Các ứng dụng gia công tinh - Chương 5: Đo biên dạng bề mặt chi tiết

Chương 5 ĐO BIÊN DẠNG BỀ MẶT CHI TIẾT 5.1 Đo độ nhám bề mặt chi tiết 5.1.1 Phương pháp đo tán xạ tích phân toàn phần Cường độ lượng tia tán xạ là I scatter với độ nhám bình phương trung bình của bề mặt Rq qua công thức: I scatter = (4Rq /  )2.I0 I0 là cường độ tia phản xạ. Công thức trên về cơ bản là chính xác với những bề mặt có độ nhám bình phương trung bình RMS nhỏ hơn bước sóng  của chùm tia tới. 5.1.2 Phương pháp đo nhám bằng giao thoa laser Phương pháp đo này sử dụng giao thoa kế kiểu Mai ken xơn Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý đo độ nhám bằng giao thoa kế laser Maikenxon . Khoảng cách vân b và độ khuếch đại chiều cao vân phụ thuộc vào góc nêm . Chiều cao nhám cần đo được xác định : h = ( a / b).  - a chiều cao vân - bước sóng laser 5.2 Đo biên dạng tế vi bề mặt chi tiết 5.2.1 Thiết bị đo sự thay đổi điểm hội tụ Sự thay đổi điểm hội tụ theo biên dạng bề mặt đo Hình 5.3: Thiết bị đo theo sự thay đổi tiêu điểm Độ phân giải đứng có thể nhỏ tới 10 nm. Phạm vi quét theo phương đứng từ vài mm tới khoảng 20 mm hay lớn hơn nữa.. Phạm vi đo ngang XxY được xác định bởi vật kính và phạm vi thường từ (0,14 x 0,1) mm tới (5 x 4) mm đối với các phép đo đơn lẻ., phạm vi đo X x Y có thể tới (100 x 100) mm. 5.2.2. Giao thoa kế hoạt động theo nguyên lý dịch pha Giao thoa kế dịch pha (PSI) bao gồm một giao thoa kế tích hợp với một kính hiển vi ,hình 5.4 Trong giao thoa kế, gương tách tia hướng chùm sáng đi xuống theo một đường chuẩn,. Gương tách tia sẽ hướng chùm tia thứ hai đi tới bề mặt được đo rồi phản xạ lại. Hai chùm tia này trở lại bộ tách tia rồi kết hợp, chồng chất lên nhau tạo thành ảnh vân giao thoa trên bề mặt cảm biến Các thiết bị đo PSI thường sử dụng một trong hai kết cấu tùy thuộc vào sự sắp xếp vật kính hiển vi. Hình 5.5 a cho thấy kết cấu của vật kính Mirau, ở đó các phần tử A, B và C dịch chuyển tham chiếu tới D. Hình 5.5 b thể hiện kết cấu vật kính Linnik, trong đó các phần tử B và C dịch chuyển tham chiếu tới D và E. Hình 5.5a) Vật kính Mirau và Vật kính Linik b) Kết cấu Mirau nhỏ gọn hơn và ít cần tới sự điều chỉnh hơn kiểu Linnik. Đối với cả hai loại vật kính, giao thoa khi cả gương chuẩn và đối tượng đo đúng tiêu điểm. Với vật kính Mirau, điều này được thực hiện qua sự điều chỉnh độ nghiêng và vị trí của gương chuẩn. Còn với vật kính Linnik, cả gương chuẩn và đối tượng phải đúng tiêu điểm nhưng hơn nữa cả hai nhánh của vật kính Linnik phải được chế tạo bằng nhau trong phạm vi vân giao thoa. Hệ Linnik bao gồm hai vật kính phải phù hợp với nhau, như vậy ít nhất là gấp đôi chi phí. Một lợi thế của Linnik là không có khu vực trung tâm của vật kính bị chặn và không có không gian bên dưới vật kính cần thiết cho việc gắn thêm gương và bộ tách tia. PSI có thể đạt được độ phân giải và độ lặp lại dưới nm nhưng rất khó xác định độ chính xác của chúng, ví dụ như nó rất phụ thuộc vào bề mặt được đo. Những bề mặt có các điểm liền kề chênh lệch không quá 1/4 bước sóng mới đo được trên PSI. Phạm vi đo của PSI bị giới hạn trong khoảng 1 vân hay xấp xỉ 1/2 bước sóng của nguồn sáng. Do đó các thiết bị đo PSI thường chỉ được sử dụng để đo những bề mặt tương đối phẳng. Một quy tắc theo kinh nghiệm cho thấy rằng chỉ những bề mặt có Ra hay Sa nhỏ hơn /10 mới có thể đo được bằng PSI. Hạn chế này có thể khắc phục được bằng cách kết