PHÒNG THÍ NGHIỆM TRỌNG ĐIỂM QUỐC GIA ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ KỸ THUẬT HỆ THỐNG – ĐHBK TP.HCM

-----oOo-----

TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY ĐO TỌA ĐỘ

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: PGS.TS. THÁI THỊ THU HÀ KS. NGUYỄN NAM KHÁNH

CÁC THÀNH VIÊN NHÓM NGHIÊN CỨU

PGS.TS. THÁI THỊ THU HÀ KS. NGUYỄN NAM KHÁNH

KS. HUỲNH THANH QUANG

NHÓM SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC:

SV. TẠ VĂN CHÍNH SV. LÊ QUANG TRỰC

VÀ CÁC ĐỒNG NGHIỆP PHÒNG THÍ NGHỆM TRỌNG ĐIỂM QUỐC GIA ĐIỀU KHIỂN SỐ

VÀ KỸ THUẬT HỆ THỐNG

NỘI DUNG BÁO CÁO

1. TỔNG QUAN

2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

3. THIẾT KẾ CƠ KHÍ

4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN

5. THIẾT KẾ PHẦN MỀM

6. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ ỨNG DỤNG

7. KẾT LUẬN

TỔNG QUAN

VỀ TAY ĐO TỌA ĐỘ

TỔNG QUAN VỀ TAY ĐO TỌA ĐỘViệc đo lường, đặc biệt là đo lường hình học; Quá trình thiết kế ngược,.. ngày càng trở nên quan trọng trong quá trình sản xuất công nghiệp. => Các thiết bị đo hiện đại, chính xác cao,… có khả năng kết hợp với máy tính.

Đo bằng máy đo tọa độ CMM

Đo bằng tay đo tọa độ

TỔNG QUAN VỀ TAY ĐO TỌA ĐỘ

Tay đo tọa độ đầu tiên

Ngày 18 tháng 4 năm 1974:Homer Eaten phát minh tay đo đầu tiên (số hiệu 3,994,798)

Tay đo dùng để số hóa khung sườn chi tiết mẫu và thiết kế ngược

Dùng tay đo để xây dựng bề mặt từ các mô hình

ỨNG DỤNG CỦA TAY ĐO TỌA ĐỘ

ƯU ĐIỂM CỦA TAY ĐO

• Gọn nhẹ, cơ động, dễ dàng di chuyển.

• Giá thành phù hợp.

• Kết cấu cơ khí linh hoạt giúp đầu dò tiếp cận với bề mặt có biên dạng phức tạp.

•Không yêu cầu gá đặt chuyên dụng.

NHƯỢC ĐIỂM CỦA TAY ĐO

• Độ chính xác không cao

• Tăng độ chính xác và vùng hoạt động sẽ làm tăng đáng kể giá thành.

•Không có chức năng tự động kiểm tra hàng loạt.

MỘT SỐ DẠNG TAY ĐO TRÊN THỊ TRƯỜNG

Tay đo của Microscribe

Tên thiết bị Tầm hoạt động Độ chính xác Giá thành

MicroScribe G2 127 cm 0.38 mm $ 4,495

MicroScribe G2X 127 cm 0.23 mm $ 5,995

MicroScribe G2L 167 cm 0.43 mm $ 5,995

MicroScribe G2LX 168 cm 0.30 mm $ 6,495

Tay đo của FARO

MỘT SỐ DẠNG TAY ĐO TRÊN THỊ TRƯỜNG

Gía của các tay đo dạng này khoảng:từ 40.000 đến 85.000 USD

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Bề mặt đo Cảm biến đo gócMáy tính tiếp nhận,

xử lý, hiện thị kết quả

CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA TAY ĐODẠNG TIẾP XÚC

TAY ĐO TỌA ĐỘ

PHẦN MỀM

PHẦN NHẬN TÍN HIỆU CHUYỂN VỊ

HỆ THỐNG ĐẦU DÒ

KẾT CẤU CƠ KHÍ

PHẦN CỨNG

PHẦN BÀN ĐẠP LẤY TÍN HIỆU

MÁY TÍNH VÀ CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI

PHẦN MỀM XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỂM

THIẾT KẾ CƠ KHÍTAY ĐO TỌA ĐỘ

KHẢ NĂNG THIẾT BỊ

- Tay đo có khả năng đo được toàn bộ bề mặt vật có kích thước 200x200x200mm.

