Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án "Nghiên cứu đo lường biên
dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp qt laser" là cơng trình nghiên cứu khoa
học của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn. Những
nội dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã cơng bố
theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tơi tự tìm hiểu, phân tích
một cách trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Các kết quả
này chưa có tác giả nào cơng bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày
TM Tập thể hướng dẫn khoa học

tháng 02 năm 2022

Tác giả luận án

NCS Lê Xuân Cam

i


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận án, tơi đã nhận được rất
nhiều sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên tơi xin được
bày tỏ lịng biết ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí – Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội.
Tơi đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Vinh, TS. Hoàng Hồng Hải, TS.
Phạm Xuân Khải đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những ý kiến vô cùng quý báu và tạo
điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt q trình học tập và thực
hiện luận án.
Tơi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang
học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã đóng góp cho tơi những ý kiến bổ ích

cũng như tạo điều kiện thuận lợi về thời gian cho tơi trong suốt q trình làm luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng thử nghiệm Quang - Cơ Điện tử 307 C4-5 Bộ môn Cơ khí Chính xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo
mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất thử nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tơi trong q
trình làm luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, chỉ huy và đồng đội trong Viện Cơng
nghệ/ Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng nơi tơi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tôi trong q trình làm luận án.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến các đồng nghiệp, bạn bè, gia
đình, bố mẹ, vợ và các con đã động viên, giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn trong suốt
q trình nghiên cứu và hồn thành luận án này.
Tác giả luận án

NCS Lê Xuân Cam

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. xii
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... xiv
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ..................................................................................1
2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu........................................2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ..................................................2
4. Các kết quả mới của luận án ........................................................................................3
Chương 1. ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY .................................4

1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................4
1.2 Định nghĩa về sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay ..................................................5
1.3 Các phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay ...............................................8
1.3.1 Phương pháp đo biên dạng 3D tiếp xúc ...........................................................9
1.3.2 Phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc ..............................................10
1.3.3 Phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser ............14
1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp đo biên dạng chi tiết trịn
xoay ...............................................................................................................................16
1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới.................................................................16
1.4.1.1 Nghiên cứu đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến tiếp xúc ........ 16
1.4.1.2 Nghiên cứu đo biên dạng bằng phương pháp quét laser ......................20
1.4.2 Các nghiên cứu trong nước ............................................................................24
1.5 Kết luận Chương 1...................................................................................................26
Chương 2. XÂY DỰNG CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT
TRỊN XOAY BẰNG QT LASER ..........................................................................27
2.1 Mơ hình tốn học biên dạng chi tiết tròn xoay ........................................................27
2.1.1 Định nghĩa chi tiết tròn xoay .........................................................................27

iii


2.1.2 Mơ hình tốn học biên dạng chi tiết trịn xoay thực ......................................28
2.2 Nguyên lý, cấu tạo cảm biến đo Laser Scan Micrometer .......................................31
2.2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến Laser Scan Micrometer ................................31
2.2.2 Cấu tạo cảm biến Laser Scan Micrometer .....................................................33
2.3 Phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser .................................36
2.4 Phương pháp quét mẫu và xây dựng thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay ....40
2.4.1 Phương pháp quét mẫu ..................................................................................40
2.4.2 Xây dựng thuật tốn đo biên dạng chi tiết trịn xoay .....................................42
2.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay........................................43

2.6 Kết luận chương 2 ..................................................................................................44
Chương 3. THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ
CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY
BẰNG QUÉT LASER ..................................................................................................45
3.1 Xây dựng thiết bị thực nghiệm 3D-LSM-01 ...........................................................45
3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn
xoay xử dụng quét laser .................................................................................................50
3.2.1 Sai số do lệch điểm đặt mẫu ban đầu .............................................................50
3.2.2 Sai số do cảm biến không đi qua tâm quay...................................................54
3.2.3 Sai số do lệch đường dẫn hướng ...................................................................55
3.2.4 Sai số do độ chính xác của cảm biến đo LSM ...............................................57
3.2.4.1 Các nguyên nhân gây sai số cảm biến đo LSM [28], [82], [83] ..........57
3.2.4.2 Tính tốn sai số [82]. ............................................................................58
3.3 Một số giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn
xoay sử dụng quét laser .................................................................................................80
3.3.1 Nâng cao độ chính xác bằng phương pháp đảo ngược ..................................80
3.3.2 Nâng cao độ chính xác bằng hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo trong vùng quét laser ... 83
3.3.3 Nâng cao độ chính xác bằng hiệu chỉnh cảm biến LSM ...............................84
3.4 Kết luận chương 3 ...................................................................................................87
Chương 4. THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT
TRÒN XOAY ................................................................................................................88
4.1 Đánh giá thiết bị đo biên dạng 3D-LSM-01 ............................................................88

iv


4.2 Thử nghiệm giải pháp nâng cao độ chính xác đo bằng phương pháp đảo ngược ..93
4.3 Thử nghiệm xác định ảnh hưởng vị trí của chi tiết trong vùng quét laser ..............96
4.4 Đánh giá độ không đảm bảo đo của thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng
thiết bị quét laser 3D-LSM-01 .......................................................................................98

4.4.1 Độ không đảm bảo đo biên dạng theo phương ngang trục ............................99
4.4.2 Độ không đảm bảo đo biên dạng theo phương dọc trục ..............................103
4.5 Đo biên dạng một số chi tiết tròn xoay trên thiết bị quét laser 3D-LSM-01 .........106
4.5.1 Đo biến dạng chi tiết trục nhôm bậc ............................................................107
4.5.2 Đo biến dạng chi tiết đạn .............................................................................110
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ......................................................................112
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .......................................................................112
DANH MỤC................................................................................................................113
CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................................113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................114
PHỤ LỤC ....................................................................................................................121

