Nghiên cứu thiết kế chế tạo xe trượt đệm khí trên băng máy изμ 10m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ANH ĐỨC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO XE TRƢỢT
ĐỆM KHÍ TRÊN BĂNG MÁY ИЗΜ-10M

CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS.VŨ TOÀN THẮNG

Hà nội - 2014
1


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ tận tình của Thầy,
Cô giáo trong Viện Cơ khí, Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học cùng sự hƣớng
dẫn khoa học tận tình của PGS.TS.Vũ Toàn Thắng; tôi đã hoàn thành khóa học,
luận văn Tốt nghiệp Cao học và đạt những kết quả mong muốn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả các Thầy, Cô giáo trong Bộ
môn, Viện Cơ khí và Trƣờng Đại học Bách khoa Hà nội đã tận tình giúp đỡ, động
viên, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khóa học của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS. Vũ Toàn Thắng đã nhiệt tình
hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi trong việc thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo phản biện đã đọc luận văn và đóng góp

cho tôi những ý kiến quý báu và bổ ích.
TÁC GIẢ

Nguyễn Anh Đức

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong các công trình khác.
TÁC GIẢ

Nguyễn Anh Đức

3


LỜI NÓI ĐẦU
Trong ngành chế tạo cơ khí, độ thẳng là một trong những chỉ tiêu quan trọng
đánh giá mức độ sai lệch về hình dáng hình học, ngoài ra nó còn ảnh hƣởng đến
chất lƣợng làm việc của các chi tiết và các bộ phận máy. Trong hầu hết các sống
dẫn của tất cả các máy công cụ, các sống dẫn của các thiết bị đo, các mặt chuẩn nhƣ
các mặt bàn máp, các trục dẫn…yêu cầu độ thẳng rất cao, đến 1 micromet vì nó trực
tiếp tác động đến độ chính xác gia công chi tiết, đến độ chính xác của phép đo.
Hiện nay, hầu hết các nƣớc trên thế giới đều đã sử dụng thiết bị đo độ thẳng
trong các Nhà máy, phân xƣởng đo lƣờng, kiểm nghiệm; tuy nhiên ở nƣớc ta những
cơ sở có đƣợc thiết bị đó còn rất hạn chế. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu thiết kế
chế tạo xe trƣợt đệm khí trên băng máy ИЗΜ-10M” với băng máy có sẵn ở bộ môn
Cơ khí chính xác và Quang học, để tạo ra thiết bị đo độ thẳng là cần thiết. Với

những tính năng ƣu việt của đệm khí nhƣ hệ số ma sát nhỏ, không có mài mòn,
trung bình hóa các nhấp nhô dƣới bề mặt đệm, tạo ra độ chính xác dịch chuyển cao
nên nó đƣợc ứng dụng để tạo ra một đƣờng trƣợt chuẩn cho thiết bị đo này.

4


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................8
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................10
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................11
CHƢƠNG 1: YÊU CẦU CỦA LUẬN VĂN ...........................................................14
1.1. Mục đích. ........................................................................................................14
1.2. Nội dung nghiên cứu. .....................................................................................14
1.3. Giới thiệu về thiết bị đo độ thẳng ИЗM-10M ...............................................14
1.4. Khảo sát thực trạng của băng máy ИЗΜ-10M. ..............................................15
1.5. Xây dựng sơ đồ nguyên lý của xe đo độ thẳng. .............................................16
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................17
2.1. Tổng quan về các phƣơng pháp đo độ thẳng. ................................................17
2.1.1. Định nghĩa độ thẳng. ..............................................................................17
2.1.2. Các phƣơng pháp tính độ thẳng. .............................................................18
2.1.3. Một số phƣơng pháp đo độ thẳng. .........................................................21
2.2. Tổng quan về đệm khí ....................................................................................27
2.2.1. Giới thiệu về đệm khí. ............................................................................27
2.2.2. Phân loại đệm khí. ..................................................................................27
2.2.3. Các ƣu điểm của đệm khí. .......................................................................31
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, LẮP ĐẶT XE TRƢỢT ĐỆM
KHÍ. ...........................................................................................................................35
3.1. Nghiên cứu, thiết kế sơ bộ xe trƣợt đệm khí. .................................................35
3.2. Các yêu cầu khi thiết kế đệm khí. ..................................................................36