- Độ chính xác là 0.5mm.

- Kích thước nhỏ gọn (có khả năng cơ động cao).

CÁC DẠNG KẾT CẤU TAY ĐO

Thiết bị đo tay máy dạng trụ Thiết bị đo tay máy dạng cầu Thiết bị đo tay máy dạng SCARA

Thiết bị đo tay máy dạng người

MỘT SỐ TAY ĐO DẠNG NGƯỜI

Tay đo có kết cấu 2-2-2 Kiểu tay có kết cấu 2-1-3 Tay đo có kết cấu 2-2-3

Tay đo có kết cấu 2-1-2

LỰA CHỌN KẾT CẤU TAY ĐO

Nhóm nghiên cứu chọn kiểu thiết kế tay đo dạng người kiểu 2-1-2. Với 5 bậc tự do, đủ điều kiện để xác định vì trí và hướng của vật thể trong không gian:-Linh động-Kích thước nhỏ gọn-Chi phí thấp

Tay đo dạng người có kết cấu 2-1-2

PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC TAY ĐO

ɸ

ɸɸ

ɸ

ɸ

Sơ đồ động học tay đo

BẢNG THÔNG SỐ DENAVITE- HARTENBERG

TÍNH TOÁN TỌA ĐỘ ĐIỂMMa trận tổng quát tại một khâu bất kỳ

Ma trận thuần nhất tại các khớp của tay đo

TÍNH TOÁN TỌA ĐỘ ĐIỂMMa trận chuyển vị tổng hợp

Nhân các ma trận trên theo công thức trên ta có

q: là vector phần tử chuyển vị quay của các khớpp: là vector định vịn, s, a: là vector chỉ phương của phần công tác, cũng chính là vector đơn vị của trục tọa độ

TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC MỖI KHÂUTa xác định kích thước bằng việc mô phỏng không gian hoạt động của tay đo bằng phần mềm Matlab.

Vùng không gian hoạt động

Với các kích thước trên ta có thể đưa tay đo đến hầu hết các điểm trong không gian đo

YÊU CẦU THIẾT BỊ SAU KHI CHẾ TẠOThiết bị khi làm việc phụ thuộc vào tay người đo di chuyển đến các vị trí cần xác định, nên có các yêu cầu sau: - Nhẹ - Bền - Ít giản nở nhiệt, biến dạng,… => Nhôm 7057

Các nguyên vật liệu có sẵn trên thị trường để có thể thay thế và bảo trì

MỘT SỐ LINH KIỆN TIÊU CHUẨNEncoder : Hãng: Sony Magnescale Inc- Nhật Bản Loại: MAGNETIC ROTARY ENCODER RE90B-2048C Độ phân giải: 2048 xung/vòngĐường kính: 35 mmChiều dài: 25mmDạng lỗ đường kính 8mm

Các ổ bi tiêu chuẩn:Hãng: Misumi- Nhật BảnLoại: BARB6800ZZ-20 BARB6901ZZ-25 BASC6202ZZ-35

BẢN VẼ LẮP TAY ĐO

BẢN VẼ KHỚP 1

BẢN VẼ KHỚP 2&3

BẢN VẼ KHỚP 4

BẢN VẼ KHỚP 5

KẾT QUẢ SAU KHI THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG

MẠCH ĐIỆN TAY ĐO TỌA ĐỘ

YÊU CẦU MẠCH ĐIỆNMạch điện có chức năng nhận tín hiệu chuyển vị từ Encoder chuyển đến IC trung tâm và truyền tín hiệu vào máy tính.Mạch gồm 3 khối chính:• Khối nguồn• Khối đọc tín hiệu từ encoder rồi gửi về IC master• Khối giao tiếp với máy tính• Ngoài ra còn có các khối phụ như: khối nút nhấn, khối nạp

