kính của nó thay đổi dọc theo trục có quy luật đơn giản hoặc phức tạp hoặc ngẫu nhiên (độ lệch điển hình bao gồm hình nón, dạng thùng hoặc dạng phức tạp hơn). - Sai lệch mặt cắt: độ lệch trong phôi hình trụ danh nghĩa có mặt cắt ngang cùng kích thước và hình dạng, nhưng không tròn (Sai lệch độ tròn của mặt cắt ngang phát sinh từ quá trình chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay hoặc kết hợp).
Các sai lệch trên được đánh giá bằng các thông số độ tròn, độ trụ, độ thẳng: - Sai lệch độ tròn là khoảng cách lớn nhất ∆m từ các điểm của biên dạng thực tới các điểm tương ứng trên đường tròn áp. 6: Sai lệch độ tròn. - Sai lệch độ thẳng là khoảng cách lớn nhất ∆s từ các điểm trên đường thẳng thực tới đường thẳng áp. 7: Sai lệch độ thẳng.
- Sai lệch độ trụ là khoảng cách lớn nhất ∆ từ các điểm của biên dạng thực tới các điểm tương ứng trên đường tròn áp chạy dọc trên toàn bộ chiều dài được gọi ra của đối tượng. 8: Sai lệch độ trụ.3 Các phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay Bất kỳ bề mặt cong ba chiều (3D) nào của chi tiết đều có thể đại diện bởi một tập hợp các điểm đã biết tọa độ (x, y, z) và sau đó sử dụng một mô hình toán học để mô tả hình dạng bề mặt dựa trên những điểm này. Do đó, mục tiêu cuối cùng của kỹ thuật đo lường biên dạng 3D cho cả hai phương pháp tiếp xúc và không tiếp xúc là xác định tọa độ Descartes của các điểm trên bề mặt chi tiết đo [11], [12]. Mỗi một phương pháp đo biên dạng 3D đều có ưu nhược điểm khác nhau nên tùy vào từng mục đích, tùy vào từng loại sản phẩm, yêu cầu sai số, … để người sử dụng lựa chọn phương pháp, loại thiết bị đo cho phù hợp.
9: Các phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay. Trong công nghiệp các phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay được chia thành nhiều loại: - Phân loại dựa vào tính chất chuyển động của chi tiết và đầu đo có các phương pháp đo như phương pháp đo với chi tiết chuyển động, đầu đo đứng yên; phương pháp với chi tiết đứng yên, đầu đo chuyển động và phương pháp kết hợp cả chi tiết, đầu đo đều chuyển động (Hình 1. Phương pháp với chi tiết đo chuyển động đòi hỏi phải có cơ cấu gá đặt chi tiết cứng vững, yêu cầu độ chính xác của chuyển động quay, tịnh tiến cao. Phương pháp với đầu đo chuyển động yêu cầu dịch chuyển đầu đo phải rất chính xác.
Với các thiết bị đo biên dạng yêu cầu độ chính xác cao thường lựa chọn giải pháp đầu đo cố định khi đo và chi tiết đo chuyển động [13]. - Phân loại dựa vào mối quan hệ giữa cảm biến đo và chi tiết đo ta có phương pháp đo tiếp xúc và không tiếp xúc. Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp xúc là độ chính xác cao, thời gian đo chậm, khó thực hiện trực tiếp trên dây chuyền sản xuất. Với phương pháp đo không tiếp xúc cho tốc độ đo nhanh, dễ dàng lắp đặt trên dây chuyển sản xuất và độ chính xác ngày càng được nâng cao.1 Phương pháp đo biên dạng 3D tiếp xúc Phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo tồn tại một áp lực gọi là áp lực đo.
Ví dụ như đo bằng dụng cụ đo cơ khí quang, cơ, điện tiếp xúc, …áp lực này làm cho vị trí đo ổn định vì thế kết quả đo tiếp xúc rất ổn định. Tuy nhiên, do có áp lực đo mà khi đo tiếp xúc không tránh khỏi sai số do các biến dạng có liên quan đến áp lực đo gây ra, đặc biệt là khi đo các chi tiết bằng vật liệu mềm, dễ biến dạng hoặc có các hệ đo kém cứng vững [11], [14]. Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo như các máy đo ba tọa độ (CMM – Coordinate measuring machine), máy đo biên dạng tiếp xúc, máy đo độ tròn đầu tiếp xúc,. Tiêu biểu và phổ biến hiện nay trong công nghiệp của phương pháp đo 3D tiếp xúc là máy đo CMM (Hình 1.