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Biên dạng viên đạn hồn chỉnh. ........................................................... 4
Hình 1. 2: Các điểm nằm trong dung sai [1]. ........................................................ 5
Hình 1. 3: Sai lệch đường tâm [1]. ........................................................................ 6
Hình 1. 4: Sai lệch hướng tâm [1]. ........................................................................ 6
Hình 1. 5: Sai lệch mặt cắt [1]............................................................................... 6
Hình 1. 6: Sai lệch độ trịn. ................................................................................... 7
Hình 1. 7: Sai lệch độ thẳng. ................................................................................. 7
Hình 1. 8: Sai lệch độ trụ. ..................................................................................... 7
Hình 1. 9: Các phương pháp đo biên dạng chi tiết trịn xoay. .............................. 8
Hình 1. 10: Máy đo biên dạng tiếp xúc. ................................................................ 9
Hình 1. 11: Dưỡng kiểm tra biên dạng................................................................ 10
Hình 1. 12: Phân loại phương pháp đo không tiếp xúc quang học [24]. ............ 11
Hình 1. 13: Một số dạng máy đo biên dạng khơng tiếp xúc. .............................. 11
Hình 1. 14: Ngun lý đo khoảng cách tam giác lượng...................................... 12

Hình 1. 15: Nguyên lý phương pháp đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc [11]. ......... 13
Hình 1. 16: Nguyên lý phương pháp Time - Of – Flight dạng xung [25]........... 13
Hình 1. 17: Nguyên lý phương pháp giao thoa [26]. .......................................... 13
Hình 1. 18: Nguyên lý cảm biến Laser scan micrometer. ................................... 15
Hình 1. 19: Tín hiệu xung thu được từ cảm biến quang điện. ............................ 15
Hình 1. 20: Xung đo khi đặt vật vào vùng quét laser. ........................................ 15
Hình 1. 21: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc [31]. ...................................................... 16
Hình 1. 22: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc qt song song [32]. ............................. 17
Hình 1. 23: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc quét xoắn ốc [32]. ................................ 18
Hình 1. 24: Sơ đồ quét khối V. ........................................................................... 18
Hình 1. 25: a) Sơ đồ của phép đo biên dạng hình trụ bậc sử dụng cảm biến dịch
chuyển laser 2D; b) Trục quay bàn quay và đường tâm hình học của chi tiết đo
không trùng nhau [49]. ........................................................................................ 21

vi


Hình 1. 26: Tư thế cảm biến laser 2D [49]. ........................................................ 21
Hình 1. 27: Lưu đồ thuật tốn bù sai số hệ thống dựa trên thuật toán đám mây 23
điểm [49]. ............................................................................................................ 23
Hình 1. 28: Đo biên dạng mặt cắt trịn sử dụng qt laser [55]. ......................... 24
Hình 2. 1: Mơ hình chi tiết trịn xoay. ................................................................. 27
Hình 2. 2: Một số dạng chi tiết trịn xoay. .......................................................... 28
Hình 2. 3: Mơ hình tốn học biên dạng chi tiết trịn xoay [57]. ......................... 28
Hình 2. 4: Biên dạng chi tiết trịn xoay [59]. ...................................................... 29
Hình 2. 5: Các dạng biên dạng trịn xoay [32]. ................................................... 30
Hình 2. 6: Cách xây dựng biên dạng chi tiết trịn xoay [37]. .............................. 30
Hình 2. 7: Mơ hình hoạt động của cảm biến đo LSM [28]. ................................ 31
Hình 2. 8: Mơ hình mối quan hệ giữa kích thước vật đo với khoảng thời gian che
khuất. ................................................................................................................... 31

Hình 2. 9: Các khoảng thời gian trong một chu kỳ quét tại mặt cắt thứ i. .......... 32
Hình 2. 10: Cảm biến LSM -506S của hãng Mitutoyo [66]. .............................. 32
Hình 2. 11: Mơ hình chức năng của cảm biến LSM ........................................... 33
Hình 2. 12: Mơ hình các bộ phận của cảm biến LSM [70]. ................................ 33
Hình 2. 13: Mơ hình tạo chùm tia qt laser bằng gương đa giác quay. ............ 34
Hình 2. 14: Mơ hình tạo chùm tia quét laser bằng gương đa giác quay. ........... 34
Hình 2. 15: Mơ hình bộ phận chuẩn trực chùm tia qt góc thành chùm tia qt
song. .................................................................................................................... 34
Hình 2. 16: Mơ hình bộ phận tạo xung đo. ......................................................... 35
Hình 2. 17: Chuyển đổi tương ứng từ độ rộng xung đo thành việc đếm số xung
nhịp thời gian....................................................................................................... 36
Hình 2. 18: Mơ hình ngun lý đo biên dạng chi tiết trịn xoay sử dụng qt
laser. .................................................................................................................... 37
Hình 2. 19: Chùm laser trong mặt cắt thứ i. ........................................................ 37
Hình 2. 20: Mặt cắt ngang thứ i. ......................................................................... 38
Hình 2. 21: Mơ hình các phương pháp quét mẫu [75]. ....................................... 40
vii


Hình 2. 22: Mơ hình phương pháp lấy mẫu theo từng mặt cắt. .......................... 41
Hình 2. 23: Thuật tốn đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng quét laser. ............ 43
Hình 2. 24: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay .......... 44
bằng quét laser. .................................................................................................... 44
Hình 3. 1:Mơ hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng phương pháp
quét laser 3D-LSM-01......................................................................................... 45
Hình 3. 2: Cảm biến đo Laser scan micrometer LS5041T/R và bộ điều khiển
LS5001 hãng Keyence [29]. ................................................................................ 46
Hình 3. 3: Các bộ phận chính của máy đo biên dạng chi tiết trịn xoay. ............ 47
Hình 3. 4: Một số chức năng của phần mềm đo thiết bị 3D-LSM-01. ............... 48
Hình 3. 5: Giao diện chính của phần mềm đo biên dạng chi tiết trịn xoay........ 49

