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

Cơng trình hồn 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 bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2013) Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo biên dạng 3D chi tiết khí, Hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí lần thứ III, trang 829-834 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 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 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 Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2015) Nghiên cứu hiệu chuẩn thiết bị đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc sử dụng mẫu ô vng bàn cờ, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 8, trang 71-75 Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2015) Đo biên dạng 3D chi tiết ánh sáng cấu trúc dạng mã hóa Gray, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 10, trang 68-73 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Quang Trà NGHIÊN CỨU ĐO BIÊN DẠNG 3D CỦA CHI TIẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 62520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2016 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Đo biên dạng 3D vật thể có ý nghĩa lớn nhiều lĩnh vực sống ngành khoa học kỹ thuật Các thiết bị đo quét 3D cung cấp liệu bề mặt biên dạng chi tiết dạng đám mây điểm Những thơng tin thu từ hình ảnh 3D giúp cho khả quan sát, nhận dạng, mô xác Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc cho độ xác cao, tốc độ đo nhanh nên tập trung nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực Tại Việt Nam, sản xuất cơng nghiệp khí phát triển đặc biệt công nghệ gia công máy CNC, nhu cầu đo kiểm tra biên dạng 3D lớn Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc vấn đề lĩnh vực đo lường nước Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ xác ứng dụng thiết bị đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách giúp doanh nghiệp chủ động việc tiếp cận công nghệ tiên tiến đại giới, thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường Xuất phát từ yêu cầu thực tế tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D chi tiết phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc” Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Mục đích đề tài Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D chi tiết khí từ làm chủ cơng nghệ đo, xây dựng sở tính tốn thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo Việt Nam b) Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đo lường bề mặt 3D chi tiết khí gia cơng thiết bị CNC, rèn dập, sản phẩm đúc Nghiên cứu phương pháp đo dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm sở cho việc xây dựng phương pháp đo kết hợp nhằm tăng độ xác gỡ pha Phạm vi nghiên cứu giới hạn việc nghiên cứu xây dựng sở lý thuyết thiết bị thực nghiệm sử dụng hệ camera máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo chi tiết có độ phản xạ khơng cao, đạt độ xác 0,05 mm phạm vi 200x200x200 mm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a) Ý nghĩa khoa học Trình bày hệ thống phương pháp đo ánh sáng cấu trúc phương pháp dịch pha giúp làm chủ lý thuyết kỹ thuật đo phương pháp dụng cụ đo loại Nghiên cứu thành cơng việc ứng dụng mã hóa Gray để gỡ pha phương pháp dịch pha Xây dựng mơ hình tốn học thuật tốn xử lý liệu đo, xây dựng phương pháp hiệu chuẩn thiết bị để đảm bảo độ xác Xây dựng sở cho phép tính tốn thiết kế chế tạo thử nghiệm loại dụng cụ đo biên dạng 3D theo phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm sở gỡ pha b) Ý nghĩa thực tiễn Hiểu làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo để sử dụng hiệu thiết bị đo lường biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc Khẳng định khả tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Thiết bị sau nghiên cứu chế tạo thiết bị thí nghiệm phục vụ cơng tác giảng dạy mơn Cơ khí xác & Quang học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tạo tiền đề ứng dụng cho đo biên dạng 3D thể người, kích thước bàn chân phục vụ công nghiệp may mặc giày dép; trình quét dựng mẫu vật, trường lĩnh vực an ninh, nghiên cứu công nghệ thời trang đề tài nhà trường Các đóng góp luận án Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc vào đo lường chi tiết khí, sử dụng phương pháp dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin để đảm bảo độ phân giải cao kết hợp phương pháp mã hóa Gray để đảm bảo độ xác gỡ pha, đề xuất sử dụng thêm mẫu chiếu đảo bit mẫu chiếu mã hóa Gray theo hai phương từ nâng cao độ xác gỡ pha phương pháp dịch pha Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu nhận xử lý liệu đo dựa mơ hình tốn học cho camera máy chiếu mơ 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 yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phép đo từ xây dựng phương pháp hiệu chuẩn, xây dựng phương pháp khảo sát đặc tính kỹ thuật phận cấu thành lên thiết bị để đảm bảo độ xác phép đo Đã xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm sở gỡ pha Việt Nam đạt độ xác 0,05mm phạm vi đo 200x200x200 mm Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng mơ hình thiết bị đo chế tạo Dùng phương pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng đo lường chi tiết khí, xây dựng mơ hình tốn học, xác định quan hệ hệ thống quang cơ, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo, xây dựng trình hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ xác đo Tiến hành q trình đo lường thống kê, thực nghiệm đo biên dạng mẫu sản phẩm thiết bị chế tạo so với kết đo máy đo CMM Viện đo lường Việt Nam Sử dụng phần mềm bổ trợ cho việc tính tốn thiết kế: CAD, MS - Office, phân tích liệu ảnh: Image J, mơ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab để thực nội dung nghiên cứu đề Bố cục luận án Chương I: Trình bày kết khảo sát phương pháp đo 3D ánh sáng cấu trúc xác định hướng nghiên cứu phương pháp kết hợp dịch pha mã Gray  Chương II: Nghiên cứu sở phương pháp kết hợp dịch pha mã Gray nhằm nâng cao độ xác gỡ pha  Chương III: Xác lập sở cho việc tính tốn chế tạo thiết bị đo thực nghiệm Nghiên cứu đánh giá đảm bảo độ xác độ phân giải cho thiết bị đo  Chương IV: Trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm thiết bị chế tạo CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1 Phương pháp đo lường biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa nguyên lý tam giác lượng quang học Với mơ hình ngun lý biến thể phương pháp stereo với việc thay kênh nhìn thiết bị chiếu ảnh mẫu Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc Thiết bị chiếu chiếu ảnh mẫu 2D thiết kế theo phương pháp mã hóa định lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu nhận biết thông qua hệ thống camera Phân tích liệu ảnh kết hợp phương pháp mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm chi tiết đo 1.2 Nguyên lý phương pháp đo dạng ánh sáng cấu trúc 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 nguyên lý tam giác lượng quang học Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc cấu tạo phận là: phận chiếu ảnh, phận thu ảnh phận xử