Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo khi đo profile bề mặt sử dụng máy đo 3 chiều smart CMM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả có trong luận văn này là do bản thân
tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Thị Phương Mai. Ngoài
phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là
hoàn toàn trung thực, phù hợp với quy định của pháp luật và chưa được bất kỳ
ai công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác.
Hà nội, tháng 4 năm 2012.
Người thực hiện

Nguyễn Ánh Dương

-1-


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CMM Coordinate Measuring Machine
(Máy đo tọa độ 3 chiều)
Co-or. Sys Coordinate System
(Hệ tọa độ)
NC

Numerical Control
(Điều khiển số)

CNC Computer Aided Numerical Control
(Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính)
CAQ Computer Aided Quality Control
(Kiểm tra chất lượng sản phẩm có sự trợ giúp của máy tính)
CAD Computer Aided Design
(Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính)

CAM Computer Aided Manufacturing
(Quá trình sản xuất có sự trợ giúp của máy tính)
3D

3 Dimention
3 chiều

I/O

Input/Output
(Vào/Ra)

CAP Computer Aided Planing
(Lập kế hoạch sản xuất có sự trợ giúp của máy tính)

-2-


DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật cơ bản của máy Smart CMM-X500

-3-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Kết cấu điển hình của một máy đo tọa độ ba chiều (CMM).
Hình 2.2 : Mô hình một dạng đệm khí phẳng
Hình 2.3 : Đệm khí dạng buồng nhỏ
Hình 2.4 : Đệm khí dạng rãnh
Hình 2.5 : Đệm khí bạc xốp

Hình 2.6 : Sơ đồ dùng đệm khí
Hình 2.7 : Nguyên lý quét ánh sáng qua thước kính dựa trên hiệu ứng quang
điện
Hình 2.8 : Bố trí các mặt nạ lệch pha tạo tín hiệu đo
Hình 2.9: Nguyên lý quét tạo tín hiệu đo
Hình 2.10 : Mạch điện nối các ô cửa sổ và tín hiệu nhận được
Hình 2.11 : Các cửa sổ đánh dấu điểm tham khảo trên thước chính
Hình 2.12 : Nguyên lý hệ đầu đo
Hình 2.13 : Kết cấu đầu đo
Hình 2.14 : Đầu dò
Hình 2.15 : Hình minh họa khi đo đường kính chi tiết
Hình 2.16: Các khối chức năng cơ bản của máy đo
Hình 2.17: Hệ các tọa độ của máy đo 3 chiều Smart CMM
Hình 2.18: Các thiết bị an toàn và bảo vệ máy đo
Hình 2.19: Sơ đồ kết nối các khối xử lý – điều khiển
Hình 2.20a: Nguyên lý cấu tạo băng trượt thẳng
Hình 2.20b: Cấu tạo hệ thống dẫn động trục X
Hình 2.21a: Sơ đồ nguyên lý đo không tiếp xúc
Hình 2.21b: Hệ thống thước đo trên trục X
Hình 2.22a: Các thành phần cơ bản của một hệ thống đầu dò
Hình 2.22b: Cụm thiết bị đầu dò PH10M của hãng Renishaw
Hình 2.22c: Sơ đồ kết nối điều khiển của cụm đầu dò
Hình 3.1: Hệ thống tọa độ trên máy CMM
Hình 3.2: Các hệ tọa độ gắn trên máy CMM
Hình 3.3: Các hệ tọa độ tham chiếu
Hình 3.4: Mối liên hệ thực tế giữa các yếu tố khi đo trên máy CMM

-4-

PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm đầu thập kỷ 90 các lĩnh vực công nghệ tin học, điện
tử, điện tử số phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Việc ứng dụng các lĩnh vực
trên và thực hiện sản xuất đã tạo điều kiện nâng cao năng suất lao động.
Những thành tựu đó đã được ứng dụng khi các máy NC, CNC, CMM… lần
lượt ra đời và phát triển. Nhờ sự ghép nối thành công giữa máy tính và máy
đo tọa độ với những ưu điểm vượt trội như khả năng tụ động thu thập số liệu
đo từ các trục tọa độ và truyền thẳng vào máy tính, lưu trữ và xử lý số lượng
lớn thông tin đo, tính toán và đưa ra kết quả đo nhanh chóng, chính xác theo
các chương trình phần mềm đã được định sẵn.
Máy đo tọa độ có thể xác định kích thước, hình dáng, sai số vị trí rõ
ràng, chính xác và nhanh chóng với khả năng tiếp cận đối tượng đo phong
phú, đồng thời từ bộ tọa độ điểm đo có thể dựng lại bề mặt không gian của vật
đo nhằm giúp cho quá trình tạo mẫu và gia công sản phẩm. Ngoài ra việc đo
trên máy đo tọa độ còn giảm được các khó khăn về gá đặt.
Máy đo tọa độ là loại thiết bị đo có khả năng đạt độ chính xác cao. Độ
chính xác kích thước trên mỗi trục có thể đạt 0.1µm hoặc cao hơn. Để đạt
được độ chính xác như vậy phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như cấu tạo
của máy, phần mềm xử lý số liệu… Tay nghề và công nghệ đo cũng ảnh
hưởng đến quá trình đo cũng như độ tin cậy của kết quả đo trên máy đo
CMM.
Hiện nay việc trang bị máy đo tọa độ đang được sử dụng rộng rãi trong
các lĩnh vực như: các cơ sở sản xuất, các phòng thí nghiệm, các đơn vị quốc
phòng. Song vấn đề đặt ra là làm sao sử dụng hiệu quả thiết bị đo mà cụ thể là
làm sao giảm được các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo cũng như
nâng cao độ tin cậy của kết quả đo khi thực hiện phép đo trên máy đo 3 tọa độ
CMM. Chính vì lý do đó mà tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu các yếu tố
ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo khi đo Profile bề mặt sử dụng máy đo 3

