Nghiên cứu chế tạo thiết bị quét biên dạng chi tiết 3d bằng laser

Mục đích nghiên cứu của luận văn Nghiên cứu một số vấn đề chính cần giải quyết khi thiết kế chế tạo lại thiết bị đo này để đảm bảo được các yêu đã định ra về độ phân giải và độ chính xá

Trang 1

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I: ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG BỀ MẶT BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LASER 3D 9

1.1 Giới thiệu về máy quét 3D 9

1.2 Cấu tạo và nguyên lý của máy quét 3D laser 11

1.2.1 Quét điểm và quét đường 11

1.2.2 Quét mặt phẳng và quét vật quay 13

1.3 Một số máy đo laser 3D 15

1.4 Cơ sở thiết kế máy 18

CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ ĐẦU ĐO LASER VÀ HỆ DỊCH CHUYỂN QUANG CƠ 20

2.1 Nguyên lý phương pháp đo dạng điểm và dạng đường 20

2.1.1 Nguyên lý đo dạng điểm 20

2.1.2 Nguyên lý đầu đo laser dạng đường 21

2.1.3 Xây dựng hàm truyền đạt 22

2.1.4 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến hàm truyền đạt 24

2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng tới kết quả đo 28

2.2.1 Ảnh hưởng của cường độ tia laser 30

2.2.2 Ảnh hưởng của đường kính tia laser 30

2.2.3 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt vật đo 31

2.2.4 Ảnh hưởng của mầu sắc bề mặt vật đo 32

Trang 2

2.2.5 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt tại điểm đo 32

2.3 Hệ dẫn động 33

2.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển 35

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 40

3.1 Đầu đo 40

3.2 Hệ thống điều khiển 42

3.2.1 Chọn hệ thống điều khiển 42

3.2.2 Các linh kiện điện tử dùng trong hệ thống điều khiển 42

3.2.3 Động cơ 46

3.3 Phần mềm điều khiển 47

3.3.1 Phần mềm CCS 4.078 47

3.3.2 Phần mềm matlab 50

3.3.3 Các thuật toán sử dụng trong luận văn 53

3.4 Lưu đồ điều khiển 56

3.4.1 Lưu đồ điểu khiển đo biên dạng chi tiết phẳng 56

3.4.2 Lưu đồ điều khiển đo biên dạng chi tiết quay 57

CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 59

4.1 Mô hình thực nghiệm 59

4.2 Kết quả thực nghiệm 61

4.3 Calip máy đo 64

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 68

Trang 3

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này với đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị quét biên dạng chi tiết 3D bằng laser” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và

chƣa đƣợc công bố trong bất cứ công trình nào khác Các số liệu nêu trong luận văn

là trung thực

Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2013

Tác giả luận văn

Phạm Ngọc Linh

Trang 4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý đo theo phản xạ 12

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp tạo ảnh 12

Hình 1.3: Nguyên lý quét vệt trên bề mặt chi tiết đo sử dụng hệ quang 13

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý quét mặt phẳng 14

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý quét vật quay 15

Hình 1.6: Máy quét của hãng Faro 16

Hình1.7: Thiết bị quét 3D cầm tay của hãng Creaform 16

Hình 1.8: Máy quét Vituoso của Konica 17

Hình1.9: Máy quét laser 100HSX Surphaser 18

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp tán xạ(tạo ảnh) 20

Hình 2.2: Nguyên lý quét 3D laser theo đường 21

Hình 2.3: Sơ đồ tạo ảnh 23

Hình 2.4: Biểu đồ quan hệ giữa L và ΔZ 25

Hình 2.5: Biểu đồ quan hệ giữa H và ΔZ 26

Hình 2.6: Biểu đồ mối quan hệ giữa f và ΔZ 27

Hình 2.7: Cấu tạo cụm đầu đo 28

Hình 2.8: Mô hình thực nghiệm 29

Hình 2.9: Đồ thị ảnh hưởng của cường độ tia laser đến đường đặc tuyến 30

Hình 2.10: Đồ thị ảnh hưởng của đường kính tia laser tới đường đặc tuyến 30

Hình 2.11: Đồ thị ảnh hưởng của độ nhám bề mặt vật đo đến đường đặc tuyến 31

Hình 2.12: Đồ thị ảnh hưởng của mầu sắc bề mặt vật đo đến đường đặc tuyến 32

Hình 2.13: Đồ thị ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt tại điểm đo 32

Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống điều khiển số 1 36

Trang 5

5

Hình 3.1: Cụm đầu đo laser 41

Hình 3.3 : Vi điều khiển PIC16F877A 43

Hình 3.4: Driver 2H504 45

Hình 3.5: Sơ đồ chân Driver 2H504 điều khiển động cơ 45

Hình 3.6: Hệ thống điều khiển động cơ bước dùng Microstep Driver 2H504 bằng máy tính 46

Hình 3.7: Ảnh mạch điều khiển thử nghiệm 47

Hình 3.8: Giao diện khởi động của phần mềm CCS 48

Hình 3.9: Cửa sổ làm việc của phần mềm CCS 48

Hình 3.10 : Biên dịch chương trình điều khiển CCS 49

Hình 3.11: Các file thu được sau khi biên dịch 49

Hình 3.12: Giao diện khởi động của phần mềm Matlab 50

Hình 3.13: Viết chương trình trên matlab 51

Hình 3.14: Giao diện điều khiển đo quét laser 51

Hình 3.15: Giao diện modul đo bề mặt 52

Hình 3.16: Giao diện modul đo tròn xoay 52

Hình 3.17: Xây dựng bề mặt Mesh 54

Hình 3.18: Xây dựng bề mặt Surface 55

Hình 3.19: Lưu đồ điều khiển đo biên dạng chi tiết phẳng 56

Hình 3.20: Lưu đồ điều khiển đo biên dạng chi tiết quay 57

Hình 4.1: Cụm đầu đo 59

Hình 4.2:Mạch điều khiển 59

Hình 4.3: Hệ truyền động 60

Hình 4.4: Máy đo 60

Hình 4.5: Phần mềm đo quét 61

Trang 6

Hình 4.6: Chi tiết quét 61

Hình 4.7: Mô hình quét 62

Hình 4.8: Kết quả quét thu được qua phần mềm 62

Hình 4.9: Biên dạng vật được mô phỏng lại 63

Hình 4.10: Một số kích thước của chi tiết thu được 63

Hình 4.11: Xác định sai số bằng căn mẫu 64

Trang 7

kế, chế tạo thiết bị quét biên dạng chi tiết 3D laser phù hợp với điều kiện kinh tế, xã hội trong nước là một yêu cầu đặt ra với các nhà khoa học Việt Nam

