Tìm hiểu về cơ sở thiết kế, nguyên lí hoạt động của phương pháp đo và mô hình máy tại phòng nghiên cứu đo lường của bộ môn Cơ Khí Chính Xác và Quang Học_ khoa Cơ Khí

phương pháp này có khả năng phát hiện độ tròn tương đôi tốt, nhưng chỉ thích hợp với những bề mặt không bị khuyết, năng suất và hiệu quả công việc không cao. Đặc biệt, khi cần đo những chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao, sai số gá đặt có thể vượt quá giới hạn cho phép. Để giải quyết khó khăn này cần có một phương pháp và thiết bị đo mà ở đó, khi thực hiện thao tác đo không cần phải quan tâm đến vấn đề gá đặt tâm chi tiết trùng với tâm của bàn đo. Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật như ngày nay,đặc biệt là ngành công nghệ thông tin,kĩ thuật điện tử thì việc ghép nối với máy tính để qua đó sử lí các số liệu đo sẽ trở nên đơn giản và hiệu qủa hơn rất nhiều. Chính từ những khả năng ưu việt như vậy đã cho ra đời một thiết bị đo đáp ứng được hầu hết các yêu cầu kĩ thuật khắt khe mà với những phép đo thông thường khó có thể đáp ứng được, đó là máy đo biên dạng chi tiết tròn. Độ tròn và biên dạng của chi tiết đo được xác định một cách chính xác thông qua bộ xử lí số liệu đo đã được lập trình và cài đặt sẵn trong máy tính. Mặc dù máy đo biên dạng chi tiết tròn có nhiều tính năng mà với các phép đo thông thường khó có thể thực hiện một cách chính xác , song trong tình hình thực tế sản xuất cơ khí ở Việt Nam hiện nay chưa có cơ sở nào đưa các tính năng ưu việt của máy áp dụng vào trong sản xuất bởi vì giá thành của nó rất cao. Việc tìm hiểu và khai thác các tính năng của nó cũng chưa được quan tâm lưu ý nhiều bởi một số các khó khăn khác nhau. Nội dung đề tài tốt nghiệp là tìm hiểu về cơ sở thiết kế, nguyên lí hoạt động của phương pháp đo và mô hình máy tại phòng nghiên cứu đo lường của bộ môn Cơ Khí Chính Xác và Quang Học_ khoa Cơ Khí_ trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Trong suốt qúa trình tìm hiểu và nghiên cứu về máy đo độ tròn chúng em đã nhận được sự ủng hộ nhiệt tình cùng những ý kiến đóng góp đầy qúy báu của các thầy cô giáo trong bộ môn. Qua đây em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy , các cô. Kính chúc các thầy, các cô luôn dồi dào sức khỏe để tiếp tục dậy dỗ, chỉ bảo và hướng dẫn những trang lứa sinh viên như chúng em ra trường, tạo điều kiện cho chúng em được đóng góp một phần sức lực nhỏ bé của mình cho xã hội, cho đất nước. Chương I. đo biên dạng chi tiết tròn bằng máy đo. I. Định nghĩa độ tròn. Độ tròn đuợc định nghĩa là sai lệch lớn nhất giữa bề mặt thực của chi tiết đến đường tròn áp. Đường tròn áp là đường bao quanh và tiếp xúc với đường giới hạn của bề mặt thực . Nếu gọi Ra là bán kính vòng tròn áp , Rt là bán kính bề mặt thực lấy cùng tâm với đường tròn áp thì sai lệch giữa hai đường tròn trên được viết là: Dtròn = ẵRa - Rtẵmax Hay : Dtròn = R max - Rmin Hình I.1 II. Các phương pháp đo độ tròn. Độ tròn của chi tiết được xác định thông qua sự quan sát lượng biến thiên đương kính : phương pháp đo 2 tiếp điểm, phương pháp đo 3 tiếp điểm. + Phương pháp đo 2 tiếp điểm (H_I.2) : Phương pháp này được sử dụng khi tiết diện đo có méo cạnh chẵn. Hình I.2_ Phương pháp đo hai tiếp điểm. Công thức tính độ tròn : Muốn đo được Xmax và Xmin cần phải đo liên tục trên toàn vòng. Trong khi đó chuyển đổi đo thường đứng yên, chi tiết quay toàn vòng. Với phương pháp đo này chi tiết phải xoay liên tục , đầu đo luôn rà trên bề mặt chi tiết làm mòn đầuđo và mặt chuẩn đo. Trên thực tế, để tránh làm tổn hại dụng cụ đo và làm mòn bềmặtchuẩn đo, đồng thời để cho qúa trình thực hiện phép đo được nhanh người đo nên thực hiện phép đo theo một số điểm nhất định như hình I.3 : Hình I.3 + Phương pháp đo 3 tiếp điểm (H I.4) : Phương pháp này được sử