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
bộ giáo dục đào tạo tr-ờng đại học bách khoa hµ néi - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG CHI TIẾT ĐẾN SAI SỐ PHÉP ĐO 3D BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÁNH SÁNG CẤU TRÚC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ LÊ QUÝ THUẦN Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN VĂN VINH HÀ NỘI – 2018 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205065351000000 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn với đề tài “Ảnh hưởng hình dạng chi tiết đến sai số phép đo 3D phương pháp ánh sáng cấu trúc” cơng trình nghiên cứu riêng chưa công bố cơng trình khác Các số liệu nêu luận văn trung thực Hà Nội, ngày 12 tháng năm 2018 Tác giả luận văn Lê Quý Thuần MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung luận án Chương TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1 Các phương pháp đo biên dạng 3D 1.1.1 Phương pháp đo thời gian truyền sáng (Time of Flight- TOF) 1.1.2 Phương pháp stereo vision 1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc 1.2.1 Phương pháp dịch pha 16 1.2.2 Phương pháp mã Gray 17 1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray 20 1.2.4 Ứng dụng phương pháp quét 3D 20 1.3 Nội dung nghiên cứu luận văn 28 Chương PHƯƠNG PHÁP ĐO BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA KẾT HỢP MÃ GRAY 29 2.1 Phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray 29 2.2 Hiệu chuẩn hệ thống đo 34 2.3 Ảnh hưởng hình dạng chi tiết đo 45 2.4 Kết luận chương 48 Chương KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG CHI TIẾT ĐẾN SAI SỐ PHÉP ĐO 49 3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm 49 3.2 Khảo sát thực nghiệm đo mặt phẳng vùng đo 52 3.3 Thực nghiệm chi tiết hình dạng khác 58 3.2.1 Khảo sát đo bề mặt lỗ, rãnh, bậc 58 3.2.2 Khảo sát đo bề mặt chuẩn trụ 65 3.2.3 Đo bề mặt dạng tự 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 76 Danh mục chữ viết tắt Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 2D Dimension Không gian chiều 3D Dimension Không gian chiều CNC Computer numerical control Điều khiển máy tính CMM Coordinate measuring machine Máy đo tọa độ DMD Digital micromirror device Thiết bị vi gương kỹ thuật số DLP Digital light processing Xử lí ánh sáng kỹ thuật số LCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏng PSGC Phase shift and Gray code method Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray DOF Depth of field Độ sâu trường ảnh DFP Digital fringe projection Chiếu vân kỹ thuật số SNR Signal-to-Noise ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu SVD Singular value decomposition Danh mục ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt t rad Pha tuyệt đối w rad Pha tương đối (Ow ; x w , y w , z w ) Hệ tọa độ hệ thống (Oc ; xc , yc , zc ) Hệ tọa độ máy ảnh (O p ; x p , y p , z p ) Hệ tọa độ máy chiếu Tọa độ mặt phẳng ảnh (O; u, v) s Scale ratio Hệ số tỉ lệ R Rotation matrix Ma trận quay Translation vector Véc-tơ tịnh tiến t mm f uc , f vc Điểm ảnh Tiêu cự máy ảnh theo hai trục u, v cảm biến ảnh f up , f v p Điểm ảnh Tiêu cự máy chiếu theo hai trục u, v cảm biến ảnh A Điểm ảnh Ma trận nội thông số u c0 ,v0c Tọa độ điểm gốc (giao điểm trục quang mặt phảng ảnh) Pu , Pv Chu kỳ vân chiếu theo phương ngang phương thẳng đứng h w d mm Height Width Depth Kích thước vùng đo theo chiều cao rộng sâu D mm Aperture diameter Đường kính độ ống kính The number f Số f Focal langth Tiêu cự thấu kính N=f D f mm Độ ( ) Góc trục tung máy ảnh máy chiếu R0 Reference plane Mặt phẳng chuẩn Độ ( ) Góc mở máy chiếu theo phương ngang Độ ( ) Góc mở máy chiếu theo phương thẳng đứng OO = b mm L mm Base line Đường sở (Khoảng cách quang tâm máy ảnh máy chiếu) Khoảng cách từ đường sở đến mặt phẳng chuẩn R P DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ _Toc525112486 Hình 1.1 Sơ đồ bố trí máy ảnh phương pháp stereo vision……………… Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống đo ánh sáng cấu trúc……………………… Hình 1.3 Hệ thống đo 3D sử dụng mã Gray …………………………………… 18 Hình 1.4 Ứng dụng đo kiểm sản phẩm………………………………………… 22 Hình Ứng dụng đo gia cơng khí đo chi tiết khí ……………22 Hình Ứng dụng cơng nghiệp sản xuất ô tô…………………………… 23 Hình Thiết kế ngược …………………………………………………………23 Hình Ứng dụng quét biên dạng thể người phục vụ lĩnh vực thời trang may mặc, da giày……………………………………………………………………… 24 Hình 1.9 Ứng dụng quét biên dạng chi tiết khí ………………………… 25 Hình 10 Biên dạng 3D hàm ………………………………………………25 Hình 11 Ứng dụng y tế………………………………………………… 26 Hình 12 Quét tượng ……………………………………………………………27 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo PSGC ……………………………………30 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý xác định tọa độ điểm đo ………………………….31 Hình 2.3 Xác định pha tuyệt đối từ pha tương đối thứ tự vân …………………33 Hình 2.4 Mơ hình máy ảnh lỗ nhỏ ……………………………………………….35 Hình 3.1 Mơ hình thiết bị thực nghiệm ………………………………………… 50 Hình 3.2 Ảnh phần mềm hiệu chuẩn hệ thống………………………………… 51 Hình 3.3 Kết hiệu chuẩn hệ thống ……………………………………………52 Hình 3.4 Sơ đồ vị trí góc mặt phẳng chuẩn mẫu vùng đo …………53 Hình 3.5 Ảnh đo chi tiết mẫu phẳng chuẩn kích thước 190 125 mm ………… 54 Hình 3.6 Kết phù hợp đám mây điểm mặt phẳng mẫu chuẩn trị trí 1…… 55 Hình 3.7 Kết phù hợp đám mây điểm mặt phẳng mẫu chuẩn trị trí ………55 Hình 3.8 Kết phù hợp đám mây điểm mặt phẳng mẫu chuẩn trị trí ………56 Hình 3.8 Kết phù hợp đám mây điểm mặt phẳng mẫu chuẩn trị trí …… 56 Hình 3.9 Kết phù hợp đám mây điểm mặt phẳng mẫu chuẩn trị trí …… 57 Hình 3.10 Ảnh chi tiết mẫu………………………………………………… … 58 Hình 3.11 Các kích thước danh nghĩa chi tiết mẫu ………………………… 59 Hình 3.12 Các kích thước trung bình chi tiết mẫu đo máy CMM ……….59 Hình 3.13 Đám mây điểm đo chi tiết mẫu ……………………………………….60 Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn kết đo đường kính lỗ ……………………….60 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn kết đo kích thước chiều dài …………………61 Hình 3.16 Giao diện chương trình đo chi tiết chỉnh phẳng ………………………62 Hình 3.17 Đám mây điểm chi tiết chỉnh phẳng ………………………………… 63 Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn kết đo kích thước chiều dài cạnh chi tiết …………………………………………………………………………………….63 Hình 3.19 Giao diện chương trình đo chi tiết bậc trụ gá dao …………………….64 Hình 3.20 Đám mây điểm chi tiết bậc trụ gá dao ……………………………… 64 Hình 3.21 Đo chi tiết dạng trụ với bền mặt thực ……………………………65 Hình 3.22 Đo chi tiết dạng trụ côn với bền mặt phủ giảm phản xạ ……… 66 Hình 3.23 Đo chi tiết khn vật liệu nhơm nhựa …………………………… 68 Hình 3.24 Đo chi tiết bánh ………………………………………………….69 Hình 3.25 Đo chi tiết xốp………………………………………………………… 70 Hình 3.26 Đo chi tiết nhựa ……………………………………………………….71 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, nhu cầu sản xuất thiết bị sản phẩm cơng nghệ cao với độ xác ngày cao Việc ứng dụng phương pháp đo lường kiểm tra cơng nghiệp khí cần thiết nâng cao suất đảm bảo chất lượng Công nghệ sản xuất linh hoạt hỗ trợ sản xuất chi tiết với suất chất lượng cao đặc biệt bề mặt tự với nhiều loại vật liệu bề mặt hoàn thiện khác Các bề mặt sản xuất với hai tiêu chí thầm mỹ hiệu suất như: công nghiệp ô tô, máy bay, hàng tiêu dùng, tiểu thủ công nghiệp Để đảm bảo yêu cầu phù hợp thiết kế sản xuất cần phải sử dụng công nghệ đo lường phù hợp Hai nhóm phương pháp đo biên dạng 3D đối tượng là: đo tiếp xúc không tiếp xúc Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng đầu dò tiếp xúc với bề mặt đối tượng cần đo máy đo ba tọa độ CMM (Coordinate Measuring Machine), tay máy đo Đặc điểm phương pháp đo tiếp xúc phương pháp đo điểm, điểm xác định đầu dò tiếp xúc học với bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu tọa độ điểm đo hệ tọa độ máy với thời gian xác định, đối tượng quét lớn phải nhiều thời gian để quét Phép đo có sai số kích thước đầu dị khó đo đối tượng hình dạng phức tạp có bề mặt khơng xác định bề mặt khơng định hình Giá thành thiết bị đo tiếp xúc thường cao phận cảm biến đầu dò mang hệ thống khí địi hỏi độ xác cao Cơng nghệ đo lường 3D không tiếp xúc hướng nghiên cứu phát triển lĩnh vực đo lường 3D Trong đó, công nghệ đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng phương pháp đo lường 3D quang học thông qua hình ảnh, quét ánh sáng laser chiếu ánh sáng mã hóa, giới quan tâm nghiên cứu, phát triển ứng dụng rộng rãi lĩnh vực công nghiệp sống như: sản xuất thông minh, khoa học y tế, khoa học máy tính, an ninh quốc gia giải trí Phương pháp thu thập nhiều thơng tin bề mặt nhiều chi tiết đo mà không cần tiếp xúc bề mặt chi tiết đo, với kết hợp lý thuyết quang học với khoa học máy tính đại cơng nghệ điện tử Những ưu điểm vượt trội phương pháp như: đo nhiều chi tiết đo lúc, tốc độ đo nhanh, độ phân giải cao dễ dàng thực Độ xác phương pháp đo ánh sáng cấu trúc phụ thuộc nhiều vào tính chất bề mặt chi tiết đo, hình dạng chi tiết đo, thơng số hình học hệ thống quang phương pháp xử lý liệu 3D Do vậy, việc ứng dụng phương pháp việc đo lường để đo biên dạng bề mặt khác tồn số hạn chế như: dựng hình 3D có độ xác chưa cao ảnh thu phụ thuộc nhiều vào bề mặt biên dạng mức độ phản xạ bề mặt chi tiết đo Nguyên nhân sai số hiệu chuẩn thông số hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Hệ thống cần phải hiệu chuẩn xác thu kết dựng hình xác Hơn nữa, phương pháp đo chi tiết đo với biên dạng bề mặt khác gây ảnh hưởng đến sai số phép đo Các vấn đề nghiên cứu nhà khoa học tập trung nghiên cứu để nâng cao độ xác hệ thống đo Các phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc giới nghiên cứu như: Phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường phương pháp kết hợp Trong đó, phương pháp đo sử dụng ánh sáng dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC) nghiên cứu ứng dụng để đo chi tiết với biên dạng bề mặt khác Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Mục đích luận văn nghiên cứu tổng quan đo lường 3D biên dạng chi tiết, ứng dụng phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray để đo lường chi tiết với hình dạng khác Thơng qua phân tích thực nghiệm kiểm chứng ảnh hưởng hình dạng chi tiết đến sai số phép đo Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận văn nghiên cứu khả đo lường phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ảnh hưởng hình dạng chi tiết đến sai số phép đo