Báo Cáo Môn Học Kỹ Thuật Đo Lường 3D Đề Bài Cảm Biến Đo Tiếp Xúc Và Không Tiếp Xúc Trong Đo Lường 3D.pdf

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG CƠ KHÍ

Nhóm chuyên môn Cơ khí chính xác & Quang học**********

BÁO CÁO MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 3D

ĐỀ BÀI:

CẢM BIẾN ĐO TIẾP XÚC VÀ KHÔNG TIẾP XÚC TRONGĐO LƯỜNG 3D

Hà Nội, 12 – 2022

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, một số công ty đã sớm xây dựng bộ phần mềm hiện đại cho phép vậnhành với nhiều hệ thống quét 3D khác nhau Trong tương lai, công nghệ đo lường 3D sẽtrở nên chính xác, nhẹ nhàng và dễ di chuyển hơn Phần mềm cũng đơn giản và dễ sử dụnghơn, như sử dụng phần mềm trên điện thoại thông minh Ngoài ra, công nghệ định dạng 3Dcũng sẽ được đưa vào trong mua sắm trực tuyến để người tiêu dùng có thể nhìn thấy đượchình ảnh chân thực nhất của sản phẩm Đo lường 3D đang đem lại rất nhiều lợi ích và liêntục được cải tiến, thông minh hơn, nhẹ nhàng hơn, nhanh nhạy hơn Việc lựa chọn các sảnphẩm đo lường 3D còn phụ thuộc rất nhiều vào lĩnh vực kinh doanh, hoạt động của mỗidoanh nghiệp.

Môn học “Kỹ thuật đo lường 3D” trong chương trình học đã cung cấp cho nhómnhững kiến thức quý báu về các hệ thống đo lường 3D trong thực tế, về nguyên lý và cáchsử dụng của một số hệ thống phổ biến hiện nay Nhờ có kiến thức đó, chúng em đã hiểu rõhơn kiến thức về đo lường 3D, về những vấn đề cần nghiên cứu, phát triển trong kỹ thuậtđo

Trong quá trình học tập, nghiên cứu, xây dựng hệ thống nhóm vô cùng cảm ơn cô TS.Nguyễn Thị Kim Cúc đã tạo điều kiện, nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo để nhóm có thể hoànthành bài báo cáo này.

Nhóm vô cùng cảm ơn!

Nhóm sinh viên

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC NHÓM 2

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC NHÓM 2 3

MỤC LỤC 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG 3D 6

1, Nguyên lý đo tiếp xúc 3D 6

2, Nguyên lý đo không tiếp xúc 3D 8

2,1 Nguyên lý chung 9

2,2 Một số phương pháp đo lường không tiếp xúc 9

2,2,1 Phương pháp đo bằng phương pháp quét chùm tia laser 9

2,2,2 Phương pháp đo thời gian truyền sáng ( Time of Flight-TOF) 14

2,2,3 Phương pháp đo stereo vision 14

2,2,4 Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc 16

CHƯƠNG II: CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐO LƯỜNG 3D 25

1, Tổng quan về cảm biến 25

1,1, Khái niệm 25

1,2, Cấu tạo chung 25

1,3, Phân loại 25

2, Cảm biến đo tiếp xúc 26

2,2 Cấu hình cơ bản của 1 hệ thống đo tiếp xúc 27

2,3, Nguyên lý hoạt động 29

2,4, Tính toán 31

2,5, Máy đo toạ độ đa cảm biến 35

2,6, Đầu đo năm trục Renishaw Revo 37

2,7 Phụ kiện của hệ thống 41

3, Cảm biến đo không tiếp xúc 43

3,1, Cấu tạo của cảm biến không tiếp xúc 43

3,2 Bộ truyền dẫn ánh sáng 47

3,3 Chíp xử lý hình ảnh CCD 48

3,4, Vi xử lý tín hiệu 50

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN TRONG ĐO LƯỜNG 3D 51

1, Cảm biến đo tiếp xúc 51

1,1, Đầu dò và cảm biến trong máy CMM 51

2, Cảm biến đo không tiếp xúc 53

1,1, Máy đo CMM Mitutoyo Crysta-Apex V 60

1,2, Máy đo quét laser 3D di động FARO Quantum MAX ScanArm 60

2, Đo không tiếp xúc 64

2,1 Thiết bị đo bằng laser 64

2,2 Thiết bị đo bằng ánh sáng cấu trúc 67

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG 3D

Phép đo 3D là một quá trình trong đó nhiều loại thiết bị thu thập dữ liệu 3D về các đốitượng vật lý, bao gồm hình dạng, kích thước và màu sắc của chúng, để xây dựng và phântích các mô hình 3D kỹ thuật số với các đám mây điểm mật độ cao hoặc lưới tam giác.

Bản chất của công nghệ đo lường 3D là điều khiển ánh sáng hoặc bức xạ tại một vật thểvà thu thập tất cả các phép đo cần thiết để tái tạo hoặc thiết kế lại vật thể đó một cáchnhanh chóng

1, Nguyên lý đo tiếp xúc 3D

Đo lường 3D tiếp xúc thăm dò các đối tượng thông qua tiếp xúc vật lý, chẳng hạn nhưđầu dò cảm ứng, cánh tay có khớp nối và các máy đo tọa độ nhất định (CMM).

Nguyên lý đo toạ độ của CMM

Chức năng chính của CMM là đo hình dạng thực tế của phôi,cắt nó so với hình dạngmong muốn và đánh giá thông tin đo lường như kích thang đo, hình thức, vị trí và địnhhướng.

Hình dạng thực tế của phôi thu được bằng cách thu thập dữ liệu trên bề mặt của nó tạimột số điểm hoặc khu vực nhất định Việc thu thập dữ liệu có thể được thực hiện thông quamột số cảm biến khác nhau, cả tiếp xúc và không tiếp xúc và liên tục hoặc từng điểm Mỗiđiểm đo được thể hiện theo tọa độ đo được của nó Một số cảm biến cũng có khả năng thuthập các vectơ hướng của các điểm đo được, thường cho phép độ chính xác tốt hơn Tuynhiên, không thể đánh giá các thông số của phôi (ví dụ: đường kính, khoảng cách, góc,hình thức và các thông số khác) trực tiếp từ tọa độ của các điểm đo được Một mô hìnhphân tích của phôi là cần thiết để đánh giá các thông số Mô hình này thường bao gồm cácyếu tố hình học lý tưởng, cái gọi là các yếu tố hình học thay thế (toán học) (ISO 2004a,2005b; ASME 2009) Các yếu tố như vậy có thể được xác định bằng cách áp dụng mộtthuật toán phù hợp nhất với phần tử số liệu toạ độ thích hợp nhất cho bộ dữ liệu đo được.

Hình 1,1 minh họa mô hình hóa phôi cho một ví dụ đơn giản Nguyên tắc đo lường tọađộ có thể được định nghĩa là:

• Tạo các bộ dữ liệu bằng cách đo phôi thực tế bằng CMM (Hình 1,1a)

• Tính toán các yếu tố hình học có liên quan (toán học) trong các thuật ngữ của cáctham số chỉ định kích thang đo, hình thức, vị trí và hướng (Hình 1,1b)

• Đánh giá các tính năng phôi cần thiết, ví dụ, bằng cách kết hợp các yếu tố thay thế vàso sánh với kích thang đo và dung sai vẽ (Hình 1,1c)

Ba trục của CMM tạo thành một hệ tọa độ tham chiếu Cartesian mà đầu thăm dò đượcgắn vào Đầu đo hoặc cân xác định sự dịch chuyển dọc theo đường tọa độ Điều này chophép bất kỳ điểm nào trong thể tích đo của CMM được bao phủ bởi các phép đo bằng cáchsử dụng một điểm tham chiếu không gian trên đầu đầu đo Điểm tham chiếu này thường làtrung tâm của đầu đo cho các cảm biến tiếpxúc Một phép đo với CMM luôn bao gồm cácbước sau:

Hiệu chuẩn của bút stylus hoặc đầu đo đối với đầu thăm dò đề cập đếnđiểm não thườngbằng cách sử dụng một quả cầu được hiệu chuẩn (miễnlà sử dụng đầu đo ba chiều cơ điệntử cơm)

Xác định vị trí và hướng phôi (phôi phối hợp hệ thống Xw, Yw và Zw) liên quan đếnhệ tọa độ máy Xm, Ym và Zm (Hình 1,2)

- Đo các điểm bề mặt trên phôi

- Đánh giá các thông số hình học của phôi- Đại diện hoặc báo cáo kết quả đo

Hình 1,2 Toạ độ máy và toạ độ vật

So sánh các nguyên tắc đo lường đo lường tọa độ với đo lường thông thường (tấm bềmặt) cho thấy một số lợi thế quan trọng của CMM:

- Sự liên kết cơ học để tọa độ tham chiếu bị loại bỏ vì phần được tham chiếu đến hệtọa độ máy.

- Nhu cầu về các công cụ phụ trợ như điều chỉnh các yếu tố, cài đặt phích cắm và gắncác tệp đính kèm là tất cả nhưng loại bỏ

- Khái niệm ba chiều về đo tọa độ cho phép xác định kích thang đo, hình thức, vị trívà định hướng thường trong một thiết lập trên một máy đo, sử dụng một hệ thốngtham chiếu, loại bỏ các nguồn lỗi riêng lẻ từ nhiều thiết bị đo lường trong đo lườngthông thường

Phép đo phát minh, yếu tố hình học được đo một cách chính xác nhất độc lập với nhautrên các dụng cụ đo khác nhau (tức là, trình ator so sánh đo chiều dài; pitch-, angle-, vàinvolute-measuring instruments cho bánh răng; dụng cụ đo hình thức; và dụng cụ đo góc)với các thiết lập khác nhau có các hệ thống tham chiếu khác nhau Với đo lường thôngthường, các phép đo được thực hiện với các hiện vật như khối chuẩn, vòng chuẩn và thanhsin, với bánh răng involute và pitch master đóng vai trò là yếu tố tham chiếu Trong đolường tọa độ, các tính năng đo được so sánh với các mô hình số.

2, Nguyên lý đo không tiếp xúc 3D

Các công nghệ đo lường 3D không tiếp xúc, như tên cho thấy, cung cấp một phươngtiện để thu thập dữ liệu 3D mà không cần chạm vào các đối tượng Chúng bao gồm máyquét laze 3D, máy quét ánh sáng có cấu trúc, giải pháp chụp ảnh và máy quét CMM quanghọc.

2,1 Nguyên lý chung.

Nguyên lý đo lường không tiếp xúc là trong quá trình đo sẽ sử dụng thiết bị phát và thutín hiệu Thiết bị phát sẽ tạo ra các tín hiệu dưới tia lazer, ánh sáng,… lan truyền trongkhông gian đến bề mặt của vật thể đo Thiết bị thu sẽ tiếp nhận tín hiệu phản hồi và tiếnhành phân tích ,tính toán thông qua các giá trị như thời gian nhận tín hiệu, tốc độ truyền,cường độ tín hiệu… rồi đưa ra kết quả hiển thị Trong quá trình đo lường không có sự tiếpxúc trực tiếp giữa thiết bị đo và bề mặt vật thể đo.

Hình 1,3 Phương pháp scan để quét vật thể 3D.2,2 Một số phương pháp đo lường không tiếp xúc.

2,2,1 Phương pháp đo bằng phương pháp quét chùm tia laser

Nguyên lý của phương pháp LSM được trình bày như sau: laser được chiếu lêngương đa giác lắp cố định trên trục động cơ Vị trí gương đa giác được điều chỉnh sao chođiểm laser chiếu trên gương trùng với vị trí tiêu điểm của thấu kính chuẩn trực Gương đagiác quay tạo thành tia laser quét liên tục và sau khi đi qua thấu kính TK1 trở thành chùmsong song Thấu kính TK2 có tác dụng hội tụ chùm tia song song này về mặt Photodiode,xung thu được từ Photodiode có dạng như Hình 1,5 trong đó Ton là thời gian laser quéttrong một chu kỳ T

Hình 1,5 Xung thu được từ Phôtdiode khi chưa có vật đo.

Khi đặt vật đo vào vùng laser quét giữa hai thấu kính, xung thu được từphotodiode xuất hiện khoảng thời gian t xung ở mức 0 (Hình 1,6), đây chính là khoảngthời gian vật đo che khuất chùm tia laser Xác định thời gian t bằng phương pháp đếmxung chuẩn ta tính được kích thước vật đo.

Hình 1,6 Xung thu được từ Photodiode khi có vật đo.

- Bộ phận tạo ra tín hiệu đo: Gồm có hệ quang (Gương, thấu kính, laser) và

Hình 1,7 Sơ đồ khối chức năng của máy LSM.

a) Đầu phát tia laser

Tia Laser được tạo ra từ một đầu phát Laser khí He-Ne hoặc Laser bán dẫn Vớithiết bị đo cần độ chính xác cao nên sử dụng Laser He-Ne vì nó đảm bảo hơn về sự đơn sắc(ánh sáng đỏ bước sóng 650 nm) và độ song song (góc phân kỳ khoảng 0,5 mR) của tia b) Bộ phận tạo tia Laser quét

Có nhiều phương pháp tạo tia Laser quét như các phương pháp gương đa giác quay,gương điện kế, gương dao động nhưng với ưu điểm l à đ ơ n g i ản và cho tốc độ quétcao nên phương pháp gương đa giác quay được sử dụng phổ biến nhất trong máy quétlaser

Người ta thường bố trí hệ quang tạo tia Laser quét bằng phương pháp đa giác quaynhư hình 1,8 (ưu nhược điểm của các phương pháp này sẽ được nói đến ở các phần sau).Khi sử dụng phương pháp này, cứ một vòng quay của gương sẽ tạo ra n chu kỳ quét của tiaphản xạ (n là số cạnh của đa giác) do đó có thể cho vận tốc quét và tần số đo lớn.

c.Bộ phận trực chuẩn tia quét.

Hình 1,9 Chuẩn trực chùm tia quét góc thành chùm tia quét song song.

Các tia Laser phản xạ từ gương đa giác quay sẽ lập thành một chùm tia quét góc.Tuy nhiên khi xác định đường kính D các chi tiết ta phải quét lên hai đường sinh đối tâmdo đó bắt buộc chùm tia quét phải là song song Như vậy cần thiết phải có sự trực chuẩnchùm tia quét góc thành chùm tia quét song song Để thực hiện điều này người ta đặt điểm

"hội tụ" của chùm tia quét góc tại tiêu điểm của một thấu kính chuẩn trực TK1 (Hình 1,9).

Ngoài chức năng chuẩn trực chùm tia quét thì thấu kính TK1 còn có chức năng rấtquan trọng sau: Tia Laser quét góc cũng như tia Laser từ nguồn phát nó có độ song songrất cao vì vậy sau khi qua TK1 thì nó sẽ hội tụ tại tiêu diện của TK1 Như vậy, so vớiđường kính chùm tia phát thì đường kính của tia quét tại tiêu diện của TK1 nó đã giảmđược nhiều lần Nhờ sự giảm đường kính của tia quét này mà khả năng phân giải khi nhậncạnh vật đo của tia quét được tăng lên tức là tăng độ chính xác của phép đo.

d Bộ phần cảm nhận chùm tia Laser quét và tạo tín hiệu đo.

Trong quá trình quét sẽ có một khoảng thời gian tia laser bị che khuất bởi chính vật đo Để chuyển đổi sự không liên tục này thành tín hiệu đo ở bộ cảm nhận người ta thường chuyển đổi nó thành tín hiệu xung điện như sau:

Hình 1,10 Nguyên lý của bộ phận tạo xung đo.

Tia Laser quét sau khi qua vật đo sẽ được hội tụ nhờ một kính tụ, tại tiêu điểm của kính tụ ta đặt một tế bào quang điện, như vậy với sự không liên tục của chùm Laser quét đến kính tụ do sự che khuất của vật thì sau khi khuyếch đại tín hiệu điện của tế bào quang

điện kết hợp mạch chuyển đổi thích hợp ta sẽ được một tín hiệu dạng xung ở đầu ra (Hình 1,10)

Thông qua độ rộng t của đoạn xung mức “0” ứng với thời gian không có tín hiệu điện của tế bào quang điện ta hoàn toàn có thể xác định được kích thước của chi tiết.e Bộ phận xử lý tín hiệu.

Hình 1.11 Sơ đồ chuyển đổi tướng ứng từ độ rộng xung đo thành việc đếm số xung nhịp thời gian.

Để chuyển đổi thời gian t ở mức “0” của xung tế bào quang điện thành kết quả đo người tathiết kế bộ xử lý tín hiệu gồm các bộ phận như sau:

Mạch tạo xung nhịp thời gian: Để tạo ra các xung nhịp có tần số cao và ổn địnhthường sử dụng mạch tạo dao động dùng tinh thể thạch anh

Bộ so sánh tín hiệu xung: Tín hiệu xung từ đầu ra của tế bào quang điện và thiết bịtạo xung nhịp sẽ cùng đi vào bộ so sánh tín hiệu Bộ so sánh sẽ làm công việc đếmsố xung N phát ra từ thiết bị tạo xung nhịp thời gian trong khoảng thời gian bằng độrộng t ở mức “0” của xung tế bào quang điện

Bộ xử lý tín hiệu đo: Sau khi so sánh tín hiệu xung bộ xử lý tín hiệu có nhiệm vụchuyển đổi số xung đếm N thành tín hiệu số cho bộ hiển thị kết quả đo Ngoài rabộ xử lý tín hiệu còn có chức năng xử lý và hiệu chỉnh các yếu tố khác ảnh hưởngđến kết quả đo

2,2,2 Phương pháp đo thời gian truyền sáng ( Time of Flight-TOF)

Phương pháp đo thời gian truyền sáng (TOF) là một phương pháp quang học tươngtự như hệ thống siêu âm của một con dơi đó là thời gian ánh sáng phát ra và phản xạ trở lạitừ bề mặt đích tới các cảm biến Do ánh sáng di chuyển với một tốc độ không đổi, cácthông tin về khoảng cách, độ sâu có thể được xác định từ thời điểm chiếu đến thời điểmnhận tín hiệu Thay vì trực tiếp đo thời gian khác nhau, công nghệ TOF thường đánh giá sựthay đổi pha cho việc truyền ánh sáng bằng cách điều chỉnh ánh sáng phát ra với một tínhiệu định kỳ hình sin khác nhau, có thể được mô tả toán học như sau:

j (i)

S(i) A(i)e 101\* MERGEFORMAT (.)Trong đó: A(i) là biên độ của tín hiệu.

(i)là thông tin pha.

Tần số f = 20MHz, chiều sâu z tỉ lệ thuận với pha:mVới c là tốc độ ánh sáng c = 3.108m/s.

