Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa sản xuất cơ khí chính xác, việc kiểm soát chất lượng bề mặt và độ tròn của các chi tiết tròn xoay đóng vai trò quyết định đến độ bền cơ học và tính năng hoạt động của thiết bị. Các phương pháp đo tiếp xúc truyền thống sử dụng panme, thước cặp hoặc đồng hồ so kết hợp khối V thường có năng suất thấp và sai số đo lường dao động từ 5 đến 10 micromet. Khi kiểm tra các chi tiết có độ cứng bề mặt thấp, lực tỳ tiếp xúc dễ gây biến dạng cục bộ, đồng thời quy trình thủ công làm kéo dài thời gian kiểm chuẩn của dây chuyền lên hơn 60% và hoàn toàn không thể thực hiện khi chi tiết đang chuyển động.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử tại Đại học Bách khoa Hà Nội tập trung giải quyết bài toán cấp thiết này với đề tài nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết sử dụng quét laser. Mục tiêu cụ thể của đề tài là làm chủ nguyên lý đo vi sai quang học bằng chùm laser quét, phân tích toàn diện các nguồn gây sai số quang hình học và xây dựng giải thuật đảo ngược để tái tạo biên dạng 2D của chi tiết tròn xoay. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên hệ thống đo kết hợp đầu phát laser quét đa giác và bàn xoay quang học chính xác cao tại phòng thí nghiệm chuyên ngành ở Hà Nội trong năm 2020.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện rõ qua việc thiết lập giải pháp đo không tiếp xúc có độ chính xác dưới 2 micromet và thời gian thu thập dữ liệu chỉ mất khoảng 1,5 giây cho một chu trình quay 360 độ. Kết quả nghiên cứu mở ra khả năng tự chủ công nghệ sản xuất thiết bị đo kiểm trong nước, đặc biệt phục vụ kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt các chi tiết vũ khí và khí tài quân sự, giúp tiết kiệm hơn 45% chi phí so với việc nhập khẩu thiết bị từ các hãng đo lường quốc tế như Mitutoyo hay Keyence.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng quang hình học kết hợp cơ điện tử chính xác và lý thuyết đo lường sai số hình học. Trọng tâm là mô hình truyền tia laser qua hệ thống gương đa giác quay kết hợp thấu kính chuẩn trực F-theta nhằm biến đổi vận tốc quét góc không đổi thành vận tốc quét tuyến tính song song không đổi trên toàn bộ trường đo. Khái niệm cốt lõi thứ hai là nguyên lý vi sai xung thời gian quang điện, xác định kích thước hình học dựa trên khoảng thời gian vật chắn chùm tia chiếu tới cảm biến photodiode.

Nghiên cứu áp dụng lý thuyết bài toán đảo ngược và hình học tọa độ cực để bóc tách sai lệch hình dáng thực của chi tiết khỏi sai số gá đặt lệch tâm. Đồng thời, mô hình phân tích tán xạ ánh sáng được sử dụng để đánh giá biến dạng sườn xung điện áp khi chùm laser quét qua các bề mặt có độ nhám biến thiên từ 0,2 đến 3,2 micromet, cũng như ảnh hưởng của màng dầu cơ học bám dính do hiệu ứng sức căng bề mặt với bán kính cong cục bộ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng giải tích toán học và kiểm chứng thực nghiệm trong thời gian 12 tháng từ tháng 11 năm 2019 đến tháng 11 năm 2020. Về đối tượng thực nghiệm, cỡ mẫu gồm 3 chi tiết mẫu chuẩn hình trụ kim loại có đường kính danh nghĩa lần lượt là 10,59 mm, 20 mm và 34 mm. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích đại diện cho các dải kích thước trục cơ khí phổ biến trong chế tạo máy và công nghiệp quốc phòng.

Hệ thống thiết bị thực nghiệm gồm đầu đo vi sai laser quét tốc độ cao, bàn xoay quang học có độ phân giải góc 0,01 độ và bộ điều khiển giao tiếp máy tính xử lý số liệu thời gian thực. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích tín hiệu xung thời gian số hóa là nhằm loại bỏ triệt để nhiễu do biến động nhiệt độ môi trường từ 20 đến 35 độ C, đồng thời hỗ trợ thuật toán lọc Fourier tách biệt sai số độ tròn và độ đảo trục quay một cách chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, việc hiệu chuẩn quang học giữa gương đa giác và quang trục thấu kính giúp giảm thiểu sai số phi tuyến của vận tốc quét chùm tia từ 4,2% xuống dưới 0,15%, đảm bảo chùm tia quét tịnh tiến song song tuyệt đối trên toàn bộ dải đo 50 mm.

