Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu đo biên dạng 3d của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu tr...

Tài liệu Nghiên cứu đo biên dạng 3d của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc

.PDF
158
272
148

Mô tả:

MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................. 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ 4 DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ 6 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 9 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................... 9 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. .......................................................... 10 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................. 10 4. Các đóng góp mới của luận án ................................................................................ 11 5. Nội dung luận án ..................................................................................................... 12 6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 13 CHƯƠNG 1 ......................................................................................................................... 14 TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC .................... 14 1.1. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc ................................. 14 1.2. Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lường biên dạng 3D .................................................................................................................................... 18 1.2.1. Nguyên lý phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc .............. 18 1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc ......................................................... 19 1.2.3. Hệ chiếu mẫu vân sáng ...................................................................................... 27 1.2.4. Hệ thu ảnh vân ................................................................................................... 29 1.3. Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc. ....... 31 1.3.1. Hệ thống đo biên dạng 3D của Srinivasan ........................................................ 32 1.3.2. Hệ thống đo biên dạng 3D của Toyooka và Iwaasa .......................................... 34 1.3.3. Hệ thống đo biên dạng 3D của Hu .................................................................... 35 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước............................................................... 38 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................... 38 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................... 43 1.5. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án................................................................ 45 CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 47 PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC GỠ PHA .................................... 47 1 2.1. Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha ..................................................... 47 2.1.1. Cơ sở phương pháp dịch pha ............................................................................. 47 2.1.2. Đo lường biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha ........................................ 49 2.1.3. Các thuật toán dịch pha. .................................................................................... 53 2.1.4. Các phương pháp gỡ pha ................................................................................... 56 2.1.5. Đặc điểm phương pháp dịch pha ....................................................................... 59 2.2. Nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray để tăng độ chính xác gỡ pha trong phương pháp dịch pha. .......................................................................................................................... 59 2.2.1. Phương pháp mã hóa Gray ................................................................................ 59 2.2.2. Nghiên cứu phương pháp gỡ pha bằng mã hóa Gray trong phương pháp dịch pha. .............................................................................................................................. 62 2.3. Xác định tọa độ điểm đo trong phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha. .................................................................................................................................. 67 2.3.1. Nguyên lý tam giác lượng trong xác định tọa độ điểm đo [31]......................... 67 2.3.2. Xây dựng phương pháp xác định tọa độ điểm đo .............................................. 70 2.4. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn .......................................................................... 73 2.4.1. Phương pháp hiệu chuẩn camera ....................................................................... 73 2.4.2. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn hệ thống camera và máy chiếu ................. 74 2.5. Kết luận chương ....................................................................................................... 76 CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................... 78 CƠ SỞ XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG PHƯƠNG PHÁP DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA ............................................................... 78 3.1. Xây dựng cơ sở tính toán thiết kế cụm cảm biến ..................................................... 78 3.1.1. Xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến ............................................. 79 3.1.2. Xác định vị trí và tính toán lựa chọn camera và máy chiếu .............................. 80 3.2. Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo. ...................................................................... 81 3.2.1. Giải thuật tạo mẫu ảnh chiếu ............................................................................. 82 3.2.2. Thuật toán xử lý dữ liệu ảnh .............................................................................. 88 3.2.3. Thuật toán xác định đám mây điểm đo.............................................................. 92 3.2.4. Thuật toán hiệu chuẩn hệ thống......................................................................... 96 3.3. Đánh giá các sai số ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo .................................... 98 3.3.1. Ảnh hưởng sơ đồ bố trí cụm cảm biến đến độ chính xác [31] .......................... 99 2 3.3.2. Ảnh hưởng độ chính xác pha đến độ chính xác phép đo ................................. 