lý tín hiệu, tính tốn tọa độ điểm đo bề mặt vật đo 1.2.2 Khái niệm phân loại ánh sáng cấu trúc “Ánh sáng cấu trúc chùm tia sáng mà tia sáng mã hóa cường độ màu sắc.” Các dạng ánh sáng cấu trúc mã hóa với mục đích xác định lưới điểm đo khơng gian chiếu Độ phân giải phương pháp đo (khoảng cách gần điểm mã hóa) phụ thuộc vào cách mã hóa độ phân giải hệ thống chiếu vân camera Xét trường hợp độ phân giải liên quan đến phương pháp mã hóa, phương pháp cho độ phân giải độ phân giải hệ thống chiếu sáng (một điểm ảnh thiết bị chiếu) chiếu lên không gian lớn thơng qua hệ phóng hình cho bề mặt lưới chi tiết đo có khoảng cách nút lưới lớn (độ phân giải thấp) Phương pháp dịch pha có độ phân giải cao 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 sử dụng giao thoa laser, dùng cách tử nhiễu xạ, dùng máy chiếu Phương pháp giao thoa laser chiếu sáng qua cách tử nhiễu xạ phù hợp với phép đo có vùng đo nhỏ cần độ xác cao tạo mẫu sáng chiếu có chu kì sin nhỏ, nhiên có nhược điểm kết cấu phức tạp địi hỏi độ xác cao phạm vi đo hạn chế Với thiết bị đo thông dụng đáp ứng 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 mẫu chiếu chiếu lên bề mặt chi tiết đo cần sử dụng hệ thu ảnh vân thường camera Ảnh thu chứa đựng thông tin độ cao điểm vật đo thông qua biến đổi dạng, màu sắc mẫu chiếu bề mặt biên dạng vật cần đo mang lại 1.3 Các mơ hình biến thể kỹ thuật phương pháp đo ánh sáng cấu trúc Đo biên dạng 3D cần xác định tọa độ lưới điểm không gian chiều XYZ Để xác định độ cao điểm đo Z sử dụng phương pháp tam giác lượng quang học Các mô hình biến thể kỹ thuật thể cách bố trí thiết bị cụm cảm biến so với mặt phẳng tham chiếu Có cách bố trí gồm: trục quang máy chiếu vng góc mặt phẳng tham chiếu, trục quang camera vng góc mặt phẳng tham chiếu, trục quang camera máy chiếu bố trí tự 1.3.1 Hệ thống đo biên dạng 3D Srinivasan 1.3.2 Hệ thống đo biên dạng 3D Toyooka Iwaasa 1.3.3 Hệ thống đo biên dạng 3D Hu 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới Đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp chiếu vân xác định thơng qua bước theo sơ đồ hình 1.31 Trong khoảng 30 năm trở lại việc sử dụng ánh sáng cấu trúc đo lường nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Các cơng trình nghiên cứu tập trung vào vấn đề tồn bước số nghiên cứu đối tượng áp dụng phương pháp Chiếu vân chụp ảnh vân chiếu Dựng pha tuyệt đối Phân tích vân Hiệu chuẩn Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D phương pháp chiếu mẫu vân Mơ hình tốn học sử dụng cho camera máy chiếu mơ hình camera lỗ nhỏ có tính đến quang sai hệ quang Chuyển đổi hệ tọa độ ngồi khơng gian vào hệ tọa độ camera xác định được: (𝐶) (𝐶) (𝐶) [𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 , 𝑧𝑃 ] = 𝑅 [𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 , 𝑧𝑃 ] + 𝑇 (1.36) Hình 1.32 Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ Phương pháp dịch pha có ưu điểm đặc trưng như: độ xác cao, độ phân giải cao phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Trong trình đo cần dựng lại ảnh pha tuyệt đối phương pháp gỡ pha, bước chịu nhiều ảnh hưởng điều kiện đo, đặc điểm hình dạng màu sắc độ phản xạ chi tiết đo 2.2 Nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray để tăng độ xác gỡ pha phương pháp dịch pha 2.2.1 Phương pháp mã hóa Gray Mã hóa Gray dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng phương pháp quét biên dạng 3D chi tiết với mẫu chiếu có vạch trắng đen xen kẽ 2.2.2 Nghiên cứu gỡ pha mã hóa Gray phương pháp dịch pha Các mẫu chiếu điều chế cường độ sáng theo công thức: 