ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI

MỤC LỤC MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI

LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................... 2

LỜI CẢM ƠN..................................................................................... 3

ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN........... 4

ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT ĐỒ ÁN........ 5

MỤC LỤC........................................................................................... 6

DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................... 8

CÁC KÝ HIỆU – VIẾT TẮT............................................................. 11

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ. 12

I.1. GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ........................ 12

I.2. MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI THIẾT KẾ.................................... 19

I.2.1 Sống dẫn............................................................................. 20

I.2.2. Thước kính (Linear scale)................................................... 20

I.2.3. Cụm đầu đo (Probe Head System)..................................... 22

I.2.4. Đệm khí............................................................................. 27

* KẾT LUẬN CHƯƠNG I............................................................... 27

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ DẪN TRƯỢT CỦA MÁY ĐO BA TỌA ĐỘ MINI............................................................................................. 28

II.1. THIẾT KẾ KHUNG CHO MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI........... 28

II.1.1. Đặt vấn đề........................................................................ 28

II.1.2. Chọn sơ bộ kết cấu........................................................... 29

II.1.3. Hành trình làm việc.......................................................... 31

II.2. THIẾT KẾ ĐỆM KHÍ VÀ PHÂN BỐ ĐỆM KHÍ TRÊN MÁY......... 32

II.2.1. Giới thiệu về đệm khí........................................................ 32

II.2.2. Thiết kế và chọn đệm khí cho máy đo 3 tọa độ Mini........ 35

II.3. TÍNH KIỂM NGHIỆM KẾT CẤU ĐÃ CHỌN........................ 45

II.3.1. Phân tích lực cho hệ thống các xe..................................... 45

II.3.2. Tính độ võng – góc xoay của hai sống dẫn X và sống dẫn Y           dưới tác dụng của tải trọng....................................................................... 58

II.4. ĐỐI TRỌNG TRỤC Z............................................................. 66

*KẾT LUẬN CHƯƠNG II.............................................................. 70

CHƯƠNG III: PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH HỆ CƠ MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI      71

III.1. ĐẶT VẤN ĐỀ........................................................................ 71

III.2. PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH.................................................. 71

III.2.1. Điều chỉnh độ song song của sống dẫn X với bàn MAP.. 71

III.2.2. Điều chỉnh độ song song giữa 2 sống dẫn trục X với nhau        72

III.2.3. Điều chỉnh độ song song của sống dẫn trục Y với bàn MAP và độ vuông góc của sống dẫn Y với sống dẫn X.................................................. 72

III.2.4. Điều chỉnh vuông góc giữa sống dẫn Z so với sống dẫn X         72

III.2.5. Điều chỉnh vuông góc giữa sống dẫn Z so với sống dẫn Y         74

II.3.  MỘT VÀI SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI......................................................................................... 74

II.3.1. Sai số do chế tạo............................................................... 74

II.3.2. Sai số do độ không vuông góc giữa 2 trục với nhau......... 74

II.3.3. Sai số do khối lượng thay đổi (tải trọng động)................. 75

* KẾT LUẬN CHƯƠNG III:........................................................... 76

KẾT LUẬN......................................................................................... 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................. 78

 

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1:  Máy đo ba toạ độ của hãng DEA.......................................... 13

Hình 1.2: Máy đo ba toạ độ của hãng Brown & Sharpe....................... 14

Hình 1.3: Máy đo ba toạ độ của hãng Smart Gear............................... 15

Hình 1.4: Máy đo 3 toạ độ của hãng Mitutoyo..................................... 16

Hình 1.5: Máy đo toạ độ Global Clasis................................................. 17

Hình 1.6: Máy đo ba toạ độ DEL – TROLL.......................................... 18

Hình 1.7: Thước kính Mitutoyo............................................................. 21

Hình1.8: Cụm đầu đo của Mitutoyo...................................................... 23

Hình 1.9: Cấu tạo đầu đo..................................................................... 23

Hình1.10: TP20 Touch trigger probe.................................................... 25

Hình1.11: Kích thước đầu đo TP20...................................................... 25

Hình1.12: Đầu đo PH1........................................................................ 26

Hình1.13: Kích thước đầu đo PH1....................................................... 26