-5-

chiều Smart CMM” làm đề tài thực hiện luận văn của mình với mong mỏi
đóng góp một phần nâng cao hiệu quả, mà cụ thể là nâng cao độ tin cậy của
kết quả đo trong quá trình đo trên máy đo 3 chiều Smart CMM-X500.
Luận văn bao gồm 4 chương với các nội dung sau:
Chương I: Phương pháp đo thông số hình học của chi tiết máy và các
phương pháp phân loại và đánh giá độ không đảm bảo đo.
Chương II: Kết cấu cơ bản của một máy đo tọa độ 3 chiều thông dụng.
Giới thiệu chung về máy đo tọa độ 3 chiều Smart CMM-X500.
Chương III: Phương pháp lấy số liệu đo trên máy đo CMM. Phân tích
và xử lý số liệu trên các máy đo tọa độ 3 chiều.
Chương IV: Đánh giá độ không đảm bảo đo khi xác định Profile bề mặt
trên máy đo 3 chiều Smart CMM-X500.

-6-


CHƢƠNG I
PHƢƠNG PHÁP ĐO THÔNG SỐ HÌNH HỌC CHI TIẾT MÁY
VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ KHÔNG ĐẢM BẢO ĐO
1.1 Phƣơng pháp đo thông số hình học của chi tiết máy.
Phương pháp đo là cách thức, thủ thuật để xác định thông số cần đo. Đó
là tập hợp mọi cơ sở khoa học và có thể để thực hiện phép đo. Các nguyên tắc
này có thể dựa trên cơ sở mối quan hệ toán học hay mối quan hệ vật lý có liên
quan tới đại lượng đo.
Ví dụ 1: Để xác định bán kính cung tròn, có thể dựa vào mối quan hệ
giữa các yếu tố trong cung: R =

+

, trong đó h là chiều cao cung, s là độ

dài dây cung.
Ví dụ 2: Khi đo tỷ trọng vật liệu, dựa trên quan hệ vật lý D =

, trong đó

D là tỷ trọng, G là trọng lượng vật mẫu, V là thể tích mẫu.
Nếu ta chọn mẫu dạng trụ thì V = πd2h/4, với d là đường kính mẫu, h là
chiều dài mẫu, khi đó ta có: D = 4G/πd2h.
Việc chọn mối quan hệ nào trong các mối quan hệ có thể với thông số đo
phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầu đối với đại lượng đo, trang thiết bị hiện
có, có khả năng tự tìm hoặc tự chế tạo được. Mối quan hệ cần được chọn sao
cho đơn giản, các phép đo dễ thực hiện với yêu cầu về trang thiết bị đo ít và
các khả năng hiện thực.
Cơ sở để phân loại phương pháp đo:
a) Dựa vào quan hệ giữa đại lượng cần đo và đại lượng được đo chia ra:
phương pháp đo trực tiếp và phương pháp đo gián tiếp.
Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp đo mà đại lượng được đo chính
là đại lượng cần đo ví dụ như khi ta đo kích thước đường kính chi tiết máy
bằng panme, thước cặp, máy đo chiều dài...
Phương pháp này có độ chính xác cao nhưng kém hiệu quả.
-7-


Phương pháp đo gián tiếp là phương pháp đo đại lượng đo không phải là
đại lượng cần đo mà nó quan hệ hàm số với đại lượng cần đo ví dụ như khi ta
đo đường kính chi tiết thông qua các yếu tố trong cung hay qua chu vi…
Phương pháp đo gián tiếp thông qua các mối quan hệ trong toán học hoặc vật

lí học giữa các đại lượng cần đo và đại lượng được đo. Đây là phương pháp
đo phong phú, đa dạng, nó có độ chính xác tương đối cao và đạt hiệu quả đo
tốt.
Tuy nhiên nếu hàm quan hệ phức tạp thì độ chính xác đo càng thấp. Việc
tính toán xử lý kết quả đo và độ chính xác đo phụ thuộc rất nhiều vào việc
chọn mối quan hệ này.
b) Dựa vào quan hệ giữa đầu đo với chi tiết đo chia ra: phương pháp đo
tiếp xúc và phương pháp đo không 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 khi đo bằng dụng cụ 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
không tránh khỏi sai số đo các biến dạng liên quan đến áp lực đo gây ra. Đặc
biệt khi đo các chi tiết bằng vật liệu mềm, dễ biến dạng hoặc các hệ đo kém
cứng vững.
Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp đo không có áp lực giữa
yếu tố đo và bề mặt chi tiết đo như khi ta đo bằng máy đo quang học, máy
quét tọa độ 3 chiều… Vì không có áp lực đo nên khi đo bề mặt chi tiết không
bị biến dạng hoặc bị cào xước… Phương pháp này thích hợp với các chi tiết
nhỏ, dễ biến dạng, các sản phẩm không cho phép có vết xước.
c) Dựa vào quan hệ giữa các giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo và giá trị của
đại lượng đo chia ra phương pháp đo tuyệt đối và phương pháp đo so sánh
Trong phương pháp đo tuyệt đối, giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo là giá trị
đo được. Phương pháp này đơn giản, ít nhầm lẫn, nhưng vì hành trình đo dài
nên độ chính xác đo kém.

