1. Lý do lựa chọn đề tài luận án Trong sản xuất công nghiệp cơ khí, với sự phát triển của công nghệ gia công bằng thiết bị điều khiển số CNC có khả năng chế tạo các chi tiết cơ khí với hình dạng phức tạp. Do vậy, nhu cầu kiểm tra các kích thước biên dạng 3D của chi tiết cơ khí trong quá trình sản xuất và nghiên cứu khoa học đặt ra ngày càng nhiều. Phương pháp đo lường kiểm tra biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí trên thế giới hiện nay vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp và thiết bị đo lường tiếp xúc như: máy đo tọa độ CMM, máy đo độ tròn, máy đo độ nhám bằng đầu dò… Phương pháp đo tiếp xúc có độ chính xác cao nhất nhưng đòi hỏi thao tác đo phức tạp và tốc độ đo rất thấp, chỉ đạt được vài phép đo một giây, không đáp ứng được việc đo lường kiểm tra rất nhiều điểm trên toàn bộ biên dạng bề mặt chi tiết. Để giải quyết khó khăn này hướng nghiên cứu ứng dụng hiện nay là các phương pháp không tiếp xúc mà chủ yếu là phương pháp quang học. Với ưu điểm lớn của ánh sáng là truyền với tốc độ rất cao tạo nên các phép đo kích thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo hiện nay đã đạt đến hàng triệu phép đo trong một giây. Các phương pháp đo lường biên dạng 3D quang học được nghiên cứu, phát triển và thường được sử dụng là: đo thời gian truyền sóng ánh sáng, phương pháp chụp ảnh stereo, quét tia laser hoặc ánh sáng cấu trúc. Trong đó, phương pháp quét tia laser có độ chính các cao nhất song tốc độ đo không cao và điểu khiển quá trình đo phức tạp hơn. Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc có tốc độ đo cao nhất nhưng độ chính xác thấp hơn phương pháp quét tia laser. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là phương pháp chiếu chùm ánh sáng cấu trúc thường được gọi là ảnh mẫu ánh sáng (pattern images) được mã hóa theo hàm cường độ hoặc màu sắc theo không gian và thời gian lên bề mặt 3D chi tiết cần đo. Ảnh mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D chi tiết đo được thu lại bằng máy ảnh. Do sự thay đổi về độ cao các điểm trên bề mặt 3D chi tiết đo làm biến dạng các vân trong ảnh mẫu ánh sáng. Sự biến dạng của ảnh mẫu ánh sáng trên chi tiết đo so với ảnh mẫu ánh sáng cho phép xác định được tọa độ các điểm trên bề mặt chi tiết đo thông qua phương pháp tam giác lượng quang học (optical triangulation). Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật quang điện tử và công nghệ máy tính, phương pháp đo biên dạng 3D quang học ngày càng trở nên dễ dàng hơn, tốc độ đo và độ chính xác ngày càng cao, có thể đo nhiều chi tiết đồng thời [9], [18]. Nhược điểm tồn tại hiện nay của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là có độ chính xác còn hạn chế so với phương pháp quét tia laser. Do chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường và đặc điểm cấu tạo hoạt động của các hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc. Điều này đang cản trở ứng dụng của phương pháp đo này vào đo lường các chi tiết cơ khí. Do vậy, cùng với việc nâng cao tốc độ và tính linh hoạt nhiều hướng nghiên cứu gần đây trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu các phương pháp để đảm bảo và nâng cao độ chính xác của phương pháp đo này khi đo lường kiểm tra các chi tiết cơ khí [20], [61], [62]. Trong các phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc mã hóa theo thời gian như: phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường và các phương pháp kết hợp thì phương pháp dịch pha có ưu điểm lớn nhất về độ phân giải cao là cơ sở