Hình 2.1: Mặt cắt xe X.......................................................................... 30

Hình 2.2: Cấu tạo đệm khí.................................................................... 32

Hình 2.3: Sơ đồ phân bố đệm khí trên sống dẫn trục X......................... 36

Hình 2.4: Sơ đồ phân bố đệm khí trên sống dẫn trục X còn lại............. 36

Hình 2.5: Sơ đồ phân bố đệm khí trên sống dẫn trục Y......................... 37

Hình 2.6: Phân bố đệm khí trên sống dẫn trục Z.................................. 38

Hình 2.7: Đệm khí có buồng nhỏ.......................................................... 38

Hình 2.8: Họ đường cong đặc tính tải – khe hở theo a......................... 42

Hình 2.9: Đường đặc tính khe hở - tải trọng......................................... 44

Hình 2.10: Kết cấu đệm khí thiết kế....................................................... 44

Hình 2.11: Bố trí đệm khí trái chiều...................................................... 45

Hình 2.12: Sơ đồ phân bố tải trọng...................................................... 47

Hình 2.13: Kiểm nghiệm đệm khí trên xe X........................................... 48

Hình 2.14: Phân bố tải trọng trên xe Y................................................. 49

Hình 2.15: Trục Z nghiêng góc α.......................................................... 54

Hình 2.16: Phân bố đệm khí trên trục Z................................................ 55

Hình 2.17: Trục Z xoay góc α............................................................... 56

Hình 2.18: Dầm chịu uốn..................................................................... 59

Hình 2.19: Mặt cắt 1-1......................................................................... 59

Hình 2.20: Mặt cắt 2-2......................................................................... 60

Hình 2.21: Biểu đồ mômen................................................................... 61

Hình 2.22: Mặt cắt ngang trục X.......................................................... 62

Hình 2.23: Mô phỏng độ võng sống dẫn X trên phần mềm Solidworks. 64

Hình 2.24: Mô phỏng độ võng sống dẫn Y trên phần mềm Solidworks. 65

Hình 2.25: Đối trọng trục Z.................................................................. 66

Hình 2.26: Piston DNC-32-160-PPV-A của hãng FESTO.................... 67

Hình 2.27: Thông số kích thước Piston DNC-32-160-PPV-A................ 68

Hình 2.28: Van điều áp PER2000........................................................ 69

Hình 2.29: Các thông số van điều áp PER2000................................... 70

Hình 3.1: Cơ cấu điều chỉnh độ song song giữa sống X và bàn MAP... 71

Hình 3.2: Cơ cấu điều chỉnh giữa sống Y với sống X và bàn MAP....... 72

Hình 3.3: Sơ đồ phân bố đệm khí trên sống dẫn trục Y......................... 73

Hình 3.4: Cơ cấu điều chỉnh trên xe trượt YZ........................................ 73

 

Hình 3.5: Phân bố đệm khí trên sống dẫn trục Z.................................. 74

Hình 3.6: Trục X bị lệch góc ∆α............................................................ 75

Hình 3.7: Trục Y bị lệch góc ∆β và trục Z bị lệch góc ∆γ...................... 76

 

CÁC KÝ HIỆU – VIẾT TẮT

STT	Ký hiệu – viết tắt	Cách đọc	Nội dung
1	α	Alpha	Góc lệch
2	β	Beta	Góc lệch
3	γ	Gamma	Góc lệch

 

CHƯƠNG I:

TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ

Chương này giới thiệu các loại máy đo 3 tọa độ hiện đang có mặt ở Việt Nam, đang được sử dụng trong sản xuất cơ khí công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm. Từ những nghiên cứu các hệ máy đo 3 tọa độ của các hãng, đưa ra thiết kế các bộ phận cấu thành của máy đo 3 tọa độ Mini.

I.1. GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ

Máy đo toạ độ (Coordinate Measuring Machine –CMM) là tên gọi chung của các thiết bị vạn năng có thể thực hiện việc đo các thông số hình học theo phương pháp toạ độ. Thông số cần đo đựợc tính từ các toạ độ điểm đo. Các loại máy này còn được gọi là máy quét hình vì chúng còn được dùng để quét hình dáng của vật thể.