Để đo được tín hiệu mã hóa được mô tả trong phương trình ta phải đo cả cường độvà pha Do quá trình sản xuất bộ cảm biến TOF phức tạp đồng thời độ phân giải còn kháthấp (~ 320 x 240), độ phân giải độ sâu cũng không cao Dù độ phân giải về không gian vàchiều sâu còn hạn chế nhưng với thiết kế nhỏ gọn công nghệ TOF vẫn được ứng dụngtrong công nghiệp ô tô.

2,2,3 Phương pháp đo stereo vision

Stereo Vision sử dụng hai camera để chụp hai hình ảnh 2D từ các góc nhìn khácnhau và dựng lại hình ảnh 3D bằng phương pháp tam giác lượng tương tự phương pháptam giác lượng laser Kỹ thuật StereoVision cho phép đo toàn bộ bề mặt trong một lần đokhông cần quét và phù hợp với các ứng dụng đo lường tốc độ cao.

Hình học epipolar là hình học chiếu liên quan tới hai ảnh Hình học epipolar độclập với cấu trúc ảnh chỉ phụ thuộc vào các tham số trong của camera.

Chiếu điểm từ không gian 3D sang 2D được biểu diễn bởi:xu

ys v A[R, t]

Nếu cả hai camera được hiệu chuẩn trong cùng một hệ tọa độ thực thì hệ thốngStereoVision sẽ cung cấp hai cặp điểm Điều quan trọng của hệ thống StereoVisionlà tìm các cặp điểm tương ứng từ hai camera, một khi các cặp tương ứng được thiết lập hệtọa độ (x, y, z) có thể được giải quyết bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất vì có 6phương trình và 5 ẩn số Trong hệ thống này hai hình ảnh chụp từ góc nhìn khác nhauđược sử dụng để tìm các điểm tương ứng trong một góc nhìn để dựng lại hình 3D

Nhược điểm của phương pháp stereo vision: Việc trích xuất dữ liệu khó khăn, các phéptoán so sánh sự tương quan điểm ảnh giữa hai ảnh rất phức tạp và tốn thời

2,2,4 Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc.

Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thực hiện đo bề mặt 3D không tiếp xúc, khôngảnh hưởng đến biên dạng và tính chất của bề mặt chi tiết đo Phương pháp này cũng khônglàm mài mòn hay phá hủy đầu đo do tuổi thọ hoặc vận hành không đúng.

Hình 1,13 Mô tả sơ đồ khối của một hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc.

Hình 1,13 thường bao gồm một bộ phận chiếu ảnh mẫu, một bộ phận thu nhận hình

ảnh và một bộ xử lý, phân tích ảnh Bộ phận chiếu ảnh thường là máy chiếu, bộ phận thuảnh có thể sử dụng một hoặc nhiều máy ảnh Nguyên lý của phương pháp đo này là chiếumột miền ánh sáng cấu trúc được mã hóa lên vật thể cần đo, biên dạng bề mặt và ánh sángmã hóa xuất hiện trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy ảnh Tọa độ2D của chi tiết đo được xác định thông qua cường độ và vị trí của điểm ảnh trên cảm biếnảnh Độ sâu của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha của ánh sáng mẫu khichiếu lên chi tiết đo và ánh sáng mẫu chiếu lên mặt phẳng chuẩn Mặt phẳng chuẩn là mặtphẳng đi qua giao điểm của trục quang máy ảnh và máy chiếu và song song với đường nốigiữa pupin vào của máy ảnh và máy chiếu Hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theophương pháp tam giác lượng theo vùng bề mặt có khả năng thu được toàn bộ bề mặt 3Dtốc độ cao hơn, linh hoạt hơn và dễ dàng thực hiện so với phương pháp tam giác lượngtheo điểm và đường[ CITATION Fra \l 1033 ], [ CITATION Jec \l 1033 ] Với phươngpháp tam giác lượng theo điểm và đường thường sử dụng nguồn laser được điều biến theodạng điểm và đường khi chiếu lên bề mặt chi tiết đo Để đo toàn bộ bề mặt 3D phải kết hợpcả cụm dịch chuyển đầu đo hoặc chi tiết đo và hệ thống đo lường dịch chuyển phức tạp.Tín hiệu thu được ở hai phương pháp này là tập hợp các tọa độ theo điểm hoặc đường, do

vậy thời gian đo hết toàn bộ bề mặt 3D sẽ lớn [ CITATION Son \l 1033 ] Hiện nay, có rấtnhiều mô hình hệ thống với các phương pháp đo khác nhau, việc lựa chọn công cụ vàphương pháp đo phù hợp với một số yêu cầu và chi tiết đo cụ thể là rất quan trọng Phươngpháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo phương pháp tam giác lượng theo mặt được lựachọn để nghiên cứu và giải quyết các vấn đề khi đo các chi tiết cơ khí Phương pháp này ítbị ảnh hưởng với ánh sáng môi trường và cho phép giảm méo hình dạng do chuyển độngcủa đầu đo hay chi tiết đo trong quá trình đo và có độ nhạy cao hơn đối với các bề mặt chitiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao Theo kỹ thuật mã hóa ánh sáng cấu trúc đáp ứng việc mãhóa các mô hình mẫu chiếu theo mặt có hai phương pháp cơ bản thường được sử dụng là:dùng giao thoa ánh sáng và dùng phương pháp chiếu.

Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp giao thoa

Phương pháp dùng giao thoa ánh sáng với hai chùm tia laser phẳng rộng [ CITATIONGup \l 1033 ], [ CITATION Tow \l 1033 ]hay bước sóng dải rộng (ánh sáng trắng)[ CITATION Cui \l 1033 ] Tạo ra các mô hình giao thoa với các mẫu chiếu là các vân cáchđều nhau Kích thước mô hình vân khác nhau có thể thu được bằng cách thay đổi góc giữacác chùm tia Phương pháp này cho phép thu được chính xác các mô hình mẫu với vùng cóđộ sâu không hạn chế Tuy nhiên, để xây dựng hệ thống này yêu cầu phải thiết kế hệ thốngvới độ chính xác cao và chi phí lớn.

Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu

- Tạo ánh sáng cấu trúc bằng cách tử.

Có nhiều dạng mẫu ánh sáng cấu trúc được tạo ra bằng cách chiếu các nguồn sángqua cách tử nhiễu xạ [ CITATION Bla \l 1033 ], [ CITATION Xia \l 1033 ] Tùy theo mụcđích mã hóa có thể thiết kế hệ quang chiếu khác nhau từ đó có thể tạo ra nhiều dạng vânsáng cấu trúc

- Tạo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu vân dạng số (DFP- Digital FringerProject)

Các vân sáng được mã hóa bằng máy tính và được chiếu bởi một khung hình bêntrong máy chiếu, thông thường là một màn hình LCD, màn hình LCOS hoặc DLP[ CITATION Gup \l 1033 ] Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai công nghệ, côngnghệ này liên quan đến cơ chế hoạt động bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hìnhảnh, phương pháp truyền qua thường dùng tấm LCD trong khi phương pháp phản chiếuDLP lại sử dụng hàng ngàn gương nhỏ tương ứng hàng ngàn điểm ảnh Kỹ thuật chiếu ảnhDLP có ưu điểm là tạo được hình ảnh có độ tương phản cao, tạo được hình ảnh mượt hơnkhông lộ điểm ảnh và có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD.

Những lợi thế của kỹ thuật DFP so với các kỹ thuật khác trong việc đo hình dạng3D chính là việc tạo ra các vân mẫu dạng số một cách tự nhiên Về nguyên tắc, các đườngvạch được tạo ra bởi máy chiếu màn hình có sự gián đoạn nhỏ do ranh giới điểm ảnh trên

màn hình Trên thực tế ranh giới của các điểm ảnh đủ nhỏ có thể được bỏ qua So với cácphương pháp tạo vân mẫu tương tự như phương pháp chiếu qua cách tử thì phương phápDFP có xu hướng linh hoạt hơn, dễ dàng hơn và nhanh hơn, so sánh với phương pháp tạovân dựa trên cơ sở giao thoa thì phương pháp DFP không bị ảnh hưởng bởi đốm nhiễu vàlỗi dịch pha Tuy nhiên, phương pháp DFP có thể tạo ra chất lượng vân chiếu không cao, vìvậy để tạo ra vân chiếu dạng sin chất lượng cao thì máy chiếu kỹ thuật số cần được nghiêncứu kỹ Do vậy cấu hình phần cứng của thiết bị phải mạnh và phù hợp, để giảm bớt ảnhhưởng của thiết bị Độ phân giải quang học của phương pháp chiếu phụ thuộc vào bề rộngcủa vân được sử dụng, chất lượng của hệ thống quang và cũng bị hạn chế bởi bước sóngcủa ánh sáng Độ phân giải của hệ thống phụ thuộc vào kích thước và số lượng điểm ảnhtrên diện tích bề mặt cảm biến ảnh [ CITATION Lan \l 1033 ] Trong phạm vi nghiên cứucủa luận án này dùng kỹ thuật chiếu ảnh DLP với ánh sáng trắng dải bước sóng trong vùngnhìn thấy (trong khoảng 400 ÷700 nm) nên việc ảnh hưởng của bước sóng được loại bỏ.Mỗi phương pháp đo lường 3D sử dụng kỹ thuật DFP đã được nghiên cứu và phát triểngiải quyết các vấn đề khác nhau trong việc đo lường các chi tiết đo cụ thể Trong đóphương pháp sử dụng pha thay vì cường độ có độ nhạy lớn và tính chống nhiễu tốt khi đocác bề mặt có sự biến đổi phản xạ bề mặt lớn, và có thể đạt được độ phân giải không gianhoặc thời gian cao Một số tác giả, đã đánh giá chi tiết các kỹ thuật khác nhau như: phươngpháp mã nhị phân Gray code [ CITATION Gup \l 1033 ] phương pháp mã dịch pha,phương pháp mã hóa màu, phương pháp kết hợp mã dịch pha và Gray Trong các phươngpháp đo sử dụng kỹ thuật DLP mã hóa ánh sáng theo thời gian thì phương pháp kết hợpđược coi là một phương pháp có nhiều ưu điểm thực tiễn nhất cho phép đo các bề mặt 3Dkhông liên tục và phức tạp Gần đây việc kết hợp mã Gray và dịch pha PSGC trở thànhmột xu hướng phát triển và điểm nóng nghiên cứu cho phương pháp đo bằng ánh sáng cấutrúc [ CITATION Che \l 1033 ] Phương pháp kết hợp này tận dụng lợi thế và hạn chế cácnhược điểm riêng của từng phương pháp nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu suất đo đểđo các vật thể có các bề mặt có độ dốc lớn hoặc bề mặt không liên tục.

Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc thu ảnh chi tiết đo thông qua hệ thốngquang nên độ chính xác phép đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thông số hiệu chuẩn hệ thống,quang sai của hệ thống, đặc tính phản xạ của bề mặt chi tiết đo, cường độ ánh sáng nền,nhiễu Trong phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thì hệ thống quang học được mô hình hóakhi tính toán các tọa độ điểm đo và các thông số của mô hình được xác định qua quá trìnhhiệu chuẩn Các thông số hình học của các thiết bị quang học cần được tính toán xác địnhnhư: vị trí tâm ống kính, tiêu cự của máy ảnh và máy chiếu Để hiệu chuẩn chính xác yêucầu hiệu chuẩn các thông số của thiết bị thu phát tín hiệu và mối quan hệ hình học giữa haithiết bị này Tuy nhiên các mô hình chưa tính đến tất cả các thông tin của hệ thống quanghọc như: quang sai của hệ quang, sai lệch của cường độ phát so với cường độ thu, độ tuyếntính của ánh sáng chiếu của máy chiếu và máy ảnh Như vậy, việc hiệu chuẩn chính xáccàng nhiều thông số của hệ quang thì độ chính xác của hệ thống càng cao Việc hiệu chuẩnhệ thống để đạt được kết quả dựng hình 3D với độ chính xác cao cũng như việc nghiên cứucác quy trình hiệu chuẩn đơn giản đạt được độ chính xác cao đã được nghiên cứu đề cậptrong nhiều năm qua

Đối với phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, đặc tính bề mặt cũng như ánhsáng mẫu chiếu tới bề mặt chi tiết đo ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng ảnh thu được Dữliệu bề mặt chi tiết đo có cường độ phản xạ bề mặt lớn không thể thu được một cách chínhxác Do hiệu ứng phản xạ bề mặt có thể làm thay đổi giá trị cường độ các vân mẫu chiếutrong ảnh giải mã chúng làm nhiễu mô hình giải mã Những đoạn mã bị nhiễu sau khi đượcgiải mã sẽ bị sai lệch Vì vậy dữ liệu được phân tích sẽ không chính xác Một phương pháphiện thường dùng để giải quyết vấn đề phản xạ bề mặt là sử dụng phương pháp phun phủbề mặt chi tiết đo làm giảm phản xạ bề mặt khi đo bằng các phương pháp quang học Sửdụng phương pháp phun phủ bề mặt cần có công đoạn tiền xử lý và hậu xử lý về mặt trướcvà sau khi đo làm tăng chi phí khi đo Như vậy, khi nghiên cứu phương pháp đo sử dụngánh sáng cấu trúc để đo các chi tiết có phản xạ bề mặt cao vấn đề về ảnh hưởng của phảnxạ bề mặt cần được nghiên cứu để làm giảm ảnh hưởng của các yếu tố này đến độ chínhxác của hệ thống

Đặc điểm của chi tiết cơ khí với vật liệu kim loại thành phần truyền qua là rất nhỏcoi như bằng không, thành phần phản xạ bề mặt là rất lớn Do bề mặt vật liệu kim loại cómức biến đổi cường độ cao hơn rất nhiều so với bức xạ thông thường Mức độ phản xạ vàtán xạ của bề mặt chi tiết phụ thuộc vào nhám và biên dạng bề mặt, đặc tính vật liệu của bềmặt Cường độ phản xạ bề mặt thu được phụ thuộc vào hướng chiếu và thu ánh sáng

Có thể thấy rằng, phương pháp đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc đang đượcnghiên cứu sâu và ngày càng phát triển, vì vậy vấn đề nghiên cứu và phương pháp đo 3D làcấp thiết để phục vụ phát triển công nghiệp nói riêng và hiện đại hóa đất nước nói chung.Với phương pháp đo sử dụng mã dịch pha kết hợp mã Gray này tận dụng được khả năngchống nhiễu tốt của mã Gray, và có thể gỡ pha tuyệt đối của mã hóa tương tự mà không cósự tích lũy lỗi Hơn nữa sử dụng kỹ thuật dịch pha để thực hiện phép đo với mật độ lấymẫu cao, độ phân giải cao và độ chính xác cao

Để giải quyết vấn đề đo các chi tiết cơ khí gia công CNC với bề mặt phức tạp cóphản xạ bề mặt cao thì phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray làphương pháp phù hợp nhất Muốn vậy cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu các phương phápđảm bảo và nâng cao độ chính xác lên hơn nữa cũng như giải quyết vấn đề giảm ảnhhưởng của phản xạ bề mặt.

2,2,4,1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray

Trong các phương pháp đo bằng ánh sáng cầu trúc, phương pháp dịch pha có độphân giải cao nhất nhờ việc, xác định giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy chiếutrong một chu kỳ sin Tuy nhiên đối với bề mặt có độ dốc lớn hoặc không liên tục thì sẽkhó phân biệt được từng chu kỳ sin Mặc dù phương pháp Gray có độ phân giải thấp songcó giá trị mã hóa mỗi vân mẫu là duy nhất Do vậy, dùng phương pháp mã hóa Gray để xácđịnh duy nhất cho mỗi chu kỳ sin giúp giảm lỗi gỡ pha Phương pháp kết hợp cho mốiquan hệ duy nhất giữa các điểm ảnh của máy ảnh và các điểm ảnh của máy chiếu sao cho

mối quan hệ của các điểm này sẽ là các phép chiếu 2D của cùng 1 điểm trong tọa độ thực3D.

2,2,4,2 Phương pháp dịch pha

Phương pháp dịch pha là phương pháp tiêu biểu trong đo lường không tiếp xúc sửdụng ánh sáng cấu trúc do có ưu điểm lớn nhất đem lại độ phân giải cao, độ chính xác caodo việc xử lý tín hiệu có thể đạt tới phạm vi nhỏ hơn điểm ảnh của cảm biến Bề mặt 3Dcủa chi tiết đo được xác định một cách chính xác và nhanh chóng

Hình 1,14 Biểu diễn hình dạng của một sóng ánh sáng được điều biến dạng sin theo

Hình 1,14 mặt cắt ngang vuông góc với mặt phẳng tham chiếu và ảnh của vân dạng

sin được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu Hình 1,14 là ảnh mẫu ánh sáng được mã hóatheo chu kỳ sin được chiếu lần lượt và lệch pha nhau Ảnh mẫu thu được từ bề mặt chi tiếtđo với sự biến đổi pha của cường độ điều biến chứa thông tin chiều cao của các điểm trênbề mặt của đối tượng đo Cường độ sáng của điểm ảnh phụ thuộc vào giá trị pha theo biểuthức sau:on 1

I x, y, t I’ x, y I’’ x, y cos [ x, y t ] 404\* MERGEFORMAT (.)

Trong đó: Ii (x, y, t) là cường độ ánh sáng của các ảnh mẫu chiếu được chiếu bằngmáy chiếu I’(x, y) là cường độ ánh sáng nền, I’’(x, y) là cường độ ánh sáng điều biến, Ø(x,

y) là thành phần pha lý tưởng, 2

4 là hằng số góc dịch pha, i=1, 2, 3, 4 Mỗi thuậttoán dịch pha được lựa chọn sẽ có quy trình đo và xử lý dữ liệu khác nhau Các thuật toándịch pha đã được phát triển như: Dịch pha 3 bước [ CITATION Fra \l 1033 ], dịch pha 4bước, dịch pha 5 bước [ CITATION Gup \l 1033 ] Số bước dịch pha sử dụng càng nhiềuthì ảnh hưởng của nhiễu càng nhỏ Tuy nhiên, dùng nhiều bước vân mẫu dịch pha thì quátrình gỡ pha sẽ rất phức tạp

Ảnh mẫu dịch pha 4 bước với pha là :

606\*MERGEFORMAT (.)

I (x, y) I (x, y) I (x, y)cos[ (x, y)3 ] 707\*MERGEFORMAT (.)

4

3I (x, y) I (x, y) I (x, y) cos (x, y)

MERGEFORMAT (.)

