Báo cáo bài tập lớn kỹ thuật đo lường 3d đề bài đo lường tiếp xúc bằng máy cmm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG CƠ KHÍ
Nhóm chun mơn Cơ khí chính xác & Quang học
**********

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 3D
ĐỀ BÀI:
ĐO LƯỜNG TIẾP XÚC BẰNG MÁY CMM
GVHD
SVTH

TS. Nguyễn Thị Kim Cúc
Nguyễn Xuân Hiếu

20184848

Đặng Thanh Nam

20185020

Đỗ Ngọc Trường

20185176

Vũ Văn Vững

20171949

Hà Nội, tháng 12 năm 2022
Trang 0

LỜI MỞ ĐẦU

Kỹ thuật đo lường đã đi một chặng đường dài, có sự phát triển đặc biệt trong
vịng hơn 20 năm qua với sự ra đời của công nghệ đo lường 3D. Ngày nay, đo lường 3D
khá phổ biến, không chỉ trong lĩnh vực kiểm tra chất lượng mà còn áp dụng trong cả
thiết kế, chế tạo ngược và phim ảnh. Và dần dần công nghệ đo lường 3D sẽ là một phần
khơng thể thiếu của q trình sản xuất.
Đơi khi chúng ta nhìn vào một vật thể có hình dáng vơ cùng phức tạp và khơng
biết làm thế nào để thu được tất cả các phép đo hình học của nó. Việc đo lường này
khơng thể sử dụng các dụng cụ đo bình thường hay được sử dụng. Để làm được điều
này, người ta đã sáng chế ra công nghệ đo lường 3D. Đề tài: “Đo lường tiếp xúc bằng
máy CMM” được xây dựng trên những tìm hiểu của nhóm về đo lường bằng máy đo 3
toạ độ (CMM) nói riêng và đo lường 3D nói chung. Qua bài báo cáo này, nhóm đã học
hỏi, tìm hiểu, nghiên cứu được rất nhiều về lĩnh vực đo lường 3D.
Bài báo cáo này của nhóm 8 chúng em gồm 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu về máy CMM.
Chương 2: Nguyên lý đo và kết cấu hệ đo máy CMM
Chương 3: Sai số và bù sai số khi đo tiếp xúc bằng CMM.
Chương 4: Công nghệ thiết kế ngược
Chương 5: Ứng dụng của máy CMM
Trong quá trình thực hiện bài tập này, nhóm muốn gửi lời cảm ơn TS. Nguyễn
Thị Kim Cúc đã hướng dẫn chúng em nhiệt tình để nhóm có thể hồn thành bài báo cáo
này.
Nhóm sinh viên
Nhóm 8

Trang

PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC NHĨM 8
STT

Người thực hiện

Nội dung thực hiện

1

Nguyễn Xuân Hiếu

Lời mở đầu và Chương 1, Tổng
hợp tài liệu, báo cáo

2

Đặng Thanh Nam

Chương 2, Tìm hiểu máy tham
khảo thông dụng, phổ biến.

3

Đỗ Ngọc Trường

Chương 3,5.

4

Vũ Văn Vững

Chương 4, Kết luận

Trang


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................................1
PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC NHĨM 8..............................................................................2
MỤC LỤC.........................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU....................................................................6
CHƯƠNG 1
1.1.

: GIỚI THIỆU VỀ MÁY CMM................................................................8

Lịch sử phát triển của máy CMM.............................................................................8

1.1.1

Lịch sử phát triển của đo lường.........................................................................8

1.1.2

Máy đo tọa độ 3 chiều CMM...........................................................................14

1.2

Giới thiệu về máy CMM.........................................................................................20

1.2.1

Tổng quan về máy CMM.................................................................................20

1.2.2

Phân loại máy CMM........................................................................................20

1.2.3

Thân máy.........................................................................................................21

1.2.4

Đầu đo..............................................................................................................22

1.3

Nhận xét..................................................................................................................24

CHƯƠNG 2

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, KẾT CẤU HỆ ĐO MÁY CMM............27

2.1.

Nguyên lý đo toạ độ của CMM..............................................................................27

2.2.

Kết cấu hệ đo trong máy CMM..............................................................................29

2.2.1

Khung cơ khí...................................................................................................30

2.2.2

Vật liệu kết cấu máy CMM.............................................................................34

2.2.3

Hệ truyền động máy CMM..............................................................................35

2.2.4

Bộ chuyển đổi dịch chuyển..............................................................................39

2.3.

