MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................................................................2

LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................................................................3

ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN..................................................................................................4

ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT ĐỒ ÁN................................................................................................5

MỤC LỤC............................................................................................................................................................................6

DANH MỤC HÌNH VẼ......................................................................................................................................................... 8

CÁC KÝ HIỆU – VIẾT TẮT.................................................................................................................................................11

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ.........................................................................................12

I.1. GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ................................................................................................................12

I.2. MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI THIẾT KẾ............................................................................................................................19

I.2.1 Sống dẫn....................................................................................................................................................................20

I.2.2. Thước kính (Linear scale).........................................................................................................................................20

I.2.3. Cụm đầu đo (Probe Head System)...........................................................................................................................22

I.2.4. Đệm khí.....................................................................................................................................................................27

* KẾT LUẬN CHƯƠNG I....................................................................................................................................................27

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ DẪN TRƯỢT CỦA MÁY ĐO BA TỌA ĐỘ MINI..............................................28

II.1. THIẾT KẾ KHUNG CHO MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI....................................................................................................28

II.1.1. Đặt vấn đề................................................................................................................................................................28

II.1.2. Chọn sơ bộ kết cấu..................................................................................................................................................29

II.1.3. Hành trình làm việc..................................................................................................................................................31

II.2. THIẾT KẾ ĐỆM KHÍ VÀ PHÂN BỐ ĐỆM KHÍ TRÊN MÁY..........................................................................................32

II.2.1. Giới thiệu về đệm khí...............................................................................................................................................32

II.2.2. Thiết kế và chọn đệm khí cho máy đo 3 tọa độ Mini................................................................................................35

II.3. TÍNH KIỂM NGHIỆM KẾT CẤU ĐÃ CHỌN.................................................................................................................45

II.3.1. Phân tích lực cho hệ thống các xe...........................................................................................................................45

II.3.2. Tính độ võng – góc xoay của hai sống dẫn X và sống dẫn Y dưới tác dụng của tải trọng......................................58

II.4. ĐỐI TRỌNG TRỤC Z..................................................................................................................................................66

* KẾT LUẬN CHƯƠNG II..................................................................................................................................................70

CHƯƠNG III: PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH HỆ CƠ MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI.................................................................71

III.1. ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................................................................................. 71

III.2. PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH.......................................................................................................................................71

III.2.1. Điều chỉnh độ song song của sống dẫn X với bàn MAP......................................................................................... 71

III.2.2. Điều chỉnh độ song song giữa 2 sống dẫn trục X với nhau.....................................................................................72

III.2.3. Điều chỉnh độ song song của sống dẫn trục Y với bàn MAP và độ vuông góc của sống dẫn Y với sống dẫn X....72

III.2.4. Điều chỉnh vuông góc giữa sống dẫn Z so với sống dẫn X.................................................................................... 72

III.2.5. Điều chỉnh vuông góc giữa sống dẫn Z so với sống dẫn Y..................................................................................... 74

II.3.  MỘT VÀI SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI...........................................74

II.3.1. Sai số do chế tạo..................................................................................................................................................... 74

II.3.2. Sai số do độ không vuông góc giữa 2 trục với nhau............................................................................................... 74

II.3.3. Sai số do khối lượng thay đổi (tải trọng động)........................................................................................................ 75

* KẾT LUẬN CHƯƠNG III:................................................................................................................................................ 76

KẾT LUẬN.........................................................................................................................................................................77

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................................................................78

LỜI NÓI ĐẦU

Máy đo 3 tọa độ hiện đóng một vai trò quan trọng trong nền sản xuất cơ khí hiện đại bởi những tính năng đo lường ưu việt của nó như: khả năng đo tự động với độ chính xác cao, xử lý kết quả đo tức thì, phù hợp với các dạng bề mặt đo, không yêu cầu gá đặt phức tạp, ...

Hiện nay ở Việt Nam, bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học là cơ sở đầu tiên nghiên cứu chế tạo loại máy đo này và đã đạt được một số thành công bước đầu về mặt nghiên cứu lý thuyết cũng như chế tạo hệ thống dẫn động chạy trên đệm khí - phần có tính quyết định đến độ chính xác của phép đo.

CHƯƠNG I

TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ

I.1. GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ

Máy đo toạ độ (Coordinate Measuring Machine –CMM) là tên gọi chung của các thiết bị vạn năng có thể thực hiện việc đo các thông số hình học theo phương pháp toạ độ. Thông số cần đo đựợc tính từ các toạ độ điểm đo. Các loại máy này còn được gọi là máy quét hình vì chúng còn được dùng để quét hình dáng của vật thể.

Máy đo toạ độ thường là các máy đo có 3 phương chuyển vị đo X, Y, Z. Bàn đo được làm bằng đá Granít. Đầu đo được gắn trên giá đầu đo lắp trên thân trượt theo phương Z. Khi đầu đo được điều chỉnh đến một điểm đo nào đó thì 3 đầu đọc sẽ cho ta biết 3 toạ độ X, Y, Z tương ứng với độ chính xác có thể lên đến 0,01 mm.

* Máy đo ba toạ độ của hãng DEA

Mức độ tự động hoá cao, hệ thống dẫn động bằng máy và có thể điều khiển chuyển động của hệ cơ bằng chương trình cài đặt sẵn.