cho phép đo tạo nên độ chính xác cao. Vì vậy, phương pháp đo dịch pha tỏ ra phù hợp nhất để đo biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí vừa có độ phức tạp cao về hình dạng vừa đòi hỏi độ chính xác đo cao. Trong phương pháp dịch pha vì sử dụng ảnh mẫu ánh sáng chiếu được điều chế cường độ điểm ảnh dạng sin cho phép nội suy giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy chiếu trong mỗi chu kỳ sin, cho kết quả đo biên dạng bề mặt với độ phân giải cao. Tuy nhiên phương pháp này do sử dụng kỹ thuật nội suy và lượng tử hóa mức xám nên bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu và quá trình gỡ pha của phương pháp này khá phức tạp dễ gây lỗi gỡ pha làm phát sinh các sai số đo rất lớn. Vì vậy cần thiết phải kết hợp các phương pháp khác để khử nhiễu đồng thời giúp đơn giản hóa quá trình gỡ pha. Trong các phương pháp đó thì phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) để gỡ pha là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng và thích hợp với đặc điểm chung của chi tiết cơ khí biên dạng phức tạp, không liên tục hay độ dốc lớn bởi vừa có độ phân giải cao vừa có khả năng chống nhiễu cao. Tuy nhiên, cũng như các phương pháp đo quang học khác phương pháp PSGC gặp phải nhiều khó khăn khi đo các chi tiết có bề mặt nhẵn bóng cao hoặc biến đổi lớn về độ phản xạ trên bề mặt [46], [93] kết quả đo không chỉ có sai số đo lớn mà nhiều khi không thực hiện được phép đo. Đây là vấn đề đang được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu để nâng cao độ chính xác hệ thống đo khi sử dụng phương pháp PSGC đo bề mặt 3D các chi tiết cơ khí. Hiện nay, ở Việt Nam các loại thiết bị đo 3D biên dạng bề mặt sử dụng để đo lường trong công nghiệp hầu hết là các thiết bị nhập khẩu và số lượng rất hạn chế do chi phí đầu tư cao. Ngoài ra, trong quá trình sử dụng thiết bị các cơ sở vẫn chưa làm chủ được thiết bị hoàn toàn về các đặc tính kỹ thuật của thiết bị. Do vậy, quá trình bảo trì bảo dưỡng và nâng cấp thiết bị yêu cầu chuyên gia nên không chủ động được về công nghệ cũng như chi phí. Việc nghiên cứu phương pháp, xây dựng hệ thống đo 3D biên dạng bề mặt chi tiết cơ khí trong điều kiện thực tế Việt Nam sẽ cho hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật. 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ KIM CÚC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ÁNH SÁNG CẤU TRÚC ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐO CHI TIẾT CƠ KHÍ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà nội - 2018 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG xi DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU 1 Lý lựa chọn đề tài luận án Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Phương pháp nghiên cứu Kết cấu luận án Các kết Chương TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc 1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray 11 1.2.1 Phương pháp dịch pha 11 1.2.2 Phương pháp mã Gray 13 1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray 14 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo chi tiết khí 20 1.3.1 Độ xác hiệu chuẩn hệ thống 23 1.3.2 Ảnh hưởng phản xạ bề mặt đến độ xác đo chi tiết khí 31 1.3.2.1 Mơ hình phản xạ bề mặt 31 1.3.2.2 Các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt 37 1.3.3 Đánh giá độ xác hệ thống PSGC 41 1.4 Kết luận chương 48 1.5 Hướng nghiên cứu luận án 48 Chương NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HIỆU CHUẨN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO PSGC 49 2.1 