Giới Thiệu Đề Tài
Lịch sử hình thành và phát triển của máy quét 3D
Máy quét 3D được hình thành vào nửa cuối thế kỷ 20 trong nỗ lực tái tạo chính xác bề mặt của các vật thể khác nhau Công nghệ này đặc biệt hữu ích trong các lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế Công nghệ quét 3D đầu tiên được tạo ra vào những năm 1960 Các máy quét ban đầu đã sử dụng đèn, máy ảnh và máy chiếu để thực hiện nhiệm vụ này Do những hạn chế của thiết bị, nó thường mất rất nhiều thời gian và công sức để quét các đối tượng một cách chính xác Sau năm 1985, chúng được thay thế bằng máy quét có thể sử dụng ánh sáng trắng, laser và bóng để thu được một bề mặt nhất định.
Với sự ra đời của máy tính, có thể xây dựng lại một mô hình rất phức tạp, nhưng vấn đề xảy ra với việc tạo ra mô hình đó Các bề mặt phức tạp đã thách thức các biện pháp băng, vì vậy trong những năm tám mươi, ngành công cụ chế tạo đã phát triển một đầu dò tiếp xúc, cho phép tạo ra một mô hình chính xác, nhưng nó rất chậm Mục đích là tạo ra một hệ thống, để thu được cùng một lượng chi tiết nhưng với tốc độ cao hơn, dẫn đến một ứng dụng hiệu quả hơn - các chuyên gia hàng đầu bắt đầu phát triển công nghệ quang học, bởi vì việc sử dụng ánh sáng nhanh hơn nhiều so với đầu dò vật lý Điều này cũng cho phép quét các vật thể mềm.
Với công nghệ phát triển và các thiết bị như hiện nay.Máy scanner 3D tên tiếng việt gọi là máy quét 3D đã phát triển hơn rất nhiều với khối lượng quét lớn,độ chính xác cao, thời gian quét cũng giảm đi rất nhiều.
Hiện nay có hai loại máy quét phổ biến đã được ứng dụng thực tế là :máy quét cố định và máy quét cầm tay
Máy quét cố định là máy quét đứng yên tại một vị trí và vật quét sẽ xoay để quét.
Máy quét cầm tay là máy quét được cầm tay và di chuyển theo bề mặt của vật thể để quét.
Bản thương mại của loại máy quét cố định như: máy Shining Master and form 3DScanner, Shining 3D EinScan Pro 2X….
Hình 1.Máy Shining 3D EinScan Pro 2X Plus
Hình 2 Máy Master and form 3D Scanner
Sản phẩm máy quét loại cầm tay : Shining 3D EinScan-Pro
Hình 3.Máy Einscan-Pro 2X PLUS 3D
Lý do chọn đề tài
Công nghệ quét 3D hiện nay đã khá phổ biến ở các nước trên thế giới.
Công nghệ quét 3D đã phát triển đến mức có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: trong lĩnh vực thiết kế đồ hoại, trong lĩnh vực khảo cổ…
Quét 3D không chỉ phục vụ các nhà nghiên cứu khảo cổ,kỹ sư đồ hoạ mà còn có thể áp dụng cho sinh viên, giảng viên hay bất kỳ cá nhân nào có nhu cầu tìm hiểu về máy quét hay tái tạo bề mặt vật thể Với những ứng dụng rộng rãi như thế nhưng ở Việt Nam máy quét 3D còn khá mới mẻ Vì thế chúng em đã có ý tưởng nghiên cứu về Máy quét 3D.
Thành Phần Linh Kiện Sử Dụng Trong Máy Quét
Động cơ bước
Chức năng động cơ bước trong máy quét :
- Động cơ bước có chức năng tạo động lực cho bàn xoay hoạt động
2.1.1 Khái niệm động cơ bước Động cơ bước (tiếng Anh: stepper motor, step motor, hoặc stepping motor) là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết.
2.1.2 Các loại động cơ phổ biến, ƣu và nhƣợc điểm
Trên thị trường hiện nay có hai loại động cơ được sử đụng rộng rãi trong hệ thống cơ điện tử là : động cơ bước và động cơ servo.
Động cơ servo có ưu và nhược điểm là:
- Ưu điểm :được điều khiển bằng encoder nên cho biết bị trí chính xác góc quay,và lập trình để dừng động cơ đúng góc quay cần thiết.khi bị trượt lực vẫn cho vị trí chính xác.
- Nhược điểm: Điều khiển, xử lý servo sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với động cơ bước , các driver servo đòi hỏi công suất cao hơn, có momen yếu hơn động cơ bước khi cùng công suất, động cơ servo kém bền do phải sử dụng chổi than phải bảo dưỡng định kỳ.
Động cơ bước có ưu và nhược điểm là:
- Ưu điểm:Nhỏ gọn hơn so với động cơ servo cùng mô men xoắn bền theo thời gian, không có chổi than, kích thước nhỏ gọn nhưng lại có mô men lực lớn nên ít phải bảo dưỡng hay hỏng hóc.
- Nhược điểm :Độ chính xác không cao,khi bị trượt sẽ không cho vị trí chính xác
Và giá thành của động cơ bước rẻ hơn(Giá 35K https://nshopvn.com/product/dong-co-buoc-size-42-1- 8-step/?utm_source=Google%20Shopping&utm_campaign=GoogleMerchants-
Feed&utm_medium=cpc&utm_termC7&gclid=Cj0KCQjwoPL2BRDxARIsAEMm9y- ypiZmC5ZZ5RtzWAe0Hz9LRh95FG0ynXo8h) so với động cơ servo(1350k https://nshopvn.com/product/dong-co-buoc-size-42-1-8- step/?utm_source=Google
Vì thế ta chọn động cơ bước cho máy scan 3D
2.1.3 Cấu tạo động cơ bước
Cấu tạo động cơ bước có 2 phần chính là stator và rotor.
Hình 7.Cấu tạo động cơ bước Trong đó :
1 : Ổ đỡ trục 2 : cuộn dây 3 : stator 4 : nắp sau 5 : rotor 1.
6 : nam châm 7 : rotor 2 8 : nắp trước 9 : trục chính.
Cấu tạo thành phần cuộn dây :
Hình 8.Cấu tạo cuộn dây của stato và rotor
- Răng cuả stator và rotor đều được làm từ nam châm vĩnh cửu và trái nhau về cực tính như ta thấy stator bao gồm 8 quận dây.
Hình 9 Khi cấp điện cho cuộn dây A
Khi ta kích điện cho quận dây A ta sẽ từ hóa 4 cực hai cực trong đó sẽ thành cực dương hai cực còn lại sẽ thành cực âm ta có thể thấy khi cấp điện cho quận dây A thì răng của rotor được căn chỉnh thành hàng với răng cực nam của stator chứ không thẳng hàng với răng của cuộn dây B (như hình 4.2)
Hình 10.Cấp điện cho cuộn dây B
- Tiếp theo ta ngường cấp điện cho quận dây A mà cấp điện cho quận dây B ta sẽ thấy rotor sẽ chuyển động ngược chiều kim đồng hồ và răng của nó sẽ được căn chỉnh thẳng hàng với răng của cực B
- Các lần cấp điện tiếp theo cũng tương tự như vậy
Một số công thức tính cơ bản đối với động cơ bước
- Vậy để quay hết một vòng cần 200 step
- Góc bước của động cơ đc tính bằng công thức S=
S là góc bước của động cơ
Sr là góc giữa 2 răng kề nhau
Zs là số cặp cực trên stato.
- Điện trở cách điện : 100M tối thiểu , 500VDC
- Độ bền điện môi : 500VDC cho 1s 3AM
- Lực tối đa : 28N ( cách mặt bích 20mm )
Thông số cơ của động cơ :
Hình 4: Động cơ được thể hiện dưới dạng bản vẽ 2D
Hình 11 Sơ đồ mạch điện của động cơ bước nema17
Laser
- Laser là thiết bị dùng để chiếu vào bề mặt vật thể quét.