3.3. Sử dụng phần mềm ansys tính toán đệm khí: ................................................37
3.3.1. Quy trình tính toán. .................................................................................37
3.3.2. Thiết lập mô hình tính toán .....................................................................38
3.3.3. Chia lƣới. .................................................................................................39
3.3.4. Nhập dữ liệu, điều kiện biên. ..................................................................41
3.3.5. Tính toán: ................................................................................................41

5


3.3.6. Kết quả tính toán. ....................................................................................41
3.3.7. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa kích thƣớc phần tử lƣới trên bề mặt giữa
đệm khí với sống dẫn và lực nâng tính toán. ....................................................43
3.3.8. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa kích thƣớc khe hở z và lực nâng đệm khí
chịu tải. ..............................................................................................................45
3.4. Gia công chế tạo xe đo, đệm khí và lắp đặt. ..................................................48
3.4.1. Gia công chế tạo xe đo, đệm khí. ............................................................48
3.4.2. Mài nghiền đệm khí và sống trƣợt. .........................................................49
3.4.3. Lắp đặt xe đo, đệm khí. ...........................................................................51
CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .......................................................53
4.1. Đo độ nhám bề mặt của băng máy ИЗΜ-10M trƣớc khi mài nghiền. ...........53
4.1.1. Điều kiện thực nghiệm. ...........................................................................53
4.1.2. Mô tả thực nghiệm đo. ............................................................................53
4.2. Đo độ nhám bề mặt của băng máy ИЗΜ-10M sau khi mài nghiền. ..............57
4.2.1. Điều kiện thực nghiệm. ...........................................................................57
4.2.2. Mô tả thực nghiệm đo. ............................................................................57
4.3. Đo độ nhám bề mặt làm việc của đệm khí chịu tải. .......................................60
4.3.1. Điều kiện thực nghiệm. ...........................................................................60
4.3.2. Mô tả thực nghiệm đo. ............................................................................60
4.4. Đo độ nhám bề mặt làm việc của đệm khí dẫn hƣớng. ..................................65

4.4.1. Điều kiện thực nghiệm. ...........................................................................65
4.4.2. Mô tả thực nghiệm đo. ............................................................................65
4.5. Thực nghiệm xác định đặc tính của đệm khí .................................................69
4.5.1. Điều kiện thực nghiệm: ...........................................................................69
4.5.2. Mô tả thực nghiệm: .................................................................................69
4.6.Thực nghiệm đo khe hở z của đệm khí chịu tải với bề mặt sống trƣợt...........74
4.6.1. Điều kiện thực nghiệm: ...........................................................................74
4.6.2. Mô tả thực nghiệm: .................................................................................74
4.7.Thực nghiệm đo khe hở z của đệm khí dẫn hƣớng với bề mặt sống trƣợt .....76

6


4.7.1. Điều kiện thực nghiệm: ...........................................................................76
4.7.2. Mô tả thực nghiệm: .................................................................................76
4.8. Thực nghiệm xác định độ ổn định và độ thẳng của xe đo khi làm việc.........78
4.8.1. Điều kiện thực nghiệm. ...........................................................................78
4.8.2. Mô tả thực nghiệm. .................................................................................78
4.8.3. Phƣơng pháp xử lý ảnh. ..........................................................................79
4.8.4. Phƣơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm .................................................81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................85
PHỤ LỤC ..................................................................................................................87

7


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chƣơng 2:
1.

Độ nhám trung bình trên chiều dài chuẩn:

Ra

2.

Độ nhám trung bình theo mƣời điểm:

Rz

3.

Khe hở thực của bề mặt đệm khí và sống trƣợt:

zc

4.

Độ cao nhấp nhô bề mặt sống trƣợt:

Rz1

5.

Độ cao nhấp nhô bề mặt đệm khí:

Rz2

Chƣơng 3:

1.

Tải trọng:

Q

2.

Biến thiên tải trọng:

Q

3.

Khe hở giữa đệm khí và sống trƣợt:

z

4.

Biến thiên khe hở:

z

5.

Đƣờng kính lỗ tiết lƣu:

d1

6.

Đƣờng kính lỗ dẫn khí:

D

7.

Áp suất ổn định:

P0

8.

Áp suất vào:

P

9.

Chiều rộng rãnh khí:

r

10.

Chiều sâu rãnh khí:

s

11.

Lực nâng đệm khí:

F

12.

Khí trở suất:

ρ

13.

Chiều dài chảy ở lỗ tiết lƣu:

l

14.

Tiết diện chảy:

S

15.

Khí trở:

R

Chƣơng 4:
1.

Khe hở:

z

2.

