Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc

a Mục đích của đề tài Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở tính toán thiế

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN VĂN VINH

PGS.TS NGUYỄN LINH GIANG

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến

sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1 Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2013) Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo biên dạng 3D chi tiết cơ khí, Hội nghị khoa học và công

nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ III, trang 829-834

2 Le Quang Tra, Nguyen Van Vinh, Nguyen Duc Duong

(2014) Calibration of camera for 3D scanner using structured light, ISEPD 2014 International Symposium

on Eco- materials Processing ang Design, pp 399-403

3 Le Quang Tra, Nguyen Van Vinh (2014) Improve accuracy fringe projection model in structured light measurement devices using a digital projecto, RCMME

2014 proceedings the 7th AUN/SEED-Net Regional Conference in Mechanical and Manufacturing Engineering 2014, pp 220-224

4 Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2015) Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc, Hội nghi khoa học kĩ thuật đo lường toàn

quốc lần thứ VI, trang 233-238

5 Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2015) Nghiên cứu hiệu chuẩn thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc sử dụng mẫu ô vuông bàn cờ, Tạp chí Cơ khí Việt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Đo biên dạng 3D của vật thể có ý nghĩa rất lớn trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống và các ngành khoa học kỹ thuật Các thiết bị đo quét 3D cung cấp dữ liệu bề mặt biên dạng chi tiết dưới dạng đám mây điểm Những thông tin thu được từ hình ảnh 3D giúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính xác hơn

Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc cho độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh nên được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

Tại Việt Nam, nền sản xuất công nghiệp cơ khí đang phát triển đặc biệt là công nghệ gia công trên máy CNC, nhu cầu về

đo kiểm tra biên dạng 3D rất lớn Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trong nước Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ chính xác và ứng dụng các thiết bị đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách giúp doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên tiến hiện đại trên thế giới, thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu

đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc”

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Mục đích của đề tài

Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam

b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đo lường các bề mặt 3D chi tiết cơ khí được gia công trên các thiết bị CNC, rèn dập, các sản phẩm đúc Nghiên cứu phương pháp đo dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin và phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm cơ sở cho việc xây dựng phương pháp đo kết hợp nhằm tăng độ chính xác gỡ pha Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu xây dựng cơ

sở lý thuyết và thiết bị thực nghiệm sử dụng hệ camera và máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo trên các chi tiết có

độ phản xạ không cao, đạt độ chính xác 0,05 mm trong phạm vi 200x200x200 mm

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a) Ý nghĩa khoa học

Trình bày hệ thống phương pháp đo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp dịch pha giúp làm chủ lý thuyết và kỹ thuật đo của phương pháp và dụng cụ đo loại này

Nghiên cứu thành công việc ứng dụng mã hóa Gray để gỡ pha trong phương pháp dịch pha

Xây dựng được mô hình toán học cũng như các thuật toán

xử lý dữ liệu đo, xây dựng phương pháp hiệu chuẩn thiết bị để đảm bảo độ chính xác

Xây dựng cơ sở cho phép tính toán thiết kế chế tạo thử nghiệm loại dụng cụ đo biên dạng 3D theo phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha

b) Ý nghĩa thực tiễn

Hiểu và làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo để sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc

Khẳng định khả năng tính toán thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc

Thiết bị sau khi nghiên cứu chế tạo là thiết bị thí nghiệm phục vụ công tác giảng dạy tại bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tạo tiền đề ứng dụng cho đo biên dạng 3D cơ thể người, kích thước bàn chân phục vụ công nghiệp may mặc và giày dép; quá trình quét dựng mẫu vật, hiện trường trong lĩnh vực an ninh, các nghiên cứu về công nghệ thời trang của các đề tài trong nhà trường

4 Các đóng góp mới của luận án

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc vào đo lường chi tiết cơ khí, sử dụng phương pháp dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin để đảm bảo độ phân giải cao và kết hợp phương pháp mã hóa Gray để đảm bảo độ chính xác gỡ pha, đề xuất sử dụng thêm các mẫu chiếu đảo bit và mẫu chiếu

mã hóa Gray theo hai phương từ đó nâng cao độ chính xác gỡ pha trong phương pháp dịch pha

Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu nhận xử lý dữ liệu đo dựa trên mô hình toán học cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai, xây dựng giải thuật xác định đám mây điểm đo sử dụng phương pháp đường giao đường Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo

từ đó xây dựng phương pháp hiệu chuẩn, xây dựng phương pháp khảo sát đặc tính kỹ thuật của từng bộ phận cấu thành lên thiết bị để đảm bảo độ chính xác của phép đo

Đã xây dựng được thiết bị đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha đầu tiên tại Việt Nam đạt độ chính xác 0,05mm trong phạm vi đo 200x200x200 mm

5 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thiết bị đo được chế tạo Dùng phương pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường chi tiết cơ khí, xây dựng

mô hình toán học, xác định các quan hệ của hệ thống quang cơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo, xây dựng quá trình hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ chính xác khi đo Tiến hành các quá trình đo lường thống kê, thực nghiệm đo biên dạng các mẫu sản phẩm trên thiết bị chế tạo so với kết quả

đo bằng máy đo CMM tại Viện đo lường Việt Nam

Sử dụng các phần mềm bổ trợ cho việc tính toán thiết kế: CAD, MS - Office, phân tích dữ liệu ảnh: Image J, mô phỏng

dữ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab để thực hiện các nội dung nghiên cứu đề ra

Bố cục luận án

đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc và xác định hướng nghiên cứu về phương pháp kết hợp dịch pha và mã Gray

pha và mã Gray nhằm nâng cao độ chính xác gỡ pha

thiết bị đo thực nghiệm Nghiên cứu đánh giá đảm bảo độ chính xác và độ phân giải cho thiết bị đo

 Chương IV: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm

trên thiết bị chế tạo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG

CẤU TRÚC 1.1 Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc

Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học Với mô hình nguyên lý là biến thể của phương pháp stereo với việc thay thế một kênh nhìn bằng một thiết bị chiếu ảnh mẫu

Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu

trúc

Thiết bị chiếu sẽ chiếu các ảnh mẫu 2D được thiết kế theo phương pháp mã hóa nhất định lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D của chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và được nhận biết thông qua hệ thống camera Phân tích dữ liệu ảnh và kết hợp phương pháp mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm của chi tiết đo

1.2 Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lường biên dạng 3D

1.2.1 Nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính là: bộ phận chiếu ảnh, bộ phận thu ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu, tính toán tọa độ các điểm đo trên bề mặt vật đo

1.2.2 Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc

“Ánh sáng cấu trúc là chùm tia sáng mà mỗi tia sáng được

mã hóa về cường độ hoặc màu sắc.”

Các dạng ánh sáng cấu trúc được mã hóa với mục đích xác định lưới điểm đo trên không gian chiếu Độ phân giải của phương pháp đo (khoảng cách gần nhau nhất của các điểm mã hóa) phụ thuộc vào cách mã hóa cũng như độ phân giải của hệ thống chiếu vân và camera Xét trường hợp độ phân giải liên quan đến phương pháp mã hóa, hầu như các phương pháp cho

độ phân giải bằng độ phân giải của hệ thống chiếu sáng (một điểm ảnh trên các thiết bị chiếu) như vậy khi chiếu lên không gian lớn thông qua hệ phóng hình cho bề mặt lưới trên các chi tiết đo có khoảng cách các nút lưới lớn (độ phân giải thấp) Phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất trong các 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 như sử dụng giao thoa laser, dùng cách tử nhiễu xạ, dùng máy chiếu Phương pháp giao thoa laser và chiếu sáng qua cách tử nhiễu xạ phù hợp với các phép đo có vùng đo nhỏ cần độ chính xác cao do có thể tạo ra mẫu sáng chiếu có chu kì sin nhỏ, tuy nhiên có nhược điểm là kết cấu phức tạp đòi hỏi độ chính xác rất cao cũng như phạm vi đo hạn chế Với các thiết bị đo thông dụng đáp ứng các dải sản phẩm có kích thước trung bình thường sử dụng máy chiếu kỹ thuật số

1.2.4 Hệ thu ảnh vân

Để thu lại hình ảnh của mẫu chiếu được chiếu lên bề mặt chi tiết đo cần sử dụng hệ thu ảnh vân thường là các camera Ảnh thu được chứa đựng thông tin độ cao của các điểm trên vật

đo thông qua sự biến đổi dạng, màu sắc mẫu chiếu do bề mặt biên dạng của vật cần đo mang lại

1.3 Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc

Đo biên dạng 3D cần xác định tọa độ lưới điểm trong không gian 3 chiều XYZ Để xác định độ cao điểm đo Z sử dụng phương pháp tam giác lượng trong quang học Các mô hình biến thể kỹ thuật thể hiện cách bố trí thiết bị trong cụm cảm biến so với mặt phẳng tham chiếu Có các cách bố trí gồm: trục quang máy chiếu vuông góc mặt phẳng tham chiếu, trục quang

camera vuông góc mặt phẳng tham chiếu, trục quang của camera và máy chiếu bố trí tự do

1.3.1 Hệ thống đo biên dạng 3D của Srinivasan

1.3.2 Hệ thống đo biên dạng 3D của Toyooka và Iwaasa

1.3.3 Hệ thống đo biên dạng 3D của Hu

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp chiếu vân có thể xác định thông qua 4 bước theo sơ đồ hình 1.31 Trong khoảng 30 năm trở lại đây việc sử dụng ánh sáng cấu trúc trong đo lường được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Các công trình nghiên cứu tập trung vào những vấn đề tồn tại trong các bước và một

số nghiên cứu đối tượng áp dụng của phương pháp

Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D bằng phương pháp

chiếu mẫu vân

Mô hình toán học sử dụng cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có tính đến quang sai của hệ quang Chuyển đổi hệ tọa độ ngoài không gian vào hệ tọa độ camera xác định được:

[𝑥𝑃(𝐶), 𝑦𝑃(𝐶), 𝑧𝑃(𝐶)] = 𝑅 [𝑥𝑃, 𝑦𝑃, 𝑧𝑃] + 𝑇 (1.36)

Hình 1.32 Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ

Hiệu chuẩn

Dựng pha tuyệt đối

Phân tích vân

Chiếu vân và

chụp ảnh vân

chiếu

𝑓𝑥 𝛼𝑓𝑦 𝑢0

0 𝑓𝑦 𝑣0

] (1.41)

Ma trận A được gọi là ma trận nội tham số của camera, với

fx, fy là tiêu cự theo phương x, y; α là hệ số nghiêng của cảm biến ảnh giữa hai phương u và v; (u0, v0) là tọa độ tâm cảm biến ảnh

Những nghiên cứu đã được các hãng ứng dụng chế tạo các thiết bị đo bằng ánh sáng cấu trúc như GOM, FARO, ARTEC, và cho ra đời các dòng sản phẩm phục vụ công nghiệp Tuy nhiên, các thiết bị đo kể trên thường sử dụng hệ vân chiếu mã hóa Gray hoặc mã hóa nhị phân do đó cho độ phân giải không cao, phần mềm đóng gói không thể can thiệp, các đối tượng đo thường mới phục vụ các dạng sản phẩm thủ công mỹ nghệ, các chi tiết có biên dạng bề mặt không đòi hỏi

độ chính xác cao Do đó, cần nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo này trong lĩnh vực cơ khí làm chủ về kỹ thuật và công nghệ, hiểu rõ phương pháp đo của lĩnh vực này giúp cho sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị đã có đồng thời tạo khả năng tự chế tạo Góp phần phổ cập nâng cao chất lượng sản xuất cơ khí tại Việt Nam và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: y tế, thời trang, an ninh…

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, lĩnh vực đo lường biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc vẫn còn khá mới mẻ Khi NCS lựa chọn đề tài nghiên cứu năm 2011 chưa thấy có công trình nào nghiên cứu

về vấn đề này thậm chí khái niệm ánh sáng cấu trúc chưa có tài liệu nào trong nước đề cập đến Một số đề tài nghiên cứu của sinh viên và học viên cao học ngành Máy chính xác, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa Hà nội được bắt đầu từ năm