hợp thiết bị PSI với một thiết bị đo giao thoa quét kết hợp (CSI), thường được chuyển thành chế độ quét dọc. 5.2.3. Kính hiển vi số chụp ảnh toàn ký 3D Kính hiển vi chụp ảnh số toàn ký (DHM) là một kính hiển vi giao thoa ,hình 5.6 DHM có độ phân giải tương đương PSI và bị giới hạn trong phạm vi 1/2 bước sóng của nguồn sáng . Tuy nhiên, DHM bước sóng kép hay đa bước sóng cho phép tăng phạm vi đo dọc tới vài m. Hình 5.7: Thiết bị đo tự động dò điểm hội tụ 5.2.4 Phương pháp đo chép hình theo nguyên lý tự động điều tiêu theo điểm Các thiết bị đo nhám bề mặt tự động theo nguyên lý điều tiêu hoạt động bằngcách hội tụ chùm tia laser một cách tự động thành một điểm trên bề mặt đo. Hình 5.7: Thiết bị đo tự động dò điểm hội tụ Tia tới đi qua một phía của vật kính, còn tia phản xạ đi qua phía đối diện sau khi hội tụ trên bề mặt được đo tại tâm của trục quang. Nó hình thành một ảnh trên cảm biến tự động điều tiêu sau khi đi qua thấu kính tạo ảnh. Hình 5.8: Các trạng thái của thiết bị tự động dò tiêu điểm Điểm bất lợi của việc tự động dò điểm hội tụ là nó đòi hỏi thời gian đo dài Ngoài ra, độ chính xác của thiết bị sẽ được xác định bởi kích thước đốm sáng laser hội tụ, do cường độ quang không đều trong phạm vi đốm laser hội tụ, nó sinh ra sai số dịch tiêu điểm. Độ phân giải theo trục được xác định bởi độ phân giải của thước chuẩn, thậm chí có thể tới 1 nm. Phạm vi đo được xác định bởi các bàn quét theo ba trục trục xy và z, ví dụ 150x150 x10mm . 5.3 Đo biên dạng chi tiết bằng phương pháp quét tia laser 5.3.1 Phương pháp quét tia truyền qua 5.3.1 1 Phương pháp đo bằng quang thông chiếu sáng Ánh sáng từ nguồn chiếu bằng tia quét khi qua hệ quang sẽ được hội tụ tại đầu thu của tế bào quang điện. Với đặc tính hoạt động : khi kích thước chi tiết tăng thì quang thông của nguồn sáng tới tế bào quang điện giảm do đó năng lượng nhận được của tế bào quang điện giảm. Như vậy, thông qua độ lớn của giá trị năng lượng thu ta có thể xác định được kích thước của chi tiết. Ưu điểm : Kết cấu đơn giản Nhược điểm : -Khó khăn trong việc tạo ra nguồn sáng có kích thước nhỏ mà vẫn đảm bảo về mặt năng lượng chiếu sáng. -Độ chính xác đo bị ảnh hưởng bởi sự không ổn định năng lượng phát của nguồn sáng cũng như các yếu tố hấp thụ năng lượng trên đường đi của các tia sáng như hệ quang, môi trường hay bản thân chi tiết đo. 5.3.1.2 Phương pháp tạo ảnh chi tiết trên đầu thu camera Ánh sáng từ nguồn chiếu bằng đèn LED năng lượng cao hoặc nguồn tia quét qua hệ quang tạo ảnh chi tiết trên đầu thu camera. Với đặc tính tạo ảnh tỷ lệ thuận nên thông qua việc xác định độ lớn ảnh trên camera ta có thể xác định được kích thước chi tiết. Ưu điểm : Do kết hợp được đồng thời việc đo kích thước với sự thu hình ảnh của chi tiết trên màn hiển thị nên thuận tiện trong công việc xử lý, hiệu chỉnh cũng như có thể dễ dàng phối hợp để đo các thông số khác của chi tiết. Nhược điểm : Thiết bị tương đối phức tạp và đắt tiền vì để có độ chính xác đo cao thì ta cần cũng cần phải có bộ đọc tín hiệu đo cùng với một đầu thu camera có độ phân giải và độ chính xác tương ứng. 5.3.1.3 Phương pháp tạo xung đo sử dụng tia Laser quét Với đặc tính chi tiết đo che khuất và không che khuất tia quét từ thấu kính trực chuẩn sẽ tạo ra xung phát từ tế bào quang điện. Độ rộng của xung này tỷ lệ với kích thước chi tiết Giả sử khoảng chi tiết che khuất chùm tia quét song song tương ứng với góc quét  của chùm tia quét góc ,hình 5.12. Ta có kích thước D của chi tiết : D = MN = 2. f . tg(/2) = f .  Vận tốc quay n (vòng/giây) của gương đa giác Với tần số phát là ft D = 4.n.f. Ưu điểm : -Có kết cấu tương đối đơn giản nhưng có thể đo với độ chính xác cao. -Việc xử lý xung phù hợp với xu hướng phát triển của các thiết bị điện tử số hiện nay. Nhược điểm : -Khó khăn tạo ra được nguồn tia quét lên chi tiết với độ song song cao và vận tốc quét ổn định. -Đòi hỏi phải có một bộ đọc xung đo có tính ổn định với độ phân giải cao ,tương ứng với độ chính xác đo Đặc điểm chung của các phương pháp đo bằng tia laser quét này là có tốc độ đo cao đến 10.000 phép đo trong một giây và có thể đạt độ chính xác đến 0,01micromet Hình 5.13 Mô hình sơ đồ đo và máy đo 5.3.2 Phương pháp quét biên dạng bằng vệt sáng laser 5.3.2.1 Nguyên lí đo của máy quét 3D laser : Một trong những phương pháp hiện đại để đo biên dạng của bề mặt chi tiết là phương pháp 3D Laser. Phương pháp đo này thực hiện việc đo, số hoá các điểm trên bề mặt chi tiết đo trong hệ toạ độ không gian 3 chiều bằng việc sử dụng cảm biến đo khoảng cách laser 2D kết hợp với hệ đo lường dịch chuyển 1D. Cảm biến đo laser 2D xác định sự biến đổi độ cao theo phương X,Y của điểm đo Mi(x,y,z) trên bề mặt chi tiết do theo nguyên lý tam giác lượng. Tia laser khi chiếu lên bề mặt chi tiết chi tiết đo sẽ phản xạ lại từ bề mặt điểm đo đến đầu CCD trên camera. Khi điểm bề mặt đo thay đổi vị trí theo trục x,y thì vị trí ảnh điểm của tia laser trên bề mặt cảm biến CCD cũng sẽ thay đổi một lượng tương ứng theo hai phương. Với cảm biến đo lường vị trí, sẽ xác định được vị trí ảnh điểm của tia laser và tính được toạ độ của điểm Mi theo phương hai phương x, y. Nguyên tắc hoạt động của các máy quét 3D laser: Chia bề mặt chi tiết thành một lưới điểm đo gồm các điểm có tọa độ(x,y,z)... Ta có thể quét từng điểm hoặc tạo và thu vệt laser trên bề mặt chi tiết để lấy tập hợp tọa độ cùng một lúc.. Hình 5.15 Sơ đồ nguyên lý quét theo vệt Phương án đo này tương đối tối ưu và kết cấu cụm đầu đo ổn định, tốc độ quét rất nhanh Hình 5.16: Mô tả quét trên bề mặt chi tiết đo sử dụng hệ quang 5.3.2.2 Nguyên lý đo và hàm truyền đạt Đầu đo chuyển động tịnh tiến dọc theo phương trục Z của vật. Với mỗi một bước tiến của đầu đo thì tia Lazer quét trên bề mặt vật một vết theo profil cắt ngang vật. Tại mỗi lắt cắt này đầu đo thu lại một ảnh gửi lên máy tính xử lí thu được giá trị các tọa độ theo X, Y và với tọa độ Z là tọa độ điều khiển từ đó ta thu được tọa độ của bề mặt vật theo một Profil cắt ngang vật. Với cách làm tượng tự với nhiều lát cắt dọc theo chiều cao của vật. Từ đó ta có thể xây dựng được bề mặt vật đã được số hóa. Với bộ tọa độ (X,Y,Z) của vật ta mô phỏng lại hình dạng bề mặt của vật bằng phần mềm Hình 5.17: Nguyên lý quét 3D laser 5.3.2.3 Quan hệ hàm truyền: Cần xác dịnh hàm truyền đạt giữa mặt phẳng 2D trên cameraCCD với mặt 3D trên vật đo để thu được các tọa độ điểm đo trên bề mặt vật đo. Cần xác dịnh hàm truyền đạt giữa mặt phẳng 2D trên cameraCCD với mặt 3D trên vật đo để thu được các tọa độ điểm đo trên bề mặt vật đo. Trong đó: L0 : khoảng cách từ quang tâm thấu kính đến trục quay đĩa phân độ . Z0 :Khoảng cách từ quang tâm thấu kính trên camêra đến mặt phẳng của tia lazer. α : góc tạo bởi phương thẳng đứng với quang trục của thấu kính trên camera. b : khoảng cách từ quang tâm thấu kính trên