Hình 3. 6: Thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 3D-LSM01 sau chế tạo. ..................................................................................................... 49
Hình 3. 7: Mơ hình sai số do lệch điểm đặt mẫu. ............................................... 50
Hình 3. 8: Mơ hình mối quan hệ giữa biên dạng và lệch tâm e. ......................... 51
Hình 3. 9: Mơ hình sai số do lệch trục [79]. ....................................................... 52
Hình 3. 10: Mơ hình mặt cắt phương đo [79]. .................................................... 53
Hình 3. 11: Mơ hình sai số do cảm biến khơng đi qua tâm quay [79]. .............. 54
Hình 3. 12: Mối quan hệ giữa biên dạng và độ lệch di. ...................................... 55
Hình 3. 13: Mơ hình lệch trục dẫn hướng [79]. .................................................. 56
Hình 3. 14: Mối quan hệ giữa biên dạng và độ lệch trục. ................................... 56
Hình 3. 15: Mơ hình đường đi của tia laser qua hệ gương tạo tia quét [82]. ...... 58
Hình 3. 16: Hệ tọa độ để xác định đường đi của tia quét laser [82]. .................. 59
Hình 3. 17: Mơ hình xác định giao điểm N của tia tới T với mặt gương đa giác
quay. .................................................................................................................... 59
Hình 3. 18: Mơ hình xác định giao điểm K của tia phản xạ P với quang trục x’
của F . ................................................................................................................. 60
Hình 3. 19: Độ lệch giao điểm của tia phản xạ với quang trục của F ở các góc
quét giới hạn [82]. ............................................................................................... 61
viii


Hình 3. 20: Đồ thị quan hệ giữa K và góc lệch . ............................................ 62
Hình 3. 21: Mơ hình gương quay tạo tia quét laser hội tụ tại một điểm. ............ 62
Hình 3. 22: Sự khơng song song với quang trục của tia qua thấu kính chuẩn trực
do tia phản xạ từ gương đa giác không đi qua tiêu điểm của F. ........................ 63
Hình 3. 23: Mơ hình tính tốn góc lệch của tia qua F khi K nằm ngồi tiêu cự
của F ................................................................................................................... 63
Hình 3. 24: Mơ hình tính tốn góc lệch của tia qua F khi K nằm trong khoảng
tiêu cự của F ....................................................................................................... 64
Hình 3. 25: Mơ hình quét của chùm tia laser lên chi tiết khi chúng khơng song
song với quang trục của Fθ .................................................................................. 65

Hình 3. 26: Mơ hình sai lệch đo đối với nửa trên của chi tiết............................. 65
Hình 3. 27: Mơ hình sai lệch đo đối với nửa dưới của chi tiết. .......................... 66
Hình 3. 28: Mơ hình của hệ tạo tia qt gương phẳng - gương đa giác. ............ 68
Hình 3. 29: Mơ hình thêm thấu kính phụ Fp khi tiêu cự F lớn. ......................... 68
Hình 3. 30: Mơ hình quan hệ vận tốc quét góc và quét song song của tia laser. 68
Hình 3. 31: Đồ thị mối quan hệ vận tốc qt với vị trí của tia qt góc. ............ 69
Hình 3. 32: Mơ hình tính tốn kết quả đo khi chi tiết đối xứng với trục của
TK1[82]. .............................................................................................................. 69
Hình 3. 33: Đồ thị quan hệ góc quét giới hạn lên chi tiết đo và đường kính chi
tiết với sai số đo................................................................................................... 70
Hình 3. 34: So sánh kết quả đo khi chi tiết đối xứng và không đối xứng với
quang trục. ........................................................................................................... 71
Hình 3. 35: Mơ hình mặt cắt của tia laser tại vị trí quét cạnh chi tiết. ............... 72
Hình 3. 36: Dạng của xung phát từ tế bào quang điện khi tia quét laser lên chi
tiết. ....................................................................................................................... 72
Hình 3. 37: Sự phản xạ của tia quét trên bề mặt chi tiết dạng cạnh.................... 74
Hình 3. 38: Sự phản xạ của tia quét trên bề mặt chi tiết dạng trụ. ...................... 74

ix


Hình 3. 39: Mơ hình tìm góc lệch tới hạn mà tế bào quang điện có thể cảm nhận
được. .................................................................................................................... 75
Hình 3. 40: Mơ hình quan hệ giữa góc lệch tới hạn của tia phản xạ và sai số đo.76
Hình 3. 41: Các mức điện áp của xung tế bào quang điện.................................. 76
Hình 3. 42: Vị trí các mặt cắt của tia quét laser trên cạnh các chi tiết nhẵn và
nhám. ................................................................................................................... 77
Hình 3. 43: Sự khác nhau về dạng xung ra của tế bào quang điện khi đo chi tiết
nhẵn và nhám. ..................................................................................................... 78
Hình 3. 44: Sự khác nhau về dạng xung ra của tế bào quang điện khi đo các chi