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Nghiên cứu một số vấn đề chính cần giải quyết khi thiết kế chế tạo lại thiết bị

đo này để đảm bảo được các yêu đã định ra về độ phân giải và độ chính xác, tìm ra phương pháp tối ưu xây dựng một thiết bị quét biên dạng chi tiết 3D laser phù hợp với điều kiện kinh tế nhưng vẫn đảm vảo được độ ổn định và chính xác cao, đánh giá kết quả nhanh chóng và thuận tiện theo tiêu chuẩn đã đặt ra và có thể áp dụng rộng rãi trong sản xuất và kiểm tra

3 Các nội dung chính của luận văn

Nội dung chính là trình bày những cơ sở lý thuyết, các nguyên lý đo, các phương pháp thiết kế đầu đo cũng như hệ dịch chuyển quang cơ Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác và xây dựng mô hình thực nghiệm

Ngoài phần giới thiệu tổng quan và kết luận, luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Đo biên dạng bề mặt bằng phương pháp quét laser 3D: Trong

chương này trình bày các phương pháp đo laser 3D đang được sử dụng hiện nay và

cơ sở để thiết kế máy đo 3D laser

Trang 8

Chương 2: Cơ sở thiết kế đầu đo và hệ dịch chuyển quang cơ: Trong chương

này trình bày các các cơ sở lý thuyết thiết kế đầu đo và các phương pháp dịch chuyển quang cơ

Chương 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm: Nội dung chủ yếu trong chương

này là trình bày các cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm như: hệ dịch chuyển quang cơ, đầu đo, phần mềm thu thập và xử lý tín hiệu đo

Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả: Nội dung chủ yếu của chương

này là trình bày các kết quả thử nghiệm trên máy đo, đánh giá kết quả của máy đo

4 Kết luận:

Sản phẩm của luận văn là một thiết bị quét biên dạng chi tiết 3D laser với các linh kiện sẵn có trên thị trường với một quy trình chế tạo khả thi phù hợp với điều kiện kinh phí và công nghệ trong nước, hệ thống đo biên dạng 3D hoạt động ổn định, giá thành thấp hơn nhiều so với chí phí nhập khẩu từ nước ngoài

Một số kết quả thiết bị đo đã đạt được:

Cuối cùng cho phép tôi được chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Vinh đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình làm luận văn Cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học - Viện Cơ khí – Trường đại học Bách Khoa Hà

Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành các nội dung của luận văn này

Trang 9

9

CHƯƠNG I: ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG BỀ MẶT BẰNG PHƯƠNG

PHÁP QUÉT LASER 3D

1.1 Giới thiệu về máy quét 3D

Kỹ thuật đồ họa cùng sự phát triển của khoa học máy tính đã trợ giúp đáng kể cho con người trong việc thết kế và mô phỏng trong công nghiệp Cho đến những năm đầu thập kỷ 90 các máy đo tọa độ ba chiều đã được đưa vào trong các dây truyền sản xuất nhằm kiểu tra, đáng giá chất lượng sản phẩm Tiếp đó, hàng loạt các thế hệ máy đo quang học ra đời đã mở rộng rất nhiều khả năng ứng dụng các giải pháp 3D không chỉ trong công nghiệp, với độ chính xác ngày càng cao của các thiết

bị đo quang học, những ứng dụng máy quét 3D đã được mở rộng ra rất nhiều các lĩnh vực khác nữa như: y học, kiến trúc, khảo cổ học, điêu khắc, phim hoạt hình… Ngày nay, máy đo ba toạ độ(CMM) được sử dụng rộng rãi trong nền công nghiệp cơ khí để đo các kích thước, vị trí và hình dạng của một bộ phận cơ khí Trong nền công nghiệp ô tô thì CMM được sử dụng để đo và kiểm tra các bộ phận của ô tô Chính vì vậy mà CMM đóng một vai trò rất quan trọng trong nền công nghiệp ngày nay Nhưng máy CMM có độ chính xác khá cao nhưng khi đo thì tốc

độ đo rất chậm nên rất khó đo các chi tiết có bề mặt phức tạp Hiện nay, công nghệ quét laser 3D có thể khắc phục được những nhược điểm trên vì máy quét laser 3D thuộc dòng máy đo ba tọa độ không tiếp xúc, có khả năng ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như cơ khí, ô tô, đo lường … có thể đo với tốc độ nhanh và đạt

độ chính xác cao

Phương pháp đo không tiếp xúc có những ưu điểm: đo được những chi tiết có

bề mặt mềm, dễ biến dạng, chiều dày mỏng, tốc độ đo cao do không tiếp xúc trực tiếp với chi tiết Đặc biệt có thể ứng dụng để đo đạc ở những môi trường có nhiệt độ cao, những chi tiết động đang gia công cắt gọt mà vẫn đảm bảo kết quả đo chính xác Một ưu điểm vượt trội của máy quét 3D không tiếp xúc là nó có thể đo đạc ở những nơi mà con người không thể chạm tới được như bên trong các đường ống dẫn

Trang 10

dầu, mối hàn thân tàu thuỷ, trong công nghiệp luyện tôi thép … Có thể tự động hoá quá trình đo

