Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BÙ SAI SỐ
CHO MÁY ĐO TỌA ĐỘ DẠNG CẦU TRỤC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Tp. Hồ Chí Minh năm 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BÙ SAI SỐ
CHO MÁY ĐO TỌA ĐỘ DẠNG CẦU TRỤC

Công nghệ chế tạo máy

Chuyên ngành:

Mã số chuyên ngành: 62520401
Phản biện độc lập 1:
Phản biện độc lập 2:
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS Thái Thị Thu Hà

Tp. Hồ Chí Minh năm 2016

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu và các số liệu trình bày trong Luận án này được thực hiện tại Phòng
Thiết kế của công ty TNHH Tân Hạnh và Phòng Thí nghiệm Đo lường – Khoa Cơ
khí – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh là hoàn toàn
trung thực, chưa từng được ai công bố tại bất cứ đâu và tại bất cứ công trình nào
khác.
Tp Hồ Chí Minh ngày 9 tháng 9 năm 2015
Tác giả

Phạm Hồng Thanh


ii

LỜI CẢM TẠ
Trong quá trình thực hiện luận án này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình,
hiệu quả của các quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm tạ:
+ Cô hướng dẫn khoa học
Cô PGS. TS Thái Thị Thu Hà
Đã hướng dẫn luận án tận tình, khoa học. Thiết nghĩ luận án sẽ không thể hoàn
thành nếu thiếu sự hướng dẫn của quý cô.
+ Cô GS. TS Ngô Kiều Nhi
+ Thầy PSG. TS Trần Thiên Phúc
+ Thầy PGS. TS Phạm Huy Hoàng
+ Thầy PGS. TS Nguyễn Hữu Lộc

+ Thầy PGS. TS Nguyễn Tiến Thọ
Đã giúp đỡ về phương pháp luận, các ý kiến đóng góp và các tài liệu hữu ích
để luận án được hoàn thành.
+ Thầy PGS. TS Phạm Ngọc Tuấn
+ Thầy TS. Trần Nguyên Duy Phương
Đã cho các đóng góp hữu ích và tạo điều kiện thuận lợi để luận án được trình
bày tại các buổi sinh hoạt học thuật của bộ môn.
+ Thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn
+ Thầy PGS. TS Trần Doãn Sơn
+ Cô TS. Hồ Thị Thu Nga
+ Thầy TS. Bùi Trọng Hiếu
+ Thầy TS. Trần Anh Sơn
+ Thầy TS. Tôn Thiện Phương
+ Thầy TS. Lê Đình Tuân
+ Thầy TS. Võ Tường Quân
Cùng các quý thầy cô khác đã đóng góp hữu ích để luận án được hoàn thành.
+ Th.S Huỳnh thanh Quang
+ KS. Trần Quang Phước
Đã giúp đỡ để hoàn thành việc thực nghiệm kiểm chứng mô hình bù sai số.


iii

TÓM TẮT LUẬN ÁN
Luận án “Nghiên cứu giải pháp bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục”
được trình bày trong 4 chương. Đầu tiên, tác giả giới thiệu về máy đo tọa độ sau đó
tìm hiểu sự cấp thiết của luận án, hệ thống lại các công trình nghiên cứu có liên
quan đến lĩnh vực này ở trong và ngoài nước từ đó đặt ra các nhiệm vụ cụ thể của
Luận án.
Xu hướng hoàn thiện máy móc, thiết bị là nâng cao năng suất và chất lượng,

máy đo tọa độ cũng không nằm ngoài quy luật đó. Để nâng cao năng suất đo cần
phải tăng tốc độ di chuyển của máy càng gần tốc độ giới hạn càng tốt. Khi tăng tốc
độ di chuyển, có sự thay đổi của tốc độ đầu dò, lực quán tính xuất hiện và tác động
đến các bộ phận máy như khâu và khớp (đặc biệt là khớp). Khớp được tạo thành từ
các ổ đệm khí liên kết giữa khâu mang (khâu có gắn các ổ đệm khí) và khâu dẫn
hướng, do đặc tính làm việc của các ổ đệm khí là luôn có dao động nên khi có lực
quán tính tác dụng các khớp sẽ chuyển vị và làm giảm độ chính xác của máy. Việc
giảm tốc độ di chuyển khi đo mâu thuẫn với xu hướng tăng năng suất của máy đo
tọa độ vì vậy thực tế là muốn tăng năng suất thì cần phải đo với tốc độ di chuyển
cao, lúc này chênh lệch giữa tốc độ di chuyển và tốc độ đo lớn, dẫn đến xuất hiện
gia tốc và lực quán tính. Dựa trên việc phân tích các giải pháp về thiết kế, chế tạo,
sử dụng vật liệu, điều khiển, bù sai số của các nghiên cứu đã công bố, tác giả đã lựa
chọn giải pháp hiệu chỉnh sai số để cải thiện độ chính xác của máy đo tọa độ.
Từ việc phân tích các nguyên nhân gây ra chuyển vị của khâu và khớp dẫn
đến sai số của máy đo tọa độ và ảnh hưởng của các chuyển vị này đến độ chính xác
của máy đo, tác giả chọn thành phần chuyển vị cần được nghiên cứu là chuyển vị
khớp. Trong nội dung chương 2 tác giả thực hiện nghiên cứu các thành phần chuyển
vị khớp bằng các cảm biến đo dịch chuyển lắp trên các khâu mang trên các trục của
máy, đề xuất giải pháp xây dựng hàm biểu diễn các thành phần chuyển vị khớp theo
phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần. Nội dung chương 3 là tiến
hành xây dựng mô hình toán học bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục.
Chương 4 tiến hành thực nghiệm kiểm tra đánh giá trên máy đo tọa độ trước và sau
khi bù sai số. Phần cuối là những kết luận và hướng phát triển của luận án.


