Luận văn: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết bằng công nghệ quét laser

Luận văn nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết sử dụng quét laser. Giải pháp đo lường hiện đại, chính xác, ứng dụng trong gia công cơ khí.

• Tác giả: Phạm Duy Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Hồng Hải
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Đo Biên Dạng Chỉ Tiết Sử Dụng Quét Laser
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp đo biên dạng bằng quét laser

Phương pháp đo biên dạng quét laser là một công nghệ hiện đại trong lĩnh vực đo lường chính xác. Phương pháp này sử dụng tia laser để quét và phân tích hình dạng của các chi tiết cơ khí, đặc biệt là những chi tiết hình tròn xoay. So với các phương pháp đo truyền thống như đo hai tiếp điểm hay ba tiếp điểm, quét laser chính xác cao mang lại độ chính xác vượt trội, tốc độ đo nhanh chóng và khả năng kiểm soát sai số tốt hơn. Công nghệ này đã được các hãng đo lường quốc tế nổi tiếng như Mitutoyo, Keyence áp dụng rộng rãi. Ứng dụng của đo biên dạng laser quét không chỉ nâng cao tự động hóa trong sản xuất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm giá thành sản xuất.

1.1. Lý do chọn phương pháp đo biên dạng quét laser

Các phương pháp đo truyền thống chỉ phù hợp với bề mặt không bị khuyết tật và có hiệu suất công việc thấp. Quét laser chính xác cao giải quyết những hạn chế này bằng cách cung cấp độ chính xác cao hơn, tốc độ đo nhanh và khả năng đo trực tiếp trên các dây chuyền sản xuất. Đối với các chi tiết cần độ chính xác cao hoặc đang chuyển động, phương pháp này là giải pháp tối ưu.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng bằng laser quét giúp làm rõ cơ sở lý thuyết và công nghệ đo hiện đại. Phương pháp này đặc biệt quan trọng trong sản xuất quốc phòng, nơi yêu cầu chất lượng nghiêm ngặt nhưng bị hạn chế trong mua sắm thiết bị nước ngoài.

II. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị Laser scan micrometer

Laser scan micrometer (LSM) hoạt động dựa trên nguyên tắc quét tia laser lên bề mặt chi tiết để đo lường kích thước và biên dạng. Thiết bị này phát ra một tia laser chạy ngang qua chi tiết, đo thời gian phản xạ ánh sáng để xác định vị trí bề mặt. Sơ đồ khối chức năng của máy đo quét laser bao gồm: nguồn laser, hệ thống quét, cảm biến nhận tín hiệu và bộ xử lý dữ liệu. Quan hệ giữa tín hiệu đo và kích thước chi tiết được thiết lập thông qua các phương trình toán học chính xác. Ứng dụng của phương pháp đo bằng laser quét rất đa dạng, từ đo đường kính, chiều dài, đến phát hiện sai lệch hình dạng.

2.1. Nguyên tắc phát sinh tín hiệu đo

Thiết bị quét laser chính xác cao phát ra một tia laser hẹp quét ngang qua chi tiết. Khi laser chạm vào bề mặt, ánh sáng phản xạ được cảm biến quang học nhạy cảm thu nhận và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được xử lý để xác định chính xác vị trí bề mặt chi tiết tại từng điểm quét.

2.2. Ứng dụng trong kiểm tra chất lượng sản phẩm

Phương pháp đo biên dạng laser quét được áp dụng để kiểm soát sai lệch hình dạng chi tiết ngay trong quá trình gia công. Ứng dụng này giúp phát hiện sớm các lỗi biên dạng, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm tỉ lệ phế phẩm trong sản xuất công nghiệp.