Máy đo toạ độ thường là các máy đo có 3 phương chuyển vị đo X, Y, Z. Bàn đo được làm bằng đá Granít. Đầu đo được gắn trên giá đầu đo lắp trên thân trượt theo phương Z. Khi đầu đo được điều chỉnh đến một điểm đo nào đó thì 3 đầu đọc sẽ cho ta biết 3 toạ độ X, Y, Z tương ứng với độ chính xác có thể lên đến 0,01 mm.

vMáy đo ba toạ độ của hãng DEA

Mức độ tự động hoá cao, hệ thống dẫn động bằng máy và có thể điều khiển chuyển động của hệ cơ bằng chương trình cài đặt sẵn.

Ưu điểm nổi trội của loại  máy này là sử dụng sống dẫn dạng tam giác do đó giảm số lượng đệm khí trong toàn máy, đặc biệt hơn là điểm đặt trọng tâm của các sống trượt tam giác thấp hơn so với sống trượt chữ nhật, do đó làm giảm quán tính khi dịch chuyển.

Quá trình đo và xử lý thông tin đo được lập trình trước thông qua máy tính.

Hình 1.1:  Máy đo ba toạ độ của hãng DEA

vMáy đo ba toạ độ của hãng Brown & Sharpe

Kết cấu máy tuy đơn giản nhưng đạt được độ chính xác cao. Các sống dẫn dạng hình hộp chữ nhật, có hệ thống bật tắt khí cho mỗi trục nhằm hạn chế chuyển động theo các phương X, Y hoặc Z.

Mức độ tự động hoá cao, được điều khiển bằng chương trình viết sẵn trên máy tính.

 

Hình 1.2: Máy đo ba toạ độ của hãng Brown & Sharpe

vMáy đo ba toạ độ của hãng Smart Gear

Kết cấu máy theo kiểu công xôn, dẫn hướng theo một phía do đó tiết kiệm được không gian, mức độ tự động hoá cao, máy có thể tự động đo theo chương trình cài sẵn hoặc có thể điều khiển bằng tay. Khoảng không gian thao tác đo rộng tạo thuận lợi cho người đo.

 

 

Hình 1.3: Máy đo ba toạ độ của hãng Smart Gear

vMáy đo 3 toạ độ của hãng Mitutoyo

 Loại máy đo này có chuyển vị rất êm, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt trên đệm khí nén. Đặc biệt khi tắt khí thì các trục sẽ được hãm bởi lực lò xo đặt ở phía lưng các đệm khí. Để kết quả đo tin cậy, áp suất khí cung cấp đủ lớn theo yêu cầu kỹ thuật của máy, đảm bảo đệm khí đủ áp suất và làm việc ổn định. Các máy của hãng Mitutoyo thường có yêu cầu áp suất khi nén là 0,4MPa với lưu lượng 40 lít/phút ở trạng thái bình thường. Máy phải được vận hành ở nhiệt độ thấp, thường từ 16⁰ C đến 26⁰ C.

 

Hình 1.4: Máy đo 3 toạ độ của hãng Mitutoyo

Loại máy này được dẫn động bằng tay vận hành đơn giản, nhẹ nhàng, tuy nhiên loại này có độ chính xác thấp hơn.

Loại máy này có phạm vi sử dụng lớn. Nó có thể đo kích thước chi tiết, đo profile, đo góc, đo sâu... Chúng cũng có khả năng đo các thông số phối hợp trên một chi tiết như độ song song, độ vuông góc, độ phẳng. ...Đặc biệt chúng có thể đo được các chi tiết có biên dạng phức tạp, các bề mặt không gian, ví dụ như bề mặt khuôn mẫu, cánh chân vịt, mui xe ô tô... Đặc biệt là nó được ứng dụng trong kỹ thuật ngược.

 

 

vMáy đo toạ độ Global Clasis

 

Hình 1.5: Máy đo toạ độ Global Clasis

Global Classic là giải pháp hiệu quả nhất để đánh giá đo lường cơ sở và kiểm tra ứng dụng. Với:

- Đầu dò: Tesastar-I, đầu dò điều chỉnh bằng tay

- Phần mềm: PC – DMIS PRO chuyên nghiệp bao gồm các tiêu chuẩn đo lường và khả năng GD&T

- Điều khiển: Khả năng điều khiển bấm nút theo tiêu chuẩn cơ bản. Hiệu suất hoạt động: Vận tốc 520 mm/s, gia tốc 1732 mm/s2.