Thứ hai, thực nghiệm trên mẫu chuẩn đường kính 10,59 mm tại 3 vị trí mặt cắt khác nhau cho thấy sai số lặp lại cực đại chỉ 0,0018 mm, tương đương độ chính xác đo lường cải thiện hơn 85% so với phương pháp đo tiếp xúc truyền thống bằng đồng hồ so trên khối V.

Thứ ba, dữ liệu thực nghiệm đo mẫu đường kính 20 mm và 34 mm khẳng định thuật toán đảo ngược đã tách thành công sai lệch biên dạng thực khỏi độ lệch tâm gá đặt với giá trị lệch tâm ghi nhận từ 0,02 mm đến 0,08 mm.

Thứ tư, khi độ nhám bề mặt mẫu tăng từ Ra 0,4 micromet lên Ra 1,6 micromet, độ dốc của sườn xung điện áp thu được tại photodiode giảm khoảng 18%, tuy nhiên mạch so sánh ngưỡng xung điện áp đã xử lý triệt để hiện tượng này, loại bỏ hoàn toàn sai số quang điện khi xác định biên cạnh.

Thảo luận kết quả

Độ chính xác vượt trội của hệ thống xuất phát từ sự kết hợp tối ưu giữa nguồn quang học laser quét song song tốc độ cao và thuật toán xử lý hình học đảo ngược. Khi chi tiết quay trọn vẹn 360 độ trên bàn xoay quang học, hệ thống thu thập 360 điểm đo kích thước tương ứng với từng vị trí góc, tạo thành ma trận dữ liệu tọa độ cực để phần mềm phân tích tức thời.

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa thông qua bảng thông số kích thước và biểu đồ biên dạng trong hệ tọa độ cực. Biểu đồ biên dạng thể hiện rõ ràng độ không tròn, độ méo 3 cạnh và hướng lệch tâm hình học so với tâm quay lý thuyết của bàn máy. So với các thiết bị đo đường kính laser của Mitutoyo hoặc Keyence chỉ xuất ra giá trị đường kính tĩnh, giải pháp trong công trình này tái tạo toàn diện đường bao hình học 2D với chi phí chế tạo mô hình thiết bị thấp hơn 55% so với máy đo tọa độ ba chiều chuyên dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, tác giả đưa ra bốn giải pháp trọng tâm nhằm ứng dụng rộng rãi công nghệ đo laser quét vào sản xuất:

Thứ nhất, hoàn thiện kết cấu cơ khí và module hóa thiết bị đo biên dạng laser quét nhằm đạt tiêu chuẩn công nghiệp IP65, nâng tần số quét lên 1000 Hz và rút ngắn thời gian đo xuống dưới 1 giây cho mỗi chi tiết trong vòng 6 tháng tới, do nhóm nghiên cứu cơ điện tử phối hợp với các viện máy công cụ thực hiện.

Thứ tư, xây dựng bộ tiêu chuẩn cơ sở và phần mềm phân tích sóng hài Fourier bậc cao để đánh giá độ gợn sóng bề mặt từ dữ liệu quét laser, do các kỹ sư kiểm chuẩn chất lượng và chuyên gia đo lường hoàn thiện trong thời gian 9 tháng.

Thứ hai, tích hợp hệ thống quang học đa đầu đo gồm 2 đến 3 cặp đầu phát thu đặt vuông góc để kiểm tra đồng thời biên dạng không gian 3D của chi tiết trục dài, hướng tới mục tiêu giảm sai số đo độ trụ xuống dưới 1 micromet trong kế hoạch 12 tháng tại các phòng thí nghiệm trọng điểm.

Thứ ba, triển khai thử nghiệm giải pháp đo không tiếp xúc trực tiếp trên dây chuyền gia công cơ khí chính xác tại các nhà máy sản xuất linh kiện và xí nghiệp cơ khí quốc phòng, nhằm mục tiêu giảm 95% tỷ lệ phế phẩm biên dạng trước quý 4 năm sau.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho bốn nhóm đối tượng:

  1. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển cơ điện tử, quang cơ học: Vận dụng mô hình quang học gương đa giác và thấu kính chuẩn trực để thiết kế các thiết bị đo kiểm không tiếp xúc thế hệ mới.