tiết có chiều cao nhám khác nhau. ...................................................................... 79
Hình 3. 45: Sự khác nhau về dạng xung ra của tế bào quang điện khi đo các chi
tiết có biên dạng nhám khác nhau [82]. .............................................................. 80
Hình 3. 46: Biểu đồ sai số phương pháp lọc Fourier với Ri=50 mm và lệch tâm
ei=0,05 mm. ......................................................................................................... 81
Hình 3. 47: Mơ hình nguyên lý phương pháp đảo ngược sử dụng đầu đo LSM. 82
Hình 3. 48: Sự thu hẹp đường kính tia quét laser tại tiêu diện của thấu kính. .... 84
Hình 3. 49: Đồ thị đặc tính quan hệ giữa giá trị đo và giá trị thực. .................... 86
Hình 4. 1: Mẫu trụ chuẩn. ................................................................................... 89
Hình 4. 2: Mơ hình thử nghiệm đo trụ chuẩn...................................................... 89
Hình 4. 3: Sai số đo đường kính các chi tiết trụ chuẩn bằng máy LS5041......... 90
Hình 4. 4: Mơ hình thử nghiệm kiểm tra sai số trục Z....................................... 91
Hình 4. 5: Sai số trục Z. ...................................................................................... 91
Hình 4. 6: Mơ hình thử nghiệm độ thẳng ray dẫn hướng. .................................. 92
Hình 4. 7: Kết quả độ thẳng ray dẫn hướng. ....................................................... 92
Hình 4. 8: Mơ hình thử nghiệm đo biên dạng trụ chuẩn 10,59 mm. ............... 93
Hình 4. 9: Biên dạng mẫu trụ chuẩn 10,59 mm. .............................................. 94
Hình 4. 10: Biên dạng mẫu trụ chuẩn 10,59 mm sử dụng phương pháp đảo
ngược. .................................................................................................................. 94
Hình 4. 11: Độ lệch tâm ở các vị trí xác định bằng phương pháp đảo ngược. ... 94
x


Hình 4. 12: Biên dạng mẫu trụ chuẩn 10,59 mm với các độ lệch tâm khác nhau... 95
Hình 4. 13: Độ lệch tâm xác định bằng phương pháp đảo ngược. ..................... 95
Hình 4. 14: a) Mơ hình đo trên máy đo độ trịn F135, b) Quả cầu chuẩn R3865. ...96
Hình 4. 15: Kết quả đo độ tròn khi thay đổi độ lệch tâm. ................................... 97
Hình 4. 16: Kết quả đo độ trịn trên máy đo độ trịn. .......................................... 97
Hình 4. 17: Mơ hình các yếu tố ảnh hưởng đến độ khơng đảm bảo đo [88]. ..... 99
Hình 4. 18: a) Mơ hình đo biên dạng trục nhơm bậc, b) Trục nhơm bậc. ........ 100

Hình 4. 19: Kết quả 5 lần đo lặp lại biên dạng.................................................. 101
Hình 4. 20: a) Mơ hình bố trí thử nghiệm, b) Kết quả đo biên dạng tại mặt cắt có
chiều cao z=211,5 mm trên máy đo độ trịn F135. ........................................... 103
Hình 4. 21: Vị trí đo biên dạng dọc trục chi tiết trục nhôm bậc. ...................... 104
Hình 4. 22: Biên dạng ngang trục đoạn 30 mm trục nhơm bậc. ....................... 104
Hình 4. 23: Biên dạng dọc trục chi tiết trục nhơm bậc. .................................... 105
Hình 4. 24: Biên dạng dọc trục chi tiết trục nhôm đo trên máy LSM và bằng . 106
đồng hồ so. ........................................................................................................ 106
Hình 4. 25: Thơng số đầu vào của bài đo biên dạng. ........................................ 107
Hình 4. 26: Biên dạng chi tiết trục nhơm bậc. .................................................. 108
Hình 4. 27: Vị trí các điểm đo mẫu trụ nhơm bậc............................................. 108
Hình 4. 28: Mơ hình máy đo CMM hãng Microstar. ........................................ 109
Hình 4. 29: Biên dạng mặt cắt mẫu trụ nhôm tại các vị trí khác nhau.............. 110
Hình 4. 30: Đo biên dạng chi tiết đạn 14,5 mm. ............................................... 110
Hình 4. 31: Đo biên dạng chi tiết đạn Hải quân sát thương vạch đường 25 mm. . 110

xi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục chữ viết tắt
STT

Chữ

Tên tiếng Anh

viết tắt

Tiếng Việt

1

CMM

Coordinate measuring machine

Máy đo toạ độ

2

CNC

Computer numerical control

Điều khiển số bằng máy tính

3

2D

2 Dimension

Khơng gian 2 chiều

4

3D

3 Dimension

Khơng gian 3 chiều

5

LSC

Least Square Circle

Đường trịn bình phương nhỏ nhất

6

LSM

Laser Scan Micrometer

Máy đo quét laser

7

ISO

8

MCC

Minimum Circumscribed circle

Đường tròn ngoại tiếp nhỏ nhất

9

MIC

Maximum Inscribed circle

Đường tròn nội tiếp lớn nhất

10

MZC

Minimum Zone circle

Đường tròn vùng tối thiểu

11

GPS

Geometric parameters spatial

Đặc tính hình học của sản phẩm

12

DRO

Digital Readout

Đầu đọc kỹ thuật số

13

TK1

Thấu kính chuẩn trực

14

TK2

Thấu kính hội tụ

15

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

16

Profile

Biên dạng

International Organization for
Standardization

Tiêu chuẩn quốc tế

Danh mục ký hiệu
STT

Ký hiệu

Tiếng Việt

1

αi

Góc lệch pha

2

θ

Góc quay

3

m

Sai lệch độ trịn

4

s

Sai lệch độ thẳng

xii


STT

Ký hiệu

Tiếng Việt

5



Sai lệch độ trụ

6

d

Biến thiên khoảng cách

7

t

Biến thiên thời gian

8

r

Sai lệch biên dạng

9

ex, ey

Độ lệch tâm theo phương x, y

10

e

Độ lệch tâm

11

Rij

Biên dạng

12

r0

Bán kính trung bình

13

n

Tốc độ quay của gương

14

f

Tiêu cự thấu kính chuẩn trực

15

ft

Tần số bộ phát xung chuẩn

16

N

Số xung chuẩn

17

i

Số điểm đo trên mặt cắt ngang

18

j

Số mặt cắt ngang dọc trục

xiii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Bảng tính độ lệch chuẩn kết quả đo biên dạng ngang trục. ..................... 101
Bảng 4.2: Bảng tính độ lệch chuẩn kết quả đo biên dạng dọc trục. ......................... 105
Bảng 4.3: Bảng so sánh kết quả đo trên máy CMM và thiết bị 3D-LSM-01. ........... 109