iv

SUMMARY
The thesis of “Research the error compensation solution for the bridge
coordinate measuring machine” is presented in four chapters. First, the Coordinate

Measuring Machine is introduced next the thesis’s materiality is surveyed then
literature overview of reseearches that concerning this field is summarized, from
that specific tasks of the thesis are determined. Trends finishing machinery and
equipment is to improve productivity and quality, coordinate measuring machine
isn’t out of this rule. To improve productivity traverse speed of the machine should
be increased as close as possible speed limit. When measuring at hight speed (there
is rate of change), inertial forces appear and bring about CMM’s components, such
as links, joints (especially joints) to be impacted. Joints are prismatic formed from
air bearings that mounted between the carriage and the slideway. Because of the air
bearing’s property, joints are deformed under inertial forces. The deceleration
measurements contradict trend productivity growth of coordinate measuring
machines so must accept the fact that the acceleration caused by hight travelling
speed. Based on analyses of the design, manufacture and use of materials, control,
error compensation of the researches were published, an error compensation
solution was chosen to improve the accuracy of CMMs. The component of joints’
deformation were determined to be studied by investigating the sources which affect
and cause the error of coordinate measuring machines. In chapter 2 the component
deformations of joints’re studied with some displacement measurement laser
sensors (ZX – LD30V ) attached on the carrige and a solution was suggested to
build the regression equations which describes the joint’s deformation by using
empirical method. Chapter 3 deals with the building of the mathematical model to
compensate errors and a mathematical model for coordinate measuring machines is
presented. Some experimental researches have been carried out to evaluate the
accuracy of the coordinate measuring machine before and after it was compensated
errors in chapter 4. At last this thesis will be completed by conclusions and
recommendations given in the last section.


v

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ................................................................................................................i
Lời cảm tạ ...................................................................................................................ii
Tóm tắt luận án ......................................................................................................... iii
Mục lục ........................................................................................................................ v
Danh mục một số kí hiệu và chữ viết tắt ..................................................................... x
Danh mục các bảng ................................................................................................... xii
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ............................................................................... xvi
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO TỌA ĐỘ

1.1 Giới thiệu chung về máy đo tọa độ ....................................................................... 1
1.1.1 Cấu trúc của máy đo tọa độ ......................................................................... 1
1.1.2 Ứng dụng của máy đo tọa độ ....................................................................... 2
1.1.3 Các nguồn gây ra sai số trên máy đo tọa độ ................................................ 3
1.1.4 Các loại sai số trên máy đo tọa độ ............................................................... 4
1.2 Các hướng nghiên cứu trên thế giới và trong nước về máy đo tọa độ .................. 5
1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới để giảm sai số, tăng tốc độ di chuyển, tăng độ tin
cậy của máy đo tọa độ ................................................................................................. 7
1.2.2 Các nghiên cứu trong nước để giảm sai số, tăng tốc độ di chuyển, tăng độ tin
cậy của thiết bị đo nói chung, máy đo tọa độ nói riêng ............................................ 15
1.2.3 Sự thay đổi tốc độ khi đo làm suy giảm độ chính xác của máy đo tọa độ ....... 17
1.3 Tính cấp thiết của luận án ................................................................................... 17
1.4 Nhiệm vụ của luận án .......................................................................................... 18
1.5 Mục đích nghiên cứu ........................................................................................... 18
1.6 Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 19
1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ........................................................ 19
Kết luận chương 1 ..................................................................................................... 20

vi
CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ CỦA KHỚP TRÊN MÁY
ĐO TỌA ĐỘ KHI CÓ LỰC QUÁN TÍNH TÁC ĐỘNG

2.1 Kết cấu của máy đo tọa độ dạng cầu trục ........................................................... 21
2.2 Khớp trên máy đo tọa độ .................................................................................... 22
3.2.1 Mô hình khớp trượt.................................................................................... 22
2.2.2 Các khớp trên máy đo tọa độ dạng cầu trục .............................................. 23
2.2.3 Các thành phần chuyển vị trên khớp ......................................................... 24
2.3 Chuyển vị của khớp trên máy đo ........................................................................ 30
2.3.1 Phân tích chuyển vị của khớp trên trục Y ................................................. 30
2.3.2 Quan hệ giữa lực quán tính và thành phần chuyển vị khớp ...................... 38
2.4 Xác định quy luật biến đổi của các chuyển vị khớp khi chịu lực quán tính ....... 42
2.4.1 Các thành phần chuyển vị.......................................................................... 42
2.4.2 Bố trí các cảm biến đo chuyển vị khớp ..................................................... 43
2.4.3 Chọn cảm biến đo chuyển vị cho các khớp ............................................... 45
2.4.4 Tiến hành thực nghiệm .............................................................................. 50
2.4.5 Xác định quy luật chuyển vị khớp ............................................................. 52
Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 64


vii
CHƯƠNG 3

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC BÙ SAI SỐ CHO
MÁY ĐO TỌA ĐỘ DẠNG CẦU TRỤC

