6 Ấ Trang 4 Danh m c cỏc ch t tụữviế ắt Viết tắtTờn tiếng AnhTờn tiếng Việt2D 2 Dimension Khụng gian 2 chiều 3D 3 Dimension Khụng gian 3 chiều CNC Computer numerical control Điều khiển
Các phương pháp đo biên ạ d ng 3D
Phương pháp đo thờ i gian truy n sáng (Time of Flight- ề TOF)
Phương pháp đo thời gian truyền sáng (TOF) là một kỹ thuật quang học tương tự như cách mà loài dơi sử dụng sóng siêu âm để định vị Kỹ thuật này dựa vào thời gian ánh sáng phát ra và phản xạ từ vật thể trở lại cảm biến Với tốc độ ánh sáng không đổi, thông tin về khoảng cách và độ sâu có thể được xác định từ thời điểm chiếu sáng đến thời điểm nhận tín hiệu Thay vì đo thời gian trực tiếp, công nghệ TOF thường đánh giá sự thay đổi pha của ánh sáng bằng cách điều chỉnh ánh sáng phát ra với tín hiệu hiệu định hình sin khác nhau.
Trong đó: A(i)là biên độ ủ c a tín hi u ệ
T n sầ ố f m = 20MHz, chi u sâu t l ề z ỉ ệthuận v i pha: ớ
Với tốc độ ánh sáng c = 3.10^8 m/s, để đo tín hiệu mã hóa theo phương trình (1.1), cần xác định cả cường độ và pha Quá trình sản xuất cảm biến TOF phức tạp, trong khi độ phân giải vẫn còn hạn chế (~320 x 240) và độ phân giải độ sâu không cao Mặc dù có những giới hạn về độ phân giải không gian và chiều sâu, thiết kế nhỏ gọn của cảm biến TOF vẫn cho phép ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô.
Phương pháp stereo vision
StereoVision sử dụng hai camera để chụp hai hình ảnh 2D từ các góc nhìn khác nhau, từ đó tạo ra hình ảnh 3D bằng phương pháp tam giác lượng Kỹ thuật StereoVision cho phép đo toàn bộ bề mặt trong một lần đo mà không cần quét, phù hợp với các ứng dụng đo lường tốc độ cao.
Hình 1.1 Sơ đồ ố b trí máy nh trong pả hương pháp stereo vision
Hình học epipolar là lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến mối quan hệ giữa hai hình ảnh Nó tập trung vào cấu trúc không gian và phụ thuộc vào các tham số của camera.
Chiếu điểm từ không gian 3D sang 2D được bi u bi n b ể ễ ởi:
Trong đó: s – ệ ố ỉ ệ độ h s t l sâu của vùng chi u 3D ế
R–ma trận quay 3x3, t – vectơ tịnh ti n 3x1 ế
[R, t] – ể bi u di n thông s ngo i tham s c a h ễ ố ạ ố ủ ệthống, chuyển đổ ừi t tọa độthực 3D sang h tệ ọa độthấu kính 3 D.
A là thông s n i tham s c a Camera: ố ộ ố ủ là tiêu c ự theo phương u, v; αlà độ nghiêng của điểm ảnh trên Camera (thường b ng 0 v i các Camera hiằ ớ ện đại); ( , ) là tâm quang c a Camera ủ
Hệ thống StereoVision sử dụng hai camera để thu thập các cặp điểm tương ứng Việc tìm kiếm các cặp điểm này là rất quan trọng, vì khi các cặp điểm tương ứng được thiết lập, tọa độ (x, y, z) có thể được giải quyết bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất Hệ thống này sử dụng hai hình ảnh chụp từ các góc nhìn khác nhau để xác định các điểm tương ứng, từ đó tạo ra hình ảnh 3D.
Nhược điểm của phương pháp stereo vision: Vi c trích xu t d ệ ấ ữliệu khó khăn, các phép toán so sánh s ự tương quan điểm ảnh gi a hai ữ ảnh r t ph c t p và t n th i ấ ứ ạ ố ờ gian.
Phương pháp đo sử ụ d ng ánh sáng c u trúc 9 ấ
Phương pháp dịch pha
Phương pháp phân tích vân và thuật toán dịch pha được phát triển từ sự giao thoa của laser, dựa trên lý thuyết cơ học của các phương pháp quang học vật lý.
Theo quang học vật lý d ng sóng ánh sáng cạ ủa nguồn sáng có th mô t ể ả như sau: w(x, y, t) = a(x, y)ei[(x,y)] (1 ) 18 Trong đó: - x, y là tọa độ không gian
- h(x,y) là kho ng cách t nguả ừ ồn đến điểm kh o sát ả Độbiến thiên , bi u thể ức cường độ sáng t i mạ ột điểm trên trường giao thoa là:
Độ trễ pha (x, y) tại điểm có tọa độ (x, y) trên bề mặt chi tiết được xác định bằng cách kiểm tra và so sánh độ trễ pha tại các điểm đo Phương pháp này cho phép xây dựng biên dạng 3D thông qua việc sử dụng dịch pha, từ đó cung cấp thông tin chính xác về cấu trúc bề mặt theo thời gian.
Hiện nay, có hai phương pháp gỡ pha được nghiên cứu: gỡ pha không gian và gỡ pha thời gian Sự khác biệt cơ bản giữa hai phương pháp này là gỡ pha thời gian không yêu cầu thông tin pha từ các điểm ảnh lân cận Gỡ pha không gian tập trung vào việc phát hiện sự gián đoạn 2π từ các điểm ảnh, do đó cần phải có bề mặt mịn màng Thuật toán gỡ pha không gian thường được sử dụng cho các bề mặt phẳng và không có vùng bị gián đoạn, trong khi gỡ pha thời gian phù hợp hơn cho các chi tiết trên bề mặt hình học tùy ý Pha tuyệt đối có thể thu được thông qua nhiều phương pháp gỡ pha thời gian đã được nghiên cứu, như thêm các dấu hiệu liên tục, sử dụng thuật toán dịch pha nhiều tần số hoặc thuật toán mã hóa nhị phân và dịch chuyển pha, nhằm đạt được độ chính xác cao trong việc đo đạc trên bản đồ pha tuyệt đối.