-8-


Trong phương pháp đo so sánh, giá trị chỉ thị tren dụng cụ đo chỉ cho ta

sai lệch giữa giá trị đo và giá trị chuẩn dùng khi chỉnh “0” cho dụng cụ đo.
Kết quả đo là tổng của giá trị chuẩn và giá trị chỉ thị:
Q = Q0 + Δx
Với Q là kích thước của mẫu chỉnh “0”, Δx là giá trị chỉ thị của dụng cụ.
Độ chính xác của phép đo so sánh cao hơn phép đo tuyệt đối và phụ
thuộc chủ yếu vào độ chính xác của mẫu và quá trình chỉnh “0”.
1.2. Sai số đo – Phƣơng pháp đánh giá sai số đo
Khi tiến hành một phép đo, cho dù ta có cẩn thận đến đâu, máy đo có
chính xác đến mức nào và phương pháp đo có hợp lý đến mấy thì các kết quả
đo nhận được cũng chỉ là một đại lượng gần đúng với kích thước thực của nó.
Hơn thế, ở mỗi lần đo khác nhau ta còn có thể nhận được các kết quả đo khác
nhau.
Sự sai khác giữa kết quả đo nhận được từ giá trị chỉ thị trên máy và
dụng cụ đo với giá trị thực của nó gọi là sai số đo:
Δx = x – Q
Với

Δx – sai số đo;
x – giá trị chỉ thị đọc được trên dụng cụ đo;
Q – giá trị thực của đại lượng cần đo.
Khi Δx càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao, mức độ gần đúng

của kết quả đo với giá trị thực của nó càng cao.
Các nguyên nhân chủ yếu gây ra sai số đo:
- Sai số của phương tiện đo.
- Sai số của phương pháp đo.
- Tính chất vật lý và đo lường đối tượng đo.
- Ảnh hưởng của môi trường đo.
- Ảnh hưởng do việc quy tròn số đo.

-9-


Trong sai số Δx có 2 thành phần: thành phần sai số hệ thống và thành
phần sai số ngẫu nhiên.
1.2.1. Sai số ngẫu nhiên và các thông số đặc trƣng
Sai số ngẫu nhiên là những sai số do những nguyên nhân có tính chất
ngẫu nhiên gây ra, ta chưa biết chắc được nguyên nhân gây ra độ lớn, dấu và
cả quy luật biến thiên của nó.
Thành phần sai số ngẫu nhiên là thành phần quyết định độ chính xác
đạt được của phép đo. Thành phần này tồn tại trong mọi phép đo, nó làm cho
kết quả đo khác nhau trong các lần đo lặp lại cùng một đại lượng. Người ta
dùng chỉ tiêu độ phân tán để đánh giá thành phần sai số ngẫu nhiên. Thành
phần này có thể giảm về độ phân tán khi tiến hành phép đo lặp lại n lần. Với n
càng lớn, độ phân tán của phép đo càng nhỏ, kết quả đo càng chính xác.
Để nghiên cứu tính chất của sai số ngẫu nhiên ta tiến hành hàng loạt
phép đo lặp lại trong cùng điều kiện đo. Sau khi so sánh các thực nghiệm,
phân tích tính chất các phép thử, có thể rút ra các nhận xét sau:
Trong một điều kiện đo nhất định, trị tuyệt đối của sai số ngẫu nhiên
không vượt quá một giới hạn nhất định.
Sai số có trị tuyệt đối nhỏ có cơ hội xuất hiện nhiều hơn các sai số có
trị tuyệt đối lớn.
Các sai số có trị tuyệt đối bằng nhau có cơ hội xuất hiện như nhau.
Dựa vào 3 tính chất trên ta có thể nghiên cứu quy luật phân phối của
sai số ngẫu nhiên, tính toán được các trị số giới hạn của sai số thông qua việc
tính toán các thông số đặc trưng của phân bố.
Giả sử khi thực hiện các phép đo, người ta tiến hành n lần cho một
thông số đo. Các số liệu nhận được là x1, x2, … xn.
Thông thường trong chế tạo máy, người ta dùng trị số trung bình số
học để biểu diễn tâm phân bố (trị số tâm phân bố):

=

=

- 10 -


Để đánh giá độ chính xác của kết quả đo, người ta dùng trị số sai lệch
bình phương trung bình (độ lệch chuẩn):