- Chọn laser HLM1230 LASER DIODE 5MW 645-655NM Vì ánh chiếu của laser này là một đường kẻ sọc phù hợp với yêu cầu của máy quét
- Đường kính ống laser: 12mm
- Điện áp làm việc: 3-5VDC
- Dòng điện tiêu thụ: Nhấn reference ->edit ->thiết lập như hình 4.1->Ok
Hình 29.Thiết lập kết nối
5.1.2 Thiết lập khoảng cách mẫu
Nhấn File ->Nhấn connect->chọn edit thay đổi thông số ở ô pattern distance = 3.3 như hình 4.2 ->Ok ->skip->skip->Ok
Hình 30.Thiết lập khoảng cách mẫu
Nhấn vào ô chọn ->Thiết lập các thông số như hình 31->nhấn vào ô chọn ->nhấn để quét.
5.2 Tái tạo hình ảnh sau khi quét bằng MeshLab
Mở tệp PLY trong MeshLab
Mở đám mây điểm trong MeshLab Đám mây điểm sẽ có phần mở rộng.Mở MeshLab: bạn sẽ thấy một menu ở trên cùng cửa sổ chính của chương trình và một công cụ thanh bên dưới nó, và cuối cùng, một khung ngắm 3D chiếm phần lớn cửa sổ.
Nhập tệp Lưới: File > Import Mesh
Chọn mô hình điểm (.ply): đi tới Import Mesh , chọn tệp đám mây điểm mà bạn muốn nhập và sau đó nhấp vào Mở Phần mềm quét Horus lưu các đám mây điểm dưới dạng các tệp.
Xem đám mây điểm: một khi tệp đã được nhập, hình ảnh 3D của đám mây đó sẽ xuất hiện trong không gian.
Loại bỏ các điểm dư thừa của đám mây điểm Đám mây điểm có thể chứa các điểm không hoàn hảo và nhiễu hoặc đơn giản là các điểm mà bạn không muốn là một phần của mô hình cuối cùng MeshLab cho phép bạn chọn các điểm của đám mây và xóa chúng.
Chọn công cụ Vertexes: nhấp vào biểu tượng Chọn Vertexes trên thanh công cụ cho phép bạn chọn chỉ trong một không gian ba chiều bằng hình chữ nhật hai chiều.
Chọn các đỉnh: bạn có thể thêm nhiều điểm hơn vào vùng chọn bằng cách giữ phím Control phím trong khi di chuyển nút trái của chuột Biểu tượng của + + sẽ xuất hiện bên cạnh con trỏ.
Bạn cũng có thể bỏ chọn các điểm mà bạn đã chọn trước đó bằng cách giữ phím
Shift trong khi di chuyển nút trái của chuột Biểu tượng con - - sẽ xuất hiện bên cạnh con trỏ Bạn có thể chọncác đỉnh bằng cách giữ nút trái của chuột và di chuyển con trỏ qua màn hình.
Các đỉnh được chọn sẽ được hiển thị màu đỏ.Khi bạn đã chọn các đỉnh mà bạn muốn xóa, hãy nhả nút bên trái của chuột.
Xóa các đỉnh không mong muốn: một khi bạn đã chọn các đỉnh mà bạn muốn xóa, hãy nhấptrên biểu tượng Xóa chọn Vertex nằm trên thanh công cụ. Đám mây điểm sạch: điều quan trọng là đám mây điểm được xây dựng lại phần lớn không có nhiễu Thuật toán tái tạo một phần lọc nhiễu, nhưng nếu đám mây có nhiều điểm không thuộc về mô hình, kết quả tái thiết sẽ không chính xác.
Xử lý đám mây điểm Để xử lý đám mây điểm, bạn sẽ cần tạo các quy tắc đối tượng:
Trình đơn tính toán quy tắc: Filters > Normals, Curvatures and Orientation >
Compute normals for point sets)
Cửa sổ tính toán thông thường: trong cửa sổ này, bạn sẽ cần thay đổi số Neighbour number , trong đó phản ánh số lượng điểm gần cần thiết để tính toán bình thường.
Các giá trị ban đầu được đề xuất là 10, 50 hoặc 100 Bạn có thể cần điều chỉnh giá trị này sau Nó nên giữ mặc định cho tất cả các giá trị khác.
Khi bạn đã thực hiện điều chỉnh, nhấp vào nút Apply Chương trình sẽ mất một vài giây để tính toán thông thường Khi nó đã hoàn thành, nhấp vào nút close
Tái tạo đám mây điểm với MeshLab
Hướng dẫn chuyển đổi sau khi tạo điểm