Ưu điểm nổi trội của loại  máy này là sử dụng sống dẫn dạng tam giác do đó giảm số lượng đệm khí trong toàn máy, đặc biệt hơn là điểm đặt trọng tâm của các sống trượt tam giác thấp hơn so với sống trượt chữ nhật, do đó làm giảm quán tính khi dịch chuyển.

* Máy đo ba toạ độ của hãng Brown & Sharpe

Kết cấu máy tuy đơn giản nhưng đạt được độ chính xác cao. Các sống dẫn dạng hình hộp chữ nhật, có hệ thống bật tắt khí cho mỗi trục nhằm hạn chế chuyển động theo các phương X, Y hoặc Z.

Mức độ tự động hoá cao, được điều khiển bằng chương trình viết sẵn trên máy tính.

* Máy đo 3 toạ độ của hãng Mitutoyo

 Loại máy đo này có chuyển vị rất êm, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt trên đệm khí nén. Đặc biệt khi tắt khí thì các trục sẽ được hãm bởi lực lò xo đặt ở phía lưng các đệm khí. Để kết quả đo tin cậy, áp suất khí cung cấp đủ lớn theo yêu cầu kỹ thuật của máy, đảm bảo đệm khí đủ áp suất và làm việc ổn định. Các máy của hãng Mitutoyo thường có yêu cầu áp suất khi nén là 0,4MPa với lưu lượng 40 lít/phút ở trạng thái bình thường. Máy phải được vận hành ở nhiệt độ thấp, thường từ 16⁰ C đến 26⁰ C.

* Máy đo toạ độ Global Clasis

Global Classic là giải pháp hiệu quả nhất để đánh giá đo lường cơ sở và kiểm tra ứng dụng. Với:

- Đầu dò: Tesastar-I, đầu dò điều chỉnh bằng tay

- Phần mềm: PC - DMIS PRO chuyên nghiệp bao gồm các tiêu chuẩn đo lường và khả năng GD&T

- Điều khiển: Khả năng điều khiển bấm nút theo tiêu chuẩn cơ bản. Hiệu suất hoạt động: Vận tốc 520 mm/s, gia tốc 1732 mm/s2.

- Thông số kỹ thuật chính xác của máy:Thiết kế theo tiêu chuẩn ISO-10360 Thiết kế theo tiêu chuẩn ASME B98

- Khoảng nhiệt độ chuẩn: Nhiệt độ xung quanh 18⁰C - 22⁰C; Mức độ biến đổi nhiệt độ không khí lớn nhất: 1⁰C- 2⁰C/24h;

I.2. MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI THIẾT KẾ

Dựa trên cơ sở kết cấu, nguyên tắc hoạt động của các máy đo tọa độ mà các hãng đã chế tạo, đưa ra cơ sở thiết kế cho Máy đo 3 tọa độ Mini

*  Nguyên tắc hình thành hệ tọa độ của máy đo:

Muốn đo được các điểm khác nhau trên những bề mặt của chi tiết ta, cần dịch chuyển đầu đo tới tiếp xúc với vật đo tại các điểm đó. Trên máy, đầu đo được dịch chuyển theo 3 phương vuông góc với nhau ứng với 3 trục tọa độ trong hệ tọa độ Đềcác vuông góc. Mỗi trục toạ độ thực chất là một sống  trượt và một xe trượt, ba sống trượt này vuông góc với nhau từng đôi một. Có thể hiểu sự tương quan giữa hệ toạ độ máy đo như sau:

- Hệ toạ độ Đề các gồm ba trục Ox, Oy, Oz vuông góc với nhau từng đôi một trong đó máy đo toạ độ 3 chiều hệ Đề các cũng gồm ba sống dẫn X, Y, Z vuông góc với nhau từng đôi một. Trên mỗi trục đều có gắn thước đo chiều dài. Số đo xác định vị trí của xe trên sống dẫn.

- Trục Ox  tương dương với sống dẫn  X, trên sống dẫn X là xe trượt X, xe trượt X sẽ trượt đến từng điểm khác nhau trên trục X tạo ra tung độ của điểm đo.

- Trục Oy tương đương với sống dẫn Y, trên sống dẫn Y là xe trượt Y, xe trượt Y sẽ trượt đến từng điểm khác nhau trên trục Y tạo ra hoành độ của điểm đo.

Như vậy những bộ phận chính cấu thành nên hệ cơ của máy đo 3 toạ độ hệ Đề các gồm:

+ Sống dẫn.

+ Đệm khí.

+ Thước kính.

+ Đầu đo.

I.2.1 Sống dẫn

Hiện nay có nhiều dạng sống dẫn chạy trên đệm khí trong các máy đo toạ độ nói chung và máy đo 3 toạ độ nói riêng, nhưng chủ yếu là sống dẫn dạng tam giác và sống dẫn dạng hộp chữ nhật.

Sống dẫn dạng tam giác, được sử dụng cho trục X của máy MITUTOYO QM – MEASURE 333, hãng DEA. Sống dẫn loại này có ưu điểm so với sống dẫn hình chữ nhật là: giảm bớt được một mặt phải gia công, giảm bớt được số đệm khí mà vẫn đảm bảo định vị ổn định cho các xe trượt gắn trên nó, giảm khối lượng máy từ đó giảm quán tính của máy, và giảm cả vật liệu chế tạo máy. 

I.2.2. Thước kính ( Linear scale )

Thước kính là thước đo chiều dài đặt trên 3 sống dẫn X, Y, Z của máy đo 3 toạ độ. Tùy thuộc vào chiều dài làm việc của các trục mà ứng với các trục có các thước khác nhau.