3.1 Mô hình động học của máy khi không có sai số tác động ................................. 65
3.1.1 Xây dựng hệ quy chiếu cho máy đo tọa độ ............................................... 65
3.1.2 Mô hình động học của máy đo tọa độ dạng cầu trục ................................. 66
3.2 Mô hình động học của máy đo khi có sai số tác động ........................................ 68
3.2.1 Xác định ma trận biến đổi 5 DH 6S từ hệ tọa độ B6 sang hệ tọa độ B5 ........ 68
3.2.2 Xác định ma trận biến đổi 3 DH 4S từ hệ tọa độ B4 sang hệ tọa độ B3........ 69
1
S
3.2.3 Xác định ma trận biến đổi DH 2 từ hệ tọa độ B2 sang hệ tọa độ B1 ........ 70

3.3 Mô hình bù sai số cho máy đo tọa độ dạng cầu trục ........................................... 72
3.3.1 Trường hợp không bù sai số ...................................................................... 72
3.3.2 Trường hợp có bù sai số ............................................................................ 72
3.3.3 Xây dựng mô hình bù sai số cho máy đo tọa độ ....................................... 73
3.3.4 Các giai đoạn bù sai số cho máy đo tọa độ................................................ 77
3.3.5 Xây dựng giải thuật và phần mềm bù sai số cho máy đo tọa độ ............... 79
Kết luận chương 3 ..................................................................................................... 85

CHƯƠNG 4

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH
XÁC CỦA KẾT QUẢ ĐO SAU KHI BÙ SAI SỐ CHO
MÁY ĐO TỌA ĐỘ

4.1 Giới thiệu máy đo tọa độ được bù sai số ............................................................. 86
4.2 Chọn phương pháp kiểm tra cho máy đo toạ độ, các bước thực hiện đo kiểm tra
đánh giá độ chính xác ......................................................................................... 86
4.2.1 Mục đích .................................................................................................... 86
4.2.2 Các phương pháp kiểm tra độ chính xác cho máy đo tọa độ .................... 87

4.2.3 Các bước thực hiện đo kiểm tra độ chính xác ........................................... 88
4.3 Thiết bị, vật mẫu dùng để kiểm tra độ chính xác ................................................ 88


viii
4.3.1 Vật mẫu dùng để kiểm tra độ chính xác .................................................... 88
4.3.2 Quy trình đo kiểm tra độ chính xác ........................................................... 89
4.4 Đo các căn mẫu trên máy đo tọa độ khi chưa được bù sai số ............................. 90
4.4.1 Đo chiều dài các căn mẫu theo phương AB (Phương trục X) ................... 90
4.4.2 Đo chiều dài các căn mẫu theo phương CD (Phương trục Y) ................... 93
4.4.3 Đo chiều dài các căn mẫu trong mặt XY (Phương EF) ............................. 95
4.4.4 Đo các căn mẫu trong mặt phẳng XZ (Phương GH) ................................. 97
4.4.5 Đo các căn mẫu trong mặt phẳng YZ (Phương IJ) .................................... 98
4.4.6 Đo các căn mẫu theo phương MN ........................................................... 100
4.4.7 Đo các căn mẫu theo phương PQ ............................................................ 102
4.5 Đo các căn mẫu trên máy đo tọa độ khi đã được bù sai số ............................... 104
4.5.1 Đo chiều dài các căn mẫu theo phương trục X (Phương AB) ................. 104
4.5.2 Đo chiều dài các căn mẫu theo phương trục Y (Phương CD) ................. 105
4.5.3 Đo chiều dài các căn mẫu theo phương EF (Mặt phẳng XY) ................. 107
4.5.4 Đo các căn mẫu theo phương GH (Mặt phẳng XZ) ................................ 109
4.5.5 Đo các căn mẫu theo phương IJ (Mặt phẳng YZ) ................................... 110
4.5.6 Đo các căn mẫu theo phương MN ........................................................... 112
4.5.7 Đo các căn mẫu theo phương PQ ............................................................ 114
4.5.8 So sánh kết quả đo của máy trước khi bù sai số, sau khi bù sai số với tiêu
chuẩn ISO 10360 ................................................................................... 116
Kết luận chương 4 ................................................................................................... 118

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Kết luận ................................................................................................................... 119
Hướng phát triển của luận án .................................................................................. 120

ix
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Phụ lục 1

Bộ khuếch đại ZX-LDA11-N và cảm biến ZX-LD30V

Phụ lục 2

Thông số kích thước của khớp trên trục Y

Phụ lục 3

Thông số kích thước của khớp trên trục X, Z

Phụ lục 4

Công thức chuyển hệ tọa độ B6 về hệ tọa độ B5 khi có biến dạng khớp
trượt dọc trục Z

Phụ lục 5

Công thức chuyển hệ tọa độ B5 về B4

Phụ lục 6

Công thức chuyển hệ tọa độ B4 về hệ tọa độ B3 khi có biến dạng khớp
trượt dọc trục X

Phụ lục 7

Công thức chuyển hệ tọa độ B3 về B2

Phụ lục 8

Công thức chuyển hệ tọa độ B2 về hệ tọa độ B1 khi có biến dạng khớp
trượt dọc trục Y

Phụ lục 9

Công thức chuyển hệ tọa độ B1 về B0

Phụ lục 10

Công thức chuyển hệ tọa độ B2 về hệ tọa độ B1 khi không có biến
dạng khớp trượt dọc trục Y

Phụ lục 11

Công thức chuyển hệ tọa độ B4 về hệ tọa độ B3 khi không có biến
dạng khớp trượt dọc trục X

Phụ lục 12

Công thức chuyển hệ tọa độ B6 về hệ tọa độ B5 khi không có biến
dạng khớp trượt dọc trục Z