xiv


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Trong các chi tiết máy chi tiết dạng tròn xoay là chi tiết chiếm đa số. Chúng là
thành phần quan trọng của các bộ phận như ổ lăn, trục chính máy công cụ, piston động
cơ, … Bên cạnh yêu cầu kỹ thuật về dung sai kích thước, vị trí tương quan thì u cầu
về độ chính xác hình dáng của chi tiết cũng rất quan trọng (cỡ từ 0,1 µm đến vài chục
µm). Các sai số hình dáng chi tiết trịn xoay bao gồm độ tròn, độ trụ, độ thẳng, độ côn.
Các sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng làm việc của chi tiết máy và bộ phận
máy. Sai lệch biên dạng lớn làm cho thiết bị hoạt động kém hiệu quả, ví dụ: trục chính
của các máy cơng cụ như máy tiện, máy phay có tiết diện mặt cắt ngang khơng trịn,
q trình làm việc trục quay gây ra đảo, độ đảo này in dập trên các bề mặt gia cơng
dẫn đến sai số hình dáng của chi tiết. Tương tự các bộ đơi piston xilanh có bề mặt
không trụ, khe hở làm việc không đồng đều trên cùng một tiết diện, làm giảm hiệu suất

của máy. Đối với các bộ truyền động sai lệch biên dạng của bề mặt ổ lăn, ổ trượt và
các chi tiết tham gia lắp ghép có tác động tới đặc tính lắp ghép, ảnh hưởng độ chính
xác truyền động. Đặc biệt với chi tiết đạn sai lệch biên dạng ảnh hưởng trực tiếp đến
quá trình chuyển động của đạn trong buồng đạn và quỹ đạo chuyển động đầu đạn khi
bắn đến mục tiêu.
Các thiết bị đo quét biên dạng cung cấp dữ liệu bề mặt chi tiết dưới dạng đám
mây điểm. Từ đám mây điểm thu được có thể tái tạo lại biên dạng và tính tốn các sai
lệch biên dạng. Hiện nay, có hai nhóm phương pháp chính đo biên dạng 3D của vật thể
là: đo tiếp xúc và không tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp
xúc với bề mặt chi tiết cần đo như các máy đo CMM, tay máy đo, .... Đặc điểm chính
của phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo từng điểm, mỗi điểm được xác định
khi đầu dò tiếp xúc cơ học với bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu các tọa độ điểm đo
trên hệ tọa độ máy với thời gian xác định mỗi điểm đo lên đến phần mười giây do đó
phương pháp này có độ chính xác cao nhưng để đo được tồn bộ biên dạng một chi tiết
thường mất khá nhiều thời gian và rất khó đo trực tiếp trên dây chuyền sản xuất.
Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm và các phương
pháp sử dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2
dạng phương pháp chính là: quét chủ động và quét bị động. Phương pháp đo không
tiếp xúc chủ động chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ,
phản xạ của bề mặt chi tiết để xác định điểm đo; có các nguyên lý như: thời gian
truyền sóng, nguyên lý tam giác lượng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc). Phương
pháp đo khơng tiếp xúc bị động sử dụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa
độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập thể, phương pháp quang trắc, phương pháp dựa
vào bóng của vật. Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương
pháp đo bị động thường có tốc độ đo nhanh hơn. Phương pháp đo khơng tiếp xúc có
thể đo được bề mặt các chi tiết có kích thước rất lớn hoặc rất nhỏ, biên dạng phức tạp
và có thể đo trực tiếp trên dây chuyền sản xuất. Trong đó, phương pháp đo chủ động
sử dụng ánh sáng cấu trúc cho tốc độ đo nhanh nhưng để đạt độ chính xác cỡ micromet
đang là một trở ngại. Với phương pháp đo chủ động sử dụng quét laser tuy tốc độ đo
1

không nhanh bằng sử dụng ánh sáng cấu trúc nhưng độ chính xác cao hơn có thể đạt
đến micromet nên được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đo độ
chính xác cao. Tuy nhiên, thiết bị đo dạng này hiện nay chủ yếu là ứng dựng đo 2D chi
tiết trịn xoay. Do đó, để đo lường, kiểm sốt biên dạng 3D tồn bộ chi tiết trịn xoay
tác giả lựa chọn đề tài "Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng
phương pháp quét laser".

2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích nghiên cứu:
Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến đo
Laser Scan Micrometer: Cơ sở lý thuyết về phương pháp đo, các yếu tố ảnh hưởng đến
độ chính xác đo và đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp xây
dựng.
Thiết kế, chế tạo mơ hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser.
- Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của luận án là đo biên dạng các chi tiết tròn xoay có độ
chính xác bề mặt cao, đặc biệt là các chi tiết đạn. Cảm biến Laser Scan Micrometer sử
dụng có đầu ra là dạng xung đo.
- Phương pháp nghiên cứu:
Luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm,
sử dụng các cơng cụ tốn học kết hợp tin học xử lý kết quả thử nghiệm.
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực hiện tham khảo tổng hợp các tài liệu, bài
báo trong và ngoài nước về phương pháp đo biên dạng, tiến hành phân tích, xây dựng
cơ sở lý thuyết đo biên dạng chi tiết trịn xoay sử dụng qt laser.
Sử dụng các cơng cụ phần mềm vẽ 3D để xây dựng lại biên dạng chi tiết tròn
xoay từ tọa độ đám mây điểm thu được.
Thiết kế, chế tạo thiết bị thử nghiệm, xử lý số liệu đo và đo lường với mẫu trụ
chuẩn, so sánh với phương pháp đo khác, … để kiểm chứng nhằm chứng minh cơ sở

khoa học của các luận điểm lý thuyết đã nghiên cứu.
- Phạm vi nghiên cứu:
Các chi tiết trịn xoay có đường kính chi tiết (2 đến 40) mm, chiều dài đến 300 mm.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
a) Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu:
- Luận án đã xây dựng được cơ sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay
sử dụng quét laser giúp làm chủ lý thuyết và kỹ thuật đo của phương pháp này.
- Đã nghiên cứu, tính tốn các yếu tố ảnh hưởng chính đến độ chính xác của
phương pháp đo. Từ đó, đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác. Ứng dụng
phương pháp đảo ngược nhằm khử độ lệch tâm giữa chi tiết đo và trục quay.
- Nghiên cứu xây dựng phần mềm đo biên dạng chi tiết tròn xoay trên cơ sở
đám mây điểm thu được từ cảm biến đo Laser Scan Micrometer, Thước quang và
2


