Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser - Luận án TS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------- Lê Xuân Cam NGHIÊN CỨU ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LASER LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------- Lê Xuân Cam NGHIÊN CỨU ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LASER Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Hoàng Hồng Hải Hà Nội – 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án "Nghiên cứu đo lường biên dạng chi tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser" là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn. Những nội dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam.

Các kết quả này chưa có tác giả nào công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày tháng 02 năm 2022 TM Tập thể hướng dẫn khoa học Tác giả luận án NCS Lê Xuân Cam i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Vinh, TS.

Hoàng Hồng Hải, TS. Phạm Xuân Khải đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những ý kiến vô cùng quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã đóng góp cho tôi những ý kiến bổ ích cũng như tạo điều kiện thuận lợi về thời gian cho tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thử nghiệm Quang - Cơ Điện tử 307 C4-5 - Bộ môn Cơ khí Chính xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất thử nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, chỉ huy và đồng đội trong Viện Công nghệ/ Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình, bố mẹ, vợ và các con đã động viên, giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án NCS Lê Xuân Cam ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC.

iii DANH MỤC HÌNH VẼ. vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. xii DANH MỤC CÁC BẢNG. xiv MỞ ĐẦU.

Tính cấp thiết của đề tài luận án. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Các kết quả mới của luận án.

ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY .2 Định nghĩa về sai lệch biên dạng chi tiết tròn xoay .3 Các phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay .1 Phương pháp đo biên dạng 3D tiếp xúc .2 Phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc .3 Phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser .4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay .1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới.1 Nghiên cứu đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng cảm biến tiếp xúc .2 Nghiên cứu đo biên dạng bằng phương pháp quét laser .2 Các nghiên cứu trong nước .5 Kết luận Chương 1. XÂY DỰNG CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG QUÉT LASER .1 Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay .1 Định nghĩa chi tiết tròn xoay .2 Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay thực .2 Nguyên lý, cấu tạo cảm biến đo Laser Scan Micrometer .1 Nguyên lý hoạt động cảm biến Laser Scan Micrometer .2 Cấu tạo cảm biến Laser Scan Micrometer .3 Phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser .4 Phương pháp quét mẫu và xây dựng thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay .1 Phương pháp quét mẫu .2 Xây dựng thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay .5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay.6 Kết luận chương 2. THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG QUÉT LASER .1 Xây dựng thiết bị thực nghiệm 3D-LSM-01 .2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay xử dụng quét laser .1 Sai số do lệch điểm đặt mẫu ban đầu .2 Sai số do cảm biến không đi qua tâm quay.3 Sai số do lệch đường dẫn hướng .4 Sai số do độ chính xác của cảm biến đo LSM .1 Các nguyên nhân gây sai số cảm biến đo LSM [28], [82], [83] .2 Tính toán sai số [82].3 Một số giải pháp nâng cao độ chính xác của phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser .1 Nâng cao độ chính xác bằng phương pháp đảo ngược .2 Nâng cao độ chính xác bằng hiệu chỉnh vị trí chi tiết đo trong vùng quét laser .3 Nâng cao độ chính xác bằng hiệu chỉnh cảm biến LSM .4 Kết luận chương 3. THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO BIÊN DẠNG CHI TIẾT TRÒN XOAY .1 Đánh giá thiết bị đo biên dạng 3D-LSM-01 .2 Thử nghiệm giải pháp nâng cao độ chính xác đo bằng phương pháp đảo ngược .3 Thử nghiệm xác định ảnh hưởng vị trí của chi tiết trong vùng quét laser .4 Đánh giá độ không đảm bảo đo của thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng thiết bị quét laser 3D-LSM-01 .1 Độ không đảm bảo đo biên dạng theo phương ngang trục .2 Độ không đảm bảo đo biên dạng theo phương dọc trục .5 Đo biên dạng một số chi tiết tròn xoay trên thiết bị quét laser 3D-LSM-01 .1 Đo biến dạng chi tiết trục nhôm bậc .2 Đo biến dạng chi tiết đạn .110 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN .112 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .113 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .113 TÀI LIỆU THAM KHẢO .121 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.

1: Biên dạng viên đạn hoàn chỉnh. 2: Các điểm nằm trong dung sai [1]. 3: Sai lệch đường tâm [1]. 4: Sai lệch hướng tâm [1].