101 3.3.3. Ảnh hưởng quang sai đến độ chính xác........................................................... 103 3.4. Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL – 1 ............................................. 105 3.4.1. Tính toán thiết kế cụm cảm biến ..................................................................... 105 3.4.2. Xác định cấu hình hệ thống điều khiển ........................................................... 107 3.4.3. Xây dựng thuật toán điều khiển ....................................................................... 108 3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 109 CHƯƠNG 4 ....................................................................................................................... 110 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................... 110 4.1. Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - 1 ........................................................... 110 4.2. Tạo mẫu ảnh chiếu .................................................................................................. 112 4.3. Hiệu chuẩn đặc tính quang của cụm cảm biến ....................................................... 116 4.3.1. Hiệu chuẩn sự phân bố cường độ sáng của máy chiếu. ................................... 116 4.3.2. Hiệu chuẩn màu cho cảm biến ......................................................................... 121 4.3.3. Hiệu chuẩn cường độ sáng ảnh xám ................................................................ 121 4.3.4. Hiệu chuẩn thiết bị thực nghiệm STL – 1 sử dụng ô vuông bàn cờ ................ 124 4.4. Xác định độ chính xác thiết bị đo ........................................................................... 126 4.4.1. Khảo sát độ phân giải cơ sở ............................................................................. 126 4.4.2. Đo mẫu trụ chuẩn ............................................................................................ 129 4.4.3. Đo mẫu khối cầu chuẩn ................................................................................... 132 4.5. Một số kết quả thử nghiệm trên thiết bị STL - 1 .................................................... 134 4.5.1. Kết quả đo tại một phương chiếu .................................................................... 134 4.5.2. Ảnh mô phỏng dữ liệu quét khi quét toàn bộ vật thể sử dụng 6 phương chiếu135 4.5.3. Ứng dụng thiết bị trong lĩnh vực an ninh ........................................................ 137 4.6. Kết luận chương 4 .................................................................................................. 138 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 139 KIẾN NGHỊ....................................................................................................................... 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 141 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 150 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 151 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2D Không gian 2 chiều 3D Không gian 3 chiều CNC Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính) I(x, y) Cường độ sáng tại điểm (x,y) I0(x, y) Cường độ sáng thành phần nền Imod(x, y) Biên độ tín hiệu điều chế ∅(x, y) Thành phần pha θ Hằng số dịch pha u Phương ngang cảm biến ảnh v Phương dọc cảm biến ảnh α Góc nghiêng hai phương u, v k1, k2, k3, k4, k5 Hệ số đặc trưng quang sai fx Tiêu cự theo trục x fy Tiêu cự theo trục y R Ma trận quay T Ma trận chuyển vị X(C) Y( C) Z(C) Hệ tọa độ camera XYZ Hệ tọa độ máy X(P) Y( P) Z(P) Hệ tọa độ máy chiếu N Số bước dịch pha n Số ảnh trong phương pháp dịch pha p Chu kì sin mẫu chiếu dịch pha Ф (x, y) Pha tuyệt đối L Khoảng cách hệ tâm camera và máy chiếu với mặt phẳng tham chiếu d Khoảng cách tâm camera và máy chiếu CCD Cảm biến camera DMD Cảm biến máy chiếu IP Cường độ mẫu ảnh chiếu theo tỷ lệ ảnh xám (IP = 0 ÷255) IC Cường độ mẫu ảnh chụp theo tỷ lệ ảnh xám (IC = 0 ÷255) 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường ...................... 17 Bảng 2 Giá trị mã hóa bit trên mẫu chiếu Gray .............................................................................. 65 Bảng 3 Mã hóa bit trên mẫu ảnh chiếu Gray. ............................................................................... 112 Bảng 4 Ảnh hưởng cường độ và chu kì trong phương pháp dịch pha. .......................................... 119 Bảng 5 Kết quả xác định ảnh pha .................................................................................................. 120 Bảng 6 Kết quả hiệu chuẩn thiết bị................................................................................................ 125 Bảng 7 Kết quả đo chi tiết trụ chuẩn ............................................................................................. 131 Bảng 8 Kết quả đo chi tiết cầu chuẩn ........................................................................................... 133 5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. ................................................. 14 Hình 1.2 Thiết bị đo biên dạng 3D SLS-1 đo tuốc bin động cơ máy bay [18] ................................ 15 Hình 1.3 Ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc trong gia công cơ khí [5] .......... 15 (a) Đo chi tiết cơ khí; b) Đo khuôn nhựa ......................................................................................... 15 Hình 1.4 Ứng dụng thiết kế và đo lường ánh sáng cấu trúc trong công nghiệp sản xuất ô tô [44] 16 Hình 1.5 Một số ứng dụng của thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ............................................ 16 Hình 1.6 Xác định độ cao điểm đo [61] .......................................................................................... 19 Hình 1.7 Mẫu mã nhị phân [61] ...................................................................................................... 20 Hình 1.8 Mã hóa cấp độ xám cho hình ảnh 3D với N= 3, M= 3 mô hình tối ưu hóa trong không gian Hilbert [114] ............................................................................................................................ 20 Hình 1.9 Phương pháp dịch pha 3 bước [61] ................................................................................. 21 Hình 1.10 Camera cầu vồng 3D [132] ............................................................................................ 21 Hình 1.11 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [61] ........................................................... 22 Hình 1.12 Đánh dấu đường bằng cách sử dụng màu sắc [61]........................................................ 