Cấu tạo của thước kính gồm hai phần:

* Phần cố định:

Thước chính – là một thước kính có bề mặt được chia ra hai phần:

Trên phần thứ nhất, dọc theo chiều dài của thước có các vạch đen xen kẽ các khoảng trắng một cách đều đặn. Kích thước khoảng trắng bằng kích thước vạch đen. Đối với các thước kính ứng dụng nguyên tắc ánh sáng xuyên qua, vạch đen có tác dụng chắn sáng, còn khoảng trắng là để cho ánh sáng xuyên qua, còn đối với các thước kính dùng nguyên tắc phản xạ ánh sáng thì trên bề mặt thước được mạ một lớp phản xạ ánh sáng, sau đó các vạch được khắc trên đó bằng cách bóc lớp phản xạ ở phần được khắc đi. 

* Phần chuyển động.

Để tạo ra sự thay đổi quang thông khi cho ánh sáng chiếu qua thước người ta thay đổi diện tích cản quang bằng cách sử dụng một tấm mặt nạ cho di chuyển tương đối trên bề mặt thước. Tấm mặt nạ này có cấu tạo như sau:

Trên mặt nạ có 4 ô của sổ, mỗi ô có các vạch khắc mà chiều rộng vạch khắc, khoảng trắng và chu kỳ vạch khắc giống hệt trên thước kính, nhưng khoảng cách giữa các ô không đều nhau mà bố trí sao cho khi áp mặt nạ lên trên thước các vạch khắc trên 4 ô của mặt nạ lệch pha nhau 1/4 chu kỳ.

I.2.3. Cụm đầu đo (Probe Head System)     

Đầu đo có tác dụng truyền dẫn tín hiệu khi tiếp xúc vật đo, để máy đọc được giá trị trên thước kính. Đầu đo được hoạt động dựa trên nguyên lý tiếp xúc điện, gồm 2 phần chính: phần cơ và phần điện.

a. Phần cơ

Bi đo (1) làm bằng Rubi, cứng và ít biến dạng, có đường kính bé, là phần tiếp xúc trực tiếp lên vật đo trong quá trình đo. Bi đo (1) được gắn liền và đồng tâm với tay đo (2), là một trụ dài, có độ cứng vững cao, làm bằng hợp kim nhôm. Tay đo được thiết kế tính toán về chiều dài và kích thước, nếu quá nặng sẽ tăng khối lượng đầu đo, ảnh hưởng sai số khi đo, nếu quá dài sẽ có sai số lớn do biến dạng đầu đo gây ra, nếu quá ngắn sẽ khó khăn khi đo các vật có chiều sâu. Tay đo (2) được gắn liền với bộ phận chia tay đo (3), bộ phận này cho phép gắn tối đa 5 tay đo trên một đầu đo. 

b. Phần điện và quá trình làm việc

Ở thân đầu đo, có một mạch điện thép lá gắn trên thân nhựa cách điện, mạch điện đóng vai trò truyền tín hiệu điện trong quá trình đo, giúp máy đọc tín hiệu khi đo. Bình thường mạch điện kín khi có tiếp xúc bi và trụ. Khi không có tiếp xúc của ít nhất 1 trong 3 cặp bi-trụ thì mạch điện bị ngắt, khi đó máy đọc giá trị của thước.

* Lựa chọn cụm đầu đo cho máy đo 3 tọa độ Mini

Cụm đầu đo lắp trên hệ máy phải đảm bảo kết cấu nhỏ gọn, phù hợp với kích thước sống dẫn Z, do đó ta lựa chọn cụm đầu đo của hãng Mitutoyo bao gồm 2 phần như sau:

1. Đầu dò cảm ứng (Touch trigger probe) model TP20

Với các kích thước như hỉnh dưới.

2. Đầuđo (Probe Head) model PH1

Các thông số kích thước như hình dưới.

I.2.4. Đệm khí (Xem phần II.2)

* KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Trên cơ sở phân tích kết cấu, hoạt động của các loại máy đo 3 tọa độ trên thế giới, chương I đã trình bày một cách tổng quan các bộ phận chính cấu thành nên máy đo 3 tọa độ Mini tự thiết kế.

CHƯƠNG II

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ DẪN TRƯỢT CỦA MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI

* YÊU CẦU ĐỀ BÀI

Thiết kế máy đo 3 tọa độ Mini trên cơ sở

- Bàn MAP đã có sẵn của hãng Mitutoyo có kích thước: 300x450x130mm.

- Hệ dẫn động bằng tay.

- Sử dụng kiểm tra các chi tiết nhỏ.

- Tận dụng tối đa phạm vi đo trên bàn MAP có sẵn.

II.1. THIẾT KẾ KHUNG CHO MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI

II.1.1. Đặt vấn đề

Theo như hình 3D đã mô phỏng,hệ thống gồm 4 sống dẫn xe trượt: 2 sống dẫn trục X, 1 sống dẫn trục Y và 1 sống dẫn trục Z. Các sống dẫn phải đảm bảo độ thẳng, độ phẳng, độ song song giữa các mặt phẳng và độ vuông góc giữa các sống theo đúng yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra. Với máy đo 3 tọa độ đang được thiết kế thì các sống dẫn phải đạt các yêu cầu sau:

+ Phạm vi đo của máy: = 350 x 150 x 120 (mm)

+ Độ thẳng của sống dẫn 4µm/1000mm

+ Độ không vuông góc 5µm/1000mm

+ Độ phẳng của sống dẫn 4µm/1000mm

Có 3 xe trượt chạy trên các sống dẫn bằng đệm khí.

