Tài liệu Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí file gốc luận án tiến sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ KIM CÚC NGHIÊN CƯU S UNG PHƯƠNG PHÁP ÁNH ÁNG CCU TRÚC ĐỂ NÂNG CAO CHCT ƯỢNG ĐO CHI TIẾTT CƠ KH) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ KIM CÚC NGHIÊN CƯU S UNG PHƯƠNG PHÁP ÁNH ÁNG CCU TRÚC ĐỂ NÂNG CAO CHCT ƯỢNG ĐO CHI TIẾTT CƠ KH) Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Văn Vinh 2. TS. Phạm Xuân Khải Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Nghiên cứ s dụng phương pháp ánh áng cấ trúc để nânng cao chât lưnng đo chi titt cơ khíế ” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, trích dẫn đầy đủ và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày tháng TM. Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án năm 2018 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí, Bộ môn Cơ Khí Chính Xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Vinh, PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai, TS. Phạm Xuân Khải đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những ý kiến vô cùng quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã đóng góp cho tôi những ý kiến bổ ích cũng như tạo điều kiện thuận lợi về thời gian cho tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Quang - Cơ Điện Tử 307 C4-5 Bộ môn Cơ Khí Chính Xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, bố mẹ, chồng và các con gái, anh chị em, bạn bè đã động viên, giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Nguyễn Thị Kim Cúc MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................... i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................... xi DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ..............................................................................xii MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1 1. Lý do lựa chọn đề tài luận án......................................................................................... 1 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án...............................................3 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.....................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................................4 5. Kết cấu của luận án.........................................................................................................4 6. Các kết quả mới..............................................................................................................5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC........................................................................................................................... 6 1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc................................................................. 6 1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray...................................11 1.2.1 Phương pháp dịch pha..........................................................................................11 1.2.2 Phương pháp mã Gray..........................................................................................13 1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray....................................................................14 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí...................................20 1.3.1 Độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống.......................................................................23 1.3.2 Ảnh hưởng của phản xạ bề mặt đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí.............31 1.3.2.1 Mô hình phản xạ bề mặt.................................................................................31 1.3.2.2 Các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt............................. 37 1.3.3 Đánh giá độ chính xác hệ thống PSGC................................................................41 1.4 Kết luận chương 1...................................................................................................... 48 1.5 Hướng nghiên cứu của luận án...................................................................................48 Chương 2 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HIỆU CHUẨN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO PSGC.............................................................................................................................49 2.1 Cơ sở phương pháp đo sử dụng dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC)..........................49 2.2 Nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ................................................... 53 2.2.1 Lựa chọn kích thước ô vuông bàn cờ tối ưu.........................................................58 2.2.2 Ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn................................................................... 59 2.2.3 Chuyển đổi từ pha sang tọa độ thực.....................................................................59 2.2.4 Xác định giới hạn vùng đo (w h d)...................................................................62 2.3 Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm ................................................................... 66 2.4 Khảo sát nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ .................................... 72 2.4.1 Ảnh hưởng của kích thước ô vuông bàn cờ ......................................................... 72 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn .................................................... 2.4.3 Ảnh hưởng của ánh sáng môi trường đến độ chính xác hiệu chuẩn .................... 2.5 Kết luận chương 2 .................................................................................................. Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA PHẢN XẠ BỀ MẶT ............... 3.1 Các thông số ảnh hưởng đến độ bão hòa của CCD máy ảnh ................................. 77 82 86 87 87 3.2 Phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp .................. 91 3.3 Phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ ................................................. 96 3.4 Khảo sát đánh giá hiệu quả giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt .................................. 100 3.4.1 Khảo sát ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp ................. 103 3.4.1.1 Khảo sát với mẫu khuôn nhôm .................................................................... 103 3.4.1.2 Khảo sát với mẫu nhôm bậc M1 .................................................................. 108 3.4.2 Khảo sát ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn .......................................... 113 3.4.2.1 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp ................................................. 113 3.4.2.2 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt bậc ......................................................... 115 3.5 Kết luận chương 3 .................................................................................................... 117 Chương 4 XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG ĐO PSGC ................................................................................................................................. 118 4.1 Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác ............................................................ 118 4.1.1 Xây dựng thuật toán cho chuẩn đo kiểu A1 ...................................................... 118 4.1.2 Xây dựng thuật toán xác định chuẩn kiểu E1 .................................................... 122 4.1.3 Đánh giá độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn ................................................... 125 4.2 Khảo sát độ chính xác hệ thống ............................................................................... 126 4.2.1 Đo biên dạng bề mặt của mẫu bước chuẩn ........................................................ 126 4.2.2 Đo biên dạng mặt cầu ........................................................................................ 130 4.2.3 Khảo sát độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn ................................................... 131 4.3 Đo các chi tiết máy và khuôn cơ khí. ................................................................... 131 4.4 Kết luận chương 4 .................................................................................................... 134 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ............................................................................ 135 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................................................................. 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 137 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 143 PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các chữ viết tắt Viết tắt 2D Tên tiếng Anh 2 Dimension 3D 3 Dimension CNC Computer numerical control CMM Coordinate measuring machine DMD Digital micromirror device DLP Digital light processing LCD Liquid crystal display PSGC Phase shift combined with Gray DOF code Depth of field HDR High dynamic range RP Reference phase OP Object phase DFP Digital fringe projection SNR Signal-to-Noise ratio BRDF Bidirectional reflectance MIGL distribution function Maximum input graylevel ICP Iterative Closest Points RANSAC RANdom SAmple Consensus SVD Singular value decomposition STD Standar deviation Nghĩa tiếng Việt Không gian 2 chiều Không gian 3 chiều Điều khiển số bằng máy tính Máy đo tọa độ Thiết bị vi gương kỹ thuật số Xử lí ánh sáng kỹ thuật số Màn hình tinh thể lỏng Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray Độ sâu trường ảnh Dải tương phản động mở rộng Bản đồ pha mặt phẳng chiếu Bản đồ pha khi có vật Chiếu vân kỹ thuật số Tỉ số tín hiệu trên nhiễu chức năng phân bố phản xạ hai chiều khác nhau Mức xám đầu vào tối đa Các điểm lặp gần nhất Phương pháp đồng nhất mẫu ngẫu nhiên. Độ lệch chuẩn Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị t rad Unwrapped phase or absolute phase w rad Wrapped phase - Gray code value (O w ; x w , y w , zw ) - World-coordinate system (O c ; x c , y c , zc ) - Camera-coordinate system (O p ; x p , y p , z p ) - Projector coordinate system - Image-coordinate system c - Camera scale ratio p - Projector scale ratio R - Rotation matrix t mm kG (O; u, v) s s P m c Tên tiếng Anh Translation vector Pixel size N p Mp Điểm ảnh Projector resolution Nc Điểm ảnh Camera resolution Mc Cu C v c fvc p fvp fu , fu , A k1, k2, k3 p1, p2, p3 m CCD size Nghĩa tiếng Việt Pha tuyệt đối Pha tương đối Giá trị mã Gray Hệ tọa độ hệ thống Hệ tọa độ máy ảnh Hệ tọa độ máy chiếu Tọa độ mặt phẳng ảnh Hệ số tỉ lệ máy ảnh Hệ số tỉ lệ máy chiếu Ma trận quay Véc-tơ tịnh tiến Kích thước điểm ảnh Độ phân giải máy chiếu Độ phân giải máy ảnh Kích thước thực cảm biến CCD máy ảnh Điểm ảnh Tiêu cự máy ảnh theo hai trục u, v của cảm biến ảnh Điểm ảnh Tiêu cự máy chiếu theo hai trục u, v của cảm biến ảnh Điểm ảnh Ma trận nội thông số - Radial distortion coefficients Các hệ số méo hướng tâm Tangential distortion coefficients Các hệ số méo tiếp tuyến u0c , v0c Tọa độ điểm gốc (giao điểm trục quang và mặt phảng ảnh) - Tu ,Tv Điểm ảnh nTu, nTv - h w d D N=f D f Height mm Aperture diameter Width -The number f mm R0 - S mm OO =b Số chu kỳ vân Gray theo phương ngang và phương dọc mm Độ ( B B Chu kỳ vân chiếu theo phương ngang và phương dọc Focal langth ) Checker size mmCheckboard size ) Độ ( ) mm Kích thước vùng đo theo chiều cao rộng sâu Đường kính khẩu độ ống kính Số f Tiêu cự thấu kính Góc giữa trục quang của máy ảnh và máy chiếu Reference plane Độ ( Depth Mặt phẳng tham chiếu Kích thước ô vuông bàn cờ Kích thước bảng hiệu chuẩn Góc mở của máy chiếu theo phương ngang Góc mở của máy chiếu theo phương dọc Base line Đường cơ sở (Khoảng cách giữa quang tâm của máy ảnh và máy chiếu) L mm Khoảng cách từ đường cơ sở đến mặt phẳng tham chiếu R0 I c (u , v) Mức xám Cường độ ánh sáng thu được từ máy ảnh I p (u , v) Mức xám Cường độ ánh sáng chiếu từ máy chiếu Im Mức xám Cường độ ánh sáng môi trường xung quanh RA - Hệ số phản xạ bề mặt tại điểm A tc tp ms ms Exposure time Thời gian phơi sáng của máy ảnh Wait time Thời gan trễ của máy chiếu - In - c µm Độ nhạy của máy ảnh Nhiễu của máy ảnh Circle of confusion n - Si - l - Ik Mức xám Kích thước vòng tán xạ Số điểm ảnh trong đám mây điểm Các vùng mức xám Thứ tự mức xám trên thang độ xám từ 0 đến 255 mức Giá trị mức xám thứ k p(Si ) % Tỉ lệ tổng số điểm ảnh có cùng mức xám trong vùng Si threso k - m - p % Ngưỡng sai số cho phép Số lần lặp Inlier Số điểm trong tập The probability of a successful detection Xác xuất thành công của thuật toán ANH MUC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất của vật liệu màu sắc đặc trưng với các hệ số phản xạ bề mặt.........33 Bảng 1.2 Các loại tiêu chuẩn đo......................................................................................42 Bảng 2.1 Kết quả hiệu chuẩn trong hai trường hợp (a) và (b)........................................ 82 Bảng 4.1 Dữ liệu đo chiều cao bậc ở các vị trí cắt khác nhau............................................1289 Bảng 4.2 Kết quả đo chi tiết bậc………………………………………………………………………………………131 Bảng 4.3 Dữ liệu đo phù hợp mặt phẳng ở các vị trí và hướng khác nhau...................131 ANH MUC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc.................................................7 Hình 1.2 Sóng ánh sáng điều biến dạng sin a; [95].........................................................11 Hình 1.3 Hệ thống đo 3D sử dụng mã Gray [14]............................................................13 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo PSGC.................................................................15 Hình 1.5 Mã hóa các mặt phẳng ánh sáng với n=3 trên bản đồ pha............................... 15 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý xác định tọa độ của điểm đo..................................................16 Hình 1.7 Xác định pha tuyệt đối từ pha tương đối và thứ tự vân....................................19 Hình 1.8 Giải mã bản đồ pha tương đối qua hai phương chiếu [98]...............................20 Hình 1.9 Thuật toán RANSAC phù hợp dữ liệu đám mây điểm [86].............................22 Hình 1.10 Hiệu chuẩn hệ thống bằng cách di chuyển chính xác mẫu hiệu chuẩn [95] .. 24 Hình 1.11 Mô hình máy ảnh lỗ nhỏ [102].......................................................................25 Hình 1.12 Điểm ảnh bị sai lệch khi có méo ảnh............................................................. 27 Hình 1.13 Biến dạng pha trên các điểm góc của bảng hiệu chuẩn. [98].........................30 Hình 1.14 Mô hình quang học hệ thống đo [42]............................................................. 31 Hình 1.15. Đồ thị biểu diễn ảnh mối quan hệ của góc chiếu vật liệu và phản xạ bề mặt của các vật liệu khác nhau [60]..............................................................................................32 Hình 1.16 Mô hình phản xạ với hai thành phần phản xạ và tán xạ [60].........................34 Hình 1.17 Bề mặt phản xạ với các độ nhám khác nhau [60].......................................... 35 Hình 1.18 Ảnh chi tiết đo khi đo bằng ánh sáng cấu trúc...............................................36 Hình 1.19 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu A1 [28].........................................................42 Hình 1.20 Đánh giá các giá trị được định chuẩn cho loại A1 [28]................................. 43 Hình 1.21 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu A2 [28].........................................................43 Hình 1.22 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu B2 [28]......................................................... 44 Hình 1.23 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu B3 [28]......................................................... 44 Hình 1.24 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu C3.................................................................45 Hình 1.25 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu D1.................................................................45 Hình 1.26 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu D2.................................................................46 Hình 1.27 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu E2.................................................................46 Hình 2.1 Sơ đồ khối phương pháp đo dùng mã dịch pha kết hợp mã Gray....................49 Hình 2.2 Sơ đồ thuật toán phương pháp đo sử dụng phương pháp PSGC......................52 Hình 2.3 Sơ đồ khối quá trình hiệu chuẩn hệ thống........................................................53 Hình 2.4 Sai lệch phép chiếu ảnh....................................................................................54 Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán hiệu chuẩn hệ thống.............................................................. 57 Hình 2.6 Bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ..................................................................... 58 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý và thực nghiệm thiết lập góc ô vuông bàn cờ.......................59 Hình 2.8 Khoảng cách từ các điểm đo 3D đến mặt phẳng phù hợp................................60 Hình 2.9 Sơ đồ xác định giới hạn vùng đo của hệ thống................................................ 62 Hình 2.10 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính máy ảnh............................................................ 63 Hình 2.11 Mô hình thiết bị thực nghiệm.........................................................................66 Hình 2.12 Giao diện chương trình phần mềm đo............................................................68 Hình 2.13 Đồ thị mối quan hệ giữa L và w, h.................................................................69 Hình 2.14 Bản đồ giải mã pha tuyệt đối theo phương ngang..........................................71 Hình 2.15 Bản đồ giải mã pha tuyệt đối theo phương dọc..............................................71 Hình 2.16 Xác định góc ô vuông bàn cờ.........................................................................72 Hình 2.17 Kết quả hiệu chuẩn bàn cờ kích thước (NxS)=(12 x 15)............................... 74 Hình 2.18 Đồ thị mối quan hệ giữa kích thước ô vuông bàn cờ và sai số hiệu chuẩn....76 Hình 2.19 Kết quả phù hợp mặt phẳng của các đám mây điểm 3D................................80 Hình 2.20 Đồ thị mối quan hệ giữa góc ô vuông bàn cờ và lỗi phù hợp mặt phẳng.......81 Hình 2.21 Quan hệ giữa và F trong ∆..........................................................................82 Hình 2.22 Đồ thị mối quan hệ giữa ánh sáng môi trường xung quanh và các hệ số méo ảnh của máy ảnh a, và máy chiếu b,................................................................................84 Hình 2.23 Đồ thị mối quan hệ giữa độ rọi và độ chính xác hiệu chuẩn..........................85 Hình 3.1 Nguyên lý phản xạ ánh sáng của một bề mặt...................................................88 Hình 3.2 Sơ đồ ảnh hưởng của các thông số phản xạ bề mặt..........................................89 Hình 3.3 Biểu đồ Histogram đánh giá chất lượng ảnh và mức phơi sáng.......................93 Hình 3.4 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng nhỏ hoặc mức độ phản xạ bề mặt thấp..................................................................................................................................94 Hình 3.5 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng lớn hoặc mức độ phản xạ lớn......94 Hình 3.6 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng hay mức độ phản xạ phù hợp......95 Hình 3.7 Ghép hai đám mây điểm bằng phương pháp ICP [72].....................................98 Hình 3.8 Đồ thị mối quan hệ giữa cường độ chiếu ảnh và độ rọi.................................101 Hình 3.9 Đồ thị mối quan hệ giữa thời gian phơi sáng và cường độ ảnh thu...............102 Hình 3.10 Đo độ nhám bề mặt của các chi tiết nhôm................................................... 103 Hình 3.11 Đồ thị Histogram của ảnh chi tiết khuôn với các độ phơi sáng khác nhau .. 106 Hình 3.12 Đám mây điểm 3D của chi tiết nhôm với t0 =16ms.....................................106 Hình 3.13 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm............107 Hình 3.14 Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu.....107 Hình 3.15 Đồ thị Histogram của ảnh chi tiết nhôm với các độ phơi sáng khác nhau...110 Hình 3.16 Đám mây điểm 3D của chi tiết nhôm với t0 =12,5 ms.................................111 Hình 3.17 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm............111 Hình 3.18 Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu a, .. 112 Hình 3.19 Kết quả ghép đám mây điểm bù vùng bóng.................................................114 Hình 3.20 Kết quả ghép đám mây điểm bù vùng bóng.................................................116 Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán xác định nhiều mặt phẳng................................................... 121 Hình 4.2 Sơ đồ mặt cắt ngang xác định bán kính cầu theo tiêu chuẩn E1....................122 Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán xác định mặt cầu................................................................. 124 Hình 4.4 Sơ đồ mô tả vị trí và hướng của mặt phẳng mẫu đo.......................................126 Hình 4.5 Giao diện phần mềm phù hợp nhiều mặt phẳng.............................................127 Hình 4.6 Giao diện chức năng Create Cross Section a,................................................ 127 Hình 4.7 Chi tiết mẫu dạng bậc và mặt cắt ngang.........................................................128 Hình 4.8 Xác định mặt cầu qua đám mây điểm quả cầu bán kính R1=25 (mm)...........130 Hình 4.9 Xác định mặt cầu qua đám mây điểm quả quả cầu bán kính R2=36.50 (mm) 130 Hình 4.10 Dựng lại biên dạng của chi tiết khuôn trong hai trường hợp (a) và (b)........132 Hình 4.11 Hình ảnh đo chi tiết khuôn trên máy đo 3 tọa độ (a)....................................132 Hình 4.12 Ảnh xây dựng biên dạng 3D của chi tiết cơ khí...........................................134 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài luận án Trong sản xuất công nghiệp cơ khí, với sự phát triển của công nghệ gia công bằng thiết bị điều khiển số CNC có khả năng chế tạo các chi tiết cơ khí với hình dạng phức tạp. Do vậy, nhu cầu kiểm tra các kích thước biên dạng 3D của chi tiết cơ khí trong quá trình sản xuất và nghiên cứu khoa học đặt ra ngày càng nhiều. Phương pháp đo lường kiểm tra biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí trên thế giới hiện nay vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp và thiết bị đo lường tiếp xúc như: máy đo tọa độ CMM, máy đo độ tròn, máy đo độ nhám bằng đầu dò… Phương pháp đo tiếp xúc có độ chính xác cao nhất nhưng đòi hỏi thao tác đo phức tạp và tốc độ đo rất thấp, chỉ đạt được vài phép đo một giây, không đáp ứng được việc đo lường kiểm tra rất nhiều điểm trên toàn bộ biên dạng bề mặt chi tiết. Để giải quyết khó khăn này hướng nghiên cứu ứng dụng hiện nay là các phương pháp không tiếp xúc mà chủ yếu là phương pháp quang học. Với ưu điểm lớn của ánh sáng là truyền với tốc độ rất cao tạo nên các phép đo kích thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo hiện nay đã đạt đến hàng triệu phép đo trong một giây. Các phương pháp đo lường biên dạng 3D quang học được nghiên cứu, phát triển và thường được sử dụng là: đo thời gian truyền sóng ánh sáng, phương pháp chụp ảnh stereo, quét tia laser hoặc ánh sáng cấu trúc. Trong đó, phương pháp quét tia laser có độ chính các cao nhất song tốc độ đo không cao và điểu khiển quá trình đo phức tạp hơn. Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc có tốc độ đo cao nhất nhưng độ chính xác thấp hơn phương pháp quét tia laser. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là phương pháp chiếu chùm ánh sáng cấu trúc thường được gọi là ảnh mẫu ánh sáng (pattern images) được mã hóa theo hàm cường độ hoặc màu sắc theo không gian và thời gian lên bề mặt 3D chi tiết cần đo. Ảnh mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D chi tiết đo được thu lại bằng máy ảnh. Do sự thay đổi về độ cao các điểm trên bề mặt 3D chi tiết đo làm biến dạng các vân trong ảnh mẫu ánh sáng. Sự biến dạng của ảnh mẫu ánh sáng trên chi tiết đo so với ảnh mẫu ánh sáng cho phép xác định được tọa độ các điểm trên bề mặt chi tiết đo thông qua phương pháp tam giác lượng quang học (optical triangulation). Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật quang điện tử và công nghệ máy tính, phương pháp đo biên dạng 3D quang học ngày càng trở nên dễ dàng hơn, tốc độ đo và độ chính xác ngày càng cao, có thể đo nhiều chi tiết đồng thời [9], [18]. Nhược điểm tồn tại hiện nay của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là có độ chính xác còn hạn chế so với phương pháp quét tia laser. Do chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường và đặc điểm cấu tạo hoạt động của các hệ thống đo sử dụng ánh 1 sáng cấu trúc. Điều này đang cản trở ứng dụng của phương pháp đo này vào đo lường các chi tiết cơ khí. Do vậy, cùng với việc nâng cao tốc độ và tính linh hoạt nhiều hướng nghiên cứu gần đây trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu các phương pháp để đảm bảo và nâng cao độ chính xác của phương pháp đo này khi đo lường kiểm tra các chi tiết cơ khí [20], [61], [62]. Trong các phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc mã hóa theo thời gian như: phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường và các phương pháp kết hợp thì phương pháp dịch pha có ưu điểm lớn nhất về độ phân giải cao là cơ sở cho phép đo tạo nên độ chính xác cao. Vì vậy, phương pháp đo dịch pha tỏ ra phù hợp nhất để đo biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí vừa có độ phức tạp cao về hình dạng vừa đòi hỏi độ chính xác đo cao. Trong phương pháp dịch pha vì sử dụng ảnh mẫu ánh sáng chiếu được điều chế cường độ điểm ảnh dạng sin cho phép nội suy giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy chiếu trong mỗi chu kỳ sin, cho kết quả đo biên dạng bề mặt với độ phân giải cao. Tuy nhiên phương pháp này do sử dụng kỹ thuật nội suy và lượng tử hóa mức xám nên bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu và quá trình gỡ pha của phương pháp này khá phức tạp dễ gây lỗi gỡ pha làm phát sinh các sai số đo rất lớn. Vì vậy cần thiết phải kết hợp các phương pháp khác để khử nhiễu đồng thời giúp đơn giản hóa quá trình gỡ pha. Trong các phương pháp đó thì phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) để gỡ pha là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng và thích hợp với đặc điểm chung của chi tiết cơ khí biên dạng phức tạp, không liên tục hay độ dốc lớn bởi vừa có độ phân giải cao vừa có khả năng chống nhiễu cao. Tuy nhiên, cũng như các phương pháp đo quang học khác phương pháp PSGC gặp phải nhiều khó khăn khi đo các chi tiết có bề mặt nhẵn bóng cao hoặc biến đổi lớn về độ phản xạ trên bề mặt [46], [93] kết quả đo không chỉ có sai số đo lớn mà nhiều khi không thực hiện được phép đo. Đây là vấn đề đang được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu để nâng cao độ chính xác hệ thống đo khi sử dụng phương pháp PSGC đo bề mặt 3D các chi tiết cơ khí. Hiện nay, ở Việt Nam các loại thiết bị đo 3D biên dạng bề mặt sử dụng để đo lường trong công nghiệp hầu hết là các thiết bị nhập khẩu và số lượng rất hạn chế do chi phí đầu tư cao. Ngoài ra, trong quá trình sử dụng thiết bị các cơ sở vẫn chưa làm chủ được thiết bị hoàn toàn về các đặc tính kỹ thuật của thiết bị. Do vậy, quá trình bảo trì bảo dưỡng và nâng cấp thiết bị yêu cầu chuyên gia nên không chủ động được về công nghệ cũng như chi phí. Việc nghiên cứu phương pháp, xây dựng hệ thống đo 3D biên dạng bề mặt chi tiết cơ khí trong điều kiện thực tế Việt Nam sẽ cho hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật. 2 Như vậy, một trong các vấn đề đang được quan tâm nhất hiện nay trong lĩnh vực đo lường 3D biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc là đảm bảo độ chính xác, cải thiện những hạn chế của phương pháp đo này khi đo chi tiết cơ khí. Với mục đích nghiên cứu các phương pháp kỹ thuật để góp phần nâng cao độ chính xác và đảm bảo chất lượng sản phẩm trong sản xuất cơ khí, tăng được tính chủ động trong công nghệ đo lường, hạn chế lệ thuộc vào bí mật công nghệ, phần mềm và giảm chi phí nhập khẩu từ nước ngoài. Đây cũng là lý do để lựa chọn nội dung nghiên cứu của luận án: Nghiên cưu sư dung phương phap anh sang câu truc để nâng cao chât lượng đo chi tiết cơ khí. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Mục đích nghiên cứu Mục đích chính của luận án là nghiên cứu nâng cao độ chính xác của phép đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc mã dịch pha kết hợp mã Gray để đo lường biên dạng 3D các chi tiết cơ khí được gia công bằng công nghệ CNC. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án là hệ thống đo theo phương pháp PSGC sử dụng máy ảnh và máy chiếu số để đo lường các chi tiết được gia công bằng công nghệ phay CNC. Cụ thể là nghiên cứu các phương pháp làm tăng độ chính xác tích hợp và hiệu chuẩn hệ thống máy đo PSGC. Đo lường các chi tiết cơ khí có độ phản xạ cao. Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp làm giảm các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC bằng bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ. Nghiên cứu các phương pháp giảm ảnh hưởng của ánh sáng phản xạ bề mặt khi đo các chi tiết hợp kim nhôm khi phay tinh bằng máy phay CNC. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học - Đã nghiên cứu xác lập được một số vấn đề về cơ sở lý thuyết xây dựng quy trình tích hợp hệ thống đo ứng dụng phương pháp PSGC để đo các chi tiết cơ khí gia công bằng công nghệ CNC. Với khả năng lựa chọn các thông số cấu hình hợp lý, yêu cầu phạm vi đo và độ phân giải đảm bảo nâng cao độ chính xác phép đo. - Nghiên cứu hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của độ phản xạ bề mặt bằng phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp và ghép đám mây điểm bù vùng bóng cho các bề mặt chi tiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao và hình dáng biến đổi nhiều. 3 - Xây dựng được một quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống đo bề mặt 3D thông qua các tiêu chuẩn quốc tế. Ý nghĩa thực tiễn - Xây dựng hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết có thể ứng dụng trực tiếp trong phép đo mà không cần một phương pháp xử lý bề mặt đo nào, cũng như không cần thiết lập thêm hệ thống và phần cứng phụ trợ phức tạp. - Quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống sẽ giúp cho việc nghiên cứu hoàn thiện độ chính xác các hệ thống đo ánh sáng cấu trúc. - Kết quả đạt được của đề tài là cơ sở xây dựng lựa chọn, tích hợp các thông số hợp lý cho một hệ thống đo PSGC phù hợp với phạm vi đo và độ phân giải xác định giúp quá trình tính toán thiết kế hệ thống đo đạt độ chính xác cao nhất. 4. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được các kết quả có thể đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu, luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, sử dụng các công cụ toán học kết hợp tin học xử lý kết quả thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát phân tích, tổng hợp các công trình nghiên cứu của các tác giả trong nước và quốc tế liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận án để xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Sử dụng các phương pháp diễn dịch trong lý thuyết quang hình học để tìm hiểu mối quan hệ giữa các thông số làm việc của hệ thống đo PSGC. Xây dựng các thuật toán và chương trình xử lý tín hiệu đo. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng hệ thống thực nghiệm của phương pháp PSGC phù hợp với các nội dung nghiên cứu của luận án, cho phép thực nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo của hệ thống đo PSGC. Thu thập, phân tích số liệu và xử lý các kết quả thực nghiệm, so sánh, kiểm chứng, giữa các kết quả thực nghiệm với lý thuyết bằng các phần mềm xử lý kết quả thực nghiệm. 5. Kết cấu của luận án Luận an bao gồm 4 chương: Chương 1: Đo lường bề mặt 3D chi tiết cơ khí sư dung phương phap anh sang câu truc. Chương 2: Phương phap nâng cao đđ chính xac hiệu chuẩn hệ thống đo PSCC. Chương 3: Phương phap giim inh hưưng của phin xạ bề mặt chi tiết cơ khí. Chương 4: Xây dựng quy trình đanh gia đđ chính xac hệ thống đo PSCC. 4 6. Các kết quả mới Luận án đã nghiên cứu xác định một số thông số chính ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo PSGC: các thông số cấu trúc hệ thống, độ chính xác phương pháp hiệu chuẩn, đặc tính phản xạ bề mặt và phương pháp xử lý dữ liệu 3D. Xây dựng thuật toán và phần mềm chương trình đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray để nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn đã xác định được các thông số hợp lý về: kích thước ô vuông bàn cờ, độ chính xác ô vuông bàn cờ, giới hạn góc nghiêng cho phép trong hiệu chuẩn và ảnh hưởng của ánh sáng môi trường. Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết bằng cách ghép đám mây điểm ở các thời gian phơi sáng phù hợp Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết bằng cách đo chi tiết ở các hướng khác nhau và ghép đám mây điểm bù vùng bóng. Xây dựng quy trình đánh giá sai số của hệ thống đo PSGC dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế ISO để đánh giá độ chính xác hệ thống đo trong nghiên cứu và chế tạo sử dụng. 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC Chương này trình bày tổng quan về phương pháp đo biên dạng bề mặt 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc với phương pháp PSGC, làm rõ các ưu nhược điểm của phương pháp khi đo các chi tiết cơ khí. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác hệ thống cũng được đề cập đến nhằm phân tích các vấn đề đã được giải quyết và các vấn đề còn tồn tại. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này như: thông số hình học của hệ thống, đặc tính bề mặt, vật liệu của chi tiết đo, phương pháp xử lý dữ liệu 3D, thông số kĩ thuật của thiết bị. Khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, đặc biệt tập trung hai yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác là độ chính xác hiệu chuẩn và đặc tính phản xạ bề mặt chi tiết đo. Thông qua việc trình bày tình hình nghiên cứu, phần kết luận chương 1 tổng quát hóa về các vấn đề được trình bày và đề xuất phương án nghiên cứu. 1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Trong những năm gần đây, với những tiến bộ trong kỹ thuật hình ảnh số, máy chiếu kỹ thuật số và công nghệ thông tin, kỹ thuật đo hình dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc đã phát triển nhanh chóng và được ứng dụng vào rất nhiều ngành như: công nghiệp, an ninh, thời trang và giải trí. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được ứng dụng trong các thiết bị đo lường kiểm soát chất lượng trong sản xuất, chuẩn đoán bệnh trong y tế, bảo tồn di sản trong khảo cổ học hay đo lường kích thước cơ thể người trong công nghệ thời trang và giải trí. Với phép đo đạt độ chính xác cao, thời gian lấy mẫu nhanh, cho phép dựng ảnh 3D chi tiết đo nhanh chóng có thể thực hiện theo thời gian thực [21]. Ngoài ra, sự phát triển của khoa học máy tính đã trợ giúp đáng kể cho con người trong việc thiết kế và mô phỏng trong công nghiệp từ các kích thước đo trên sản phẩm. Trong công nghiệp, máy đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc có thể số hoá nhanh chóng hình dáng của các chi tiết khác nhau. Các dữ liệu số hoá có thể mô phỏng một cách chính xác biên dạng 3D bề mặt chi tiết đo và được thể hiện trên màn hình máy tính, có thể tạo tùy biến phù hợp cho bất kỳ số lượng chi tiết đo. Bằng cách so sánh dữ liệu đo với dữ liệu thiết kế sử dụng phần mềm ứng dụng, có thể đưa ra các báo cáo đo kiểm một cách nhanh chóng và nhất quán, dựa trên phân tích sai số tổng thể, kích thước hình học, sai lệch hình dáng chi tiết đo. Việc này cho phép cải tiến tốc độ và chất lượng trong quá trình sản xuất một cách rõ rệt đặc biệt là trong ngành cơ khí. Các ứng dụng đo lường bằng ánh sáng cấu trúc đã tận dụng được một số ưu điểm của phương pháp đo lường quang học như [69]: - Tốc độ đo hình dạng 3D bề mặt của phương pháp này cao hơn so với các phương pháp đo tiếp xúc. Do phương pháp này đo được nhiều điểm của một vùng bề 6