camera đến CCD. xCCD, yCCD lần lượt là tọa độ theo phương x và y trên CCD của điểm ảnh thứ i. 5.3.2.4 Xây dựng mây điểm bề mặt vật: - Với những tọa độ các điểm thu được biểu thị cho vệt sáng ta xác định được tọa độ thực bề mặt chi tiết theo các lát cắt. Mỗi lát cắt cho ta 1 đường biên của bề mặt vật. Tập hợp các tọa độ đường biên theo mỗi lát cắt của bề mặt vật ta thu được đám mây điểm thể hiện cho tọa độ thực bề mặt vật. 5.3.2.5. Xây dựng bề mặt vật dạng MESH: - MESH là lưới các đoạn thẳng nối với nhau theo hình tam giác hoạc tứ giác trong mặt phẳng hoặc trong không gian để thể hiện một bề mặt nào đó. - Với mây điểm tọa độ thu được ta xây dựng lên MESH bề mặt của vật theo thuật toán: 5.3.2.6. Xây dựng bề mặt vật dạng SURFACE: - Cũng giống như MESH thì SURFACE là các mặt phẳng được tạo bởi các bộ 3 điểm gần nhau liên tiếp tạo thành 1 tam giác hoặc tứ giác. SURFACE khác MESH là SURFACE là các mặt phẳng còn MESH chỉ là các đoạn thẳng nối các đỉnh tam giác (hoặc tứ giác ) với nhau. Ưu điểm của máy quét laser 3D: Không định hướng lại suốt quá trình đang quét: Số hóa nhanh hơn. Số hóa 3D kết quả chính xác trong độ chính xác cao của đặc trưng phép đo. Phương pháp đo Laser 3D là phương pháp đo không tiếp xúc. Các hệ thống đo lường không tiếp xúc ngày nay có thể đạt được độ chính xác và độ phân giải tương đương với các đầu dò tiếp xúc, cùng với tốc độ quét nhanh hơn, các số lượng đo lớn hơn và thời gian quay vòng cũng ngắn hơn. Các loại máy quét 3D Laser hiện nay có thể quét với tốc độ cực nhanh, độ chính xác cao. Thiết bị quét Handyscan 3D có tốc độ quét nhanh nhất có thể lên đến 25000 điểm/s, độ chính xác 40µm, không hạn chế kích thước, hình dạng của đối tượng quét, tính linh động cao… Nhược điểm của máy quét 3D laser: Chế tạo đầu dò phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, kết quả đo phụ thuộc vào độ phân giải của Camera thu, độ mảnh của chùm tia laser… Giá thành đắt. Phạm vi ứng dụng: Xác định biên dạng của mặt cắt chi tiết, qua đó có thể xác định kích thước hình học của mặt cắt( đường kính…), sai số hình học ( độ ovan, độ tròn…). Việc xác định biên dạng này có thể thực hiện với những chi tiết đang được gia công giúp theo dõi, điều chỉnh kích thước gia công, các thông số công nghệ… hoặc đo đạc, kiểm tra các chi tiết thành sản phẩm để kiểm soát, đảm bảo chất lượng sản phẩm. Ứng dụng scan 3D để kiểm tra biên dạng bề mặt, sao chép tạo mẫu nhanh… Hình5.21: Máy quét FaroArm kết cấu tay máy 6 bậc tự do của hãng Faro quét bằng phương pháp đường Một số loại máy đo Laser 3D của các hãng nổi tiếng trên thế giới: Hình 5.22: Thiết bị quét 3D cầm tay EXAscanTM của hãng Creaform. Một số mô phỏng kết quả quét được từ máy quét 3D laser Hình 5.24: Kết quả quét từ thiết bị ViVid 9i của hãng Konica Minolva. Dòng máy này trong một lần quét có thể đo được 684x480 điểm trên bề mặt chi tiết, cấp chính xác đạt được là 50μm Hình dưới mô phỏng kết quả quét của dòng máy Handy scan của hãng Creatform, tốc độ quét nhanh nhất là 25000 điểm/s, cấp chính xác đạt được lên đến 40μm Hình 5.25: Mô phỏng kết quả quét của thiết bị quét cầm tay Handy Scan Hình 5.16: Ảnh mẫu vật đoHình 5.17: Ảnh mô phỏng sau khi đo Typical Products Plastic and rubber profiles Electrical cable in general Special cables e.g. figure 8, NM cables, sectors etc. Medical products Metal profile Shaped wire Special tubes (oval, rectangular, div. shapes) and more