Phương pháp mã Gray
Phương pháp Gray cho phép mô t 2ả n hướng chi u khác nhau c a máy chi u ế ủ ế
Số chỉ thị của hướng chiếu có thể được xác định rõ ràng bằng số lượng tấm sử dụng hai màu xám (trắng và đen), với ưu điểm thiết lập hệ thống đơn giản và chống nhiễu tốt, đồng thời có thể đo các bề mặt gián đoạn trong các bậc thang cô lập Tuy nhiên, phương pháp này lại có nhược điểm là độ phân giải thấp và độ nhạy động thấp Tùy thuộc vào độ phân giải của phép đo, số lượng mẫu chiếu được sử dụng sẽ khác nhau; độ phân giải càng cao thì yêu cầu về mẫu chiếu càng nhiều Để tăng độ phân giải, cần tăng số lượng mẫu chiếu, nhưng việc này có thể gây khó khăn trong việc phân biệt vùng đen trắng trên hình ảnh Mỗi điểm trên cùng một mẫu chiếu có cùng mã nhị phân, do đó khi tính toán bằng phương pháp tam giác lượng, cần xác định tọa độ các điểm đo để xác định vị trí tâm và biên của vật thể Việc mã hóa và giải mã ánh sáng cấu trúc dựa trên biên của vân chiếu là rất quan trọng để có được độ chính xác cao trong mô hình mã hóa Quá trình này có thể gặp sai sót do hình ảnh không sắc nét trong các đường biên chuyển đổi từ đen sang trắng.
Hình 1.3 minh họa các mẫu chiếu mã Gray được sắp xếp theo thời gian Sau khi tất cả các mẫu được chụp bằng máy ảnh, một mã nhị phân sẽ được tính toán cho mỗi điểm ảnh dựa trên cường độ chiếu sáng của điểm ảnh đó trong toàn bộ thời gian chụp Mẫu cuối cùng là ảnh được hợp nhất với mỗi bit bằng mã của tất cả các điểm ảnh trên CCD Đánh giá của hai mẫu được xác định thông qua việc tìm kiếm biên hoặc tâm của vân mẫu Trong kỹ thuật tìm kiếm biên, một số thuật toán được sử dụng bao gồm thuật toán xác định ngưỡng và thuật toán chiếu mẫu Thuật toán xác định ngưỡng phù hợp với từng điểm ảnh được nghiên cứu với điều kiện vùng mã trên vật quét phải đạt giá trị phân tán nhất định Độ phân giải càng cao thì yêu cầu về độ chính xác càng lớn Để tăng độ phân giải, cần phải tăng số mẫu chiếu Việc tăng số mẫu chiếu sẽ cải thiện khả năng phân biệt vùng đen trắng trên nền ảnh.
Hệ ống đo 3D sử dụng mã Gray từ camera yêu cầu xác định biên của các vân liên tiếp trước khi giải mã điểm ảnh Việc mã hóa và giải mã ánh sáng dựa trên biên của vân nhằm đạt được thứ tự vân trong mô hình mã hóa Quá trình này có thể gặp khó khăn do hình ảnh vân mã hóa Gray không rõ nét ở các đường biên chuyển đổi Để tìm kiếm biên của vân, các thuật toán như xác định ngưỡng và chiếu bit thu nho đã được áp dụng Thuật toán xác định ngưỡng phù hợp với từng điểm ảnh và điều kiện vùng mã quét để giảm thiểu sai số trong việc xác định biên vân Phương pháp chiếu mã Gray được sử dụng để giảm thiểu sai lệch và ngăn chặn ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng Sau khi xác định biên của vân, bước tiếp theo là xác định thứ tự của vân trong ảnh cường độ Thứ tự vân được biểu thị thông qua giá trị xám 0 hoặc 1 tại vị trí tương ứng với biên của vân sau khi phân hóa trong ảnh.
Trong đó k = 1, 2, 3, 2 n -1 là s ố thứ ự ủ t c a vân; i =1, 2, n là s ốthứ ự ả t nh; n là t ng s ổ ố ảnh cường độ; Gi là giá trị ứ m c xám c a ảủ nh th ứ i, trong đó G0= 0
Phương pháp dị ch pha k t h p Gray 20 ế ợ
Phương pháp kế hợp cung cấp mối quan hệ duy nhất giữa các điểm ảnh của máy ảnh và các điểm ảnh của máy chiếu, đảm bảo rằng mối quan hệ này sẽ là các phép chiếu 2D của cùng một điểm trong tọa độ thực 3D Phương pháp dịch pha có độ phân giải cao xác định giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy chiếu trong một chu kỳ sin Tuy nhiên, đối với các vật thể có độ phản chiếu cao, nếu không phân biệt được các đặc điểm trong cùng một chu kỳ sin, sẽ gặp khó khăn trong việc nhận diện Mặc dù phương pháp Gray có độ phân giải thấp, nhưng giá trị mã hóa của nó vẫn duy nhất Do đó, việc sử dụng phương pháp mã hóa Gray để xác định duy nhất cho mỗi chu kỳ sin giúp giảm thiểu lỗi gỡ pha.
Tọa độ thực của chi tiết được đo có thể thu được dựa trên các thông số ẩn bên trong và bên ngoài của máy ảnh và máy chiếu Các nhạc vân dịch pha có thể được sử dụng để thực hiện việc đo lường hình học của bề mặt Để sử dụng lưới biên dạng bề mặt 3D, cần phải có thông tin pha tuyệt đối tại các tọa độ (x, y) Nếu thu được pha tuyệt đối, mỗi điểm trên máy ảnh sẽ tương ứng với một điểm trên pha tuyệt đối của ảnh vân chiếu.
Việc đo lường tự động độ điểm 3D có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm lượng tỏa mũi xám, đặc điểm bề mặt chi tiết, và mức độ nhiễu Những yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
Ứ ng d ụng phương pháp quét 3D
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ trong các ngành công nghiệp yêu cầu hệ thống nâng cao độ chính xác thiết bị, năng suất và tiết kiệm lao động trong đo lường và kiểm tra Nhu cầu về các loại dụng cụ có khả năng đo lường tự động và đo lường trong khi gia công đang gia tăng mạnh mẽ Phương pháp quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, với nhiều tính năng ưu việt so với các phương thức đo truyền thống như sử dụng các dụng cụ đo cổ điển.
• Đo lường không ti p xúc ế
• Thời gian đáp ứng nhanh
• Khả năng đo nhanh, số lượng l n, thích ng r t t t vớ ứ ấ ố ới môi trường công nghi p ệ
• Khả năng đo các chi tiết có kích thước quá l n hay quá nh , các chi ti t d ớ ỏ ế ị d ng, nhi u chi ti t cùng mạ ề ế ột lúc.
Máy đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc mang lại nhiều ưu điểm vượt trội và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghề khác nhau như chế tạo khuôn mẫu, đồ gia dụng, sản phẩm cơ khí, và ngành gỗ Công nghệ quét 3D giúp tiết kiệm thời gian, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm bằng cách xác định hình dạng bề mặt của vật thể trong không gian 3 chiều để tạo ra mô hình kỹ thuật số 3D Quét 3D đã mở ra một bước ngoặt mới, cho phép mô hình hóa bất kỳ mô hình nào bằng dữ liệu kỹ thuật số chỉ trong vài giờ đồng hồ.
- Ứng dụng trong đo lường và kiểm tra sản phẩm
Quét 3D đóng vai trò quan trọng trong kiểm tra chất lượng sản phẩm trước khi ra thị trường, đặc biệt đối với các sản phẩm có bề mặt phức tạp như chi tiết cơ khí, điện tử và vi mạch Công nghệ này không chỉ giúp tăng tốc độ kiểm tra mà còn nâng cao độ chính xác Sau khi quét mẫu vật, file 3D của sản phẩm sẽ được tạo ra, cho phép người kiểm tra so sánh sai lệch bề mặt giữa thực tế và thiết kế, cũng như kiểm tra sai lệch hình dạng và vị trí bề mặt, từ đó đảm bảo chất lượng sản phẩm tốt nhất.
Hình 1.4 ng dỨ ụng đo kiểm s n ph m ả ẩ
Hình 1 5 ng dỨ ụng đo trong gia công cơ khí như đo chi tiết cơ khí.
Máy quét ATOS, như hình 1.5, là một thiết bị quét chi tiết các kết cấu cơ khí với độ chính xác cao Hiện nay, có nhiều hãng sản xuất máy quét 3D bằng ánh sáng cấu trúc, bao gồm GOM, DAVID, Faro Arm, Hexagon và Metris Sản phẩm của mỗi hãng thường có cấu trúc, phần mềm quét và độ chính xác khác nhau, sử dụng nguồn sáng từ các dạng mã hóa, đồng thời có nhiều phương pháp vận hành đa dạng.
Máy đo bằng ánh sáng cấu trúc được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong việc quét 3D để kiểm tra các chi tiết cơ khí Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong quy trình kiểm tra chất lượng sản phẩm.
Hình 1 6 ng d ng trong công nghi p s n xuỨ ụ ệ ả ất ô tô.
- Ứng d ng trong thi t k ụ ế ế ngư ợc
Công nghệ quét 3D giúp tái tạo mô hình trên máy tính một cách chính xác từ các vật thể thực Sau khi có mô hình, kỹ sư sử dụng phần mềm thiết kế ngược như CATIA hoặc NX để thiết kế và chỉnh sửa theo yêu cầu Cuối cùng, các file 3D (IGS, STEP ) được xuất ra để tiến hành gia công bằng CNC.
- Ứng d ng trong th i trang may m cụ ờ ặ
- No table of figures entries found
Hình 1 8 ng d ng quét biên dỨ ụ ạng cơ thể người phục vụ lĩnh vực thời trang may m c, da giày ặ
Máy quét 3D cầm tay Cubify Sense sử dụng công nghệ quét laser để tạo ra các mô hình 3 chiều của vật thể Khi quét, người dùng chỉ cần di chuyển xung quanh vật thể để thu thập dữ liệu Mô hình 3D được tạo ra có thể được sử dụng để in 3D, rất phù hợp trong công nghệ thiết kế và ngành dệt may hiện nay.
Trong ngành da giày thời trang, công nghệ quét 3D được ứng dụng để đo đạc và quét biên dạng cơ thể người, cung cấp các thông số như chiều cao, biên dạng tay, biên dạng chân và kích thước 3 vòng Điều này giúp tối ưu hóa quy trình may đo quần áo mà không cần sử dụng phương pháp đo nhân trắc trực tiếp lên cơ thể người.
- Ứng d ng trong nhi u ngành s n xu t: ụ ề ả ấ
Các doanh nghiệp sản xuất cần liên tục phát triển mẫu mã mới, giá cả cạnh tranh và thời gian sản xuất nhanh để đáp ứng nhu cầu thị trường và cạnh tranh hiệu quả Công nghệ quét 3D đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sản phẩm mẫu nhanh chóng với chi phí thấp, từ đó nâng cao chất lượng và tính đa dạng của sản phẩm trước khi tiến hành sản xuất hàng loạt.
Hình 1.9 ng d ng quét biên d ng các chi tiỨ ụ ạ ết cơ khí.
- Ứng dụng trong lĩnh vực y t ế
Máy quét 3D có khả năng chụp lại khuôn mặt và cơ thể người một cách dễ dàng và nhanh chóng, từ đó tạo ra các sản phẩm y tế cho bệnh nhân như niềng răng, hàm và các mô hình mặt nạ để điều trị Ngoài ra, thiết bị này còn hỗ trợ làm gang tay, chân tay giả tùy biến cho các bệnh nhân.
Hình 1 10 Biên dạng 3D hàm răng
Hình 1 11 ng d ng trong y tỨ ụ ế
- Ứng dụng giúp xây dựng mô hình ảo trong bảo tàng 3D
Bảo tàng ảo đang trở thành một phần quen thuộc trong đời sống hiện đại, mang đến cho người dân và du khách những trải nghiệm thú vị như hóa thân thành nhân vật trong tác phẩm nghệ thuật hoặc tiếp cận các hiện vật cổ Ít ai biết rằng những mô hình này được tạo ra từ công nghệ quét 3D, cho phép phục hồi và lưu giữ hình dạng của các hiện vật cổ một cách chính xác.
Công nghệ 3D và máy quét 3D đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản xuất và cải thiện đời sống Các giải pháp từ công nghệ 3D dự kiến sẽ phát triển mạnh mẽ hơn, mang lại hiệu quả kinh tế lớn Hiện nay, các loại máy đo quét biên dạng 3D đang được nghiên cứu sâu và phát triển không ngừng.
N i dung nghiên c u c ộ ứ ủa luận văn
Trên cơ sở nghiên c u tứ ổng quan các phương pháp đo 3D biên dạng b m t, ề ặ nội dung nghiên cứu chính của luận văn:
Nghiên cứu sử dụng phương pháp đo bằng ánh sáng trong cấu trúc dải pha kết hợp với mã Gray nhằm tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Bài viết cũng phân tích ảnh hưởng của hình dạng dải đo đến độ chính xác và sai lệch trong phép đo.
2 Khảo sát chính xác tđộ rong vùng đo và ảnh hưởng c a hình d ng chi tiủ ạ ết đo ảnh hưởng n sai s phép đế ố đo
Chương 2 PHƯƠNG PHÁP ĐO BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC
D CH PHA K T HỊ Ế ỢP MÃ GRAY
Trong chương này, chúng tôi nghiên cứu phương pháp đo sử dụng dịch pha kết hợp Gray nhằm đo biên dạng 3D một cách chính xác Nghiên cứu tập trung vào việc xác định sai số trong vùng đo và ảnh hưởng của hình dạng chi tiết đến độ chính xác của phép đo.
Phương pháp dị ch pha k t h p mã Gray 29 ế ợ
Phương pháp dịch pha là một kỹ thuật chiếu vân được nghiên cứu để thu được hình ảnh 3D của vật thể Các mẫu chiếu có cường độ ánh sáng được mã hóa dạng sin và chiếu lên bề mặt của đối tượng đo Phương pháp dịch pha 3 bước là trường hợp đơn giản nhất, trong đó cường độ sáng cho mỗi điểm ảnh của mẫu chiếu được xác định Kỹ thuật này cho phép xác định giá trị pha tương ứng với biên dạng 3D của chi tiết đo, từ đó tọa độ 3D thực tế được xác định thông qua quá trình hiệu chuẩn Mặc dù có độ phân giải cao, độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào độ chính xác trong việc gỡ pha Các phương pháp gỡ pha thường bị ảnh hưởng bởi môi trường đo, bề mặt chi tiết đo, và bóng của chi tiết khi chiếu sáng, dẫn đến sai số trong quá trình đo Phương pháp dịch pha thường sử dụng mã hóa gray để gỡ pha, nhờ vào kỹ thuật mã hóa này mà độ tin cậy và khả năng chống nhiễu của bề mặt quét được cải thiện.
Trong đề tài này, phương pháp quét đượ ử ụng là phương pháp dịc s d ch pha kết hợp s dử ụng mã hóa gray để ỡ g pha
Trong lĩnh vực đo lường ánh sáng cấu trúc, phương pháp dịch pha có độ phân giải cao là giải pháp tối ưu cho việc đo các chi tiết cơ khí Quá trình đo của phương pháp này yêu cầu sự chính xác trong việc gỡ pha, và độ chính xác này chịu ảnh hưởng bởi các điều kiện đo như môi trường và đặc điểm bề mặt vật thể Phương pháp kết hợp dịch pha với mã hóa Gray (PSGC) mang lại độ chính xác cao hơn nhờ vào kỹ thuật mã hóa giúp giảm thiểu sai số, đặc biệt trong việc đo đạc các chi tiết nhỏ.
Một đơn vị mã duy nhất của mã Gray sẽ xác định thực vận ứ ự k G (x, y) tương ứng với m i chu kỳ 2π, trong đó k G (x, y) là số nguyên đại diện cho thực vận Mục tiêu của thuật toán gộp pha là tìm được thực m i chu kỳ sin một cách chính xác cho ứ ự ỗ ỳ ộ mỗi điểm ảnh Trong phương pháp PSGC, giá trị chính của mã sin được gộp bằng thuật toán dịch pha để thu được bản đồ pha tương đối, trong khi giá trị tuyệt đối hay thứ tự pha được xác định bằng thuật toán Gray Do đó, thuật toán dịch pha kết hợp mã Gray.
Gray có khả năng đo biên dạng bề mặt 3D của các chi tiết phức tạp với bề mặt không đều đặn và độ nhám lớn mà không cần sử dụng thuật toán phức tạp Phương pháp kết hợp này còn giúp cải thiện khả năng đo được nhiều khi giai đoạn tuyể chọn.
Trong thuật toán xác định th vân ứ k G (x, y) cần xác định được biên c a các vân ủ
Các biên của vân là các đường th ng khi nh m u chi u trên m t ph ng tham chi u ẳ ả ẫ ế ặ ẳ ế
Sau khi xác định biên của vân, bước tiếp theo là xác định thứ tự vân của ảnh chiều mã Gray theo hàng và cột Thông tin này sẽ được lưu vào một ma trận với hai thông số tương ứng là số vân mỗi hàng và cột Khi đó, chỉ số k G sẽ tương ứng với chỉ số của hàng và cột tương ứng trong ma trận.
Hình 2.1Sơ đồ nguyên lý h ệthống đo PSGC [2]
Trong bài viết này, k uv đại diện cho các chuỗi mã Gray được sử dụng để phân tích tương ứng với hàng và cột Giá trị của k uv phản ánh cường độ ánh sáng được chiếu Thông qua ma trận G, các chu kỳ sin sẽ được xác định một cách chính xác và hiệu quả.
Như hình ích thướ ủ C u C v được g i là m t ph ng nh ọ ặ ẳ ả
Mỗi điểm ảnh trên c m bi n má nh ả ế y ả CCD được xác định b ng giá tr hàng ằ ị u và cột v Quang tâm c a máy chi u là OO'', quang tâm c a máy nh ủ ế ủ ả OO' c t nhau t o O ắ ạ
M t ph ng tham chi u (Rặ ẳ ế 0) là m t phặ ẳng đi qua tâm O và song song với đường cơ s O'O ở ''là đường n i gi a pupin vào c a máy ố ữ ủ ảnh và pupin ra c a máy chi u ủ ế O'O''=b
Khoảng cách giữa pupin và mặt phẳng (Rữ ủ ả ặ ẳ 0) được xác định thông qua thuật toán xác định tọa độ 3D của vật thể Tọa độ của một điểm nằm trên mặt phẳng (Rằ ặ ẳ 0) được xác định dựa trên tọa độ điểm ảnh trên mặt phẳng hình ảnh của máy ảnh, cùng với các thông số như tọa độ điểm ảnh và mã định pha, mã Gray thu được khi chiếu ánh sáng lên (Rế ộ ạ ả ẫ 0).
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý xác định tọa độ ủa điểm đo c [2]
Khi ánh sáng dịch pha và mã Gray được chiếu lên bề mặt phản chiếu (R0), chúng ta có thể xây dựng bản đồ pha cho một phương tham chiếu (RP) Khi chi tiết được đo đặt trong vùng đo, bản đồ pha sẽ được tạo ra với vật thể (OP) Chiều cao của chi tiết được xác định thông qua độ lệch pha giữa điểm ảnh trên bản đồ pha (RP) và bản đồ pha (OP) Điểm A nằm trên mặt phẳng (R0) khi không có vật sẽ có ảnh là điểm B' (u, v') trên CCD, trùng với mã của điểm B trên DMD của máy chiếu Từ góc nhìn của máy chiếu, điểm C trên bề mặt của vật thể có giá trị tương đương với điểm A trên mặt phẳng tham chiếu, thể hiện rằng điểm C trên bề mặt vật thể và điểm B trên (R0) có cùng giá trị điểm ảnh A' (u, v) trên CCD.
Để xác định độ cao z (x, y) của điểm C trên mặt phẳng, cần tính khoảng cách Δz thông qua việc xác định khoảng cách Δv Trong trường hợp sóng truyền song song với trục x, khoảng cách Δv được tính bằng công thức Δv = v - v' Khoảng cách Δy trên mặt phẳng (R^2) được xác định qua công thức cụ thể.
Trong đó: h là chi u cao vùng chiề ếu theo phương dọc C v là chi u cao c a CCD ề ủ theo phương dọc Đặt h/Cvlà hệ ố phóng đạ ủ s i c a máy nh sả c
M i quan h gi a bố ệ ữ ản đồ pha và độ cao tương đố ủi c a b mề ặt được bi u diể ễn t ừ điểm tới điểm
Trong đó (x, y) là giá tr ị pha tương đối của (OP) và r (x, y) là giá tr pha ị tương đố ủi c a (RP)
Giả ử ặt ẳ ếu có độsâu z0 thì giá tr ị độsâu của mỗi điểm đo là:
H 0 là h ng s có thể xác định thông qua hi ệ chu n và zệ ẩ 0, thường được đặt bằng 0 Để xác định h 0, có thể thực hiện hi ệ chu n vệ ệ ẩ ới căn mẫu d ng b c Phương pháp dịch pha được sử dụng để đo căn mẫu d ng b c với kích thước đã biết, nhằm tạo ra bản đồ g pha (OP) ở 0 bằng cách áp dụng phương pháp gỡ pha bằng mã Gray Đồng thời, có thể thu được bản đồ pha (RP) r và độ lệch pha.
Thông tin pha tuyệt đối thu được có th xây dể ựng được bản đồ pha tuyệt đối
Bản đồ pha tuyệt đối t (x, y) được xác định từ tọa độ 3D của điểm đo, thông qua việc sử dụng thông tin từ bử ụ ủ ản đồ pha tương đối w (x, c a mã sin và th t y) kết hợp với vân Gray k G (x, y).
Hình 2.3 minh họa sơ đồ biểu thị mã pha tuyệt đối t và pha tương đối w được xác định trong mỗi chu kỳ 2π, thể hiện bằng đường chấm chứ Mã Gray với các thực tại vân k G được xác định duy nhất trong một chu kỳ sin, thể hiện bằng đường nét đứt màu xanh dương Các pha tương đối được di chuyển thêm hoặc bớt với số nguyên để thu được pha tuyệt đối liên tục trên toàn bộ vùng đo theo phương X, thể hiện bằng đường liền màu đỏ.
Hình 2.3 Xác định pha tuyệ ốt đ i từ pha tương đối và thứ ự t vân
Quá trình g pha không làm thay đổi ảnh mù trong quá trình chiếu và thu ảnh mù, với ảnh hưởng của nhiều yếu tố là không đáng kể Nếu sử dụng một hướng vân mù, sự tương ứng không phải là duy nhất: giá trị pha tuyệt đối chỉ cung cấp sự tương ứng với một đường pha ngang, H thay vì một điểm Bản đồ pha thu được là sự tương ứng từ một điểm đến nhiều điểm ảnh: một điểm ảnh trên máy ảnh tương ứng với nhiều điểm trên máy chiếu Để thiết lập sự tương ứng điểm với điểm, cần sử dụng một tập hợp các vân thẳng đứng có phương chiếu vuông góc với vân mù để tạo ra một đường pha khác vuông góc với đường thẳng, tức là đường pha dọc v Giao điểm của hai đường này tạo thành một điểm tương ứng giữa máy ảnh và máy chiếu Nhờ đó, có thể thiết lập bản đồ một-một giữa điểm ảnh máy ảnh và điểm ảnh máy chiếu, cho phép hình ảnh từ máy ảnh được chuyển đổi sang máy chiếu theo từng điểm ảnh để tạo thành một ảnh "mù", được gọi là hình ảnh của máy chiếu và coi như hình ảnh "chụp" được bởi máy chiếu.
Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc sử dụng mã Gray là một kỹ thuật tiên tiến Phương pháp này có khả năng đo đạc các vật thể có hình dạng bề mặt phức tạp một cách chính xác.
2.2 Hi ệ u chu n h ẩ ệ th ống đo
Trong hệ thống đo bằng ánh sáng, cấu trúc máy ảnh được mô hình hóa dựa trên nguyên lý chiếu phẳng Một vật thể với khung cảnh ba chiều được tái tạo lại trên một mặt phẳng hai chiều, thường là mặt phẳng cảm biến hình ảnh như CCD, như thể hiện trong hình 2.4.
Ảnh hưở ng c a hình d ng chi ti ủ ạ ết đo
Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dựa vào nguyên lý tam giác lượng quang có ảnh hưởng đáng kể đến sai số phép đo Để đánh giá mức độ chính xác của thiết bị đo, cần xây dựng đám mây điểm từ các khoảng cách và góc khác nhau Bề mặt phẳng với đặc tính phân tán ánh sáng được sử dụng để xác định ảnh hưởng của độ chính xác Phương pháp mặt phẳng phù hợp cho phép thu thập thông số ở các góc khác nhau và xác định giá trị chính xác Kết quả được thể hiện qua việc dựng hình 3D từ đám mây điểm, cho phép xây dựng bề mặt phẳng tối ưu thông qua thuật toán phù hợp Thuật toán này được phát triển trên nền tảng Matlab R2016a×64, ứng dụng phương pháp SVD để tối ưu hóa quá trình xử lý dữ liệu.
M t m t ph ng phù hộ ặ ẳ ợp thường được mô t b ng mả ằ ột véc tơ pháp tuyến và khoảng cách d sao cho điểm trên m t ph ng có ặ ẳ
Phương trình của m t phặ ẳng trên như sau:
Tuy nhiên, mô t trên là không th c hiả ự ện được do mặt ph ng trong không gian ẳ
Here is the rewritten paragraph:"Mô tả 3 chiều nhưng sử dụng 4 giá trị là do cần loại bỏ thành phần bất định bằng cách giải pháp hóa không gian Bằng cách này, hệ số a luôn luôn là 1, nghĩa là thành phần z của mặt phẳng luôn là 1 Như vậy, phương trình fitting được viết dưới dạng sau:"
Sau đó xác định các thông s ố a, b, c là các hệ ố ủ ẩ s c a n và là hd ệ ố ự s t do trong dạng ma tr n: ậ
Tiếp theo chuy n v ma tr n và nhân ma tr n t ể ị ậ ậ ừ trái sang để ự th c hi n bình ệ phương tối thi u tuy n tính: ể ế
Sau khi nhân trong ma tr n chuyậ ển v : ị
Trong đó N là s ố điểm Định nghĩa x, y, z ở trên là tương đối so v i tâm (l y ớ ấ trung bình) của đám mây điểm Do vậy ta có th ể đơn giản hóa:
Tại hàng cuối cùng, chúng ta có thể kết luận rằng nếu các điểm tương đối được tính toán so với tâm của đám mây điểm, thì một mặt phẳng sẽ đi qua gốc Nói cách khác, mặt phẳng này sẽ luôn đi qua trung bình của các điểm đầu vào Chúng ta có thể biểu diễn điều này bằng một chiều và có thể thiết lập phương trình tuyến tính hai biến.
H ệ phương trình tuyến tính t ng quát có ma tr n c a nó không suy bi n là h ổ ậ ủ ế ệ Cramer
Các h s cệ ố ủa ẩ ạn t o thành ma tr n vuông ậ
N u ế h có nghi m duy ệ ệ nh t ấ nh lý Cramer nghi m duy nh a h nh:
Theo đị ệ ất củ ệ Cramer được xác đị
Và vector pháp tuyến c a m t phẳng fitting là ủ ặ
Sau khi thu thập dữ liệu từ đám mây điểm 3D, khoảng cách từ các điểm 3D p(x_i, y_i, z_i) trong đám mây điểm đến mặt phẳng tham số được xác định Nếu có dữ liệu đo, khoảng cách trung bình từ các điểm đo trong đám mây đến mặt phẳng fitting sẽ được tính toán.
Trong đó d i là kho ng cách gi a mả ữ ột điểm t i m t phớ ặ ẳng lý tưởng, sai s phù hố ợp m t phặ ẳng được xác định
(2.64) l ch chu n c a m Độ ệ ẩ ủ ỗi m t phặ ẳng đượ ử ụng để đánh giá sai ốc s d s ng u nhiên ẫ cho v trí mà d ị ữliệu được thu thập
V i các b mớ ề ặ ồi như mặ ật l t b c, m t c u, mặt nghiêng hướặ ầ ng ánh sáng chi u ế và thu t i b m t v i hình d ng khác nhau s ớ ề ặ ớ ạ ẽ thu được k t qu d ng l i biên d ng ế ả ự ạ ạ khác nhau
Việc đo các mặt dọc và rãnh gặp khó khăn do ánh sáng phản xạ từ các bề mặt bên và sự đổi hướng của ánh sáng, dẫn đến việc không thể thu được biên dạng chính xác Giải pháp cho vấn đề này là thay đổi hướng đo của các chi tiết khác nhau và ghép các bề mặt để thu được một biên dạng chính xác.
Tiêu chí để đánh giá chất lượng của đám mây điểm là mức độ nhi u cễ ủa đám mây điểm, mậ ộ, độ đầy đủ và đột đ chính xác
Phương pháp đo bề mặt 3D sử dụng dịch pha kết hợp mã Gray mang lại nhiều ưu điểm và khả năng chống nhiễu tốt đã được nghiên cứu kỹ lưỡng Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vị trí mặt phẳng chuẩn đặt trong vùng đo có ảnh hưởng đến sai số phép đo, đồng thời phù hợp với mặt phẳng và ảnh hưởng của hình dạng chi tiết được đo.
Chương 3 KH O SÁT Ả ẢNH HƯỞNG C A HÌNH DỦ ẠNG CHI TI T Ế ĐẾN SAI S Ố PHÉP ĐO
Trong chương này, các thí nghiệm được xây dựng dựa trên lý thuyết nghiên cứu, nhằm khảo sát ảnh hưởng của hình dạng chi tiết đến sai số phép đo Các phương pháp đo lường được áp dụng cho các chi tiết với hình dạng khác nhau như hình tròn, elip và các dạng phức tạp khác Đặc biệt, phương pháp ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray được sử dụng để xác định các sai số đo trong vùng giới hạn đo.
3.1 Xây d ng h ự ệ th ố ng th c nghi ự ệ m
Thiết bị thí nghiệm bao gồm máy 3D sử dụng phương pháp PSGC, với máy chiếu InFocus N104 công nghệ DLP có độ phân giải 1280x800 và máy nháy DFK 41BU02 độ phân giải 1280x960, được bố trí thành cụm đầu đo kết nối với máy tính Máy tính yêu cầu cấu hình cao với RAM 8GB, Core i5-4460 tốc độ 3.20 GHz, và card rời VGA Bàn quay được thiết kế có khả năng quay theo hai phương x và y, xác định bằng encoder đo góc Cụm đầu đo được gắn trên một đế có thể thay đổi góc nghiêng và khoảng cách, trong khi bàn gá chi tiết đo có khả năng quay tròn, tối đa hóa diện tích quét trên vật đo với chuyển động chính là quay tròn trên mặt phẳng.
Chi tiết của đầu đo trong máy đo lường gá bao gồm một đế gá có thể thay đổi góc nghiêng và khoảng cách tới phẳng đo Bàn gá đo được thiết kế để quay 360 độ, đảm bảo khả năng quét đa chiều trên vi phẳng đo Điều này cho phép máy đo lường đáp ứng được với vật cần đo trên mặt phẳng, chuyển động theo hướng tùy ý Hệ thống nghiệm thu được hỗ trợ bởi máy phân giải ảnh có độ chính xác cao, đảm bảo độ tin cậy và chính xác trong quá trình đo lường.
Kích thước điểm ảnh là 4,65 (mm), và việc lựa chọn kích thước của ống kính cần đảm bảo vùng thu máy bao trùm vùng chiếu của máy chiếu trên mặt phẳng chuẩn Theo tài liệu [2], khi chọn khoảng cách từ đầu đo đến mặt phẳng chuẩn là L = 600 mm, kích thước vùng đo xác định được là 300 x 220 (mm) Độ sâu vùng đo được xác định là 6 (mm).
Vùng không gian đo giớ ại h n c a h thủ ệ ống được xác định với các kích thước chính xác là 300 mm x 220 mm x 186 mm, cùng với tiêu cự thấu kính f mm Khoảng cách từ tâm vùng đo tới đầu đo là L = 600 mm, đảm bảo rằng chi tiết đo đặt trong vùng này sẽ thu được độ chính xác cao.
Bảng hiển thị chuẩn được sử dụng với kích thước 180×165 mm, phù hợp để nằm trong vùng đo giới hạn, với ô vuông bàn cờ có kích thước 15×15 mm Theo phương ngang, có 12 ô vuông bàn cờ tương ứng với 11 góc, và theo phương dọc có 11 ô vuông tương ứng với 10 góc để hiển thị chuẩn Kệ hiển thị kết quả chuẩn hệ thống được sử dụng để thực hiện việc sử dụng lại biên dạng bề mặt của chi tiết đo Điều kiện thực nghiệm được thiết lập để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
Để đạt được kết quả đo tốt nhất, bề mặt chi tiết cần được xử lý với điều kiện đo phù hợp, như làm tăng độ nhám bề mặt bằng cách phun lớp bột mịn lên đó Ánh sáng môi trường nên được duy trì trong khoảng 100 đến 200 lux, và nhiệt độ môi trường đo cần được giữ ở khoảng 25 độ C.
Hiệu chuẩn hệ thống sử dụng bảng hiệu chuẩn ô vuông với các góc cạnh khác nhau trong vùng đo được xác định Đặt bảng hiệu chuẩn trong vùng đo và thực hiện chiếu chụp ánh sáng cấu trúc để đảm bảo độ chính xác.
Hình 3.2 Ảnh ph n m m hi u chu n h th ng ầ ề ệ ẩ ệ ố
Hình 3.2 mô tả giao diện phần mềm đo lường và hiển thị hệ thống bằng ánh sáng cấu trúc dọc pha kết hợp mã Gray với các chức năng chiếu và thu ảnh Bài viết xác định góc bằng hiển thị khi hiển thị bằng góc bằng hiển thị và ảnh hưởng đến các thông số vật lý về kích thước và góc bằng hiển thị ẩn theo phương ngang và phương dọc.
KHẢ O SÁT Ả NH HƯ Ở NG C A HÌNH D NG CHI TI Ủ Ạ Ế T Đ Ế N SAI
Th ực nghiệ m các chi ti t hình d ng khác nhau 58 ế ạ
3.2.1 Khảo sát đo các bề ặt lỗ m , rãnh, b c ậ
Thực nghiệm đo chi tiết mũ chuẩn được tiến hành để khảo sát ảnh hưởng của các chi tiết này đến sai số phép đo Các chi tiết được đặt ở tâm vùng đo nhằm thu được kết quả đo chính xác nhất Đo chi tiết mũ thực nghiệm được tiến hành với các hình dạng khác nhau như lỗ trụ tròn, lỗ trụ vuông, lỗ trụ elip, và lỗ trụ lục giác.
Hình 3.11 Các kích thước danh nghĩa của chi ti t m u ế ẫ
Hình 3.12 Các kích thước trung bình của chi ti t mế ẫu đo bằng máy CMM
Hình 3.13 Đám mây điểm đo chi tiết m u ẫ
Thực nghiệm đo chi tiết mù vẫy ở các góc khác nhau đã cho ra hình ảnh đám mây điểm chi tiết, như thể hiện trong hình 3.13 Các thông số khí thước, kích thước chiều dài và bề rộng của đám mây điểm được đo và trình bày trong đồ hình 3.14 và 3.15.
Hình 3.14 Đồ bi u di n kthị ể ễ ết quả đo các đường kính l ỗ
Lần đo Đường kính 1 Đường kính 2 Đường kính 3 Đường kính 4
Hình 3.15 Đồ bi u di n kthị ể ễ ết quả đo các kích thước chiều dài Đo chi tiết ch nh ph ng ỉ ẳ
Chi tiết chân phế ỉ ẳng được đo bằng phương pháp PSGC, với việc đặt chi tiết ở vị trí trung tâm vùng đo để đạt kết quả chính xác nhất Kết quả đo được thực hiện với các góc khác nhau, từ đó ghép lại thành đám mây điểm, tạo ra hình ảnh chi tiết chân phế ỉ ẳng như hình 3.17a, b.
Hình 3.1 Giao di6 ện chương trình đo chi tiết ch nh ph ng ỉ ẳ a, b, Hình 3.17 Đám mây điểm chi ti t ch nh ph ng ế ỉ ẳ
Hình 3.17 a và b là k t qu dế ả ựng đám mây điểm đo và ghép hợp nh t các ấ đám mây điểm c a chi tiủ ết đo kích thước a, b, c b ng ph n m m Geomagic studio ằ ầ ề
10 thu được k t qu th hiế ả ể ện trog đồ ị th 3.18
Kích thước a Kích thước b Kích thước c Đo chi tiết b c tr gá dao ậ ụ
Hình 3.1 Giao di9 ệ chương trình đo chi tiế ận t b c trụ gá dao
Hình 3.20 Đám mây điểm chi ti t b c tr gá dao ế ậ ụ
Đánh giá đám mây điểm dựa trên tiêu chí độ chính xác và tính đầy đủ cho thấy rằng đám mây điểm có thể hiển thị chi tiết rõ ràng trong khu vực tiếp giáp giữa mặt phẳng và bề mặt Mặc dù thông tin thu thập được khá đầy đủ, nhưng vẫn tồn tại một số vùng bị thiếu do hiện tượng bóng đổ.
3.2.2 Khảo sát đo các bề ặt chuẩ m n tr ụ
Khảo sát đo chi tiết tr bằng phương pháp PSGC nhằm đánh giá ảnh hưởng của chi tiết đến sai số phép đo Thực nghiệm được thực hiện với bề mặt chi tiết thực và bề mặt chi tiết được xử lý bằng phần mềm phân tích Hình 3.21 minh họa quá trình đo chi tiết dạng trụ côn, bao gồm giao diện phần mềm đo và kết quả thu được dưới dạng đám mây điểm.
Hình 3.22 Đo chi tiết dạng tr côn vụ ới bền mặt được phủ ả gi m phản xạ a, Giao diện ph n mầ ềm đo b, Kết quả thu được đám mây điểm
Kỹ thuật đo chi tiết trong hai trường hợp không xử lý bề mặt và có xử lý bề mặt với hai đám mây điểm cho thấy khả năng đo các chi tiết có biên dạng phức tạp để thu được đám mây điểm là hiệu quả.
3.2.3 Đo các bề ặ ạ m t d ng t do ự Đo chi tiết khuôn
Khuôn chi tiết có dạng bậc mặt liên tục và phức tạp được phay bằng máy CNC với vật liệu nhôm và nhựa Thực nghiệm đo chi tiết khuôn cho thấy đám mây điểm của chi tiết khuôn, như minh họa trong hình 3.23 Hình 3.23 bao gồm giao diện phần mềm đo và kết quả thu được từ đám mây điểm.
Kết quả đo chi tiết khuôn cho thiết bị quang phổ đo được sử dụng để xác định độ sự chính xác của đám mây điểm với mật độ điểm liên tục và ít nhiều thông tin bề mặt Đo được bánh răng và các thông số kỹ thuật khác giúp đo được đám mây điểm với độ chính xác cao, cung cấp cho người dùng nhiều thông tin hữu ích và đầy đủ.
Thực nghiệm đo chi tiết bánh răng bằng ánh sáng cấu trúc cho thấy có một số vùng bị oxy hóa, dẫn đến việc ánh sáng không được hấp thụ đồng đều Hình 3.24 minh họa giao diện phần mềm đo và kết quả thu được dưới dạng đám mây điểm, trong đó có những vùng không thu được tín hiệu, ảnh hưởng đến thông tin đo được.
Chi tiết về đo chi tiết xốp được thực hiện bằng phương pháp dịch pha kết hợp Gray, cho thấy độ sáng lớn và tính chất phức tạp của biên dạng Hình 3.25 a minh họa giao diện phần mềm đo, trong khi hình 3.25 b thể hiện kết quả thu được dưới dạng đám mây điểm.
Chi tiết nhám bề mặt được đo bằng phương pháp dịch pha kết hợp Gray, như thể hiện trong hình 3.26 a Kết quả thu được là đám mây điểm chi tiết, được trình bày trong hình 3.26 b.
Kết quả đo chi tiết nhựa thu được đám mây điểm đo với chất lượng đám mây điểm
Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của hình dạng chi tiết đo đến sai số phép đo thông qua các thực nghiệm với bề mặt biên dạng khác nhau Kết quả cho thấy khi mặt phẳng mẫu đo chuẩn nằm trong vùng đo (300 × 220 × 186 mm) ở các vị trí và góc khác nhau, độ phẳng thu được có sự sai lệch khác nhau Cụ thể, vị trí trung tâm của vùng đo cho kết quả độ phẳng cao nhất, trong khi các vị trí và góc khác chỉ tạo ra sai lệch nhỏ Thực nghiệm chứng minh rằng chi tiết đặt ở tâm vùng đo có độ chính xác cao nhất.
Kết quả đo các chi tiết với hình dạng bề mặt khác nhau cho thấy rằng phần mềm dịch pha kết hợp mã Gray đã khảo sát ảnh hưởng của hình dạng đến sai lệch phép đo.
Các chi tiết mẫu bậc và bề mặt liên tục tạo ra đám mây điểm với thông tin đầy đủ, mật độ điểm cao và độ chính xác tối ưu.
- Với các chi tiết dạng trụ và lỗ thì đám mây điểm thu được bị thiếu thông tin và mật độ điểm thấp độ chính xác cũng giảm
K T LUẾ ẬN VÀ KI N NGH Ế Ị
Luận án nghiên cứu các phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc, đặc biệt là phương pháp phân tích khối lượng Gray (PSGC) Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của hình dạng bề mặt chi tiết đến độ chính xác của phép đo Luận văn được trình bày thành ba chương.