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của đo biên dạng

Độ chính xác của quét laser chính xác cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Các nguyên nhân gây sai số bao gồm: độ phân giải của hệ thống quét, nhiễu trong quá trình truyền tín hiệu, độ ổn định nhiệt độ của thiết bị, chất lượng bề mặt chi tiết, và các tham số cài đặt của máy. Phương pháp đo biên dạng bằng laser đòi hỏi hiệu chỉnh cẩn thận và kiểm soát môi trường đo. Để khắc phục sai số, cần thực hiện tính toán sai số lý thuyết, xây dựng mô hình toán học chính xác và áp dụng các biện pháp điều chỉnh. Phương pháp đảo ngược sử dụng dữ liệu đo để tái thiết lập hình dạng chính xác của chi tiết là giải pháp hiệu quả.

3.1. Nguyên nhân gây sai số trong đo lường

Sai số trong phương pháp đo biên dạng laser quét có thể xuất phát từ độ phân giải quét không đủ cao, nhiễu tín hiệu, sai lệch trong hiệu chỉnh ban đầu, hoặc ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm môi trường. Các yếu tố này cần được xác định và đánh giá để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo.

3.2. Biện pháp khắc phục sai số

Để nâng cao độ chính xác của quét laser chính xác cao, cần thực hiện các biện pháp như: hiệu chỉnh định kỳ thiết bị, sử dụng các mô hình toán học sửa chữa, tối ưu hóa tham số quét, kiểm soát điều kiện môi trường, và áp dụng phương pháp đảo ngược để xác định hình dạng thực tế chi tiết.

IV. Xây dựng thiết bị và quy trình thực nghiệm đo biên dạng

Quy trình xây dựng thiết bị đo biên dạng quét laser bao gồm nhiều bước: thiết kế sơ đồ khối chức năng, lựa chọn các linh kiện laser và cảm biến chất lượng cao, tích hợp hệ thống điều khiển và xử lý tín hiệu, và thực hiện các bài kiểm tra hiệu chỉnh. Phương pháp đo biên dạng bằng laser cần được xác minh thông qua thực nghiệm trên các chi tiết chuẩn và chi tiết thực tế. Kết quả thực nghiệm phải được so sánh với các phương pháp đo truyền thống để xác nhận tính đúng đắn. Thiết bị phải đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác, tốc độ đo, và khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện sản xuất công nghiệp.

4.1. Thiết kế và lắp ráp hệ thống đo

Quét laser chính xác cao yêu cầu thiết kế cạnh tranh các thành phần quang học, cơ khí, và điện tử. Cần lựa chọn laser có độ phân giải cao, cảm biến quang phát hiện chính xác, và hệ thống quét ổn định. Các bộ phận phải được lắp ráp với độ chính xác cao để đảm bảo hoạt động tối ưu.

4.2. Quy trình hiệu chỉnh và kiểm tra thực nghiệm

Phương pháp đo biên dạng laser quét phải trải qua các bước hiệu chỉnh trên chi tiết chuẩn và kiểm tra trên chi tiết thực tế. Kết quả thực nghiệm được so sánh với dữ liệu từ các thiết bị đo tham chiếu để xác nhận độ chính xác, lặp lại, và tính ổn định của hệ thống đo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 giúp tác giả giải quyết được một số vẫn để sau: -_ Lý đo chọn để tài nghiên cứu -_ Cơ sở khoa học, tính thực Hễn. -_ Nẽu được mục tiêu, các kết quả cân dat dược sau khi thực biện đê tải, lập nội dung cân thực hiện và các bước được giải quyết -_ Xây dựng Nội dung trình bảy của dễ tài 4.1 Lara chon va xây đựng thiết bị đo.1 Sử dụng dan do ctta thiét bi do LSM.12 Bàn xoay quang học. 4,1,3 Hệ diều khiển và phần môm:.2 Thực nghiệm trên thiết bị đo.1 Vật mẫu thực nghiệm đường kính á= 10,59 mm.2 Thực nghiệm do vật mẫu đường kink d-20 mm.3 Vật mẫu thực nghiệm đo đường kinh d= 34 mm.3 Kết luận chương 4. ‘TAE LIEU SHAM KLIAO.0: Đồ thị mỗi quan bệ vận tốc quét ctia tia song song với vị trì của tia quét góc | 9/ Hinh 3.10: nh toàn kết quả đo khi chỉ tiết đối xưng với trục của 1 Hình 3.11: So sảnh kết qua do khi chỉ tiết dối xứng và không dấi xứng với guang Dục lự phản xạ của (la quét trồn bễ mặt chỉ tiết do Tác mức điện áp của xung tẾ bào quang điệt Hinh 3.14: Vị trị các mặt cắt của tia quốt laser trên cạnh cúc chỉ tiết nhẫn và nhám.15: Sy khée nhau vé dang xung ra ca t bao quang dign khi do chi vét nhẫn và nhằm.16: Sy khae nhau vé dạng xuxưng ra của lỗ bào quang điện khi đo các chỉ tiết cá chiều cao nhám khác nhan.17: Sự khác nhau về dang xungx ra ctia 18 bdo quang dién khi do ede chi tiất có biên đợng nhằm khác nhau.18: Hơn lec bam dinh lén bé mặt chỉ tiết của mội git lông do hiệu ứng sức căng bỀ mặt.19: Nguyên lý thiết bị T.20: Nguyên lý phương phảp đâo ngược.1: Hai đầu da ctta thiét bi LSM.2: Phạm vì đo lường và độ chính xác cũa L.8: Bàn xoay: quang học.4: Thí nghiệm đo sử dụng bàn xoay quang học.5: Hệ thông diễu khiến Hình 4.6: Giao điện phần mẫm do.7: Vit mud 10,59 mn Hình 4.8: Phẩn mềm hiến tị kích thước Áo vị maud=10,59 mm.0: Vật mẫu d 34mm.1: Bién dang val mdu d=10,59 mm (vi ti 1).