Phương pháp đo tiếp xúc trong máy CMM............................................................42

2.4.

Hệ thống đầu đo CMM...........................................................................................42

2.4.1

Phân loại hệ thống đầu đo CMM.....................................................................42

2.4.2

Thành phần đầu đo tiếp xúc.............................................................................43

2.4.3

Sai số đầu đo CMM.........................................................................................44

2.5.

Vận hành máy CMM..............................................................................................44

2.5.1

An toàn sử dụng máy CMM............................................................................44

2.5.2

Kiểm tra bản vẽ và lựa chọn đầu đo................................................................47

2.5.3

Thực hiện đo và lưu trữ kết quả đo..................................................................49

2.6.

Quy trình thực hiện 1 chương trình đo....................................................................51
Trang

2.6.1

Kiểm định........................................................................................................51

2.6.2

Căn chỉnh.........................................................................................................51

2.6.3

Kiểm tra...........................................................................................................51

2.6.4

Phân tích..........................................................................................................51

2.6.5

Báo cáo............................................................................................................52

2.6.6

Chạy thử...........................................................................................................52

2.6.7

Cải thiện chương trình.....................................................................................52



Máy đo 3D CMM CNC Metrology CMM-V564CNC...............................................54

Hình 0.25 Máy đo 3D CMM CNC Metrology CMM-V564CNC....................................54
CHƯƠNG 3
3.1.

SAI SỐ VÀ BÙ SAI SỐ KHI ĐO TIẾP XÚC BẰNG CMM.................57

Sai số và độ không đảm bảo đo..............................................................................57

3.1.1

Độ không đảm bảo đo tiêu chuẩn....................................................................57

3.1.2

Độ không đảm bảo đo tổng hợp (UC).............................................................60

3.1.3

Độ không đảm bảo chuẩn mở rộng (U) và mức độ tin cậy..............................64

3.1.4

Tác động của độ khơng đảm bảo đo trong phép đo.........................................66

3.2.

Kiểm sốt mơi trường.............................................................................................67

3.2.1

Kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm...............................................................................67

3.2.2

Kiểm soát bụi...................................................................................................70

3.2.3

Kiểm soát rung động........................................................................................70

3.2.4

Kiểm soát tiếng ồn...........................................................................................74

3.3.

Bù sai số máy CMM...............................................................................................75

3.3.1

Phân loại kỹ thuật bù sai số.............................................................................77

3.3.2

Các kỹ thuật chính trong bù sai số máy CMM................................................80

3.3.3

Mơ hình tốn học về các sai số của máy CMM...............................................82

CHƯƠNG 4 CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC...........................................................84
4.1 Thu thập đám mây tọa độ điểm bằng máy đo CMM...................................................84
4.2 Số hóa bề mặt..............................................................................................................85
4.3 Xử lý dữ liệu đo lường................................................................................................86
4.4 Nối và lọc dữ liệu........................................................................................................86
4.5 Nội suy và làm mịn dữ liệu.........................................................................................87
4.6 Lọc dữ liệu và tái tạo bề mặt.......................................................................................87
4.7 Tái tạo lại bề mặt.........................................................................................................87
Trang


4.8 Chế tạo mơ hình..........................................................................................................88
CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG CỦA MÁY CMM.................................................................89
KẾT LUẬN......................................................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................93

Trang


DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1. 1 Đo lường được mơ tả trong lăng mộ Rekhmire ở Thebes.......................................8
Hình 1. 2 Cubit của hồng gia Ai Cập....................................................................................9
Hình 1. 3 Panme đầu tiên năm 1867.....................................................................................11
Hình 1. 4 Hộp căn mẫu tại bảo tàng Hoa Kỳ........................................................................12
Hình 1. 5 Máy đo Moore số 3 (1957)....................................................................................13
Hình 1. 6 Máy CMM M48....................................................................................................14
Hình 1. 7 Máy đo toạ độ Ferranti..........................................................................................16