22 Hình 1.13 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69] ....................................................... 23 Hình 1.14 Mẫu chiếu các đường lặp đi lặp lại mẫu mức xám [61] ................................................ 23 Hình 1.15 Mô tả dãy De Bruijn [110] ............................................................................................. 24 Hình 1.16 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65] .................................................... 24 Hình 1.17 Mảng 31 x 33 PRBA với kích thước cửa sổ phụ 5x 2 [48] ............................................. 25 Hình 1.18 Mô hình mã nhỏ [84] ...................................................................................................... 25 Hình 1.19 Mô hình lưới màu sắc [2] ............................................................................................... 26 Hình 1.20 Mô hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85] ............................................................. 26 Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu LCD ................................................................. 27 Hình 1.22 (a) Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP; (b) Cấu tạo điểm ảnh trên chip DMD [28] .......................................................................................................................................................... 28 Hình 1.23 So sánh chất lượng hình ảnh tạo ra bởi máy chiếu LCD và DLP .................................. 29 Hình 1.24 Cấu tạo cảm biến ảnh CCD ............................................................................................ 30 Hình 1.25 Phần tử điểm ảnh không lý tưởng................................................................................... 30 Hình 1.26 Ảnh không có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b) ..................................................... 31 Hình 1.27 Mô hình toán học cho sơ đồ bố trí tổng quát[135]. ....................................................... 31 Hình 1.28 Hệ thống SMFP và mô hình toán học của Srinivasan [113] .......................................... 33 Hình 1.29 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP của Toyooka và Iwaasa .................................... 34 Hình 1.30 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP do Hu đề xuất.................................................... 36 Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D bằng phương pháp chiếu mẫu vân .............................. 38 Hình 1.32 Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ................................................................................... 41 Hình 2.1 Phương pháp dịch pha trong giao thoa Twyman – Green [17] ....................................... 48 6 Hình 2.2 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha ....................................................... 49 Hình 2.3 Nguyên lý xác định độ cao điểm đo trên chi tiết............................................................... 51 Hình 2.4 Quá trình đo chi tiết sử dụng phương pháp dịch pha ....................................................... 52 Hình 2.5 Mẫu chiếu dạng mã Gray. ................................................................................................ 60 Hình 2.6 Quá trình đo theo phương pháp Gray. ............................................................................. 61 a) Ảnh chụp chi tiết đo, b) ảnh pha theo hai phương; c) ảnh mô phỏng điểm đo 3D ...................... 61 Hình 2.7 Mẫu chiếu sin với chu kì 32 điểm ảnh .............................................................................. 63 Hình 2.8 Phân bố cường độ sáng trên 4 chu kì đầu của mẫu chiếu ................................................ 63 Hình 2.9 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray 8 bit .................................................. 64 Hình 2.10 Sơ đồ khối quá trình đo sử dụng phương pháp kết hợp dịch pha và mã hóa Gray ........ 65 Hình 2.11 Xác định pha trong phương pháp kết hợp ...................................................................... 66 Hình 2.12 Sơ đồ mô hình toán học cho thiết bị [31]. ...................................................................... 67 Hình 2.13 Sơ đồ hình học xác định độ cao điểm đo ........................................................................ 68 Hình 2.14 Sơ đồ xác định đám mây điểm đo ................................................................................... 71 Hình 2.15 Phương pháp xác định đường vuông góc chung của 2 đường thẳng chéo nhau ............ 72 Hình 2.16 Xác định tọa độ 3D của điểm M ..................................................................................... 72 Hình 2.17 Ô vuông bàn cờ theo phương pháp hiệu chỉnh Tsai [14] ............................................... 73 Hình 2.18 Sơ đồ hệ thống phát và thu ánh sáng cấu trúc................................................................ 75 Hình 2.19 Quy ước hệ tọa độ gốc trên ảnh của camera và máy chiếu ............................................ 75 Hình 2.20 Nguyên lý hiệu chuẩn hệ thống ánh sáng cấu trúc ......................................................... 76 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý máy đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc. .................................................. 78 Hình 3.2 Sơ đồ xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến.................................................... 79 Hình 3.3 Sơ đồ bố trí camera và máy chiếu .................................................................................... 80 Hình 3.4 Sơ đồ xử lý tín hiệu đo ...................................................................................................... 81 Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán tạo mẫu ảnh Gray ............................................................................... 84 Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán tạo mẫu ảnh sin ................................................................................... 85 Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán chiếu và chụp ảnh trong quá trình đo ................................................. 87 Hình 3.8 Giao diện phần mềm tạo ảnh mẫu chiếu và điều khiển quá trình chiếu chụp .................. 87 Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán giải mã phương pháp mã hóa Gray ...................................................... 89 Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán xác định pha tương đối trong phương pháp dịch pha ......................... 