Đánh giá hiệu suất của máy đo linh hoạt tự động bằng cách sử dụng thiết kế thử nghiệm

Tác giả: Mochos Papananias (Đại học Brunel London), Simon Fletcher (Đại học Huddersfield), Andrew Peter Longstaff (Đại học Huddersfield), Alistair Barrie Forbes (Phòng thí nghiệm vật lý quốc gia)

I. Bối cảnh và mục tiêu nghiên cứu

Trong ngành sản xuất hiện đại, yêu cầu đảm bảo chất lượng với chi phí thấp, phản hồi nhanh và giảm phế phẩm đã tạo động lực mạnh mẽ cho việc tích hợp chặt chẽ giữa gia công và kiểm tra chất lượng. Các phương pháp đo truyền thống như CMM (Coordinate Measuring Machines) tuy có độ chính xác cao nhưng không phù hợp khi triển khai trực tiếp trên sàn xưởng do yêu cầu điều kiện nhiệt độ ổn định và quy trình đo phức tạp. Điều này dẫn đến nhu cầu về các hệ thống đo linh hoạt, chính xác, có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường nhiệt độ thay đổi, nhằm rút ngắn chu kỳ kiểm tra và nâng cao thông lượng sản phẩm.

Trên cơ sở đó, bài báo tập trung đánh giá hiệu suất đo của hệ thống Renishaw Equator 300 – một máy đo linh hoạt sử dụng nguyên lý so sánh thay vì đo tọa độ tuyệt đối như CMM, thông qua thiết kế thực nghiệm có yếu tố đầy đủ. Mục tiêu là kiểm chứng khả năng lặp lại, ảnh hưởng của môi trường nhiệt độ và đánh giá hiệu năng của Equator trong hai chế độ: thăm dò tiếp điểm rời rạc và quét liên tục, trong các điều kiện thực tế trên xưởng.

II. Hệ thống đo linh hoạt Equator của Renishaw

Renishaw Equator là một máy đo linh hoạt được thiết kế để đo tại xưởng với tốc độ cao, sử dụng nguyên lý so sánh kích thước mẫu thử với một “mẫu chuẩn” đã được hiệu chuẩn trước (bằng CMM hoặc trực tiếp trên Equator). Equator có cấu trúc động học song song, giúp nó có tốc độ và độ nhạy tốt hơn trong môi trường sản xuất thực tế. Thiết bị sử dụng đầu dò quét 3 trục SP25, có thể vận hành ở cả chế độ quét và tiếp điểm rời rạc.

Máy đo hoạt động thông qua chương trình viết bằng DMIS và cho phép lựa chọn giữa hai phương pháp hiệu chuẩn:

• Golden Compare: dùng mẫu chuẩn để xác lập tham chiếu
• CMM Compare: sử dụng dữ liệu hiệu chuẩn từ máy CMM

Trong nghiên cứu này, chế độ Golden Compare được sử dụng.

III. Thiết kế thử nghiệm 1: Đo tiếp điểm rời rạc (Touch Trigger Probing - TTP)

Mục tiêu:

Đánh giá ảnh hưởng của vị trí bộ phận trong vùng đo và nhiệt độ môi trường lên độ không chắc chắn của phép đo.

Thiết lập:

• Bộ phận đo: Tấm ly hợp (inner Ø = 77 mm; outer Ø = 98.4 mm)
• Bút stylus: có đầu tiếp bằng ruby Ø2 mm, dài 21 mm

Điều kiện đo:

• 9 vị trí khác nhau trong thể tích làm việc
• 2 mức nhiệt độ: 20–22°C và 27–29°C

Tại mỗi điểm, thực hiện 20 phép đo lặp lại mà không làm chủ lại

Kết quả:

Tổng cộng: 720 phép đo (360 đường kính trong + 360 ngoài)

Sự thay đổi nhiệt độ môi trường và vị trí bộ phận có ảnh hưởng nhất định, nhưng độ không chắc chắn vẫn duy trì ở mức thấp.

Khả năng lặp lại đạt yêu cầu kỹ thuật, cho thấy hệ thống Equator duy trì được độ ổn định trong điều kiện xưởng.

IV. Thiết kế thử nghiệm 2: Đo quét (Scanning mode)

Mục tiêu:

Nghiên cứu ảnh hưởng của ba yếu tố đến độ không chắc chắn khi quét:

(A) Tốc độ quét

(B) Mật độ điểm lấy mẫu

(C) Vị trí bộ phận

Thiết lập:

Bộ phận đo: vòng RESR với 13 đặc tính (lỗ nhỏ Ø3.6mm, lỗ trung Ø6mm, vòng ngoài Ø80mm)

Tốc độ quét:

• Mức 1: 5 mm/s (lỗ nhỏ), 25 mm/s (vòng lớn)
• Mức 2: 10 mm/s và 50 mm/s
• Mức 3: 20 mm/s và 100 mm/s

Mật độ điểm:

• Mức 1: khoảng cách 0.5
• Mức 2: khoảng cách 0.1

Nhiệt độ môi trường đo: 28–29°C

Kết quả:

• Tổng cộng: 600 phép đo được thực hiện
• Tốc độ quét cao hơn dẫn đến độ không chắc chắn lớn hơn, xác nhận ảnh hưởng của yếu tố động lực học
• Mật độ điểm ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đo lường
• Equator vẫn đảm bảo khả năng đo chính xác, đặc biệt ở tốc độ trung bình và mật độ điểm cao

V. Kết luận và phân tích

Nhận định tổng quát:

Hệ thống đo Equator 300 của Renishaw cho thấy khả năng hoạt động ổn định, linh hoạt và có độ lặp lại cao trong cả hai chế độ đo – ngay cả trong điều kiện nhiệt độ xưởng biến đổi.

Thiết kế động học song song, kết hợp với nguyên lý so sánh, cho phép hệ thống đạt được tốc độ đo nhanh mà vẫn duy trì độ chính xác tốt.

Việc sử dụng thiết kế thử nghiệm nhân tố đầy đủ giúp đánh giá định lượng được ảnh hưởng của các yếu tố như vị trí bộ phận, nhiệt độ, tốc độ quét, và mật độ điểm lấy mẫu.

Đề xuất:

Nên xem xét tích hợp Equator trong các dây chuyền sản xuất cần kiểm tra liên tục, thay thế các phương pháp đo thủ công truyền thống hoặc hỗ trợ cho hệ thống CMM.

Cần thêm các nghiên cứu mở rộng để xây dựng tiêu chuẩn đo linh hoạt tự động, và phát triển thêm thuật toán bù sai số môi trường – đặc biệt trong các hệ thống hoàn toàn tự động.

Để biết thêm chi tiết về Hệ thống đo lường và Application Note hoàn chỉnh, xin vui lòng liên hệ ADGroup.