dụng khi tiết diện đo có méo cạnh lẻ. Hình I.4_ Phương pháp đo ba tiếp điểm. Công thức tính độ tròn : 1 2 1 min max + - a Sin X X Dtròn = Trong đó a là gócV được chọn theo số cạnh n của méo :  0 Các phương pháp xác định độ tròn ở trên đều thông qua sự biến thiên của đường kính (DDi ). Nhận xét: Các phương pháp đo độ tròn nêu trên có khả năng đo độ tròn tương đối tốt. Tuy nhiên những phương pháp này cho năng suất không cao, độ chính xác còn nhiều hạn chế và chỉ thích hợp với các bề mặt không bị khuyết. Chính vì lý do đó, nên cần phải có những thiết bị đo tiên tiến hơn, có khả năng phát hiện độ tròn một cách chính xác và đo được nhiều bề mặt phức tạp. Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật như hiện nay, đặc biệt là ngành công nghệ thông tin việc ghép nối với máy tính để lấy và xử lí số liệu sẽ trở nên đơn giản và hiệu qủa hơn rất nhiều. Máy đo độ tròn được tìm hiểu và thiết kế dựa trên cơ sở đó. III. Xây dựng công thức xác định độ không tròn trong hệ tọa độ cực. Để thực hiện phép đo độ tròn trong hệ tọa độ cực thì yêu cầu đặt ra là phải đặt được tâm chi tiết trùng với tâm quay của bàn đo, điều này trong thực tế là rất khó khăn. Đối với máy đo độ tròn, chi tiết được đặt bất kì trên bàn đo nên có độ lệch tâm e giữa tâm thực của chi tiết và tâm quay của bàn đo. Số đo bán kính Ri sẽ có lẫn độ lệch tâm e trong đó, nhưng có thể xác định được tâm thực và bán kính thực của chi tiết từ tập hợp n bộ số đo (ji, Ri ) _ là độ biến thiên góc quay và biến thiên bán kính của chi tiết mà máy đo thu được trong qúa trình đo. Khi đó độ tròn của chi tiết là : Dtròn = Rctmax - Rctmin Hình 1.5 cho thấy tâm của bàn đo là O (gốc tọa độ độc cực), tâm thực của chi tiết là O1, OO1= e, la độ lệch tâm. OO1 lập với trục Ox một góc a khi j = 0. Xét tại ji, điểm đo là Mi , số đo OMi= ri , còn bán kính thực là OMi= Ri. Hình I.5 Xét DOO1Mi : áp dụng định lí hàm số cos : = + - R O M OM OO OM OO O OM i i i i i 2 1 2 2 1 2 1 1 2 cos( ) = Bán kính trung bình của chi tiết đo: n R tb i 1 . = ồ R Như vậy bán kính từng điểm trên đường tròn sẽ sai lệch so với bán kính trung bình một giá trị : Luôn luôn tìm được một đường tròn xấp xỉ tốt nhất với tập hợp n điểm đo. Phuơng pháp bình phương nhỏ nhất chỉ ra rằng Rtb sẽ là bán kính gần đúng nhất với bộ số liệu đo khi tổng bình phương các sai lệch đo DRi đạt giá trị nhỏ nhất , nghĩa là; ồ(DRi)2 = F(e, a) ==> min. (*) Trong F(e,a) các giá trị ri ji là tọa độ các điểm đo bằng số đã biết, chỉ còn hai ẩn số la độ lệch tâm e và góc lệch a, biểu thức (*) thỏa mãn khi : Thay các giá trị của DRi và lấy đạo hàm riêng của biểu thức F(e, a) theo e, a vào các phương trình (I.1) được: (I.2) Đây là hệ phương trình hai ẩn siêu việt, phi tuyến nên ta không thể giải bằng phương pháp thông thường mà phải dùng phương pháp gần đúng. Có nhiều phương pháp để giải phương trình này, ở đây ta dùng phương pháp lặp Newton. Giả sử nghiệm gần đúng đầu tiên của hệ (I.2) là e1, a1 sai khác so với nghiệm đúng một lượng tương ứng h1, k1nên hệ (I.2) có thể viết thành: Khai triển TAYLOR cho hệ (I.3) tại các giá trị nghiệm e1, a1 có: Trong đó q1, q2 là đại lượng vô cùng bé cấp cao hơn h1, k1 nên một cách gần đúng ta có hệ hai phương trình bậc một với ẩn h1, k1: Giải hệ phương trình (I.5) ta tìm được: Trong đó: Thay các giá trị h1, k1 vừa tìm được vào biểu thức (I.5) và tiến hành phép lặp cho đến khi nhận được hn ≤ [h], kn ≤ [k]. Phép lặp theo phương pháp NEWTON đã được chứng minh là luôn luôn hội tụ về nghiệm. Tuy nhiên, số lần lặp còn phụ thuộc vào việc chọn giá trị nghiệm gần đúng đầu tiên. Nếu không được tính toán trước, nghiệm đầu tiên có thể rất xa so với nghiệm đúng và số lần lặp sẽ lớn. Để giảm bớt số lần lặp, nhanh chóng nhận được nghiệm, cần có biện pháp xác định nghiệm gần đúng