ệch tâm của vật mẫu d— 10,59 mm (vị trí 1) in dang val mdu d=10,59 mm (vi trí 2) - Đô thị 4.4: Độ lệch tâm của mẫu d_ 10,39 ram (vi trí 2) 7 iên dang vat mau d—10,59 (vi tri 3). ich tim vat mau d 10.7: Biên dạng vật mẫu d—20mm (vị trí 1).8: Độ lệch tâm của mẫu d_ 20mm (vị tri 1).9: Hiên dạng vật mẫu d—20 mm (vị trí 2).10: Độ lệch tâm của mẫu d_ 20 mơ fvị trí 2 Đổ thị 4.11: Biên dạng mẫu d_ 34mm (vị trí 1).12:D6 lech tam cita mau d—34mm (vi trí 1).13: £36 thi so sinh kết quả biên dạng do dược gua các mẫu chuẩn tại những vị trí khác nhau.8: Độ lệch tâm của mẫu d_ 20mm (vị tri 1).9: Hiên dạng vật mẫu d—20 mm (vị trí 2).10: Độ lệch tâm của mẫu d_ 20 mơ fvị trí 2 Đổ thị 4.11: Biên dạng mẫu d_ 34mm (vị trí 1).12:D6 lech tam cita mau d—34mm (vi trí 1).13: £36 thi so sinh kết quả biên dạng do dược gua các mẫu chuẩn tại những vị trí khác nhau.1 Lara chon va xây đựng thiết bị đo.1 Sử dụng dan do ctta thiét bi do LSM.12 Bàn xoay quang học. 4,1,3 Hệ diều khiển và phần môm:.2 Thực nghiệm trên thiết bị đo.1 Vật mẫu thực nghiệm đường kính á= 10,59 mm.2 Thực nghiệm do vật mẫu đường kink d-20 mm.3 Vật mẫu thực nghiệm đo đường kinh d= 34 mm.3 Kết luận chương 4. ‘TAE LIEU SHAM KLIAO.4 Nội dung đề tải và các vẫn đề cần giải quyếL ~ Nghiên cửu tổng quan các phương pháp đo biên dang chi ~ Nghiên cửu phương pháp đo biên đạng sử dụng quét laser - Nghiên cứu xây đựng thiết bị đo biên dạng sứ dụng, quét laser.