 DH 

s

Phụ lục 13

Kết quả nhân ma trận

Phụ lục 14

Công thức tính tọa độ X sau khi bù

Phụ lục 15

Công thức tính tọa độ Y sau khi bù

Phụ lục 16

Công thức tính tọa độ Z sau khi bù

Phụ lục 17

Chương trình điều khiển và bù sai số cho máy đo tọa độ

Phụ lục 18

Biên bản kiểm tra kỹ thuật và các tham số đo lường

0

6

x

DANH MỤC MỘT SỐ CÁC KÍ HIỆU
VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Đơn vị

i

Biểu diễn các trục của máy đo tọa độ (i = X, Y, Z)

j

Phương chuyển động tịnh tiến hay trục xoay (j = X, Y, Z)

irj

µrad

φj

µrad

iφj

µrad

iφj.c

µrad

itj

µm

i j

µm

M

Nmm

mki

Kg

Fk

N

qi

N/mm

S j

µm

i

Ý nghĩa

Thành phần chuyển vị góc của khâu mang chuyển động trên
trục i xoay xung quanh trục j
Thành phần chuyển vị góc xung quanh trục j của một khâu
trong chuỗi động học của máy đo
Thành phần chuyển vị góc xung quanh trục j của một khâu
nằm trên trục i
Thành phần chuyển vị góc xung quanh trục j của một khâu
thành phần thuộc trục i
Thành phần tịnh tiến của khâu mang nằm trên trục i theo
phương trục j
Thành phần dịch chuyển của khâu mang trên trục i đối với
khâu dẫn hướng theo trục i theo phương trục j
Mômen tác dụng
Khối lượng của các khâu (khâu dẫn hướng, khâu mang) trên
trục i
Lực quán tính tác dụng lên các khâu
Lực phân bố trên các khâu
Khoảng dịch chuyển của khâu mang trục i đối với khâu dẫn
hướng trục i khi khâu mang xoay quanh trục j


xi
ki

N/mm

Độ cứng của khâu thứ i

Y

mm/s2

Gia tốc chuyển động theo phương Y

mm/s

Vận tốc của các trục theo các phương X, Y, Z

Vx ;Vy ;Vz

mƩ

Kg

Ma trận khối lượng

C

Ns/mm

Ma trận giảm chấn

K

N/mm

Ma trận độ cứng


q t 

µm

Thành phần trong hệ mã hóa (s = 0,1,2,3; u=1,2; v=2,3)

As; AuAv
p

p

Tọa độ suy rộng (các chuyển vị)
Ma trận biến đổi từ hệ tọa độ q sang hệ tọa độ p (q = 0,…6;

DH q

p =0,…6)
Ma trận biến đổi từ hệ tọa độ q sang hệ tọa độ p khi có sai

DH qS

số tác động

6

µrad

Góc xoay của trục Z6 quanh trục X5

4

µrad

Góc xoay của trục Z4 quanh trục Y3

1

µrad

Góc xoay của trục X2 quanh trục Z1

1

µrad

Góc xoay của trục Z2 quanh trục X1

L

mm

Vị trí của đầu dò theo phương trục X

z

mm

Vị trí đầu dò theo phương trục Z

t

Tham số của hàm phân bố tiêu chuẩn Student

n

Số lần đo trong một mẫu



Độ chính xác của kết quả đo



Giá trị trung bình của phép đo trong mỗi mẫu

F

Tiêu chuẩn Fisher

Vdichuyển

mm/s

Vận tốc di chuyển (vận tốc không đo)

Vđo

mm/s

Vận tốc đo (vận tốc đầu dò chạm vào vật đo)
Các hệ trục tọa độ được gắn trên máy đo tọa độ

B(n=0,1..6)
rD

mm

Véc tơ xác định tọa độ điểm D trong hệ trục tọa độ B0

di

mm

Khoảng cách giữa các hệ trục tọa độ theo 3 phương X,Y,Z

0


xii

DANH MỤC CÁC BẢNG
1.

Bảng 1.1

Nguồn gốc gây ra sai số động lực học ......................................... 11

2.

Bảng 2.1

Các thành phần chuyển vị có ảnh hưởng lớn trên các loại máy đo
tọa độ ............................................................................................ 29

3.

Bảng 2.2

Các thành phần chuyển vị được nghiên cứu ................................ 30

4.

Bảng 2.3

Khi đo với Vđo = 1mm/s, tốc độ di chuyển Vy = 9mm/s, gia tốc
66mm/s2 ....................................................................................... 41

5.

Bảng 2.4

Khi đo với Vđo = 1mm/s, tốc độ di chuyển Vy = 10mm/s, gia tốc
75mm/s2 ....................................................................................... 41

6.

Bảng 2.5

Khi đo với Vđo = 1mm/s, tốc độ di chuyển Vy = 50mm/s, gia tốc
408mm/s2 ..................................................................................... 41

7.

Bảng 2.6

Một số thông số kỹ thuật của đầu cảm biến SMARTSENSOR
ZX-LD30V ................................................................................... 49

8.

Bảng 2.7

Một số thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại ZX- LDA11-N ...... 49

9.