- Thông số kỹ thuật chính xác của máy:Thiết kế theo tiêu chuẩn ISO-10360 Thiết kế theo tiêu chuẩn ASME B98

- Khoảng nhiệt độ chuẩn: Nhiệt độ xung quanh 18⁰C – 22⁰C; Mức độ biến đổi nhiệt độ không khí lớn nhất: 1⁰C– 2⁰C/24h;

- Trường nhiệt độ lớn nhất trong khoảng không: Đối với chiều dọc là 1⁰C/m, chiều ngang là 1⁰C/m.

- Khoảng nhiệt độ mở rộng: Nhiệt độ xung quanh 16⁰C– 26⁰C; 

vMáy đo ba toạ độ DEL – TROLL

Hình 1.6: Máy đo ba toạ độ DEL – TROLL

Thế hệ máy này chế tạo từ những thập niên 80 của thế kỷ 20, các sống dẫn chạy đệm khí và đệm từ. Điểm đặc biệt của loại máy đo này là các xe mang đệm khí tạo lực nâng, đệm từ tạo lực hút do đó chỉ cần phân bố đệm khí ở hai mặt vuông góc của sống dẫn, nên giảm bớt được khó khăn về mặt công nghệ. Chỉ yêu cầu gia công hai mặt với độ phẳng và độ thẳng chính xác.

Mức độ tự động hoá chưa cao, hệ dẫn động bằng tay, bộ phận thu và bộ phận điều khiển lưu giữ thông tin đo chưa được phép nối mái tính. Tuy nhiên độ chính xác đo đạt được tương đối cao, cỡ vài chục micromet.

I.2. MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI THIẾT KẾ

Dựa trên cơ sở kết cấu, nguyên tắc hoạt động của các máy đo tọa độ mà các hãng đã chế tạo, đưa ra cơ sở thiết kế cho Máy đo 3 tọa độ Mini

v Nguyên tắc hình thành hệ tọa độ của máy đo:

Muốn đo được các điểm khác nhau trên những bề mặt của chi tiết ta, cần dịch chuyển đầu đo tới tiếp xúc với vật đo tại các điểm đó. Trên máy, đầu đo được dịch chuyển theo 3 phương vuông góc với nhau ứng với 3 trục tọa độ trong hệ tọa độ Đềcác vuông góc. Mỗi trục toạ độ thực chất là một sống  trượt và một xe trượt, ba sống trượt này vuông góc với nhau từng đôi một. Có thể hiểu sự tương quan giữa hệ toạ độ máy đo như sau:

• Hệ toạ độ Đề các gồm ba trục Ox, Oy, Oz vuông góc với nhau từng đôi một trong đó máy đo toạ độ 3 chiều hệ Đề các cũng gồm ba sống dẫn X, Y, Z vuông góc với nhau từng đôi một. Trên mỗi trục đều có gắn thước đo chiều dài. Số đo xác định vị trí của xe trên sống dẫn.
• Trục Ox  tương dương với sống dẫn  X, trên sống dẫn X là xe trượt X, xe trượt X sẽ trượt đến từng điểm khác nhau trên trục X tạo ra tung độ của điểm đo.
• Trục Oy tương đương với sống dẫn Y, trên sống dẫn Y là xe trượt Y, xe trượt Y sẽ trượt đến từng điểm khác nhau trên trục Y tạo ra hoành độ của điểm đo.
• Trục Oz tương đương với sống dẫn Z, trên sống dẫn Z là xe trượt Z, xe trượt Z sẽ trượt đến từng điểm khác nhau trên trục Z tạo ra cao độ của điểm đo.

Như vậy giá trị  X, Y, Z đã được hình thành và xác định cho mỗi điểm đo.

Để đạt kết quả đo chính xác thì hệ số ma sát giữa sống trượt và xe trượt phải rất nhỏ và việc dẫn động đầu đo đòi hỏi phải nhẹ nhàng tránh va đập mạnh làm ảnh hưởng đến đầu đo và gây ra sai số của phép đo.