- Thục nghiệm đo trên liệt bi do ~ Nghiên cửu một số ảnh hưởng, sai sỏ do.5 Phương pháp nghiên cứu và kết câu của công trình nghiên cứu Thương, pháp nghiền cứu: - Thu thap các phương pháp đo lường biến đạng chỉ tiết trong các tải liệu, sách khoa học. -_ Tiến hành xây dựng hệ thống thực nghiệm phương pháp đo lường biên đạng chủ tiết -_ Xây dựng bằng biểu, để lu so sánh kết quả. Kết cầu của công trình nghiên cửu: Luận văn được trình bảy thành cáo chương như sau: Chương 1 - Tổng quan vẻ đề tài nghiên cứu. Chương 2 - Lễng quan về các phương pháp đo biên dạng tròn chỉ tiết.

Chương 3 - Nghiên cứu phương pháp đão ngược sử đựng đo biên đạng, quét laser Chương 4- Xây dựng thiết bị vá thực nghiệm đo.6 Kết luận chương 1 Chương 1 giúp tác giả giải quyết được một số vẫn để sau: -_ Lý đo chọn để tài nghiên cứu -_ Cơ sở khoa học, tính thực Hễn. -_ Nẽu được mục tiêu, các kết quả cân dat dược sau khi thực biện đê tải, lập nội dung cân thực hiện và các bước được giải quyết -_ Xây dựng Nội dung trình bảy của dễ tài Chuony 1. TONG QUAN VE DE TAI NGHTE 1.1 Lý do chọn để tài, ñnh vực nghiên cứu Tổ đo kích thước đường kinh, đo biên đạng và kiểm tra độ tròn của các chỉ tiết cơ khí người ta sử đựng các phương pháp đo hai tiếp điểm, phương pháp ba tiép điểm dùng các dụng cụ như panme, thước cặp, đồng hỗ so, khối V,, Các phương pháp này chỉ thích hợp với những bể mặt không bị khuyết tật và Tiäng suất, hiện quả công việc không cao, đặc biệt là không đáp ứng được khi can do những chỉ tiết cần độ chính xác cao, mặt đễ bị biến dang và do với tốc dé nhanh hay đo chỉ tiết đang clruyền động, Ngày nay, khoa học công nghệ phat triển đã đua laser vào trong đo lường, tiện đại. Với những tính năng ưu việt của nó, người ta đã giải quyết bài toán do biên dạng bằng phương pháp quét tia laser (Laser scan micrometer - LSM) voi dé chinh xac, ning suat, Khả năng đáp ứmg cao hơn rất nhiều so với các phương, pháp truyền thống.

Hiệu quả mang Tại là nâng cao tự động hóa quá trình sản xuâ nâng cao chất lượng sản phẩm, năng suất lao động và giâm giá thành sin xuất. Xuất phát từ thực tiến đó, để tải “Aghiên cứu phương pháp đo biên dạng chỉ tết sử dụng quêt Laser” với mục đích nghiên cứu phương pháp đo biên đạng chỉ tiết trên xoay bằng phương pháp quét lasor áp dụng trong gia công cơ khí hiện nay.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài. Trên thế giới hiện nay, các hãng đo lường lớn nhu: Mitutoyo, Keyence, Trab, Sartee, Miero-Epsilem,. mới quan lâm nhiều đến do dường kinh chỉ tiết bằng phương, pháp quét tia laser chưa kiểm soát dến biên dang chỉ tiết.