II.1.2. Chọn sơ bộ kết cấu

Hệ cơ của máy đo 3 tọa độ hệ Đề các được thiết kế bao gồm 1 số chi tiết như sau:

+ Bàn MAP: 300 x 450 mm

+ Sống dẫn trục X: 50x100x710 mm; dầy 10mm

+ Sống dẫn trục Y: 50x70x510 mm;  dầy 8mm

+ Sống dẫn trục Z: 45x45x260mm ; dầy 5mm

II.1.2.1. Kích thước, khối lượng trục X

a. Sống dẫn trục X

Sống dẫn này là một thanh hình hộp chữ nhật rỗng giữa với kích thước 50x100x710 mm; dầy 10mm, vật liệu là thép với  =7,85 g /cm_­­­­­³.

Thể tích V_sx  của sống dẫn trục X được tính như sau:

V_sx=(50.100 – 30.80).710.10^-3

V_sx= 1846 cm³

Do vậy khối lượng M_sx sống dẫn X bằng:

M_sx = . V_sx = 1846.7,85.10­^-3 = 14,5 kg

b. Xe trượt trên trục X

Xe X đã được cắt trích nhằm giảm khối lượng và tạo không gian cho việc lắp các đệm khí dễ dàng.

Khoảng cách giữa thành trong của xe và thành ngoài của sống dẫn được chọn sao cho có thể lắp vừa đệm khí và chỉnh được khe hở làm việc z của đệm khí: Chiều dầy đệm khí là 10mm, khoảng điều chỉnh là 5mm

Do vậy khoảng cách là: 10+5=15mm.

Chiều dầy của thành xe tại vị trí lắp đệm khí cần lắp bu lông M8 sao cho đủ vài vòng siết để điều chỉnh đệm khí, nên chọn chiều dầy tối thiểu là 8mm.

Như vậy kích thước bao ngoài của xe là:

(50 + 15 + 8)x(100 + 2.15 + 2.8) = 73x146 mm

II.1.2.3. Kích thước, khối lượng trục Z

a. Sống dẫn trục Z

Sống dẫn Z cũng có dạng hình hộp chữ nhật rỗng giữa với kích thước như sau: 45x45x260 mm; dầy 5mm, vật liệu là thép với  =7,85 g /cm_­­­­­³.

Thể tích V_sz  của sống dẫn Z:

V_sz = (45.45 – 35.35).260.10^-3

V_sz = 208 cm³

Khối lượng M_sz trục Z:

M_sz = . V_sz = 208.7,85.10^-3

M_sz = 1,63 kg

b. Xe trượt của trục Z

Tương tự cách chọn kích thước của xe X ta có kích thước bao ngoài của xe Z như sau: 91x91 mm, chiều dài là 130, chiều dầy là 8mm.

Xe Z được gắn vào thành bên của xe Y tạo thành một khối, do vậy được gọi chung là xe YZ. Xe YZ cũng được làm giảm khối lượng đến mức tối thiểu nhằm làm giảm tải trọng động.

Khối lượng xe YZ: M_yz = 4,6 kg

II.1.2.5. Đối trọng (xem mục II.3)

II.1.3. Hành trình làm việc

II.1.3.1. Hành trình làm việc của trục X: L_X

Khoảng cách mà xe X có thể  di chuyển, bằng chiều dài của sống dẫn trục X trừ chiều dài của xe X và chiều dài gá công tắc hành trình ở 2 đầu.

L_x = 410mm

II.1.3.2. Hành trình làm việc của trục Y: L_Y

Khoảng cách mà xe Y có thể di chuyển, bằng chiều dài của sống dẫn trục y trừ đi chiều dài xe Y và chiều dài công gá công tắc hành trình ở 2 đầu.

L_y = 230 mm

II.1.3.3. Hành trình làm việc của trục Z: L_Z

Khoảng cách mà xe Z có thể dịch chuyển, bằng chiều dài của sống dẫn trục Z trừ đi chiều dài của xe Z và chiều dài gá công tắc hành trình ở 2 đầu.

L_z = 160mm

II.2. THIẾT KẾ ĐỆM KHÍ VÀ PHÂN BỐ ĐỆM KHÍ TRÊN MÁY

II.2.1. Giới thiệu về đệm khí

Không giống như đệm con lăn tiếp xúc, đệm khí sử dụng một lớp khí nén mỏng để tạo ra sự không ma sát giữa hai bề mặt phân cách. Lớp khí của đệm được tạo ra bằng cách cung cấp một lưu lượng khí vào đệm, khí qua lỗ tiết lưu chảy vào buồng hoặc phân phối theo các dạng rãnh, khi đó hình thành một phân bố áp giữa bề mặt đệm và bề mặt dẫn, tạo ra một lực nâng đệm khí lên khỏi bề mặt dẫn, khe hở giữa hai bề mặt này được gọi là khe hở khí.

II.2.2. Thiết kế và chọn đệm khí cho máy đo 3 tọa độ Mini

Hiện nay có nhiều loại đệm khí đang được sử dụng như đệm khí dạng tròn, đệm khí dạng buồng, đệm khí dạng rãnh, đệm khí xốp,… 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:

- Áp suất phân bố trên đệm khí phải đủ lớn để tạo lực nâng. Đảm bảo không có tiếp xúc cơ khí giữa sống dẫn và bề mặt đệm khí làm cho hệ số ma sát nhỏ f ≈ 0.

- Độ cứng vững cao để khi có sự thay đổi lớn của tải trọng thì khe hở sống dẫn biến thiên ít. Làm cho sai số chuyển vị của hệ đo nhỏ.

- Bên cạnh đó thì khe hở giữa bề mặt đệm khí và sống dẫn phải lớn hơn 2 lần chiều cao nhám bề mặt để đảm bảo không có sự tiếp xúc cơ khí.

II.2.2.1. Phân bố đệm khí trên máy

a. Phân bố đệm khí trên sống dẫn trục X

Hai sống dẫn trục X, mỗi sống dẫn được bố trí 6 đệm khí như hình vẽ:

Số lượng đệm khí này cũng như đặc điểm của từng đệm cố định hay điều chỉnh, lớn hay nhỏ cũng cần bố trí để cho hệ thống chỉ có một bậc tự do chuyển động dọc theo sống dẫn.

b. Phân bố đệm khí trên sống dẫn trục Y

Sống dẫn trục Y được bố trí 9 đệm khí như hình vẽ.

- 2 đệm khí ở mặt trên: (13), (14)

- 6 đệm khí ở hai mặt bên, mỗi bên 3 đệm: (15), (16), (17), (18), (19), (20)

- 1 đệm khí ở mặt dưới: (21)

Để đảm bảo xe chạy trên sống dẫn Y chỉ có một chuyển động dọc trục thì sơ đồ phân bố đệm khí phải thỏa mãn yêu cầu sau:

- 3 đệm (13) (14) (21) phải điều chỉnh được để xe không bị xoay quanh trục Y.

- 6 đệm (15) (16) (17) (18) (19) (20) phải điều chỉnh được để xe không bị xoay quanh trục Z.

Lực nâng chủ yếu ở hai đệm (13) (14), các đệm còn lại có tác dụng ổn định, đệm (21) làm tăng độ cứng vững cho hệ thống.

II.2.2.2. Tính toán, thiết kế đệm khí dạng tròn

Đệm khí có kết cấu như hình 2.7:

Khí trở R₁ tạo ra với tiết lưu d. Khí trở R₂ được tạo ra bởi một vành khăn có bán kính r₀ ¸ r_n và khe hở z. Không khí có áp suất nguồn P₀ sau khi qua khí trở R₁ chỉ còn áp suất p₁ rồi chảy qua khí trở R₂ vào môi trường. áp suất sẽ giảm dần theo bán kính r từ trong ra ngoài. Tại r=r₀ thì p=p₁; tại r=r_n thì p=0. ở đây áp suất là áp suất dư.

Khi z=¥ thì F =0 nghĩa là đệm khí mất khả năng chịu tải. Cùng một giá trị của z, a càng lớn thì F càng nhỏ.

Đến đây ta hoàn toàn xác định họ đường cong F(z) và các đặc tính của đệm khí.

Ở đây ta chọn:

Áp nguồn P₀=4kg/cm²; a=1,3; khe hở z=10mm và các thông số kết cấu:

- Bán kính vành ngoài đệm r_n=20 mm

- Bán kính vành trong đệm r₀= 10 mm

- Chiều dài lỗ tiết lưu l=2,5 mm

- Đường kính lỗ tiết lưu d₁=0,5mm

Kết cấu đệm khí được chọn có các thông số kết cấu:

Trong miền làm việc của của một đệm khí ta có độ cứng của nó là một hằng số: DF=K^*.Dz

Giả thiết có một biến thiên phụ tải DQ thì sẽ gây nên sự giảm khe hở z₁ một lượng Dz gây nên tăng lực nâng DF₁=K^*.Dz, đồng thời làm tăng khe hở z₂ một lượng Dz gây nên giảm lực nâng DF₂=K^*.Dz. Kết quả là DQ=2K^*Dz.

Với cách bố trí đệm khí trên sống dẫn trục X như đã trình bày thì độ cứng của hệ K_hệ sẽ bằng 4 lần độ cứng đệm khí trên trục X là K_{đệm X}: K_hệ = 4.K_{đệm X}

II.3. TÍNH KIỂM NGHIỆM KẾT CẤU ĐÃ CHỌN

II.3.1. Phân tích lực cho hệ thống các xe

II.3.1.1. Phân tích lực cho hệ thống xe chạy trên đệm khí của xe X

Trong quá trình di chuyển đầu đo tới vị trí đo, các đệm khí luôn chịu hai loại tải trọng là tải trọng tĩnh và tải trọng động. Tải trọng động luôn làm biến thiên khe hở làm việc của các đệm khí, điều này dẫn đến làm sai lệch vị trí của đầu đo, từ đó làm sai kết quả đo. Vì vậy, một bài toán đặt ra là làm sao hạn chế được biến thiên khe hở làm việc của các đệm khí xuống tối thiểu, từ đó làm chính xác kết quả đo. Phần trình bày sau đưa ra công thức tính biến thiên khe hở và phương pháp làm giảm chúng.

a. Sơ đồ phân bố tải trọng

Qua sơ đồ trên ta có:

Q : tải trọng tĩnh

q : tải trọng động

Q_1­ : tải trọng tĩnh đặt lên đệm khí (1) (2)

Q₂ : tải trọng tĩnh đặt lên  đệm khí (7) (8)

l : hành trình làm việc của trục Y, l = L_y= 230 mm

A : Điểm đặt lực q khi xe Y ở tận cùng bên trái

B : Điểm đặt lực q khi xe Y tận cùng bên phải

Điểm đặt lực q ở chính giữa chiều dài xe Y : 75 mm

l₂ : Khoảng cách từ 2 biên đến A, B: 145 mm   

l₁: Khoảng cách từ biên trái đến điểm đặt tải trọng tĩnh Q.

* Tải tĩnh Q gồm :

Khối lượng  xe trượt X, thanh đỡ trục Y,  sống dẫn trục Y:

Q = M_xx + M_sy

Q = 4,3 + 6,65 = 10,95 kg

Q = 10,95 kg

* Tải động q gồm:

Khối lượng của xe trượt YZ, sống dẫn trục Z + đối trọng, đệm khí trên xe Y, đệm khí trên xe Z.

q = M_yz + M_sz+ M_dy + M_dz

q = 4,6 + 1,63 + 0,9 + 1

q = 8,13 kg

b. Kiểm nghiệm đệm khí trên xe X

Mục đích: chọn độ cứng của các đệm khí theo điều kiện biến thiên kích thước khe hở z khi xe YZ di chuyển là bé nhất.

- Vị trí tận cùng bên trái của tải trọng động cách biên trái l₁ = 75mm, cách biên phải l₂ = 300mm

- Tổng trọng lượng tải trọng tĩnh là Q

- Tổng trọng lượng tải trọng động là q

- Khoảng cách giữa 2 xe trên sống dẫn trục X là l = 375mm

∆Q = 4,88 kg = 47,85 N

Khi đó biến thiên khe hở z là: ∆z = 1,29 μm

II.3.1.2. Phân tích lực cho hệ thống xe chạy trên đệm khí của xe YZ

a. Phân bố tải trọng trên xe Y

Sơ đồ lực :

Gọi Q₁ là trọng lượng của :

+ Trục Z và pittong

+ Xe Z

+8 đệm khí xe Z

Ta có : Q₁ = 51+7,85 = 58,85 (N)

Gọi Q₂ là trọng lượng xe Y bao gồm cả 9 đệm khí

Ta có : Q₂ = 22,27+8,83=31,1 (N)

b. Tính kiểm nghiệm đệm khí trên xe Y

* Tính và bố trí các đệm khí chịu tải trọng lực:

Q₁ + Q₂ = 2.N₁ – N₀ = 2.K₁. ΔZ- K₀. ΔZ

Nếu chọn 3 đệm khí giống nhau ta có K₁ =K₂ =K suy ra

Q₁ + Q₂ = K. ΔZ

K = ( Q₁ + Q₂)/ ΔZ

K = (58,85+31,1)/10

K = 9

Kiểm nghiệm 6 đệm khí ở 2 mặt bên

Q₁ : đặt tại tâm trục Z sơ đồ lực như hình vẽ

Gọi:   Khoảng cách giữa 2 tâm trục là l

Khoảng cách giữa đệm trên và dưới là a

Ta có:

Q₁.l = 2.N₁₆.a/2 + N₂₆.a/2 – 2.N₁₅.a/2 – N₂₅.a/2

Q₁.l = a.( N₁₆ +N₂₆ /2 – N₁₅ –N₂₅/2)

Mặt khác lại có :

2. N₁₆ +N₂₅ = 2.N₁₅ + N₂₆

2(K₁₆.  -K₁₅. ) = K₂₆.  -K₂₅.

2(K₁₆ -K₁₅) = K₂₆ -K₂₅

Suy ra :

Q₁.l  =a. .2.( K₁₆ -K₁₅)  = Q₁.l /(a. .2) = 58,85.0,0855/(0,035.10.2) = 7,1

Kết luận:

Có thể chọn các đệm khí giống nhau nhưng khe hở làm việc khác nhau đây là phương pháp đơn giản nhất. Hoặc chọn đệm số (15) và (17), (20) có độ cứng lớn hơn đệm (16), (18) và (19) để khe hở làm việc là như nhau (nhưng điều này khó khăn hơn).

c. Tính kiểm nghiệm đệm khí trên xe Z

Yêu cầu: Trong máy đo 3 toạ độ kiểu Đề-các chuyển vị của các trục phải theo 3 phương vuông góc x, y, z. Trong đó trục Z phải luôn chuyển vị theo phương thẳng đứng và không bị xoay quanh tâm.

Khi các đệm khí dẫn hướng cho trục Z không đủ độ cứng, chuyển động có khe hở khớp động với một lực tác dụng ngang sẽ làm trục Z nghiêng so với phương Z một góc a và khi có mômen trục Z sẽ bị xoay quanh trục của nó. Như vậy các đệm khí trên xe Z cần phải có độ cứng đủ lớn và được bố trí một cách phù hợp để chống lại hai hiện tượng nêu trên.

* Khi có lực tác dụng theo phương ngang:

Gọi:

l₁ : là khoảng cách giữa tâm hai đệm khí

l₂ : là khoảng cách từ tâm đệm dưới tới điểm đặt lực P

Ta có 2 phương trình cân bằng mômen tại tâm của đệm khí trên và phương trình cân bằng lực:

DQ₂.l₁ = P.(l₁ + l₂ )                                                      (2.33)

DQ₁+ P =DQ₂

Từ đó ta rút ra: DQ₁ = (P.l₂)/l₁ và DQ₂ = P(l₁ +l₂)/l₁

Trong đó nếu các đệm khí đều giống nhau và có cùng độ cứng K thì

ΔQ₁ = 2K.Δz₁

ΔQ₂ = 2K.Δz₂

Kết luận: Thực nghiệm đã chế tạo các đệm khí trục Z có độ cứng K= 10N/mm vì vậy đảm bảo khả năng trục trục Z nghiêng so với phương thẳng đứng một góc nằm trong giới hạn cho phép.

II.3.2. Tính độ võng – góc xoay của hai sống dẫn trục X và trục Y dưới tác dụng của tải trọng

Theo lý thuyết sức bền vật liệu, một dầm ngang phẳng chịu uốn sẽ bị uốn cong. Mà các sống dẫn trục X và trục Y là các dầm ngang phẳng chịu uốn nên cũng bị uốn cong dưới tác dụng của tải trọng đặt lên nó. Độ võng y này của các sống sẽ sinh ra sai số tỷ lệ 1:1 với số đo theo phương trục Z của máy. Vì vậy ta phải khống chế độ võng của các sống này nhỏ hơn một giá trị cho phép. Chẳng hạn ta cho độ võng lớn nhất của các sống dẫn là 1µm và với kích thước các sống dẫn đã chọn ta kiểm tra độ võng của chúng, đồng thời tìm ra chiều dầy cần thiết của thành sống dẫn.

Tại vị trí hai gối đỡ sinh ra hai phản lực N_A và N_B tác dụng lên dầm, ta có phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng:

N_A + N_B = P

- Xét mặt cắt 1 - 1: trên đoạn ( 0≤ z ≤a/2 )

- Xét mặt cắt 2 - 2: trên đoạn ( a/2 ≤ z ≤ a ),

II.3.2.1. Kiểm nghiệm độ võng của sống dẫn trục X

Ta thấy tải trọng đặt lên sống dẫn X lớn nhất khi xe X ở chính giữa sống dẫn đồng thời xe Y ở tận cùng bên trái (hoặc bên phải), khi đó độ võng là lớn nhất.

Vậy ta có các thông số lực và kích thước sau:

P = Q_max = 13,6 kg = 13,6.9,8 = 133,3 N

a = 600 mm = 0,6 m

[y] = 1µm = 10^-6 m

l = 50 mm = 0,05 m

h = 100 mm = 0,1 m

Kết luận:

Ta chọn bề dầy sống dẫn bằng 10mm thì độ võng lớn nhất Y_C= 1,04µm. Để giảm độ võng của sống dẫn ta có hai cách:

- Cách thứ nhất: tăng độ cứng của vật liệu tức là tăng môđun đàn hồi E

- Cách thứ hai: ta tăng chiều dầy của thành sống dẫn.

II.3.2.2. Kiểm nghiệm độ võng của sống dẫn trục Y

Ta thấy tải trọng đặt lên sống dẫn Y là tải trọng động Q₃ của xe trượt YZ, đối trọng, sống trượt trục Z, đệm khí trên trục Z và đệm khí trục Y. Khi tải trọng Q₃ ở chính giữa sống dẫn thì độ võng lớn nhất và cũng chính là độ võng tại vị trí đó.

Vậy ta có các thông số lực và kích thước sau:

P = q =  8,13kg = 79,67 N

a = 400 mm = 0,4 m

[y] = 1µm = 10^-6 m

l = 50mm = 0,05 m

h = 70 mm = 0,07 m

Kết luận:

Ta chọn bề dầy sống dẫn bằng 8mm thì độ võng lớn nhất là Y_{C =} 0,54 µm

II.4. ĐỐI TRỌNG TRỤC Z

Chọn phương án đối trọng dùng Xilanh – Pittông khí nén:

Trong máy đo 3 toạ độ kiểu Đề-các trục Z được dẫn hướng bởi các đệm khí có ma sát rất nhỏ, thực hiện chuyển vị theo phương thẳng đứng do đó dưới tác dụng của lực trọng trường nếu không có hãm trục Z sẽ gần như bị rơi tự do. Vì vậy, cần phải có cơ cấu đối trọng để hãm quá trình rơi của trục mà vẫn đảm bảo cho trục chuyển động nhẹ nhàng.

Phương trình cân bằng lực:              

Q = p.S                                                (2.26)

Với S là diện tích tác dụng của khí nén lên xilanh.

Dựa vào kích thước (45x45mm) và hành trình làm việc (160mm) đã thiết kế của trục Z ta chọn Pittông có đường kính Ø32mm DNC-32-160-PPV-A của hãng FESTO.

* KẾT LUẬN CHƯƠNG II

- Khả năng tải của đệm khí phụ thuộc vào áp nguồn, các thông số kết cấu đệm khí như bán kính ngoài, chiều rộng rãnh, chiều sâu rãnh và lỗ tiết lưu. Khi khe hở đệm khí giảm thì khả năng tải tăng.

- Khi có sự thay đổi tải trọng thì sự biến thiên khe hở z giảm k lần (k chính bằng tổng số đệm khí bố trí xung quanh sống dẫn so với trường hợp bố trí 1 đệm khí).