Cơ sở phương pháp đo sử dụng dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC) 49 2.2 Nâng cao độ xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ 53 2.2.1 Lựa chọn kích thước vng bàn cờ tối ưu 58 2.2.2 Ảnh hưởng góc bảng hiệu chuẩn 59 2.2.3 Chuyển đổi từ pha sang tọa độ thực 59 2.2.4 Xác định giới hạn vùng đo (w h d) 62 2.3 Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm 66 2.4 Khảo sát nâng cao độ xác hiệu chuẩn vng bàn cờ 72 2.4.1 Ảnh hưởng kích thước ô vuông bàn cờ 72 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng góc bảng hiệu chuẩn 77 2.4.3 Ảnh hưởng ánh sáng môi trường đến độ xác hiệu chuẩn 82 2.5 Kết luận chương 86 Chương PHƯƠNG PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA PHẢN XẠ BỀ MẶT 87 3.1 Các thông số ảnh hưởng đến độ bão hòa CCD máy ảnh 87 3.2 Phương pháp ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp 91 3.3 Phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ 96 3.4 Khảo sát đánh giá hiệu giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt 100 3.4.1 Khảo sát ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp 103 3.4.1.1 Khảo sát với mẫu khuôn nhôm 103 3.4.1.2 Khảo sát với mẫu nhôm bậc M1 108 3.4.2 Khảo sát ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn 113 3.4.2.1 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp 113 3.4.2.2 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt bậc 115 3.5 Kết luận chương 117 Chương XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG ĐO PSGC 118 4.1 Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá độ xác 118 4.1.1 Xây dựng thuật toán cho chuẩn đo kiểu A1 118 4.1.2 Xây dựng thuật toán xác định chuẩn kiểu E1 122 4.1.3 Đánh giá độ xác theo mặt phẳng chuẩn 125 4.2 Khảo sát độ xác hệ thống 126 4.2.1 Đo biên dạng bề mặt mẫu bước chuẩn 126 4.2.2 Đo biên dạng mặt cầu 130 4.2.3 Khảo sát độ xác theo mặt phẳng chuẩn 131 4.3 Đo chi tiết máy khn khí 131 4.4 Kết luận chương 134 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 135 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO 137 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 143 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục chữ viết tắt Viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 2D Dimension Không gian chiều 3D Dimension Không gian chiều CNC Computer numerical control Điều khiển số máy tính CMM Coordinate measuring machine Máy đo tọa độ DMD Digital micromirror device Thiết bị vi gương kỹ thuật số DLP Digital light processing Xử lí ánh sáng kỹ thuật số LCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏng PSGC Phase shift combined with Gray code Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray DOF Depth of field Độ sâu trường ảnh HDR High dynamic range Dải tương phản động mở rộng RP Reference phase Bản đồ pha mặt phẳng chiếu OP Object phase Bản đồ pha có vật DFP Digital fringe projection Chiếu vân kỹ thuật số SNR Signal-to-Noise ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu BRDF Bidirectional reflectance distribution function chức phân bố phản xạ hai chiều khác MIGL Maximum input graylevel Mức xám đầu vào tối đa ICP Iterative Closest Points Các điểm lặp gần RANSAC RANdom SAmple Consensus Phương pháp đồng mẫu ngẫu nhiên SVD Singular value decomposition STD Standar deviation Độ lệch chuẩn Danh mục ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt t rad Unwrapped phase or absolute phase Pha tuyệt đối w rad Wrapped phase Pha tương đối kG - Gray code value Giá trị mã Gray (Ow ; x w , y w , z w ) - World-coordinate system Hệ tọa độ hệ thống (Oc ; xc , y c , z c ) - Camera-coordinate system Hệ tọa độ máy ảnh (O p ; x p , y p , z p ) - Projector coordinate system Hệ tọa độ máy chiếu - Image-coordinate system Tọa độ mặt phẳng ảnh sc - Camera scale ratio Hệ số tỉ lệ máy ảnh sp - Projector scale ratio Hệ số tỉ lệ máy chiếu R - Rotation matrix Ma trận quay t mm Translation vector Véc-tơ tịnh tiến Pc m Pixel size Kích thước điểm ảnh (O; u, v) Np Mp Điểm ảnh Projector resolution Độ phân giải máy chiếu Nc Mc Điểm ảnh Camera resolution Độ phân giải máy ảnh Kích thước thực cảm biến CCD máy ảnh Cu Cv m fuc , fvc Điểm ảnh Tiêu cự máy ảnh theo hai trục u, v cảm biến ảnh f up , f v p Điểm ảnh Tiêu cự máy chiếu theo hai trục u, v cảm biến ảnh A Điểm ảnh Ma trận nội thông số k1, k2, k3 - Radial distortion coefficients Các hệ số méo hướng tâm p1, p2, p3 - Tangential distortion coefficients Các hệ số méo tiếp tuyến CCD size Tọa độ điểm gốc (giao điểm trục quang mặt phảng ảnh) u0c , v0c - Tu , Tv Điểm ảnh nTu, nTv - h w d mm Height Width Depth Kích thước vùng đo theo chiều cao rộng sâu D mm Aperture diameter Đường kính độ ống kính N= f D - The number f Số f f mm Focal langth Tiêu cự thấu kính Độ ( ) R0 - S Chu kỳ vân chiếu theo phương ngang phương dọc Số chu kỳ vân Gray theo phương ngang phương dọc Góc trục quang máy ảnh máy chiếu Reference plane Mặt phẳng tham chiếu mm Checker size Kích thước vng bàn cờ BB mm Checkboard size Kích thước bảng hiệu chuẩn Độ ( ) Góc mở máy chiếu theo phương ngang Độ ( ) Góc mở máy chiếu theo phương dọc OO = b mm L mm Khoảng cách từ đường sở đến mặt phẳng tham chiếu R0 I c (u, v) Mức xám Cường độ ánh sáng thu từ máy ảnh I p (u, v) Mức xám Cường độ ánh sáng chiếu từ máy chiếu Im Mức xám Cường độ ánh sáng môi trường xung quanh RA - Base line Đường sở (Khoảng cách quang tâm máy ảnh máy chiếu) Hệ số phản xạ bề mặt điểm A tc ms Exposure time Thời gian phơi sáng máy ảnh ms Wait time Thời gan trễ máy chiếu - Độ nhạy máy ảnh In - Nhiễu máy ảnh c µm n - Số điểm ảnh đám mây điểm Si - Các vùng mức xám l - Thứ tự mức xám thang độ xám từ đến 255 mức Ik Mức xám p(Si ) % - k - m - Inlier Số điểm tập p % The probability of a successful detection Xác xuất thành cơng thuật tốn Circle of confusion Kích thước vòng tán xạ Giá trị mức xám thứ k Tỉ lệ tổng số điểm ảnh có mức xám vùng Si threso Ngưỡng sai số cho phép Số lần lặp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất vật liệu màu sắc đặc trưng với hệ số phản xạ bề mặt 33 Bảng 1.2 Các loại tiêu chuẩn đo 42 Bảng 2.1 Kết hiệu chuẩn hai trường hợp (a) (b) 82 Bảng 4.1 Dữ liệu đo chiều cao bậc vị trí cắt khác 1289 Bảng 4.2 Kết đo chi tiết bậc………………………………………………………………………………………131 Bảng 4.3 Dữ liệu đo phù hợp mặt phẳng vị trí hướng khác 131 DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo ánh sáng cấu trúc Hình 1.2 Sóng ánh sáng điều biến dạng sin a; [95] 11 Hình 1.3 Hệ thống đo 3D sử dụng mã Gray [14] 13 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo PSGC 15 Hình 1.5 Mã hóa mặt phẳng ánh sáng với n=3 đồ pha 15 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý xác định tọa độ điểm đo 16 Hình 1.7 Xác định pha tuyệt đối từ pha tương đối thứ tự vân 19 Hình 1.8 Giải mã đồ pha tương đối qua hai phương chiếu [98] 20 Hình 1.9 Thuật tốn RANSAC phù hợp liệu đám mây điểm [86] 22 Hình 1.10 Hiệu chuẩn hệ thống cách di chuyển xác mẫu hiệu chuẩn [95] 24 Hình 1.11 Mơ hình máy ảnh lỗ nhỏ [102] 25 Hình 1.12 Điểm ảnh bị sai lệch có méo ảnh 27 Hình 1.13 Biến dạng pha điểm góc bảng