𝐼1 (𝑥, 𝑦) = 𝐼0 (𝑥, 𝑦) + 𝐼𝑚𝑜𝑑 (𝑥, 𝑦)𝑐𝑜𝑠[Ø(𝑥, 𝑦) ] (2.51) 𝐼2 (𝑥, 𝑦) = 𝐼0 (𝑥, 𝑦) + 𝐼𝑚𝑜𝑑 (𝑥, 𝑦)𝑐𝑜𝑠[Ø(𝑥, 𝑦) + 𝜋/2] (2.52) 𝐼3 (𝑥, 𝑦) = 𝐼0 (𝑥, 𝑦) + 𝐼𝑚𝑜𝑑 (𝑥, 𝑦)𝑐𝑜𝑠[Ø(𝑥, 𝑦) + 𝜋] (2.53) 𝐼4 (𝑥, 𝑦) = 𝐼0 (𝑥, 𝑦) + 𝐼𝑚𝑜𝑑 (𝑥, 𝑦)𝑐𝑜𝑠[Ø(𝑥, 𝑦) + 3𝜋/2] (2.54) Từ giá trị pha xác định công thức: Ø(𝑥, 𝑦) = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 [ 𝐼2 (𝑥, 𝑦)− 𝐼4 (𝑥, 𝑦) ] 𝐼1 (𝑥, 𝑦)− 𝐼3 (𝑥, 𝑦) (2.61) Hình 2.8 Phân bố cường độ sáng chu kì mẫu chiếu sin Hình 2.9 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray bit 10 i Hình 2.10 Sơ đồ khối trình đo sử dụng phương pháp kết hợp dịch pha mã hóa Gray Hình 2.11 Xác định pha phương pháp kết hợp 11 Ảnh pha tuyệt đối cung cấp thông tin đo xác định vùng diện tích chiếu máy chiếu ảnh camera, độ phân giải đo phụ thuộc vào độ phân giải máy chiếu Xét ảnh pha theo phương ngang x tương đương bề rộng wP ảnh chiếu, độ rộng vạch mã hóa Gray nhỏ thu 𝑤 𝑙𝑜𝑔2 𝑃 Tại điểm i cần khảo sát chu kì thứ k phương pháp dịch pha có giá trị pha tuyệt đối Фki, có giá trị pha tương đối xác định theo phương pháp dịch pha Øki, theo phương pháp mã hóa Gray vạch liền kề phía trước điểm i có giá trị pha GCk Khi pha tuyệt đối xác định bởi: Фki = GCk + Øki/2π (2.62) Từ công thức 2.62 xây dựng thuật tốn xác định ảnh pha tuyệt đối 2.3 Xác định tọa độ điểm đo phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha 2.3.1 Nguyên lý tam giác lượng xác định tọa độ điểm đo [31] Ảnh pha tuyệt đối sau xác định theo phương pháp kết hợp dịch pha mã hóa Gray cung cấp thơng tin tọa độ điểm đo thông qua tọa độ điểm ảnh giá trị pha Hình 2.12 Sơ đồ mơ hình tốn học cho thiết bị [31] z H  HH '  L AB d  AB 2.3.2 Xây dựng phương pháp xác định 𝑍 tọa độ điểm đo 12 (2.63) Hình 2.14 Sơ đồ xác định đám mây điểm đo Các bước để tính tốn vị trí 3D điểm M sau: Xác định tọa độ pixel điểm NI thông qua việc chiếu ánh sáng mẫu mã hóa Gray lên mặt phẳng chuẩn Điểm mã hóa điểm NP (nằm mặt phẳng ảnh máy chiếu) Tọa độ 3D điểm MI, NI tính tốn từ tọa độ pixel chúng cách sử dụng mơ hình camera lỗ nhỏ nội tham số camera.Tọa độ 3D MR NR tính tốn phương pháp đường giao đường: M R  C  PN P CM I , N R  C  PN P CN I 2.4 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn Khi sử dụng thiết bị đo cần trình hiệu chuẩn để xác định yếu tố ảnh hưởng điều kiện đo đến độ xác phép đo, xác định thông số kĩ thuật camera bao gồm: ma trận nội tham số gồm thơng số giúp cho tính tọa độ vật lên cảm biến hình ảnh camera, tham số méo ảnh tính tốn dạng quang sai hệ ống kính camera gây nên, ma trận ngoại tham số tính tọa độ điểm ảnh thu tọa độ máy 2.4.1 Phương pháp hiệu chuẩn camera 2.4.2 Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn hệ thống camera máy chiếu 13 Hình 2.18 Sơ đồ hệ thống phát thu ánh sáng cấu trúc Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh camera, máy chiếu thiết bị đo biên dạng 3D dùng ánh sáng cấu trúc cần xác định tham số gồm: 𝑓𝑥 𝛼 𝑢0 (2.84) Ma trận nội tham số:[ 𝑓𝑦 𝑣0 ] 0 (2.85) Hệ số méo ảnh: [𝑘1 𝑘2 𝑘3 𝑘4 𝑘5 ] 𝑟11 𝑟12 𝑟13 𝑡1 (2.86) Ma trận ngoại tham số: [𝑟21 𝑟22 𝑟23 𝑡2 ] 𝑟31 𝑟32 𝑟33 𝑡3 2.5 Kết luận chương Trong chương khảo sát phân tích phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết sử dụng phương pháp dịch pha, trình đo cần xác định ảnh pha tuyệt đối bước chịu ảnh hưởng đặc điểm quang học bề mặt đo làm giảm độ xác phương pháp Để khắc phục nhược điểm cần sử dụng phương pháp kết hợp nâng cao độ xác gỡ pha Giải pháp nghiên cứu sử dụng kết hợp với mã hóa Gray, phương pháp chịu ảnh hưởng bề mặt chi tiết đo làm sở nâng cao độ xác gỡ pha 14 Xây dựng lên thuật toán sử