2012 Các đề tài chủ yếu nghiên cứu tìm hiểu về phương pháp

và tính năng của các thiết bị đo này

Nhìn chung các hướng nghiên cứu tại Việt Nam chưa đáp ứng được yêu cấu tìm hiểu khai thác lĩnh vực đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo này trở nên cấp bách giúp cho sử dụng hiệu quả hơn

và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ đó cho phép ứng

dụng rộng rãi và nâng cao chất lượng cũng như sự phát triển của ngành cơ khí

1.5 Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án

Nghiên cứu tập trung vào các vấn đề sau:

Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Phân tích các dạng ánh sáng cấu trúc để lựa chọn mẫu sáng chiếu phù hợp cho đối tượng đo là các chi tiết cơ khí

Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc dịch pha, nghiên cứu giải pháp sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở nâng cao độ chính xác gỡ pha, đây là một phương pháp ít chịu ảnh hưởng của bề mặt chi tiết đo làm cơ sở nâng cao độ chính xác gỡ pha đồng thời nâng cao độ chính xác cho thiết bị đo

Nghiên cứu xây dựng thuật toán sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở cho việc gỡ pha trong phương pháp dịch pha, xây dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo cho phương pháp kết hợp để dựng lại đám mây điểm đo trên bề mặt vật đo

Nghiên cứu xác định phương pháp hiệu chuẩn cho thiết

bị đo

Nghiên cứu xác lập cơ sở cho việc tính toán và chế tạo thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, xây dựng các thuật toán điều khiển và xử lý dữ liệu đo

Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo, xác định độ chính xác thiết bị đo, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo, kiểm chứng khả năng chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D chi tiết sử dụng ánh sáng cấu trúc tại Việt Nam

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ

TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC GỠ PHA

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

Phương pháp dịch pha là một phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực đo

lường sử dụng laser với nghiên cứu được công bố sớm nhất bởi Carré năm 1966 [8]

2.1.1 Cơ sở phương pháp dịch pha

2.1.2 Đo lường biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha

Khi ứng dụng cơ sở đo biên dạng bề mặt của phương pháp

đo giao thoa laser vào phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc, việc tạo vân giao thoa thay đổi khi dịch chuyển mặt phẳng tham chiếu được thay thế bằng thiết bị chiếu lần lượt các vân chiếu dạng sin lệch pha nhau Camera ghi lại các hình ảnh để phân tích dữ liệu đo hình thành lên nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp dịch pha

Hình 2.2 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha

2.1.3 Các thuật toán dịch pha

Trong phương pháp dịch pha một yếu tố quan trọng là xác định các thuật toán dịch pha, với các thuật toán khác nhau sẽ xác định quy trình đo và cách xử lý dữ liệu đo khác nhau

2.1.3.1 Thuật toán 3 bước dịch pha

2.1.3.2 Thuật toán ba bước dịch pha kép

2.1.3.3 Thuật toán dịch pha Carré

2.1.3.4 Giải thuật Hariharan

sử dụng phương pháp dịch pha

2.1.4.1 Phương pháp gỡ pha không gian

2.1.4.2 Phương pháp gỡ pha theo thời gian

2.1.5 Đặc điểm phương pháp dịch pha

Phương pháp dịch pha có những ưu điểm đặc trưng như: độ chính xác cao, độ phân giải cao nhất trong các phương pháp đo

sử dụng ánh sáng cấu trúc Trong quá trình đo cần dựng lại ảnh pha tuyệt đối bằng phương pháp gỡ pha, đây là bước chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện đo, đặc điểm hình dạng màu sắc độ phản xạ của chi tiết đo

2.2 Nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray để tăng độ chính xác

gỡ pha trong phương pháp dịch pha

2.2.1 Phương pháp mã hóa Gray

Mã hóa Gray là một dạng ánh sáng cấu trúc được sử dụng trong phương pháp quét biên dạng 3D của chi tiết với các mẫu chiếu chỉ có các vạch trắng và đen xen kẽ

2.2.2 Nghiên cứu gỡ pha bằng mã hóa Gray trong phương pháp dịch pha

Các mẫu chiếu được điều chế cường độ sáng theo công thức:

Hình 2.8 Phân bố cường độ sáng trên 4 chu kì mẫu chiếu sin

Hình 2.9 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray 8 bit