hiệu chuẩn [98] 30 Hình 1.14 Mơ hình quang học hệ thống đo [42] 31 Hình 1.15 Đồ thị biểu diễn ảnh mối quan hệ góc chiếu vật liệu phản xạ bề mặt vật liệu khác [60] 32 Hình 1.16 Mơ hình phản xạ với hai thành phần phản xạ tán xạ [60] 34 Hình 1.17 Bề mặt phản xạ với độ nhám khác [60] 35 Hình 1.18 Ảnh chi tiết đo đo ánh sáng cấu trúc 36 Hình 1.19 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu A1 [28] 42 Hình 1.20 Đánh giá giá trị định chuẩn cho loại A1 [28] 43 Hình 1.21 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu A2 [28] 43 Hình 1.22 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu B2 [28] 44 Hình 1.23 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu B3 [28] 44 Hình 1.24 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu C3 45 Hình 1.25 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu D1 45 Hình 1.26 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu D2 46 Hình 1.27 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu E2 46 Hình 2.1 Sơ đồ khối phương pháp đo dùng mã dịch pha kết hợp mã Gray 49 Hình 2.2 Sơ đồ thuật toán phương pháp đo sử dụng phương pháp PSGC 52 Hình 2.3 Sơ đồ khối trình hiệu chuẩn hệ thống 53 Hình 2.4 Sai lệch phép chiếu ảnh 54 Hình 2.5 Sơ đồ thuật tốn hiệu chuẩn hệ thống 57 Hình 2.6 Bảng hiệu chuẩn vng bàn cờ 58 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm thiết lập góc vng bàn cờ 59 Hình 2.8 Khoảng cách từ điểm đo 3D đến mặt phẳng phù hợp 60 Hình 2.9 Sơ đồ xác định giới hạn vùng đo hệ thống 62 Hình 2.10 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính máy ảnh 63 Hình 2.11 Mơ hình thiết bị thực nghiệm 66 Hình 2.12 Giao diện chương trình phần mềm đo 68 Hình 2.13 Đồ thị mối quan hệ L w, h 69 Hình 2.14 Bản đồ giải mã pha tuyệt đối theo phương ngang 71 Hình 2.15 Bản đồ giải mã pha tuyệt đối theo phương dọc 71 Hình 2.16 Xác định góc ô vuông bàn cờ 72 Hình 2.17 Kết hiệu chuẩn bàn cờ kích thước (NxS)=(12 x 15) 74 Hình 2.18 Đồ thị mối quan hệ kích thước vng bàn cờ sai số hiệu chuẩn 76 Hình 2.19 Kết phù hợp mặt phẳng đám mây điểm 3D 80 Hình 2.20 Đồ thị mối quan hệ góc ô vuông bàn cờ lỗi phù hợp mặt phẳng 81 Hình 2.21 Quan hệ F ∆ 82 Hình 2.22 Đồ thị mối quan hệ ánh sáng môi trường xung quanh hệ số méo ảnh máy ảnh a, máy chiếu b, 84 Hình 2.23 Đồ thị mối quan hệ độ rọi độ xác hiệu chuẩn 85 Hình 3.1 Nguyên lý phản xạ ánh sáng bề mặt 88 Hình 3.2 Sơ đồ ảnh hưởng thơng số phản xạ bề mặt 89 Hình 3.3 Biểu đồ Histogram đánh giá chất lượng ảnh mức phơi sáng 93 Hình 3.4 Biểu đồ Histogram thời gian phơi sáng nhỏ mức độ phản xạ bề mặt thấp 94 Hình 3.5 Biểu đồ Histogram thời gian phơi sáng lớn mức độ phản xạ lớn 94 Hình 3.6 Biểu đồ Histogram thời gian phơi sáng hay mức độ phản xạ phù hợp 95 Hình 3.7 Ghép hai đám mây điểm phương pháp ICP [72] 98 Hình 3.8 Đồ thị mối quan hệ cường độ chiếu ảnh độ rọi 101 Hình 3.9 Đồ thị mối quan hệ thời gian phơi sáng cường độ ảnh thu 102 Hình 3.10 Đo độ nhám bề mặt chi tiết nhôm 103 Hình 3.11 Đồ thị Histogram ảnh chi tiết khn với độ phơi sáng khác 106 Hình 3.12 Đám mây điểm 3D chi tiết nhôm với t0 =16ms 106 { cv::cornerSubPix(gray_image, cam_corners, cv::Size(11, 11), cv::Size(-1, -1), cv::TermCriteria(CV_TERMCRIT_EPS + CV_TERMCRIT_ITER, 30, 0.1)); extractedImage[i] = get_image(i, 1, ColorImageRole); drawChessboardCorners(extractedImage[i], corner_count, cam_corners, true); } //checked: use this set proj_corners.clear(); //erase previous points cv::Mat & pattern_image = pattern_list[i]; if (!decode_paterns(i, pattern_image)) { //error std::cout