SƠ ĐỒ KHỐI QUAN HỆ DỮ LIỆU TRONG MẠCH ĐIỆN

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỆN

V C C

VC C _ U S B

A 1 -

Q E A 1

Q E B 5

B4 +

EN C O _ LE D _ A 5

LE DE N C O _ A 5 _ R

12 0

EN C O _ LE D _ A 3

LE D

A 1 +

E N C O _ LE D _ B2

LE D

P O _ 78 0 5

L M7 8 05

1

2

3IN

GN

D

O U T

V C C

A 2 +

PGC Q

EA4

R D 5

MC L R

V C C

Q E B 2

EN C O _ LE D _ B 5

LE D

E N C O _ B4 _ R 268 0

E N C O _ A 4 _ R

12 0

EN C O _ LE D _ A 1

LE D

V C C _U S B

QEI1E N C O _ L E D _ A _R 2

R

V C C

V C C

E N C O D E R _ B 5

75 1 7 6

12345

678

R/R ED E

DG N DABVC C

QEI3

A 3 -

E N C O _ L E D _ B _R 2

B 3 -

M C LR

I C S P _U S B12345

E N C O _L E D _ B _ R 1

D +

O S C 2

VC C _U SB

MC

LR

QEI2 V C C

V C C

E N C O _ LE D _ A4

LE D

E N C O _ B 3 _ R 268 0

EN C O _ B 5 _ R

12 0

EN C O _A 3 _ R

12 0

U S B _ P O W E R _ L E D _R2 20

R _ LE D 510 0

E N C O _L E D _ B _ R 5

VC C

E N C O D E R _ B 4

75 1 7 6

12345

678

R/R ED E

DG N DABVC C

E N C O _ LE D _ B4

LE D

V C C

Q E A 2

U 1

PI C 1 8F 45 5 0 TQ F P

123456789

1 01 1

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

2324252627282930313233

3435363738394041424344

R C 7 /R X/ D T/ SD OR D 4 /S P P 4R D 5 /S P P 5 /P 1 BR D 6 /S P P 6 /P 1 CR D 7 /S P P 7 /P 1 DVS SVD DR B 0 / AN 1 2 / I N T0 /F L T0 /S D I / S D AR B 1 / AN 1 0 / I N T1 /S C K /S C LR B 2 / AN 8 / I N T2/ V MOR B 3 / AN 9 /C C P 2 (1 )/ V P O

NC

/IC

CK

(2)/

ICPG

C(2

)N

C/I

CD

T(2

)/IC

PGD

(2)

RB

4/A

N11

/KBI

0/C

SSPP

RB

5/K

BI1

/PG

MR

B6/

KB

I2/P

GC

RB

7/K

BI3

/PG

DM

CLR

/VPP

/RE

3R

A0/

AN

0R

A1/

AN

1R

A2/

AN

2/V

RE

F-/

CVR

EFR

A3/

AN

3/V

RE

F+

R A 4 /T0 C K I /C 1 O U T /R C VR A 5 / A N 4 /S S / H LV D I N /C 2 O U T

R E 0/ A N 5 / C K1 S PPR E 1/ A N 6 / C K2 S PP

R E 2 / AN 7 / O E S P PV D DV S S

O S C 1/ C LK IO S C 2 / C L K O /R A 6

R C 0 /T1 O S O /T1 3C K IN C / IC R S T(2 )/ I C VP P (2 )

NC

/IC

PO

RT

S(2)

RC

1/T

1OS

I/C

CP

2(1)