Ecoder. Tính tốn độ khơng đảm bảo đo của phép đo biên dạng chi tiết tròn xoay trên
thiết bị chế tạo.
b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu:
- Hiểu và làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo để sử dụng hiệu quả hơn các
thiết bị đo lường biên dạng bằng quét laser.
- Nội dung của luận án có thể làm tài liệu tham khảo trong cơng tác nghiên cứu,
giảng dạy về phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc.
- Thiết bị sau khi nghiên cứu chế tạo được sử dụng trong đo lường biên dạng
3D các chi tiết trịn xoay, đặc biệt kiểm sốt chất lượng đạn trong sản xuất Cơng
nghiệp Quốc phịng. Thiết bị chế tạo được ứng dụng tại Trung tâm Đo lường/ Viện
Công nghệ và được công nhận sáng kiến cấp Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng năm
2020 về ứng dụng thiết bị chế tạo để đo biên dạng đạn. Đạt giải ba Giải thưởng Khoa
học Công nghệ Đo lường Việt Nam năm 2020. Đạt giải nhì Giải thưởng Tuổi trẻ sáng
tạo trong Quân đội năm 2021.

4. Các kết quả mới của luận án
- Xây dựng cơ sở phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét
laser. Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng chính đến kết quả đo của phương pháp đo
biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser: cảm biến Laser Scan Micrometer, điểm
đặt mẫu ban đầu, nghiêng trục dẫn hướng, lệch đầu đo. Tính toán các sai lệch.
- Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp đo: ứng
dụng phương pháp đảo ngược khử độ lệch tâm, hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo trong vùng
quét, hiệu chỉnh sai số cảm biến LSM.
- Chế tạo thành công thiết bị thử nghiệm 3D-LSM-01 đo biên dạng chi tiết trịn
xoay có đường kính (2 đến 40) mm, độ phân giải 0,05 µm, độ chính xác đường kính ±
2 µm và chiều dài đến 300 mm, độ phân giải 0,5 µm, độ chính xác ± 5 µm. Đánh giá
khả năng đo của thiết bị chế tạo và thực nghiệm chứng minh các giải pháp nâng cao độ
chính xác đo đã đề xuất. Tính tốn độ khơng đảm bảo đo của thiết bị sau chế tạo. Ứng
dụng đo các chi tiết biên dạng tròn xoay.

3


Chương 1. ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY
1.1 Đặt vấn đề
Trong các chi tiết máy chi tiết dạng tròn xoay là chi tiết chiếm đa số. Chúng là
thành phần quan trọng của các bộ phận như ổ lăn, trục chính máy cơng cụ, piston động
cơ, … Bên cạnh yêu cầu kỹ thuật về dung sai kích thước, vị trí tương quan thì u cầu
về độ chính xác hình dáng của chi tiết cũng rất quan trọng (cỡ từ 0,1 µm đến vài chục
µm). Các sai số hình dáng bao gồm độ tròn, độ trụ, độ thẳng, …Các sai số này ảnh
hưởng trực tiếp đến chức năng làm việc của chi tiết máy và bộ phận máy. Sai lệch lớn
làm cho thiết bị hoạt động kém hiệu quả, ví dụ: trục chính của các máy cơng cụ như
máy tiện, máy phay có tiết diện mặt cắt ngang khơng trịn, quá trình làm việc trục quay
gây ra đảo, độ đảo này in dập trên các bề mặt gia công dẫn đến sai số hình dáng của

chi tiết [1], [2]. Tương tự các bộ đơi piston xilanh có bề mặt khơng trịn, khe hở làm
việc khơng đồng đều trên cùng một tiết diện, làm giảm hiệu suất của máy. Đối với các
bộ truyền động sai lệch độ tròn của bề mặt ổ lăn, ổ trượt và các chi tiết tham gia lắp
ghép có tác động tới đặc tính lắp ghép, ảnh hưởng độ chính xác truyền động [3], [4],
[5]. Đặc biệt với chi tiết đạn (Hình 1.1), sai lệch biên dạng ảnh hưởng trực tiếp đến quá
trình chuyển động của đạn trong buồng đạn và quỹ đạo chuyển động đầu đạn khi bắn
đến mục tiêu.
Có nhiều ngun nhân trong gia cơng dẫn đến sai số biên dạng như: sai số
truyền chuyển động của máy công cụ; biến dạng do tác động nhiệt độ, áp suất hoặc
ứng suất; do mòn dao và rung động trong q trình gia cơng, …Việc xác định các sai
số biên dạng là rất quan trọng quyết định việc điều chỉnh công nghệ gia công nhằm
đáp ứng chất lượng các sản phẩm đầu ra [6], [7], [8]. Đặc biệt với các chi tiết vũ khí,
đạn dược, khí tài, tên lửa,… biên dạng ảnh hưởng rất lớn tới tính năng hoạt động của
nó trong chiến đấu.