  2. Cán bộ quản lý chất lượng tại nhà máy chế tạo cơ khí: Ứng dụng giải pháp đo quang học tự động vào dây chuyền sản xuất nhằm giảm hơn 50% thời gian dừng máy kiểm chuẩn sản phẩm.

  3. Kỹ sư công nghệ tại các xí nghiệp công nghiệp quốc phòng: Tiếp cận phương pháp đo đảo ngược để kiểm soát độ chính xác hình học nghiêm ngặt của chi tiết vũ khí đạn dược mà không phụ thuộc vào thiết bị nước ngoài.

  4. Giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Đo lường: Sử dụng toàn bộ hệ thống giải thuật toán học, sơ đồ khối mạch điện và kết quả thực nghiệm làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp đo biên dạng bằng laser quét có ưu điểm vượt trội gì so với đo tiếp xúc? Phương pháp quét laser hoàn toàn không tác động lực lên bề mặt, triệt tiêu nguy cơ biến dạng chi tiết mềm và loại bỏ độ mòn đầu đo. Trong khi đo tiếp xúc bằng panme mất khoảng 30 giây cho một vị trí, hệ thống laser chỉ mất dưới 2 giây để quét 360 điểm biên dạng với độ lặp lại sai số đạt 0,0018 mm.

2. Độ nhám bề mặt và màng dầu ảnh hưởng ra sao đến kết quả đo của tia laser? Độ nhám cao gây hiện tượng tán xạ ánh sáng làm sườn xung điện áp bị nghiêng, còn màng dầu bám dính có thể làm tăng kích thước đo thêm từ 0,005 đến 0,015 mm do sức căng bề mặt. Luận văn đã giải quyết bằng thuật toán lọc ngưỡng số hóa xung và quy trình làm sạch mẫu trước khi đo.

3. Tại sao cần kết hợp gương đa giác quay với thấu kính F-theta trong thiết bị LSM? Gương đa giác quay giúp chuyển đổi tia laser điểm thành chùm tia quét góc rộng nhưng vận tốc quét không tuyến tính. Thấu kính F-theta có chức năng nắn dòng quét góc thành chùm tia quét song song tịnh tiến với vận tốc không đổi, đảm bảo hệ số chuyển đổi thời gian sang kích thước đạt độ chính xác 99,85%.

4. Thuật toán đảo ngược trong nghiên cứu giải quyết vấn đề kỹ thuật nào? Khi gá đặt chi tiết lên bàn xoay quang học, tâm chi tiết luôn có độ lệch từ 0,02 đến 0,08 mm so với tâm quay thực. Thuật toán đảo ngược sử dụng phân tích hàm điều hòa tọa độ cực để bóc tách sai số lệch tâm ra khỏi tín hiệu thu nhận, tái tạo chính xác độ không tròn thực tế.

5. Hệ thống đo này có khả năng ứng dụng trực tiếp trên dây chuyền tự động không? Hệ thống hoàn toàn có thể tích hợp trực tiếp vào dây chuyền sản xuất tự động nhờ nguyên lý đo không tiếp xúc với dải đo linh hoạt từ 0,1 mm đến 34 mm. Thời gian xử lý tín hiệu chỉ vài mili-giây cho phép thiết bị phân loại sản phẩm đạt chuẩn tự động với độ tin cậy 100%.

Kết luận

  • Xây dựng thành công cơ sở lý thuyết quang hình học và phương pháp vi sai xung thời gian cho hệ thống đo biên dạng quét laser.
  • Phát triển hoàn thiện thuật toán đảo ngược giúp triệt tiêu sai số lệch tâm gá đặt và tái tạo chính xác biên dạng chi tiết tròn xoay.
  • Chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình đo thực nghiệm với độ lặp lại sai số cực đại đạt mức 0,0018 mm.
  • Khảo sát toàn diện ảnh hưởng của độ nhám bề mặt từ 0,4 đến 1,6 micromet và hiện tượng bám dính chất lỏng đến chất lượng tín hiệu đo.
  • Đề xuất lộ trình 12 tháng nâng cấp hệ thống quang học đa trục phục vụ sản xuất công nghiệp và chế tạo quốc phòng.

Công trình khẳng định khả năng làm chủ công nghệ đo lường hiện đại và mở ra tiềm năng ứng dụng sâu rộng trong sản xuất cơ khí chính xác tại Việt Nam. Các đơn vị sản xuất và viện nghiên cứu có thể liên hệ tác giả để tiếp nhận chuyển giao giải pháp công nghệ đo tiên tiến này.