Nghiên cứu đo lưỡng biên dạng chỉ Hết tròn xoay bằng quét laser là phương pháp đo biên dang mai cho độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh va do được trực tiếp trên các dây chuyền sản xuất công tghiệp: Để tài giúp làm rõ thêm cơ sỡ lý thuyết về phương, pháp do vả công nghệ đo đựa trên thiết bị đo. Từ đó làm cơ sở nghiên cứu, tính toán, xây dựng thiết bị do thử nghiệm Nghiên cửu phương pháp đo giúp kiểm soát tốt hơn các lỗi biên dạng của chỉ tiết ngay trong quá trình gia công cho các chỉ tiết vũ khí đạn trong sản xuất Quốc phông, là lĩnh vục có yêu câu nghiêm ngặt về chất hượng nhưng lại bị hạn chế khi mua sắm thiết bị do công nghệ cao của nưỏo ngoài 1.3 Mục tiêu của dé tai Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chỉ tiết bằng quét laser với đối tượng chỉ tiết iron xoay, nhằm lầm hiểu phương pháp đo và các yếu tổ ảnh hưởng đến sai số biên dang. Tir dé lam chủ công nghệ đo, xây dụng phương pháp đo phù hợp với điều kiện trong nước.8: Độ lệch tâm của mẫu d_ 20mm (vị tri 1).9: Hiên dạng vật mẫu d—20 mm (vị trí 2).10: Độ lệch tâm của mẫu d_ 20 mơ fvị trí 2 Đổ thị 4.11: Biên dạng mẫu d_ 34mm (vị trí 1).12:D6 lech tam cita mau d—34mm (vi trí 1).13: £36 thi so sinh kết quả biên dạng do dược gua các mẫu chuẩn tại những vị trí khác nhau.0: Đồ thị mỗi quan bệ vận tốc quét ctia tia song song với vị trì của tia quét góc | 9/ Hinh 3.10: nh toàn kết quả đo khi chỉ tiết đối xưng với trục của 1 Hình 3.11: So sảnh kết qua do khi chỉ tiết dối xứng và không dấi xứng với guang Dục lự phản xạ của (la quét trồn bễ mặt chỉ tiết do Tác mức điện áp của xung tẾ bào quang điệt Hinh 3.14: Vị trị các mặt cắt của tia quốt laser trên cạnh cúc chỉ tiết nhẫn và nhám.15: Sy khée nhau vé dang xung ra ca t bao quang dign khi do chi vét nhẫn và nhằm.16: Sy khae nhau vé dạng xuxưng ra của lỗ bào quang điện khi đo các chỉ tiết cá chiều cao nhám khác nhan.17: Sự khác nhau về dang xungx ra ctia 18 bdo quang dién khi do ede chi tiất có biên đợng nhằm khác nhau.18: Hơn lec bam dinh lén bé mặt chỉ tiết của mội git lông do hiệu ứng sức căng bỀ mặt.19: Nguyên lý thiết bị T.20: Nguyên lý phương phảp đâo ngược.1: Hai đầu da ctta thiét bi LSM.2: Phạm vì đo lường và độ chính xác cũa L.8: Bàn xoay: quang học.4: Thí nghiệm đo sử dụng bàn xoay quang học.5: Hệ thông diễu khiến Hình 4.6: Giao điện phần mẫm do.7: Vit mud 10,59 mn Hình 4.8: Phẩn mềm hiến tị kích thước Áo vị maud=10,59 mm.0: Vật mẫu d 34mm.1: Bién dang val mdu d=10,59 mm (vi ti 1). ệch tâm của vật mẫu d— 10,59 mm (vị trí 1) in dang val mdu d=10,59 mm (vi trí 2) - Đô thị 4.4: Độ lệch tâm của mẫu d_ 10,39 ram (vi trí 2) 7 iên dang vat mau d—10,59 (vi tri 3).

ich tim vat mau d 10.7: Biên dạng vật mẫu d—20mm (vị trí 1). DANH MUC BANG Bảng 4.1: Thing sé tiéu chuiin eta thibt bi LSM.2: Ảnh hưởng dao déng của nhiệt độ đến LSM.3: Thông số kỹ thuật bộ điều khiến LAM.4: Kết quả do vật mẫu d_ 10,39 mưn (lần do vị Bảng 4.5: KẾt quả đo của vật mẫu d—10,50 mm (vị tí 1).6: KẾ! quả do vật mẫu d_ 10,39 mưn (vị trí 2) Bang 4.7: Kết quả do vat mẫu d—10,39 mưn (vị tri Bang 4.8: K8t qua do vat mau d 10,59 mm (vi tri 3 Bảng 4.9: Két quả do vat mdu d=10,59 mm (vj trí 3).10: Két qué do vật mẫu d— 20mm (vị trí 1). TONG QUAN VE DE TAI NGHTE 1.