Hình 1. 8 Máy CMM CORDAX (1966)...............................................................................18
Hình 1. 9 Máy CMM phát triển bởi tập đồn Mitutoyo........................................................19
Hình 1. 10 Cấu tạo chung máy CMM...................................................................................21
Hình 1. 11 Một số kết cấu thân máy CMM...........................................................................22
Hình 1. 12 Phép đo dựa trên tiếp xúc điểm...........................................................................23
Hình 1. 13 Đầu do cảm ứng và đầu dị khơng tiếp xúc.........................................................24
Hình 2.1 Ngun lý đo toạ độ...............................................................................................27
Hình 2.2 Toạ độ máy và toạ độ vật.......................................................................................28
Hình 2.3 Kết cấu máy CMM.................................................................................................29
Hình 3.1 Sự khác biệt giữa độ không đảm bảo đo và sai số đo.............................................58
Hình 3.2 Giản đồ mơ tả sự khơng đảm bảo đo ba chiều (3D) của toạ độ điểm trong vùng
làm việc CMM......................................................................................................................60
Hình 3.3 Ví dụ về độ khơng đảm bảo đo trong CTE của thép..............................................61
Hình 3.4 Độ khơng đảm bảo đo tiêu chuẩn kết hợp được phân tách thành độ không đảm bảo
đo nhiệt độ và hệ số độ không đảm bảo đo giãn nở nhiệt đối với phôi thép dài 1 m............64
Hình 3.5 Sơ đồ minh họa sự phân biệt giữa độ không đảm bảo đo kết hợp và mở rộng......65
Hình 3.6 Độ khơng đảm bảo đo mở rộng (k = 2) và giá trị tuyệt đối của độ chệch đo do sự
giãn nở nhiệt của phôi thép dài 1 m dưới dạng hàm của nhiệt độ phơi.................................66
Hình 3.7 Khử rung bằng miếng đệm.....................................................................................72
Hình 3.8 Khử rung bằng lị xo khơng khí.............................................................................74
Hình 3.9 Bộ ba lị xo khơng khí máy CMM..........................................................................74
Hình 3.10 Bốn đường chéo của CMM..................................................................................76
Hình 3.11 Giảm sai số sau bù................................................................................................76
Hình 3.12 Sơ đồ máy giàn có thang kép...............................................................................78
Hình 3.13 Bù sai số bằng cách sửa đổi lệnh chuyển động....................................................79
Hình 3.14 Bù sai số cho quỹ đạo của bàn làm việc...............................................................80
Hình 3.15 Sai số có thể có ở các trục....................................................................................81
Hình 3.16 Hệ tọa độ trên CMM với cầu di chuyển...............................................................83
Hình 4. 1 Hệ thống thu thập đám mây điểm bằng máy CMM..............................................85
Hình 4. 2 Đám mây điểm của mơ-đun mẫu sau khi nối một số khối....................................86

Hình 4. 3 Đám mây điểm của mô-đun mẫu..........................................................................87
Trang


Hình 4. 4 Bề mặt đã được làm mịn.......................................................................................87
Hình 4. 5 Tồn bộ hệ thống chế tạo cho mơ hình 3D...........................................................88
Hình 5. 1 Máy CMM trong sản xuất.....................................................................................89
Hình 5. 2 Đầu dị sử dụng phổ biến trong cơ khí của máy CMM.........................................90

Trang


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ MÁY CMM
1.1.

Lịch sử phát triển của máy CMM

1.1.1

Lịch sử phát triển của đo lường.

1.1.1.1 Sự phát triển của đo lường trong nền văn minh cổ đại.
Đo lường đã được phát triển từ rất lâu trước đây, nhiều cơng trình cổ đại cho thấy sự
phát triển của đo lường đã đạt được nhiều thành tựu to lớn. Ví dụ bao gồm Vạn Lý Trường
Thành của Trung Quốc, các tảng đá nguyên khối trên Đảo Phục Sinh, các ngôi đền của
người Maya ở Nam Mỹ và Stonehenge ở Anh. Các kim tự tháp của Ai Cập là một trong
những kim tự tháp ấn tượng nhất. Đại kim tự tháp Cheops (Khufu), được xây dựng cách đây
khoảng 4.500 năm, có diện tích 52.000 mét vng và chứa khoảng 2.300.000 khối đá có
khối lượng trung bình là 2.270 kg mỗi khối. Người ta đã ước đoán rằng phải mất 100.000
người đàn ông từ 20 đến 30 năm để hoàn thành kim tự tháp. Đây là nỗ lực tương tự như nỗ

lực trong nhiều năm của con người để đưa một người đàn ông lên mặt trăng. Những công cụ
xây dựng hạng nặng duy nhất dành cho người Ai Cập là đòn bẩy, con lăn và những con dốc
bằng đất rộng lớn. Khả năng đo lường của người Ai Cập có thể đã được cải tiến rất nhiều vì
người ta ước tính rằng sự khác biệt về chiều cao của các góc đối diện của kim tự tháp ở đáy
của nó chỉ là 13 mm (Morse và Babcock 2009).