Bảng 2.8

Các mức của thông số Lx, Vy, z khi thực nghiệm ........................ 53

10. Bảng 2.9

Ma trận thực nghiệm theo thông số đầu vào và mã hóa ổ khí ở vị
trí số 1........................................................................................... 54

11. Bảng 2.10

Ma trận quy hoạch với biến ảo của ổ đệm khí ở vị trí số 1.......... 55

12. Bảng 2.11

Ma trận quy hoạch đầy đủ của ổ đệm khí ở vị trí số 1 ................. 55

13. Bảng 2.12

Ma trận thực nghiệm theo thông số đầu vào và mã hóa ổ khí ở vị
trí số 2........................................................................................... 58

14. Bảng 2.13

Ma trận quy hoạch với biến ảo ổ đệm khí ở vị trí số 2 ................ 59

15. Bảng 2.14

Ma trận quy hoạch đầy đủ ổ đệm khí ở vị trí số 2 ....................... 59

16. Bảng 4-1

Một số hệ thống tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của máy đo
tọa độ ............................................................................................ 87

17. Bảng 4.2

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương trục X khi chưa bù sai số. 90

18. Bảng 4.3

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương trục X khi chưa bù sai số. 91

19. Bảng 4.4

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương trục X khi chưa bù sai số. 91


xiii
20. Bảng 4.5

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương trục X khi chưa bù sai số. 92

21. Bảng 4.6

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương trục X khi chưa bù sai số. 92

22. Bảng 4.7

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương trục Y khi chưa bù sai số. 93

23. Bảng 4.8

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương trục Y khi chưa bù sai số. 93

24. Bảng 4.9

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương trục Y khi chưa bù sai số. 94

25. Bảng 4.10

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương trục Y khi chưa bù sai số. 94

26. Bảng 4.11

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương trục Y khi chưa bù sai số. 95

27. Bảng 4.12

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương EF khi chưa bù sai số ...... 95

28. Bảng 4.13

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương EF khi chưa bù sai số ...... 95

29. Bảng 4.14

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương EF khi chưa bù sai số ...... 96

30. Bảng 4.15

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương EFkhi chưa bù sai số ....... 96

31. Bảng 4.16

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương EF khi chưa bù sai số ...... 96

32. Bảng 4.17

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương GH khi chưa bù sai số ..... 97

33. Bảng 4.18

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương GH khi chưa bù sai số ..... 97

34. Bảng 4.19

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương GH khi chưa bù sai số ..... 97

35. Bảng 4.20

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương GH khi chưa bù sai số ..... 98

36. Bảng 4.21

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương GH khi chưa bù sai số ..... 98

37. Bảng 4.22

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương IJ khi chưa bù sai số ........ 98

38. Bảng 4.23

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương IJ khi chưa bù sai số ........ 99

39. Bảng 4.24

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương IJ khi chưa bù sai số ........ 99

40. Bảng 4.25

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương IJ khi chưa bù sai số ........ 99

41. Bảng 4.26

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương IJ khi chưa bù sai số ...... 100

42. Bảng 4.27

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương MN khi chưa bù sai số .. 100

43. Bảng 4.28

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương MN khi chưa bù sai số .. 100

44. Bảng 4.29

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương MN khi chưa bù sai số .. 101

45. Bảng 4.30

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương MN khi chưa bù sai số .. 101

46. Bảng 4.31

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương MN khi chưa bù sai số .. 101

47. Bảng 4.32

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương PQ khi chưa bù sai số .... 102

48. Bảng 4.33

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương PQ khi chưa bù sai số .... 102


xiv
49. Bảng 4.34

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương PQ khi chưa bù sai số .... 102

50. Bảng 4.35

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương PQ khi chưa bù sai số .... 103

51. Bảng 4.36

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương PQ khi chưa bù sai số .... 103

52. Bảng 4.37

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương trục X đã bù sai số ......... 104

53. Bảng 4.38

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương trục X đã bù sai số ......... 104

54. Bảng 4.39

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương trục X đã bù sai số ......... 104

55. Bảng 4.40

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương trục X đã bù sai số ......... 105

56. Bảng 4.41

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương trục X đã bù sai số ......... 105

57. Bảng 4.42

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương trục Y đã bù sai số ......... 105

58. Bảng 4.43

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương trục Y đã bù sai số ......... 106

59. Bảng 4.44

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương trục Y đã bù sai số ......... 106

60. Bảng 4.45

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương trục Y đã bù sai số ......... 106

61. Bảng 4.46

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương trục Y đã bù sai số ......... 107

62. Bảng 4.47

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương EF đã bù sai số .............. 107

63. Bảng 4.48

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương EF đã bù sai số .............. 107

64. Bảng 4.49

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương EF đã bù sai số .............. 108

65. Bảng 4.50

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương EF đã bù sai số .............. 108

66. Bảng 4.51

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương EF đã bù sai số .............. 108

67. Bảng 4.52

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương GH đã bù sai số ............. 109

68. Bảng 4.53

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương GH đã bù sai số ............. 109

69. Bảng 4.54

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương GH đã bù sai số ............. 109

70. Bảng 4.55

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương GH đã bù sai số ............. 110

71. Bảng 4.56

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương GH đã bù sai số ............. 110

72. Bảng 4.57

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương IJ đã bù sai số ................ 110

73. Bảng 4.58

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương IJ đã bù sai số ................ 111

74. Bảng 4.59

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương IJ đã bù sai số ................ 111

75. Bảng 4.60

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương IJ đã bù sai số ................ 111

76. Bảng 4.61

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương IJ đã bù sai số ................ 112

77. Bảng 4.62

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương MN đã bù sai số ............ 112


xv
78. Bảng 4.63

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương MN đã bù sai số ............ 112

79. Bảng 4.64

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương MN đã bù sai số ............ 113

80. Bảng 4.65

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương MN đã bù sai số ............ 113

81. Bảng 4.66

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương MN đã bù sai số ............ 113