Các máy đo 3D đầu tiên xuất hiện vào những năm 1960 và chủ yếu bao gồm các thiết bị đo được trang bị với đầu đọc kỹ thuật số (DRO) được sử dụng để hiển thị tọa độ X, Y, Z. Một số công ty tuyên bố đã phát minh ra máy đo tọa độ, thường được gọi là CMM. CMM đầu tiên được phát minh bởi công ty DEA của Ý (hiện là một phần của Tập đoàn Hexagon), đã giới thiệu Điều khiển số máy tính (CNC) và CMM được trang bị đầu dò tiếp xúc và bộ hiển thị tọa độ số vào cuối những năm 1950. Ngày nay, có rất nhiều hãng lớn tham gia chế tạo máy đo CMM như Mitutoyo, Hexagon, Nikon, Rational, Carmar, Carl Zeiss, … với các chức năng đo tự động hoặc bán tự động [12].
10: Máy đo biên dạng tiếp xúc. a) Máy đo ba chiều CMM, b) Máy đo độ tròn chuyên dụng. Để đo biên dạng 2D, 3D chi tiết trụ với độ chính xác cao hiện nay trong công nghiệp sử dụng máy đo độ tròn chuyên dụng (Hình 1. Phương pháp đo này sử dụng hệ tọa độ cực theo đúng định nghĩa về sai lệch biên dạng trụ nên cho độ chính xác cao, phản ánh đầy đủ và trung thực nhất biên dạng chi tiết đo.
Thiết bị đo độ tròn sử dụng một đầu đo thẳng, tiếp xúc và đặt hướng kính. Khi chi tiết quay (Tâm quay phải trùng tâm chi tiết) thông tin thu được từ đầu đo phản ánh sự thay đổi bán kính tại từng góc quay và khi chi tiết quay hết một vòng quay sẽ thu được biên dạng của mặt cắt [1]. Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo từng điểm, mỗi điểm được xác định khi đầu dò tiếp xúc cơ học với bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu các tọa độ điểm đo trên hệ tọa độ máy với thời gian xác định mỗi điểm đo lên đến 9 phần mười giây và các thao tác đo nhiều do đó dù có độ chính xác khá cao nhưng để đo một chi tiết thường mất nhiều thời gian và khó thực hiện trên dây chuyền sản xuất [12], [15]. Ngoài ra, với đầu đo tiếp xúc độ chính xác cao (đầu đo máy đo độ tròn) thì phạm vi đo lại bị giới hạn (vài trăm micromet) khi đo biên dạng tròn xoay có thay đổi bán kính lớn là một trở ngại.
Ngoài ra, với phương pháp đo biên dạng tiếp xúc yêu cầu đầu đo phải được hiệu chỉnh thường xuyên, kết cấu hệ thống đo phức tạp, khó thực hiện trực tiếp trên dây chuyền sản xuất. Ngoài phương pháp sử dụng các đầu đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết người ta còn sử dụng các dưỡng kiểm biên dạng. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là không kiểm soát hết được các lỗi biên dạng và chủ yếu mang tính định tính, không đưa ra được sai lệch biên dạng để điều chỉnh quá trình sản xuất. 11: Dưỡng kiểm tra biên dạng.2 Phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp đo sử dụng hệ thống quang học, giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo không có áp lực đo [12], [15].
Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm, laser và các phương pháp sử dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạng phương pháp chính là: quét chủ động (Active) và quét bị động (Passive) [16], [17] (Hình 1. Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp đo bị động thường có tốc độ đo nhanh hơn. Hầu hết các thiết bị đo sử dụng camera làm cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao có thể đến hàng triệu ảnh trong một giây, số điểm đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh, có khả năng đo quét các chi tiết trực tuyến [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]. 12: Phân loại phương pháp đo không tiếp xúc quang học [24].
13: Một số dạng máy đo biên dạng không tiếp xúc. a) Máy phóng hình, b) Máy đo quét laser, c) Máy đo khoảng cácch laser, d) Máy đo bằng ánh sáng cấu trúc. 11 - Phương pháp đo không tiếp xúc chủ động chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ, phản xạ của bề mặt chi tiết để xác định điểm đo; có các nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam giác lượng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc) [24].