/UO

ER

C2/

CC

P1/

P1A

VUSB

RD

0/SP

P0

RD

1/SP

P1

RD

2/SP

P2R

D3/

SPP3

RC

4/D

-/VM

RC

5/D

+/V

PR

C6/

TX

/CK

EN C O _ B 5 _ R 168 0

EN C O _ A 5 _ R 268 0

V C C _ U S B

B2 -

QEI4

V C C

M C L R

PG D

QE

B5

EN C O _ LE D _ B 1

LE D

EN C O _ A 1 _ R 268 0

E N C O _ A4 _ R 168 0

PO _ C 12 2u F

E N C O _ LE D _ A2

LE D

B 1 -

M_ U S B _ SW 1

re s e t

E N C O D E R _ B 2

75 1 7 6

12345

678

R/R ED E

DG N DABVC C

QEI5

B 3 +

P O _ C 3

22 p F

EN C O _ LE D _ B 3

LE D

V C C

V C C

R D 4

A 4 -

ICSP

E N C O _ B 4 _ R

12 0E N C O _ L E D _ B _R 4

P O _ J 1

D C J A C 12 V

12

Q E A 4

E N C O _ B 2 _ R

12 0

Q E I 2

C O N 10 AP

1 23 45 67 89 1 0

QEB

3

O S C 1

E N C O D E R _ A 3

75 1 7 6

12345

678

R/R ED E

DG N DABVC C

V C C

Q E B 1

D+

QEA

5

V C C

B 5 -

E N C O _ A2 _ R 168 0

Q E A 5

E N C O _ A 3 _ R 168 0

E N C O D E R _ A 2

75 1 7 6

12345

678

R/R ED E

DG N DABVC C

E N C O _ B 3 _ R

12 0EN C O _ L ED _ B _R 3

E N C O D E R _ B 1

75 1 7 6

12345

678 R

/R ED E

DG N DABVC C

U S B _ PO W E R _ C APC A P

V C C

EN C O _ B 5 _ R 268 0

O S C _U S B _ C 115 p F

Q E A 2

EN C O _ B 1 _ R 168 0

B4 -

V C C

EXP

V C C

D -

EN C O _ B 1 _ R

12 0E XP

C O N 10 A

1 23 45 67 89 1 0

V C C _ U S B

V C C _U S B

Q E B 1

E N C O _ L E D _ A _R 4R

C R Y S TAL _ U S B

20 M

E N C O _ B 3 _ R 168 0

E N C O _ B4 _ R 168 0

E N C O _ A4 _ R 268 0

E N C O D E R _ A 5

75 1 7 6

12345

678

R/R ED E

DG N DABVC C

A 5 +

Q E I 1

C O N 10 AP

1 23 45 67 89 1 0

V C C

EN C O _ A 1 _ R 168 0

Q E I 3

C O N 10 AP

1 23 45 67 89 1 0

EN C O _ B 1 _ R 268 0

U S B _ C 3

0. 1 U F

QEA

3

R D 5

U S B_ C 2

0 . 1 U F

O S C 1

D-

USB

V C C

E N C O _ A 3 _ R 268 0

E N C O D E R _ A 1

75 1 7 6

12345

678

R/R ED E

DG N DABVC C

V C C

EN C O _ A2 _ R

12 0

EN C O _ L ED _ A _R 3R

EN C O _ A 5 _ R 168 0

U S B _ P O W E R _ L E DPo w e rLE D

E N C O _L E D _ A _ R 5R

E N C O _L E D _ A _ R 1R

E N C O D E R _ A 4

75 1 7 6

12345

678

R/R ED E

DG N DABVC C

Q E B 2

B 5 +

VC C

PO _ C 4

10 4

B 1 +

Q E I 5

C O N 10 AP

1 23 45 67 89 1 0

V C C

A 4 +

B2 +

L E D 5

VC C

V C C

A 2 -

A 5 -

O S C 2

E N C O _ B2 _ R 168 0

E N C O _ B2 _ R 268 0

PG C

Q E A 1

V C C

V C C

O S C _U S B _ C 215 p F

V C C _ U S B

A 3 +

V C C

QEB

4

PGD

R D 4Q E A 3

E N C O _ A2 _ R 268 0

P O _ C 210 4

POWER

M_ U S B _ R8K 2

E N C O D E R _ B 3

75 1 7 6

12345

678

R/R ED E

DG N DABVC C

E N C O _ A 1 _ R

12 0

U S B _ C 147 0 n

MI N I U S B TY P E B

U S B

12345

Q E I 4

C O N 10 AP

1 23 45 67 89 1 0

Q E B 3

Q E B 4

VC C _U S BV C C _U S B

KẾT QUẢ CỦA MẠCH ĐIỆN

Mạch đọc tín hiệu chuyển vị và giao tiếp máy tính

PHẦN MỀM

TAY ĐO TỌA ĐỘ

YÊU CẦU ĐỐI VỚI PHẦN MỀM• Hiển thị điểm lên màn hình tương ứng, cho phép người dùng Scale, Rotate , Pan đối tượng, lưu trữ tọa độ điểm…