Trong đó I (x, y), I (x, y), I (x, y), I (x, y)1 2 3 4 tương ứng là cường độ sáng phân bố tạitọa độ (x, y) của 4 ảnh mẫu chiếu trên mặt phẳng tham chiếu Từ phương trình (1.2), (1.3), (1.4), (1.5) sẽ xác định được các giá trị pha tương đối ( ( ( �( ( , ) của các điểm đo

Giá trị pha � là ma trận 2 chiều tương ứng với kích thước của CCD Hàm arctangián đoạn ở 2π, nên pha tương đối chỉ được phân bố liên tục trong phạm vi từ 0 đến 2π.Khi trên bề mặt vật đo có hai mặt phẳng tạo nên độ lệch pha lớn hơn 2π sẽ gây ra các điểmkhông xác định Nếu tần số sóng sin được sử dụng trong ảnh mẫu mã hóa ánh sáng cấu trúclà 1 chu kỳ trên toàn bộ vùng chiếu, thì thuật toán gỡ pha là không cần thiết song độ phângiải các điểm đo sẽ thấp nhất Tần số sóng sin càng cao thì độ phân giải càng lớn nhưng sẽchịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu và cần phải sử dụng thuật toán gỡ pha Bản chất của quátrình gỡ pha là quá trình xác định các vị trí gián đoạn 2π Sau đó di chuyển các đoạn phatương đối này bằng cách thêm hoặc bớt đi một số lượng kG(x, y) modul pha 2π để nối tiếpcác pha tương đối thành pha tuyệt đối liên tục trên toàn bộ vùng không gian đo.

Hiện nay, có hai phương pháp gỡ pha được nghiên cứu ứng dụng : gỡ pha khônggian và gỡ pha thời gian Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương pháp là gỡ pha thời giankhông đòi hỏi phải biết các thông tin pha điểm ảnh lân cận để thực hiện gỡ pha Gỡ phakhông gian quayquanh phát hiện sự gián đoạn 2π từ các điểm ảnh lân cận và do đó đòi hỏibề mặt liên tục (Ví dụ, bề mặt hình học không thể gây ra những thay đổi pha 2π) Thuậttoán gỡ pha không gian thường ứng dụng đo các bề mặt bằng phẳng và không có vùng bịgián đoạn Ngược lại phương pháp gỡ pha thời gian là phù hợp để đo chi tiết đo có bề mặthình học tùy ý Pha tuyệt đối có thể thu được thông qua một số phương pháp gỡ pha thờigian đã được nghiên cứu: thêm các dấu trên ảnh liên tục, sử dụng thuật toán dịch pha nhiềutần số hoặc một thuật toán mã hóa nhị phân và dịch pha, mã hóa Gray kết hợp dịch pha ,mã hóa bậc thang kết hợp dịch pha

2,2,4,3 Phương pháp mã Gray

Hiện nay, để đạt độ phân giải cao độ chính xác cao và chống nhiễu tốt, phương phápđo dịch pha kết hợp với mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) làphương pháp được quan tâm nhiều nhất Đặc biệt để ứng dụng đo các chi tiết cơ khí

Nguyên lý đo 3D của phương pháp PSGC là chiếu tuần tự các ảnh mẫu dịch pha vàmã Gray lên chi tiết đo, vân mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lạibởi hệ thống máy ảnh, sự biến dạng của vân mẫu ánh sáng trên chi tiết so với vân mẫu ánhsáng được chiếu phụ thuộc vào hình dạng bề mặt chi tiết đo [ CITATION Gup \l 1033 ].Thông qua các quan hệ hình học giữa vị trí máy chiếu và máy ảnh, giữa cường độ các điểmảnh và mẫu chiếu thu được có thể xác định được độ sâu của các điểm bề mặt chi tiết đodựa vào phương pháp tam giác lượng

Một đơn vị mã duy nhất của mã Gray sẽ xác định thứ tự vân kG(x, y) tương ứng vớimỗi chu kỳ pha 2π, với k (x, y)G là số nguyên đại diện cho thứ tự vân Mục tiêu của thuậttoán gỡ pha là tìm được thứ tự mỗi chu kỳ sin một cách chính xác cho mỗi điểm ảnh.Trong phương pháp PSGC, giá trị chính của mã sin được gỡ bằng thuật toán dịch pha đểthu được bản đồ pha tương đối, còn giá trị tuyệt đối hay thứ tự pha được xác định bằngthuật toán Gray Nhờ đó thuật toán dịch pha kết hợp mã Gray có khả năng đo biên dạng bềmặt 3D của các chi tiết phức tạp có bề mặt không liên tục và độ dốc lớn mà không cần sửdụng thuật toán gỡ pha phức tạp Ngoài ra, phương pháp kết hợp này còn có thể giảm thiểuđược nhiễu khi gỡ pha tuyệt đối

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo PSGC.

Trong thuật toán xác định thứ vân kG(x, y) cần xác định được biên của các vân Các biên của vân là các đường thẳng khi ảnh mẫu chiếu trên mặt phẳng tham chiếu Trong hình 1.5 mô tả cách tìm biên vân của 3 ảnh mẫu mã Gray được chiếu trong không gian chiếu và tạo ra 2 -1 biên 3

Mặt phẳng tham chiếu được chia làm 8 phần là các vân có độ rộng nhất định cótrình tự chiếu với mã cường độ là duy nhất, được biểu diễn bởi một từ mã Các ảnh mẫuđược chiếu theo thứ tự G1, G2, và , cường độ chiếu ở vân thứ nhất từ trái sang là trắng-G3đen-đen, do đó đoạn mã duy nhất tương ứng là 100

Sau khi xác định được biên của vân, bước tiếp theo là xác định số thứ tự vân củaảnh chiếu mã Gray theo hàng và cột, lưu vào một ma trận với hai thông số hàng và cộttương ứng với số vân mỗi hàng và cột Khi đó chỉ số kG sẽ tương ứng với chỉ số của hàngvà cột tương ứng Ma trận hệ số kG

Như Hình 1,17, kích thước của CCD là Cu × Cv được gọi là mặt phẳng ảnh Mỗiđiểm ảnh trên cảm biến máy ảnh CCD được xác định bằng giá trị hàng và cột Quangu vtâm của máy chiếu là OO'', quang tâm của máy ảnh OO' cắt nhau tạo O Mặt phẳng thamchiếu (R ) là mặt phẳng đi qua tâm O và song song với đường cơ sở O'O'' là đường nối0giữa pupin vào của máy ảnh và pupin ra của máy chiếu O'O''=b Khoảng cách giữa pupinvào của máy ảnh và mặt phẳng (R ) là 0 L Thuật toán xác định tọa độ 3D của vật thể dựatrên phương pháp tam giác lượng quang học Tọa độ của một điểm nằm trên mặt phẳng(R0) được xác định bởi tọa độ điểm ảnh trên mặt phẳng ảnh của máy ảnh với các thông số:tọa độ điểm ảnh và từ mã dịch pha và mã Gray thu được khi chiếu một loạt ảnh mẫu mãhóa lên (R ) 0

Khi ánh sáng dịch pha và mã Gray được chiếu lên (R ), dựng được bản đồ pha mặt0phẳng tham chiếu (RP) Khi chi tiết đo được đặt trong vùng đo, dựng được bản đồ pha khicó vật (OP) Chiều cao của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha giữa điểm ảnhtrên bản đồ pha (RP) và bản đồ pha (OP)

Điểm A nằm trên mặt phẳng (R ) khi không có vật thì điểm A có ảnh là điểm B' (0 u,v') trên CCD và có từ mã trùng với từ mã của điểm B'' trên DMD của máy chiếu Từ điểmnhìn của máy chiếu là điểm C trên bề mặt của vật có giá trị pha tương đương với điểm Atrên mặt phẳng tham chiếu C = rA, điểm C trên bề mặt vật và điểm B trên (R ) có cùng0giá trị điểm ảnh A' (u, v) trên CCD

CHƯƠNG II: CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐO LƯỜNG 3D 1, Tổng quan về cảm biến

1,1, Khái niệm

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học haysinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tinvề trạng thái hay quá trình đó.

1,2, Cấu tạo chung

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các loại cảm biến phục vụ các mục đích khác nhaunhưng chung quy lại chúng đều được làm từ các sensor phần tử điện thay đổi tính chất theosự biến đổi của môi trường (đầu dò).

Cấu tạo gồm các phần tử mạch điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh được đóng gói nhỏgọn Các tín hiệu phát ra được quy chuẩn theo mức điện áp và dòng điện thông dụng nhấtphù hợp với các bộ điều khiển.

Cảm biến hóa học: thường thấy như độ ẩm, độ PH, ion, khói,

Ngoài ra ta cũng có một số hình thức phân chia khác.

Cảm biến chủ động và bị động

Cảm biến chủ động: không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điểnhình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặtCảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình làcác photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-nđược phân cực ngược

Phân loại theo nguyên lí hoạt động

Theo nguyên lí hoạt động ta có thể kể đến những loại cảm biến nổi bật như:

Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biếntrở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.

Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm biếndòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,….

Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện,…

Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấpnháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ,…

2, Cảm biến đo tiếp xúc

Hệ thống thăm dò là một phần thiết yếu của CMM vì chúng tạo thành mối liên hệ giữa cáctrục đo chiều dài của CMM và phôi được đo Do nhiệm vụ cảm nhận sự gần gũi với bề mặtphôi, chúng có tầm quan trọng vượt trội trong việc đảm bảo hiệu suất hệ thống cao Tùythuộc vào nhiệm vụ đo lường, vật liệu cần được thăm dò, CMM được sử dụng, thông số kỹthuật liên quan đến độ phân giải cần thiết và tốc độ đo mong muốn, và nhiều yếu tố khác,sự kết hợp tối ưu của CMM và hệ thống thăm dò phải được chọn Điều này cũng có thể cónghĩa là việc sử dụng một số hệ thống thăm dò khác nhau trên một CMM để đo các thànhphần phức tạp Do nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ đo lường và độ chính xác, có mộtxuhướng strong đối với các hệ thống đa cảm biến Các xu hướng khác trong tương lai cho cáchệ thống thăm dò là thu nhỏ để đo lường các vi mô phức tạp, cải thiện nền kinh tế và tốcđộ để giảm chi phí và thời gian cho mỗi điểm đo được, và cải thiện độ tin cậy của kết quảđo lường bằng cách thu thập thông tin toàn diện về phôi và bằng cách cải thiện khả năngmiễn dịch của hệ thống đối với ảnh hưởng môi trường.

2,1, Lịch sử

Các hệ thống thăm dò đầu tiên cho CMM chỉ là styli cứng, phải được đưa vào tiếp xúc vớiphôi bằng tay bởi người vận hành CMM Sau khi thiết lập thông số , người vận hành phảikích hoạt một chương trình các trục máy, thường được thực hiện với sự trợ giúp của côngtắc chân Vì việc phát hiện tiếp xúc được tìm ra bởi bộ phận điều hành của CMM, quá trìnhnày là chậm, chủ quan, và dễ bị lỗi Lực thăm dò tĩnh không thể được kiểm soát hoặc hạnchế và lực thăm dò động quá lớn để đo các bộ phận tinh tế một cách chính xác và không bịtổn hại Trong vấn đề này, đầu dò cứng giới hạn kích thước và tính chất động của CMM, vìkhông thể điều khiển chúng bằng điện.

Năm 1972, Sir David McMurtry của Tập đoàn Rolls-Royce đã phải đối mặt với vấn đề nàykhi ông có nhiệm vụ đo ống nhiên liệu tốt; ông đã giải quyết nó với phát minh của mình vềhệ thống thăm dò điện trở động lực (Hình 6.4a; McMurtry 2003) Đây là hệ thống thăm dòđầu tiên cho phép một số đầu đo sau khi phát hiện tiếp xúc tự động bằng cách hướng dẫnđộng học trước của bút stylus đầu dò Khi các đầu dò chạm vào phôi, cơ chế động học trởnên không được giải nén do một sự hỗ trợ bổ sung tại điểm bề mặt thăm dò của phôi Bahỗ trợ động học của đầu dò được thực hiện dưới dạng công tắc điện kết nối chuỗi, chophép một phương tiện phát hiện tiếp xúc tự động dễ dàng nhưng đáng tin cậy bằng cách đođiện trở Lò xo mềm để chuẩn bị cho phép vài milimet hành trình trong khi hạn chế lựctiếp xúc một cách hiệu quả Phát minh này là một bước đột phá trong đo lường tọa độ, vànó kích thích sự phát triển của các hệ thống thăm dò tinh vi hơn cũng như các CMM lớnhơn, nhanh hơn, tự động và chính xác hơn nhiều.

Ngay sau khi hệ thống thăm dò kích hoạt cảm ứng đầu tiên được giới thiệu, công ty CarlZeiss đã giới thiệu vào năm 1973 CMM đầu tiên của họ, UMM500, với một hệ thống thămdò đo ba chiều (3D) chuyên dụng bao gồm ba trục xếp chồng lên nhau, mỗi trục được trangbị một bộ truyền động để tạo lực thăm dò chủ động và một cảm biến cảm ứng để đo lượnggiãn nước Đây là máy đo 3D đo hệ thống cho CMMs và cũng là người đầu tiên có thế lựcthăm dò tích cực Người kế nhiệm của hai hệ thống này vẫn là một trong những loại hệthống thăm dò CMM quan trọng nhất.

2,2 Cấu hình cơ bản của 1 hệ thống đo tiếp xúc

Để hoàn thành nhiệm vụ của mình như là liên kết giữa CMM và phôi, một hệ thống thămdò xúc giác phải có ít nhất các thành phần sau đây (Hình 2,2):

• Một yếu tố thăm dò để thiết lập một tương tác cơ học với bề mặt phôi, ví dụ, bóngtip Quả bóng tip phải thể hiện sự lệch lệ hình thức rất thấp, độ cứng cao và haomòn thấp, và chúng thường được làm từ ruby.

Một thiết bị truyền, ví dụ, trục bút stylus, để chuyển thông tin liên lạc (ví dụ: lực thăm dò)đến cảm biến Trục bút stylus phải hiển thị độ cứng rất cao và đồng đều, giãn nở nhiệt thấpvà trọng lượng thấp Ví dụ, vật liệu được lựa chọn là thép, cacbua vonfram, gốm sứ hoặcnhựa gia cố sợi carbon

Hệ thống thăm dò xúc giác cơ bản trong thiết kế điện trở động lực.

• Một yếu tố tạo ra và kiểm soát lực để tạo ra một lực thăm dò được xác định, ví dụ,một lò xo Nó là quan trọng để đạt được một lực thăm dò đẳng đới; lượng lựcphải được lựa chọn theo phôi, yếu tố thăm dò, và ảnh hưởng môi trường như độẩm bề mặt và rung động Một số hệ thống thăm dò sử dụng lực thăm dò chủđộng, ví dụ, được tạo ra bởi bộ truyền động cuộn dây thoại.

• Một cảm biến để đánh giá thông tin tiếp xúc (ví dụ: công tắc, lực hoặc cảm biếnthay thế) Bên cạnh những hệ thống chỉ đơn thuần phát hiện tiếp xúc, các hệthống thăm dò đo hướng và cường độ dịch chuyển bút stylus cũng phổ biến.• Một giao diện với CMM để truyền thông tin tiếp xúc đo được đến bộ điều khiển để

kích hoạt đo vị trí của các trục CMM, xử lý thêm và đánh giá vị trí của điểm đượcthăm dò trong hệ tọa độ máy.

Phân loại

Hệ thống đo CMM thường được phân loại theo loại tương tác với phôi cần đo.Ngay cả ngày nay, phổ biến nhất là các hệ thống thăm dò xúc giác sử dụng lực tương tácgiữa phần tử thăm dò và phôi Tiếp xúc với phôi được phát hiện khi lực thăm dò vượtquá một giá trị được điều khiển bằng điện tử hoặc cơ học Một ví dụ là hệ thống thăm dòđiện trở động học phát hiện

tiếp xúc với phôi khi lực thăm dò đủ cao để mở ít nhất một trong các tiếp điểm độnghọc, được đóng bằng

Hình 2,3 Phân loại

2,3, Nguyên lý hoạt động2,3,1, Nguyên tắc hoạt động

Có những hệ thống thăm dò chỉ phát hiện tiếp xúc và do đó có đầu ra Boolean (liên hệcó hoặc không) -hệ thống thăm dò kích hoạt cảm ứng Ngoài ra còn có các hệ thống đảmbảo một vector thăm dò (tiêu chuẩn và hướng) -đo lường các hệ thống thăm dò.

Hệ thống thăm dò kích hoạt cảm ứng phù hợp để đo các tính năng bề mặt tiêu chuẩn,bởi vì một số lượng tương đối nhỏ các điểm thăm dò rời rạc thường là đủ và bù đắp ảnhhưởng của đường kính bóng tip và làm sáng trước đầu thăm dò có thể dễ dàng được thựchiện bằng cách thêm hoặc bớt đường kính quả bóng đầu hiệu quả với kích thước hoặc vị tríđược đo bằng nó (bù bán kính bóng tip tại tính năng đo được) Đối với việc đo các bề mặtđiêu khắc (dạng tự do), đo các hệ thống thăm dò có lợi thế do khả năng quét và khả năngbù trực tiếp cho đường kính bóng tip hiệu quả với sự trợ giúp của vectơ thăm dò chắc chắn(bù bán kính bóng đầu tại mỗi điểm thăm dò).

Nói chung, ưu điểm của hệ thống thăm dò kích hoạt cảm ứng là giá cả, trọng lượng vàkích thước thấp; khả năng sử dụng đầu khớp nối; và cải tiến các đặc tính động của hệ thốngCMM Trái ngược với các hệ thống này, đo lường các hệ thống thăm dò là thường chính

xác hơn, cho phép ngoại suy các điểm thăm dò thành lực thăm dò ảo bằng không và có khảnăng quét cả các đối tượng đã biết và không xác định.

Các hệ thống thăm dò kích hoạt cảm ứng luôn đo một cách linh hoạt, nghĩa là chúngphát hiện một điểm bề mặt trong khi CMM đang di chuyển Đo lường các hệ thống thămdò có thể đo bằng động hoặc tĩnh, nghĩa là tọa độ của hệ thống thăm dò và CMM được đọcra trong thời gian máy dừng.

2,3,2, Phương thức hoạt động

Kết nối chặt chẽ với nguyên tắc hoạt động là phương thức hoạt động của các hệ thốngthăm dò Trong khi các hệ thống thăm dò kích hoạt cảm ứng chỉ thu thập một vài điểmthăm dò rời rạc, các hệ thống đo có thể giữ liên lạc với bề mặt phôi và thu thập hàng ngànđiểm trên đường đi của chúng dọc theo bề mặt, được gọi là quét.

Nói chung, độ không đảm bảo đo lường cho vị trí của một điểm cao hơn trong chế độquét do ảnh hưởng động; nhưng do tỷ lệ điểm cao hơn nhiều, nhiều thông tin hơn về phôiđược thu thập, cho phép thử nghiệm các tính chất phức tạp nhiều hơn của phôi Thăm dòđiểm rời rạc là thích hợp cho sự chắc chắn của các tính năng hình học tiêu chuẩn, khi độlệch hình thức không được đánh giá Trong chế độ quét, nó cũng là không thể để đánh giáđộ lệch hình học ngoài kích thước của các tính năng hình học Điều này là cần thiết khi độlệch hình học dự kiến của một bộ phận được kiểm tra không đáng kể so với dung sai quyđịnh Ngoài ra còn có khả năng quét với các hệ thống kích hoạt cảm ứng, nơi khoảng cáchgiữa các điểm thăm dò rời rạc được giữ rất nhỏ.

2,3,3, Lực thăm dò

Tạo và kiểm soát một lực thăm dò được xác định là rất quan trọng để đảm bảo khả nănglặp lại và tính chính xác của kết quả đo lường do các hiệu ứng phụ thuộc lực thăm dò nhưuốn bút stylus, biến dạng nhựa và đàn hồi của bóng đầu và chi tiết gia công, cũng như độtuyến tính của cảm biến tiếp xúc của hệ thống thăm dò.

Hầu như tất cả các hệ thống thăm dò kích hoạt cảm ứng và cũng có một số hệ thốngthăm dò đo lường sử dụng tạo lực thăm dò thụ động, nghĩa là lực thăm dò được tạo ra bởimột yếu tố đàn hồi (ví dụ: cuộn dây hoặc lò xo lá) tương ứng với sự biến dạng của yếu tốđó Tạo hệ lực thăm dò chủ động sử dụng bộ truyền động (ví dụ: cuộn dây giọng nói) tácdụng lực điều khiển lên bút stylus, độc lập với sự dịch chuyển bóng đầu.

Các hệ thống tạo lực thăm dò thụ động có lợi thế là rẻ hơn, nhỏ gọn hơn và có trọnglượng ít hơn do không có bộ truyền động và bộ đẩy con của chúng Một nhược điểm là ảnhhưởng của lực tiếp xúc khác nhau đối với kết quả đo được do sự dịch chuyển khác nhau.Tạo lực thăm dò chủ động có thể giảm thiểu sự thay đổi lực và độ không đảm bảo đo củaphép đo;nhưng ngay cả với lực thăm dò liên tục, vẫn có các hiệu ứng đàn hồi khác nhau dođộ cứng khác nhau của hệ thống thăm dò, bút stylus và phôi theo hướng tải.

2,3,4, Động học

Để thiết lập một hệ thống động học 3 DOF (DOF là viết tắt của degree of freedom), khicần thiết cho nhiều hệ thống thăm dò khác nhau, về cơ bản có hai nguyên tắc của thựchiện: (1) động học nối tiếp và (2) động học song song Các động học nối tiếp bao gồm mộtsố trục độc lập xếp chồng lên nhau (dịch hoặc xoay), một cho mỗi DOF Để có được vị trícủa phần chuyển động, các dịch chuyển trong mỗi trục chỉ cần được thêm vào Trong độnghọc song song,mỗi trục dịch và xoay không dành riêng cho một DOF, vì vậy chuyển độngtrong một DOF có thể là động tác kết hợp trong một số trục động học Thông thườngkhông thể di chuyển hệ thống chỉ trong một trục động học.

Vì các hệ thống thăm dò kích hoạt cảm ứng chỉ phát hiện tiếp xúc bề mặt mà khôngcung cấp bất kỳ thông tin nào về vectơ thăm dò , không cần thiết phải chia tổng dịchb

chuyển bóng đầu vào một số trục tọa độ; do đó, các hệ thống này hoạt động với động họcsong song Để đo các hệ thống thăm dò, cả hai mối quan hệ đều được sử dụng trong thựctế, và thông thường, sự dịch chuyển được đo riêng biệt trong mỗi trục động học.

Động học nối tiếp thường cung cấp những lợi thế về phạm vi di chuyển lớn hơn, chế tạovà hiệu chuẩn dễ dàng hơn, và giảm độ không chính xác khi di chuyển chỉ trong một trục.Nhược điểm là kích thước và khối lượng lớn hơn, độ cứng thấp hơn và mắc chéo giữa cáctrục.

Do lợi thế của nó về kích thước, độ cứng và trọng lượng, động học song song được sửdụng trong hầu hết các hệ thống vi mô.

2,4, Tính toán

2,4,1 Kích thước của phần tử thăm dò

Đối với việc đo lường hầu hết các bộ phận trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, chẳng hạnnhư các thành phần động cơ, bánh răng, trục và các bộ phận kim loại tấm được tạo hình, hệthống thăm dò có kích thước theo quy ước với đường kính đầu bi từ 1 đến 8 mm và lựcthăm dò tĩnh từ 50 đến 200 mN là phù hợp nhất Khả năng lặp lại của một điểm thăm dòduy nhất thường nằm trong khoảng 0,1 đến 10 μm tùy thuộc vào hệ thống CMM được sửdụng, hệ thống thăm dò,chất lượng bề mặt phôi và nhiều mặt khác Đo lường các hệ thốngthăm dò trong lĩnh vực này thường có phạm vi đo vài milimet theo mỗi hướng.

Tuy nhiên, lĩnh vực đang phát triển của công nghệ hệ thống vi mô (MST), đòi hỏi cácyếu tố thăm dò nhỏ hơn nhiều, độ phân giải tốt hơn và tĩnh nhỏ hơn và

lực thăm dò động do kích thước nhỏ và các tính năng được đo Những cấu trúc tinh vi nhưvậy, thường có tỷ lệ khung hình cao, làm tăng thêm nhu cầu đối với các hệ thống thăm dòvi mô (Weckenmann, Peggs và Hoffmann 2006) Loại mẫu vật thay đổi từ ống kính siêunhỏ, bánh răng siêu nhỏ và vòi phun nhiên liệu đến các tính năng và cấu trúc trên hệ thốngvi cơ điện tử (MEMS) Ngày nay, có một số hệ thống thăm dò 3D có sẵn trên thị trườngcho các vi CMM, hầu hết chúng đều cho thấy sự tương đồng gần giống với các hệ thống cókích thước thông thường Lực dò phải được giới hạn dưới 1 mN để tránh biến dạng dẻo củaphôi do ứng suất tiếp xúc Hertzian, có thể đạt giá trị đáng kể ngay cả ở lực tiếp xúc thấp dobán kính cong thấp của các phần tử vi mô:

Trong đó :

σ :ứng xuất tiếp xúc HertzianF : Lực tiếp xúc

w0 : Biến dạng đàn hồi

r : Bán kính bóng tipE :Mô đun của Young hiệu quảΥ : Tỷ lệ của Poisson

E1 :Mô đun của young của bóng tip E2 :Mô đun phôi của Young

Hệ thống vi mô thường được sử dụng với các đầu bi có đường kính từ 0,5 đến 0,1 mm vàchiều dài thân của một vài mm Phạm vi đo theo thứ tự vài chục micromet ở độ phân giảivài nanomet Khả năng tái tạo của máy đo xuống tới vài chục nanomet đã được báo cáo,tùy thuộc vào bút stylus, nhiệm vụ đo, đặc điểm vật liệu và bề mặt của mẫu, cũng như cácđiều kiện môi trường như độ sạch và nhiệt độ ổn định (Flack 2001c; Küng, Meli, vàThalmann 2007).

2,4,2 Trình độ của hệ thống thăm dò

Chất lượng của hệ thống đo lường có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của CMM, vì kết quảcủa nó (vectơ vị trí không tải của đầu bi rp và chiều dài hiệu dụng của vectơ tương quanđầu b) được sử dụng để tính toán từng kết quả đo với đầu bi và bút cảm ứng Các sai số đolường do không đủ trình độ chuyên môn rất khó nhận ra vì chúng có thể lặp lại và nhấtquán Đường kính đầu bi hiệu dụng không chỉ xem xét các kích thước vật lý thực tế của bộphận thăm dò mà còn xem xét các biến dạng đàn hồi của thân bút, bộ phận thăm dò và phôido lực thăm dò gây ra ,cũng như các đặc tính làm sáng trước của hệ thống thăm dò.Như một kết luận trực tiếp, tất cả các thông số ảnh hưởng đến biến dạng đàn hồi (lực vàhướng thăm dò, vật liệu và độ nhám bề mặt của hiện vật / phôi, v.v.) và làm sáng tỏ các đặcđiểm của hệ thống thăm dò (chế độ vận hành, quét hoặc dò điểm rời rạc, tốc độ tiếp cận,hướng thăm dò , v.v.) phải tương tự về chất lượng và phép đo tiếp theo để đạt được kết quảtốt nhất Đường kính đầu bi hiệu dụng cũng có thể phụ thuộc theo hướng do bất kỳ yếu tốnào sau đây:

• Độ lệch hình dạng của đầu bi• Độ cứng bút stylus dị hướng• Lực thăm dò dị hướng

Tuy nhiên, trên thực tế không thể cung cấp một hiện vật tương tự như tất cả các phôi đượcđo; do đó, để chứng nhận tip bóng 3D thường là một tạo tác hình cầu có kích thước đã biếtchính xác và độ lệch hình thức rất thấp được thăm dò và đo lường Hình cầu là hình dạngtạo tác được ưa chuộng vì nó có thể được sản xuất và đo lường rất chính xác, có các vectơthông thường theo từng hướng không gian và có thể được định vị mà không cần quan tâmđến hướng Đường kính của hình cầu được xác định bởi các tâm bi đầu khi thăm dò hiệnvật là tổng của đường kính hiện vật thực và đường kính đầu bi nhỏ hiệu dụng Đồ tạo tácđể hiệu chuẩn các hệ thống thăm dò thông thường thường được làm từ nhôm oxit đa tinhthể, cacbua vonfram, thép không gỉ và thủy tinh hoặc Zerodur Để xác định chất lượng củacác hệ thống vi đo với các phần tử thăm dò và lực thăm dò nhỏ hơn nhiều nhưng yêu cầucao hơn nhiều về độ chính xác, các quả cầu ruby và silicon nitride được sử dụng Trong cảhai trường hợp, vật liệu có độ giãn nở nhiệt thấp và độ cứng cao được ưu tiên hơn do tínhổn định về kích thước tốt hơn Để thực hiện các phép đo có thể xác định nguồn gốc, hệthống thăm dò phải đủ tiêu chuẩn với một hiện vật được hiệu chuẩn bởi một viện đo lườngquốc gia.

Chiến lược đánh giá bao gồm việc lựa chọn hiện vật đủ tiêu chuẩn, vị trí và hướng của nótrong phạm vi đo của CMM, tốc độ thăm dò và lực thăm dò, cũng như định nghĩa về sốlượng, vị trí và trình tự của các điểm thăm dò Thông thường, chiến lược đánh giá chấtlượng do nhà sản xuất hệ thống thăm dò đề xuất hoặc được thực hiện trong phần mềmCMM, xem xét các đặc điểm cụ thể của CMM và hệ thống thăm dò Tùy thuộc vào loại hệthống thăm dò và yêu cầu về độ chính xác, đường kính đầu bi hiệu quả có thể phụ thuộcvào hướng.

Theo dõi sự lan truyền thống kê của quá trình kiểm tra chất lượng có thể cho thấy khôngchỉ không đủ trình độ chuyên môn mà còn cho thấy sự kết hợp không đầy đủ về kiểu dáng(khớp yếu, mài mòn đầu bi hoặc nhặt mảnh vỡ) và hiệu suất kém đi của hệ thống thăm dòvà / hoặc CMM.

2,4,3 Thăm dò lỗi

Giống như tất cả các tác vụ đo lường, thăm dò cũng có các lỗi góp phần vào độ khôngđảm bảo đo của từng tác vụ được thực hiện bằng CMM CMM, trong khi độ không đảmbảo đo độ dài là yếu tố đóng góp thích hợp nhất cho phần phụ thuộc vào độ dài của MPEcủa hệ thống CMM.

Sai số thăm dò 3D đối với phép đo các điểm đơn lẻ có thể được xác định theo ISO10360-5 (ISO 2010a) bằng cách thăm dò bán cầu bắc của tiêu chuẩn hình cầu với 25 điểmthăm dò phân bố đều và xác định hình cầu bình phương nhỏ nhất liên quan Khoảng cáchxuyên tâm giữa điểm đo bên ngoài và bên trong nhất được lấy làm thước đo cho sai sốthăm dò

Việc dò lỗi trong các phép đo quét có tính đến các hiệu ứng động đối với kết quả đo, cáchiệu ứng này thường phát triển với tốc độ đo cao hơn Tiêu chuẩn ISO 10360-4 (ISO2000c) chỉ định hai thông số khác nhau về hiệu suất quét mô tả *: (1) MPETij (MPE chocác phép đo quét) và (2) MPEτ (thời gian quét tối đa cho phép) Quy trình để đánh giá cácthông số này như sau: Một hiện vật hình cầu được đo bằng bốn đường quét (xung quanhxích đạo, song song với xích đạo, qua các cực và song song với đường đi qua các cực).Thời gian cần thiết phải nhỏ hơn MPEτ và khoảng cách bán kính tối đa giữa các điểm đượcđo phải nhỏ hơn MPETij Ngoài ra, tất cả các điểm được đo phải nằm trong dải dung saicủa MPETij trong đường kính đã hiệu chỉnh của hiện vật.

Độ lớn và đặc tính hướng của lỗi thăm dò chắc chắn phụ thuộc nhiều vào kiểu, kíchthước và chất lượng của hệ thống thăm dò được xem xét, ngoài quy trình kiểm định đượcáp dụng Nếu trong quá trình kiểm định chỉ đánh giá đường kính hiệu quả của bóng đầunhọn, thì sự biến đổi sơ bộ và độ lệch hình thức của bóng đầu sẽ góp phần vào lỗi thăm dò,trong khi phức tạp hơn - và thường tốn thời gian hơn - các thủ tục kiểm tra chất lượng cũngcó thể xác định và bù đắp cho những sai số phụ thuộc vào hướng hệ thống này Sai số đầudò 3D là 3 μm (đối với hệ thống thăm dò kích hoạt cảm ứng tiêu chuẩn) và những sai sốnhỏ hơn 1 μm (đối với hệ thống thăm dò đo chất lượng cao) được tạo ra bởi các hệ thốngthăm dò vi mô hiện đại đặc biệt ,có thể đạt giá trị thấp hơn đáng kể 1 μm Lỗi dò là thuộctính của toàn bộ hệ thống dò, bao gồm bút cảm ứng và bi đầu; do đó, việc thay đổi bút cảmứng có thể ảnh hưởng đến lỗi đầu dò.

Độ lặp lại là giới hạn có thể đạt được về mặt lý thuyết đối với lỗi thăm dò 3D, vì tất cảcác ảnh hưởng hệ thống lặp lại có thể được bù đắp bằng các phép thử đánh giá chất lượng.Độ lặp lại một chiều có thể nhỏ hơn nhiều so với lỗi đầu dò 3D và nó thường được các nhàsản xuất hệ thống thăm dò chỉ định, mặc dù trên thực tế nó không liên quan đến phép đotọa độ 3D.

Một yếu tố quan trọng khác để đánh giá hiệu suất thăm dò là độ trễ Độ trễ có thể đượcxác định bằng một thử nghiệm rất đơn giản Bằng cách vặn ba khối gage lại với nhau, mộtđặc điểm bên trong và một đặc điểm bên ngoài có cùng kích thước có thể được tạo ra Sựkhác biệt đo được giữa các tính năng đó là độ trễ của hệ thống thăm dò Độ trễ có thể dophản ứng mạnh hoặc thiếu tính lặp lại của vị trí không tải của bút stylus; nó cũng có thể

bao gồm các lỗi máy tùy thuộc vào vị trí bút stylus bên trong âm lượng:

đâuH: độ trễ

Le:Chiều dài bên ngoài được đoLi:Chiều dài bên trong đo được

Đặc biệt khi đo bán kính cong nhỏ, các yếu tố như mép cắt của dụng cụ, sự biến đổi sơ bộvà độ lệch dạng của hệ thống thăm dò có thể dẫn đến sai số lớn nếu giả định hành vi đẳnghướng của hệ thống thăm dò và dị hướng không được bù đắp bởi phụ thuộc vào trình độchuyên môn.

2,5, Máy đo toạ độ đa cảm biến

Mỗi loại hệ thống thăm dò có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và không có một hệthống thăm dò phổ quát nào có thể thực hiện tất cả các nhiệm vụ đo lường chiều một cáchthỏa đáng Đặc biệt đối với các sản phẩm hoặc bộ phận phức tạp với nhiều tính năng khácnhau, nhu cầu kiểm tra tối đa chất lượng và hiệu quả đòi hỏisự kết hợp tinh tế của các kỹthuật thăm dò khác nhau

Do khả năng thăm dò điểm đơn lẻ và khả năng áp dụng phương pháp khác nhau, các hệthống thăm dò xúc giác thông thường rất linh hoạt và thích hợp

Hình 2,6 Hysteresis thử nghiệm hệ thống thăm dò

Hình 2,8 Ứng dụng thăm dò đa cảm biến tại một phôi phức tạp

cho nhiều tác vụ đo khác nhau, như đo hình dạng, vị trí, kích thước và góc của các đặcđiểm hình học tiêu chuẩn, nếu đầu bi có thể tiếp cận được và đủ cứng để chạm vào Tuynhiên, chúng không hiệu quả để đo các bề mặt điêu khắc, không thể đi vào các đặc điểmnhỏ bên trong, tác dụng lực thăm dò có thể phá hủy hoặc làm biến dạng các cấu trúc tinh vivà không có khả năng thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt như đo độ dày của các lớp trongsuốt.

Hệ thống quang học thường có thể thu thập một số điểm rất cao một cách nhanh chóngvà do đó đặc biệt thích hợp để đo các bề mặt điêu khắc hoặc độ chắc chắn tổng thể của cácđặc điểm có thể nhìn thấy rõ ràng Hệ thống thị giác với các đặc điểm hai chiều (2D) củachúng có thể được sử dụng một cách hữu ích để đo các đặc điểm mặt phẳng trên mỗi mặtdây chuyền đối với trục quang học, như các cạnh hoặc các đối tượng in Cảm biến điểm vàvạch laser (phương pháp lấy nét tam giác hoặc tự động lấy nét) thích hợp để đo các đốitượng hoặc đối tượng địa lý có độ cao khác nhau như bề mặt cong Tuy nhiên, với các hệthống quang học, không thể thăm dò các bề mặt gần như song song với trục quang học, ví