5: Sai lệch mặt cắt [1]. 6: Sai lệch độ tròn. 7: Sai lệch độ thẳng. 8: Sai lệch độ trụ.

9: Các phương pháp đo biên dạng chi tiết tròn xoay. 10: Máy đo biên dạng tiếp xúc. 11: Dưỡng kiểm tra biên dạng. 12: Phân loại phương pháp đo không tiếp xúc quang học [24].

13: Một số dạng máy đo biên dạng không tiếp xúc. 14: Nguyên lý đo khoảng cách tam giác lượng. 15: Nguyên lý phương pháp đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc [11]. 16: Nguyên lý phương pháp Time - Of – Flight dạng xung [25].

17: Nguyên lý phương pháp giao thoa [26]. 18: Nguyên lý cảm biến Laser scan micrometer. 19: Tín hiệu xung thu được từ cảm biến quang điện. 20: Xung đo khi đặt vật vào vùng quét laser.

21: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc [31]. 22: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc quét song song [32]. 23: Vị trí đặt 5 đầu đo tiếp xúc quét xoắn ốc [32]. 25: a) Sơ đồ của phép đo biên dạng hình trụ bậc sử dụng cảm biến dịch chuyển laser 2D; b) Trục quay bàn quay và đường tâm hình học của chi tiết đo không trùng nhau [49].

26: Tư thế cảm biến laser 2D [49]. 27: Lưu đồ thuật toán bù sai số hệ thống dựa trên thuật toán đám mây 23 điểm [49]. 28: Đo biên dạng mặt cắt tròn sử dụng quét laser [55]. 1: Mô hình chi tiết tròn xoay.

2: Một số dạng chi tiết tròn xoay. 3: Mô hình toán học biên dạng chi tiết tròn xoay [57]. 4: Biên dạng chi tiết tròn xoay [59]. 5: Các dạng biên dạng tròn xoay [32].

6: Cách xây dựng biên dạng chi tiết tròn xoay [37]. 7: Mô hình hoạt động của cảm biến đo LSM [28]. 8: Mô hình mối quan hệ giữa kích thước vật đo với khoảng thời gian che khuất. 9: Các khoảng thời gian trong một chu kỳ quét tại mặt cắt thứ i.

10: Cảm biến LSM -506S của hãng Mitutoyo [66]. 11: Mô hình chức năng của cảm biến LSM. 12: Mô hình các bộ phận của cảm biến LSM [70]. 13: Mô hình tạo chùm tia quét laser bằng gương đa giác quay.

14: Mô hình tạo chùm tia quét laser bằng gương đa giác quay. 15: Mô hình bộ phận chuẩn trực chùm tia quét góc thành chùm tia quét song. 16: Mô hình bộ phận tạo xung đo. 17: Chuyển đổi tương ứng từ độ rộng xung đo thành việc đếm số xung nhịp thời gian.

18: Mô hình nguyên lý đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser. 19: Chùm laser trong mặt cắt thứ i. 20: Mặt cắt ngang thứ i. 21: Mô hình các phương pháp quét mẫu [75].

22: Mô hình phương pháp lấy mẫu theo từng mặt cắt. 23: Thuật toán đo biên dạng chi tiết tròn xoay bằng quét laser. 24: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay. 44 bằng quét laser.

1:Mô hình thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng phương pháp quét laser 3D-LSM-01. 2: Cảm biến đo Laser scan micrometer LS5041T/R và bộ điều khiển LS5001 hãng Keyence [29]. 3: Các bộ phận chính của máy đo biên dạng chi tiết tròn xoay. 4: Một số chức năng của phần mềm đo thiết bị 3D-LSM-01.

5: Giao diện chính của phần mềm đo biên dạng chi tiết tròn xoay. 6: Thiết bị đo biên dạng chi tiết tròn xoay sử dụng quét laser 3D-LSM- 01 sau chế tạo. 7: Mô hình sai số do lệch điểm đặt mẫu. 8: Mô hình mối quan hệ giữa biên dạng và lệch tâm e.

9: Mô hình sai số do lệch trục [79]. 10: Mô hình mặt cắt phương đo [79]. 11: Mô hình sai số do cảm biến không đi qua tâm quay [79].