Chiều rộng rãnh:

r

3.

Chiều sâu rãnh:

s

4.

Độ nhám trung bình theo mƣời điểm:

Rz

5.

Độ nhám trung bình trên chiều dài chuẩn L:

Ra

8


6.

Độ nhám trung bình bình phƣơng:

Rq

7.

Tổng độ nhám của sống trƣợt và đệm khí:

∑Rz

8.

Tải trọng :

F

9.

Lực tải:

Q

10.

Đƣờng kính trong của xi lanh:

d

11.

Áp cấp vào xi lanh:

p

12.

Độ cứng:

k

13.

Biến thiên tài trọng:

F

14.

Biến thiên khe hở:

z

9

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Số liệu quan hệ tải - khe hở của đệm khí chịu tải ở áp nguồn 4atm.........71
Bảng4.2. Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí chịu tải thứ nhất với sống trƣợt.........74
Bảng4.3. Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí chịu tải thứ hai với sống trƣợt...........75
Bảng4.4. Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí chịu tải thứ ba với sống trƣợt ............75
Bảng4.5. Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí chịu tải thứ tƣ với sống trƣợt ............75
Bảng4.6. Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí dẫn hƣớng thứ nhất với sống trƣợt ...76
Bảng4.7. Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí dẫn hƣớng thứ hai với sống trƣợt .....77
Bảng4.8. Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí dẫn hƣớng thứ ba với sống trƣợt.......77
Bảng4.9. Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí dẫn hƣớng thứ tƣ với sống trƣợt .......77
Bảng 4.10. Kết quả tọa độ điểm ảnh sau khi xử lý bằng phần mềm.........................80
Bảng 4.11. Kết quả sai lệch độ thẳng và ngang của đƣờng trƣợt .............................83

10


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Thiết bị đo ИЗM-10M ................................................................................14
Hình 1.2. Băng máy ИЗΜ-10M hiện có tại bộ môn CKCX&QH ............................15
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý của xe đo độ thẳng trên băng máy ИЗΜ-10M ...............16
Hình 2.1. Độ thẳng theo TCVN 2510.78 ..................................................................17
Hình 2.2. Ký hiệu độ thẳng trên bản vẽ của chi tiết cơ khí.......................................17
Hình 2.3. Độ thẳng theo tiêu chuẩn ISO 1101. .........................................................17
Hình 2.4. Thiết bị đo sai lệch độ thẳng tự chế tạo ....................................................18
Hình 2.5. Đƣờng thẳng nội suy dm. ..........................................................................19
Hình 2.6. Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu. .........................................................20
Hình 2.7. Sai lệch về độ thẳng ..................................................................................22
Hình 2.8. Phƣơng pháp đo sai lệch về độ thẳng........................................................22
Hình 2.9. Đo độ thẳng bằng tia Laser. ......................................................................23

Hình 2.10. Đo độ thẳng bằng máy đo 3 tọa độ. ........................................................24
Hình 2.11. Đo độ thẳng bằng sống trƣợt đệm khí. ....................................................25
Hình 2.12. Máy đo độ thẳng SMS-800 của Mitutoyo ...............................................25
Hình 2.13. Sai lệch độ thẳng đƣợc hiển thị bằng máy tính .......................................26
Hình 2.14. Mô hình đo độ thẳng ở Việt Nam hiện nay.............................................26
Hình 2.15. Đệm khí rãnh và buồng ...........................................................................29
Hình 2.16. Đệm khí xốp ............................................................................................29
Hình 2.17. Đệm khí chân không ...............................................................................30
Hình 2.18. Đệm khí lót trục ......................................................................................30
Hình 2.19. Nhám giữa 2 bề mặt ................................................................................33
Hình 3.1. Mô hình xe trƣợt đệm khí xây dựng trên phần mềm inventor ..................35
Hình 3.2. Cấu tạo đệm khí loại rãnh .........................................................................36
Hình 3.3. Mô hình tính toán đệm khí ........................................................................38
Hình 3.4.Mô hình đệm khí sau khi chia lƣới. ...........................................................40
Hình 3.5. Sự khác biệt giữa vùng kiểm soát lƣới (ống tiết lƣu, rãnh khí) ................40
Hình 3.6. Mô hình tính toán sau khi nhập dữ liệu ....................................................41

11


Hình 3.7. Biểu đồ phân bố áp suất của đệm khí chịu tải với s=r=0,3mm,
z=0,010mm................................................................................................................42
Hình 3.8. Biểu đồ phân bố áp suất của đệm khí dẫn hƣớng với s=r=0,3mm,
z=0,010mm................................................................................................................42
Hình 3.9. Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,03, z=0,01 chia lƣới 0,2mm ..............43
Hình 3.10. Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,03, z=0,01 chia lƣới 0,4mm ............43
Hình 3.11. Biểu đồ quan hệ giữa kích thƣớc phần tử lƣới và lực nâng ....................44
Hình 3.12. Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,03, z=0,006. ....................................45
Hình 3.13. Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,03, z=0,025. ....................................45
Hình 3.14. Biểu đồ quan hệ giữa lực nâng và khe hở z của đệm khí chịu tải ...........46

Hình 3.15. Hình ảnh xe đo sau khi chế tạo ...............................................................48
Hình 3.16. Hình ảnh đệm khí sau khi chế tạo ...........................................................48
Hình 3.17. Sơ đồ mài nghiền.....................................................................................49
Hình 3.18. Sơ đồ xe đo sau khi lắp đặt. ....................................................................52
Hình 4.1. Mô hình đo độ nhám sống trƣợt trƣớc khi mài nghiền .............................53
Hình 4.2. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ nhất ở vị trí đầu. ................................54
Hình 4.3. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ nhất ở vị trí giữa ................................54
Hình 4.4. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ nhất ở vị trí cuối ................................54
Hình 4.5. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ hai ở vị trí đầu. ..................................55
Hình 4.6. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ hai ở vị trí giữa ..................................55
Hình 4.7. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ hai ở vị trí cuối ..................................55
Hình 4.8. Mô hình đo độ nhám sống trƣợt sau khi mài nghiền ................................57
Hình 4.9. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ nhất ở vị trí đầu. ................................57
Hình 4.10. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ nhất ở vị trí giữa ..............................58
Hình 4.11. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ nhất ở vị trí cuối ..............................58
Hình 4.12. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ hai ở vị trí đầu. ................................58
Hình 4.13. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ hai ở vị trí giữa ................................58
Hình 4.14. Đồ thị đo nhám của sống trƣợt thứ hai ở vị trí cuối ................................59
Hình 4.15. Mô hình đo độ nhám đệm khí chịu tải ....................................................60

12


Hình 4.16. Các vị trí đo trên đệm khí chịu tải ...........................................................60
Hình 4.17. Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ nhất ở vị trí 1 .........................61
Hình 4.18. Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ nhất ở vị trí 2 .........................61
Hình 4.19. Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ hai ở vị trí 1 ...........................61
Hình 4.20. Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ hai ở vị trí 2 ...........................62
Hình 4.21. Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ ba ở vị trí 1 ............................62
Hình 4.22. Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ ba ở vị trí 2 ............................62

Hình 4.23. Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ tƣ ở vị trí 1 .............................63
Hình 4.24. Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ tƣ ở vị trí 2 .............................63
Hình 4.25. Mô hình đo độ nhám đệm khí dẫn hƣớng ...............................................65
Hình 4.26. Các vị trí đo trên đệm khí dẫn hƣớng .....................................................65
Hình 4.27. Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hƣớng thứ nhất ở vị trí 1 ....................66
Hình 4.28. Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hƣớng thứ nhất ở vị trí 2 ....................66
Hình 4.29. Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hƣớng thứ hai ở vị trí 1 ......................66
Hình 4.30. Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hƣớng thứ hai ở vị trí 2 ......................67
Hình 4.31. Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hƣớng thứ ba ở vị trí 1 .......................67
Hình 4.32. Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hƣớng thứ ba ở vị trí 2 .......................67
Hình 4.33. Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hƣớng thứ tƣ ở vị trí 1 ........................68
Hình 4.34. Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hƣớng thứ tƣ ở vị trí 2 ........................68
Hình 4.35. Sơ đồ đo khe hở phụ thuộc tải và áp nguồn ............................................69
Hình 4.36. Thực nghiệm xác định quan hệ giữa tải và khe hở .................................70
Hình 4.37. Sơ đồ đo khe hở của đệm khí chịu tải với bề mặt sống trƣợt .................74
Hình 4.38. Sơ đồ đo khe hở đệm khí dẫn hƣớng với bề mặt sống trƣợt ...................76
Hình 4.39. Sơ đồ gá đặt đầu phát laser trên xe đo ....................................................78
Hình 4.40. Hình ảnh tia laser thu đƣợc trên màn chắn .............................................79
Hình 4.41. Kết quả hình ảnh sau khi xử lý bằng phần mềm máy tính. .....................80
Hình 4.42. Sơ đồ thực nghiệm tìm mối liên hệ giữa khoảng cách thực và khoảng
cách của điểm ảnh. ....................................................................................................81
Hình 4.43. Sơ đồ tính toán độ lệch thẳng của xe đo và sống trƣợt. ..........................82

13


CHƢƠNG 1: YÊU CẦU CỦA LUẬN VĂN
1.1. Mục đích.
Chế tạo thành công xe trƣợt bằng đệm khí với độ chính xác đo tới 0,01mm
đối với phép đo độ thẳng.