dụng mã hóa Gray làm sở cho việc gỡ pha phương pháp dịch pha, xây dựng mơ hình tốn học xác định tọa độ điểm đo Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn cụm cảm biến xác định thông số camera máy chiếu CHƯƠNG CƠ SỞ XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG PHƯƠNG PHÁP DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA 3.1 Xây dựng sở tính tốn thiết kế cụm cảm biến 3.1.1 Xác định khoảng dịch chuyển cụm cảm biến 3.1.2 Xác định vị trí tính tốn lựa chọn camera máy chiếu 3.2 Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo Sau xây dựng mơ hình tốn học xác định thuật toán cho phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp kết hợp mã hóa Gray dịch pha mục 2.3, cần xác lập giải thuật để xác định đám mây điểm đo chi tiết Đối tượng đo Cảm biến (camera & máy chiếu) Ảnh hiệu chuẩn Giải thuật hiệu chuẩn thiết bị Mặt phẳng tham chiếu Mẫu ảnh chiếu Giải thuật tạo mẫu ảnh chiếu Ảnh chụp đối tượng Giải thuật xây dựng ảnh pha tuyệt đối Thông số hiệu chuẩn Ảnh pha tuyệt đối đối tượng Ảnh pha mặt phẳng tham chiếu Giải thuật xây dựng đám mây điểm đo Đám mây điểm 3D đối tượng Hình 3.4 Sơ đồ xử lý tín hiệu đo 3.2.1 Giải thuật tạo mẫu ảnh chiếu 3.2.2 Thuật toán xử lý liệu ảnh 3.2.3 Thuật toán xác định đám mây điểm đo 3.2.4 Thuật toán hiệu chuẩn hệ thống 3.3 Đánh giá sai số ảnh hưởng đến độ xác thiết bị đo 3.3.1 Ảnh hưởng sơ đồ bố trí cụm cảm biến đến độ xác 15 3.3.2 Ảnh hưởng độ xác pha đến độ xác phép đo 3.3.3 Ảnh hưởng quang sai đến độ xác 3.4 Áp dụng tính tốn cho thiết bị thực nghiệm STL– 3.4.1 Tính tốn thiết kế cụm cảm biến 3.4.2 Xác định cấu hình hệ thống điều khiển 3.4.3 Xây dựng thuật toán điều khiển 3.5 Kết luận chương Trong chương nghiên cứu tập trung vào số vấn đề như:  Xác lập sở cho việc tính tốn chế tạo thiết bị đo thực nghiệm Đi sâu vào toán thiết kế, lựa chọn hệ camera máy chiếu thỏa mãn yêu cầu toán đặt phạm vi đo độ phân giải hệ thống: sở cho việc tính tốn thiết kế lựa chọn cấu hình thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc  Xây dựng hệ thống điều khiển phục vụ q trình đo đảm bảo đo tồn chi tiết Xây dựng thuật toán xử lý xác định tọa độ điểm đo Các giải thuật lưu đồ thuật tốn thể q trình thực phép đo cho phép người sử dụng tùy chỉnh phù hợp với yêu cầu đối tượng đo  Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn cho thiết bị Nghiên cứu đánh giá đảm bảo độ xác độ phân giải cho thiết bị đo Với thiết bị đo trình hiệu chuẩn cần thiết, để đảm bảo độ xác cần hiệu chỉnh lần đo, phương pháp hiệu chuẩn đơn giản xác góp phần nâng cao hiệu sử dụng thiết bị đo Ngồi xác định yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo thân thiết bị đo điều kiện đo đem lại CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Thiết bị đo chế tạo vừa mục đích vừa phương tiện kiểm chứng phương pháp đo Để đánh giá kết nghiên cứu phương pháp đo, kỹ thuật đo công nghệ đo sử dụng phương pháp dịch pha dạng sin kết hợp mã hóa Gray làm sở gỡ pha cần nghiên cứu thực nghiệm thiết bị đo chế tạo 16 4.1 Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - Hình 4.1 Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 4.2 Tạo mẫu ảnh chiếu Sử dụng phần mềm xây dựng dựa giải thuật mục 3.3.1, để tạo mẫu chiếu ảnh Gray ảnh sin Các ảnh mẫu tạo thể với hình 4.4 hình ảnh mẫu chiếu dạng mã hóa Gray 4.3 Hiệu chuẩn đặc tính quang cụm cảm biến Các thiết bị đo sau chế tạo cần hiệu chuẩn để đảm bảo nâng cao độ xác đo, đặc biệt phép đo có độ xác cao Việc xác định tọa độ điểm đo chi tiết cần đầy đủ thơng số cụm cảm biến yêu cầu trình hiệu chuẩn