đầu tiên. ở đây [h], và [k] là các sai số giữa nghiệm gần đúng tìm được và nghiệm thực. Nó phụ thuộc vào độ phân giải của panme điều chỉnh tâm theo hai trục X, Y của bản chỉnh tâm. Với mô hình đã chế tạo độ phân giải của panme là 0.01mm nên sẽ chọn [h] = [k] = 0.005. III.1. Chọn số liệu ban đầu cho vòng lặp: Việc chọn lựa các số liệu ban đầu cho các vòng lặp có ảnh hưởng quyết định đến số bước lặp. Nếu chọn số liệu ban đầu sai khác nghiệm đúng của bài toán càng nhiều thì số lần lặp càng tăng. Qua ba điểm không thẳng hàng dựng được một đường tròn, tuy nhiên trong số các điểm đo điều quan trọng là chọn ba điểm đo nào để độ lệch tâm của vòng tròn vừa xác định được so với tâm của vòng tròn trung bình là nhỏ nhất. Giả sử các điểm đo có sai số so với vòng tròn trung bình là bằng nhau, nếu ta chọn ba điểm đo càng gần nhau thì cung xác định sẽ có độ lệch tâm so với tâm vòng tròn trung bình càng lớn do sai số bán kính DRi . Ngược lại, nếu chọn ba điểm đo cách đều nhau thì phép lặp sẽ hội tụ về nghiệm càng nhanh. Như vậy, từ tập n điểm đo sẽ xác định được ba điểm đo có diện tích tam giác tạo bởi chúng là lớn nhất. Qua ba điểm đo đó ta xác định được nghiệm gần đúng đầu tiên [e1,j1]. Giả sử ba điểm đo có toạ độ A(RA,jA), B(RB,jB), C(RC, jC) chia ba góc quét từ điểm xuất phát đến điểm kết thúc. Vì ba điểm cùng nằm trên một đường tròn nên cùng có chung bán kính, theo phương trình (I) có: Từ hệ phương trình (VII) tìm được [e, a] lấy làm nghiệm gần đúng đầu tiên. a 1 = arctan(m/n) và a2 = arctan(m/n) +P. Với: m = (RA2-RC2)(RACosjA-RBCosjB) - (RA2 - RB2)(RACosjA - RCCosjC) n =- (RA2-RC2) (RASinjA-RBSinjB) + (RA2 - RB2)(RASinjA - RCSinjC) e1 = (RA2 - RB2)/[2 RACos(a-jA) - RBCos(a -jB)] Trong hai giá trị a ở trên, ta sẽ nhận giá trị a nào mà làm e > 0. Mặt khác qua ba điểm không thẳng hàng xác định được một tam giác, do đó cũng xác định được diện tích DABC trên là: SDABC = abSinC Trong đó: + a, b, c được xác định theo các thông số A(RA,jA), B(RB,jB),C(RC, jC). + Xét DOAC (O là tâm của toạ độ cực, hình I.6) áp dụng hàm số Cos: b2 = AC2 = OA2 + OC2 - 2OA.OCcos(AOC) b2 = RA2+RC2 - 2 RARCCos(jA - jC) Một cách tương tự có: Vậy diện tích DABC là: SDABC = Trong đó: (e,a) là cặp nghiệm của hệ (I.7). Thuật toán xác định cặp nghiệm ban đầu: a. Từ tập hợp n bộ điểm đo (Ri, ji), i = 1...n, chọn ba điểm đo bất kỳ. b. Tính cặp nghiệm (e, a) theo hệ phương trình (I.7). c. Tính diện tích tam giác tạo bởi ba điểm đo đó. d. Lặp lại từ bước một và so sánh diện tích các tam giác. Từ đó tìm được tam giác có diện tích tam giác lớn nhất. e. Chọn được bộ thông số (e, a) ứng với diện tích đó. Và đó chính là cặp nghiệm (e, a) ban đầu cho hệ (VII). Đánh giá độ tròn: Sau khi đã xác định được e và a đủ bộ chính xác cần thiết ta sẽ xác định được một tập Rict theo công thức (I), trong đó sẽ có một giá trị Rictmax và một giá trị Rict min. Độ tròn của chi tiết sẽ là: Dtròn = Rict max - Rict min. Do các chuyển đổi đo lường được ghép nối trực tiếp với máy tính nên kết quả đo sẽ nhận được ngay sau khi đo. Tuy nhiên cần lưu ý rằng, cũng giống như các phương pháp đo gián tiếp khác, phương pháp đo độ tròn theo toạ độ cực không tránh khỏi sai số do chính bản chất của phương pháp gây nên. III.2. ảnh hưởng của độ lệch tâm e đến độ chính xác của phương pháp đo. Giả sử chi tiết cần đo L đặt lên bàn quay với độ lệch tâm e và góc lệch j, chia miền đo thành các lớp ứng với các góc j. Tại điểm đo ji , bán kính thực của chi tiết là: Sai số của phép đo R được tính theo công thức: Trong đó: ã dri = D1_là sai số đo theo phương hướng chính, chính là sai số hay độ chính xác của thước đo gắn với trục mang đầu đo (trục X hoặc trục Y) ã dji = D2_ là độ chính xác của sensor đo góc. Tính các đạo hàm riêng: Vậy: = f1(e)D1 + f2(e)D2 Nhận xét: Sai số của phép đo R là một hàm phi tuyến theo độ lệch tâm e. Để khảo sát sự phụ thuộc của sai số DR vào e dưới dạng hàm số là rất phức tạp, khi e tăng thì DR lúc tăng, lúc giảm. Mặt khác đây là phương pháp đo so sánh nên sai số của nó còn phụ thuộc vào bán kính chuẩn. Trong bố số liệu (ji, ri) các giá trị ri được đo theo phương pháp so sánh mà bán kính chuẩn ở đây chính là khoảng cách từ tâm quay đến đầu đo ở vị trí ban đầu.(ứng với góc j0 = 0) khi ta bắt đầu tiến hành phép đo. Khi đặt chi tiết lên bàn đo ta không biết liệu tâm chi tiết có lệch so với tâm quay hay không do đó ta không biết được giá trị thực của bán kính chuẩn là bao nhiêu. Hình 1.7a cho thấy O là tâm quay, 01 là tâm thực của chi tiết, ORo = Ro là bán kính chuẩn. Tại vị trí ji bất kỳ, bán kính thực ri đo được là: ri = Ro ± D Ri D Ri _ là độ biến thiên bán kính tại điểm đo ji. Như vậy khi gá đặt chi tiết lên bàn đo, không thể nào biết chính xác bán kính chuẩn Ro. Do đó khi nhập giá trị bán kính làm chuẩn so sánh vào máy tính sẽ sai khác với bán kính Ro một lượng là D R, nên bán kính thực mà máy tính thu nhận được để vẽ biên dạng vật, tính toán độ lệch tâm e và độ tròn của chi tiết thực chất là: ri' = ri ± DR. ã Dấu "+" cho trong trường hợp bán kính khai báo > bán kính Ro ã Dấu "-" cho trong trường hợp bán kính khai báo < bán kính Ro Trong các công thức (8) và(9) các giá trị Ro , DR là không đổi, chỉ có DRi là thay đổi theo từng điểm đo. Chính vì thế mà bộ n điểm đo (ri', ji) máy tính thu nhận được không phải là bộ số liệu thực của chi tiết, nên khi tính toán sẽ dẫn đến sai số do độ lệch tâm e gây ra. Xét trên hình 7b, nhận thấy rằng nếu độ lệch tâm càng lớn thì tại một điểm đo ji thì độ biến thiên DRi càng lớn. Dẫn đến các sai lệch giữa bán kính thực ri' càng lớn, do đó sai số của phép đo tăng. Tóm lại nếu độ lệch tâm e càng tăng thì sai số của phép đo cũng tăng. Để giảm sai số của phép đo có hai cách sau: 1. Khai báo bán kính chuẩn vào máy bằng bán kính R0. 2. Tâm chi tiết trùng với tâm quay. Nhận xét: Cách thứ nhất rất khó thực hiện bởi vì khi đo chi tiết được đặt bất kỳ trên bàn đo nên không thể xác định chính xác bán kính R0. Còn cách thứ hai có thể thực hiện gần đúng nhờ bàn chỉnh tâm. Kết luận: Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thì phương pháp đo độ tròn trong hệ toạ độ cực ngày càng được áp dụng rộng rãi trong ngành đo lường và điều khiển. Có thể nói trong tương lai các máy đo độ tròn áp dụng phương pháp này sẽ thay thế cho các phương pháp đo độ tròn cổ điển (phương pháp hai tiếp điểm, phương pháp ba tiếp điểm). Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là cho phép đặt chi tiết đo lên bàn đo một cách bất kỳ nhờ vậy giảm nhẹ khó khăn gá đặt chi tiết. Kết quả đo nhận được một cách nhanh chóng và có khả năng tự động hoá cao nhờ việc chuyển trực tiếp các thông số đo vào máy tính để xử lý. Và đặc biệt thích hợp cho việc kiểm tra độ tròn các bề mặt khuyết. Chương II. Máy đo biÊn dạng. I . Cấu tạo chung của máy đo biên dạng chi tiết tròn. Các máy đo biên dạng thường gồm hai phần chính,đó là phần cơ và phần điện. + Phần cơ có chức năng gá đặt chi tiết,điều khiển chuyển động quay chi tiết, thực hiện các thao tác đo chính trong quá trình đo. + Phần điện có chức năng xử lí các thông tin, tín hiệu mà phần cơ đã thực hiện thông qua các hệ thống điện tử và máy tính để đưa ra kết quả chính xác cuối cùng. Phần cơ gồm hai bộ phận chính đó là: + Bộ phận gá đặt chi tiết, cho biết các thông tin về góc quay và điều khiển chuyển động quay chi tiết.Bộ phận này bao gồm một động cơ dẫn động quay góc j, một điã chia độ, một cảm biến đo góc được gá trên cùng với đĩa chia độ có tác dụng xác định góc quay ji của chi tiết,một bàn đo, một bàn chỉnh tâm có tác dụng điều chỉnh tâm chi tiết trùng với tâm