σ=
với độ chính xác hay sai số cho phép là εα

εα = tα . σ
trong đó tα được tra từ bảng tích phân Student phụ thuộc vào số lần đo n và
độ tin cậy yêu cầu α. Kết quả đo sẽ được biểu diễn là: X =

± εα ; với α là

xác suất thu nhận cho phép.
1.2.2. Sai số hệ thống – Phƣơng pháp khử sai số hệ thống
Sai số hệ thống là loại sai số mà có thể dự đoán trước được nguyên
nhân gây ra sai số, nắm trước được luật biến thiên, có trị số và dấu xác định
trong mỗi điều kiện đo cụ thể. Do đặc điểm này, sai số hệ thống có thể dùng
các biện pháp khác nhau để làm giảm đến mức tối thiểu hoặc khử hoàn toàn
khỏi kết quả đo, và vì vậy, trong các phép đo thông thường ở kết quả đo chỉ
ghi trị số giới hạn của sai số ngẫu nhiên mà không ghi thành phần sai số hệ
thống.
Trong mỗi phép đo khó tránh khỏi có sai số hệ thống trong kết quả đo,
đó là do những nguyên nhân không khắc phục hết được. Các tính toán để tìm

kết quả đo ở mục 1.2.1 sẽ sai, nhiều khi là vô nghĩa nếu không loại trừ được
thành phần sai số hệ thống, vì thường sai số này có thể có trị số lớn hơn cả
thông số độ chính xác tính được.
Do các nguyên nhân gây ra sai số, sai số hệ thống có thể có các quy
luật biến thiên khác nhau và có thể chia làm 2 nhóm: nhóm có trị số không
đổi và nhóm có trị số biến đổi trong quá trình đo.
Sai số hệ thống có trị số không đổi là sai số có một trị số không đổi
trong một điều kiện đo nhất định trong suốt miền đo. Chẳng hạn sai số điểm
“0” của dụng cụ đo, sai số quả cân trong khi cân, sai số của mẫu điều chỉnh…

- 11 -


Sai số hệ thống có trị số biến đổi là sai số có các giá trị thay đổi trong
phạm vi đo. Chẳng hạn sai số do những nguyên nhân như sai số tay đòn, sai
số bước răng, bước ren trong cơ cấu truyền, do độ lệch tâm của các khâu
quay… Tùy theo phạm vi đo, vị trí cơ cấu sẽ khác nhau và sai số vị trí do các
nguyên nhân trên gây ra sẽ khác nhau.
Sai số hệ thống xuất hiện do nhiều nguyên nhân khác nhau như :
- Sai số của chuẩn : Mỗi chuẩn đều có sai số do chế tạo và độ biến
thiên kích thước khi sử dụng. Các sai số này còn có thể thay đổi cùng với thời
gian.
- Sai số của phương tiện đo.
- Sai số nghiêng hay sai số Abbe đó là sai số xuất hiện khi đo và mẫu
kích thước không nằm song song với nhau và đường sống trượt không thẳng.
(Nguyên tắc Abbe: nếu đường tâm kích thước đo và đường tâm kích
thước cùng nằm trên một đường thẳng thì phép đo đạt độ chính xác cao nhất)
- Sai số do vật đo gây ra: nguyên nhân của loại sai số này thường do độ
nhám bề mặt, hình dáng và độ dẻo của vật đo và mẫu kích thước không giống
nhau, hoặc do hiện tượng biến dạng của vật đo vì nó được đặt lên trên bề mặt

không phẳng. Cụ thể nếu mặt đo không phẳng chiều dài của đối tượng đo sẽ
thay đổi hoặc khi đối tượng đo nằm trên các ụ đỡ thì nó sẽ bị uốn cong và
chiều dài sẽ bị ngắn đi.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Các yếu tố ảnh hưởng từ môi trường như :
nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí, trường điện từ,…
Do đặc điểm của sai số hệ thống, ảnh hưởng của nó tới luật phân bố
ngẫu nhiên cũng khác nhau. Do đó phương pháp khử sai số hệ thống cũng tùy
thuộc vào đặc điểm riêng của sai số.
a) Phương pháp hiệu chỉnh:

- 12 -


Dùng khi biết rõ trị số và dấu của sai số tại miền đo xác định. Khi hiệu
chỉnh cần cộng với giá trị đo một lượng bù (có trị số bằng nhau và trái
dấu) của sai số hệ thống tại miền đo tương ứng.
Phương pháp này thường dùng để khắc phục sai số hệ thống do sai số
chế tạo, lắp ráp và điều chỉnh gây ra. Thường trị số sai số và dấu của nó
đã được ghi trong dấu kiểm định xuất xưởng của dụng cụ đo.
b) Phương pháp so sánh với mẫu
Phương pháp này được dùng khi đo so sánh: đại lượng đo được đem so
sánh với đại lượng mẫu có cùng kích thước nhưng có độ chính xác cao
hơn. Kết quả đo cho ta sai lệch tuyệt đối giữa kích thước đo và kích
thước mẫu. Như vậy trong cùng điều kiện đo, mọi yếu tố ảnh hưởng tới
kích thước đo và kích thước mẫu là như nhau, do đó trong kết quả cuối
cùng sai số được khử. Với phương pháp này các sai số do vị trí cơ cấu,
do điều kiện đo… sẽ được khử hết.
c) Phương pháp bù (phương pháp bồi thường)
Do phân tích được nguyên nhân gây ra sai số, nắm được quy luật biến
thiên của nó ta có thể tạo ra quy trình đo, sử dụng các thủ thuật đo để