Hình 1.1 Đo lường được mô tả trong lăng mộ Rekhmire ở Thebes

Một bản ghi chép ban đầu về phép đo đã được tìm thấy trong lăng mộ của Rekhmire
ở Thebes (Hình 1.1), có niên đại từ thế kỷ thứ mười lăm trước Công nguyên. Đối với những
người liên quan đến đo lường thủ cơng trong q trình này, điều thú vị là phải lưu ý rằng nhiệm
vụ đo của họ được thực hiện đồng thời với quá trình làm việc. Giải thích trong Hình 1.1 đơn
giản rằng các mặt phẳng bên của các khối được làm phẳng bằng một sợi dây – điều này là
rất khó để làm phẳng tồn bộ bề mặt. Các sợi dây được căng để kiểm tra chỗ nhơ cao khỏi
bề mặt và sau đó các chỗ nhô được loại bỏ bằng một chiếc đục.
Trang


1.1.1.2 Cubit – một trong những đơn vị đo đầu tiên.
Từ những thời kì phát triển đầu tiên của đo lường, con người đã chọn bộ phận tự
nhiên của mình làm cơ sở cho các đơn vị đo lường đầu tiên - chiều dài của cẳng tay, bàn chân và
chiều rộng của ngón tay. Các đơn vị như vậy ln có sẵn và dễ hiểu. Trong số này, cubit trở
thành vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong thế giới cổ đại. Cubit được định nghĩa là
khoảng cách từ khuỷu tay đến cuối ngón tay giữa duỗi ra.
Tuy nhiên, chiều dài cánh tay của 1 người là không đồng nhất, do đó người Ai Cập
đã có cho mình cách giải quyết. Hình cho thấy một bản sao của tiêu chuẩn chính của cubit
hồng gia Ai Cập. Tiêu chuẩn dựa trên độ dài của cẳng tay của Pharaoh Amenhotep I
(khoảng năm 1550 TCN). Nó dài khoảng 524 mm (Hình 1.2 ) và được gọi là cubit hoàng gia.
Như được minh họa trong bản sao này, tiêu chuẩn được chia nhỏ bằng các vạch chia khối
lập phương thành 2 nhịp, 6 gang tay và 24 chữ số. Các chữ số lần lượt được chia thành một

nửa, một phần ba, một phần tư và giảm xuống còn 16 phần. Tổng thể cubit hoàng gia được
làm bằng đá granit đen và được đặt dưới sự giám sát của kiến trúc sư hoàng gia. Các cubit
“làm việc” làm bằng gỗ được nhân bản từ cubit hoàng gia và được các nghệ nhân sử dụng
trong các kim tự tháp lớn, lăng mộ và đền thờ.

Hình 1.2 Cubit của hoàng gia Ai Cập

1.1.1.3 Sự ra đời của những dụng cụ đo đầu tiên
Bắt nguồn từ điều hướng bằng cách sử dụng vị trí của mặt trời, mặt trăng và các ngơi
sao địi hỏi phải có các góc độ chắc chắn và chính xác, William Gascoigne, một nhà thiên
văn học, đã phát triển một công cụ thiên văn bằng cách sử dụng một sợi vít vi sai (Towneley
1666). Gascoigne đã đo đường kính của mặt trời, mặt trăng và các thiên thể khác bằng
phương pháp tam giác. Điều này địi hỏi một phép đo rất chính xác về đường kính của mục
Trang


tiêu tại thị kính

Trang


của kính thiên văn. Ơng biết bất kỳ sai sót nào trong việc đo lường hình ảnh trong kính
thiên văn của mình sẽ gây ra sai số điều hướng lớn. Thách thức của Gascoigne là đo chính
xác hình ảnh trong kính thiên văn của mình. Sử dụng một thang chia độ đến hàng trăm inch
sẽ là quá thô. Ngay cả khi đã có một thang có độ chia tốt hơn, khó khăn trong việc đọc nó
vẫn có khiến nó khơng được sử dụng. Một phương tiện đo lường khác là cần thiết.
Gascoigne đã giải quyết vấn đề đo lường bằng cách tạo ra thước cặp, các đầu kẹp chỉ
thị của chúng được di chuyển đồng thời theo các hướng ngược nhau bằng một con vít có
một đầu ren thuận tay trái và một đầu ren tay phải ở đầu kia. Gascoigne đo số lượng ren trên
mỗi inch bằng thang chia độ và do đó, tính tốn bước vít. Tương tự như vậy, anh ta tính

tốn trước cho bất kỳ vịng quay nhỏ nào của vít. Đây là ý tưởng cơ bản mà panme hiện đại
dựa trên đó. Theo ghi chép của riêng mình, Gascoigne có thể đo góc đến giây.
Gascoigne không quan tâm đến các phép đo cơ học và khơng thể thấy trước khả
năng khám phá của mình trong tương lai. Trên thực tế, anh ta không cố gắng cấp bằng sáng
chế cho thiết bị của mình. Hồ sơ cho thấy bằng sáng chế đầu tiên về “thước cặp vít” đã
được cấp cho một thợ cơ khí người Pháp, Jean Laurent Palmer, vào năm 1848 (Roe 1916).
Đây là một dụng cụ bỏ túi và là tiền thân của panme hiện nay.
Một cuốn tiểu sử của Joseph R. Brown cho biết rằng vào năm 1852, ông đã phát
minh ra một cỗ máy phân chia mà từ đó ơng đã chế tạo ra một thước đo vernier đọc chính
xác đến phần nghìn inch. Động cơ phân chia đầu tiên của ơng được đặt tại Bảo tàng Chính
xác Hoa Kỳ ở Windsor, Vermont. Tiếp tục phát triển thêm panme.
Năm 1867, rắc rối xảy ra giữa Công ty Đồng thau Bridgeport và Công ty Hộp mực
kim loại Union liên quan đến độ dày của tấm đồng thau mà Bridgeport cung cấp cho Union.
Union trả lại lô hàng là không thể chấp nhận được. Khi kiểm tra lại các tấm, Bridgeport
thấy chúng đáp ứng các thông số kỹ thuật. Rắc rối là thiết bị của Union Company khác với
thiết bị của Bridgeport. Cả hai đều khác với một thiết bị thứ ba được đưa đến để giải quyết
tranh chấp. Tất cả các thiết bị đo được cho là dựa trên Tiêu chuẩn của Hoa Kỳ về thiết bị đo
bằng dây được thông qua vào năm 1857. Tình huống này địi hỏi phải có biện pháp khắc
phục.

Trang


Hình 1.3 Panme đầu tiên năm 1867

Giám đốc của Bridgeport, S. R. Wilmot, đã thiết kế một panme có kích thước chính xác
đến phần nghìn inch. Nó được đọc bằng một con trỏ di chuyển qua một đường xoắn ốc
được khắc có cùng độ cao với vít panme. Các đường trục trên hình xoắn ốc được khắc cho
biết kích thước của lỗ mở micromet. Những nỗ lực của Wilmot để tiếp thị chiếc micromet
của mình đã khơng thành cơng vì dụng cụ này quá phức tạp để sử dụng trong thực tế. Sự

gần gũi của các điểm phân loại khiến việc đọc chúng trở nên khó khăn và khơng có chỗ cho
các số liệu.
Cũng vào khoảng thời gian đó, J. R. Brown và Lucian Sharpe, trong khi đến thăm Triển
lãm Paris, đã nhìn thấy một panme Palmer. Sử dụng những gì họ cho là tính năng tốt nhất
của cả thiết kế Palmer và Wilmot, họ đã giới thiệu panme Brown & Sharpe vào năm 1867.
Đây là panme cơ khí thực tế đầu tiên được bán trên thị trường tại Hoa Kỳ (Hình 1.3). Đến
năm 1877, những panme này đã được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp gia công
kim loại.
Độ chính xác của ngày đó cịn nhiều vấn đề đáng quan tâm. Dụng cụ đo lường trong
nhà máy sản xuất súng trường bao gồm thiết bị đo vòng quay, thước cặp trượt và một
panme. Thiết bị chế tạo là các khối thép, mỗi khối một kích thước. Mặc dù ý tưởng về dung sai
đã được công nhận, nhưng không có ý tưởng nào được thể hiện trên các bản vẽ làm việc. Khi
chính phủ Thụy Điển lựa chọn một khẩu súng trường có băng đạn, vấn đề chế tạo càng trở
nên phức tạp. Một đơn đặt hàng súng trường đã được đặt hàng với Mauser-Werke, một công ty
của Đức. Hợp đồng quy định rằng một ủy ban từ nhà máy Eskilstuna sẽ kiểm tra súng
trường mới và được cung cấp đầy đủ thông tin để cho phép sản xuất thêm tại Eskilstuna.
Johansson là một thành viên của ủy ban này đã đến Đức vào năm 1894.
Nhiệm vụ sản xuất các khối căn mẫu riêng lẻ theo cách thông thường cho nhiều kích
thước quan trọng của súng trường Mauser mới khiến Johansson kinh hồng. Ơng tin rằng
phải có một cách hiệu quả hơn để kiểm soát các chiều. Johansson sau đó đã có ý tưởng tuyệt vời
của mình là tạo ra một tập hợp các khối có kích thước đồng nhất, có thể được sử dụng đơn
Trang


lẻ hoặc kết hợp để cân bằng với nhiều kích thước sản xuất gặp phải. Khi trở về Thụy Điển
năm 1896, Johansson đã hồn thành việc tính tốn kích thước khối của mình. Đơn xin cấp
bằng sáng chế

Trang

của ơng (Althin 1948) đã chỉ định kích thước của 111 khối trong bốn loạt. Từ các khối này, bất
kỳ kích thước nào từ 2 đến 202 mm có thể được thiết lập theo các bước 0,001 mm cho tổng số
200.000 kết hợp đo lường khác nhau. Một tập hợp điển hình ban đầu được thể hiện trong
Hình 1.4.

Hình 1.4 Hộp căn mẫu tại bảo tàng Hoa Kỳ

1.1.1.4 Sự ra đời của máy CMM.
Một số máy đo lường, không chỉ là máy so sánh theo nghĩa thường được chấp nhận,
đã được sản xuất (Hume 1953). Mặc dù các loại máy đo thời kỳ đầu khác nhau về kiểu dáng
và nguyên lý hoạt động, nhưng chúng có đặc điểm chung là chứa các tiêu chuẩn đo lường
riêng dưới dạng một thang đo hoặc các thang đo, panme hoặc các thiết bị khác.
Máy ma trận được thiết kế như một thiết bị trung gian giữa máy so sánh tầm ngắn và
máy đo độc lập. Nó dựa trên thiết bị đo trượt cùng với một panme được sử dụng cùng với
một chỉ báo. Máy ma trận thích hợp để đo cả đường kính ngồi và đường kính trong trên
các cơng việc trơn, cơn và ren. Nguyên tắc hoạt động khá bất thường vì một đường kính
được xác định bằng cách đo hai bán kính ở chính xác 180 °.
Máy đo Newall được làm bằng một cái giường cứng, trên đó có gắn một cái gá đầu
và một cái ụ mang các mặt đo. Một số con lăn một inch trong một khe được đặt dọc theo trung
tâm của giường. Kích thước chính xác của các con lăn đã được chọn nên độ lệch tích lũy từ
khoảng cách danh nghĩa trên một số con lăn là rất nhỏ. Một panme được lắp vào ụ trước và một
chỉ báo bong bóng được gắn trên ụ. Máy đặc biệt thích hợp cho việc đo lường cảm biến dài.
Máy đo vi mô do Messrs. Hilger & Watts, Ltd., Vương quốc Anh, đã kết hợp tiêu chuẩn
của riêng họ dưới dạng một thang đo thủy tinh. Carl Zeiss của Đức lần đầu tiên giới thiệu
loại máy này vào cuối những năm 1920, và nó tỏ ra rất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới.
Máy này khá hữu ích cho việc hiệu chuẩn trực tiếp các thiết bị đo phích cắm và nó có phạm
vi ứng dụng gần như vô hạn trong các loại phép đo khác.
Hiệp hội Genevoise của Thụy Sĩ đã đóng một vai trị tích cực trong việc phát triển bộ
Trang

môn đo lường từ năm 1865. Họ là những người khởi xướng ra máy khoan đồ gá theo nghĩa hiện
đại. SIP là được biết đến là loại máy phổ thông và các thiết kế cơ bản của chúng được sử
dụng trong cả máy doa đồ gá và máy CMM. Ví dụ, SIP “Trioptic”, được giới thiệu vào năm
1961, sau đó được chuyển đổi thành SIP 560M CMM.

Hình 1.5 Máy đo Moore số 3 (1957)

Máy đo vạn năng, được giới thiệu bởi Moore Special Tool of Bridgeport,
Connecticut, dựa trên máy doa đồ gá giống như các máy SIP đã đề cập trước đó (Moore
1970). Một máy Moore số 3 được thể hiện trong hình 1.5.

Trang


Cả SIP và Moore Special Tool Company đều tiếp tục sản xuất máy đo dựa trên công
nghệ lỗ khoan được sử dụng cho các ứng dụng có độ chính xác rất cao. Moore giới thiệu
máy đo Moore 48 (Hình 1.8) vào khoảng năm 1968, và một phiên bản sửa đổi của máy này,
được gọi là Moore 5Z, đã được sử dụng tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia (NBS; nay là Viện
Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia [NIST]) trong nhiều năm. Máy này, được thể hiện trong
hinh là máy đã phát triển hiệu chỉnh phần mềm (Hocken et al. 1977). Một chiếc máy Moore
được sửa đổi một chút, được gọi là M60, có lẽ vẫn là chiếc máy chính xác nhất trên thế giới
về kích thước của nó.

Hình 1.6 Máy CMM M48

1.1.2

Máy đo tọa độ 3 chiều CMM.

Máy CMM (Coordinate Measuring Machine) hoạt động dựa trên nguyên lí dịch chuyển

đầu dò chạm vào bề mặt sản phẩm cần đo để xác định tọa độ X,Y,Z các điểm trên vật thể,
hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm điểm được đo trên một chi tiết và được sử dụng để xác
minh các kích thước quan trọng. Khi các điểm đã chọn được thu thập, CMM chuyển các
điểm này thành dữ liệu có thể sử dụng để so sánh các phép đo.
Máy đo lường đầu tiên được gọi là CMM được phát triển bởi Ferranti, Ltd., ở Dalkeith,
Scotland (Ogden 1970). Mơ hình ban đầu được thể hiện trong Hình 1.7. CMM này được
phát triển như một sản phẩm đồng hành với dòng máy công cụ điều khiển bằng số đang
phát triển của họ. Cần lưu ý rằng Ferranti không kinh doanh thiết bị đo lường. Ferranti đã phát
triển CMM để đáp ứng nhu cầu đo nhanh hơn và linh hoạt hơn khi quá trình gia cơng trở nên
tự động hơn. Như thường lệ, các nhà sản xuất thiết bị đo lường hiện tại đã không nhận ra
tiềm năng của thị trường CMM sẽ xuất hiện.
Năm 1956, chỉ hai năm sau khi Harry Ogden gia nhập Bộ phận Điều khiển Số (NC) của
Ferranti, Ltd. với tư cách là kỹ sư cơ khí chính, ơng đã phát minh ra máy kiểm tra Ferranti.
Ogden và những người khác ở Ferranti đã thấy rõ rằng các bộ phận được tạo ra trong vài
phút trên máy NC mới của họ phải mất hàng giờ để kiểm tra. Sau đó, Ogden quan niệm
rằng một máy đo cơ học chuyển động tự do với màn hình số điện tử sẽ tạo điều kiện thuận
Trang


lợi cho việc

Trang


kiểm tra các thành phần được gia công. Thực tế, điều này đã thay đổi tồn bộ khía cạnh
kinh tế của các phương pháp kiểm tra thông thường bằng cách giảm thời gian kiểm tra và
kỹ năng cần thiết để kiểm tra.
Yếu tố quan trọng làm nên sự phát triển của CMM là khả năng sử dụng của một hệ