quay của bàn đo thông qua các núm điều chỉnh, chi tiết đo được gá lên bàn đo. Các bộ phận này được gá đồng trục với nhau và được điều khiển bởi động cơ dẫn động quay góc j. + Bộ phận đo, cho thông tin về độ biến thiên bán kính ri của chi tiết trong qúa trình đo.Bộ phận này bao gồm một bộ dẫn động nâng hạ đầu đo bán kính có tác dụng điều chỉnh dịch chuyển lên xuống của hê thống đo gồm đầu đo và cảm biến đo độ dài thông qua vít me điều chỉnh. Hình 2.1_Sơ đồ nguyên lí máy đo độ tròn. 1. Cảm biến đo góc; 2. Đĩa chia độ; 3. Động cơ; 4. Đế máy; 5. Bánh răng; 6. Núm điều chỉnh; 7. Bàn đo; 8. Bàn chỉnh tâm; 9. Mâm cặp; 10. Chi tiết đo; 11. Đầu đo; 12. Cảm biến đo độ dài; 13.Núm dịch chỉnh thanh răng mang đầu đo; 14. Tay quay diều chỉnh nâng hạ đầu đo; 15. Thanh răngdịch chỉnh nâng hạ đầu đo. Phần điện cũng gồm hai bộ phận chính thực hiện hai chức năng riêng đó là: + Bộ phận thực hiện chức năng đo gồm : điện động cơ, cảm biến đo góc, cảm biến đo độ dài. + Bộ phận thực hiện chức năng xử lí tín hiệu đo gồm : CPU, bộ đệm I/O, bộ tạo xung, bộ xác định chiềuvà bộ đếm thuận nghịch. II. Các bộ phận chức năng. II.1. Cảm biến đo góc. II.1.1. Cấu tạo. + Gồm một đĩa chia độ có độ phân giải là Dj = 1°. Đĩa được chia thành 360 khoảng sáng tối (tương đương với 360° ) và đan xen nhau trên toàn bộ chu vi của đĩa. Trục quay của đĩa đặt đồng tâm với trục quay của bàn đo. + Một cảm biến chuyển đổi quang điện gồm một LED phát tia hồng ngoại và hai photodiod để thu nhận tín hiệu. Các photodiod được bố trí lệch nhau 90° về pha nhằm cho biết chiều quay của bàn đo là thuận hay ngịch thông qua bộ đếm thuận ngịch. LED và photodiod là hai bộ phận chính để xác định thông tin về góc quay ji của chi tiết. Hình II.3 :Cấu tạo của cảm biến đo góc 1. Đĩa chia độ; 2. Led hồng ngoại; 3. Photodiod ã LED : Đầu LED phát tia hồng ngoại chứa một thấu kính hội tụ có tác dụng chuyển toàn bộ quang năng mà nó phát ra theo phương vuông góc với photodiod. Hình II .4: Cấu tạo của Led phát tia hồng ngoại ã Photodiod : Đây là một linh kiện điện tử , thực chất nó là một chất bán dẫn có tính chất nhạy sáng, nhất là ánh sáng hồng ngoại. Hình II. 5: Cấu tạo của photodiod II.1.2. Nguyên lí hoạt động. Khi ánh sáng hồng ngoại từ đầu Led chiếu vào, độ dẫn điện của photodiod sẽ tăng tỷ lệ với lượng quang thông nhận được. ở trạng thái bình thường tức photodiod chưa nhận được ánh sáng hồng ngoại từ Led thì tại điểm A chưa có dòng điện chạy qua, điện áp là 0 vôn. Hình II.6. Nguyên lý hoạt động của photodiod. ở trạng thái hoạt động, tức là lúc này photodiod nhận được ánh sáng hồng ngoại từ đầu Led, tại điểm A có dòng điện chạy qua, vôn kế hoạt động. Tùy theo lượng quang thông photodiod nhận được mà vôn kế thay đổi từ (0 ữ 5 vôn), sự thay đổi này diễn ra trên tiết diện thu của photodiod. Khiđĩa chia độ quay được một góc Dj các photodiod chuyển trạng thái từ sáng sang tối (hoặc từ tối sang sáng).Cứ như vậy các khoảng sáng tối sẽ liên tục chạy đều qua một vị trí theo chiều quay của đĩa chia độ mà tại đó sự biến thiên quang thông với photodiod là lớn nhất hoặc bé nhất tùy theo lượng quang thông mà photodiod nhận đưọc từ Led hồng ngoại . Tín hiệu điện áp ra thu được có dạng hình Sin , tín hiệu này sau khi được tạo xung, số hóa và nội suy sẽ được cộng lại trong một bộ đếm điện tử rồi qua bộ chỉ thị để hiển thị kết qủa đo ra màn hình máy tính. Trong các máy đo độ tròn thường các góc ji và ji+1 hơn nhau một lượng Dj= , với n là số điểm đo. Số điểm đo n này sẽ do người điều khiển máy nhập vào từ bàn phím theo ý muốn khi bắt đầu thực hiện qúa trình đo. II.2. Cảm biến đo độ dài. II.2.1. Cấu tạo. Gồm đầu đo mang thanh răng, thanh răng này ăn khớp với bánh răng Z2 lắp cố định và đồng trục với bánh răng Z3, bánh răng Z3 ăn khớp với bánh răng Z1. Đĩa chia độ được gắn trên trục bánh răng Z1 và nằm giữa Led hồng ngoại và photodiod. Hình II.7_ Cấu tạo của sensor đo độ dài 1. Thanh răng; 2. Bánh răng Z2; 3. Bánh răng Z1; 4. Photodiod; 5. Led hồng ngoại ; 6. Đĩa chia độ; 7. Bánh răng Z3 Trong mô hình này độ chính xác của bộ cảm biến đo độ dài là 0,01 mm. Nghĩa là đầu đo dịch chuyển được 1mm thì đĩa chia độ được gá đồng trục với bánh răng Z3 phải quay được một vòng và tín hiệu thu được ở đầu ra của bộ cảm quang sau khi qua các bộ chuyển đổi đưa đến bộ đếm phải đủ 100 xung. Để đạt được điều này đĩa chia độ phải được chia thành 200 khoảng sáng tối nằm xen kẽ lẫn nhau trên toàn bộ chu vi của đĩa. Cấu tạo của đĩa chia độ trong bộ cảm biến đo độ dài tương tự như cấu tạo của đĩa chia độ trong bộ cảm biến đo góc, tuy nhiên, số các khoảng sáng, tối được tính toán phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến đo độ dài. II.2.2. Nguyên lý hoạt động. Khi thực hiện qúa trình đo, chi tiết quay, đầu đo tiếp xúc với chi tiết, cảm biến đo độ dài sẽ cảm nhận được sự biến thiên bán kính của chi tiết đo, trục đo lúc này sẽ chuyển vị làm quay bánh răng Z2, thông qua bộ khuếch đại gồm bánh răng Z3 và Z1 làm cho đĩa chia độ quay theo. Khi đó đầu vào của bộ cảm quang (gồm đĩa chia độ, Led hồng ngoại và photodiod) sẽ thay đổi trạng thái dẫn đến sự xuất hiện tín hiệu điện áp ở đầu ra của bộ cảm quang. Tín hiệu điện áp này có dạng xung sin được đưa đến bộ tạo xung vuông và bộ vi phân để xác định chiều đếm là thuận (đếm lên) hay ngịch (đếm xuống), sau đó được đưa vào bộ đếm thuận ngịch BCD, qua bộ mã hóa để đưa đến bộ hiển thị. Mặt khác , sau khi được đưa vào bộ đếm thuận ngịch BCD, tín hiệu này cũng được đưa vào máy tính để lấy dữ liệu thông qua bộ đệm va bộ chốt. Bộ cảm quang trong cảm biến đo độ dài cũng được bố trí và có sơ đồ nguyên lý hoạt động giống như của bộ cảm biến đo góc . Tuy nhiên trong bộ cảm quang của cảm biến đo độ dài phải dùng cả hai photodiod vì trong qúa trình đo, độ biến thiên bán kính của chi tiết có thể tăng dần rồi giảm hoặc ngược lại. Chính vì vậy mà việc nhận biết được chiều đếm là rất quan trọng trong phép đo, vậy nên cần phải bố trí hai photodiod lệch pha nhau 90° để xác định được chiều đếm. II.3. Bàn chỉnh tâm. Bàn chỉnh tâm có nhiệm vụ điều chỉnh tâm chi tiết trùng với tâm quay của bàn đo sau khi đã tính toán độ lệch tâm. Bàn chỉnh tâm được thiết kế để dịch chuyển theo hai phương x ,y vuông góc với nhau nhờ dẫn trượt bởi sống trượt ma sát. Độ dịch chuyển theo hai phương x, y được xác định bằng panme, có độ phân giải 0,01 mm, gắn dọc theo hai phương đó. II.4. Động cơ dẫn động bàn đo. Trong các máy đo độ tròn thì động cơ ding để dẫn động cho bàn đo thường là động cơ bước thông qua bộ truyền bánh răng _ bánh răng. II.4.1. Khái niệm về động cơ bước. Động cơ bước ngày càng được sử dụng rộng rãi , nhờ ưu điểm nổi bật của chúng là được diều khiển dễ dàng bằng xung rất thích hợp cho việc áp dụng kĩ thuật số và thuận tiện trong ghép nối và điều khiển bằng máy tính. Một ưu điểm nữa của động cơ bước là : Chuyển động của rôto của động cơ bước không phải là chuyển động liên tục như ở các động cơ khác mà là sự nhảy từ một vị trí cân bằng này sang một vị trí cân bằng khác (bước của động cơ). Các bước của động cơ là bằng nhau và xác định. Hình II. 2: Sơ đồ khối máy đo biên dạng III. Nguyên lí hoạt động của máy đo biên dạng chi tiết tròn. Khởi động qúa trình đo, máy tính phát lệnh cho động cơ hoạt động làm cho đĩa chia độ chuyển động. Như đã mô tả ở trên, điã chia độ được gá đồng trục với bàn chỉnh tâm, bàn đo của máy, chi tiết đo được gá lên bàn chỉnh tâm, các bộ phận này được lắp ráp thành một khối thống nhất, cùng chung một trục quay,hay nói cách khác , các bộ phận này có trục quay trùng với trục quay của máy.Khi động cơ hoạt động, điã chia độ chuyển động cũng có nghĩa là bàn đo, bàn chỉnh tâm và chi tiết đo cũng chuyển động cùng một lúc. Đồng thời cùng lúc đó, động cơ cũng làm cho bộ phận đo hoạt động.Chi tiết,bàn đo,bàn chỉnh tâm, điã chia độ quay tròn đều quanh trục quay,đầu đo tì lên chi tiết đo. Thực hiện quá trình đo, khi đầu đo tiếp xúc lên bề mặt chi tiết cảm biến đo độ dài xác định được độ biến thiên bán kính r1 của chi tiết ( một điểm đo ), cùng lúc đó đĩa chia độ cũng dịch chuyển được một độ,cảm biến đo góc xác định được độ biến thiên bán kính của chi tiết là j1. Lúc này máy tính sẽ phát lệnh cho động cơ dừng lại (quá trình này sảy ra rất nhanh, bằng mắt thường chúng ta không thể quan sát được) để nhập thông tin về bộ số liệu (r1, j1).Cứ như vậy trong suốt toàn bộ chu trình đo là 360° máy tính sẽ thu được các bộ số liệu (ri , ji ) là độ biến thiên bán kính và góc quay của chi tiết tại từng thời điểm đo.Tổng hợp các bộ số liệu này lại, thông qua các chương trình phần mềm cài đặt sẵn trong máy, máy tính sẽ tính được độ lệch tâm e của chi tiết so với tâm quay và góc lệch a ban đầu.Để điều chỉnh cho tâm quay của chi tiết trùng với tâm quay , máy tính sẽ phát lệnh cho động cơ dẫn động quay góc j quay một góc j = -a, sau đó dùng bàn chỉnh tâm dịch chuyển chi tiết một lượng e theo phương đầu đo. Sau khi đã điều chỉnh xong tiến hành lặp lại phép đo sẽ thu được kết qủa đo và vẽ được biên dạng của chi tiết đo. Đối với các máy đo độ tròn vai trò của máy tính là hết sức quan trọng, nó không chỉ là nơi vận hành, điều khiển các hoạt động của máy mà còn là nơi tiếp nhận và xử lí các thông tin về quá trình đo thông qua các chương trình phần mềm được cài đặt sẵn trong máy và các bộ chuyển đổi số liệu như bộ đệm I/O, bộ đếm thuận nghịch, bộ xác định chiều và bộ tạo xung. Qúa trình chuyển đỏi và xử lí tín hiệu này có thể được mô tả như sau: Khi máy tính phát lệnh cho động cơ hoạt động bắt đầu thưc hiện qúa trình đo, bộ cảm biến đo góc và đo độ dài thu được các tín hiệu điện về sự biến thiên góc quay j và biến thiên bán kính r của chi tiết. Để xác định được chiều dịch chuyển của các tín hiệu điện này phải chuyển đổi chúng về tín hiệu xung rồi sau đó xác định chiều dịch chuyển lên xuống của xung thông qua bộ tạo xung. Bộ đếm được thiết kế dựa trên cơ sở đếm sườn xung lên, mỗi một chu kì tín hiệu chỉ có một thời điểm xung lên do vậy việc đếm xung sẽ không hề bị lỗi trong một chu kì. Đối với bộ đo góc, do đĩa chia độ , bàn đo, chi tiết cùng chung một trục quay đồng tâm trên cùng một phương nên chỉ cần xác định chiều của trục bàn đo theo một chiều chuyển động nhất định. Nhưng đối với bộ phận đo chiều dài, do đầu đo luôn tì lên chi tiết trong suốt qúa trình đo nên sẽ có sự biến thiên đầu đo theo hai chiều trên cùng một phương mà ta gọi hai chiều dịch chuyển đó là chiều thuận và chiều nghịch. Mỗi chiều dịch chuyển này được quy định bởi một photodiod thu bố trí trên bộ cảm biến đo, khi đo hai photodiod này sẽ thu được hai tín hiệu điện hình Sin lệch nhau 90° về pha cũng như chu kì. Từ hai tín hiệu này qua bộ phận tạo xung cũng thu được hai tín hiệu xung lệch pha nhau 90° . Sau khi đã phân biệt hai tín hiệu này là thuận (xung đi lên) và nghịch (xung đi xuống) chúng sẽ được đưa vào bộ đếm thuận nghịch . Bộ đếm thuận nghịch sẽ tự động cộng thêm hoặc trừ bớt lượng gia tăng đường dịch chuyển tuỳ thuộc vào chiều đếm là thuận hay nghịch . Theo phương pháp đếm sườn xung, mỗi lần có sườn xung đi lên bộ đếm sẽ nhảy lên một đơn vị đếm, tùy thuộc vào chiều dịch chuyển mà giá trị đếm sẽ tăng hoặc giảm trong suốt quá trình đo. Các tín hiệu này sau khi đã được xử lí sẽ được chuyển đến máy tính để tính toán và hiển thị ra màn hình thông qua bộ đệm I/O. Bộ đệm I/O là bộ phận trung gian trực tiếp tiếp nhận các thông