Nghiên cứu mức độ chính xác khi đo profile bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG HUY LONG Đặng Huy Long CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU ĐỘ CHÍNH XÁC KHI ĐO PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LASER LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHẾ TẠO MÁY 2012-20114 Hà Nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Huy Long NGHIÊN CỨU ĐỘ CHÍNH XÁC KHI ĐO PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LASER Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VĂN VINH Hà Nội – 2014 LỜI CAM OAN Tôi xin cam đoan luận văn với đề tài“Nghiên cứu độ xác đo profile bề mặt chi tiết máy phương pháp qt laser’’ cơng trình nghiên cứu riêng chưa công bố cơng trình khác Các số liệu nêu luận văn trung thực Hà Nội, ngà 24 tháng 09 nă 2014 Tác giả luận văn Đặng Huy Long ĐẶNG HUY LONG 2012BCTM.KH MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HINH VẼ MỞ U CHƢƠNG 1: O LƢỜNG PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ 1.1 Đặc điểm chung biên dạng bề mặt chi tiết khí 1.2 Các phương pháp kiểm tra chi tiết gia công 1.2.1 Đo lường thông số chi tiết máy phương pháp đo tiếp xúc 10 1.2.2 Đo lường thông số chi tiết máy phương pháp h ng tiếp 1.2.3 Đặc điể c 11 hi dùng quét laser hí chế tạo 15 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP O QUÉT LASER 18 2.1 Cơ sở phương pháp đo 18 2.1.1 Nguyên lý phương pháp đo quét lazer 18 2.1.2 Nguyên lý đo theo phương pháp tạo ảnh 19 2.2 Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo chung máy quét laser 19 2.2.1 Nguyên lý làm việc máy quét laser 19 2.1.2 Phần mề điều khiển máy quét laser 3D 23 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ xác đo quét tia laser 26 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HƢỞNG TRONG THỰC TẾ TỚI ÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH Ộ CHÍNH XÁC KHI O PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUÉT LASER 28 3.1 Chi tiết thực nghiệm 28 3.2 Thực nghiệm yếu tố ảnh hưởng tới độ xác đo bề mặt chi tiết máy phương pháp quét laser 29 3.2.1 Ảnh hưởng bề mặt chi tiết sau gia công 29 3.2 Ảnh hưởng hình dạng bề mặt chi tiết 35 3.2.3 Ảnh hưởng điều kiện i trường đo 38 3.2 Ảnh hưởng đường kính tia lazer 41 ĐẶNG HUY LONG 2012BCTM.KH 3.2.5 Ảnh hưởng độ bóng 44 3.2.6 Ảnh hưởng sai lệch dịch chuyển 46 KẾT LUẬN …55 ĐẶNG HUY LONG 2012BCTM.KH DANH MỤC HINH VẼ H nh H nh dạng bề mặt chi tiết tiện C C Hình 1.2 Hình dạng bề mặt chi tiết phay CNC H nh Phương pháp stereo vision 11 Hình 1.4 Nguyên lý Photogrammetry 12 H nh 5: guyên lý quét điểm bề mặt chi tiết 14 Hình 1.6: Nguyên lý quét vệt bề mặt chi tiết đo 15 H nh guyên lý đo phản xạ 18 H nh 2: guyên lí đo tạo ảnh máy quét 3D laser 19 Hình 2.3 Nguyên lý làm việc máy quét laser 19 H nh Sơ đồ nguyên lý máy quét vật tròn xoay 21 Hình 2.5 Mơ hình máy qt laser 3D vật tròn xoay 21 H nh Sơ đồ nguyên lý quét mặt phẳng 22 Hình 2.7 Mơ hình máy qt laser 3D vật phẳng 23 Hình 2.8 Giao diện phần mềm đo quét laser 24 Hình 2.9 Giao diện phần mềm đo quét laser 24 Hình 2.10 Hình ảnh kết thực nghiệm 25 Hình 3.1 Chi tiết 28 Hình 3.2 Chi tiết 28 Hình 3.3 Chi tiết 29 Hình 3.4 Chi tiết thực nghiệm ảnh hưởng bề mặt chi tiết sau gia công tới kết đo máy quét laser 3D 31 Hình 3.5 Hình ảnh kết đo bề mặt chi tiết sau gia công 31 Hình Đồ thị biểu diễn đường kính bước1 mẫu thực nghiệm 32 Hình 3.7 Kết thực nghiêm bề mặt trụ sau sử lý bề mặt 34 Hình 3.8 Kết thực nghiêm bề mặt trụ ren thu 35 Hình 3.9 Chi tiết thực nghiệm ảnh hưởng hình dạng bề mặt chi tiết đến sai số phương pháp đo quét laser 3D 36 Hình 3.10 Chi tiết thực nghiệm ảnh hưởng hình dạng bề mặt chi tiết đến kết đo máy quét laser 3D 36 Hình 3.11 Kết thực nghiệm chi tiết 37 Hình 3.12 Tọa độ điểm profile bề mặt chi tiết 37 Hình 3.13 Chi tiết thực nghiệm ảnh hưởng điều kiện môi trường đo tới kết đo máy quét laser 3D 38 Hình 14 Kết đo chi tiết mẫu với cường độ ánh sáng thay đổi 39 ĐẶNG HUY LONG 2012BCTM.KH Hình 3.15 Kết đo với cường độ ánh sáng 94 LUX 39 Hình 3.16 Kết đo với cường độ ánh sáng 490 Lux 40 Hình 3.17 Kết đo với cường độ ánh sáng 350 Lux 40 Hình 3.18 Chi tiết thực nghiệm ảnh hưởng đường kính tia laser tới kết đo máy quét laser 3D 41 H nh Đồ thị ảnh hưởng đường kính tia laser đến Profile chi tiết máy 42 Hình 3.20 Chi tiết thực nghiệm ảnh hưởng độ bóng tới kết đo máy quét lase r 3D 44 Hình 3.21 Hình ảnh profile biện dạng chi tiết ảnh hưởng độ bóng 44 Hình 3.22 Kết quét biên dạng chi tiết sau xử lý 45 Hình 3.23 Bộ đọc thước quang WE 6803 46 H nh 24 Sơ đồ bố trí thí nghiệm kiểm tra độ xác điều khiển dịch chuyển trục máy 46 H nh 25 Sơ đồ thuật toán điều khiển bước dịch chuyển trục máy 47 Hình 3.26 Sai lệch vị trí dịch chuyển trục X khoảng 0mm bước 0.1mm 48 Hình 3.27 : Sai lệch vị trí dịch chuyển trục X khoảng 0mm bước 0.5mm 48 Hình 3.28 : Sai lệch vị trí dịch chuyển trục X khoảng 0mm bước 1mm 49 H nh 29 Sơ đồ thuật b sai số dịch chuyển 50 Hình 3.30: Sai lệch vị trí dịch chuyển trục X khoảng 0mm bước 0.1mm 51 Hình 3.31: Sai số dịch chuyển điều khiển kín với bước dịch 0.5 mm 51 Hình 3.32: Sai số dịch chuyển điều khiển kín với bước dịch mm 52 Hình 3.33 So sánh sai số dịch chuyển theo trục X với bước 0,1 mm 53 Hình 3.34 So sánh sai số dịch chuyển theo trục X với bước 0,5 mm 53 Hình 3.35 So sánh sai số dịch chuyển theo trục X với bước mm 54 ĐẶNG HUY LONG 2012BCTM.KH MỞ U Lý chọn đề tài: Hiện phương pháp quét tia laser để đo biên dạng bề mặt chi tiết nghiên cứu sử dụng ngày rộng rãi ngành chế tạo khí, có số sở Việt Nam sử dụng loại thiết bị Tuy nhiên giá thành thiết bị đo ngành Cơ khí cịn cao hồn tồn cịn nhập khẩu, việc nghiên chế tạo thiết bị Việt Nam cần thiết phát triển ngành Cơ khí Máy quét laser 3D thiết bị đo quang học chế tạo, độ xác máy quét laser 3D chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác Để đảm bảo độ xác, độ tin cậy máy quét laser 3D máy cần thiết phải đánh giá trước đưa vào sử dụng Việc nghiên chế tạo, đánh giá ảnh hưởng máy nhằm đáp ứng phương pháp đánh giá độ xác độ tin cậy máy quét laser 3D thực cần thiết cấp bách Mục đích nghiên cứu luận văn Đề tài nằm khuôn khổ đề tài cấp B2012- 01- 33 “ ghiên cứu, chế tạo thiết bị đo quét laser 3D để sử dụng công nghiệp” Máy đo quét laser chế tạo song độ xác máy chưa cao Đề tài nghiên cứu xác định nhân tố ảnh hưởng đến độ xác thiết bị đo quét laser để nâng cao độ xác giúp cho trình sử dụng thiết kế thiết bị đạt yêu cầu kỹ thuật Các nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tìm hiểu cở sở lý thuyết phép đo profile bề mặt chi tiết máy phương pháp quét laser - Nghiên cứu xác định yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phép đo ĐẶNG HUY LONG 2012BCTM.KH - Thực nghiệm xác định thông số điều kiện đo hợp lý cho phép đo đạt độ xác cần thiết thiết bị đo Nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: o lƣờng profile bề mặt chi tiết khí Trong chương tr nh bày: Đặc điểm chung biên dạng bề mặt chi tiết khí, phương pháp kiểm tra chi tiết gia công, đặc điểm dùng máy quét laser khí chế tạo Chương 2: Phƣơng pháp đo quét laser: Trong chương tr nh bày Cơ sở phương pháp đo, sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy quét laser 3D, yếu tố ảnh hưởng tới độ xác đo quét tia laser Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá yếu tố ảnh hƣởng thực tế tới độ xác đo profile bề mặt chi tiết phƣơng pháp quét laser: Nội dung chủ yếu chương tr nh bày: Giới thiệu chi tiết thực nghiệm, thực nghiệm yếu tố ảnh hưởng máy đo tới độ xác profile bề mặt chi tiết máy đo quét máy laser 3D biện pháp khắc phục yếu tố ảnh hưởng Kết luận: Sản phẩm đề tài trình bày luận văn d ng để nâng cao độ xác độ tin cậy máy đo profile bề mặt chi tiết máy phương pháp quét laser Với nội dung nghiên cứu thực với kết thực nghiệm thu được, sản phẩm đề tài chắn áp dụng có hiệu thực tế để đánh giá độ xác máy quét laser 3D ĐẶNG HUY LONG 2012BCTM.KH CHƢƠNG 1: O LƢỜNG PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ 1.1 ặc điểm chung biên dạng bề mặt chi tiết khí Bề mặt chi tiết máy có hình dạng, chủng loại, kích thước phong phú Tuy nhiên, xét cách tổng quát chi tiết máy tổng hợp bề mặt như: trịn xoay ( trong, ngồi), mặt phẳng, mặt xoắn vít, mặt định hình Chất lượng sản phẩm ngành chế tạo máy bao gồm chất lượng chế tạo chi tiết máy chất lượng lắp ráp chúng thành sản phẩm hoàn chỉnh Đối với chi tiết máy chất lượng chế tạo chúng đánh giá thơng số sau: Độ xác kích thước bề mặt Độ xác hình dạng bề mặt Độ xác vị trí tương quan bề mặt Chất lượng bề mặt Sự đời máy C C khắc phục nhược điểm máy phay, tiện theo phương pháp cổ điển Các máy CNC thiết bị gia cơng tương đối phổ biến khả gia cơng đa dạng gia cơng nhiều bề mặt có biên dạng phức tạp: gia cơng mặt trụ ngồi, mặt trụ trong, tiện mặt ngồi, mặt trong, tiện mặt cầu phi cầu, tiện rãnh, tiện bậc, tiện mặt định hình, khoan, tiện cắt đứt, tiện ren ren ngồi… Những chi tiết gia cơng máy CNC đảm bảo yêu cầu độ bóng, độ xác kích thước biên dạng, đáp ứng nhu cầu suất chất lượng sản phẩm … H nh H nh dạng bề mặt chi tiết tiện C C Với chi tiết gia công máy tiện vạn để đo biên dạng kiểm tra hình dáng hình học chi tiết người ta thường d ng phương pháp đo dụng cụ thước cặp, panme, đồng hồ số, dưỡng…) Các phương pháp có khả kiểm tra biên dạng hình dáng hình học chi tiết, ĐẶNG HUY LONG 2012BCTM.KH Hình 3.28 Sai lệch vị trí dịch chuyển trục X khoảng 0mm bước mm Nhận xét: Dựa vào số liệu thu ta thấy dịch chuyển đo trục X sai số lớn 34µm nhỏ µm Kết luận: Với thực nghiệm bước dịch chuyển khác thấy sai số lớn dịch chuyển đo lường trục X 34 µm, thỏa mãn yêu cầu dịch chuyển xác 0.05 mm Nguyên nhân khe hở vít me đai ốc bi lắp ráp gây ĐẶNG HUY LONG 49 2012BCTM.KH b, Kiể tra độ ác điều khiển dịch chuyển trục kín có bù sai số dịch chuyển hi điều khiển vòng Nhằm nâng cao độ xác dịch chuyển đo trục X phù hợp với kết cấu thiết bị đo quét laser 3D ta sử dụng phương pháp điều khiển vịng kín có phản hồi Với phương pháp điều khiển sau dịch chuyển tọa độ bàn đo đọc cảm biến quang, giá trị đem so sánh với tọa độ lý thuyết để tính sai lệch dịch chuyển Từ giá trị sai lệnh tiến hành tính tốn liệu điều khiển cần thiết để thực việc bù sai lệch vị trí cho dịch chuyển đo bàn máy Thí nghiệm thực bù sai lệch vị trí lần bàn máy Sơ đồ thí nghiệm giống so với thí nghiệm điều khiển dịch chuyển điều khiển vịng hở Hình 3.29 Sơ đồ thuật toán bù sai số dich chuyển ĐẶNG HUY LONG 50 2012BCTM.KH Sau thí nghiệm ta có kết sau: Hình 3.30: Sai số dịch chuyển điều khiển kín với bước dịch 0.1 mm Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta thấy với bước dịch 0.1 mm sai số dịch chuyển lớn đạt µm Hình 3.31 Sai số dịch chuyển hi điều khiển kín với bước dịch 0.5 mm ĐẶNG HUY LONG 51 2012BCTM.KH Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta thấy với bước dịch 0.5 mm sai số dịch chuyển lớn đạt (µm) Hình 3.32 Sai số dịch chuyển hi điều khiển kín với bước dịch mm Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta thấy với bước dịch mm sai số dịch chuyển lớn đạt µm Nhằm đánh giá sai số dịch chuyển trước bù sau bù tiến hành so sánh kết thực nghiệm bước dịch chuyển So sánh kết thí nghiệm ta có biểu đồ sau: ĐẶNG HUY LONG 52 2012BCTM.KH Hình 3.33 So sánh sai số dịch chuyển theo trục X với bước 0,1 mm Hình 3.34 So sánh sai số dịch chuyển theo trục X với bước 0,5 mm ĐẶNG HUY LONG 53 2012BCTM.KH Hình 3.35 So sánh sai số dịch chuyển theo trục X với bước mm Kết luận Qua thực nghiệm nhận thấy yếu tố sai số dịch chuyển ảnh hưởng tới kết đo bề mặt chi tiết máy Với bước dịch chuyển hở sai số lớn 33 µm, sau tiến hành bù sai số sai số lớn giảm xuống µm Cần nghiên cứu sâu với bước dịch chuyển nhỏ để đánh giá ảnh hưởng sai số dịch chuyển tới kết đo bề mặt chi tiết máy, đưa phương pháp b tối ưu để nâng cao độ xác thiết bị ĐẶNG HUY LONG 54 2012BCTM.KH KẾT LUẬN uận văn thực số nội dung sau: - T m hiểu cấu tạo nguyên lý làm việc máy quét sử dụng tia laser - Viết thuật toán bù sai số dịch chuyển trục X với bước 0,1 mm; 0,5mm; mm ghiên cứu thực nghiệm yếu tố ảnh hưởng tới kết đo bề mặt chi tiết máy thiết bị đo máy quét laser 3D:  Đánh giá ảnh hưởng chất lượng quang học bề mặt chi tiết tới kết thiết bị đo như:  Chất lượng bề mặt chi tiết: qua nghiên cứu thấy chất lượng bề mặt ảnh hưởng lớn tới kết phương pháp đo Các chi tiết đo cần làm bề mặt để giảm thiểu ảnh hưởng tới kết qua  Bề mặt chi tiết có độ bóng cao có ảnh hưởng lớn tới kết đo phương pháp, trường hợp chi tiết có độ bóng cao CCD khơng thu ảnh vật Tuy nhiên luận văn giới hạn nghiên cứu chi tiết có độ bóng cao thấp, chưa nghiên cứu cụ thể mức độ bóng cụ thể khác  Đánh giá ảnh hưởng h nh dạng bề mặt chi tiết    ghiên cứu ảnh hưởng mức cường độ ánh sáng môi trường từ 94 lux đến 490 lux đến kết đo bề mặt chi tiết ghiên cứu ảnh hưởng đường kính tia lazer tới kết thiết bị đo ghiên cứu ảnh hưởng sai lệch dịch chuyển với bước 0, mm, 0,5 mm, mm Thông qua việc thực nghiệm thiết bị người làm luận văn nhận thấy cần có số cải tiến nghiên cứu sâu để hoàn thiện thiết bị sau: - Cần nghiên cứu thêm ảnh hưởng tải trọng tới kết đo chi tiết - Bước dịch chuyển hệ khí nhỏ 0.1mm - Tích hợp thêm cảm biến vị trí vào máy - Nghiên cứu sâu yếu tố ảnh hưởng độ bóng tới máy - Tích hợp thêm thiết bị đo cường độ ánh sáng với máy ĐẶNG HUY LONG 55 2012BCTM.KH - Cải tiến phần mềm xử lý tín hiệu với tốc độ nhanh - Camera cần có độ phân giải cao - Tăng số lượng camera quan sát vật góc độ khác ĐẶNG HUY LONG 56 2012BCTM.KH TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hoàng Ngọc Hai, Mai Xuân Toàn , Thiết kế đo quét laser 3D, Đồ án tốt nghiệp đại học, Đại học Bách khoa Hà nội, 2013, trang 13-16 [2] Phạm Ngọc Linh, Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy quét biên dạng chi tiết 3D laser Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2013, trang 13-16 [3]Nguyễn Long Lâm, Chế tạo mẫu phay CNC sử dụng quét đo laser 3D, Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2013,trang 32 [4] Dương Đức Hiếu, Nguyễn Dương H ng, Vũ Hoàng Tuấn, Thiết kế máy quét laser dạng đường, Đồ án tốt nghiệp đại học, Đại học Bách khoa Hà nội, 2010 [5] Phạm Thị Ngọc Yến, Ngơ Hữu Tình, Lê Tấn Hùng, Nguyễn Thị Lan Hương, Cơ sở Matlap ứng dụng, NXB KHKT [6] ưu Thủy Chung, Xử lý số liệu hi đo ích thước chi tiết phương pháp quét laser, Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2009 [7] Nguyễn Phùng Quang, Matlap & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Tiếng Anh [8] Nermina ZAIMOVIC-UZUNOVIC, Samir LEMES - INFLUENCES OF SURFACE PARAMETERS ON LASER 3D SCANNING, University of Zenica, Fakultetska, 2010 [9]http://www.academia.edu/2458780/Influences_of_Surface_Parameters_On_Laser_ 3D_Scanning [10] http://www.easyrgb.com/index.php?X=TINT [11] emeš, S.;Zaimović-Uzunović, N., 2009,Study of ambient light influence on laser 3D scanning, Conferenceproceedings: 7th International Conference on IndustrialTools and Material Processing Technologies ICIT & MPT,Ljubljana, Slovenia, October 4th7th 2009; 327-330 ĐẶNG HUY LONG 57 2012BCTM.KH PHỤ LỤC Modun: Điều khiển dịch chuyển kín với bước dịch function OK_X_Callback(hObject, eventdata, handles) global buocx buocy toadoX toadoY xungy xungx ktx rx chuyen_y chuyen_x solan com soanh kt ry kty kt1 flag p; ii=1;kt=0;jj=1;kt1=0;soanh=0;flag = 0; buoc_x=0; x_do=0; delete XXX.xlsx tic % buocx=str2double(get(handles.sobuocx,'string'));xungx=buocx/5*5000; buocy=str2double(get(handles.sobuocy,'string'));xungy=2.5*buocy/10*5000; toadoX=str2double(get(handles.xcando,'string')); toadoY=str2double(get(handles.ycando,'string')); solan=toadoX/buocx; solan_y=abs(toadoY/buocy); if(solan_y==0 || isnan(solan_y)) solan_y=1 ; end DL=ones(solan,2); %******************************************************************** ****** if com == msgbox('CHUA CHON COM','ERROR','error'); end %******************************************************************** ****** if (toadoY