1.2. Nội dung nghiên cứu.
Nghiên cứu kết cấu của băng máy ИЗM-10M, từ đó đƣa ra giải pháp tính
toán thiết kế, chế tạo xe trƣợt bằng đệm khí với độ chính xác cao, xây dựng các thực
nghiệm kiểm chứng độ chính xác, ứng dụng cho đo độ thẳng các bề mặt chi tiết dài,
yêu cầu độ chính xác đo tới 0,01.
1.3. Giới thiệu về thiết bị đo độ thẳng ИЗM-10M
Thiết bị quang học và cơ khí ИЗM-10M đƣợc thiết kế để đo lƣờng, kiểm tra
các sản phẩm cơ khí, bằng cách đánh giá trực tiếp hoặc gián tiếp so sánh với các
khối đo để đƣa ra kết quả đo chính xác. Thiết bị có bộ phận kết nối với máy tính, do
đó việc xử lý và hiển thị giá trị đo đƣợc thực hiện trên phần mềm đo lƣờng chuyên
dùng.

Hình 1.1 Thiết bị đo ИЗM-10M
Thông số kỹ thuật:
-Phạm vi đo độ dài trên băng máy (mm):

13,5-900

-Trọng lƣợng tối đa của sản phẩm cần đo khi đặt trên máy (kg):

10

-Kích thƣớc bao (mm):

2000x500x650

-Khối lƣợng của thiết bị (kg):

300

14


1.4. Khảo sát thực trạng của băng máy ИЗΜ-10M.

Hình 1.2. Băng máy ИЗΜ-10M hiện có tại bộ môn CKCX&QH
Từ thực trạng của băng máy, ta đặt ra các vấn đề cần phải khảo sát trƣớc khi
thiết kế “Bàn đo dịch chuyển bằng đệm khí”, đó là:
- Bề mặt chịu tải của hai sống dẫn có đảm bảo độ nhám để thiết kế bàn đo độ thẳng
chạy trên đó hay không?
- Tải trọng lớn nhất bàn xe có thể chịu đƣợc mà vẫn hoạt động tốt.
- Dẫn hƣớng hai bên nhƣ thế nào để đảm bảo độ chính xác của bàn đo khi hoạt
động.
Xuất phát từ những vấn đề trên ta tiến hành khảo sát, đo đạc các thông số kỹ
thuật cần thiết và tính toán khả năng tải của bàn đo, cụ thể nhƣ sau:
- Đo độ nhám bề mặt chịu tải của hai sống dẫn, kết quả theo chƣơng 4, mục 4.1
đƣợc Rz nằm trong khoảng 2,34 đến 3,49; với cấp độ nhám 8 nhƣ vậy ta hoàn toàn
có thể cải thiện bề mặt bằng cách mài nghiền để tăng cấp độ nhám lên đảm bảo
chạy đƣợc đệm khí.
- Kết quả tính toán khả năng tải đƣợc trình bày ở chƣơng 3, mục 3.3.
- Về vấn đề dẫn hƣớng ở hai bên bàn đo, sau khi nghiên cứu các cơ cấu dẫn hƣớng
trên những thiết bị đo khác có sử dụng sống dẫn và đệm khí, kết hợp với khảo sát bề
mặt bên của hai sống dẫn; ta lựa chọn phƣơng án dẫn hƣớng hai bên bằng những
đệm khí nhỏ.