Các máy quét 3D đều dựa vào nguyên tắc: Bề mặt chi tiết được chia thành một lưới điểm đo gồm các điểm có toạ độ (x, y, z), máy đo sẽ lấy các toạ độ các điểm này để xử lý Các điểm này được lấy toạ độ nhờ một đầu đo không tiếp xúc chuyển động liên tục, ta gọi chuyển động này là chuyển động quét bề mặt

Các phương pháp quét 3D được sử dụng:

 Dùng laser:

Nguyên tắc sử dụng đầu đo laser để đo khoảng cách có ưu điểm hơn so với phương pháp dùng sóng siêu âm do tia laser có độ định hướng cao và kích thước nhỏ nên khoảng cách giữa các điểm đo nhỏ

Trong thực tế, bề mặt chi tiết thường nhấp nhô, do đó tính phản xạ của bề mặt chi tiết bị giảm đi khi dùng ánh sáng thường Cường độ phản xạ lúc này thay đổi theo độ dốc của bề mặt chi tiết

Đối với những bề mặt có độ nhấp nhô càng cao thì cường độ tia phản xạ thu được càng yếu

Hiện nay, phương pháp đo laser 3D đang được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng rộng rãi

Trang 11

11

1.2 Cấu tạo và nguyên lý của máy quét 3D laser

1.2.1 Quét điểm và quét đường

Nguyên tắc hoạt động của các máy quét 3D laser trong tọa độ đề các hoặc tọa độ trụ là chia bề mặt chi tiết thành một lưới điểm đo gồm các điểm có tọa độ(x,y,z) Các điểm này được đo tọa độ nhờ một đầu đo laser không tiếp xúc và hệ dịch chuyển đo lường quang cơ

Để tạo ra lưới tọa độ điểm 3D của chi tiết có nhiều phương án, với mỗi dòng máy quét 3D của các hãng khác nhau lại có kết cấu khác nhau Ta có thể quét từng điểm hoặc tạo và thu vệt laser trên bề mặt chi tiết để lấy tập hợp tọa độ cùng một lúc

Quét theo từng điểm: Phương pháp này dựa vào nguyên tắc đo tọa độ của máy

đo ba tọa độ Cụm đầu đo ( nguồn Laser và cảm biến CCD) di chuyển trên bề mặt chi tiết nhờ cơ cấu tay máy 6 bậc tự do hoặc máy CMM thông thường

Ở phương pháp quét điểm có thể quét bề mặt chi tiết theo hai phương pháp là

đo theo nguyên lý phản xạ hoặc nguyên lý tán xạ

Nguyên lý phản xạ: khi chiếu tia laser tới bề mặt chi tiết đo ở vị trớ Z0 với góc

tới i bị phản xạ lại tại điểm a (hình 1.1) Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển một

lượng ∆Z, thì tia phản xạ lại tại điểm b và vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển một lượng tương ứng [1]:

∆h = ∆Zsin(2i) / cos(i)

Trong đó: i : góc tia laser chiếu lên bề mặt chi tiết đo

∆h: khoảng dịch chuyển vị trí điểm ảnh phản xạ

∆Z: khoảng dịch chuyển bề mặt chi tiết đo

Tỷ số truyền của chuyển đổi :

K= ∆h/∆Z =sin(2i) / cos(i)

Trang 12

Đo theo nguyên lý phản xạ đơn giản song chỉ thích hợp với các bề mặt nhẵn

và có góc nghiêng nhỏ Nhược điểm lớn nhất của phương pháp phản xạ là góc tới i không được quá nhỏ nên có nhiều sai số khi đo bề mặt không phẳng

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý đo theo phản xạ

Với các bề mặt có độ nhẵn thấp và bề mặt gồ ghề phức tạp người ta đo theo phương pháp tạo ảnh (hình 1.2) Trong phương pháp đo này, tia sáng laser chiếu lên

bề mặt vật đo bị tán xạ Vệt sáng của tia laser trên bề mặt vật đo có vai trò như một vật phát sáng dạng ánh sáng tán xạ

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp tạo ảnh

Quét thành vệt laser: phương pháp này thu một tập hợp nhiều điểm trên mặt phẳng cùng một lúc khi ta chiếu laser lên bề mặt chi tiết Với phương án này ta có thể cho nguồn laser trực tiếp tạo thành một vệt sáng trên bề mặt chi tiết

Thấu kính

dz

Đối tượng Cảm biến CCD

Dz Laser

Trang 13

13

Đối với các thiết bị quét kiểu này, các hãng sản xuất thường sử dụng nguồn laser gắn với hệ quang để tách chùm laser có đường kính tương đối bé thành một dải sáng như mô tả dưới:

Hình 1.3: Nguyên lý quét vệt trên bề mặt chi tiết đo sử dụng hệ quang

Phương án đo này đo nhanh, kết cấu cụm đầu đo ổn định, tốc độ quét rất nhanh Với phương án này, nguồn laser trực tiếp chiếu và tạo thành vệt sáng trên bề mặt chi tiết, cho phép thu được tập hợp các tọa độ (x,y,z) cùng lúc Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi kết cấu máy phức tạp và phần mềm xử lý dữ liệu lớn hơn so với máy đo quét theo điểm Trong quá trình thực hiện phép quét này sẽ nảy sinh nhiều sai số

Các máy quét 3Dlaser đều dựa trên nguyên tắc : Bề mặt chi tiết đo được chia thành một lưới điểm đo gồm các điểm có tọa độ (x,y,z).Máy đo sẽ thu thập các tọa

độ này để xử lí Số tọa độ càng nhiều thì việc tính toán kết quả đo càng khó khăn.Vì thế để nâng cao độ chính xác khi đo ,người ta cần đo nhiều điểm với sự giúp đỡ của máy tính điện tử ,đồng thời sử dụng tốc độ chụp ảnh của camera giúp khả năng xử lí nhanh hơn và đưa ra được nhiều thông số hơn Phần tính toán được tọa độ nhờ phần mềm ,do đó độ chính xác phụ thuộc vào số điểm đo và phân bố điểm đo trên bề mặt chi tiết

1.2.2 Quét mặt phẳng và quét vật quay

 Quét mặt phẳng: (Sơ đồ như hình 1.4)

Khi vật thể có bề mặt là mặt phẳng hệ dịch chuyển sẽ cho ta tọa độ của chi tiết theo hai phương X và Y thông qua cảm biến dịch chuyển (thước dài) Khi đó, đầu

Trang 14

đo laser sẽ quét trên bề mặt vật và cho ta tọa độ của chi tiết theo phương Z , từ đó xây dựng lại tọa độ (X,Y,Z) của mặt phẳng Với bộ tọa độ (X,Y,Z) của vật, ta mô

phỏng lại hình dạng bề mặt của vật bằng phần mềm

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý quét mặt phẳng

 Quét vật quay: (Sơ đồ như hình 1.5)

Khi đo quét vật quay, chi tiết cần đo chuyển động quay nhờ động cơ IV, đầu

đo chuyển động tịnh tiến theo phương trục Z của vật (động cơ trục Z) Với mỗi một bước tiến của đầu đo thì tia laser quét lên bề mặt vật thể một vết theo profin cắt ngang vật Tại mỗi lát cắt này đầu đo thu lại một ảnh gửi lên máy tính xử lý thu được giá trị các tọa độ theo X, Y và với tọa độ Z là tọa độ điều khiển, từ đó ta thu được tọa độ của bề mặt vật theo một profin cắt ngang vật Với cách làm tương tự với nhiều lát cắt dọc theo chiều cao của vật thể Từ đó ta có thể xây dựng được bề

mặt vật đã được số hóa

Z

Y

X

Trang 15

15

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý quét vật quay

Trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp đo quét vật phẳng trong hệ tọa độ đề các Oxyz, các tọa độ theo x, y thu được dựa vào kết quả đo dịch chuyển của hệ chuyển động, tọa độ z thu được dựa vào kế quả đo trên đầu đo laser

1.3 Một số máy đo laser 3D

Cấu tạo của máy đo gồm những bộ phận chính :

 Bộ phận đầu đo laser: Có vai trò thu thập dữ liệu đo

 Bộ phận mang chi tiết: Có nhiệm vụ tạo ra các dịch chuyển theo hệ tọa

độ (Oxyz) cho chi tết đo

 Bộ phận điều khiển và thu thập dữ liệu: Có vai trò điều khiển hệ dẫn động cơ khí mang chi tiết đến vị trí cần đo, thực hiện phép đo và xử lý đưa ra kết quả đo

Trang 16

Một số loại máy đo Laser 3D của các hãng nổi tiếng trên thế giới:

Hình 1.6: Máy quét của hãng Faro

Hình 1.6 là máy quét laser 3D của hãng Faro Nguyên lý hoạt động vủa máy

đo quét là tia laser đƣợc chiếu tới bề mặt chi tiết sau đó tín hiệu đƣợc thu lại và

xử lý hiển thị trên máy tinh Máy quét này có dải đo đến 2.7m và độ chính xác tới 0.035mm và có thể quét tới 45120 điểm/giây

Hình1.7: Thiết bị quét 3D cầm tay của hãng Creaform

Trang 17

Trang 18

Máy quét laser 3D Vituoso của Konica là thiết bị có kích thước 248x108x145mm đã bao gồm bộ phận xử lý Thiết bị này có khoảng cách đo khoảng 760 mm và đo được tiết diện 225x300x200 mm, có thể quét 1.2 triệu điểm trong 5 giây hoặc thực hiện đủ 3600 quét trong 5 phút Độ chính xác của thiết bị này là 0.15mm

Hình1.9: Máy quét laser 100HSX Surphaser

Đối với máy quét laser 3D 100HSX surphaser có các cấu hình với các thông

1.4 Cơ sở thiết kế máy

Qua khảo sát ở các mục trên ta thấy máy đo gồm những bộ phận chính sau:

- Đầu quét laser 1D hoặc 2D: cần phải quét được biên dạng của các chi tiết với độ ổn định và chính xác cao

- Hệ dịch chuyển: dịch chuyển hệ thống quang cơ theo các phương X, Y, Z

Trang 19

19

- Phần điều khiển: điều khiển hệ dịch chuyển, thu thập và xử lý tín hiệu đo

để đưa ra được biên dạng bề mặt chi tiết

Dữ liệu đo thu được ở đây là dữ liệu điểm trong hệ tọa độ đề các XYZ nhưng

ta có thể chuyển thành dạng STL mô tả được bề mặt chi tiết đo

Như vậy, nội dung của luận văn bao gồm các vấn đề trong thiết kế chế tạo hệ dịch chuyển đo quang cơ, bộ phần đầu đo và phần mềm thu thập và xử lý tín hiệu

đo Các nội dung này sẽ được thể hiện ở các chương tiếp theo

Trang 20

CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ ĐẦU ĐO LASER VÀ HỆ DỊCH

CHUYỂN QUANG CƠ 2.1 Nguyên lý phương pháp đo dạng điểm và dạng đường

2.1.1 Nguyên lý đo dạng điểm

Qua phân tích hai phương pháp đo theo nguyên lý phản xạ và nguyên lý tán xạ(tạo ảnh), ta thấy đo theo nguyên lý tán xạ có thể đo được những bề mặt phức tạp hơn nên luận văn này đi nghiên cứu phương pháp đo theo nguyên lý tán xạ Nguyên

lý chung của các cảm biến đo bằng tia laser theo phương pháp tam giác lượng: tia sáng laser chiếu lên bề mặt vật đo bị tán xạ Vệt sáng của tia laser trên bề mặt vật đo

có vai trò như một vật phát sáng dạng ánh sáng tán xạ Sử dụng một hệ quang tạo ảnh lên bề mặt của cảm biến quang điện CB Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển một lượng ∆Z, thì vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển một lượng tương ứng:

∆h = ∆Zsin(i+)/cos(i)

với:-  là hệ số khuếch đại của hệ quang

-  là góc nghiêng của trục hệ quang với pháp tuyến của măt phẳng tới

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp tán xạ(tạo ảnh)

Tỷ số truyền:

K = ∆Zsin(i+)/cos(i)

Trang 21

Hiện nay hều hết các cảm biến đều dùng phương pháp tạo ảnh

2.1.2 Nguyên lý đầu đo laser dạng đường

Đầu đo chuyển động tịnh tiến dọc theo phương trục Z của vật Với mỗi một bước tiến của đầu đo thì tia Lazer quét trên bề mặt vật một vết theo profil cắt ngang vật Tại mỗi lát cắt này đầu đo thu lại một ảnh gửi lên máy tính xử lí thu được giá trị các tọa độ theo X, Y và với tọa độ Z là tọa độ điều khiển từ đó ta thu được tọa độ của bề mặt vật theo một Profil cắt ngang vật Với cách làm tượng tự với nhiều lát cắt dọc theo chiều cao của vật Từ đó ta có thể xây dựng được bề mặt vật đã được số hóa Với bộ tọa độ (X,Y,Z) của vật ta mô phỏng lại hình dạng bề mặt của vật bằng phần mềm

Hình 2.2: Nguyên lý quét 3D laser theo đường

Trang 22

Nguyên lý chụp ảnh :

- Sử dụng nguồn laser mảnh, góc phát hẹp bề mặt cần scan, tại những vị trí trên bề mặt được chiếu laser sẽ hiện đường biên dạng với màu sắc của nguồn laser

Sử dụng Camera để thu ảnh biên dạng trên

- Phần mềm xử lý ảnh biên dạng thu được để tính toán các kích thước, các sai lệch hình học và mô phỏng biên dạng của chi tiết

- Hiệu chuẩn bộ thu dựa vào biên dạng biết trước được đặt tại một khoảng cách xác định với bộ thu

- Khi thu ảnh bằng camera có độ phóng đại ảnh cố định, cùng một vật như nhau nhưng ở khoảng cách khác nhau sẽ cho kích thước vật trong khung hình khác nhau Khoảng cách càng lớn thì ảnh profile trong khung hình càng nhỏ và ngược lại

- Các ứng dụng scan profile hoặc scan 3D cần biết kích thước của vật thể cần quét thì phải thực hiện hiệu chuẩn cho bộ thu

- Độ mảnh của chùm laser và tính chất tán xạ ánh sáng của bề mặt chi tiết có ảnh hưởng đến hình ảnh biên dạng được tạo trên bề mặt

Qua phân tích, so sánh hai phương pháp là quét điểm và quét đường ta thấy phương pháp quét laser theo điểm cho độ chính xác cao hơn và có thể quét được ở những bề mặt phức tạp hơn so với phương pháp quét laser theo đường Vì vậy, trong luận văn này nghiên cứu phương pháp quét laser theo điểm

2.1.3 Xây dựng hàm truyền đạt

Trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp quét laser 3D theo điểm, nên ở đây ta cũng chỉ đi xây dựng hàm truyền đạt với phương pháp này

Sơ đồ đo của đầu đo laser theo điểm như hình 2.3

Ta sẽ có hàm truyền của ảnh khi đo với các số liệu biết trước là:

Điểm M‟(0,0) là điểm gốc ban đầu do ảnh của vết ảnh là điểm M, tâm ảnh

OMi của vết ảnh Mi‟ có tọa độ là (0,y) ứng với dịch chuyển điểm đo so với góc chiếu đo Mo là X

Trang 23

L tg H

Đây chính là phương trình hàm truyền đạt của phương pháp đo Từ phương

trình hàm truyền ta cũng đưa ra được hàm xác định giá trị thực từ các giá trị đo

Trang 24

0 '

2.1.4 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến hàm truyền đạt

Từ phương trình hàm truyền ta thấy kết quả đo sẽ phụ thuộc vào các thông số như L, H, f Khảo sát L, H, f để đạt được thiết kế hợp lý Để khảo sát các đường đặc tuyến biểu thị mối quan hệ của L, H, f với ΔZ ta sẽ thay đổi các giá trị của L, H, f

và cho giá trị Z biến đổi rồi tính ra sự biến đổi của Y

- Với L: cho L thay đổi từ 40 mm đến 50 mm với giá trị 1 lần thay đổi là 0.5

mm Sau khi khảo sát thu được đồ thì đường đặc tuyến biểu thị mối quan hệ giữa L

và ΔZ(Hình 2.4)

Trang 25

25

Hình 2.4: Biểu đồ quan hệ giữa L và ΔZ

Qua đồ thị ta thấy đƣợc: Với L càng lớn thì độ nhạy của đầu đo càng lớn thì

độ nhạy của đầu đo càng cao, kết quả đo càng chính xác Tuy nhiên khi L càng lớn thì kết cấu của đầu đo càng cồng kềnh, phức tạp

Trang 26

- Với H: cho H thay đổi từ 25 đến 45 mm Khảo sát sự thay đổi của H ta thu được biểu đồ mối quan hệ giữa H và ΔZ(hình 2.5)

Hình 2.5: Biểu đồ quan hệ giữa H và ΔZ

Cũng tương tự như giá trị L, với H càng lớn thì độ ngạy của đầu đo càng lớn

và kết quả đo càng chính xác Nhưng H lớn cũng sẽ dẫn đến kết cấu của đầu đo lớn

và cồng kềnh hơn

- Với f: ta cho giá trị của f thay đổi từ 600 đến 800 pixel Sau khi khảo sát ta thu được đồ thị mối quan hệ giữa f và ΔZ(hình 2.6)

Trang 27

27

Hình 2.6: Biểu đồ mối quan hệ giữa f và ΔZ

Tương tự ta cũng thu được biểu đồ thể hiện mối quan hệ của f và ΔZ thông qua các đường đặc tuyến khi cho Z thay đổi và tìm sự thay đổi của Y với mỗi giá trị

f khác nhau, f lớn thì độ nhạy của đầu đo cũng tốt hơn Nhưng số liệu f phụ thuộc vào thông số của camera sử dụng, với f càng lớn thì yêu cầu về độ phân giải của camera càng lớn và giá thành càng cao Do đó, tùy thuộc vào các điều kiện thực tế

ta chọn camera sẽ có được giá trị f theo camera

Trang 28

Như vậy, từ các số liệu thu được này ta có kết luận rằng đầu đo phụ thuộc vào

các thông số L, H, f Khi ∆Z càng lớn, đường đặc tuyến càng nghiêng thì độ nhạy của đầu đo do các thông số ban đầu càng thể hiện rõ nét

2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng tới kết quả đo

Trong thực tế đo có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đường đặc tuyến này: cường

độ tia laser, đường kính tia laser, độ nhám bề mặt vật đo, mầu sắc bề mặt vật đo, góc nghiêng bề mặt tại điểm đo, rung động, nhiễu, sai số lắp đặt sơ đồ …

Trong luận văn này sẽ khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng chính đến độ chính xác của cảm biến là các yếu tố: cường độ tia laser, đường kính tia laser, độ nhám bề mặt vật đo, mầu sắc bề mặt vật đo, góc nghiêng bề mặt tại điểm đo

Để khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng, luận văn này đã xây dựng mô hình thực nghiệm với cấu tạo cụm đầu đo được chế tạo gồm nguồn sáng laser GaAs có λ = 0.05, công suất P = 1 mW, camera là SSK PC Camera độ phân giải 400/600(hình

2.7) Với các thông số: L = 43.5mm, H = 32 mm

Hình 2.7: Cấu tạo cụm đầu đo

Thiết bị thực nghiệm: Cụm dịch chuyển vít me – đai ốc để dịch chuyển cụm đầu đo, cụm đầu đo gồm nguồn sáng laser GaAs có λ = 0,65µm, công suất P = 1

mW, camera là SSK PC Camera độ phân giải 600x400, nguồn DC 5V cung cấp điện cho laser, thước đo dài Mitutoyo bước 0.01mm, đồng hồ đo công suất laser LM1, các mẫu đo nhám của hãng Hobeln – Đức, máy độ độ sáng, máy đo nhiệt độ

và độ ẩm

Trang 29

29

Điều kiện thực nghiệm:

- Nhiệt độ 180C, độ ẩm 62% đo trên đồng hồ Extech, cường độ sáng 10lux đo trên máy luxmet AEMC810.07J702125Dv

- Tín hiệu đo từ camera được thu và xử lý trên máy tính bằng phần mềm viết trên ngôn ngữ matlab Số liệu đo được xử lý bằng phần mềm viết trên matlab

Mô hình thực nghiệm được như hình 2.8

Hình 2.8: Mô hình thực nghiệm

Qua quá trình tiến hành thực nghiệm ta thu được các kết quả của một số yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của phép đo quét như sau:

Trang 30

2.2.1 Ảnh hưởng của cường độ tia laser

Hình 2.9: Đồ thị ảnh hưởng của cường độ tia laser đến đường đặc tuyến

Thực nghiệm được thực hiện với các cường độ tia laser từ 0.02 mW đến 0.16mw, bước 0.02mW Qua biểu đồ ta thấy với cường độ tia laser thay đổi từ 0.02mW đến 0.16mW thì đường đặc tính của cảm biến không thay đổi về độ nhạy song bị dịch chuyển đi khoảng 10 pixel

2.2.2 Ảnh hưởng của đường kính tia laser

Hình 2.10: Đồ thị ảnh hưởng của đường kính tia laser tới đường đặc tuyến

Trang 31

31

Thực nghiệm được làm với các đường kính khác nhau của tia laser là từ D=1.7mm đến 2.5 mm ta thu được kết quả như trên đồ thị Qua đồ thị ta thấy kết quả đo là thay đổi không nhiều khi thay đổi đường kính tia laser từ D=1.7mm đến D=2.5mm

2.2.3 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt vật đo

Hình 2.11: Đồ thị ảnh hưởng của độ nhám bề mặt vật đo đến đường đặc tuyến

Thực nghiệm được thực hiện với các mẫu nhám chuẩn của hãng Hobeln – Đức

có Rz là: 6,6 ; 7 ; 20 ; 41 ; 33 ; 168 µm

Qua đồ thị ta thấy được với những bề mặt có độ nhám khác nhau có ảnh hưởng nhiều đến độ ổn định của kết quả đo

Trang 32

2.2.4 Ảnh hưởng của mầu sắc bề mặt vật đo

Hình 2.12: Đồ thị ảnh hưởng của mầu sắc bề mặt vật đo đến đường đặc tuyến

Thực nghiệm với ba mầu sắc cơ bản RBG là: Đỏ, xanh nước biển và xanh lá cây ta thu được biểu đồ (hình 2.12) Qua đồ thị ta thấy kết quả là không có sự sai khác nhiều giữa các bề mặt cá màu sắc đỏ và xanh nước biển, với màu xanh lá cây mức độ sai kháccũng không nhiều

2.2.5 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt tại điểm đo

Hình 2.13: Đồ thị ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt tại điểm đo

Trang 33

33

Đồ thị cho thấy với các góc nghiêng bề mặt tại điểm đo từ 600 đến 900 thì kết quả đo là không có sự sai khác nhiều, kết quả thu được là đường tuyến tính, còn với góc nghiêng từ 950

đến 1150 thì kết quả thu được có sự sai khác nhiều, đường đặc tuyến không còn tuyến tính

Qua các kết quả thực nghiệm bước đầu cho thấy:

- Những yếu tố về đường kính tia laser, cường độ tia laser và màu sắc bề mặt vật đo ảnh hưởng ít đến độ chính xác của phép đo

- Những yếu tố ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác đo đó là độ nhám bề mặt vật đo và góc nghiêng bề mặt tại điểm đo Trong các trường hợp này thì có thể phông tán xạ tại điểm đo của tia laser đã bị biến dạng nhiều và bất đối xứng do độ nghiêng lớn và nhám bề mặt của bề mặt chi tiết đo tại điểm đo Để giảm các ảnh hưởng này có thể nghiên cứu tăng thêm số lượng camera cho đầu đo lên 2 hoặc 4

2.3 Hệ dẫn động

Từ sơ đồ nguyên lý máy, ta có thể xác định được kết cấu của từng cụm chuyển động gồm: động cơ, bộ vít me đai ốc bi được nối với nhau qua chi tiết nối trục đàn hồi (hoặc bộ truyền đai răng), dẫn hướng và định vị bởi bộ dẫn hướng Từ đây ta xác định thông số các bộ phận

Đối với đo quét vật phẳng, các tọa độ theo hai phương X và Y được xác định dựa vào sự dịch chuyển của hệ dịch chuyển quang cơ Các dịch chuyển này được được truyền từ động cơ qua các bộ phận truyền động Đối với động cơ ta có thể chọn động cơ secvo hoặc động cơ bước Các động cơ bước là các động cơ „bước‟ một góc mỗi khi mạch điều khiển cấp một xung Chúng không đòi hỏi sự hồi tiếp vị trí nếu chạy bên trong những giới hạn của chúng Khi dừng lại, chúng vẫn giữ nguyên vị trí Các động cơ servo thuộc loại động cơ DC chuẩn hoặc không chổi than có vòng hồi tiếp sử dụng cảm biến góc (encoder) Mạch điều khiển đọc vị trí của động cơ và điều khiển nguồn cấp cho động cơ Các động cơ bước cũng có độ chính xác như các động cơ servo và đơn giản hơn, tin cậy hơn và bảo dưỡng thoải mái trong các ứng dụng ở môi trường bụi bặm Các cảm biến góc quay của động cơ servo dễ bị ảnh hưởng do dơ bẩn và sự dao động gây ra nhiều vấn đề rắc rối.Động

Trang 34

cơ servo di chuyển điểm-điểm nhanh hơn và tốt hơn khi gia tốc cho các máy móc nặng tải, nhưng cần được bảo dưỡng nhiều hơn Hệ thống động cơ bước có thể nhanh hoặc nhanh hơn nhiều hệ thống servo nhờ vào thuật toán điều khiển bằng phần mềm

Ta có bảng so sánh giữa động cơ bước và động cơ Servo:

Các đặc tính

chuyển động

Động cơ Servo Động cơ bước

Mô men cao,

và tốc độ cao Một động cơ servo DC có thể tạo ra công suất trục liên tục lớn hơn ở các tốc độ cao khi được so sánh với các động cơ bước

Nếu tốc độ thấp hơn 2000 rpm thì sử dụng động cơ bước có thể kinh tế hơn Các động cơ bước trở nên cồng kềnh ở tốc độ cao

Di chuyển

ngắn, nhanh,

có tính lặp lại

Sử dụng servo nếu bạn cần các yêu cầu động cao

Động cơ bước sẽ mang đến giải pháp kinh tế hơn khi các yêu cầu bình thường hơn

Các ứng dụng

định vị

Servo có thể điều khiển hiệu quả khi tải hầu như có quán tính thay vì ma sát Khả năng kéo quá sức động cơ servo trong chu kỳ công tác không liên tục cho phép một động cơ nhỏ hơn có thể được sử dụng

Sử dụng động cơ bước nếu mô men thấp hơn 500 oz-in, nhỏ hơn 2000 rpm, tỉ số gia tốc từ thấp đến trung bình

Trang 35

+ Điều khiển các động cơ bước với độ chính xác cao làm quay các trục vít me

bi đưa đầu đo laser di chuyển quét trên bề mặt vật cần đo và dịch chuyển thông số

đo theo hai phương X và Y

+ Thu và xử lý ảnh để tính toán biên dạng vật đo

Để thực hiện đo quét biên dạng chi tiết 3D ta xác định được tọa độ của chi tiết theo 3 phương X, Y, Z Theo nguyên lý đo ta có thể thu tọa độ X và Y dựa vào các dịch chuyển của các động cơ trục X và trục Y, còn tọa độ theo trục Z ta thu được dựa vào đầu đo quét laser Tọa độ theo 2 phương X và Y ta có thể xác định theo 3 phương án sau:

- Phương án 1: ta thu tọa độ theo 2 phương X và Y thông qua dịch chuyển của đầu quét laser theo 2 trục X và Y dựa vào các động cơ qua hệ thống nối trục và bộ truyền vít me bi giữa động cơ với đầu quét laser như sơ đồ hình 2.14 và các tọa độ này được xác định thông qua cảm biến đo(thước đo dài) Với phương án này đầu đo laser sẽ dịch chuyển theo cả 3 phương X, Y, Z nên trong quá trình đo đầu đo có thể

bị rung động làm ảnh hưởng đến kết quả đo

Trang 36

PC RS232

DRIVER 2H504

PIC 16F877A

PC

Động cơ bước trục X

Thước quang trục Y

Thước quang trục X

Encoder trục Q

Thước quang trục Z

Đầu quét lazer

Bộ đọc

DRIVER 2H504

Động cơ bước trục Y

Động cơ bước trục Z Động cơ bước trục Q

RS232

Bàn gá chi tiết

Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống điều khiển số 1

- Phương án 2: ta thu tọa độ theo phương X thông qua dịch chuyển của bàn gá chi tiết dựa vào việc động cơ trục X, ta điều khiển trục X quay, khi đó vị trí của bàn

gá chi tiết sẽ thay đổi theo phương X và tọa độ theo phương Y thông qua dịch chuyển của đầu quét laser theo Y dựa vào điều khiển động cơ trục Y khi ta cho động cơ trục Y quay và các tọa độ này được xác định thông qua cảm biến đo(thước

đo dài) Sơ đồ điều khiển đo như hình 2.15 Với phương án này đầu đo laser sẽ dịch chuyển theo 2 phương Y, Z nên đầu đo laser sẽ cho kết quả ổn định hơn so với phương án 1

Trang 37

37

DRIVER 2H504

PIC 16F877A

PC

Encoder trục Q

Đầu quét lazer

Bàn gá chi tiết

Bộ đọc

DRIVER 2H504

Động cơ bước trục Z

Động cơ bước trục Q

RS232

- Phương án 3: ta thu tọa độ theo phương X và Y thông qua dịch chuyển của bàn gá chi tiết dựa vào việc động cơ trục X và Y, ta điều khiển trục X và Y quay, khi đó vị trí của bàn gá chi tiết sẽ thay đổi theo phương X và Y, tọa độ theo phương

X và Y được xác định thông qua cảm biến đo(thước đo dài) Sơ đồ điều khiển đo như hình 2.16 Với phương án này đầu đo laser sẽ chỉ dịch chuyển theo phương, Z nên đầu đo laser sẽ cho kết quả ổn định hơn so với phương án 1 và 2

Trang 38

PC RS232

DRIVER 2H504

PIC 16F877A

PC

Encoder trục Q

Đầu quét lazer

Bàn gá chi tiết

Bộ đọc

DRIVER 2H504

Động cơ bước trục Z

Động cơ bước trục Q

RS232

Qua phân tích các phương án đo để xác định tọa độ theo 3 phương X, Y, Z của chi tiết ta thấy được với phương án thứ 3 đầu đo laser sẽ cho kết cả đo là ổn định hơn cả vì đầu đo ít bị ảnh hưởng hơn so với các phương án 1 và 2

Qua đây ta cũng thấy được để thu được tọa độ của chi tiết cần đo theo 3 phương X, Y , Z ta cần điều khiển các động cơ trục X, trục Y, trục Z thông qua các chương trình điều khiển Chương trình máy tính đưa ra lệnh điều khiển qua cổng giao tiếp I/O đến vi điều khiển Vi điều khiển đưa ra tín hiệu xuống driver điều khiển động cơ chuyển động Drive có tác dụng để đảm bảo đủ công suất, sau đó điều khiển động cơ chuyển động theo hai phương X và Y theo từng phương án lựa chọn, cũng như đưa đầu đo laser di chuyển quét biên dạng chi tiết cần đo theo phương Z Camera quay lại đường di chuyển của đầu đo laser, tuyền tín hiệu về máy tính để xử lý và đưa ra kết quả

Trang 39

39

Kết luận: Như vậy, trong chương II đã trình bày về những cơ sở thiết kế đầu

đo laser, các nguyên lý quét laser 3D, các yêu cầu về hệ dẫn động, các phương pháp dịch chuyển hệ quang cơ và các sơ đồ hệ thống điều khiển Từ các cơ sở này ta có thể đi xây dựng được máy quét laser 3D đạt được sự ổn định và độ chính xác cao nhất Chương tiếp theo trong luận văn sẽ trình bày về nội dung xây dựng mô hình thực nghiệm

Trang 40

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

3.1 Đầu đo

Bộ phận đầu đo của máy quét 3D laser đơn giản gồm có hai thành phần chính:

 Bộ phận nguồn phát tia laser với nguồn laser bán dẫn bước sóng là 0.62 – 0.65µm

 Bộ phận đầu thu và xử lý tín hiệu đo.: thường dùng cảm biến CCD (Charge Coupled Device )

Tín hiệu đầu vào là vị trí của tia phản xạ hay vị trí của điểm hội tụ trên cảm biến Để đo được quãng đường dịch chuyển của tia phản xạ thì phải chuyển tín hiệu quang thành một tín hiệu dễ đo đếm, dễ lưu trữ và phải chính xác Nếu dùng theo phương pháp cổ điển là cho chùm phản xạ qua một thước có khắc các vạch đo rồi qua một hệ khuếch đại quang học thì có thể đọc trực tiếp bằng mắt giá trị độ cao z Phương pháp này khá chính xác nhưng không thể đo tự động cũng như lưu trữ được một bộ số liệu lớn được

Áp dụng tính chất quang học của một số vật liệu ví dụ như: khi có quang thông chiếu vào thì điện trở của nó sẽ giảm đi (quang trở), hoặc khi có ánh sáng chiếu vào thì sẽ xuất hiện một dòng điện (photodiode array, phototransistor array,…) thì có thể đo được độ cao z của bề mặt chi tiết sau khi cho qua một số mạch khuếch đại và đếm Phương pháp này có ưu điểm thiết bị nhỏ gọn, chính xác, có thể đo tự động và lưu trữ dưới dạng số hoá để từ đây máy tính có thể lấy ra xử lý tuỳ từng mục đích khác nhau

Tuy nhiên, các cảm biến photodiode array nói trên chỉ phát hiện thay đổi toạ

độ chi tiết theo một chiều( hoặc x, hoặc y, hoặc z) Ngày nay người ta thường sử dụng loại CCD Camera có thể phát hiện thay đổi theo hai chiều Có thể kết nối trực tiếp Camera với PC để thu dữ liệu trực tiếp về máy tính mà không cần thong qua mạch điện điều khiển Điều này cho kết quả đo nhanh hơn rất nhiều Chụp ảnh có

độ phân giải cao thay vì đo kích thước trực tiếp tạo lợi ích đặc biệt Các khoảng cách kích thước từ những điểm khác nhau trên các bề mặt vẫn có thể được đo từ các

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	3,39 MB