- Cách bố trí đệm khí phải đảm bảo hạn chế đủ 5 bậc tự do trên sống dẫn.

CHƯƠNG III

PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH HỆ CƠ  MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI

III.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống gồm 3 sống dẫn xe trượt chạy trên đệm khí, trên 3 sống dẫn có gắn thước kính để đọc khoảng dịch chuyển thẳng theo ba phương trục xx, yy, zz. Các sống dẫn phải đảm bảo độ thẳng – độ phẳng – độ song song giữa các mặt phẳng và độ vuông góc giữa các sống theo đúng yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra.

Điều chỉnh vuông góc cho 3 trục tọa độ và độ song song giữa các sống dẫn với bàn MAP là một nhiệm vụ hết sức quan trọng quyết định đến độ chính xác của kết quả đo.

III.2. PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH

III.2.1. Điều chỉnh độ song song của sống dẫn trục X với bàn MAP

Mỗi đầu của thanh đỡ sống dẫn X có khoét lỗ ren M6, sử dụng 2 bu lông M6 kết hợp với 2 bi nhỏ ở mỗi đầu để có thể nâng được sống dẫn X lên và điều chỉnh được bằng cách vặn bu lông.

III.2.3. Điều chỉnh độ song song của sống dẫn trục Y với bàn MAP và độ vuông góc của sống dẫn Y với sống dẫn X

- Tương tự như với sống dẫn X, ta cũng sử dụng kết cấu Bu lông + bi phía dưới gá đỡ trục Y để có thể điều chỉnh độ song song của sống dẫn Y với bàn MAP.

- Ta sử dụng Bulông M10x1 và bi để điều chỉnh tiếp xúc với sống dẫn đồng thời ở 2 đầu sống dẫn Y còn khoét rãnh (tương tự sống dẫn X) để điều chỉnh độ vuông góc của sống Y với sống X như hình.

III.2.5. Điều chỉnh độ vuông góc giữa sống dẫn trục Z so với sống dẫn Y

Tương tự như trên, để điều chỉnh được độ vuông góc của sống dẫn trục Z đối với sống dẫn Y, ta sử dụng biện pháp điều chỉnh khe hở của các đệm khí trên sống dẫn Z hoặc trên xe YZ bằng các Bu lông điều chỉnh.

Ta có sơ đồ phân bố đệm khí trên sống dẫn trục Z như hình.

II.3.  MỘT VÀI SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY ĐO 3 TỌA ĐỘ MINI

II.3.1. Sai số do chế tạo

- Độ thẳng của sống dẫn: 4µm/1000mm

- Độ phẳng của sống dẫn: 4µm/1000mm

II.3.2. Sai số do độ không vuông góc giữa 2 trục với nhau

Trong quá trình lắp đặt máy, 2 trục không vuông góc với nhau như yêu cầu thiết kế. Giả sử trục X bị lệch đi so với phương vuông góc của trục X so với trục Y một góc là ∆α như hình 3.6.

* KẾT LUẬN CHƯƠNG III:

Đã đưa ra được phương pháp căn chỉnh độ vuông góc cho các trục và độ song song của các sống dẫn với nhau và với bàn MAP của máy đo 3 tọa độ Mini. Đây là phương pháp điều chỉnh đơn giản nâng cao độ chính xác của máy. Đồng thời đánh giá một vài sai số ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả đo.

KẾT LUẬN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu máy đo 3 tọa độ, trên cơ sở kế thừa các thành quả về lý thuyết cũng như thực nghiệm các khóa trước để lại, nhóm sinh viên MCX đã bước đầu tính toán, thiết kế hệ cơ của máy đo 3 tọa độ Mini.

Tuy nhiên vẫn còn tồn tại rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu, tính toán, thiết kế và khắc phục trong thời gian tiếp theo như:

 -  Phần thiết kế mạch, lập trình điều khiển

 -  Biện pháp nâng cao chất lượng đệm khí và phương pháp chế tạo sống dẫn nhằm giảm thiểu lượng khí tiêu thụ.

 -  Các bài toán về ổn định đệm khí, tăng độ cứng và chống biến thiên khe hở.

 -  …..

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, đặc biệt là thầy giáo : PGS.TS……………… đã tận tình dạy bảo chúng em trong suốt thời gian học tập và làm đồ án tốt nghiệp.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

                                                                                                           Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…

                                                                                                         Sinh viên thực hiện

                                                                                                       ……………..

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. TS. Vũ Toàn Thắng, Luận án tiến sỹ.

[2]. PGS.TS. Nguyễn Tiến Thọ, Nguyễn Thị Xuân Bảy - Giáo trình kỹ thuật đo.

[3]. PGS.TS. Ninh Đức Tốn - Dung sai và lắp ghép

[4]. Thái Thế Hùng(chủ biên) - Sức bền vật liệu - Bài tập sức bền vật liệu

[5]. TS. Vũ Duy Quang – Thủy khí động lực ứng dụng.

[6]. Nguyễn Đức Huệ (Chủ biên) - Bài giảng vẽ kỹ thuật.

[7]. Trịnh Chất – Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy.

[8]. Nguyễn Đình Trí (Chủ biên) - Toán học cao cấp tập 1,2,3.

[9]. Phương pháp tính.

[10]. Catalog Mitutoyo.

[11]. Catalog Festo.

[12]. Catalog TPC.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"