15


1.5. Xây dựng sơ đồ nguyên lý của xe đo độ thẳng.
Qua khảo sát về hình dáng, kích thƣớc và bề mặt làm việc của băng máy; ta

xây dựng sơ đồ nguyên lý cho thiết bị nhƣ sau:

9

1

8

2

7
6
5
3

4

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý của xe đo độ thẳng trên băng máy ИЗΜ-10M
Trong đó :
1. Vít tự lựa đệm khí chịu tải
2. Bàn đo
3,6. Vít tự lựa đệm khí dẫn hƣớng
4. Sống trƣợt
5. Đệm khí dẫn hƣớng xe đo
7. Chi tiết đo
8. Đệm khí chịu tải
9. Đồng hồ so

16

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về các phƣơng pháp đo độ thẳng.
2.1.1. Định nghĩa độ thẳng.
Theo định nghĩa trong tài liệu “Kỹ thuật đo lƣờng kiểm tra trong chế tạo cơ
khí” năm 2001, độ thẳng là sai lệch lớn nhất ∆ từ các điểm của profin thực tới
đƣờng thẳng áp trong giới hạn của phần chuẩn. Đƣờng thẳng áp là đƣờng thẳng tiếp
xúc ngoài profin thực của chi tiết.

Đƣờng thực

Đƣờng áp

Sai lệch độ thẳng

Hình 2.1. Độ thẳng theo TCVN 2510.78

Hình 2.2. Ký hiệu độ thẳng trên bản vẽ của chi tiết cơ khí.
Theo tiêu chuẩn ISO 1101: Độ thẳng là vùng dung sai bị giới hạn bởi 2
đƣờng thẳng song song nằm trên mặt phẳng đo (2 đƣờng áp) và 2 đƣờng thẳng này
cách nhau một khoảng t.

Hình 2.3. Độ thẳng theo tiêu chuẩn ISO 1101.
Trong những năm gần đây, các kết quả nghiên cứu chế tạo thành công sống
trƣợt chạy trên đệm khí tại Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học - Trƣờng

17


ĐHBKHN đã đƣợc ứng dụng để tạo ra đƣờng trƣợt chuẩn cho dụng cụ đo sai lệch

độ thẳng, yếu tố quyết định đảm bảo cho độ chính xác của dụng cụ đo này là vì
những ƣu điểm nổi bật nhƣ sau:
- Không có sự tiếp xúc cơ khí giữa sống dẫn và xe trƣợt nên hệ số ma sát gần
nhƣ bằng không, tránh đƣợc mài mòn, tránh đƣợc ảnh hƣởng của nhiệt, không có
hiện tƣợng 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
nhƣ bằng không, xe trƣợt trên sống dẫn không có khe hở.
- Trung bình hóa toàn bộ nhấp nhô tế vi dƣới bề mặt làm việc của đệm khí
đảm bảo độ chính xác khi dịch chuyển.
Thiết bị đo sai lệch độ thẳng đƣợc thiết kế với 2 cảm biến đo chính:
- Thƣớc đo dịch chuyển thẳng 1 đƣợc gá song song với sống trƣợt 3 và đồng
hồ so 2 đƣợc gá vuông góc với nó để nhận biết dịch chuyển theo 2 toạ độ vuông góc
(hình 2.4).

1
3
2
4

Hình 2.4. Thiết bị đo sai lệch độ thẳng tự chế tạo
2.1.2. Các phƣơng pháp tính độ thẳng.
Để tính sai lệch độ thẳng, hiện nay các nƣớc phát triển trên thế giới đang áp
dụng 2 phƣơng pháp để tính toán; đó là phƣơng pháp đƣờng thẳng nội suy và
phƣơng pháp vùng nhỏ nhất. Phƣơng pháp đơn giản và hay đƣợc sử dụng nhất là
phƣơng pháp đƣờng thẳng nội suy.

18

Phƣơng pháp đƣờng thẳng nội suy (LSS – Least
Square Straight line) là phƣơng pháp sử dụng đƣờng thẳng
đại diện để tính toán. Đƣờng thẳng đại diện này đƣợc tìm ra
dựa trên cơ sở của phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu; tức
là tổng bình phƣơng độ lệch của profin tới đƣờng thẳng đại
diện là nhỏ nhất. Sai lệch độ thẳng khi đó đƣợc tính bằng tổng khoảng cách từ một
đỉnh cao nhất của profin đến đƣờng đại diện cộng với khoảng cách từ một điểm sâu
nhất của profin đến đƣờng thẳng đại diện [3].
Phƣơng pháp vùng nhỏ nhất (MZS – Minimum Zone Straight line) là tìm ra
2 đƣờng thẳng song song, bao lấy profin của chi tiết và phải đảm bảo khoảng cách t
của 2 đƣờng bao là nhỏ nhất. Lúc này giá trị độ thẳng chính bằng t.
Sau đây tôi xin trình bày rõ hơn về phƣơng pháp đƣờng thẳng nội suy.