90 Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán xác định pha tuyệt đối ......................................................................... 91 Hình 3.12 Giao diện phần mềm của thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.................. 92 Hình 3.13 Phép đo sử dụng tam giác lượng giao điểm của đường thẳng và đường thẳng ............. 92 Hình 3.14 Trung điểm p1,2(λ1,λ2) với giá trị bất kỳ (hình trái) của λ1,λ2 .......................................... 93 và với giá trị tối ưu (hình phải) ........................................................................................................ 93 Hình 3.15 Sơ đồ thuật toán xác định đám mây điểm đo theo phương pháp hai đường thẳng giao nhau .................................................................................................................................................. 95 Hình 3.16 Giao diện phần mềm chương trình hiệu chuẩn thiết bị .................................................. 96 7 Hình 3.17 Sơ đồ thuật toán hiệu chuẩn thiết bị dùng mẫu in ô vuông bàn cờ ................................ 97 Hình 3.18 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống ΔL/L tới ΔZL/ΔZ ............................................... 100 Hình 3.19 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống Δd/d tới ΔZd/ΔZ ................................................ 100 Hình 3.20 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống Δα/α tới ΔZα/ΔZ với k là hằng số .................... 101 Hình 3.21 Hình trụ độ không đảm bảo đo của điểm đo ................................................................ 104 Hình 3.22 Sơ đồ bố trí camera và máy chiếu ................................................................................ 106 Hình 3.23 Sơ đồ khối nguyên lý cấu tạo hệ thống điều khiển thiết bị đo STL – 1 ......................... 107 Hình 3.24 Sơ đồ thuật toán điều khiển động cơ ............................................................................ 108 Hình 4.1 Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 1...................................................................... 110 Hình 4.2 Hệ thống điều khiển cho thiết bị đo ................................................................................ 111 Hình 4.3 Giao diện phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu đo....................................................... 112 Hình 4.4 Các mẫu chiếu mã hóa Gray. ......................................................................................... 113 ........................................................................................................................................................ 114 Hình 4.5 Các mẫu chiếu sin dùng trong phương pháp dịch pha ................................................... 114 Hình 4.6 Biểu đồ phân bố cường độ sin của các điểm ảnh dùng cho phương pháp dịch pha ...... 115 Hình 4.7 Biểu đồ biến thiên cường độ 4 bước dịch pha ................................................................ 116 Hình 4.8 Hình ảnh chụp được từ camera khi chiếu mẫu lên bảng trắng. ..................................... 117 Hình 4.9 Cường độ điểm ảnh phân bố trên không gian chiếu trên các đường (a), (b), (c), (d) .... 117 Hình 4.10 Ảnh hưởng sự phân bố cường độ sáng cụm cảm biến đến chất lượng vân chiếu mã Gray ........................................................................................................................................................ 118 Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện tương quan màu của hệ cảm biến thiết bị .......................................... 121 Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ sáng mẫu chiếu và cường độ sáng ảnh thu được của cảm biến ........................................................................................................................................................ 122 Hình 4.13 Đồ thị xác định khoảng cường độ chiếu sáng tối ưu .................................................... 123 Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ chiếu sáng sau hiệu chuẩn ................................................... 123 Hình 4.15 Xác định các góc ô vuông và ảnh pha cho bảng in ô vuông bàn cờ ............................. 124 Hình 4.17 Hình ảnh thể hiện sự phân bố điểm đo khi đo mặt phẳng ............................................ 129 Hình 4.18 Kết quả các kích thước đo mẫu trục chuẩn trên máy CMM ........................................ 130 Hình 4.19 Hình ảnh mô phỏng chi tiết trụ đo được ....................................................................... 130 Hình 4.20 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ phân giải cơ sở và khoảng dịch chuyển h ................. 131 ........................................................................................................................................................ 132 Hình 4.21 Đồ thị thể hiện các kết quả đo trụ chuẩn ...................................................................... 132 Hình 4.22 Hình ảnh mô phỏng kết quả đo quả cầu chuẩn. ........................................................... 133 Hình 4.23 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng một phương chiếu .............................. 135 Hình 4.24 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng 6 phương chiếu .................................. 136 Hình 4.25 Kết quả dữ liệu 3D phục vụ công tác an ninh. ............................................................. 137 8 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Đo biên dạng 3D của vật thể có ý nghĩa rất lớn trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống và các ngành khoa học kỹ thuật như: đo lường kiểm tra trực tuyến, quản lý chất lượng quá trình sản xuất, công nghệ thiết kế ngược, công nghiệp thời trang, y học, an ninh, xây dựng tái tạo các di sản văn hóa, khảo cổ.... Các thiết bị đo quét 3D cung cấp dữ liệu bề mặt biên dạng chi tiết dưới dạng đám mây điểm. Từ đám mây điểm thu được có thể tái tạo lại biên dạng các vật thể, từ đó có thể xác định các thông tin về hình dạng, màu sắc, kích thước, góc quan sát vật thể từ nhiều góc nhìn khác nhau…. Những thông tin thu được từ hình ảnh 3D giúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính xác hơn. Hai nhóm phương pháp chính đo biên dạng 3D của vật thể là: đo tiếp xúc và không tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo như các máy đo ba tọa độ CMM, tay máy đo.... Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo từng điểm, mỗi điểm được xác định khi đầu dò tiếp xúc cơ học với bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu các tọa độ điểm đo trên hệ tọa độ máy với thời gian xác định mỗi điểm đo lên đến phần mười giây do đó để đo một chi tiết thường rất lâu. Phép đo có các sai số do kích thước đầu dò và khó đo các chi tiết hình dạng phức tạp hoặc có bề mặt không xác định. Giá thành các thiết bị đo tiếp xúc thường rất cao do các bộ phận cảm biến đầu dò được mang bởi các hệ thống cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao. Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm và các phương pháp sử dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạng phương pháp chính là: quét chủ động và quét bị động. Phương pháp đo không tiếp xúc chủ động chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ, phản xạ của bề mặt chi tiết để xác định điểm đo; có các nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam giác lượng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc). Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sử dụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập thể (mô phỏng lại cách quan sát của mắt người), phương pháp quang trắc, phương pháp dựa vào bóng của vật. Phương pháp đo không tiếp xúc có thể đo được bề mặt các chi tiết có kích thước rất lớn như: các công trình kiến trúc, máy bay, tàu thủy và các chi tiết có bề mặt vô định hình. Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp đo bị động thường có tốc độ đo nhanh hơn. Hầu hết các thiết bị đo sử dụng camera làm cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao có thể đến hàng triệu ảnh trong một giây, số điểm đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh, có khả năng đo quét các chi tiết trực tuyến. Trong đó, phương pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc cho độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh nên được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Tại Việt Nam, nền sản xuất công nghiệp cơ khí đang phát triển đặc biệt là công nghệ gia công trên máy CNC nên việc gia công chế tạo các sản phẩm cơ khí rất đa dạng phục vụ 9 nhiều ngành công nghiệp như: sản xuất ô tô, xe máy, gia công chi tiết, công nghệ khuôn mẫu...đi liền phát triển với nó là nhu cầu về đo kiểm tra biên dạng 3D. Với các doanh nghiệp trong nước việc đầu tư một vài trăm nghìn USD cho một thiết bị đo biên dạng 3D khá khó khăn, các sản phẩm muốn kiểm tra thường thông qua đo dịch vụ tại các trung tâm đo lường dẫn đến làm giảm năng suất và hiệu quả của quá trình sản xuất. Mặt khác, thiết bị đo nhập khẩu tính năng kĩ thuật không được khai thác hết do phụ thuộc vào phần mềm của hãng cung cấp, quá trình bảo dưỡng sửa chữa có tính chuyên gia nên không thể chủ động khai thác thiết bị đạt hiệu quả. Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo này giúp cho sử dụng hiệu quả hơn và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ đó cho phép ứng dụng rộng rãi, nâng cao chất lượng cũng như sự phát triển của ngành cơ khí. Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trong nước. Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ chính xác và ứng dụng các thiết bị đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong nước giúp cho các doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên tiến hiện đại trên thế giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường. Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc”. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. a) Mục đích của đề tài Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam. b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu của luận án là đo lường các bề mặt 3D chi tiết cơ khí được gia công trên các thiết bị CNC, rèn dập, các sản phẩm đúc.... Nghiên cứu phương pháp đo dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin và phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm cơ sở cho việc xây dựng phương pháp đo kết hợp nhằm tăng độ chính xác phép đo.  Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết bị thực nghiệm sử dụng hệ camera và máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo trên các chi tiết có độ phản xạ không cao, đạt độ chính xác 0,05 mm trong phạm vi đo 200x200x200 mm. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a) Ý nghĩa khoa học  Nội dung nghiên cứu của luận án đã trình bày hệ thống phương pháp đo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp dịch pha giúp làm chủ lý thuyết và kỹ thuật đo của phương pháp và dụng cụ đo loại này.  Nghiên cứu thành công việc ứng dụng phương pháp mã hóa Gray để gỡ pha trong 10 phương pháp dịch pha, giúp việc đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác khi gỡ pha của phương pháp này.  Xây dựng được mô hình toán học cũng như các thuật toán xử lý dữ liệu đo, xây dựng phương pháp hiệu chuẩn thiết bị để đảm bảo độ chính xác, dễ áp dụng hiệu chuẩn thiết bị khi đo.  Xây dựng cơ sở cho phép tính toán thiết kế chế tạo thử nghiệm loại dụng cụ đo biên dạng 3D theo phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha. b) Ý nghĩa thực tiễn  Hiểu và làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo để sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.  Khẳng định khả năng tính toán thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc.  Thiết bị sau khi nghiên cứu chế tạo được sử dụng trong đo lường biên dạng 3D các chi tiết và là thiết bị thí nghiệm phục vụ công tác giảng dạy tại bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học trường Đại học Bách khoa Hà Nội.  Tạo tiền đề ứng dụng cho đo biên dạng 3D cơ thể người, kích thước bàn chân.... phục vụ công nghiệp may mặc và giày dép; quá trình quét dựng mẫu vật, hiện trường trong lĩnh vực an ninh, các nghiên cứu về công nghệ thời trang của các đề tài trong nhà trường. 4. Các đóng góp mới của luận án  Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc vào đo lường chi tiết cơ khí. Với mục tiêu đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác cao, đề tài đã lựa chọn đề xuất nghiên cứu sử dụng phương pháp dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin để đảm bảo độ phân giải cao và kết hợp phương pháp mã hóa Gray để đảm bảo độ chính xác gỡ pha. Mã hóa Gray cho giá trị các bit tồn tại hai trạng thái 0 hoặc 1 do đó có khả năng giảm nhiễu do bề mặt chi tiết đo và môi trường đo đem lại. Để nâng cao độ chính xác gỡ pha trong phương pháp dịch pha sử dụng kết hợp với mã hóa Gray với đề xuất sử dụng thêm các mẫu chiếu đảo bit và mẫu chiếu mã hóa Gray theo hai phương, với giải pháp kỹ thuật này giúp cho quá trình giải mã có độ chính xác cao hơn từ đó nâng cao độ chính xác gỡ pha trong phương pháp dịch pha.  Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu nhận xử lý dữ liệu đo để xây dựng đám mây điểm đo: dựa trên mô hình toán học cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai có thể bù lại các sai số đó trong các mô hình kỹ thuật xây dựng nguyên lý tam giác lượng theo phương pháp hình học cho hệ thống đo không đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng của quang sai hệ quang đến chất lượng ảnh chiếu và ảnh thu được từ camera. Luận án đã xây dựng giải thuật xác định đám mây điểm đo sử dụng phương pháp đường giao đường dựa trên các thông số xác định được từ quá trình hiệu chuẩn giúp tăng độ chính xác và tăng tốc độ xử lý dữ liệu đo. 11  Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo từ đó xây dựng phương pháp hiệu chuẩn, xây dựng phương pháp khảo sát đặc tính kỹ thuật của từng bộ phận cấu thành lên thiết bị để đảm bảo độ chính xác của phép đo: với mô hình toán học áp dụng cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai cần xác định được vị trí tương quan giữa camera và máy chiếu đồng thời xác định được các nội tham số và ngoại tham số của cả camera và máy chiếu, luận án đã sử dụng phương pháp hiệu chuẩn camera sử dụng ô vuông bàn cờ với việc sử dụng phương pháp chiếu kết hợp dịch pha và mã hóa Gray cho việc hiệu chuẩn xác định các thông số của cả camera và máy chiếu đạt độ chính xác cao. Với đặc thù là phương pháp đo quang học, chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện đo và đặc điểm bề mặt chi tiết đo cụm cảm biến bao gồm máy chiếu và camera cần xác định được các đặc tuyến quang học từ đó có thể sử dụng phương pháp điều chỉnh phù hợp để nâng cao chất lượng ảnh chiếu và ảnh chụp đồng thời nâng cao độ chính xác đo.  Đã xây dựng được thiết bị đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha đầu tiên tại Việt Nam đạt độ chính xác 0,05mm trong phạm vi đo 200x200x200 mm. Thiết bị chế tạo hoạt động tốt minh chứng cho kết quả nghiên cứu của đề tài luận án vừa là công cụ để phục vụ thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết mà nếu sử dụng các phần mềm và các thiết bị có sẵn của nước ngoài không thể thực hiện được, bởi khi đó chỉ có thể thực hiện các phép đo theo các khuôn mẫu thuận tiện cho công nghiệp mà các nhà chế tạo đã định sẵn. 5. Nội dung luận án Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc: nguyên lý đo, các dạng ánh sáng cấu trúc đã được nghiên cứu, các hệ thống cấu tạo nên một thiết bị đo. Tình hình nghiên cứu phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc, các mô hình kỹ thuật, phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó xác định dạng ánh sáng nghiên cứu của luận án là kết hợp dịch pha và mã hóa Gray nhằm tăng độ chính xác và độ phân giải khi đo lường các chi tiết cơ khí. Cuối chương trình bày các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án. Chương 2: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha. Phân tích các thuật toán dịch pha, các phương pháp gỡ pha từ đó xây dựng phương pháp gỡ pha sử dụng mã hóa Gray nhằm nâng cao độ độ chính xác gỡ pha. Xây dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo, đề xuất phương án hiệu chuẩn hệ thống nhằm xác định thông số kỹ thuật, vị trí tương quan của máy chiếu và camera. Những phân tích là cơ sở cho quá trình tính toán thiết kế thiết bị cũng như xây dựng quá trình đo đảm bảo độ chính xác đề ra. Chương 3: Xác lập cơ sở cho việc tính toán thiết kế thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo nguyên lý dịch pha. Đi sâu vào bài toán thiết kế hệ camera và máy chiếu thỏa mãn yêu cầu bài toán đặt ra về phạm vi đo và độ phân giải hệ thống. Xây dựng các giải 12 thuật xử lý tín hiệu đo. Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn cho thiết bị. Nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo. Ứng dụng thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc STL - 1. Chương 4: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo STL - 1. Tiến hành hiệu chuẩn đặc tính của hệ máy chiếu và camera để đảm bảo độ chính xác khi đo. Đánh giá độ chính xác phương pháp và thiết bị đo chế tạo thông qua quá trình đo so sánh với các mẫu chuẩn dạng trụ và cầu được đo trên các thiết bị CMM. Khảo sát sự ảnh hưởng vị trí đặt vật đo trong không gian đo của thiết bị. Thực nghiệm đo biên dạng một số chi tiết, đánh giá khả năng đo toàn bộ chi tiết của thiết bị. Kết quả thực nghiệm là cơ sở đánh giá các mục tiêu đặt ra của luận án cũng như định hướng các hướng nghiên cứu tiếp theo. 6. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục tiêu và thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề ra, luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thiết bị đo được chế tạo. Dùng phương pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường chi tiết cơ khí, xây dựng mô hình toán học, xác định các quan hệ của hệ thống quang cơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo, xây dựng quá trình hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ chính xác khi đo. Tiến hành các quá trình đo lường thống kê, thực nghiệm đo biên dạng các mẫu sản phẩm trên thiết bị chế tạo so với kết quả đo bằng máy đo CMM tại Viện đo lường Việt Nam làm căn cứ đánh giá độ chính xác, đưa ra các kết luận và phương hướng nghiên cứu phát triển cho thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc đã nghiên cứu. Sử dụng các phần mềm bổ trợ cho việc tính toán thiết kế: CAD, MS - Office, phân tích dữ liệu ảnh: Image J, mô phỏng dữ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab.... để thực hiện các nội dung nghiên cứu đề ra. 13 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC Trong chương này trình bày những nghiên cứu tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc và các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án. Mục 1.1 trình bày tổng quan về vai trò, ứng dụng và đặc điểm của phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. Mục 1.2 trình bày nguyên lý đo, khái niệm ánh sáng cấu trúc và các dạng ánh sáng cấu trúc đã được nghiên cứu ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D. Phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó xác định dạng ánh sáng nghiên cứu của luận án. Mục 1.3 nghiên cứu các mô hình biến thể kỹ thuật, sơ đồ bố trí thiết bị và mô hình toán học cho từng loại sơ đồ. Mục 1.4 trình bày tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Mục 1.5 trình bày các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án. 1.1. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc Trong công nghiệp chế tạo cơ khí, đo lường biên dạng 3D của chi tiết đóng vai trò rất quan trọng trong việc kiểm tra, kiểm soát chất lượng sản phẩm. Hình dáng và kích thước của chi tiết cơ khí ngày càng phức tạp dẫn đến việc đo bằng phương pháp tiếp xúc không thể đáp ứng về tốc độ, không đo được các chi tiết có biên dạng phức tạp. Nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp bách đó, phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ. Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học. Mô hình nguyên lý là biến thể của phương pháp stereo với việc thay thế một kênh nhìn bằng một thiết bị chiếu. Mẫu ảnh chiếu Chi tiết đo Mặt phẳng tham chiếu Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. Nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc được thể hiện trên hình 1.1. Thiết bị chiếu sẽ chiếu các ảnh mẫu 2D được thiết kế theo một phương pháp mã hóa nhất định lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D của chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và 14 được nhận biết thông qua hệ thống camera. Phân tích dữ liệu ảnh và kết hợp phương pháp mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm của chi tiết đo. Phạm vi ứng dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc rất rộng từ việc đo chi tiết vùng kích cỡ micro trong các ngành sản xuất vi cơ, điện tử đến các chi tiết có kích thước lớn như xe bus, tàu thủy, máy bay…. Trên hình 1.2 là hình ảnh thiết bị quét biên dạng SLS – 1 sử dụng ánh sáng cấu trúc đo biên dạng cánh tuốc bin của các động cơ máy bay. Đây là dạng sản phẩm khó đo do biên dạng cánh phức tạp, sử dụng phương pháp đo tiếp xúc rất khó khăn khi hệ thống đã được lắp đặt. Hình 1.2 Thiết bị đo biên dạng 3D SLS-1 đo tuốc bin động cơ máy bay [18] Trên hình 1.3 thể hiện ứng dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc trong công nghiệp chế tạo cơ khí. Hình 1.3a thể hiện hình ảnh đo lốc máy trong động cơ ô tô. Hình 1.3b là ứng dụng phương pháp đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc trong ngành công nghiệp khuôn mẫu. Các dạng khuôn và chi tiết được chế tạo ra rất đa dạng với hình dáng phức tạp, độ bóng cao…. Việc đo bằng phương pháp tiếp xúc cần thời gian đo rất lâu và khó đo. Các thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được sử dụng mang lại hiệu quả rất cao trong lĩnh vực này. Với phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc tọa độ điểm đo có thể giúp kiểm tra trực tiếp sai số khi sản phẩm được chế tạo ra so với bản thiết kế CAD. (a) (b) Hình 1.3 Ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc trong gia công cơ khí [5] (a) Đo chi tiết cơ khí; b) Đo khuôn nhựa 15 Một ngành công nghiệp ứng dụng rất nhiều các thiết bị đo biên dạng chi tiết là công nghiệp sản xuất ô tô, xe máy. Các thiết bị đo quét có mặt trong rất nhiều khâu của quá trình sản xuất từ việc thiết kế tạo mẫu ban đầu cho đến các công đoạn sản xuất khuôn và thành phẩm cũng như kiểm tra khung vỏ ô tô sau khi hàn ghép, sau khi sơn…. Việc đo kiểm so sánh thành phẩm với bản thiết kế giúp các nhà sản xuất nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất. Trên hình 1.4 là ứng dụng phương pháp đo biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc vào việc thiết kế mẫu xe mới. Sau khi xe được chế tạo có thể đo quét để so sánh với mẫu. Hình 1.4 Ứng dụng thiết kế và đo lường ánh sáng cấu trúc trong công nghiệp sản xuất ô tô [44] Một lĩnh vực công nghiệp đang rất phát triển là may mặc thời trang. Với phương pháp truyền thống khi may quần áo phải đo các thông số riêng lẻ cho từng người bằng thước dây, thông số đo chưa biểu hiện hết các yếu tố về biên dạng cơ thể. Với công nghệ đo lường biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc giúp cho việc thiết kế, tạo mẫu khi có dữ liệu quét đem lại tính thẩm mỹ cao hơn đặc biệt lợi thế trong việc may mặc tạo mẫu riêng lẻ. Từ thông số biên dạng của cơ thể người có thể ứng dụng trong nhiều ngành thiết kế khác nhau như: quần áo, giầy dép và các phụ kiện khác. (a) (b) (c) Hình 1.5 Một số ứng dụng của thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc (a) Quét biên dạng cơ thể người [24] , (b) quét biên dạng răng [19] , (c) quét vân tay 3D [6] Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và phát triển rất mạnh trong lĩnh vực y tế có thể quét các bộ phận của cơ thể trong quá trình giải phẫu, ứng dụng trong lĩnh vực nha khoa, ngoài ra còn các lĩnh vực như an ninh và trị liệu thẩm mỹ…. Hình 1.5 thể hiện một số ứng dụng của thiết bị đo ánh sáng cấu trúc: hình 1.5a là hình dạng cơ thể người được mô phỏng sau khi quét ứng dụng trong các lĩnh vực thời trang; hình 1.5b là hình ảnh mô phỏng hàm răng thể hiện ứng dụng đo 3D trong nha khoa; hình 1.5c là ứng dụng đo 3D trong lĩnh vực an ninh với việc quét lại hình dạng vân tay. 16 Các hướng nghiên cứu phát triển các thiết bị đo này ứng dụng trong công nghiệp thực sự bùng nổ và được thương mại hóa từ những năm 2000 do sự phát triển công nghệ máy chiếu. Trên thị trường hiện có rất nhiều sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau. Một số thiết bị được giới thiệu như trong bảng 1. Bảng 1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường Thiết bị HDI Blitz Đặ tính kỹ thuật  Vùng đo: 370x370 mm.  Độ phân giải: 0,24 mm.  Độ chính xác: 0,12 mm.  Hãng sản xuất: 3D3 Solutions. ATOS Triple Scan ARTEC EVA Ứng dụng  Quét biên dạng 3D các dạng sản phẩm: chi tiết cơ khí, đồ mỹ nghệ, các chi tiết nhựa…  Quét biên dạng 3D các dạng sản phẩm: chi tiết cơ khí, đồ mỹ nghệ, các chi  Độ phân giải: 0,02 – 0,79 tiết nhựa… mm.  Có thể lắp dặt trên các hệ  Độ chính xác: 0,05 mm. thống dịch chuyển để tăng  Hãng sản xuất: GOM. linh hoạt của thiết bị quét.  Vùng đo: 38 x 29 - 2000 x 1500 mm².  Vùng đo: 300x500 mm.  Độ phân giải: 0,5 mm.  Độ chính xác: 0,1 mm.  Hãng sản xuất: ARTEC GROUP.  Thiết bị quét cầm tay tăng tính linh hoạt khi quét.  Quét các dạng chi tiết, tượng, đồ mỹ nghệ, cơ thể người…  Ứng dụng trong sản xuất tượng sáp. LMI Advance R3x  Vùng đo: 200x200 – 600x600 mm.  Độ chính xác: 0,05 mm.  Quét biên dạng 3D các dạng sản phẩm: chi tiết cơ khí, đồ mỹ nghệ, các chi tiết nhựa…  Hãng sản xuất: LMI technology.  Quét các dạng chi tiết có kích thước trung bình.  Độ phân giải: 0,25 mm Trên bảng 1 là ví dụ một số thiết bị sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và phát triển bởi một số hãng sản xuất các thiết bị quét 3D trên thế giới như: GOM, 3D3 Solutions, ARTEC GROUP, LMI technology. Các thiết bị dùng để quét các chi tiết có kích thước trung bình. Thiết bị quét cầm tay ARTEC EVA có tính linh động cao phù hợp quét các chi tiết lớn hơn. Với các dạng thiết bị dạng này độ chính xác đạt được có thể đến 0,05mm. Độ phân giải tốt nhất là sản phẩm của hãng GOM lên tới 0,02mm trong phạm vi 17 đo 38x39 mm, còn lại các dòng sản phẩm thường có độ phân giải trong khoảng 0,2 ÷ 0,5 mm. Như vậy, các phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ưu điểm so với phương pháp tiếp xúc về tốc độ quét và khả năng quét các bề mặt kích thước lớn, các bề mặt không xác định. Thiết bị đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc có thể quét trên một khu vực mà không cần phải di chuyển xung quanh bởi một thiết bị mang khác nên phép đo được tiến hành nhanh hơn, có thể đo được hơn một triệu điểm trong một vài giây tùy thuộc vào cấu hình phần cứng. Để hướng tới nghiên cứu chế tạo một thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam đồng thời tiến tới tiếp cận các thiết bị đo tiên tiến trên thế giới, luận án đặt mục tiêu thiết bị đo được nghiên cứu chế tạo đạt độ chính xác 0,05mm, độ phân giải 0,05 mm trong phạm vi đo 200x200 x200mm. 1.2. Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lường biên dạng 3D 1.2.1. Nguyên lý phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học. Thiết bị chiếu các mẫu ảnh 2D được thiết kế mà mỗi điểm ảnh được mã hóa về màu sắc hoặc cường độ. Khi chiếu các mẫu ảnh 2D lên bề mặt chi tiết thì biên dạng 3D của bề mặt chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và được thu nhận bằng hệ thống camera. Trên cơ sở các thông số hệ quang cơ thiết bị, dạng mã hóa ảnh mẫu 2D để tính toán xác định các điểm đo trên bề mặt chi tiết theo phương pháp tam giác lượng quang học. Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính là: bộ phận chiếu ảnh, bộ phận thu ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu đo tính toán tọa độ các điểm đo trên bề mặt vật đo. Bộ phận chiếu ảnh: chiếu các mẫu ảnh được mã hóa lên bề mặt chi tiết cần đo. Ảnh mã hóa rất đa dạng về cấu trúc, kích cỡ, độ phân giải nên bộ phận chiếu ảnh có cấu trúc quang cơ phức tạp. Tùy theo dạng ánh sáng cấu trúc, bộ phận chiếu ảnh có thể là hệ thống giao thoa hoặc hệ thống chiếu hình. Để đo chi tiết cơ khí thông dụng, chi tiết đo lớn, bộ phận chiếu ảnh thường là các máy chiếu ảnh kỹ thuật số. Máy chiếu kỹ thuật số ngày càng được nâng cao chất lượng ảnh chiếu và giảm giá thành tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo thiết bị đo. Bộ phận chụp ảnh: bộ phận này có chức năng thu lại hình ảnh của mẫu chiếu được chiếu lên bề mặt chi tiết đo. Ảnh thu được chứa đựng thông tin độ cao của các điểm trên vật đo thông qua sự biến đổi dạng, màu sắc mẫu chiếu do bề mặt biên dạng của vật cần đo mang lại. Có thể sử dụng một hay nhiều camera với các góc quan sát khác nhau nhằm tăng tốc độ cũng như độ chính xác khi đo. Bộ phận chiếu ảnh và chụp ảnh tạo thành hệ thống 18 cảm biến cho thiết bị quét biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc. Các camera hiện nay cung cấp cho người sử dụng nhiều ưu điểm về độ phân giải, tốc độ chụp, chất lượng hình ảnh cũng như giá thành ngày càng giảm. Bộ phận xử lý thông tin đo: chức năng bộ phận này là kết nối điều khiển quá trình chiếu chụp đồng thời xử lý dữ liệu ảnh nhằm xác định được đám mây điểm bề mặt chi tiết đo. Bộ phận này có thể là các máy tính cá nhân hoặc các thiết bị được thiết kế chuyên biệt nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển, xử lý thông tin và truy xuất dữ liệu đo. Hình 1.6 Xác định độ cao điểm đo [61] Hình 1.6 minh họa một trường hợp xác định độ cao điểm đo khi đó điểm P trên đối tượng có thể xác định qua biểu thức. 𝑠𝑖𝑛(𝛼1 ) (1.1) ℎ = 𝑑. sin⁡(𝛼1 + 𝛼2 ) Trong đó:  h là khoảng cách từ camera đến điểm đo.  d là khoảng cách của camera và máy chiếu.  α1 và α2 là góc tạo bởi phương nối tâm của camera và máy chiếu đối với điểm đo P. 1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc 1.2.2.1. Khái niệm Thuật ngữ “ánh sáng cấu trúc” được Việt hóa từ thuật ngữ tiếng Anh “structured light” (Do NCS chưa có tài liệu trong nước nào đề cập đến thuật ngữ này), theo từ điển Wikipedia: structured light được miêu tả như sau: “Structured light is the process of projecting a known pattern (often grids or horizontal bars) on to a scene. The way that these deform when striking surfaces allows vision systems to calculate the depth and surface information of the objects in the scene, as used in structured light 3D scanners. ” [108] Có thể dịch khái niệm như sau: “Structured light” là một quá trình chiếu các ảnh mẫu lên vật đo, những biến dạng mẫu chiếu trên bề mặt vật được hệ thống quan sát thu được và xác định được độ sâu và thông tin bề mặt của vật. Do đó “structured light” được sử dụng trong quét 3D. 19 Để dịch thuật ngữ này phù hợp cả về ngữ nghĩa và hình thức biểu tượng, sau khi nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về “structured light” NCS xin được đưa ra khái niệm ánh sáng cấu trúc như sau: “Ánh sáng cấu trúc là chùm tia sáng mà mỗi tia sáng được mã hóa về cường độ hoặc màu sắc.” Mã hóa về cường độ là sự điều biến biên độ cường độ sáng theo dạng sin, tam giác, nhị phân….trong không gian chiếu. Mã hóa màu sắc là các tia sáng có màu sắc xác định theo các quy luật định trước như: dải màu như cầu vồng, các vạch màu xen kẽ nhau…. 1.2.2.2. Các dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường biên dạng 3D Có nhiều dạng ánh sáng cấu trúc khác nhau, có thể được cấu trúc cường độ theo hai hoặc ba phương chiếu hoặc cấu trúc theo màu sắc với mục đích mã hóa các điểm đo trong không gian chiếu để có thể xây dựng hệ lưới điểm của bề mặt vật đo. a) Mẫu ảnh chiếu mã hóa Gray – nhị phân Mẫu chiếu nhị phân [45, 46, 49] sử dụng các sọc đen và trắng để tạo thành một chuỗi các mẫu chiếu. Độ phân giải của phương pháp được xác định bằng khoảng trắng hoặc đen nhỏ nhất trên mẫu chiếu. Với mẫu chiếu thứ n có 2n sọc. Hình 1.7 thể hiện một mô hình chiếu 5bit. Khi chuỗi này được chiếu lên một khung hình có 32 (25) khoảng được xác định theo phương ngang. Tọa độ 3D của một điểm được xác định bằng nguyên tắc tam giác lượng. Kỹ thuật mã hóa nhị phân rất tin cậy Hình 1.7 Mẫu mã nhị phân [61] và ít nhạy cảm với bề mặt vật quét (vì chỉ có một giá trị nhị phân tồn tại trong tất cả các điểm ảnh). Tuy nhiên, để đạt được độ phân giải cao cần số lượng lớn các ảnh chiếu đòi hỏi thời gian xử lý lâu nên không đo được các chi tiết theo thời gian thực. b) Mẫu ảnh chiếu cấp độ xám Mẫu chiếu cấp độ xám được nghiên cứu để giảm số lượng mẫu chiếu so với phương pháp mã hóa nhị phân mà vẫn đo được chi tiết với độ phân giải cao hơn. Sử dụng M cấp độ mã hóa xám khác biệt về cường độ để mã hóa ảnh chiếu (thay vì chỉ có hai như trong mã nhị phân). Với N mẫu có thể có MN vạch. Mỗi mã vạch có thể hình dung như là một điểm trong một không gian cơ bản N chiều và mỗi chiều có M Hình 1.8 Mã hóa cấp độ xám cho hình ảnh giá trị khác nhau. Nếu N = 3, và M = 4 thì tổng 3D với N= 3, M= 3 mô hình tối ưu hóa trong không gian Hilbert [114] số vạch là 64 (43) tương đương 6 bit trong phương pháp nhị phân. Tuy nhiên, cần tối ưu hóa trong thiết kế các mô hình mã hóa nhị phân và mức xám để có thể phân biệt được những vạch liền kề khi chiếu lên vật cần đo. 20
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan