Nghiên cứu đo biến dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc419

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Đo biên dạng 3D vật thể có ý nghĩa lớn nhiều lĩnh vực sống ngành khoa học kỹ thuật Các thiết bị đo quét 3D cung cấp liệu bề mặt biên dạng chi tiết dạng đám mây điểm Những thông tin thu từ hình ảnh 3D giúp cho khả quan sát trực quan, nhận dạng, mơ xác Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc cho độ xác cao, tốc độ đo nhanh nên tập trung nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực Tại Việt Nam, sản xuất công nghiệp khí phát triển đặc biệt cơng nghệ gia công máy CNC, nhu cầu đo kiểm tra biên dạng 3D lớn Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc vấn đề lĩnh vực đo lường nước Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ xác ứng dụng thiết bị đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách giúp doanh nghiệp chủ động việc tiếp cận công nghệ tiên tiến đại giới, thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường Xuất phát từ yêu cầu thực tế tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D chi tiết phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc” Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu a) Mục đích đề tài Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D chi tiết khí từ làm chủ cơng nghệ đo, xây dựng sở tính tốn thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo Việt Nam b) Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đo lường bề mặt 3D chi tiết khí gia cơng thiết bị CNC, rèn dập, sản phẩm đúc Nghiên cứu phương pháp đo dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm sở cho việc xây dựng phương pháp đo kết hợp nhằm tăng độ xác gỡ pha Phạm vi nghiên cứu giới hạn việc nghiên cứu xây dựng sở lý thuyết thiết bị thực nghiệm sử dụng hệ camera máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo chi tiết có độ phản xạ không cao phạm vi 200x200x200 mm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a) Ý nghĩa khoa học Luận án nghiên cứu trình bày số phương pháp hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc; tập trung vào đo biên dạng 3D Nghiên cứu tổng hợp, ứng dụng mơ hình tốn học phương pháp kết hợp mã hóa Gray dịch pha Trong đó, việc sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha thể khả nâng cao chất lượng độ xác liệu đo Từ lỹ thuyết nghiên cứu, xây dựng mơ hình thiết bị đo sử dụng phương pháp mã hóa Gray kết hợp với dịch pha để thu nhận thông tin từ bề mặt số chi tiết khí liệu có khả thực phép đo hình học mơi trường 3D b) Ý nghĩa thực tiễn Đã thực nghiên cứu thiết kế, chế tạo tích hợp thiết bị đo quét biên dạng chi tiết có kích thước đối xứng 2D, sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp phương pháp mã hóa Gray dịch pha Thiết bị đảm bảo độ tin cậy phục vụ đào tạo nghiên cứu khoa học Các đóng góp luận án Ứng dụng phương pháp đo dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha vào đo lường biên dạng khí Xây dựng phần mềm khảo sát trình đo, phần mềm xử lý tín hiệu đo, phần mềm hiệu chỉnh để thiết bị hoạt động hiệu Lần xây dựng thiết bị đo biên dạng chi tiết đối xứng 2D Việt Nam phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp dịch pha mã Gray từ thành phần kết cấu có sẵn phạm vi đo (200x200x200) mm Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng mơ hình thiết bị đo chế tạo Dùng phương pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng đo lường chi tiết khí Tiến hành q trình đo lường thống kê, thực nghiệm đo biên dạng mẫu sản phẩm thiết bị chế tạo so với kết đo máy đo CMM Viện đo lường Việt Nam Sử dụng phần mềm bổ trợ cho việc tính tốn thiết kế: CAD, MS - Office, phân tích liệu ảnh: Image J, mơ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab để thực nội dung nghiên cứu đề Bố cục luận án Chương I: Trình bày kết khảo sát phương pháp đo 3D ánh sáng cấu trúc xác định hướng nghiên cứu phương pháp kết hợp dịch pha mã Gray Chương II: Nghiên cứu sở phương pháp kết hợp dịch pha mã Gray nhằm nâng cao độ xác gỡ pha Chương III: Xác lập sở cho việc tính tốn chế tạo thiết bị đo thực nghiệm Nghiên cứu đánh giá đảm bảo độ xác độ phân giải cho thiết bị đo Chương IV: Trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm thiết bị chế tạo CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1 Phƣơng pháp đo lƣờng biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc Trong công nghiệp chế tạo khí, đo lường biên dạng 3D chi tiết đóng vai trị quan trọng việc kiểm tra, kiểm sốt chất lượng sản phẩm Hình dáng kích thước chi tiết khí ngày đa dạng dẫn đến việc đo phương pháp tiếp xúc đáp ứng tốc độ, không đo chi tiết có biên dạng phức tạp 1.2 Nguyên lý phƣơng pháp đo dạng ánh sáng cấu trúc đo lƣờng biên dạng 3D 1.2.1 Nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc Thiết bị chiếu chiếu ảnh mẫu 2D thiết kế theo phương pháp mã hóa định lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu nhận biết thơng qua hệ thống camera Phân tích liệu ảnh kết hợp phương pháp mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm chi tiết đo 1.2.2 Khái niệm phân loại ánh sáng cấu trúc “Ánh sáng cấu trúc chùm tia sáng mà tia sáng mã hóa cường độ màu sắc.” Các dạng ánh sáng cấu trúc mã hóa với mục đích xác định lưới điểm đo không gian chiếu Độ phân giải phương pháp đo (khoảng cách gần điểm mã hóa) phụ thuộc vào cách mã hóa độ phân giải hệ thống chiếu vân camera Phương pháp dịch pha có độ phân giải cao phương pháp đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc 1.2.3 Hệ chiếu mẫu vân sáng Có nhiều phương pháp tạo mẫu vân sáng sử dụng giao thoa laser, dùng cách tử nhiễu xạ, dùng máy chiếu Phương pháp giao thoa laser chiếu sáng qua cách tử nhiễu xạ phù hợp với phép đo có vùng đo nhỏ cần độ xác cao tạo mẫu sáng chiếu có chu kì sin nhỏ, nhiên có nhược điểm kết cấu phứ c tạp địi hỏi độ xác r ất cao phạm vi đo hạn chế Với thiết bị đo thông dụng đáp ứng dải sản phẩm có kích thước trung bình thường sử dụng máy chiếu kỹ thuật số Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP [27] 1.2.4 Hệ thu ảnh vân Để thu lại hình ảnh mẫu chiếu chiếu lên bề mặt chi tiết đo cần sử dụng hệ thu ảnh vân thường camera Ảnh thu chứa đựng thông tin độ cao điểm vật đo thông qua biến đổi dạng, màu sắc mẫu chiếu bề mặt biên dạng vật cần đo mang lại Quy ước hệ tọa độ mơ hình camera lỗ nhỏ [133] Một điểm P(x P, yP , zP) trường camera tạo ảnh P’ cảm biến xác định sau: Chuyển đổi tọa độ điểm P từ hệ tọa độ không gian vào hệ tọa độ camera xác định được: (1.4) Trong đó: R, T ma trận quay ma trận chuyển vị Ảnh điểm P cảm biến ảnh P’(u, v) theo tọa độ camera tọa độ điểm P’ xác định bởi: (1.5) Do điểm P tạo ảnh cảm biến qua hệ quang yếu tố quang sai ảnh hưởng đến trình tạo ảnh xác định tọa độ điểm ảnh thu cảm biến; tọa độ điểm ảnh lý tưởng quang sai, tọa độ điểm ảnh P xác định bởi: (1.6) Trong đó: thơng số đặc trưng cho quang sai hệ thống quang học Chuyển đổi tọa độ từ hệ tọa độ camera sang hệ tọa độ cảm biến ảnh: (1.7) Ma trận A gọi ma trận nội tham số camera, với f x, fy tiêu cự theo phương x, y; α hệ số nghiêng cảm biến ảnh hai phương u v; ( ) tọa độ tâm cảm biến ảnh 1.3 Các mơ hình biến thể kỹ thuật phƣơng pháp đo ánh sáng cấu trúc Các mơ hình biến thể kỹ thuật phân loại dựa cách bố trí tương quan cụm cảm biến gồm camera máy chiếu so với mặt phẳng tham chiếu chia làm dạng: Dạng 1: mặt phẳng ảnh cảm biến camera song song với mặt phẳng tham chiếu Dạng 2: mặt phẳng ảnh cảm biến máy chiếu song song với mặt phẳng tham chiếu Dạng 3: mặt phẳng ảnh cảm biến máy chiếu camera bố trí 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới Hình 1.24 Sơ đồ hướng nghiên cứu đo biên dạng 3D phương pháp chiếu mẫu vân Trong khoảng 30 năm trở lại việc sử dụng ánh sáng cấu trúc đo lường nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Các cơng trình nghiên cứu tập trung vào vấn đề tồn bước theo sơ đồ hình 1.24 Những nghiên cứu hãng ứng dụng chế tạo thiết bị đo ánh sáng cấu trúc GOM, FARO, ARTEC cho đời dòng sản phẩm phục vụ công nghiệp Tuy nhiên, thiết bị đo kể thường sử dụng hệ vân chiếu mã hóa Gray mã hóa nhị phân cho độ phân giải khơng cao, phần mềm đóng gói khơng thể can thiệp, đối tượng đo thường phục vụ dạng sản phẩm thủ cơng mỹ nghệ, chi tiết có biên dạng bề mặt khơng địi hỏi độ xác cao Do đó, cần nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo lĩnh vực khí làm chủ kỹ thuật công nghệ, hiểu rõ phương pháp đo lĩnh vực giúp cho sử dụng hiệu thiết bị có đồng thời tạo khả tự chế tạo Góp phần phổ cập nâng cao chất lượng sản xuất khí Việt Nam ứng dụng lĩnh vực khác như: y tế, thời trang, an ninh… 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước Tại Việt Nam, lĩnh vực đo lường biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc mẻ Khi NCS lựa chọn đề tài nghiên cứu năm 2011 chưa thấy có cơng trình nghiên cứu vấn đề chí khái niệm ánh sáng cấu trúc chưa có tài liệu nước đề cập đến Nhìn chung hướng nghiên cứu Việt Nam chưa đáp ứng yêu cấu tìm hiểu khai thác thiết bị thuộc lĩnh vực đo lường biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo trở nên cấp bách giúp cho sử dụng hiệu có khả tự chế tạo Việt Nam từ cho phép ứng dụng rộng rãi nâng cao chất lượng phát triển ngành khí 1.5 Nội dung nghiên cứu chủ yếu luận án Nghiên cứu tập trung vào vấn đề sau: Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Phân tích dạng ánh sáng cấu trúc để lựa chọn mẫu sáng chiếu phù hợp cho đối tượng đo chi tiết khí Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng ánh sáng cấu trúc dịch pha, nghiên cứu giải pháp sử dụng mã hóa Gray làm sở nâng cao độ xác gỡ pha Nghiên cứu xây dựng thuật toán sử dụng mã hóa Gray làm sở cho việc gỡ pha phương pháp dịch pha, xây dựng mơ hình toán học xác định tọa độ điểm đo cho phương pháp kết hợp để dựng lại đám mây điểm đo bề mặt vật đo Nghiên cứu xác định phương pháp hiệu chỉnh cho thiết bị đo Nghiên cứu xác lập sở cho việc tính tốn chế tạo thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, xây dựng thuật toán điều khiển xử lý liệu đo Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thiết bị chế tạo, xác định độ xác thiết bị đo, nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến độ xác kết đo, kiểm chứng khả chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D chi tiết sử dụng ánh sáng cấu trúc Việt Nam CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA 2.1 Phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha Phương pháp dịch pha phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc nghiên cứu phát triển lĩnh vực đo lường sử dụng laser với nghiên cứu công bố sớm Carré năm 1966 [8] 2.1.1 Đo lường biên dạng 3D phương pháp dịch pha Khi ứng dụng sở đo biên dạng bề mặt phương pháp đo giao thoa laser vào phương pháp đo ánh sáng cấu trúc, việc tạo vân giao thoa thay đổi dịch chuyển mặt phẳng tham chiếu thay thiết bị chiếu vân chiếu dạng sin lệch pha Camera ghi lại hình ảnh để phân tích liệu đo hình thành lên ngun lý đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp dịch pha Hình 2.1 Sơ đồ khối trình đo theo phương pháp dịch pha 2.1.2 Các thuật toán dịch pha Trong phương pháp dịch pha yếu tố quan trọng xác định thuật toán dịch pha, với thuật toán khác xác định quy trình đo cách xử lý liệu đo khác 2.1.2.1 Thuật toán bước dịch pha [17] 2.1.2.2 Thuật toán ba bước dịch pha kép[17] 2.1.2.3 Thuật toán dịch pha Carré [17] 2.1.2.4 Giải thuật Hariharan [17] 2.1.3 Các phương pháp gỡ pha Trong phương pháp dịch pha điểm đo mã hóa giá trị pha Theo lý thuyết giá trị pha xác định có phân bố liên tục Tuy nhiên, thực tế ảnh pha bị giới hạn mức độ xám, nhiễu xuất ảnh, bóng vật thể điểm khơng xác định giá trị pha có bước nhảy lớn 2π Quá trình gỡ pha mang (pha tương đối) để xây dựng ảnh pha tuyệt đối bước quan trọng định độ xác phép đo sử dụng phương pháp dịch pha 2.1.3.1 Phương pháp gỡ pha không gian 2.1.3.2 Phương pháp gỡ pha theo thời gian 2.1.4 Đặc điểm phương pháp dịch pha Phương pháp dịch pha có ưu điểm đặc trưng như: độ xác cao, độ phân giải cao phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Trong trình đo cần dựng lại ảnh pha tuyệt đối phương pháp gỡ pha, bước chịu nhiều ảnh hưởng điều kiện đo, đặc điểm hình dạng màu sắc độ phản xạ chi tiết đo 2.2 Nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray để tăng độ xác gỡ pha phƣơng pháp dịch pha 2.2.1 Phương pháp mã hóa Gray Mã hóa Gray dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng phương pháp quét biên dạng 3D chi tiết với mẫu chiếu có vạch trắng đen xen kẽ 2.2.2 Nghiên cứu gỡ pha mã hóa Gray phương pháp dịch pha Các mẫu chiếu điều chế cường độ sáng theo cơng thức: Trong đó: tương ứng cường độ sáng phân bố tọa độ (x, y) mẫu chiếu; I 0(x, y) cường độ sáng thành phần nền, (x, y) biên độ tín hiệu điều chế, (x, y) thành phần pha Từ giá trị pha xác định cơng thức: (2.55) Hình 2.6 Phân bố cường độ sáng chu kì đầu mẫu chiếu Trong khơng gian mã hóa mã Gray giá trị pha có dạng bậc thang, quy ước giá trị pha khơng gian tạo mã hóa Gray có giá trị biến thiên từ ÷ 2π bước nhảy có giá trị 2π Hình 2.8 Phân bố pha khơng gian mã hóa Gray Tại điểm i cần khảo sát chu kì thứ k phương pháp dịch pha có giá trị pha tuyệt đối Фki, có giá trị pha tương đối xác định theo phương pháp dịch pha Øki, theo phương pháp mã hóa Gray vạch liền kề phía trước điểm i có giá trị pha GC k Khi pha tuyệt đối xác định bởi: Ф ki = GCk + Øki/2π (2.56) 2.3 Xác định tọa độ điểm đo phƣơng pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha 2.3.1 Xác định tọa độ theo hai phương x, y Chuyển đổi tọa độ camera không gian 3D xác định được: 10 (2.58) Trong đó: R, T ma trận quay ma trận chuyển vị đặc trưng cho thông số ngoại tham số camera Trên biểu thức có nhiều thơng số cần xác định xác như: L, d, ma trận A, R, T Các đại lượng xác định xác theo phương pháp hiệu chi trình bày mục 2.4 2.3.2 Xác định tọa độ theo phương z Hình 2.14 Sơ đồ xác định đám mây điểm đo Các bước để tính tốn vị trí 3D điểm M sau: MR C PNP CMI , NR C PNP CNI Hình 2.13 Phép đo sử dụng tam giác lượng giao điểm đường thẳng đường thẳng [6] Để sử dụng nguyên lý đường giao đường xác định tọa độ điểm đo cần thông số q trình hiệu chỉnh như: vị trí tâm camera máy chi ếu, mặt phẳng ảnh camera máy chiếu ảnh pha tuyệt đối dựa phương pháp đo 11 2.4 Xây dựng phƣơng pháp hiệu chỉnh Khi sử dụng thiết bị đo cần trình hiệu chỉnh để xác định yếu tố ảnh hưởng điều kiện đo đến độ xác phép đo, xác định thông số kĩ thuật camera bao gồm: ma trận nội tham số gồm thông số giúp cho tính tọa độ vật lên cảm biến hình ảnh camera, tham số méo ảnh tính tốn dạng quang sai hệ ống kính camera gây nên, ma trận ngoại tham số tính tọa độ điểm ảnh thu tọa độ máy 2.4.1 Phương pháp hiệu chỉnh camera 2.4.2 Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh hệ thống camera máy chiếu hệ thống phát thu ánh sáng cấu trúc Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh camera, máy chiếu thiết bị đo biên dạng 3D dùng ánh sáng cấu trúc cần xác định tham số gồm: Ma trận nội tham số: (2.84) Hệ số méo ảnh: (2.85) Ma trận ngoại tham số: (2.86) 2.5 Kết luận chƣơng Trong chương khảo sát phân tích phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết sử dụng phương pháp dịch pha kết hợp với mã hóa Gray làm sở nâng cao độ xác gỡ pha 12 Xây dựng lên thuật toán sử dụng mã hóa Gray làm sở cho việc gỡ pha phương pháp dịch pha, xây dựng mơ hình tốn học xác định tọa độ điểm đo Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh cụm cảm biến xác định thông số camera máy chiếu CHƢƠNG CƠ SỞ XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG PHƢƠNG PHÁP DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA 3.1 Xây dựng sở tính tốn thiết kế cụm cảm biến 3.1.1 Xác định khoảng dịch chuyển cụm cảm biến 3.1.2 Xác định vị trí tính tốn lựa chọn camera máy chiếu 3.1.3 Xây dựng sở thiết kế dựa độ phân giải đo Hình 3.5 Sơ đồ khối trình đo sử dụng phương pháp kết hợp dịch pha mã hóa Gray Quá trình đo chi tiết sử dụng phương pháp kết hợp trình bày theo sơ đồ hình 3.5 Thiết bị chiếu chiếu ảnh mẫu phương pháp mã hóa 13 Gray phương pháp dịch pha lên bề mặt vật đo Phương pháp mã hóa Gray bit nên số ảnh chiếu 34 ảnh; phương pháp dịch pha bước có số ảnh chiếu ảnh Số ảnh chiếu lên chi tiết 38 ảnh Camera thực việc ghi lại 38 ảnh chi tiết chiếu ảnh mẫu gửi hệ thống xử lý liệu Bộ phận xử lý liệu ảnh tính tốn để xây dựng tọa độ điểm đo + Thực giải thuật giải mã với liệu đầu vào ảnh chụp từ phương pháp Gray + Ảnh pha tương đối phương pháp dịch pha xác định từ ảnh chụp phương pháp dịch pha + Thực giải thuật kết hợp ảnh pha hai phương pháp, xây dựng ảnh pha tuyệt đối + Tọa độ đám mây điểm đo chi tiết thực giải thuật xác định tọa độ điểm đo hệ thống có thông số hiệu chỉnh 3.2 Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo Đối tượng Cảm biến (camera & máy chiếu) Ảnh hiệu chỉnh Giải thuật hiệu chỉnh thiết bị Mặt phẳng tham chiếu Mẫu ảnh chiếu Giải thuật tạo mẫu ảnh chiếu Ảnh chụp đối tượng Giải thuật xây dựng ảnh pha tuyệt đối Thông số hiệu chỉnh Ảnh pha tuyệt đối đối tượng Ảnh pha mặt phẳng tham chiếu Giải thuật xây dựng đám mây điểm đo Đám mây điểm 3D đối tượng Hình 3.4 Sơ đồ xử lý tín hiệu đo Sau xây dựng mơ hình tốn học xác định thuật toán cho phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp kết hợp mã hóa Gray dịch pha xác lập giải thuật để xác định đám mây điểm đo chi tiết 14 3.2.1 Thuật toán tạo mẫu ảnh chiếu Để đo biên dạng chi tiết theo phương pháp kết hợp dịch pha mã hóa Gray cần dạng mẫu ảnh chiếu bao gồm: Ảnh chiếu mã hóa Gray Ảnh chiếu mã hóa dạng Sin cho phương pháp dịch pha Ảnh thu q trình đo gồm hai dạng ảnh ảnh mã hóa Gray ảnh mã hóa sin 3.2.2 Các thuật toán xử lý liệu ảnh bao gồm: Thuật tốn xử lý ảnh mã hóa Gray Thuật tốn dựng ảnh pha tương đối cho phương pháp dịch pha Thuật tốn gỡ pha sử dụng mã hóa Gray cho phương pháp dịch pha 3.2.3 Thuật toán xác định đám mây điểm đo Phương pháp hiệu chỉnh cho cụm cảm biến xác định thông số kỹ thuật vị trí camera máy Kết hiệu chỉnh xác định tâm máy chiếu tâm camera, sử dụng thuật toán đường giao đường để xác định tọa độ điểm đo 3.2.4 Thuật toán hiệu chỉnh hệ thống Quá trình hiệu chỉnh thực dựa tệp liệu ảnh chụp vị trí khác mẫu in ô vuông bàn cờ vùng đo, số ảnh vị trí tương ứng với số mẫu chiếu dùng trình đo 3.3 Đánh giá sai số ảnh hƣởng đến độ xác thiết bị đo Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Những yếu tố thiết bị đo, môi trường đo thân vật đo mang lại Xét trường hợp yếu tố ảnh hưởng thiết bị đo đem lại nhận thấy có ba yếu tố ảnh hưởng lớn là: ảnh hưởng vị trí camera máy chiếu cụm cảm biến, ảnh hưởng độ xác pha, ảnh hưởng quang sai hệ thống 3.4 Áp dụng tính tốn cho thiết bị thực nghiệm STL– Để thiết kế thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc chọn máy chiếu Model InFocus IN114A Lựa chọn camera dùng thiết bị có model DFK 41BU02 hãng Imaging Source, CHLB Đức Đây camera cơng nghiệp có độ ổn định cao làm việc 15 Chọn ống kính H1214 – M(KP) cho định dạng 1/2” tiêu cự 12 (chỉ tiêu kỹ thuật ống kính H1214 –M(KP) 3.5 Kết luận chƣơng Trong chương nghiên cứu tập trung vào số vấn đề như: Xác lập sở cho việc tính tốn chế tạo thiết bị đo thực nghiệm Xây dựng thuật toán xử lý xác định tọa độ điểm đo Nghiên cứu đánh giá đảm bảo độ xác độ phân giải cho thiết bị đo CHƢƠNG XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D STL-1 VÀ THỰC NGHIỆM Thiết bị đo chế tạo vừa mục đích vừa phương tiện kiểm chứng phương pháp đo Để đánh giá kết nghiên cứu phương pháp đo, kỹ thuật đo công nghệ đo sử dụng phương pháp dịch pha dạng sin kết hợp mã hóa Gray làm sở gỡ pha cần nghiên cứu thực nghiệm thiết bị đo chế tạo 4.1 Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - -1 4.2 Tạo mẫu ảnh chiếu Trong phương pháp sử dụng mã Gray ảnh chiếu tạo tương ứng với mẫu chiếu n, số ảnh phụ thuộc vào độ phân giải cảm biến máy chiếu 16 Ảnh mẫu sin theo thiết kế với cường độ sáng I max = 255; Imin= 0; giá trị cường độ điểm ảnh ảnh mẫu theo thuật toán áp dụng 4.3 Hiệu chỉnh đặc tính quang cụm cảm biến Các thiết bị đo sau chế tạo cần hiệu chỉnh để đả m bảo nâng cao độ xác đo, thơng số cụm cảm biến u cầu q trình hiệu chỉnh bao gồm: Hiệu chỉnh phân bố cường độ sáng máy chiếu Hiệu chỉnh màu Hiệu chỉnh cường độ sáng ảnh xám Hiệu chỉnh xác định thông số kỹ thuật vị trí c camera máy chiếu 4.3.1 Hiệu chỉnh phân bố cường độ sáng máy chiếu Các thông số camera điều chỉnh ảnh hưởng đến ch ất lượng ảnh thu bao gồm: Tiêu cự ống kính camera để xác định hình ảnh rõ nét mặt phẳng tham chiếu Độ tương phản ảnh Thời gian phơi sáng (exposure time) camera Độ mịn hình ảnh 4.3.2 Hiệu chỉnh màu cho cảm biến Cường độ sáng IC 300 Cường độ mẫu chiếu 250 200 Cường độ ảnh RED 150 Cường độ ảnh GRAY Cưởng độ ảnh GREEN 100 50 0 10 20 30 Số ảnh mẫu chiếu Hình 4.11 Biểu đồ thể tương quan màu hệ cảm biến thiết bị 17 Cường độ sáng ảnh Ic 4.3.3 Hiệu chỉnh cường độ sáng ảnh xám Để tiến hành hiệu chỉnh cường độ sáng cụm cảm biến, sử dụng mẫu ảnh thiết kế có cường độ sáng ảnh xám tăng dần từ đến 250 Chiếu mẫu chiếu lên mặt phẳng có màu trắng Phân tích cường độ xám điểm trung tâm ảnh thu từ camera cho kết hình 4.12 (phụ lục P3.1) thể mối quan hệ cường độ sáng ảnh thu cường độ sáng ảnh xám mã hóa máy chiếu Như vậy, mã hóa ảnh chiếu cường độ mã hóa nhỏ 70 lớn 200 gây hi ện tượng ngưỡng m biến, thơng tin mã hóa trường hợp không thu Đây sở để xác định khoảng cường độ sáng tối ưu cho máy chiếu đảm bảo liệu mã hóa xác 300 250 200 150 100 50 0 100 200 300 Cường độ sáng mẫu chiếu I P Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ sáng mẫu chiếu cường độ sáng ảnh thu cảm biến Việc hiệu chỉnh cường độ sáng ả nh xám cho cụm m biến q trình dựa vào đặc tính tương quan phát thu máy chi ếu camera, xác đị nh khoảng cường độ sáng phù hợp để mã hóa ả nh chiếu Mục đích nhằm thu ả nh camera khơng bị tượng ngồi ngưỡng cảm biến 4.3.4 Hiệu chỉnh thiết bị thực nghiệm STL – sử dụng vng bàn cờ Q trình hiệu chỉnh xác định thông số kỹ thuật vị trí camera máy chiếu thông số đánh giá ảnh hưởng quang sai hệ quang cụm cảm biến 18 Độ phân giải sở (mm) Hình 4.16 Giao diện mơ tả kết hiệu chỉnh vị trí đặt vng bàn cờ 4.4 Xác định độ xác thiết bị đo 4.4.1 Khảo sát độ phân giải sở Độ phân giải sở thiết bị khoảng cách tương ứng với điểm ảnh thu cảm biến ảnh Mẫu chiếu Gray 10 bit (0,27x0,278 mm)/ điểm ảnh, tọa độ điểm đo xuất nhiều vùng có phân bố khơng đồng đều, điều tương tự xảy với mẫu chiếu bit Với mẫu chiếu bit cho thấy phân bố đồng điểm đo, sở để luận án lựa chọn số mã hóa Gray bit kết hợp với phương pháp dịch pha 0.37 0.35 Độ phân giải theo phương X 0.33 0.31 0.29 0.27 0.25 50 100 150 200 Khoảng dịch chuyển h (mm) Hình 4.20 Đồ thị thể quan hệ độ phân giải sở khoảng dịch chuyển h 19 Độ phân giải biến đổi tuyết tính theo chiều cao cụm cảm biến tới bàn đo Khoảng cách xa độ phân giải sở thấp 4.4.2 Đo mẫu trụ chuẩn Bán kính trụ (mm) Hình 4.19 Hình ảnh mơ chi tiết trụ đo 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 R1 R2 R3 R4 R5 50 100 150 200 Khoảng dịch chuyển h (mm) Hình 4.21 Đồ thị thể kết đo trụ chuẩn Giá trị đo R1 là: 15.071 ± 0,065 mm; sai lệch 0,063 mm Giá trị đo R2 là: 24.059 ± 0,011 mm; sai lệch 0,076 mm Giá trị đo R3 là: 21,050 ± 0,011 mm; sai lệch 0,053 mm Giá trị đo R4 là: 15.161 ± 0,228 mm; sai lệch 0,152mm Giá trị đo R5 là: 14.167 ± 0,261 mm; sai lệch 0,187 mm 20 4.4.3 Đo mẫu khối cầu chuẩn Để đánh giá độ xác thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng chi tiết đo khối cầu chuẩn Hình ảnh mơ kết đo cầu chuẩn thể hình 4.22 Hình 4.22 Hình ảnh mô kết đo cầu chuẩn Xử lý kết đo theo phân phối Student với độ tin cậy 95 % ta có kết đo bán kính cầu chuẩn là: 25.032 ± 0,017 (mm) Kết đo máy CMM R = 25,039 ± 0.007 mm Như vậy, kết đo trung bình sai khác 0,007 mm 4.5 Một số kết thử nghiệm thiết bị STL - 4.5.1 Kết đo phương chiếu Hình 4.23 Kết mơ số mẫu chi tiết sử dụng phương chiếu 21 Trong ph ạm vi quét thiết bị vị trí nhận liệu đám mây điểm vùng chi tiết Cần phải quét góc nhìn khác để đảm bảo thu hình dạng 3D tồn vật đo Do thiết bị cần có khả điều khiển vị trí vùng qt có thuật tốn xây dựng đám mây điểm từ liệu điểm phận 4.5.2 Ảnh mô liệu quét quét toàn vật thể sử dụng phương chiếu Hình 4.24 Kết mơ số mẫu chi tiết sử dụng phương chiếu Khi tiến hành ghép liệu phương chiếu kết cho biên dạng toàn vật thể đo Độ xác ghép d ữ liệu phụ thuộc vào độ xác điểm chuẩn ghép thuật toán xử lý liệu trùng lặ p điểm phương đo riêng biệt Các kết cho thấy thiết bị STL – quét mô lại liệu điểm ảnh 3D chi tiết 4.5.3 Ứng dụng thiết bị lĩnh vực an ninh Hình 4.25 Kết liệu 3D phục vụ công tác an ninh 22 Dựng lại mẫu vật hữu cơ, vết lốp xe, dấu giày, vết thương , truy cập vào hồ sơ lưu tình tiết thơng tin trường trực quan không bị hạn chế thời gian tồn dấu vết 4.6 Kết luận chƣơng Thiết bị thực nghiệm STL-1 chế tạo theo phương pháp đo dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm sở gỡ pha Đã xây dựng quy trình tiến hành thực nghiệm hiệu chỉnh thiết bị đo Thực nghiệm xác định độ xác thiết bị thông qua việc đo kiểm trụ chuẩn mẫu cầu chuẩn Thiết bị thực nghiệm STL -1 hoạt động ổn định, đo tồn chi tiết phạm vi 200x200x200 mm với thời gian đo khoảng phút Ứng dụng thiết bị đo số mẫu chi tiết khí gia cơng thiết bị CNC, đúc, rèn dập cho kết đạt yêu cầu mô biên dạng thực chi tiết đo Có thể ứng dụng thiết bị ngành khác đo hình dáng kích thước thể người, đo dựng trường an ninh KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu, tìm hiểu, nắm xây dựng sở lý thuyết, kỹ thuật để tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc đo lường biên dạng bề mặt chi tiết khí cơng nghệ gia cơng CNC Các nội dung mà luận án thực nghiên cứu đạt kết sau: Đã ứng dụng phương pháp đo dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha vào đo lường biên dạng 3D chi tiết khí Kết hợp ưu điểm phương pháp vào việc nâng cao độ xác đo Khắc phục nhược điểm thân vật đo khí đem lại như: độ bóng, hình dạng chi tiết đa dạng… cách sử dụng mã hóa Gray để nâng cao độ xác gỡ pha phương pháp dịch pha Phương pháp kết hợp cho độ phân giải cao, độ xác cao phương pháp đáp ứng yêu cầu đo biên dạng chi tiết khí, đáp ứng tốc độ đo dạng sản phẩm có biên dạng chi tiết phức tạp, khuôn mẫu gia công CNC Đã xây dựng phần mềm khảo sát trình đo, phần mềm xử lý liệu đo, phần mềm hiệu chỉnh cho thiết bị đo đảm bảo thiết bị hoạt động hiệu dựa định hướng nghiên cứu theo phương pháp giải tích mơ hình kỹ thuật cụm cảm biến Khắc phục 23 nhược điểm phương pháp nghiên cứu theo mơ hình hình học khơng tính đến quang sai hệ quang thông số hiệu chỉnh điều kiện bố trí hệ thống phức tạp Đã xây dựng phương pháp hiệu chỉnh, khảo sát thiết bị chiếu cụm cảm biến nhằm xác định đường đặc tuyến quang học cường độ chiếu, cường độ thu cụm cảm biến Xác định điểm bảo hịa từ có hiệu chỉnh nâng cao chất lượng ảnh chiếu đồng thời nâng cao độ xác thiết bị đo Đã xây dựng quy trình tính tốn thiết kế thiết bị đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc đảm bảo yêu cầu không gian đo, độ phân giải đo sử dụng cụm cảm biến gồm thiết bị chiếu kỹ thuật số camera kỹ thuật số Đã xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp dịch pha mã hóa Gray Việt Nam đạt độ xác 0,05mm, phạm vi đo 200x200x200 mm Thiết bị hoạt động đáp ứng đo quét số chi tiết khí gia công thiết bị CNC, đúc, rèn dập ứng dụng khác lĩnh vực thời trang an ninh Thiết bị sử dụng đo quét bề mặt thiết bị công nghiệp, cho thấy khả tự chế tạo loại thiết bị đo Việt Nam KIẾN NGHỊ Từ kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm đạt thiết bị nghiên cứu thực nghiệm STL – 1, để tiếp tục nâng cao chất lượng làm việc độ xác, tốc độ đo cần thiết tiếp tục nghiên cứu sâu mặt: Tăng tốc độ đo thiết bị: Với phương pháp áp dụng đo chi tiết tĩnh cần nhiều mẫu ảnh chiếu việc đo quét theo thời gian thực khơng tiến hành Tối ưu hóa chương trình: Xây dựng chương trình xử lý liệu ảnh nhằm tăng tốc độ độ xác xử lý liệu đo Nghiên cứu tìm hi ểu thuật tốn nhằm nâng cao độ xác đo 24 ... CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA 2.1 Phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha Phương pháp dịch pha phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc nghiên cứu phát triển lĩnh vực đo. .. dung nghiên cứu chủ yếu luận án Nghiên cứu tập trung vào vấn đề sau: Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Phân tích dạng ánh sáng cấu trúc để lựa chọn mẫu sáng. .. bị đo, nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến độ xác kết đo, kiểm chứng khả chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D chi tiết sử dụng ánh sáng cấu trúc Việt Nam CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG