Đo lường kiểm tra biên dạng hi tiết gia ông bằng ông nghệ cnc sử dụng phương pháp ánh sáng ấu trú

48 Trang 7 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt STD mm Standard Deviation Độ lệch chuẩn dt mm Kích thước thực đo bằng máy CMM d i mm Kích thước thực đo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Nguyễn Văn Vinh

2 TS Ngô Anh Vũ

Hà Nội - 2018

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tấ ảt c nh ng n i trong luữ ộ ận văn “Đo lườ ng ki m tra biên ể

trúc” là công trình nghiên c u c a cá nhân tôi, th c hiứ ủ ự ện dướ ựi s hướng d n c tẫ ủa ập thể cán b ộ hướng d n: PGS TS Nguyẫ ễn Văn Vinh và TS Ngô Anh Vũ Các s li u ố ệ

và tài l u trong luệ ận văn là trung thực được ghi rõ ngu n trích d n K t qu nghiên ồ ẫ ế ảcứu này chưa được công b ốtrong b t k công trình nghiên c u nào khác cho t i thấ ỳ ứ ớ ời điểm này

Tác giả luận văn

Phan Th Bích Liên ị

2

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên c u và hoàn thành luứ ận văn, tôi đã nhận được

rất nhiề ự giúp đỡ, góp ý, độu s ng viên và chia s c a mẻ ủ ọi người

Tôi đặc bi t cệ ảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Vinh, T.S Ngô Anh Vũ, Th.SNguy n Th ễ ị Kim Cúc đã hướng d n, ch b o cho tôi nh ng ý ki n vô cùng quý báu ẫ ỉ ả ữ ế

và tạo điều ki n thu n l i cho tôi v m t chuyên môn trong su t quá trình h c t p ệ ậ ợ ề ặ ố ọ ậ

và thực hiện luận văn

Tôi xin trân tr ng cọ ảm ơn Ban Giám hi u, các th y cô trong ệ ầ Khoa cơ khí -

động l c ự Trường CĐ Cơ điện và CNTP Hà Nội đã ạ điềt o u ki n thu n l i v ệ ậ ợ ề thời gian cho tôi trong su t quá trình làm luố ận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Quang - Cơ Điện T 307 C4-ử 5

B ộ môn Cơ Khí Chính Xác & Quang học – Trường Đạ ọi h c Bách khoa Hà Nội đã

t o mạ ọi điều ki n t t nh t v ệ ố ấ ề cơ sở ậ v t ch t thí nghi m, nhiấ ệ ệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Cuối cùng, tôi xin g i l i cử ờ ảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ, chia s ẻnhững khó khăn trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này

Tác giả luậ vănn

Phan Th Bích Liên ị

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 3DANH MỤC CÁC KÝ HI U 5ỆDANH MỤC CÁC CH ẾT TẮT 6ỮVIDANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7DANH MỤC CÁC HÌNH V VÀ ĐỒẼ TH 8Ị

ĐO LƯỜNG BIÊN D NG 3D S D NG ÁNH SÁNG C U TRÚC 15Ạ Ử Ụ Ấ

1.1 Khái ni m ánh sáng cệ ấu trúc và đặc điểm ánh sáng c u trúc 15ấ1.1.1 Khái ni m ánh sáng c u trúc 15ệ ấ1.1.2 Đặc điểm ánh sáng c u trúc 21ấ1.2 Phương pháp đo lường biên d ng 3D b ng ánh sáng c u trúc 22ạ ằ ấ1.3 ng dỨ ụng phương pháp đo biên dạng 3D s d ng ánh sáng c u ử ụ ấtrúc 25

1.4 Kết luận chương 1 26CHƯƠNG 2 27PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D S D NG ÁNH SÁNG C U TRÚC MÃ Ử Ụ Ấ

D CH PHA K T H P GRAY 27Ị Ế Ợ

2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D s d ng d ch pha 27ử ụ ị2.1.1 Nguyên lý đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha 272.1.2 Các thu t toán dậ ịch pha 30

4

2.1.3 Các phương pháp gỡ pha 35

2.2 Phương pháp mã hóa Gray 38

2.3 Phương pháp dịch pha k t h p Gray 40ế ợ 2.4 Đặc điểm chi ti t phay CNC 42ế 2.5 ng dỨ ụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiế t phay CNC 43

2.6 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3 ĐO LƯỜNG CHI TI T PHAY CNC 48Ế 3.1 Xây d ng h ự ệthống thực nghiệm 48

3.2 Chương trình đo biên dạng 3D b ng ánh sáng c u trúc 49ằ ấ 3.3 Đo lườ một số ng chi ti t phayế mẫu ằng phương pháp ánh sáng cấ b u trúc 52

3.4 Kết luận chương 3 70

KẾT LU N 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ Ụ L C 75

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Đơn vị Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

CMM

sáng cấu trúc

6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CNC Computer numerical control Điều khiển bằng máy tính CMM Coordinate measuring machine Máy đo tọa độ

CAD Computer Aided Design Thiết kế có sự trợ giúp của máy

tính DLP Digital light processing Xử lí ánh sáng kỹ thuật số

PSGC Phase shift combined Gray code

method

Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray

7 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 M t s ộ ốthiế ịt b đo biên dạng 3D s d ng ánh sáng c u trúc trên th ử ụ ấ ị trường

8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Sơ đồ ệ ố h th ng chi u bế ằng lưới khe h p 17ẹ

Hình 1.3 Phân tích pha chiế u cách t s d ng nh d ch pha 17ử ử ụ ả ịHình 1.4 Sơ đồ nguyên lý c a b ng hi u chuủ ả ệ ẩn để xác định tọa độ x, y, z t ừ phương

pháp d ng b ng toàn không gianự ả 19

tuầ ự n t 19 Hình 1.6 M i quan h hình h c gi a các ngu n ánh sáng, cách t ố ệ ọ ữ ồ ử và đối tượng đo được trích xu t 20ấHình 1.7 Sơ đồ nguyên lý thi t b ế ị đo biên dạng 3D b ng ánh sáng c u trúc [8] 23ằ ấ

Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha 28

Hình 2.2 Mẫ u chi u d ng mã Gray [7] 39ế ạHình 2.3 Hình ảnh chi tiết phay CNC 42

Hình 2.4 Chi tiế t phay m u b c 43ẫ ậ

Hình 2.5 Chi tiết phay CNC sau khi đo bằ ng ánh sáng c u trúc 44ấ

Hình 2.6 Chi tiết phay CNC 45

Hình 2.7 Chi tiết đang gia công trên máy CNC 45 Hình 2.8 Sả n ph m phay CNC 46ẩ

Hình 3.1 Mô hình thiế ị ự t b th c nghi m 48ệ

Hình 3.2 Giao diệ n ô vuông bàn c 50ờ

Hình 3.4 Đám mây điểm chi tiế ậ t b c 51 Hình 3.5 Chi tiế t phay s 1 53ố

9

Hình 3.6 Giao diện chương trình đo chi tiế t phay s 1 53ốHình 3.7 Đám mây điểm củ a chi ti t phay s 1 54ế ốHình 3.8 Đồ ị ế th k t qu ả đo kích thước a c a chi ti t phay s 1 54ủ ế ố

Hình 3.9 Đồ ị ế th k t quả đo kích thướ c b c a chi ti t phay s 1 55ủ ế ố

Hình 3.10 Đồ ị ế th k t quả đo kích thướ c c củ a chi ti t phay s 1 55ế ố

Hình 3.11 Chi tiế t phay s 2 56ố

Hình 3.12 Phần mềm xử lý ph n chi ti t phay s 2 57ầ ế ố

Hình 3.13 Đám mây điểm của chi ti t phay s 2 57ế ố

Hình 3.14 Đồ ị ế th k t quả đo kích thướ c a củ a chi ti t phay s 2 58ế ố

Hình 3.15 Đồ ị ế th k t quả đo kích thướ c b củ a chi ti t phay s 2 58ế ố

Hình 3.16 Đồ ị ế th k t qu ả đo kích thước c củ a chi ti t phay s 2 59ế ố

Hình 3.17 Chi tiế t phay s 3 59ố

Hình 3.18 Phầ n mềm xử lý ph n chi ti t phay s 3 60ầ ế ố

Hình 3.19 Đám mây điểm của chi ti t phay s 3 60ế ố

Hình 3.20 Đồ ị ế th k t qu ả đo kích thước a của chi ti t pha ố 3 61ế y s Hình 3.21 Đồ ị ế th k t qu ả đo kích thước b củ a chi ti t phay s 3 61ế ố

Hình 3.22 Đồ ị ế th k t qu ả đo kích thước c củ a chi ti t phay s 3 62ế ố

Hình 3.23 Chi tiế t phay s 4 63ố

Hình 3.24 Phầ n mềm xử lý ph n chi ti t phay s 4 63ầ ế ố

Hình 3.25 Đám mây điểm của chi ti t phay s 4 64ế ố

Hình 3.27 Đồ ị ế th k t qu ả đo kích thước a củ a chi ti t phay s 4 65ế ố

Hình 3.28 Đồ ị ế th k t qu ả đo kích thước b củ a chi ti t phay s 4 65ế ố

Hình 3.29 Đồ ị ế th k t qu ả đo kích thước c củ a chi ti t phay s 4 66ế ố

Hình 3.30 Chi tiế t phay s 5 66ố

Hình 3.31 Phầ n mềm xử lý ph n chi ti t phay s 5 67ầ ế ố

Hình 3.32 Đám mây điểm của chi ti t phay s 5 67ế ố

mới cũng phát triển r t m nh m kéo theo các ng d ng ph n m m vào trong t ấ ạ ẽ ứ ụ ầ ề ự

động hóa s n xu t và t ng hóa l p ráp Viả ấ ự độ ắ ệc ứng dụng các máy điều khi n s ể ốCNC (Computer Numerical Control) và các ph n m m này vào quá trình s n xuầ ề ả ất cho phép nâng cao độ chính xác gia công, hi u qu kinh tệ ả ế, tăng năng suất, đồng thời rút ngắn được chu k s n xu t Chính vì v y, hi n nay ỳ ả ấ ậ ệ ở nước ta và các nước trên thế ớ gi i đã và đang ứng d ng r ng rãi các máy ụ ộ công cụ CNC

Trước kia để đo biên dạng và ki m tra hình dáng hình h c c a các chi ti t ể ọ ủ ếphay có hình dạng đơn giản, năng suất và hi u qu công vi c thệ ả ệ ấp người ta thường dùng các d ng c ụ ụ đo đơn giản: thước c pặ , panme, dưỡng Khi cần đo những chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao, hình d ng ph c t p Nạ ứ ạ ếu dùng dưỡng để ể ki m tra thì không hợp lý, vì tương ứng v i m i b m t c a s n phớ ỗ ề ặ ủ ả ẩm thì người ta ph i ch tả ế ạo các loại dưỡng khác nhau lúc này chi phí l n s ớ ẽ không đạt hi u qu v ệ ả ề năng suất và giá thành, không đáp ứng được v i tớ ốc độ ả s n xu t c a các lo i máy hiấ ủ ạ ện đại điều khiển theo chương trình số Chính vì v y, c n ph i nghiên c u và ng d ng các ậ ầ ả ứ ứ ụphương pháp kiểm tra mà tốc độ đo nhanh hơn và khi đo có thể ự th c hi n ngay trên ệmáy gia công mà không c n ph i tháo chi ti t ra khầ ả ế ỏi máy, khi đo như vậy sẽ kiểm tra được kích thước và biên dạng t đó có thể hiệu chỉnh lại chương trình gia công của máy hạn chế được sai số và phế phẩm trong quá trình gia công và đây cũng là

xu hướng phát tri n c a đo lư ng hiể ủ ờ ện đại trên th gi i ế ớ

12

Lịch sử nghiên cứu

Ngày nay, v i s phát tri n c a khoa hớ ự ể ủ ọc kĩ thuật, vi c ghép n i v i máy tính ệ ố ớ

để qua đó xử lí các s liố ệu đo sẽ ở nên đơn giả tr n và hi u qệ ủa hơn rất nhi u Chính ề

t nh ng kh ữ ả năng ưu việt như vậy đã cho ra đời m t thi t bộ ế ị đo tự động có tốc độ

đo nhanh mà với những phép đo thông thường khó có th ể đáp ứng được, đó là đo biên d ng chi ti t b ng ánh sáng c u trúc Biên d ng c a chi tiạ ế ằ ấ ạ ủ ết đo có thể xác định được với độ chính xác cao thông qua bộ ử x lí s liố ệu đo đã đượ ập trình và cài đặc l t

s n trong máy tính Hi n nay, viẵ ệ ệc ứng dụng phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc để đo các chi tiết cơ khí trong ngành công nghiệp gia công CNC trên th gi i ế ớchưa được ph bi n Tuy nhiổ ế ên, đang có nhiều tri n v ng và t n dể ọ ậ ụng được nhiều

ưu điểm

T những ưu điểm về tốc độ đo nhanh và khả năng đo trong quá trình gia công, xuất phát t ý tưởng muốn ứng dụng phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc để nâng cao hơn nữa hi u qu s d ng c a các h th ng thi t b k thu t này vào vi c ệ ả ử ụ ủ ệ ố ế ị ỹ ậ ệnghiên c u khoa h c, chuy n giao công ngh và khai thác ng d ng vào quá trình ứ ọ ể ệ ứ ụ

s n xu t, ki m tra các s n phả ấ ể ả ẩm có độ ph c tứ ạp và độ chính xác gia công cao thì

vi c th c hiệ ự ện đề tài: “ Đo lường ki m tra biên d ng chi ti t gia công b ng công ể ạ ế ằ

ngh CNC sệ ử ụng phương pháp ánh sáng cấ d u trúc” là c n thiầ ết và có ý nghĩa thực tiễn cao

Trong các lo i máy công c ạ ụ CNC, máy phay CNC được sử ụ d ng khá ph bi n ổ ếCác s n ph m c a máy phay CNC có r t nhi u ki u biên d ng và hình dáng ả ẩ ủ ấ ề ể ạhình học khác nhau như: mặt ph ng, mẳ ặt bậc, m t nghiêng, m t c uặ ặ ầ …, khi k t h p ế ợmáy ti n v i máy phay CNC hình thành các trung tâm gia công CNC có th gia công ệ ớ ểđược các lo i b m t có hình dáng 3D ph c t p ạ ề ặ ứ ạ

Do đó đề tài này ch y u nghiên củ ế ứu đo lường ki m tra biên d ng chi ti t b ng ể ạ ế ằcông nghệ phay CNC s dử ụng phương pháp ánh sáng cấu trúc

13

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu

N i dung trong ộ đề tài: ‘‘Đo lường ki m tra biên d ng chi ti t gia công b ng ể ạ ế ằ

mục đích sau:

Làm tài li u phệ ục vụ cho đào tạo

u tham kh o cho các ngành ngh liên quan

n v m ng phát triThông qua luậ ăn ở ra hướ ển để làm các đềtài khác

Hiểu rõ đượ ạt động và phương pháp đo củ ế ị đo theo phương pháp ánh sáng cấu trúc Ứng dụng để ểm tra độ ki chính xác gia công c a ủchi tiết phay CNC

ng d ng vào thỨ ụ ực tế ả s n xu t công nghi p hi n nay ấ ệ ệ

Đối tượ ng nghiên c u: Kh ứ ả năng đo lường của phương pháp đo sử ụ d ng ánh sáng

Nghiên c u t ng quan v ứ ổ ề phương pháp đo biên dạng 3D s d ng ánh sáng ử ụ

c u trúc mã d ch pha k t hấ ị ế ợp gray, đặc điểm c a chi ti t phay CNC và ng d ng ủ ế ứ ụphương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiết phay CNC

Thiế ế ộ ốt k m t s chi ti t phay CNC mế ẫu đo thử nghi m, tiệ ến hành đo và đánh giá độ chính xác khi đo bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc

Phương pháp nghiên cứu

Chọ ọn l c phân tích, k th a các k t qu nghiên cế ế ả ứu đã có để tìm hi u n m ể ắđược nguyên lý làm vi c c a thi t b ệ ủ ế ị đo bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc, s ử

dụng được các thiết bị thực nghiệm

Để đạt được m c tiêu và th c hiụ ự ện được các n i dung nghiên cộ ứu đề ra, lu n ậvăn sử ụng phương pháp nghiên cứ d u lý thuy t k t h p th c nghiế ế ợ ự ệm đưa ra những đánh giá về các y u t ế ố ảnh hưởng đến độ chính xác c a thi t b ủ ế ị

S d ng các ph n m m b ử ụ ầ ề ổtrợ cho vi c tính toán thi t k : CAD, MS - Office, ệ ế ếphân tích d u ữliệ ảnh: Image J, mô ph ng d ỏ ữliệu điểm đo Geomagic 10, phần m m ềMatlab để ự th c hiện các n i dung nghiên cộ ứu đềra

15

CHƯƠNG 1

ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

Trong chương này trình bày những nghiên c u t ng quan v ứ ổ ề phương pháp đo biên d ng 3D s d ng ánh sáng c u trúc t ạ ử ụ ấ đó xác định các n i dung nghiên c u ch ộ ứ ủ

y u c a luế ủ ận văn Mục 1.1 trình bày t ng quan v khái niổ ề ệm và đặc điểm c a ánh ủsáng c u trúc M c 1.2 ấ ụ trình bày phương pháp đo lường chi ti t 3D b ng ánh sáng ế ằ

c u trúc M c 1.3 trình bày ng dấ ụ ứ ụng phương pháp đo biên dạng 3D s d ng ánh ử ụsáng cấu trúc M c 1.4 K t luận chương 1 ụ ế

1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc và đặc điểm ánh sáng cấu trúc

1.1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc

Ánh sáng cấu trúc là ánh sáng mẫu được mã hóa theo hàm cường độ hoặc màu sắc, theo không gian hoặc thời gian, được chiếu vào vùng không gian đo

Hình 1.1 Ảnh vân mẫu ánh sáng cấu trúc được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu

a Vân mẫu được mã hóa dạng sin theo mặt cắt ngang

b Vân mẫu được mã hóa theo các chu kỳ sin khác nhau theo mặt cắt ngang

c Vân mẫu dạng hình thang theo mặt cắt ngangTheo k thu t mã hóa ánh sáng cỹ ậ ấu trúc đáp ứng việc mã hóa các mô hình mẫu chiếu theo m t có hai ặ phương pháp cơ bản thường đượ ử ục s d ng là: dùng giao thoa ánh sáng và dùng phương pháp chiếu

16

Phương pháp dùng giao thoa ánh sáng với hai chùm tia laser ph ng r ng hay ẳ ộbước sóng d i r ng (ánh sáng tr ng) T o ra các mô hình giao thoa v i các m u ả ộ ắ ạ ớ ẫchiếu là các vân cách đều nhau Kích thước mô hình vân khác nhau có thể thu được bằng cách thay đổi góc giữa các chùm tia Phương pháp này cho phép thu được chính xác các mô hình mẫu với vùng có độ sâu không hạn chế Tuy nhiên, để xây dựng hệ thống này yêu cầu phải thiết kế hệ thống với độ chính xác cao và chi phí lớn

+ T o ánh sáng c u trúc b ng cách t ạ ấ ằ ử

Có nhi u d ng m u ánh sáng cề ạ ẫ ấu trúc đượ ạc t o ra b ng cách chi u các nguằ ế ồn sáng qua cách t nhi u x Tùy theo mử ễ ạ ục đích mã hóa có thể thi t k h quang chiế ế ệ ếu khác nhau t đó có thể ạ t o ra nhi u d ng vân sáng c u trúc ề ạ ấ

Trong m t nghiên c u m i m t máy chi u cách t v i chín dòng ngu n ánh sáng ộ ứ ớ ộ ế ử ớ ồLED mới được phát triển Phương pháp dịch Pha thường s d ng m t máy chiử ụ ộ ếu cách t v i mử ớ ột độ phân gi i cao ho c mả ặ ột máy chi u màn hình tinh th l ng (LCD), ế ể ỏchi phí cao và h n ch tạ ế ốc độ ịch pha Hi d ệu xuất năng lượng ánh sáng của một đèn LED là r t cao Kích tấ hước c a ngu n sáng là r t nh Vi c kiủ ồ ấ ỏ ệ ểm soát năng lượng là

d dàng và r t nhanh chóng nh vi c chuy n m ch t t /b t các LED theo th i gian ễ ấ ờ ệ ể ạ ắ ậ ờChín dòng nguồn ánh sáng LED được đặt ở phía trước c a m t cách t Vi c chuyủ ộ ử ệ ển

m ch cho m i dòng LED c a ngu n ánh sáng là 'b t' Các pha c a bóng cách t ạ ỗ ủ ồ ậ ủ ửđược chuy n bể ằng cách thay đổi các chuy n mể ạch cho đèn LED là bật/ tắt đồng b ộ

v i các pha d ch chuy n và thu b ng camera theo tu n t S d ng ngu n ánh sáng ớ ị ể ằ ầ ự ử ụ ồLED cho m t máy chiộ ếu lưới khe h p, nó có th làm cho pha d ch chuy n mà không ẹ ể ị ể

c n bầ ất kỳ thiết bị di chuy n ể

S dử ụng phương pháp chiếu này có chi phí th p và tấ ốc độ cao Các tác gi g i là ả ọ

"phương pháp bước nh y pha s dả ử ụng đèn LED nhiều đường 'Ngay c khi v trí cả ị ủa các ngu n ánh sáng LED không ph i là quá chính xác, sai s là gồ ả ố ần như bị ủ h y b ỏ

b ng cách s d ng các b ng hi u chuằ ử ụ ả ệ ẩn thu được b ng các b ng toàn không gian ằ ả

17

v i các thi t l p th c nghiớ ế ậ ự ệm như nhau Phương pháp này sẽ đáp ứng cho h ệthống

đo lường hình d ng tạ ốc độ cao, đ chính xác cao, nh g n và chi phí th p ộ ỏ ọ ấ

Phương pháp dịch pha s dử ụng phương pháp chiếu cách t : Hình 1.2 cho thử ấy

một sơ đồ ệ h thống cho phương pháp chiếu cách t Mử ột lưới khe h p v i phân b ẹ ớ ố

độ sáng cosin như một máy chi u Bóng cế ủa các lưới khe hẹp được chi u lên b mế ề ặt

đối tượng, b bi n d ng theo hình d ng cị ế ạ ạ ủa đối tượng

Hình 1.3 (a) cho th y mô hình d ch chuyấ ị ển pha lưới khe h p chi u lên mẹ ế ột

đối tượng Hình 1.3 (b) cho thấy độ sáng (cường độ) phân b dố ọc theo đường trung tâm ngang của hình

a b

a S phân b ự ố cường độ ần như là dạ g ng cosin

18

Khi m t cách t v i m t phân b sáng d ng ộ ử ớ ộ ố độ ạ cosin được chi u ho c hiế ặ ển thị trên m t m t ph ng tham chi u ho c mộ ặ ẳ ế ặ ột đối tượng, và các pha c a cách t ủ ử được

d ch chuy n N l n cho mị ể ầ ột chu kỳ

Các tác gi ả trước đó đề xuất các phương pháp hiệu chu n mà s d ng hai ẩ ử ụ

ho c nhi u m t ph ng chuặ ề ặ ẳ ẩn Các phương pháp điều chỉnh đã được m rở ộng đến

m t s ộ ố lượng r t l n các m t ph ng T t c các m i quan h gi a các pha cấ ớ ặ ẳ ấ ả ố ệ ữ ủa lưới chiếu và t a đ không gian có th thu đưọ ộ ể ợc như bảng hi u chu n cho m i đi m ảnh ệ ẩ ỗ ể

c a máy ủ ảnh Phương pháp này được gọi là " phương pháp lập b ng toàn không gian ả'(WS™)

Hình 1.2 cũng cho thấy một sơ đồ ủ c a h ệthống đo lường hình bằng phương pháp chiếu lưới và gi i thích v các nguyên t c cả ề ắ ủa phương pháp hiệu chu n b ng ẩ ằcách s d ng nhi u m t ph ng chu n Mử ụ ề ặ ẳ ẩ ột màn hình LCD như một mặt ph ng tham ẳchiếu được đặt trên một m t tuyến tính Màn hình LCD được bao ph v i m t phim ặ ủ ớ ộtán x Các chạ ức năng của phim tán x ạ như một màn hình khi một mô hình lưới được chi u t máy chi u lên m t ph ng tham chiế ế ặ ẳ ếu Nó đượ ử ụng đểc s d làm b ng ả

hi u chu n c a m i quan h gi a các pha và tệ ẩ ủ ố ệ ữ  ọa độ z phim tán x ạ cũng có chức năng như một màn hình ngược khi một mô hình lưới được hi n th trên màn hình ể ịLCD để xác định tọa độ x và y ảnh lưới được chi u lên m t ph ng tham chiế ặ ẳ ếu đầu tiên, và sau đó nó cũng được chiếu lên đối tượng được đo Bằng cách d ch các m t ị ặ

ph ng tham chi u d c theo tr c z, mẳ ế ọ ụ ột điểm ảnh c a máy nh ghi lủ ả ại cường độ như hình nh tả ại các điểm P0, P1, P2 và PN, trên nh ng m t ph ng tham chi u R0, ữ ặ ẳ ếR1, R2 và RN, tương ứng Cũng như vậy, b ng cách thu các nh d ch pha cằ ả ị ủa lưới mà s phân ph i dọự ố c theo đường th ng L c a mẳ ủ ột pixel camera được thu

Để thu được các tọa độ x và y trên m t ph ng tham chiặ ẳ ếu, các lướ ịi d ch pha

hi n th ể ị trên màn hình LCD được ch p b i máy ụ ở ảnh T nh ng hình ữ ảnh d ch chuyị ển pha, các b ng hi u chuả ệ ẩn được hình thành đ thu được tọ ộể a đ x, y, z t pha mở ỗi điể ảnh như thể ệm hi n trong hình 1.4 và 1.5

19

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của bảng hiệu chuẩn để xác định tọa độ x, y, z từ

phương pháp dựng bảng toàn không gian

a B ng c a pha ả ủ  và x, b B ng c a pha ả ủ  và y, c B ng c a pha ả ủ  và z

Trong các quá trình đo, đối tượng đo được đặt gi a các m t ph ng tham chi u ữ ặ ẳ ếR0 và RN Lướ ịch pha đượi d c chi u lên b mế ề ặt đối tượng đo Phân bố pha của lưới được phân tích t nh ng nh chuyển pha Phương pháp này đượữ ả c g i là l p b ng ọ ậ ảtoàn không gian Nó không bao g m các ồ ảnh hưởng c a s bi n d ng ng kính và ủ ự ế ạ ốsai lệch cường độ ủa lướ c i chi u trong các k t qu ế ế ả đo lường v m t lý thuy t L p ề ặ ế ậ

bảng làm cho quá trình đo trong thời gian ng n các tắ ọa độ 3D thu được b ng cách ằnhìn vào b ng hi u chu n t pha t i mả ệ ẩ ạ ỗi điểm pixel c a máy nh và nó không yêu ủ ả

c u bầ ất cứ tính toán phức tạ ốp t n nhi u th i gian ề ờ

Phương pháp dịch pha bằng cách thay đổi ngu n sáng Nguyên tồ : ắc c a ủphương pháp dịch pha s d ng ngu n sáng là các dòng LED Hình 1ử ụ ồ 5 cho thấy một cách t ử được phát ra t nguồn sáng, trong trường h p b n dòng LED N u m i dòng ợ ố ế ỗLED được b t và t t m t cách tu n t , bóng c a cách t s ậ ắ ộ ầ ự ủ ử ẽ được di chuy n ể

Hình 1.5 Bóng của lưới được di

chuyển khi mỗi dòng LED được bật và tắt

một cách tuần tự

20

S ố lượng bước pha là hàm c a khoủ ảng cách theo phương thẳng đứng t nguồn sáng LED trong phương pháp bước pha s d ng ngu n sáng là các dòng LED ử ụ ồLượng d ch chuyị ển pha đổ ới v i khoảng cách theo phương z t ngu n sáng n t ng ồ đếđiểm trong hình 13 Các v trí v i s lư ng d ch chuy n pha, / 2 và ị ớ ố ợ ị ể   được hi n ểthị như là các đường thẳng ngang, tương ứng

Hình 1.6 Mối quan hệ hình học giữa các nguồn ánh sáng, cách tử và đối

tượng đo được trích xuấtTrong hình này, năm dòng LED được hi n th , ký hi u n là s lư ng các dòng ể ị ệ ố ợLED, và các nguồn ánh sáng dòng n được thi t l p Ln (n = 0, 1, 2, 3, 4) Các ngu n ế ậ ồánh sáng song song và cách đều nhau với bước là l M t ph ng bao gặ ẳ ồm năm nguồn ánh sáng LED được g i là m t phọ ặ ẳng LED khi đó z = 0 với các vùng (x, y) V trí ị

của các dòng LED đầu tiên L0 là g c O c a các tố ủ ọa độ x, y, z Trong m t ph ng ặ ẳLED, hướng x vuông góc với các dòng LED, và phương y song song với dòng LED Hướng z- vuông góc v i m t ph ng LED S phân b sáng cớ ặ ẳ ự ố độ ủa năm dòng LED được gi ả định là đồng nh t và bấ ằng nhau theo các phương x và y trong vùng quan sát c ố định M t ph ng cách t ặ ẳ ử có bước là p được đặt song song v i m t ph ng LED, ớ ặ ẳ

21

kho ng cách gi a m t ph ng LED và m t ph ng cách t là d Các khe c a cách t ả ữ ặ ẳ ặ ẳ ử ủ ửđược đặt song song v i các dòng LED ớ

Các vân sáng được mã hóa bằng máy tính và được chi u b i m t khung hình ế ở ộbên trong máy chiếu, thông thường là m t màn hình LCD, màn hình LCOS hoộ ặc DLP Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai công nghệ, công nghệ này liên quan đến cơ chế hoạt động bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hình ảnh, phương pháp truyền qua thường dùng tấm LCD trong khi phương pháp phản chiếu DLP lại sử dụng hàng ngàn gương nhỏ tương ứng hàng ngàn điểm ảnh Kỹ thuật chiếu ảnh DLP có ưu điểm là tạo được hình ảnh có độ tương phản cao, tạo được hình ảnh mượt hơn không lộ điểm ảnh và có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD

1.1.2 Đặc điể m ánh sáng c u trúc ấ

- Tốc độ thu nh n d u cậ ữliệ ực nhanh nhờ công ngh ệchụp hình 3D

- Khả năng đạ ột đ chính xác cao trên mỗi phép đo

- C u trúc ánấ h sáng được điều ch rế ất đa dạng tùy thu c vào ộ đối tượng đo

- Có thể điều ch theo màu sế ắc, cường độ, mức độ xám

- H ệthống có th ể thay đổi hệ quang để tăng gi m đả ộ phân giải đồng thời tăng giảm thể tích của phép đo t đó phù hợp v i nhi u ch ng lo i s n ph m k c v t th ớ ề ủ ạ ả ẩ ể ả ậ ểcó kích thướ ớc l n và nh : ỏ

- Kích thướ ớc l n ho c b m t s n phặ ề ặ ả ẩm trơn liên tục và dùng th u kính có tiêu ấ

c l n ự ớ

- Kích thước nhỏ ho c b mặ ề ặt hoa văn nhẹ và dùng th u kính có tiêu c nh ấ ự ỏ

- Có th ể quét được s n phả ẩm có kích thướ ớn như thân ô c l tô, tàu th y hoủ ặc các sản ph m có kích thưẩ ớc rất lớn

Phương pháp quét 3D sử ụ d ng ánh sáng cấu trúc là phương pháp hiện nay đang được quan tâm và nghiên c u r t nhiứ ấ ều Đây là phương pháp kết h p gi a các lí ợ ữthuy t v quang sóng và các thành t u c a khoa hế ề ự ủ ọc máy tính cũng như sự phát triển

của công nghệ điệ ửn t

22

1.2 Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc

Trong công nghi p ch tệ ế ạo cơ khí, đo lường biên d ng chi tiết 3D đóng vai trò ạ

r t quan tr ng trong vi c ki m tra, ki m soát chấ ọ ệ ể ể ất lượng s n ph m Hình dáng và ả ẩkích thước c a chi tiủ ết cơ khí ngày càng đa dạng dẫn đến việc đo bằng phương pháp tiếp xúc không th ể đáp ứng v tề ốc độ, không đo được các chi ti t có biên d ng phế ạ ức

t p Nhạ ằm đáp ứng nh ng yêu c u cữ ầ ấp bách đó, phương pháp đo không t ếi p xúc s ử

d ng ánh sáng cụ ấu trúc được nghiên cứu và áp d ng r t m nh m ụ ấ ạ ẽ

Phương pháp đo sử d ng ánh sáng c u trúc ụ ấ đã phát triển nhanh chóng và được

ứng d ng trong các thi t b ụ ế ị đo lường ki m soát chể ất lượng trong s n xu t, chu n ả ấ ẩđoán bệnh trong y tế… ới ưu điểm phép đo đạt độV chính xác cao, th i gian l y ờ ấ

m u nhanh, cho phép d ng nh chi tiẫ ự ả ết 3D đo nhanh chóng có thể đạ t hàng ngàn phép đo trên giây để ự th c hiện các phép đo theo thời gian th c ự

Các ng dứ ụng đo lường b ng ánh sáng cằ ấu trúc đã tận dụng được m t s ộ ố ưu điểm của phương pháp đo lường quang học như:

Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc th c hiự ện đo bề ặ m t 3D không ti p xúc, ếkhông ảnh hưởng đến biên d ng và tính ch t cạ ấ ủa bề ặ m t chi tiết đo

Tốc độ đo hình dạng 3D b m t cề ặ ủa phương pháp này cao hơn các phương pháp đo tiếp xúc Với đặc điểm đo được nhiều điểm c a mủ ột vùng b mặề t chi ti t ếtrong m t lộ ần đo Tốc độ đo của phương pháp này phụ thu c vào tộ ốc độ chiếu

m u ánh sáng c a ngu n chi u, tẫ ủ ồ ế ốc độ thu ảnh c a ph n t ủ ầ ử thu và đặc tính phản

x c a b m chi tiạ ủ ề ặt ết đo hương pháp đo biên dạ P ng 3D s d ng ánh sáng cử ụ ấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang h c ọ

23

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc [8]

Nguyên lý thi t b ế ị đo biên dạng 3D s d ng ánh sáng cử ụ ấu trúc được th hiể ện trên hình 1.1 Nguyên lý của phương pháp đo này là chiếu một miền ánh sáng cấu trúc được mã hóa lên v t ậ thể ần đo, biên dạ c ng b m t và ánh sáng mã hóa xuề ặ ất

hi n trên b m t 3D c a chi tiệ ề ặ ủ ết đo được thu l i b i h ạ ở ệthống máy nh Tả ọa độ 2D

c a chi tiủ ết đo được xác định thông qua cường độ và v trí cị ủa điểm ảnh trên cảm

bi n ế ảnh Độ sâu c a chi tiủ ết đo được xác đị h thông qua độ ện l ch pha c a ánh sáng ủ

m u khi chi u lên chi tiẫ ế ết đo và ánh sáng mẫu chi u lên mế ặt phẳng chu n Thi t b ẩ ế ị

đo biên dạng s d ng ánh sáng c u trúc bao g m m t b ph n chi u nh, môt b ử ụ ấ ồ ộ ộ ậ ế ả ộ

ph n thu nh và b ph n x ậ ả ộ ậ ửlý tín hiệu đo [1]

B ph n chiộ ậ ếu ả nh: có chức năng là chiếu các m u ẫ ảnh được mã hóa lên b ề

m t chi ti t cặ ế ần đo Ảnh mã hóa rất đa dạng v c u trúc, kích cề ấ ỡ, độ phân gi i nên ả

b ph n chi u nh có cộ ậ ế ả ấu trúc quang cơ phức tạp Tùy theo d ng ánh sáng c u trúc, ạ ấ

b ph n chi u nh có th ộ ậ ế ả ểlà hệ thống giao thoa hoặc hệ thống chiếu hình Để đo chi tiết cơ khí thông dụng, chi tiết đo lớn, b ph n chi u ộ ậ ế ảnh thường là các máy chiếu

ảnh k thu t s Máy chi u k thu t s ỹ ậ ố ế ỹ ậ ố ngày càng được nâng cao chất lượng nh ảchiếu và gi m giá thành tả ạo điều ki n thu n lệ ậ ợi cho việc chế ạ t o thi t b ế ị đo

24

B ph n ch p nh:ộ ậ ụ ả b ph n này có chộ ậ ức năng thu lại hình nh c a m u chiả ủ ẫ ếu được chi u lên b m t chi tiế ề ặ ết đo Ảnh thu được chứa đựng thông tin độ cao c a các ủđiểm trên vật đo thông qua sự biến đổi d ng, màu s c m u chi u do b m t biên ạ ắ ẫ ế ề ặ

d ng c a v t cạ ủ ậ ần đo mang lại Có th s d ng m t hay nhi u camera v i các góc ể ử ụ ộ ề ớquan sát khác nhau nhằm tăng tốc độ cũng như độ chính xác khi đo Bộ ph n chi u ậ ế

ảnh và ch p nh t o thành h th ng c m bi n cho thi t b quét biên d ng s d ng ụ ả ạ ệ ố ả ế ế ị ạ ử ụánh sáng c u trúc Các camera hi n nay cung cấ ệ ấp cho ngườ ử ụi s d ng nhiều ưu điểm

v phân gi i, tề độ ả ốc độ chụp, chất lượng hình ảnh cũng như giá thành ngày càng

đo, để ử ụ s d ng hi u qu ệ ả hơn phương pháp đo này trong thự ếc t công nghi p ệ

N i dung trong luộ ận văn này, để nghiên c u và gi i quy t các vứ ả ế ấn đề khi đo các chi tiết cơ khí gia công trên máy CNC thì lựa chọn phương pháp đo sử d ng ánh ụsáng c u trúấ c theo phương pháp tam giác lượng theo mặt Phương pháp này ít bị ảnh hưởng với ánh sáng môi trường và cho phép giảm vấn đề méo hình d ng do chuyạ ển

động của đầu đo hay chi tiết đo trong quá trình đo và có độ nhạy cao hơn đố ới v i các bề ặ m t chi tiết cơ khí có phản x b m t cao ạ ề ặ

25

1.3 Ứng dụng phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc

Phạm vi ng d ng cứ ụ ủa phương pháp đo sử ụ d ng ánh sáng c u trúc r t r ng t ấ ấ ộ

việc đo chi tiết vùng kích c micro trong các ngành s n xuỡ ả ất vi cơ, điệ ử đến t n các chi tiết có kích thướ ớn như xe bus, tàu thủy, máy bayc l …

S dử ụng phương pháp tiếp xúc để đo các chi tiế ớt v i hình dáng ph c tứ ạp, độbóng cao… ầc n thời gian đo lâu và khó đo Do đó, sử ụ d ng các thi t b ế ị đo bằng ánh sáng cấu trúc mang l i hi u qu r t cao ạ ệ ả ấ

M t s ộ ốthiết b ịđược đo bằng ánh sáng c u trúc trên th ấ ị trường được gi i thiệu ớtrong bảng 1

Bảng 1 M ột số thiết bị đo biên dạ ng 3D s d ng ánh sáng c u trúc ử ụ ấ

Máy HDI Blitz ATOS II Triple Scan LMI Advance R3x Hình ảnh

- Đo lường biên

d ng 3D các d ng ạ ạ

s n ph m có kích ả ẩthước ph c t p: chi ứ ạ

- Quét biên dạng 3D các d ng s n ạ ảphẩm có kích thước

trung bình: chi tiết

26

Trên đây mộ ốt s thi t b s d ng ánh sáng cế ị ử ụ ấu trúc được nghiên c u và phát ứtriển b i m t s hãng s n xu t các thi t b quét 3D trên th giở ộ ố ả ấ ế ị ế ới như: GOM, 3D3 Solutions, LMI technology Các thiế ị dùng đểt b quét các chi ti t hình dáng ph c ế ứ

t p vạ ới kích thướ rung bình Độc t phân gi i t t nh t là s n ph m c a hãng GOM lên ả ố ấ ả ẩ ủ

t i 0,02 mm trong phớ ạm vi đo 38x39 mm, còn lại các dòng s n phả ẩm thường có độphân gi i trong kho ng 0,2 ÷ 0,5 mm ả ả

Bên cạnh đó, phương pháp đo biên dạng 3D s d ng ánh sáng cử ụ ấu trúc được

ứng d ng trong nhiụ ều lĩnh vực khác nhau: giao ti p và cế ộng tác, tương tác giữa con người và máy tính, gi i trí, Y h c và Sinh h c, xác th c sinh hả ọ ọ ự ọc, chế ạ t o

1.4 Kết luận chương 1

Như vậy, so với phương pháp tiếp xúc v tề ốc độ quét và kh ả năng quét các bề

mặt kích thướ ớc l n, các b mề ặt không xác định thì các phương pháp đo không tiếp xúc s d ng ánh sáng c u trúc có nhiử ụ ấ ều ưu điểm hơn Thiế ị đo sử ụng phương t b dpháp ánh sáng c u trúc có th quét trên m t khu v c mà không c n ph i di chuyấ ể ộ ự ầ ả ển xung quanh b i m t thi t b ở ộ ế ị mang khác nên phép đo được tiến hành nhanh hơn Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp đo chi tiết gia công trên máy phay CNC

s d ng ánh sáng c u trúc t ử ụ ấ đó làm chủ công ngh ệ đo

ngh , các chi tiệ ết

nh a ự …

tiết cơ khí, đồ ỹ m ngh , các chi tiệ ết

nh aự …

cơ khí, đồ ỹ m ngh , ệcác chi tiết nh aự …

Hãng sản

27

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

MÃ DỊCH PHA KẾT HỢP GRAY Trong các d ng ánh sáng cạ ấu trúc, phương pháp dịch pha có độ phân gi i cao ả

nhất đáp ứng được yêu cầu đo các chi tiết cơ khí Để đo các chi tiết cơ khí gia công CNC v i b m t ph c t p có ph n x b mớ ề ặ ứ ạ ả ạ ề ặt cao thì phương pháp đo sử ụ d ng ánh sáng mã d ch pha k t hị ế ợp Gray là phương pháp phù hợp nhất Phương pháp kết h p ợcung c p mấ ối quan h duy nh t giệ ấ ữa các điể ảm nh c a máy ủ ảnh và các điểm ảnh c a ủmáy chi u sao cho m i quan h cế ố ệ ủa các điểm này s ẽlà các phép chiếu 2D c a cùng ủ

1 điểm trong tọa độ thực 3D Trong chương này trình bày cơ sở lý thuy t cế ủa phương pháp d ch pha trong m c 2.1 Mị ụ ục 2.2 trình bày phương pháp mã Gray Mục 2.3 trình bày phương pháp dịch pha k t h p Gray Mế ợ ục 2.4 Đặc điểm chi ti t phay CNC ế2.5 ng d ng Ứ ụ phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiết phay CNC 2.6 K t luế ận chương 2

2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha

Trong đo lường không ti p xúc s d ng ánh sáng cế ử ụ ấu trúc, phương pháp dịch pha là phương pháp đượ ử ục s d ng ph bi n do có nhiổ ế ều ưu điểm đem lại độ chính xác cao, độ phân gi i cao do các x lý có th t t i ph m vi nh ả ử ể đạ ớ ạ ỏ hơn điể ảm nh c a ủ

cảm biến

2.1.1 Nguyên lý đo biên dạ ng 3D b ằng phương pháp dị ch pha

Phương pháp đo bằng ánh sáng c u trúc s dấ ử ụng cơ sở đo biên dạng b m t ề ặcủa phương pháp đo giao thoa laser, việ ạo vân giao thoa thay đổc t i khi d ch ịchuy n m t ph ng tham chiể ặ ẳ ếu được thay th b ng thi t b ế ằ ế ị chiế ần lượu l t các vân chiếu d ng sin l ch pha nhau Camera ghi l i các hình ạ ệ ạ ảnh để phân tích d li u ữ ệ

đo hình thành lên nguyên lý đo biên dạng 3D s dử ụng phương pháp dịch pha Trên hình 2.1 là sơ đồ kh i mô t ố ả quá trình đo theo phương pháp dịch pha Máy chiếu chi u h vân chi u lên b m t chi ti t cế ệ ế ề ặ ế ần đo, hình nh chi u trên chi ti t ả ế ế

28

được máy nh thu ả ảnh l i g i vào máy tính có nhi m v t o vân, mã hóa vân, giạ ử ệ ụ ạ ải

mã, x lý tín hi u Các thu t toán ph n m m phân tích x lý tín hiử ệ ậ ầ ề ử ệu đo trên máy tính xác định pha c a nh thu Mủ ả ỗi điể ảnh xác định đượm c một điể đo trên bềm

mặt vật Ma tr n giá tr ậ ị pha đó thường được g i là nh phaọ “ả ” dùng để ựng đám dmây điểm 3D

Chi ti tế : là các chi ti t cế ần đo được đặt trong trường quan sát c a camera ủ

và máy chi u S d ng thi t b ế ử ụ ế ị đo có không gian làm việc phù h p v i kích ợ ớthước vật đo để đo được toàn b biên d ng 3D c a chi tiộ ạ ủ ết Các đặc điểm b mề ặt chi tiết đo sẽ ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác khi đo biên dạng s d ng ử ụphương pháp quang học

d ng các m u chi u là ánh sáng cụ ẫ ế ấu trúc có cường độ sáng của các điểm ảnh được phân b theo quy lu t dố ậ ạng sin Để ạ t o ra ánh sáng c u trúc d ng sin có ấ ạthể ử ụng phương pháp giao thoa laser, cách tử s d nhi u x ho c máy chi u k ễ ạ ặ ế ỹthuậ ố Phương pháp giao thoa laser và chiết s u sáng qua cách t nhi u x phù ử ễ ạ

h p vợ ới các phép đo có vùng đo nhỏ ần độ c chính xác cao do có th t o ra mể ạ ẫu sáng chi u có chu kì sin nhế ỏ, tuy nhiên có nhược điểm là k t c u ph c tế ấ ứ ạp đòi hỏi độ chính xác r t caấ o cũng như phạm vi đo hạn ch V i các thi t b ế ớ ế ị đo thông

dụng đáp ứng các d i s n phả ả ẩm có kích thước trung bình thường s d ng máy ử ụchiếu k thu t s , các máy chi u theo công ngh DLP có th t o ra các dỹ ậ ố ế ệ ể ạ ạng

Chi tiết đo

29

m u chi u trên máy tính vẫ ế ới độ chính xác vân chi u cao S ế ố ảnh chi u ph ế ụthuộc

vào gi i thu t d ch pha s dả ậ ị ử ụng Xét trường h p t ng quát, v i dợ ổ ớ ịch pha N bước,

ảnh m u vân chiẫ ếu được thi t k theo quy lu t: ế ế ậ

𝐼�𝑛�(x, y)=𝐴� 𝑥� 𝑦�) + 𝐵� 𝑥� 𝑦� sin Ф(( , ( , ) ( x,y)+ (2.1) Trong đó:

- (𝑥� 𝑦� là cường độ sáng của điểm (x, y) được phân b , ) ốtrên ảnh thứ n

- A(x, y); B(x, y) là hệ ố cường độ s sáng trên các m u chi u ẫ ế

- (x, y): tọa đ điểộ m trên m u nh chi u ẫ ả ế

- N: số bướ ịc d ch pha

- n: nh chi u th n ả ế ứ

Vì có ba ẩn s ốA(x, y); B(x, y); Ф(x, y) do đó cần t i thiố ểu 3 phương trình để

xác định, tương ứng v i s nh t i thiớ ố ả ố ểu trong phương pháp dịch pha là 3 nh ả

Máy ảnh : thi t b ế ị đo sử ụ d ng camera thu lại ảnh chi tiết đo khi được chi u ế

m u ánh sáng Các thi t b ẫ ế ị đo có thể có m t ho c nhi u camera, các hình nh vân ộ ặ ề ả

sáng trên b m t chi tiề ặ ết đo được chuyển vào b ph n x ộ ậ ử lý để ự d ng l i tạ ọa độ điểm

đo

Máy tính: có nhi m v t o vân, mã hóa vân, gi i mã, x lý tín hi u, phân ệ ụ ạ ả ử ệ

tích pha ảnh Trong phương pháp dịch pha c n d ng lầ ự ại ảnh pha tuyệt đối của ảnh

để t đó xác định tọa độ 3D c a v t củ ậ ần đo Việc d ng l i nh pha tuyự ạ ả ệt đối tr i ả

qua hai giai đoạn: xác định pha tương đối và g ỡ pha tương đối Xét trong trường

h p t ng quát, khi s dợ ổ ử ụng phương pháp dịch pha N bước ảnh pha tương đối

(wraped) xác định b i: ở

(2.2)

30

Trong đó:

∅(𝑥� 𝑦�, ): giá trị pha tương đối tại vị trí điểm có tọa độ (x, y)

D ng nh pha tuyự ả ệt đối Ф (x, y) quan h vệ ới ∅(𝑥� 𝑦�, ) theo công thức:

Ø(𝑥� 𝑦�, ) = 𝑚�𝑜�𝑑�(Ф(𝑥� 𝑦�, ), 2𝜋�) (2.4) chính xác nh pha tuy i ph thu pha Có hai

phương pháp gỡ pha là g pha theo không gian và g pha theo th i gian ỡ ỡ ờ

Dựng đám mây điểm 3D: sau khi gỡ pha xác định được ảnh pha tuyệ ốt đ i Để d ng ự

l i tạ ọa độ đám mây điểm đo cần dựa trên sơ đồ b trí h ố ệthống c m bi n g m camera ả ế ồ

và máy chiếu Xác định tọa độ điểm đo được xác định theo 2 phương pháp: phương

pháp d a trên m i quan h hình h c c a h ự ố ệ ọ ủ ệthống và phương pháp giải tích Trong

phương pháp giải tích h thệ ống đo được đưa về mô hình toán h c tính theo tọ ọa độ

không gian

Đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha cho độ chính xác cao, độ phân

gi i cao nhả ất trong các phương pháp đo sử ụ d ng ánh sáng c u trúc ( nh pha phân b ấ ả ố

liên t c) S ụ ố bước d ch pha ph ị ụ thuộc vào thu t toán d ch pha s d ng Các cậ ị ử ụ ảm

bi n có tế ốc độ chi u chế ụp ngày càng cao giúp cho phương pháp có khả năng đo đáp

ứng yêu cầu đo trực tuy n ế

2.1.2 Các thu t toán d ch pha ậ ị

Việc xác định các thu t toán d ch pha là y u t quan trậ ị ế ố ọng trong phương

pháp d ch pha, v các thu t toán khác nhau s ị ới ậ ẽ xác định quy trình đo và cách xử

lý d ữliệu đo khác nhau Có nhiều thuật toán được nghiên cứu để phù h p vợ ới đối

tượng đo nhưng đều hướng t i mớ ục đích: phương pháp tạo m u chiẫ ếu đơn giản,

31

x lý d u nhanh và gi m các ử ữliệ ả ảnh hưởng nhiễu trong quá trình đo Hiện nay, các thuật toán sau được dùng ph bi n là: ổ ế

2.1.2.1 Thuật toán 3 bước dịch pha [3]

Thuật toán dịch pha ba bướ ử ụng bước s d c d ch pha 𝛿�ị 𝑖� = −𝛼�, 0, 𝛼� 𝑖�; = 1,

2, 3 cho 3 mẫu chiếu Cường độ các điể ảm nh trên t ng mẫu chiếu được xác định

bởi:

𝐼�1(𝑥� 𝑦�) = 𝐼�, ′(𝑥� 𝑦�) + 𝐼�, "(𝑥� 𝑦�, , ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[ (∅ 𝑥� 𝑦�, ) − 𝛼�(2.5) 𝐼�2(𝑥� 𝑦�) = 𝐼�, ′(𝑥� 𝑦�) + 𝐼�, "(𝑥� 𝑦�, , ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[ (∅ 𝑥� 𝑦�)] (2.6) , 𝐼�3(𝑥� 𝑦�, ) = ′(𝑥� 𝑦�𝐼�, ) + "(𝑥� 𝑦�𝐼�, , ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[ (∅ 𝑥�,

𝑦�)]sin(𝛼�)} Giả ệ phương trình 2.8; 2.9 và 2.10 xác định đượ ải h c nh p

c m bi n, nhiả ế ễu môi trường và đặc điểm hình học và quang học của bản thân vật

đo

2.1.2.2 Thuật toán ba bước dị ch pha kép [3]

Phương pháp ba bước d ch kép thưị ờng được dùng để ả gi m l i không tuy n ỗ ếtính c a h ủ ệthống c m bi n Gi s ả ế ả ử xác định đượ ỗc l i không tuy n tính thông qua ế

∆∅ Khi đó:

(2.15) Suy ra:

(2.16)

Trong đó:

- : Pha được tính v i gi i thuớ ả ật 3 bước dịch pha lý tưởng

- ∅′: Pha được tính ch a y u t không tuy n tính ứ ế ố ế

- m: H s ệ ốphụ thuộc vào độ không tuy n tính cế ủa hệ thống

Như vậ ∆ = ∆ ′y ∅ ∅ nên trung bình l i b ng 0 ỗ ằ

2.1.2.3 Thu t toán d ch pha Carré [3ậ ị ]

Carré s d ng thu t toán d ch pha v i góc pha trong các m u chi u là: ử ụ ậ ị ớ ẫ ế

𝛿�𝑖� = −3𝛼� 𝛼� 𝛼� 𝛼�, − , , 3 ; = 1, 2, 3,4𝑖�

Khi đó các mẫu vân chiếu được mã hóa theo quy lu t sau: ậ

𝐼�1 = 𝐼�′(𝑥� 𝑦�) + 𝐼�, "(𝑥� 𝑦�, , ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[ (∅ 𝑥� 𝑦�, ) − 3𝛼�(2.19) 𝐼�2 = 𝐼�′(𝑥� 𝑦�) + 𝐼�, "(𝑥� 𝑦�, , ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[ (∅ 𝑥� 𝑦�, ) − 𝛼�(2.20) 𝐼�3 = 𝐼�′(𝑥� 𝑦�) + 𝐼�, "(𝑥� 𝑦�, , ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[ (∅ 𝑥�

34

(2.25)

t toán d ch pha Carré s d ng 4 nh chi

phương pháp dịch pha 3 bước Thuật toán được s d ng các nh có tính chử ụ ả ất đảo giá tr ị cường độ do đó khắc phục được m t s ộ ố nhượ điểc m do b m t ph n x cề ặ ả ạ ủa

vật đo đem lại

2.1.2.4 Giải thuậ t Hariharan [3 ]

Hariharan sử ụ d ng thu t toán d ch pha v i góc pha trong các m u ậ ị ớ ẫchiếu là:

𝛿�1 = −2𝛼� 𝛼�, − , 0, 𝛼�, 2 ; 𝑖� = 1, 2, 3, 4, 5 Khi đó các mẫu chiếu được mã hóa theo các bi u th c sau” ể ứ𝐼�1(𝑥� 𝑦�) = 𝐼� 𝑥�, ′( , 𝑦�) + 𝐼�′′(𝑥� 𝑦� 𝛥� 𝑐�𝑜�𝑠�, , ) [ (∅ 𝑥� 𝑦(2.26) , 𝐼�2(𝑥� 𝑦�) = 𝐼� 𝑥�, ′( , 𝑦�) + 𝐼�′′(𝑥� 𝑦� 𝛥� 𝑐�𝑜�𝑠�, , ) [ (∅ 𝑥� 𝑦(2.27) , 𝐼�3(𝑥� 𝑦�) = 𝐼�, ′(𝑥�,𝑦�) + 𝐼�′′(𝑥� 𝑦� 𝛥� 𝑐�𝑜�𝑠�, , ) [ (∅ 𝑥� 𝑦�)(2.28) , 𝐼�4(𝑥� 𝑦�) = 𝐼� 𝑥�, ′( , 𝑦�) + 𝐼�′′(𝑥� 𝑦� 𝛥� 𝑐�𝑜�𝑠�, , ) [ (∅ 𝑥� 𝑦(2.29) , 𝐼�5(𝑥� 𝑦�) = 𝐼� 𝑥�, ′( , 𝑦�) + 𝐼�′′(𝑥� 𝑦�, 𝛥� 𝑐�𝑜�𝑠�, ) [ (∅ 𝑥�, 𝑦�+ 2𝛼� Khi đó: ]

(2.30)

(2.31) Trong trường h p ch n ợ ọ α = π/2 khi đó:

(2.32)

D u mã hóa t i mữliệ ạ ỗi điểm đo xác định được:

(2.33)

35

V i gi i thu t này có th ớ ả ậ ể xác định đượ ỗ ịc l i d ch pha một cách đơn giản, gi ả

s lử ỗi là ε khi đó pha tạo ra có:

𝜙�′(𝑥� 𝑦�) = 𝜙� 𝑥� 𝑦�) + Δ𝜙� 𝑥� 𝑦�, ( , ( , ) (2.34)

Với lỗi dịch pha nhỏ ε có thể xác định được:

𝑡� 𝜙�[ ′(𝑥� 𝑦�, )] ≈ [1 + (2/2)]𝑒�𝑡�𝑎�𝑛�[ (∅ 𝑥� 𝑦�, )] (2.35) Khi đó:

∅(𝑥� 𝑦�, ) = ′(𝑥� 𝑦�𝜙�, ) − 𝜙�(𝑥� 𝑦�) , 2/4)𝑠�𝑖�𝑛�[2≅ (𝑒� ∅(𝑥� 𝑦�, )] (2.36)

Như vậ ớ ững đối tượng đo dễ ảnh hưở ủa độ chính

xác dịch pha thường áp dụng phương pháp này Khi các lỗi gây ra l n nhớ ất đạt 2o

có thể xác định được sự thay đổi bước dịch pha là 0,02o

2.1.2.5 Nh n xét ậ

Vì quá trình tính toán x lý d u ph c tử ữliệ ứ ạp và khó xác định nhi u c a các ễ ủ

gi i thuả ật Do đó các giải thu t d ch pha có s ậ ị ố bước d ch pha lị ớn hơn 5 bước ít được

s d ng Thu t toán d ch pha s d ng ph thuử ụ ậ ị ử ụ ụ ộc vào đối tượng đo, tốc độ đo yêu

cầu Phương pháp dịch pha ba bước cho tốc độ nhanh nhất nhưng ảnh hưởng nhiễu

là r t lấ ớn Khi đo các chi tiết cơ khí do đặc điểm hình dạng và đặc tính quang b mề ặt

s d ng thu t toán d ch pha Carré s giử ụ ậ ị ẽ ảm được s ự ảnh hưởng đặc tính quang b ề

m t giúp cho kh ặ ả năng chống nhi u tễ ốt hơn đồng th i thu t toán x lý d ờ ậ ử ữ liệu đo

cũng đơn giản hơn

2.1.3 Các phương pháp gỡ pha

Có nhiều phương pháp gỡ pha được nghiên c u và có th ứ ể chia làm hai phương

pháp chính là phương pháp gỡ pha không gian và phương pháp gỡ pha th i gian S ờ ự

khác nhau cơ bản gi a hai ữ phương pháp là gỡ pha thời gian không đòi hỏi ph i bi t ả ế

các thông tin pha điể ảm nh lân cận để ự th c hiện g pha ỡ

2.1.3.1 Phương pháp gỡ pha không gian

36

Trong nh pha mang có th t n t i nhiả ể ồ ạ ều bước nh y pha quá ả 2π ữgi a các điể ảm nh li n k ề ề Ảnh pha tương đối bi u di n theo t l ể ễ ỷ ệ xám như hình 2.2b Tỷ l ệxám tượng trưng cho giá trị pha n m trong kho ng π n Ngoài ra còn còn xu t ằ ả – đế π ấ

hi n nhiệ ều vùng không xác định được giá tr pha Nhiị ều điểm t n t i s ồ ạ ự thay đổi đột

ngột t trắng sang đen chỉ ra những điểm có th t n tể ồ ại bước nhảy pha

Nguyên lý của phương pháp gỡ pha không gian xu t phát tấ :

- S khác nhau c a giá tr ự ủ ị pha được ki m tra toàn b trên bể ộ ản đồ pha Nh ng ữ

2.1.3 2 Phương pháp gỡ pha theo th i gian ờ

Giải thu t g pha theo th i gian s d ng các m u chi u sin có t n s khác ậ ỡ ờ ử ụ ẫ ế ầ ốnhau Cường độ sáng phân b trên m u chi u theo bi u th c: ố ẫ ế ể ứ

(2.37)

𝜉� 𝜂�, [0,1]; t=1÷T; n=1÷4 ∈Trong đó:

- (𝜉� 𝜂�) là t, ọa độ trong không gian chi u t: s chu kì trong mế ố ẫu

chiếu

- n: bước chi u trong quá trình d ch pha ế ị

- (𝑃�)𝑚�𝑎�𝑥� giá tr ị cường độ ớ l n nh t trên vân chi u m u ấ ế ẫ

𝜉�,,𝑡� 𝑛�cường độchiế ạu t i điểm (𝜉� 𝜂�, ) trên m u chi u (t, n) ẫ ếGiá trị pha tuy t đ i (ệ ố 𝜉� 𝜂� 𝑡�, , ) trên m u chiẫ ếu (t, 1) được xác định b i: ở

37

(2.38)

Khi chiếu m u chi u lên b m t chi tiết đo, ảnh thu được có giá trịẫ ế ề ặ cường độ

sáng phân b ốlà (𝑝�)( , , , ) 𝑖� 𝑗� 𝑡� 𝑛� v i (i, j) là tớ ọa độ điểm ảnh V i thu t toán s d ng cho ớ ậ ử ụ

các m u chi u có cùng s chu kì t, có th ẫ ế ố ể xác định được ảnh pha tuyệt đối ( , 𝑖� 𝑗� 𝑡�, ) theo công thức:

Với 𝜉�𝑖�,tương ứng v i giá tr ớ ị điểm ảnh (i, j) trên m u chi u h tẫ ế ệ ọa độ𝜉�

Khoảng giá tr c a tọa độị ủ không gian chi u: ế 𝑖�, ∈ [0,1] =>∆𝛷� 𝑖� 𝑗� 𝑡�( , , )= [-𝜋�, 𝜋�] Biểu thức (2.40) được viết lại thành:

(2.41)

V i m u chiớ ẫ ếu T xác định được ảnh pha tuyệt đố ớ ầi v i t n s l n nh t th hiố ớ ấ ể ện

độ chính xác của phương pháp đo pha:

(2.42) Như vậy, trong phương pháp cho (𝑖� 𝑗�, , 1) [-∈ 𝜋� 𝜋�, ] do đó các điểm trên ảnh pha tuyệt đối được xác định, ( , 𝑖� 𝑗� 𝑇�, ) thể ệ ả hi n nh pha tuyệt đối có độ chính xác cao nhất đặc trưng cho phép đo Phương pháp gỡ pha c a Huntley và Saldner ủ

cho độ chính xác cao tuy nhiên do c n nhi u m u chi u nên không áp dầ ề ẫ ế ụng được

cho việc đo các chi tiết trở ạng thái động

b) Thu t toán g pha Zhao [9ậ ỡ ]

38

Nhằm tăng tốc độ đo Zhao phát triển thu t toán g pha th i gian s d ng ít ậ ỡ ờ ử ụ

m u chiẫ ếu hơn của Huntley và Saldner v i các m u chiớ ẫ ếu được mã hóa v i t n ớ ầ

s khác nhau Thu t toán g ố ậ ỡ pha Zhao được thực hiện qua các bước sau:

- Bước 1: Xác định bản đồ pha v i m u chi u sin có chu kì nh nhớ ẫ ế ỏ ất Ø(i, j) khi đó

mối quan hệ ữa ả gi nh pha tuyệ ốt đ i Ф(i, j) và nh pha nh nhả ỏ ất xác định theo:

Ф(i, j) = Ø(i, j) + 2π s(i, j) (2.43)

Với s(i, j) là số nguyên chưa biết

- Bước 2: Sử ụ d ng m u chi u 1 chu kì chi u lên vẫ ế ế ật và xác định:

Ф0(i, j) = Ø0(i, j), khi đó mối quan h gi a ệ ữ Ф0(i, j) và Ф(i, j) được xác định b i: ở

Ф(i, j) = ch,0Ф0(i, j), với ch,0 là hằng s ốNhư vậy có th ể xác định:

(2.44)

T đó có thể xây dựng được ảnh pha tuyệt đối Với phương pháp của Zhao c n ầ

ít nh t 3 t n s có th ấ ầ ố để ể xác định chính xác các nh pha tuyả ệt đối Tuy nhiên, các

m u chiẫ ếu được giảm đi mà vẫn cho kết quả tương xứng với giải thu t cậ ủa Huntley

và Saldner

2.2 Phương pháp mã hóa Gray

Phương pháp mã hóa Gray cho phép mô tả 2n hướng chi u khác nhau c a máy ế ủchiếu S ốchỉ thị ủa hướ c ng chi u có th ế ể được xác định rõ ràng b ng s ằ ố lượng t mã

s d ng hai m c xám (trử ụ ứ ắng và đen) với ưu điểm: thi t l p h ế ậ ệthống đơn giản, ch ng ốnhi u t t và có th ễ ố ể đo các bề ặt gián đoạ m n ho c các b m t b cô l p Tuy nhiên ặ ề ặ ị ậphương pháp này có nhược điểm: độ phân gi i th p và dả ấ ải động th p ấ