Hình 1. 1: Biên dạng viên đạn hồn chỉnh.
Phép đo độ trịn có thể được áp dụng để kiểm soát chất lượng của các chi tiết
tròn xoay nếu giả định rằng sai số độ thẳng của chi tiết là tương đối nhỏ so với sai số
độ tròn của một mặt cắt ngang bất kỳ của chi tiết. Các phép đo độ tròn cũng đủ khi giả
định rằng biên dạng độ tròn ở tất cả các mặt cắt ngang của trục rất giống nhau. Nếu
không, cần tiến hành đo độ cong trục để xác định các lỗi biên dạng trên toàn bộ chi tiết
được khảo sát. Phép đo độ tròn dễ thực hiện và dễ phân tích hơn bởi vì nó là một bài
tốn đo lường hai chiều, trong khi sai lệnh biên dạng chi tiết trịn xoay phải được phân
tích một cách tương đối trong một khơng gian ba chiều.
Nội dung Chương 1 trình bày tổng quan về đo lường biên dạng chi tiết trịn
xoay. Định nghĩa và phân tích rõ về sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay theo tiêu
chuẩn quốc tế ISO 12180-1:2011 trong mục 1.2. Mục 1.3 trình bày các phương pháp
4

đo biên dạng; phân tích ưu điểm, nhược điểm của các phương pháp đo này; phương
pháp đo biên dạng bằng quét laser. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về phương
pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay trong mục 1.4. Mục 1.5 là kết luận các nội dung
nghiên cứu chính của luận án.

1.2 Định nghĩa về sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay
Sai lệch khi đo biên dạng chi tiết tròn xoay cơ bản giống các sai lệch khi xác
định biên dạng hình trụ theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 12180-1:2011 [1], Tiêu chuẩn
Quốc gia TCVN 5906 : 2007 [9] và TCVN 7294 -1: 2003 [10].
Định nghĩa về mặt toán học vùng dung sai bao gồm một tập hợp các điểm Pi
nằm trong hai hình trụ giới hạn có bán kính r1 và r2 (r1 < r2) (Hình 1.2):

Hình 1. 2: Các điểm nằm trong dung sai [1].
Sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay được chia thành các dạng như sai lệch
đường tâm chỉ ra trên Hình 1.3, sai lệch hướng tâm Hình 1.4 và sai lệch mặt cắt mơ tả
trên Hình 1.5.

5


Hình 1. 3: Sai lệch đường tâm [1].

Hình 1. 4: Sai lệch hướng tâm [1].

Hình 1. 5: Sai lệch mặt cắt [1].
- Sai lệch đường tâm: độ lệch trong phôi hình trụ danh nghĩa có trục cong (ở
chế độ phẳng hoặc khơng gian), nhưng có tiết diện là hình trịn và bán kính khơng đổi.
- Sai lệch hướng tâm, nghĩa là các biến thể trong kích thước mặt cắt ngang: độ
lệch trong phơi hình trụ danh nghĩa có tất cả các mặt cắt ngang hình trịn và đồng tâm
với một trục thẳng, nhưng đường kính của nó thay đổi dọc theo trục có quy luật đơn

giản hoặc phức tạp hoặc ngẫu nhiên (độ lệch điển hình bao gồm hình nón, dạng thùng
hoặc dạng phức tạp hơn).
- Sai lệch mặt cắt: độ lệch trong phơi hình trụ danh nghĩa có mặt cắt ngang cùng
kích thước và hình dạng, nhưng khơng trịn (Sai lệch độ tròn của mặt cắt ngang phát
sinh từ quá trình chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay hoặc kết hợp).
Các sai lệch trên được đánh giá bằng các thơng số độ trịn, độ trụ, độ thẳng:
- Sai lệch độ tròn là khoảng cách lớn nhất ∆m từ các điểm của biên dạng thực
tới các điểm tương ứng trên đường tròn áp.

6


Hình 1. 6: Sai lệch độ trịn.
- Sai lệch độ thẳng là khoảng cách lớn nhất ∆s từ các điểm trên đường thẳng
thực tới đường thẳng áp.

Hình 1. 7: Sai lệch độ thẳng.
- Sai lệch độ trụ là khoảng cách lớn nhất ∆ từ các điểm của biên dạng thực tới
các điểm tương ứng trên đường tròn áp chạy dọc trên tồn bộ chiều dài được gọi ra của
đối tượng.

Hình 1. 8: Sai lệch độ trụ.

7


1.3 Các phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay
Bất kỳ bề mặt cong ba chiều (3D) nào của chi tiết đều có thể đại diện bởi một
tập hợp các điểm đã biết tọa độ (x, y, z) và sau đó sử dụng một mơ hình tốn học để
mơ tả hình dạng bề mặt dựa trên những điểm này. Do đó, mục tiêu cuối cùng của kỹ

thuật đo lường biên dạng 3D cho cả hai phương pháp tiếp xúc và không tiếp xúc là xác
định tọa độ Descartes của các điểm trên bề mặt chi tiết đo [11], [12]. Mỗi một phương
pháp đo biên dạng 3D đều có ưu nhược điểm khác nhau nên tùy vào từng mục đích,
tùy vào từng loại sản phẩm, yêu cầu sai số, … để người sử dụng lựa chọn phương
pháp, loại thiết bị đo cho phù hợp.

Hình 1. 9: Các phương pháp đo biên dạng chi tiết trịn xoay.
Trong cơng nghiệp các phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay được chia
thành nhiều loại:
- Phân loại dựa vào tính chất chuyển động của chi tiết và đầu đo có các phương
pháp đo như phương pháp đo với chi tiết chuyển động, đầu đo đứng yên; phương pháp
với chi tiết đứng yên, đầu đo chuyển động và phương pháp kết hợp cả chi tiết, đầu đo
đều chuyển động (Hình 1.9). Phương pháp với chi tiết đo chuyển động địi hỏi phải có
cơ cấu gá đặt chi tiết cứng vững, yêu cầu độ chính xác của chuyển động quay, tịnh tiến
cao. Phương pháp với đầu đo chuyển động yêu cầu dịch chuyển đầu đo phải rất chính
xác. Với các thiết bị đo biên dạng yêu cầu độ chính xác cao thường lựa chọn giải pháp
đầu đo cố định khi đo và chi tiết đo chuyển động [13].
- Phân loại dựa vào mối quan hệ giữa cảm biến đo và chi tiết đo ta có phương
pháp đo tiếp xúc và khơng tiếp xúc. Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp xúc là
độ chính xác cao, thời gian đo chậm, khó thực hiện trực tiếp trên dây chuyền sản xuất.
Với phương pháp đo không tiếp xúc cho tốc độ đo nhanh, dễ dàng lắp đặt trên dây
chuyển sản xuất và độ chính xác ngày càng được nâng cao.

8


1.3.1 Phương pháp đo biên dạng 3D tiếp xúc
Phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo
tồn tại một áp lực gọi là áp lực đo. Ví dụ như đo bằng dụng cụ đo cơ khí quang, cơ,
điện tiếp xúc, …áp lực này làm cho vị trí đo ổn định vì thế kết quả đo tiếp xúc rất ổn

định. Tuy nhiên, do có áp lực đo mà khi đo tiếp xúc khơng tránh khỏi sai số do các
biến dạng có liên quan đến áp lực đo gây ra, đặc biệt là khi đo các chi tiết bằng vật liệu
mềm, dễ biến dạng hoặc có các hệ đo kém cứng vững [11], [14].
Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo
như các máy đo ba tọa độ (CMM – Coordinate measuring machine), máy đo biên dạng
tiếp xúc, máy đo độ tròn đầu tiếp xúc, .... Tiêu biểu và phổ biến hiện nay trong công
nghiệp của phương pháp đo 3D tiếp xúc là máy đo CMM (Hình 1.10a). Các máy đo
3D đầu tiên xuất hiện vào những năm 1960 và chủ yếu bao gồm các thiết bị đo được
trang bị với đầu đọc kỹ thuật số (DRO) được sử dụng để hiển thị tọa độ X, Y, Z. Một
số công ty tuyên bố đã phát minh ra máy đo tọa độ, thường được gọi là CMM. CMM
đầu tiên được phát minh bởi công ty DEA của Ý (hiện là một phần của Tập đồn
Hexagon), đã giới thiệu Điều khiển số máy tính (CNC) và CMM được trang bị đầu dò
tiếp xúc và bộ hiển thị tọa độ số vào cuối những năm 1950. Ngày nay, có rất nhiều
hãng lớn tham gia chế tạo máy đo CMM như Mitutoyo, Hexagon, Nikon, Rational,
Carmar, Carl Zeiss, … với các chức năng đo tự động hoặc bán tự động [12].

(a)

(b)

Hình 1. 10: Máy đo biên dạng tiếp xúc.
a) Máy đo ba chiều CMM, b) Máy đo độ tròn chuyên dụng.
Để đo biên dạng 2D, 3D chi tiết trụ với độ chính xác cao hiện nay trong cơng
nghiệp sử dụng máy đo độ trịn chun dụng (Hình 1.10b). Phương pháp đo này sử
dụng hệ tọa độ cực theo đúng định nghĩa về sai lệch biên dạng trụ nên cho độ chính
xác cao, phản ánh đầy đủ và trung thực nhất biên dạng chi tiết đo. Thiết bị đo độ tròn
sử dụng một đầu đo thẳng, tiếp xúc và đặt hướng kính. Khi chi tiết quay (Tâm quay
phải trùng tâm chi tiết) thông tin thu được từ đầu đo phản ánh sự thay đổi bán kính tại
từng góc quay và khi chi tiết quay hết một vòng quay sẽ thu được biên dạng của mặt
cắt [1].

Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo từng điểm,
mỗi điểm được xác định khi đầu dò tiếp xúc cơ học với bề mặt cần đo đồng thời đánh
dấu các tọa độ điểm đo trên hệ tọa độ máy với thời gian xác định mỗi điểm đo lên đến
9


phần mười giây và các thao tác đo nhiều do đó dù có độ chính xác khá cao nhưng để
đo một chi tiết thường mất nhiều thời gian và khó thực hiện trên dây chuyền sản xuất
[12], [15]. Ngoài ra, với đầu đo tiếp xúc độ chính xác cao (đầu đo máy đo độ trịn) thì
phạm vi đo lại bị giới hạn (vài trăm micromet) khi đo biên dạng tròn xoay có thay đổi
bán kính lớn là một trở ngại. Ngoài ra, với phương pháp đo biên dạng tiếp xúc yêu cầu
đầu đo phải được hiệu chỉnh thường xuyên, kết cấu hệ thống đo phức tạp, khó thực
hiện trực tiếp trên dây chuyền sản xuất.
Ngoài phương pháp sử dụng các đầu đo tiếp xúc với bề mặt chi tiết người ta
còn sử dụng các dưỡng kiểm biên dạng. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này
là khơng kiểm sốt hết được các lỗi biên dạng và chủ yếu mang tính định tính, khơng
đưa ra được sai lệch biên dạng để điều chỉnh quá trình sản xuất.

Hình 1. 11: Dưỡng kiểm tra biên dạng.
1.3.2 Phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc
Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp đo sử dụng hệ thống quang
học, giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo khơng có áp lực đo [12], [15]. Phương pháp đo
không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm, laser và các phương pháp sử dụng nguyên
lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạng phương pháp
chính là: quét chủ động (Active) và quét bị động (Passive) [16], [17] (Hình 1.12).
Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp đo bị động
thường có tốc độ đo nhanh hơn. Hầu hết các thiết bị đo sử dụng camera làm cảm biến
hình ảnh với tốc độ chụp hình cao có thể đến hàng triệu ảnh trong một giây, số điểm
đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh, có khả năng đo
quét các chi tiết trực tuyến [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24].

10


Hình 1. 12: Phân loại phương pháp đo khơng tiếp xúc quang học [24].

(a)

(b)

(c)
(d)
Hình 1. 13: Một số dạng máy đo biên dạng khơng tiếp xúc.
a) Máy phóng hình, b) Máy đo quét laser, c) Máy đo khoảng cácch laser, d) Máy đo
bằng ánh sáng cấu trúc.
11