thống đo lường kỹ thuật số chính xác, tầm xa, tương thích điện tử. Cách tử quang học và hệ
thống cảm biến rìa moiré là lý tưởng. Chúng có tốc độ chính xác, sản xuất tương đối rẻ và
dễ dàng đặt lại về 0. Độ chính xác của chúng dựa trên tính trung bình của một số dịng và
khơng phụ thuộc vào độ chính xác của bất kỳ dịng nào. Cơng nhận cho hệ thống cách tử
quang học nên thuộc về David T. N. Williamson của Ferranti, người được nhớ đến là người rất
thơng minh và có nhiều sáng tạo.
Sự phát triển ban đầu của Ferranti là một máy kiểm tra với các chuyển động X và Y lần
lượt là 610 mm và 381 mm, và Z là 254 mm được thiết kế để kiểm tra sản xuất với độ
chính xác 0,025 mm và độ phân giải 0,012 mm. Máy được trang bị các đầu đo hình cơn đã
thiết lập loại hạn chế của quy trình kiểm tra và cách mạng hóa cách tiếp cận kiểm tra sản xuất.
Máy cũng được trang bị các khóa và điều chỉnh tốt trên trục x và y để có thể thực hiện các
phép đo bằng kính hiển vi máy chiếu trên các bộ phận linh hoạt hoặc tinh vi. Ban đầu, phép
đo trục z được thực hiện bằng cách thêm một giá đỡ vào mặt trước của ổ đỡ tay công xôn
trên một thị trường bằng thép gắn ở mép trước của bàn. Phép đo Z đầy đủ được giới thiệu
vào năm 1962 (Ogden 1970).
Ferranti CMM là một thiết kế động học cổ điển hơn là một thiết kế máy công cụ
thông thường. Nguyên tắc cơ bản của chuyển động học liên quan đến sự liên kết tối thiểu
với việc cung cấp sự liên kết của các phần tử chuyển động (Maxwell 1890). Thiết kế hoàn
toàn khác biệt và khiến các nhà thiết kế máy công cụ phải suy nghĩ lại về các nguyên tắc
thiết kế của họ. Chiếc máy ban đầu này đã tạo ra một thị trường rộng lớn trên toàn thế giới
công nghiệp và dẫn đến sự phát triển của các loại máy tương tự với công suất lớn hơn, độ chính
xác và độ phân giải được cải thiện. Các đối thủ cạnh tranh tham gia thị trường trung bình hai
chiếc mỗi năm trong 25 năm tới. Sự gia tăng của các đối thủ cạnh tranh như vậy đã dẫn đến
một loạt các hợp nhất. Trong trường hợp của Ferranti, họ đã ngừng sản xuất CMM vào năm
1992 và bán tài sản cịn lại của mình cho đại lý trước đây của họ ở Hàn Quốc, công ty điều
hành busi ness với tên gọi “Hệ thống đo lường quốc tế”. Một cuộc tìm kiếm trên World
Wide Web * cho thấy rằng một cơng ty có tên là Hệ thống đo lường quốc tế vẫn tiếp thị
CMM, mặc dù quyền sở hữu công ty không rõ ràng.

Trang

Hình 1.7 Máy đo toạ độ Ferranti

Vào mùa hè năm 1959, George Knopf, tổng giám đốc bộ phận Điều khiển Cơng nghiệp
của Tập đồn Bendix, đã tham dự Triển lãm Máy công cụ Quốc tế tại Paris. Trong khi ông đang
kiểm tra hệ thống định vị NC trên màn hình Ferranti, một CMM hai trục, cũng do Ferranti
chế tạo, đã thu hút được sự quan tâm của ông. Knopf ngay lập tức nhận ra tiềm năng bán
hàng của mình cho việc kinh doanh Bendix Controls và Sheffield Corporation, được Bendix
mua lại vào năm 1956.
Knopf quyết định hành động ngay lập tức và bay thẳng từ triển lãm Paris đến cơ sở
Ferranti ở Edinburgh, Scotland. Knopf đã tìm hiểu thêm về các chi tiết của máy và thiết lập các
địa chỉ liên hệ để đàm phán. Sau đó, một hợp đồng đã được ký kết cung cấp cho Bendix độc
quyền bán Ferranti CMM tại thị trường Bắc Mỹ.
Những chiếc máy Ferranti đầu tiên đến với bộ phận Điều khiển Công nghiệp vào
đầu năm 1960. Một chiếc máy đã được chuyển đến công ty con Sheffield của Bendix để
đánh giá. Các kỹ sư của Sheffield tỏ ra nghi ngờ về độ chính xác của cỗ máy, nhưng nó đã
được chứng minh là tốt hơn những gì họ mong đợi. Khơng lãng phí thời gian, Bendix đã
trưng bày những chiếc CMM đầu tiên tại thị trường Bắc Mỹ tại Triển lãm Máy công cụ
Quốc gia ở Chicago vào năm 1960.
Năm 1959, ngay cả trước khi những chiếc máy đầu tiên được chuyển đến Bendix,
một chiếc đã được chuyển giao cho nhà máy Western Electric ở Winston Salem, North
Carolina, cho John Haney, người giám sát phịng thí nghiệm dụng cụ và thiết bị đo. Sau khi
đọc về cỗ máy Ferranti trên tạp chí Machinist của Mỹ và nhận ra tiềm năng tiết kiệm thời gian
của nó, đại diện của Sheffield là Marcus Crotts và Charles Saunders bắt đầu quan tâm. Khách
hàng của họ đang đo bằng một tấm bề mặt đá granit, thiết bị đo chiều cao và khối đo. Mặc
dù kỹ thuật đo độ cao rất chính xác, nhưng nó cực kỳ tốn thời gian và công sức. Khi John
Trang