Như vậy những bộ phận chính cấu thành nên hệ cơ của máy đo 3 toạ độ hệ Đề các gồm:

+       Sống dẫn.

+       Đệm khí.

+       Thước kính.

+       Đầu đo.

I.2.1 Sống dẫn

Hiện nay có nhiều dạng sống dẫn chạy trên đệm khí trong các máy đo toạ độ nói chung và máy đo 3 toạ độ nói riêng, nhưng chủ yếu là sống dẫn dạng tam giác và sống dẫn dạng hộp chữ nhật.

Sống dẫn dạng tam giác, được sử dụng cho trục X của máy MITUTOYO QM – MEASURE 333, hãng DEA. Sống dẫn loại này có ưu điểm so với sống dẫn hình chữ nhật là: giảm bớt được một mặt phải gia công, giảm bớt được số đệm khí mà vẫn đảm bảo định vị ổn định cho các xe trượt gắn trên nó, giảm khối lượng máy từ đó giảm quán tính của máy, và giảm cả vật liệu chế tạo máy. Tuy nhiên nhược điểm của nó là khó gia công, khi gia công cần độ chính xác cao về vị trí tương quan giữa 3 mặt sống dẫn, khó khăn trong quá trình gá đặt, thực hiện các nguyên công.

Sống dẫn dạng chữ nhật: được sử dụng khá phổ biến trong các máy đo 3 tọa độ. Mặc dù khối lượng khá lớn, so với sống dẫn tam giác thì nhiều hơn một mặt, dẫn đến cần nhiều đệm khí hơn. Tuy nhiên, so với sống dẫn tam giác thì nó có tính ổn định cao hơn, dễ gia công hơn.

I.2.2. Thước kính ( Linear scale )

Thước kính là thước đo chiều dài đặt trên 3 sống dẫn X, Y, Z của máy đo 3 toạ độ. Tùy thuộc vào chiều dài làm việc của các trục mà ứng với các trục có các thước khác nhau.

Cấu tạo của thước kính gồm hai phần:

vPhần cố định:

Thước chính – là một thước kính có bề mặt được chia ra hai phần:

Trên phần thứ nhất, dọc theo chiều dài của thước có các vạch đen xen kẽ các khoảng trắng một cách đều đặn. Kích thước khoảng trắng bằng kích thước vạch đen. Đối với các thước kính ứng dụng nguyên tắc ánh sáng xuyên qua, vạch đen có tác dụng chắn sáng, còn khoảng trắng là để cho ánh sáng xuyên qua, còn đối với các thước kính dùng nguyên tắc phản xạ ánh sáng thì trên bề mặt thước được mạ một lớp phản xạ ánh sáng, sau đó các vạch được khắc trên đó bằng cách bóc lớp phản xạ ở phần được khắc đi. Như vậy, trên thước sẽ còn lại các vạch phản xạ ánh sáng và các khoảng trắng. Khi có nguồn sáng chiếu vào, ánh sáng chiếu qua các khoảng trắng đi tới các bộ phận thu (photođiot hoặc phototransitor) đặt đối diện và tạo ra tín hiệu điện. Người ta thu các tín hiệu điện này rồi thông qua xử lý tín hiệu để nhận được kết quả cần thiết.

Trên phần thứ hai có vạch mốc đánh dấu chuẩn “0”

..................................................

KẾT LUẬN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu máy đo 3 tọa độ, trên cơ sở kế thừa các thành quả về lý thuyết cũng như thực nghiệm các khóa trước để lại, nhóm sinh viên MCX-K56 đã bước đầu tính toán, thiết kế hệ cơ của máy đo 3 tọa độ Mini.

Tuy nhiên vẫn còn tồn tại rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu, tính toán, thiết kế và khắc phục trong thời gian tiếp theo như:

 -  Phần thiết kế mạch, lập trình điều khiển

 -  Biện pháp nâng cao chất lượng đệm khí và phương pháp chế tạo sống dẫn nhằm giảm thiểu lượng khí tiêu thụ.

 -  Các bài toán về ổn định đệm khí, tăng độ cứng và chống biến thiên khe hở.