82. Bảng 4.67

Kết quả đo mẫu 100mm theo phương PQ đã bù sai số .............. 114

83. Bảng 4.68

Kết quả đo mẫu 200mm theo phương PQ đã bù sai số .............. 114

84. Bảng 4.69

Kết quả đo mẫu 300mm theo phương PQ đã bù sai số .............. 114

85. Bảng 4.70

Kết quả đo mẫu 400mm theo phương PQ đã bù sai số .............. 115

86. Bảng 4.71

Kết quả đo mẫu 500mm theo phương PQ đã bù sai số .............. 115

87. Bảng 4.72

Giá trị mẫu nhận được theo phương trục X trước và sau khi bù
sai số ........................................................................................... 116

88. Bảng 4.73

Giá trị mẫu nhận được theo phương trục Y trước và sau khi bù
sai số ........................................................................................... 116

89. Bảng 4.74

Giá trị mẫu nhận được theo phương EF trước và sau khi bù sai số .
.................................................................................................... 116

90. Bảng 4.75

Giá trị mẫu nhận được theo phương GH trước và sau khi bù sai
số ................................................................................................ 117

91. Bảng 4.76

Giá trị mẫu nhận được theo phương IJ trước và sau khi bù sai số
.................................................................................................... 117

92. Bảng 4.77

Giá trị mẫu nhận được theo phương MN trước và sau khi bù sai
số ................................................................................................ 117

93. Bảng 4.78

Giá trị mẫu nhận được theo phương PQ trước và sau khi bù sai
số ................................................................................................ 117


xvi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
1.

Hình 1.1

Máy đo tọa độ 3 chiều ............................................................. 1

2.

Hình 1.2

Các thành phần cơ bản của máy đo tọa độ .............................. 1

3.

Hình 1.3

Máy đo tọa độ dùng để kiểm tra các sản phẩm ....................... 2

4.

Hình 1.4

Máy đo tọa độ lấy kích thước từ chi tiết và dựng lại trên máy
tính ..................................................................................... 2

5.

Hình 1.5

Các loại sai số trong máy đo tọa độ ........................................ 4

6.

Hình 1.6

Sai số do độ cứng vững gây ra z .......................................... 9

7.

Hình 1.7

Sai số do nhiệt ......................................................................... 9

8.

Hình 1.8

Sai số động lực học ............................................................... 11

9.

Hình 2.1

Kết cấu cơ khí và sơ đồ động của máy đo tọa độ dạng cầu
trục......................................................................................... 21

10. Hình 2.2

Khớp giữa khâu dẫn hướng và khâu mang ........................... 22

11. Hình 2.3

Sơ đồ bố trí các ổ đệm khí của máy đo tọa độ dạng cầu
trục......................................................................................... 22

12. Hình 2.4(a,b)

Các ổ đệm khí hai bên khâu dẫn của khớp trượt trên trụcY

13. Hình 2.5

Khớp trượt trên trục X .......................................................... 23

14. Hình 2.6

Khớp trượt trên trục Z ........................................................... 23

15. Hình 2.7

Các thành phần chuyển vị của khâu mang và khâu dẫn ....... 24

16. Hình 2.8

Sơ đồ liên kết khâu và khớp của khâu mang trên trục Y ...... 31

17. Hình 2.9

Các thành phần chuyển vị xoay trên trục Y .......................... 32

18. Hình 2.10

Biểu diễn chuyển vị của một điểm thuộc khâu dẫn hướng
trục X ..................................................................................... 33

19. Hình 2.11

Mômen lực của các phần tử đối với trục Z của khâu dẫn
trục Y ..................................................................................... 34

20. Hình 2.12

Chuyển vị góc của khâu dẫn hướng trục X tại một điểm ..... 37

21. Hình 2.13

Chuyển vị góc của một điểm trên khâu dẫn hướng trục X
............................................................................................... 37

22. Hình 2.14

Biểu diễn trạng thái cân bằng của khâu mang trên trục Y .... 38

23. Hình 2.15

Thực hiện xác nhận sai số trên máy đo ................................. 40


xvii

24. Hình 2.16

Mô hình xác định chuyển vị xoay, tịnh tiến của khâu
mang ...................................................................................... 42

25. Hình 2.17

Bố trí các cảm biến đo dịch chuyển trên trục Y .................... 44

26. Hình 2.18

Bố trí các cảm biến đo dịch chuyển trên trục X .................... 44

27. Hình 2.19

Bố trí các cảm biến đo dịch chuyển trên trục Z .................... 45

28. Hình 2.20

Nguyên lý đo của cảm biến laser .......................................... 48

29. Hình 2.21

Cảm biến laser ZX-LD30V ................................................... 49

30. Hình 2.22

Hình ảnh bộ khuếch đại tín hiệu từ đầu đo ZX-LD30V ....... 50

31. Hình 2.23(a,b,c) Cảm biến lắp trên khâu mang của trục Y đo dịch chuyển
theo phương X ....................................................................... 52
32. Hình 2.24

Tín hiệu của các cảm biến trước khi đo ................................ 53

33. Hình 2.25

Tín hiệu của các cảm biến khi thực hiện đo .......................... 53

34. Hình 2.26 (a,b,c) Cảm biến lắp trên khâu mang của trục Y đo dịch chuyển
theo phương Z ....................................................................... 61
35. Hình 2.27(a,b,c) Cảm biến lắp trên khâu mang trục X đo dịch chuyển theo
phương Z ............................................................................... 62
36. Hình 2.28(a,b)

Cảm biến lắp trên khâu mang trục Z đo chuyển vị theo
phương trục Y ....................................................................... 63

37. Hình 3.1

Các hệ trục tọa độ được gắn trên máy đo.............................. 65

38. Hình 3.2

Mô hình động học đơn giản của máy đo có gắn hệ tọa độ ... 65

39. Hình 3.3(a,b,c) Hệ tọa độ B6 và B5 khi xét đến chuyển vị khớp trục Z ......... 68
40. Hình 3.4(a,b)

Hệ tọa độ B4 và B3 khi có xét đến chuyển vị khớp trục X .... 69

41. Hình 3.5(a,b)

Hệ tọa độ B2 và B1 khi có xét đến chuyển vị khớp trục Y .... 70

42. Hình 3.6

Vị trí của đầu dò khi khi không có sai số .............................. 72

43. Hình 3.7

Biểu diễn lan truyền sai số từ hệ tọa độ đầu dò về hệ tọa
độ gốc .................................................................................... 73

44. Hình 3.8

Vị trí của đầu dò được biểu diễn trong hai hệ quy chiếu ...... 74

45. Hình 3.9

Vị trí đúng và sai của đầu dò được biểu diễn trong một hệ
quy chiếu .............................................................................. 74


xviii

46. Hình 3.10

Vị trí đúng và sai của đầu dò được biểu diễn trong hệ quy
chiếu 3D ................................................................................ 75

47. Hình 3.11

Giao diện phần mềm đo mPrecision v1.0 ............................. 80

48. Hình 3.12

Giải thuật bù sai số cho máy đo tọa độ ................................. 82

49. Hình 3.13

Cửa sổ lập trình phần mềm bù sai số .................................... 84

50. Hình 4.1

Máy đo tọa độ dạng cầu trục được chế tạo tại Việt Nam...... 86

51. Hình 4.2

Bộ căn mẫu dùng kiểm tra .................................................... 88

52. Hình 4.3

Các miếng căn mẫu ............................................................... 88

53. Hình 4.4

Giá gá đỡ căn mẫu ................................................................. 88

54. Hình 4.5

Nam châm kẹp ...................................................................... 88

55. Hình 4.6

Các phương đo kiểm tra độ chính xác của máy đo tọa độ .... 89

56. Hình 4.7

Đo căn mẫu có chiều dài 100mm theo phương trục X ......... 90

57. Hình 4.8

Đo căn mẫu có chiều dài 200mm theo phương trục X ......... 91

58. Hình 4.9

Đo căn mẫu có chiều dài 300mm theo phương trục X ......... 91

59. Hình 4.10

Đo căn mẫu có chiều dài 400mm theo phương trục X ......... 92

60. Hình 4.11

Đo căn mẫu có chiều dài 500mm theo phương trục X ......... 92

61. Hình 4.12

Đo căn mẫu có chiều dài 100mm theo phương trục Y ......... 93

62. Hình 4.13

Đo căn mẫu có chiều dài 200mm theo phương trục Y ......... 93

63. Hình 4.14

Đo căn mẫu có chiều dài 300mm theo phương trục Y ......... 94

64. Hình 4.15

Đo căn mẫu có chiều dài 400mm theo phương trục Y ......... 94


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO TỌA ĐỘ


1

1.1. Giới thiệu chung về máy đo tọa độ
1.1.1 Cấu trúc của máy đo tọa độ
Máy đo tọa độ là hệ thống đo được trang bị các cơ cấu để di chuyển hệ thống
dò, nhằm mục đích xác định tọa độ trong không gian của các điểm trên bề mặt vật
thể và thực hiện các quá trình xử lý đối với dữ liệu thu thập được (Tiêu chuẩn ISO
10360-1:2000), (hình 1.1).

Hình 1.1

Máy đo tọa độ 3 chiều

Hệ thống hình thành máy đo tọa độ bao gồm hai phần cơ bản là phần cứng
và phần mềm, mỗi thành phần gồm có nhiều module với các chức năng khác nhau
tham khảo [1] (hình 1.2).
Cấu trúc cơ khí
Máy tính số và thiết bị ngoại vi

Phần

cứng

Hệ thống cảm biến đo dịch chuyển thẳng
Hệ thống dẫn động
Hệ thống điều khiển

Máy đo
tọa độ

Hệ thống đầu dò

Phần mềm điều khiển
Phần
mềm

Hình 1.2
Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Phần mềm đo

Các thành phần cơ bản của máy đo tọa độ


2

1.1.2. Ứng dụng của máy đo tọa độ
a. Kiểm tra các sản phẩm sau gia công
Máy đo tọa độ được dùng để kiểm tra độ chính xác kích thước và vị trí tương
quan, chẳng hạn máy được dùng để kiểm tra các kích thước của một khuôn mẫu sau
gia công từ đó có thể hiệu chỉnh, nâng cao chất lượng của khuôn để sản xuất hàng

loạt. Chức năng này đặc biệt có ích khi thiết kế lại các chi tiết sẵn có trong ngành cơ
khí, trong ngành thiết kế tạo dáng công nghiệp và cả trong ngành y sinh phẫu thuật
chỉnh hình.

Hình 1.3

Máy đo tọa độ dùng để kiểm tra các sản phẩm

b. Lập bản vẽ
Máy đo tọa độ còn là thiết bị số hóa không gian ba chiều, nhờ có máy đo tọa
độ mà hình dạng 3D của một chi tiết có cấu tạo phức tạp hay các mặt cong không có
quy luật được tái tạo một cách chính xác, từ đó tạo cơ sở cho việc lập bản vẽ thiết
kế 2D đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của công tác thiết kế theo mẫu. Việc số hóa
là một phần chính trong công nghệ thiết kế ngược (RE) đang được phát triển trên
thế giới.