• Đo được các kích thước: khoảng cách, góc, tọa độ điểm,…

• Chuyển đổi tọa độ

• Chế độ nạp điểm tự động, bằng tay

GIAO DIỆN PHẦN MỀM

CÁC CHỨC NĂNG PHẦN MỀMQuét liên tục

Chuyển đổi đơn vị

Quét bề mặt

Chuyển hệ tọa độ

CÁC CHỨC NĂNG ĐO VÀ KIỂM TRA

Đo kích thước: Đo khoảng cách giữa 2 điểm

Đo góc:Đo góc giữa hai mặt phẳng

SO SÁNH VỚI PHẦN MỀM CỦA HÃNG EMERSON

CHỨC NĂNG CHÍNH1. Autoscan2. Scanplanes3. Reference 4. Frame5. Format String

ĐIỂM HẠN CHẾ:-Không có được khả năng hiển thị trực quan và các hiệu ứng đồ họa đối với dữ liệu từ cánh tay đo.

-Không có chức năng đo kiểm tra các kích thước: khoảng cách, góc,..

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ ỨNG DỤNG

CỦA ĐỀ TÀI

KẾT QUẢ ĐỀ TÀI

XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÍNH XÁCSử dụng các căn mẫu có kích thước chuẩn biết trước và gá trên bàn máp có độ chính xác cao của hãng Mitutoyo – Nhật Bản.

(a) Bộ căn mẫu; (b) Bàn máp của hãng Mitutoyo – Nhật.

XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÍNH XÁCSỬ DỤNG CĂN MẪU 100mm SAI SỐ 0.11µm

Lần đo Kết quả

1 100.25

2 100.12

3 100.19

4 100.31

5 100.03

6 100.30

7 100.25

8 100.22

9 100.18

10 100.19

Công thức xác định sai số theo phương pháp 3ϭ

X = 100,204 ± 0,2385

SO SÁNH VỚI MÁY MICROSCRIBE G2X ĐO CĂN MẪU 100mm SAI SỐ 0.11µm

Công thức xác định sai số theo phương pháp 3ϭ

X = 100,40851 ± 0.129391

LẦN ĐO KẾT QUẢ

1 100.5449

2 100.4059

3 100.4008

4 100.4345

5 100.4059

6 100.3376

7 100.4377

8 100.3711

9 100.3758

10 100.3709

ỨNG DỤNG PHỦ LƯỚI BỀ MẶT

SO SÁNH VỚI THIẾT BỊ MICROSCRIBE G2X

Thiết bị MicroScribe G2XĐộ chính xác: 0.23mm

Sản phẩm đề tài

ỨNG DỤNG ĐO CHIỀU CAO

Đo chiều cao bằng thước đo cao của hãng Mitutoyo (54,74 mm)

Khoảng cách (54,76mm)

ỨNG DỤNG ĐO ĐO GÓC

Mặt phẳng thẳng đứng và mặt vát (42,1648 0)

Mặt phẳng vát và mặt phẳng nằm ngang (47,5431 0)

ĐO GÓC BẰNG MÁY SCAN VIVID 910D (ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÁY: 0.08mm)

Mặt thẳng đứng và mặt vát (42,25890) Mặt vát và mặt nằm ngang (47,64580)

SO SÁNH ĐO GÓC VỚI MÁY SCAN VIVID 910D

Mặt thẳng đứng và mặt vát (42,25890)

Mặt vát và mặt nằm ngang (47,64580)

Mặt thẳng đứng và mặt vát (42,1648 0)

Mặt vát và mặt nằm ngang (47,5431 0)

KẾT LUẬN VÀ

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

KẾT LUẬNThông qua đề tài nhóm nghiên cứu chế tạo được thiết bị đo tọa độ: - Phạm vi hoạt động 1270 mm - Độ chính xác là 0.5mm- Hiển thị điểm lên màn hình, cho phép người dùng phóng to, thu nhỏ, quay, dịch chuyển đối tượng, lưu trữ tọa độ điểm…- Đo khoảng cách, đo góc, xác định tọa độ điểm, chuyển đổi tọa độ, chế độ nạp điểm tự động, bằng tay…

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀITiếp tục phát triển sản phẩm để có thể thương mại hóa sản phẩm.

Nghiên cứu hạn chế sai số của thiết bị.

Mở rộng khả năng đo và kiểm tra thành thiết bị đo và kiểm tra đa năng.

Phát triển dòng máy đo có kích thước lớn hơn

Tiếp tục phát triển sản phẩm ở những dòng thiết bị đo không tiếp xúc: laser, siêu âm…