tin thu từ bên ngoài vào máy tính cũng như truyền các mệnh lệnh từ máy tính ra ngoài. Các tín hiệu thu từ ngoài vào máy tính cũng như từ máy tính truyền đến các bộ phận bên ngoài khi qua bộ đệm I/O sẽ được bộ phận này xử lí trước nhằm đảm bảo cho các tín hiệu có thể tương thích với nhau. Ngoài ra bộ phận này còn có thể truyền hoặc thu các tín hiệu theo thứ tự trước hoặc sau tùy theo mức độ cần thiết của thông tin trong qúa trình thao tác đo (do người điều khiển máy thực hiện ). Ví dụ như có cùng một lúc hai hoặc nhiều tín hiệu cùng qua bộ đệm này thì người sử dụng máy sẽ chọn tín hiệu nào quan trọng cần sử dụng trước đưa ra xử lí trước, rồi sau đó sẽ lần lượt xử lí đến các tín hiệu khác sau. IV. Các tính toán động học của máy. IV.1. Tính tỉ số truyền. Hình :II.8 1. Động cơ; 2. Bánh răng Z1; 3. Trục vít; 4. Bánh răng Z3; 5. Bánh răng Z2 Tỉ số truyền của cơ cấu là : i = i1 . i2 Trong đó : + i1 là tỉ số truyền giữa bánh răng Z1 và bánh răng Z2: + i2 là tỉ số truyền giữa truc vít và bánh vít : + Với : • Z1 , Z2 , Z3 là số răng của bánh răng. • k là số đầu mối ren. Vậy : + Tỉ số truyền của cơ cấu là : i = i1 . i2 = 4 . 100 = 400 IV.2. Chọn động cơ. Mô men xoắn trên trục công tác ( trục mang bàn đo ) là : Với : + m : trọng lượng (bàn đo + chi tiết ) + g : gia tốc trọng trường + d : bán kính vòng chia bánh răng Công suất trên trục công tác là : Với n là số vòng quay của chi tiết. Công suất của động cơ là : Với : + hbr hiệu suất của bộ truyền bánh răng + htv hiệu suất của bộ truyền trục vít + hol hiệu suất của bộ truyền ổ lăn Do yêu cầu phải có công suất Pđc và số vòng quay đồng bộ thoả mãn điều kiện : Pđc ³ Pct và nđb ằ nsb Vì vậy chọn động cơ có công suất : Pđc ³ 1,05 (W) Chọn động cơ : 4A80A4Y3 (theo sách “Hệ dẫn động cơ khí của tác giả Lê Văn Yểm “) có : + Pđc = 1,1 (W) + nđc = 1400 (v/p) + h% =75 CHƯƠNG III Mạch điện điều khiển và đo I. Tạo xung đếm cho tín hiệu sin tính. Sau khi ta đã chuyển đổi tín hiệu đo thành tín hiệu đIện áp , nghĩa là mỗi dịch chuyển 0,01 của đồng hồ so thành một chu kỳ tín hiệu sin . Cùng với việc chuyển tín hiệu đo thành tín hiệu đIện áp ta sẽ biến tín hiệu đIện áp thành tín hiệu đếm . Bộ đếm sẽ thực hiện phép đếm từng chu kỳ tín hiệu. Như vậy, nếu đồng hồ dịch chuyển 0,01mm thì bộ đếm sẽ nhảy một đơn vị đếm. Để tín hiệu điện áp chuyển thành tín hiệu đếm, ta cần phải chuyển đổi tín hiệu đIện áp thành tín hiệu xung. Bộ đếm được thiết kế dựa trên cơ sở đếm sườn xung nên. Mỗi một chu kỳ tín hiệu sẽ chỉ có một thời điểm xung lên do đó việc đếm xung sẽ không hề bị lỗi trong cùng một chu kỳ. Hình 3.1:Tín hiệu điện áp chuyển thành tín hiệu xung Quá trình tạo xung được biểu diễn dưới dạng sơ đồ mạch đIện như sau. 10K +5V 0V 104 10K 10K +5V IC TL 17339 Hình III.2 IC TL 17339 là một bộ so sánh kiểu logic rất phù hợp với tín hiệu biến thiên có chu kỳ, nó cho điện áp ra ở hai mức điện áp 0 và 5V tương ứng ở hai trạng thái 0 va 1. Như vậy tại một thời điểm bất kỳ , tín hiệu điện áp sẽ ở một trong hai trạng thái 0 va 1 va trạng thái ở điện áp ra của IC sẽ tương ứng là 0 hoặc 5V. Nguyên lý tạo xung của IC như sau: Vtb +5V 0 t Hình 3.3:Nguyên lý tạo xung của ICTL Tín hiệu sin như hình vẽ ở trên đối xứng nhau qua đường đIện áp trung bình với mức điện áp luôn ở Vtb. Khi biên dạng tín hiệu đều nhau thì ta coi mỗi một lần điện áp tín hiệu đi qua mức điên áp Vtb đó là một lần tín hiệu chuyển trạng thái thì bộ so sánh sẽ thực hiện bước nhẩy ( lật trạng thái) 0,1 và tín hiệu ra ở dạng điện áp sẽ có các mức điện áp tương ứng là 0,5V. Một cách ngắn gọn để hiểu quá trình tạo xung của IC như sau: Bộ so sánh + - Điện áp chuẩn để so sánh Điện áp vào thayđổi Điện áp ra phụt thuộc trạng thái Hình 3.4: Sơ đồ thuật toán tạo xung bằng ICTL 17339 +. Vị trí (-) của bộ so sánh l._.