Hình 1.4

Máy đo tọa độ lấy kích thước từ chi tiết và dựng lại trên máy tính

Luận án tiến sĩ kỹ thuật


3

c. Lập trình
Máy đo tọa độ được trang bị phần mềm có khả năng lập trình như máy
CNC, khả năng lập trình của máy được ứng dụng để kiểm tra biên dạng của chi tiết
so với bản vẽ hay viết chương trình để đo và kiểm tra hàng loạt.
1.1.3. Các nguồn gây sai số trên máy đo tọa độ

Máy đo tọa độ là thiết bị đo có độ chính xác cao được hình thành từ nhiều hệ
thống khác nhau (mục 1.1.1) do đó có rất nhiều nguồn gây ra sai số cho máy, dựa
vào những bộ phận tạo thành máy đo tọa độ, Anderson [2] và Chatterjee [3] thấy
rằng các nguồn sai số chủ yếu gồm có:
Hệ thống cơ khí: Gồm các thành phần chính của kết cấu máy đo tọa độ: bệ máy, bàn
máy, bộ phận dẫn hướng, các trục cùng với những ổ đệm khí. Những thành phần
này gây ra sai số do những khuyết tật của chúng trong quá trình chế tạo, kiểm tra
hay do đặc tính như độ cứng vững, giãn nở nhiệt… bản chất của những sai số này
có thể là tĩnh hoặc động.
Hệ thống truyền động: Đối với những máy đo tọa độ điều khiển số, trên các trục
đều có gắn các động cơ, bộ truyền động và thiết bị điều khiển servo. Các sai số liên
quan đến hệ thống truyền động và ảnh hưởng đến độ chính xác của máy gồm: tốc
độ của máy không đều, tải trọng tác dụng lên các cụm trục dẫn đến những chuyển
động không mong muốn và gây ra các rung động trong cấu trúc máy.
Hệ thống đo: Hệ thống đo của máy đo tọa độ gồm ba thước đo dịch chuyển thẳng
được gắn dọc theo ba trục máy. Tọa độ thực tế của các điểm đo nhận được là từ các
giá trị của các thước đo này. Những sai số chính gây ra bởi các thước đo là do các
khuyết tật của thước đo, độ nhạy, sai số lắp đặt…
Hệ thống đầu dò: Hệ thống đầu dò được dùng để xác định vị trí các điểm nằm trên
bề mặt chi tiết được đo. Những sai số liên quan đến hệ thống đầu dò bao gồm: hiệu
chuẩn đầu dò, khe hở trục lắp kim dò, kim dò bị cong do chuyển vị, sự trễ của tín
hiệu điện…
Hệ thống máy tính: Hệ thống máy tính là trung tâm điều khiển máy bao gồm cả
phần cứng và phần mềm. Những tiến bộ vượt bậc trong ngành công nghiệp máy
tính cho phép phần cứng của mọi hệ thống điều khiển luôn đáp ứng được với mức
Luận án tiến sĩ kỹ thuật


4

cao nhất, vì vậy, sai số chủ yếu là do phần mềm gây ra. Nhiệm vụ quan trọng của
phần mềm là dựa trên các dữ liệu đo để tính toán cho ra các thông số về hình dạng
và kích thước của vật đo. Lỗi của phần mềm có thể do thuật toán tính toán, phương
pháp nội suy, xấp xỉ, số hóa dữ liệu… ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả đo.
Bên cạnh các nguồn sai số đã đề cập ở trên, độ chính xác của máy đo tọa độ
còn bị ảnh hưởng bởi các nhân tố liên quan đến người vận hành và môi trường.
Những yếu tố như làm sạch vật đo, chọn các điểm đo, hướng đo, tốc độ của máy,
loại đầu dò... của người vận hành có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của máy. Môi
trường xung quanh nơi đặt máy đo tọa độ cũng có vai trò rất quan trọng đối với độ
chính xác của máy, chẳng hạn sự thay đổi nhiệt độ sẽ ảnh hưởng nhiều đến kích
thước hình học của cấu trúc máy, rung động hay độ ẩm cũng gây ra sai số và làm
giảm độ chính xác của máy đo tọa độ.
1.1.4. Các loại sai số trên máy đo tọa độ
Vì máy đo tọa độ được tạo thành từ nhiều bộ phận nên có nhiều nguồn gây ra
sai số. Các nguồn gây sai số này sinh ra các loại sai số khác nhau làm ảnh hưởng
đến độ chính xác của máy. Theo quy luật xuất hiện, các tác giả Anderson [2],
Elbestawi, Barakat và Spence chia các sai số thành hai loại: sai số hệ thống và sai số
ngẫu nhiên (hình 1.5).
SAI SỐ HÌNH HỌC
SAI SỐ ĐỘNG HỌC
SAI SỐ HỆ THỐNG
SAI SỐ DO ĐỘ CỨNG
VỮNG CÁC TRỤC
SAI SỐ DO XỬ LÍ TÍN
HIỆU
SAI SỐ
SAI SỐ DO RUNG ĐỘNG
SAI SỐ DO TRỄ
SAI SỐ NGẪU NHIÊN

SAI SỐ DO NHIỆT
SAI SỐ DO ĐẦU DÒ
SAI SỐ ĐỘNG LỰC HỌC

Hình 1.5
Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Các loại sai số trong máy đo tọa độ