sao cho sai số đo được xuất hiện với dấu trái nhau trong các lần đo và
do đó trong kết quả cuối cùng sai số hệ thống sẽ được loại trừ.
Có các phương pháp bù khác nhau theo nguyên nhân và theo quy luật
xuất hiện của sai số :
- Bù theo dấu của sai số: là phương pháp bù dựa vào phương tác dụng
của sai số để có thủ thuật đo thích hợp.
- Bù theo nguyên nhân gây sai số: khi biết nguyên nhân gây ra sai số,
chẳng hạn do đặc tính phi tuyến của cơ cấu có thể thiết kế đưa vào
các khâu bù sai số nhằm làm tuyến tính hóa đường đặc tính của
chuyển đổi như dùng khâu bù có đặc tính làm ngược như sin – sin
ngược; tang – tang ngược; sin – tang … hoặc dùng chuyển đổi dạng
vi sai.

- 13 -


- Phương pháp nửa chu kỳ: thường dùng với các sai số có chu kỳ
bằng cách tìm đặt điểm quan sát đọc số thích hợp để trong kết quả
tính toán các sai số chu kỳ sẽ khử nhau.
1.3 Độ không đảm bảo đo – Phƣơng pháp tính độ không đảm bảo đo
1.3.1 Khái niệm độ không đảm bảo đo
Độ không đảm bảo đo (gọi tắt là độ không đảm bảo) được định nghĩa
là thông số gắn với kết quả của phép đo, đặc trưng cho sự phân tán của các
giá trị có thể quy cho đại lượng đo một cách hợp lý. Thông số ở đây có thể là
độ lệch chuẩn; bội số của độ lệch chuẩn hoặc một nửa độ rộng của một
khoảng mức tin cậy (xác suất tin cậy) xác định.
Độ không đảm bảo của phép đo thường gồm nhiều thành phần. Các
thành phần này đều được đặc trưng qua độ lệch chuẩn rút ra từ phân bố thống
kê, từ các thông số có sẵn hoặc từ sự phán đoán .
Kết quả của phép đo nêu trong định nghĩa độ không đảm bảo đo ở trên

được hiểu là ước lượng tốt nhất về giá trị của đại lượng đo và về tất cả các
thành phần của độ không đảm bảo, bao gồm cả những thành phần do các ảnh
hưởng hệ thống như các thành phần gắn với sự hiệu chỉnh và gắn với các
chuẩn đo lường dùng làm mốc so sánh gây ra.
Độ không đảm bảo đo là sự thể hiện một cách thực tế: với một đại
lượng đo và một kết quả đo đã cho của nó, không phải chỉ có một giá trị, mà
là vô số giá trị phân bố xung quanh kết quả đo đó, những giá trị này phù hợp
với tất cả các quan trắc, các hiểu biết của con người về thế giới tự nhiên và
đều có thể quy cho giá trị của đại lượng đo một xác suất (mức độ) tin cậy nhất
định nào đó.
1.3.2. Phân loại độ không đảm bảo đo
Độ không đảm bảo của chuẩn (u): là độ không đảm bảo của kết quả
phép đo được thể hiện như là độ lệch chuẩn
Độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp (

): là độ không đảm bảo chuẩn

của kết quả phép đo khi kết quả này nhận được từ giá trị của một số các đại
lượng khác. Độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp bằng dương căn bậc hai của
tổng phương sai hoặc hiệp biến của các đại lượng nói trên, những phương sai

- 14 -


hoặc hiệp biến này được lấy trọng số tùy theo kết quả của phép đo biến đổi
phụ thuộc vào sự thay đổi của đại lượng này như thế nào.
Độ không đảm bảo mở rộng (U): là đại lượng xác định một khoảng bao
quanh kết quả đo với hy vọng rằng nó sẽ phủ một phần lớn phân bố của các
giá trị có thể quy cho đại lượng đo một cách hợp lý.
U = k.

(3.3)

Với k là hệ số phủ, thường nằm trong khoảng 2

3

Về việc đánh giá độ không đảm bảo đo, chia làm hai loại :
Đánh giá loại A (về độ không đảm bảo): Phương pháp đánh giá độ
không đảm bảo bằng cách phân tích thống kê một loạt các kết quả quan trắc.
Đánh giá loại B (về độ không đảm bảo): Phương pháp đánh giá độ
không đảm bảo bằng phương pháp khác với phương pháp sử dụng phân tích
thống kê một loạt các kết quả quan trắc.
1.3.3. Đánh giá độ không đảm bảo đo
1.3.3.1. Đặt vấn đề
Thường đại lượng đo Y không được đo trực tiếp mà được xác định qua
N các đại lượng

,

,…,

nhờ hàm số:

Y = f(

,…,

,

Tập hợp tất cả các đại lượng vào

)
,…,

,

(3.4)
có thể phân ra:

- Các đại lượng có giá trị và độ không đảm bảo của nó được xác định
trực tiếp từ phép đo hiện hành. Ví dụ từ phép đo một lần; từ một dãy kết quả
quan trắc lặp lại hoặc từ việc đánh giá dựa trên kinh nghiệm, bao gồm cả việc
xác định các giá trị hiệu chỉnh đối với các đại lượng ảnh hưởng như nhiệt độ,
áp suất, độ ẩm…
- Các đại lượng có giá trị và độ không đảm bảo được đưa vào phép đo
từ các nguồn bên ngoài. Như các đại lượng gắn với các chuẩn đo lường đã
được hiệu chuẩn, các mẫu chuẩn đã được chứng nhận, các số liệu tra cứu lấy
từ các sổ tay…
Như vậy, giá trị ước lượng của đại lượng đo Y, ký hiêu là y, nhận được
từ biểu thức (3.4) bằng cách sử dụng các ước lượng đầu vào
các giá trị của N đại lượng

,

,…,

, ,…,

cho

:

y = f( , ,…,

- 15 -

)

(3.5)


Độ lệch chuẩn ước lượng gắn với ước lượng đầu ra hoặc kết quả của
phép đo y gọi là độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp và ký hiệu là

(y). Độ

không đảm bảo chuẩn tổng hợp này được xác định từ các độ lệch chuẩn ước
lượng gắn với từn ước lượng đầu vào

, độ lệch chuẩn ước lượng này được

gọi là độ không đảm bảo chuẩn và ký hiện là u( ).
1.3.3.2. Đánh giá độ không đảm bảo chuẩn loại A
Đánh giá độ không đảm bảo chuẩn loại A dựa trên một phương pháp
thống kê hợp lý nào đó trong việc phân tích một dãy các quan trắc.
Thành phần đánh giá độ không đảm bảo chuẩn loại A do ảnh hưởng
ngẫu nhiên gây ra. Phân bố Gauss (còn gọi là phân bố chuẩn) của sai số là cơ
sở để nghiên cứu phân tích các ảnh hưởng ngẫu nhiên.
Trong hầu hết các trường hợp, ước lượng tốt nhất có thể có của các giá

trị kỳ vọng của đại lượng q là trung bình số học , nó thay đổi một cách ngẫu
nhiên. Trung bình số học của n quan trắc độc lập được tính bằng biểu thức :
=
Độ lệch chuẩn s(

(3.6)

) được dùng để ước lượng phân bố của q
s(

)=

(3.7)

Độ lệch chuẩn thực nghiệm s( ) của giá trị trung bình được dùng để
ước lượng độ rộng của phân bố các giá trị trung bình
s(

=

(3.8)

1.3.3.3. Đánh giá độ không đảm bảo chuẩn loại B
Trường hợp các giá trị ước tính

của đại lượng

không nhận được

trực tiếp từ các kết quả quan trắc lặp lại, độ không đảm bảo chuẩn u( ) sẽ

được đánh giá từ sự phán đoán khoa học dựa vào tất cả các thông tin thích
hợp và sự biến đổi có thể có của

. Đó là :

- Các số liệu đo trước đây.
- Kinh nghiệm hay hiểu biết về cách vận hành và tính chất của các
phương tiện và vật liệu có liên quan.
- Quy định kĩ thuật của nhà sản xuất.
- Số liệu được cho trong các báo cáo hiệu chuẩn và các báo cáo khác.

- 16 -


- Độ không đảm bảo gắn với số liệu tham khảo lấy từ dữ liệu tra cứu.
(*) Trường hợp ước lượng của giá trị q được lấy từ giấy chứng nhận hiệu
chuẩn hoặc từ liệu kỹ thuật khác, trong đó độ không đảm bảo của nó được xác
định là một bội số của độ lệch chuẩn, thì độ không đảm bảo chuẩn u(q) đơn
giản là giá trị độ không đảm bảo được trích dẫn chia cho số nhân.
Ví dụ: Chiều cao

của chuẩn bậc được đo bằng thiết bị so sánh căn

mẫu TESA upd/1G01 mã số V01.TB3.05 của phòng đo lường độ dài – VMI
với độ không đảm bảo công bố trong giấy chứng nhận hiệu chuẩn là 64nm tại
mức độ lệch chuẩn 2. Do đó độ không đảm bảo cho yếu tố chuẩn được xác
định
u(

=

= 32 nm

(*) Chuyển đổi độ không đảm bảo trích dẫn sang độ không đảm bảo chuẩn
dựa trên sự hiểu biết về phân bố xác suất của độ không đảm bảo: chia độ
không đảm bảo trích dẫn cho một hệ số, hệ số này phụ thuộc vào phân bố xác
suất.
- Phân bố xác suất hình chữ nhật:
Sử dụng trong trường hợp biết chắc chắn các giá trị sẽ nằm trong bất
cứ nơi nào trong 1 giới hạn tối đa nào đó hay được cho bằng một giới hạn cực
đại trong đó tất cả các giá trị có xác suất như nhau. Độ không đảm bảo chuẩn
được tính bằng cách chia nửa độ rộng của khoảng (ký hiệu là a) cho
Ví dụ: Độ chính xác đo của vôn kế là
“a” là 0,05% và độ không đảm bảo chuẩn là:
u(v) =

- 17 -

.

0,05%. Nửa độ rộng giới hạn


- Phân bố hình tam giác:
Phân bố tam giác là một mô hình tốt hơn nếu biết rằng hầu hết các giá
trị ở gần tâm của phân bố. Độ không đảm bảo chuẩn được tính bằng cách chia
nửa độ rộng của khoảng (ký hiệu là a) cho

.

Ví dụ: Nhiệt độ mội trường được khống chế sao cho nó chỉ dao động
trong khoảng (20

) C. Như vậy giới hạn nửa khoảng là 2 C và độ không

đảm bảo chuẩn là: u(T) =

- Phân bố xác suất chuẩn (phân bố Gauss):
Dạng phân bố này có thể được chấp nhận cho độ không đảm bảo để
định nghĩa một khoảng tin cậy có mức tin cậy đã cho thường là 95% hoặc

- 18 -


99%. Độ không đảm bảo chuẩn nhận được bằng cách chia độ không đảm bảo
trích dẫn cho một số hệ số tương ứng với phân bố.
Ví dụ: Một báo cáo hiệu chuẩn cho biết độ không đảm bảo là

0,1dB

với hệ số phủ 2,63. Độ không đảm bảo chuẩn được cho là:
u(x) =

(*)

Độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp

(y)

Độ lệch chuẩn ước lượng gắn với ước lượng đầu ra hoặc kết quả đo y

được gọi là độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp và ký hiệu là

(y). Độ không

đảm bảo chuẩn tổng hợp này được xác định từ độ không đảm bảo chuẩn u(
gắn với từng ước lượng đầu vào

.

Độ không đảm bảo tổng hợp

:

=
(*)

(3.9)

Độ không đảm bảo mở rộng U
Mặc dù độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp

(y) thường được dùng để

diễn tả độ không đảm bảo của kết quả đo, nhưng với một số việc sử dụng kết
quả đo có tính chất thương mại, công nghiệp và có tính chất quy định (ví dụ
lien quan đến sức khỏe hoặc an toàn), thường đòi hỏi có một “thước đo” của
độ không đảm bảo để xác định một khoảng xung quanh kết quả đo y mà có
thể khẳng định một các tự tin là giá trị của đại lượng Y nằm trong khoảng đó.

- 19 -

Thước đo của độ không đảm bảo phù hợp với yêu cầu trên được gọi là
“độ không đảm bảo mở rộng”, ký hiệu là U và nhận được bằng cách nhân
(y) với hệ số phủ k.
U = k.

(y)

Và có thể khẳng định một cách tự tin rằng (y – U)
mức tin cậy P = …%

- 20 -

(3.10)
Y

(y + U) với


CHƢƠNG II
KẾT CẤU MÁY ĐO TỌA ĐỘ 3 CHIỀU CMM
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY SMART CMM – X500
2.1. Giới thiệu về máy đo tọa độ CMM.
Máy đo tọa độ (Coordinae Measuring Machine – CMM) là tên gọi chung
của các thiết bị vạn năng có thể thực hiện việc đo thông số hình học theo
phương pháp tọa độ. Thông số cần đo được tính từ các tọa độ điểm đo. Tùy
theo thông số cần đo và cách lấy tọa độ điểm đo mà việc tính toán có mức độ
phức tạp khác nhau. Bởi vậy, để dễ dàng cho việc tính toán kết quả đo mà
máy đo tọa độ thường kèm theo máy tính có phần mềm thiết kế trước cho

từng loại thông số cần đo. Các loại máy này còn được gọi là máy quét hình vì
chúng còn có thể quét hình dáng của vật thể. Có 2 loại máy đo tọa độ thông
dụng là máy đo bằng tay (đầu đo được dẫn động bằng tay) và máy đo dạng
CNC (đầu đo được dẫn động bằng chương trình số).
Máy đo tọa độ thường là các máy đo 3 phương chuyển vị đo X, Y,Z. Bàn
đo được làm bằng đá granit. Đầu đo được gắn trên phía đầu đo lắp trên thân
trượt theo phương Z. Khi đầu đo được điều chỉnh đến 1 điểm nào đó thì 3 đầu
đọc sẽ cho ta biết 3 tọa độ X,Y,Z tương ứng với độ chính xác có thể lên đến
0,1micromet.
Máy đo tọa độ có thể xác định kích thước, hình dáng, sai số vị trí dễ
dàng, chính xác và nhanh chóng với khả năng tiếp cận đối tượng đo phong
phú, đồng thời từ bộ tọa độ các điểm đo có thể dựng lại bề mặt không gian
của vật đo, trợ giúp cho quá trình tạo mẫu và gia công sản phẩm. Ngoài ra đo
trên máy đo tọa độ còn giảm được các khó khăn về gá đặt.

- 21 -


Hình 2.1. Kết cấu điển hình của một máy đo tọa độ ba chiều (CMM).
Sau đây, sẽ giới thiệu một số bộ phận cơ bản

- 22 -


2.2. Bàn máy (Base plate)
Bàn máy được chế tạo từ đá cứng tự nhiên (dạng đá granite). Đảm bảo
ít bị ảnh hưởng biến dạng bởi môi trường xung quanh (nhiệt độ, độ ẩm…).
Ngoài ra, bàn máy còn có nhiệm vụ như là một đối trọng cũng như một liên
kết cơ bản trong cơ hệ tạo nên độ cứng vững của máy đo.
Bàn máy được dùng để gá đặt chi tiết. Do đó, phụ thuộc vào thiết kế

cho từng loại mà bàn máy có thể được chế tạo các lỗ ren và/hoặc các rãnh
dạng chữ T. Ngoài ra, trên bàn máy cũng có thể được lắp mâm quay/phân độ.
2.3. Hệ dẫn động
Máy đo tọa độ có khả năng đạt độ chính xác cao, độ chính xác mỗi trục
cỡ µm, có loại đến 0,1µm hoặc cao hơn nữa. Sở dĩ đạt độ chính xác như vậy
là vì hầu hết các hệ thống dẫn động của máy đo tọa độ đều chạy trên đệm khí
với những ưu điểm nổi trội sau:
- Không có sự tiếp xúc cơ khí giữa sống dẫn và xe trượt nên hệ số ma sát
gần như bằng không, tránh được mài mòn, tránh được ảnh hưởng của nhiệt,
không có hiện tượng nén đàn hồi khi bắt đầu chuyển động và do đó không bị
trễ khi chuyển động.
- Độ cứng của lớp đệm khí cao do đó sự biến thiên khe hở khớp động coi
như bằng không, xe trượt trên sống dẫn không có khe hở, điều này giải thích
tại sao phương pháp đo tọa độ mặc dù vi phạm nghiêm trọng nguyên tắc đo
lường ABBE mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao.
- Trung bình hoá toàn bộ nhấp nhô tế vi dưới bề mặt làm việc của đệm
khí đảm bảo độ chính xác dịch chuyển.
Hiện nay phương pháp dùng đệm khí được coi là phương pháp hiệu quả
nhất để giảm hệ số ma sát. Đó chính là nguyên nhân của việc sử dụng đệm khí
trong máy đo tọa độ.

- 23 -


2.3.1. Nguyên lý cấu tạo của đệm khí
Đệm khí sử dụng một lớp khí nén mỏng tạo ra sự không ma sát giữa hai bề
mặt phân cách. Lớp khí này được tạo ra bằng cách cung cấp một dòng khí nén
có áp suất P chảy vào bề mặt đệm, khí qua lỗ tiết lưu chảy vào buồng hoặc
phân phối theo các rãnh khi đó hình thành một phân bố áp giữa bề mặt đẹm
và bề mặt dẫn, tạo một lực nâng đệm khí khỏi bề mặt dẫn.

Hình 2.2 : Mô hình một dạng đệm khí phẳng
Hiện nay có rất nhiều loại đệm khí đang được sử dụng nhưng ta có thể chia
đệm khí ra làm các loại sau:
a. Đệm khí có buồng nhỏ
Đệm khí dạng buồng có một buồng đồng áp ở trung tâm (hình 2.3). Đệm
khí này có khả năng tải cao nhưng áp suất dưới bề mặt đệm không có tính cục
bộ, khi đệm bị lệch ra khỏi vị trí cân bằng thì khí trong buồng đồng áp sẽ bị

R

d

P

z

R

2ro
2rn
Hình 2.3 : Đệm khí dạng buồng nhỏ
- 24 -

Hình 2.4 : Đệm khí dạng rãnh


thoát ra ngoài, áp suất dưới bề mặt đệm giảm nhanh làm cho đệm khí không
có khả năng trở lại vị trí cân bằng. Khi bán kính buồng càng nhỏ thì khả năng
cân bằng của đệm khí càng cao nhưng lực nâng sẽ giảm do vùng đồng áp sau

tiết lưu giảm.
b. Đệm khí dạng rãnh
Để giảm thể tích buồng dưới bề mặt đệm chống rung động, việc dẫn khí
thực hiện theo rãnh. Các dạng rãnh có thể thay đổi tuỳ theo mục đích và hiệu
quả sử dụng (hình 2.4).
c. Đệm khí xốp
Đệm khí dạng rãnh và đệm khí xốp có buồng đồng áp được thu hẹp tới mức
tối giản. Áp suất dưới bề mặt đệm khí có tính cục bộ cao làm tăng khả năng
cân bằng của đệm khí. Khi bị lệch khỏi vị trí cân bằng do có tích cục bộ áp
suất cao nên đệm khi sẽ tự trở về trạng thái cân bằng và tổng áp suất dưới bề
mặt đệm khí không đổi, không có sự tiêu hao áp suất khí như với đệm khí
dạng buồng.

Hình 2.5 : Đệm khí bạc xốp
2.3.2 Các yêu cầu đặt ra đối với đệm khí
Đệm khí được sử dụng trong các máy đo ba toạ độ với mục đích làm giảm
hệ số ma sát, giảm khe hở khớp động và nâng cao độ chính xác cho máy đo.
Để làm được điều đó thì tất cả các đệm khí phải đáp ứng được các yêu cầu
sau:

- 25 -