bao gồm:  Hiệu chuẩn phân bố cường độ sáng máy chiếu  Hiệu chuẩn màu  Hiệu chuẩn cường độ sáng ảnh xám  Hiệu chuẩn tìm hệ thống thơng số kỹ thuật vị trí camera máy chiếu 4.3.1 Hiệu chuẩn phân bố cường độ sáng máy chiếu 4.3.2 Hiệu chuẩn màu cho cảm biến 17 Cường độ sáng IC 300 Cường độ mẫu chiếu Cường độ ảnh RED Cường độ ảnh GRAY Cưởng độ ảnh GREEN 250 200 150 100 50 0 10 15 20 Số 25 ảnh mẫu30 chiếu Cường độ sáng ảnh IC Hình 4.11 Biểu đồ thể tương quan màu hệ cảm biến thiết bị 4.3.3 Hiệu chuẩn cường độ sáng ảnh xám 300 200 100 0 100 200 300 Cường độ sáng mẫu chiếu IP Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ chiếu sáng sau hiệu chuẩn 4.3.4 Hiệu chuẩn thiết bị thực nghiệm STL – sử dụng vng bàn cờ Hình 4.16 Giao diện mô tả kết hiệu chuẩn vị trí đặt vng bàn cờ 18 4.4 Xác định độ xác thiết bị đo 4.4.1 Khảo sát độ phân giải sở Độ phân giải sở thiết bị khoảng cách tương ứng với điểm ảnh thu cảm biến ảnh Độ phân giải sở vùng có phân bố đồng sử dụng mẫu chiếu Gray 10 bit (0,27x0,278 mm)/ điểm ảnh, nhiên tọa độ điểm đo xuất nhiều vùng có phân bố không đồng đều, điều tương tự xảy với mẫu chiếu bit Như vậy, việc sử dụng mã hóa Gray cho phép đo độc lập có độ phân giải khơng cao, khó đạt độ phân giải điểm ảnh (xuất vùng liệu hình 4.16f) Với mẫu chiếu bit cho thấy phân bố đồng điểm đo, sở để luận án lựa chọn số mã hóa Gray bit kết hợp với phương pháp dịch pha 4.4.2 Đo mẫu trụ chuẩn Độ phân giải sở (mm) Hình 4.19 Hình ảnh mô chi tiết trụ đo 0.37 0.35 Độ phân giải theo phương X 0.33 0.31 0.29 0.27 0.25 50 100 150 200 Khoảng dịch chuyển h (mm) Hình 4.20 Đồ thị thể quan hệ độ phân giải sở khoảng dịch chuyển h 19 Bán kính trụ (mm) Độ phân giải biến đổi tuyết tính theo chiều cao cụm cảm biến tới bàn đo Khoảng cách xa độ phân giải sở thấp 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 R1 R2 R3 R4 R5 50 100 150 200 Khoảng dịch chuyển h (mm) Hình 4.21 Đồ thị thể kết đo trụ chuẩn Kết đo bán kính trụ chuẩn cho thấy sụ phụ thuộc vào vị trí đặt vật không gian đo thiết bị 4.4.3 Đo mẫu khối cầu chuẩn Hình 4.22 Hình ảnh mơ kết đo cầu chuẩn Xử lý kết đo theo phân phối Student với độ tin cậy 95 % ta có kết đo bán kính cầu chuẩn là: 25.032 ± 0,017 (mm) Kết đo máy CMM R = 25,039 ± 0.007 mm Như vậy, kết đo trung bình sai khác 0,007 mm Kết đo cầu cho thấy độ ổn định độ xác thiết bị đo Các phép 20 đo vị trí lặp lại cho kết đo trung bình đạt độ xác cao so với kết đo máy CMM 4.5 Một số kết thử nghiệm thiết bị STL - 4.5.1 Kết đo phương chiếu Hình 4.23 Kết mô số mẫu chi tiết sử dụng phương chiếu 4.5.2 Ảnh mơ phịng liệu quét quét toàn vật thể sử dụng phương chiếu Hình 4.24 Kết mơ số mẫu chi tiết sử dụng phương chiếu 21 4.5.3 Ứng dụng thiết bị lĩnh vực an ninh Dựng lại mẫu vật hữu cơ, vết lốp xe, dấu giày, vết thương , truy cập vào hồ sơ lưu tình tiết thơng tin trường trực quan không bị hạn chế thời gian tồn dấu vết Hình 4.25 Kết liệu 3D phục vụ công tác an ninh 4.6 Kết luận chương Thiết bị thực nghiệm STL-1 chế tạo theo phương pháp đo dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm sở gỡ pha Đã xây dựng quy trình tiến hành thực nghiệm hiệu chuẩn đặc tính quang cảm biến, xây dựng đặc tuyến cường độ sáng ảnh tương tác máy chiếu camera từ tiến hành hiệu chỉnh nâng cao độ xác ảnh chiếu Hiệu chuẩn xác định thông số kỹ thuật thông số vị trí camera máy chiếu để đảm bảo độ xác đo Thực nghiệm xác định độ xác thiết bị thông qua việc đo kiểm trụ chuẩn mẫu cầu chuẩn Kết thực nghiệm cho thấy: kết đo phụ thuộc vào vị trí đặt vật trường đo, độ xác đo cầu chuẩn đạt: 0,05 mm , trụ chuẩn đạt 0,01mm Thiết bị thực nghiệm STL -1 hoạt động ổn định, đo tồn chi tiết phạm vi 200x200x200 mm với thời gian đo khoảng phút Ứng dụng thiết bị đo số mẫu chi tiết khí gia cơng thiết bị CNC, đúc, rèn dập cho kết đạt yêu cầu mô biên dạng thực chi tiết đo Có thể ứng dụng thiết bị ngành khác đo hình dáng kích thước thể người, đo dựng trường an ninh 22 KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu, tìm hiểu, nắm xây dựng sở lý thuyết, kỹ thuật để tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc đo lường biên dạng bề mặt chi tiết khí cơng nghệ gia cơng CNC Các nội dung mà luận án thực nghiên cứu đạt kết sau:  Nghiên cứu khảo sát phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Phân tích kết nghiên cứu tác giả nước giới, đánh giá ưu nhược điểm phương pháp, khảo sát dạng ánh sáng cấu trúc từ xác định dạng ánh sáng cấu trúc phương pháp dịch pha kết hợp mã hóa Gray để gỡ pha hướng nghiên cứu luận án Phương pháp kết hợp ưu điểm độ phân giải cao phương pháp dịch pha với độ chống nhiễu tốt phương pháp Gray làm sở đảm bảo nâng cao độ xác gỡ pha đảm bảo độ xác đo thiết bị, phù hợp cho việc đo biên dạng chi tiết khí gia cơng cơng nghệ CNC  Xây dựng mơ hình tốn học giải thuật xử lý liệu đo để xác định đám mây điểm đo chi tiết đo Sử dụng mơ hình tốn học cho hệ camera máy chiếu mơ hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai Tọa độ điểm đo xác định theo phương pháp đường giao đường  Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc, kết hiệu chuẩn xác định thông số kỹ thuật bao gồm nội tham số, hệ số đặc trưng ảnh hưởng quang sai, ma trận ngoại tham số đặc trưng vị trí tương quan camera máy chiếu, giúp đảm bảo độ xác đo  Xây dựng, xác lập sở, giải thuật, cho việc tính tốn 23 thiết kế thiết bị từ xác định tiêu chí thiết kế, cách xác định độ phân giải, tính tốn lựa chọn cấu hình cho cụm cảm biến  Phân tích xác định yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phép đo, xây dựng đặc tuyến quang thể tương quan quan hệ thu phát cường độ sáng ảnh máy chiếu camera, từ hiệu chỉnh nâng cao độ xác tạo mẫu vân chiếu, góp phần đảm bảo độ xác đo  Đã xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp dịch pha mã hóa Gray Việt Nam đạt độ xác 0,05mm, phạm vi đo 200x200x200 mm Thiết bị hoạt động đáp ứng đo quét số chi tiết khí gia cơng thiết bị CNC, đúc, rèn dập ứng dụng khác lĩnh vực thời trang an ninh Thiết bị sử dụng đo quét bề mặt thiết bị công nghiệp, cho thấy khả tự chế tạo loại thiết bị đo Việt Nam KIẾN NGHỊ Từ kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm đạt thiết bị nghiên cứu thực nghiệm STL – 1, để tiếp tục nâng cao chất lượng làm việc độ xác, tốc độ đo cần thiết tiếp tục nghiên cứu sâu mặt: Tăng tốc độ đo thiết bị: Với phương pháp áp dụng đo chi tiết tĩnh cần nhiều mẫu ảnh chiếu việc đo qt theo thời gian thực khơng tiến hành Tối ưu hóa chương trình: Xây dựng chương trình xử lý liệu ảnh nhằm tăng tốc độ độ xác xử lý liệu đo Nghiên cứu tìm hiểu thuật tốn nhằm nâng cao độ xác đo 24 ... điểm chi tiết đo 1.2 Nguyên lý phương pháp đo dạng ánh sáng cấu trúc 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. .. đến độ xác kết đo, kiểm chứng khả chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D chi tiết sử dụng ánh sáng cấu trúc Việt Nam CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HĨA GRAY... GỠ PHA 2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha Phương pháp dịch pha phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc nghiên cứu phát triển lĩnh vực đo lường sử dụng laser với nghiên cứu công bố