Hình 2.5. Đƣờng thẳng nội suy dm.
Đƣờng dm là đƣờng đại diện có ý nghĩa nhất của bộ số liệu đo, d1 và d2 là 2
đƣờng áp song song với dm và đi qua 2 điểm xa nhất từ profin đến dm. khoảng cách
giữa 2 đƣờng d1 và d2 chính là sai lệch độ thẳng của mặt ta cần đo.
Với đầu vào là bộ số liệu đo với các điểm M(xi, yi), ta vẽ đƣợc profin biên
dạng đƣờng mà ta đã đo. Việc quan trọng là ta tìm đƣợc đƣờng đại diện dm là
đƣờng có ý nghĩa nhất với bộ số liệu mà ta đã đo. Sau khi đã tìm đƣợc đƣờng đại
diện thì nội dung còn lại chỉ là vẽ 2 đƣờng áp song song và tính khoảng cách giữa
chúng. Để tìm đƣợc đƣờng trung bình dm, ta sử dụng phƣơng pháp bình phƣơng tối
thiểu.
Ý nghĩa của phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu là tìm ra đƣợc đối tƣợng đại
diện sát nhất cho toàn bộ bộ số liệu mà ta có đƣợc khi đo. Đối với trƣờng hợp

19


đƣờng thẳng, thì ta cần tìm một đƣờng thẳng đại diện, đƣờng thẳng này phải thõa

mãn điều kiện là tổng các bình phƣơng khoảng cách từ các điểm đo đến đƣờng đại
diện theo một phƣơng là nhỏ nhất. Tức là với một bộ số liệu gồm n điểm M(xi, yi),
ta sẽ tìm đƣờng thẳng đại diện sao cho tổng bình phƣơng của các khoảng cách đi từ
các điểm M(xi, yi) đến đƣờng đại diện theo phƣơng y là nhỏ nhất.
Giả sử đƣờng thẳng đại diện có phƣơng trình là: y = ax+b. Vậy theo phƣơng
pháp bình phƣơng tối thiểu ta sẽ có công thức sau:
  yi   axi  b   min
2

n

i 1

n

(1.1)

 d i  min
2

i 1

M(xi, yi)

Hình 2.6. Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu.
Với các ẩn số là a và b, để thỏa mãn điều kiện trên ta có đƣợc hệ phƣơng trình sau:
2
 

y


ax

b




i

  i

 0


a

2
     y   ax  b  
i
i

 
 0


b
n

i 1

(1.2)

n

i 1

Ta cần phải giải hệ phƣơng trình trên để tìm ra a và b. Sau khi tính toán đơn
giản hóa hệ phƣơng trình trên, ta đƣợc một hệ phƣơng trình đơn giản sau:
n

 x y  axi2  bxi   0
 i 1 i i
n
  yi  axi  b   0
 i 1

20

(1.3)


Biến đổi hệ phƣơng trình trên ta đƣợc:

a n x 2  b n x  n x y
 i  i i
i
 
i 1
i 1

i 1
 n
n
a  xi  nb   yi
i 1
 i 1

(1.4)

Giải hệ phƣơng trình trên, ta tìm ra đƣợc 2 nghiệm a và b.

a

n

n

i 1
n

i 1
n

n. xi yi  ( yi ) 2
n. xi2  ( xi ) 2
i 1

n

b

i 1

n

n

i 1
n

i 1

(1.5)

n

 x . yi   xi . x y
i 1

2
i

i 1

2
i i

n

n. xi2  ( xi ) 2

i 1

i 1

Khi đã có đƣợc đƣờng đại diện rồi thì ta chỉ cần tìm 2 điểm có khoảng cách
lớn nhất đến đƣờng đại diện và nằm ở hai phía của đƣờng đại diện. Tổng trị tuyệt
đối 2 khoảng cách này chính là độ thẳng mà ta cần tìm.

thang 

a.x p max  y p max  b
a2  1



a.x p min  y p min  b
a2  1

(1.6)

2.1.3. Một số phƣơng pháp đo độ thẳng.
Để đo đƣợc sai lệch về độ thẳng, ta phải dịch chuyển đầu đo dọc theo
phƣơng của đƣờng áp. Chuyển vị của đầu đo dịch chuyển theo phƣơng pháp tuyến
của đƣờng áp. Trong kỹ thuật, gọi phƣơng của đƣờng áp là phƣơng „„0‟‟, đƣờng
thẳng đi qua hai điểm chuẩn đo song song với nó đƣợc gọi là đƣờng „„0‟‟. Ngƣời ta
lấy đƣờng „„0‟‟ làm đƣờng chuẩn hay đƣờng trƣợt để đo sai lệch về độ thẳng.

21

Hình 2.7. Sai lệch về độ thẳng

Hình 2.8. Phƣơng pháp đo sai lệch về độ thẳng
Sai lệch chỉ thị lớn nhất của đầu đo theo phƣơng trƣợt chuẩn cho ta sai lệch
về độ thẳng. Đối với các chi tiết có kích thƣớc nhỏ và vừa, ta gá đặt chi tiết lên bàn
có hệ thống điều chỉnh chân giá, giả sử chiều dài chuẩn kiểm tra là một đoạn thẳng
AB nào đó, ta điều chỉnh sao cho AB song song với phƣơng trƣợt chuẩn ĐC là
phƣơng trƣợt của băng máy đo nhƣ hình 2.8 [3].
Hiện nay, các thiết bị đo độ thẳng yêu cầu độ chính xác cao, hầu hết đều
đƣợc ứng dụng những phƣơng pháp sau:
- Đo độ thẳng bằng tia laser.
- Đo độ thẳng bằng Máy đo 3 tọa độ, máy đo độ trụ.
- Đo độ thẳng bằng hệ sống trƣợt đệm khí.
* Phương pháp đo sử dụng tia Laser các thành phần chính gồm:

22


- Một đầu camera với cảm biến CCD.
- Một đầu phát Laser.
- Hộp điện tử, các cáp nối.
- Máy tính + phần mềm.

Hình 2.9. Đo độ thẳng bằng tia Laser.
Cảm biến CCD sẽ đo đƣợc độ lệch của tia laser trong quá trình dịch chuyển
của đầu phát laser, từ đó có thể đo đƣợc độ thẳng. Dịch chuyển của đầu phát laser
trên mặt đo có thể dùng bi hoặc đệm khí. Độ chính xác của phƣơng pháp này rất
cao, phạm vi đo lớn. Với phạm vi đo là 1000mm thì độ chính xác là 0.1μm.
* Đo độ thẳng bằng máy đo 3 tọa độ.
Hiện nay máy đo 3 tọa độ đƣợc ứng dụng trong rất nhiều các phép đo khác

nhau, trong đó có phép đo độ thẳng. Để đo độ thẳng thì chi tiết cần đo cần phải có
kích thƣớc phù hợp với phạm vi hoạt động của các trục dẫn hƣớng đầu đo, và cũng
cần có đồ gá đo đặc biệt cho chi tiết để gá chi tiết lên bàn của máy đo. Trong
chƣơng trình điều khiển của máy đo 3 tọa độ có tích hợp cả modun tính độ thẳng
nên ta có thể lấy đƣợc kết quả đo nhanh chóng. Độ chính xác của kết quả đo chủ
yếu là phụ thuộc vào độ chính xác của máy.

23


Hình 2.10. Đo độ thẳng bằng máy đo 3 tọa độ.
* Đo độ thẳng bằng hệ sống trượt đệm khí thẳng.
Ứng dụng sự ổn định và chính xác của các đế, bàn đo ( Bằng Granit hoặc
Ceramic), ngƣời ta chế tạo các đệm khí để tạo ra một sống trƣợt có độ ổn định và
chính xác cao. Trên các đệm khí này đƣợc gắn thêm các đầu đo. Các sống trƣợt trên
đƣợc tạo ra bẳng cách tận dụng bàn mápgranit hoặc sống trƣợt bằng ceramic. Một
đặc điểm là bàn đệm khí có hình chữ L, để định vị đƣợc trên sống trƣợt thì ở đệm
khí có 2 nguồn áp suất, áp cao và áp âm. Nguồn áp cao tạo khe hở ma sát khí,
nguồn áp âm để cho bàn đệm khí luôn bám vào sống dẫn mà không bị tách rời. Một
sản phẩm đại diện là sản phẩm của hãng Kunz.

24


Hình 2.11. Đo độ thẳng bằng sống trƣợt đệm khí.
Hay máy đo độ thẳng SMS-800 của Mitutoyo:

Hình 2.12. Máy đo độ thẳng SMS-800 của Mitutoyo
Số liệu đo đƣợc nhập từng điểm bằng công tắc và đƣợc sử lý bằng phần
mềm, cho ra kết quả của sai lệch độ thẳng.

25