Đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết gia công bằng công nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phan Thị Bích Liên Phan Thị Bích Liên Kỹ thuật khí ĐO LƢỜNG KIỂM TRA BIÊN DẠNG CHI TIẾT GIA CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ CNC SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ÁNH SÁNG CẤU TRÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Khố: 2016B HÀ NỘI – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phan Thị Bích Liên ĐO LƢỜNG KIỂM TRA BIÊN DẠNG CHI TIẾT GIA CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ CNC SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ÁNH SÁNG CẤU TRÚC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Văn Vinh TS Ngô Anh Vũ Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội luận văn “Đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết gia công công nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc” cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi, thực hướng dẫn tập thể cán hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Văn Vinh TS Ngô Anh Vũ Các số liệu tài lệu luận văn trung thực ghi rõ nguồn trích dẫn Kết nghiên cứu chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác thời điểm Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận văn Phan Thị Bích Liên LỜI CẢM ƠN Trong q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn, nhận nhiều giúp đỡ, góp ý, động viên chia sẻ người Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Vinh, T.S Ngô Anh Vũ, Th.S Nguyễn Thị Kim Cúc hướng dẫn, bảo cho ý kiến vô quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi mặt chun mơn suốt q trình học tập thực luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, thầy cô Khoa khí động lực Trường CĐ Cơ điện CNTP Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi thời gian cho tơi suốt q trình làm luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng thí nghiệm Quang - Cơ Điện Tử 307 C4-5 Bộ mơn Cơ Khí Chính Xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện tốt sở vật chất thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tơi q trình làm luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ, chia sẻ khó khăn suốt q trình hồn thành luận văn Tác giả luận văn Phan Thị Bích Liên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .8 MỞ ĐẦU 11 Lý chọn đề tài 11 Lịch sử nghiên cứu 12 Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu .13 CHƯƠNG 15 ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 15 1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc đặc điểm ánh sáng cấu trúc 15 1.1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc 15 1.1.2 Đặc điểm ánh sáng cấu trúc 21 1.2 Phương pháp đo lường biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc 22 1.3 Ứng dụng phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc 25 1.4 Kết luận chương 26 CHƯƠNG 27 PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC MÃ DỊCH PHA KẾT HỢP GRAY 27 2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha 27 2.1.1 Nguyên lý đo biên dạng 3D phương pháp dịch pha 27 2.1.2 Các thuật toán dịch pha 30 2.1.3 Các phương pháp gỡ pha 35 2.2 Phương pháp mã hóa Gray .38 2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray 40 2.4 Đặc điểm chi tiết phay CNC .42 2.5 Ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiết phay CNC 43 2.6 Kết luận chương 46 CHƯƠNG ĐO LƯỜNG CHI TIẾT PHAY CNC .48 3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm .48 3.2 Chương trình đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc 49 3.3 Đo lường số chi tiết phay mẫu phương pháp ánh sáng cấu trúc 52 3.4 Kết luận chương 70 KẾT LUẬN .71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC 75 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị STD dt di mm Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Standard Deviation Độ lệch chuẩn Kích thước thực đo máy mm CMM Kích thước thực đo ánh mm sáng cấu trúc d mm Sai lệch trung bình % % Sai số tương đối  rad Pha tương đối Ф rad Pha tuyệt đối Cường độ sáng điểm (x,y) I(x, y) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 2D Dimension Không gian chiều 3D Dimension Không gian chiều CNC Computer numerical control CMM Coordinate measuring machine CAD Computer Aided Design DLP Digital light processing PSGC Điều khiển máy tính Máy đo tọa độ Thiết kế có trợ giúp máy tính Xử lí ánh sáng kỹ thuật số Phase shift combined Gray code Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray method Ф Pha tuyệt đối Cường độ sáng điểm (x,y) I(x, y) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc thị trường DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Ảnh vân mẫu ánh sáng cấu trúc chiếu lên mặt phẳng tham chiếu 15 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống chiếu lưới khe hẹp 17 Hình 1.3 Phân tích pha chiếu cách tử sử dụng ảnh dịch pha 17 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý bảng hiệu chuẩn để xác định tọa độ x, y, z từ phương pháp dựng bảng tồn khơng gian 19 Hình 1.5 Bóng lưới di chuyển dòng LED bật tắt cách 19 Hình 1.6 Mối quan hệ hình học nguồn ánh sáng, cách tử đối tượng đo trích xuất 20 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc [8] 23 Hình 2.1 Sơ đồ khối trình đo theo phương pháp dịch pha .28 Hình 2.2 Mẫu chiếu dạng mã Gray [7] 39 Hình 2.3 Hình ảnh chi tiết phay CNC 42 Hình 2.4 Chi tiết phay mẫu bậc 43 Hình 2.5 Chi tiết phay CNC sau đo ánh sáng cấu trúc 44 Hình 2.6 Chi tiết phay CNC 45 Hình 2.7 Chi tiết gia công máy CNC 45 Hình 2.8 Sản phẩm phay CNC 46 Hình 3.1 Mơ hình thiết bị thực nghiệm 48 Hình 3.2 Giao diện vng bàn cờ 50 Hình 3.3 Giao diện chương trình đo phương pháp ánh sáng cấu trúc 51 Hình 3.4 Đám mây điểm chi tiết bậc .51 Hình 3.5 Chi tiết phay số 53 Hình 3.32 kết dựng đám mây điểm đo ghép hợp đám mây điểm chi tiết đo kích thước a, b, c phần mềm Geomagic studio 10 thu kết thể hình 3.33, 3.34, 3.35 Kích thước a (mm) - Với kích thước a, kết đo thể hình 3.33 150.2 a =149,599 (mm) 150 149.8 149.6 149.4 149.2 Độ lệch chuẩn 149 148.8 148.6 10 Số lần đo Hình 3.33 Đồ thị kết đo kích thước a chi tiết phay số Kích thước a = 149,599 (mm) đo phương pháp ánh sáng cấu trúc gần sát với kích thước thực đo máy CMM 149,722(mm) Sai số tương đối phương pháp đo ánh sáng cấu trúc 0,081% - Với kích thước b, kết đo thể hình 3.34 Kích thước b (mm) b=49,520 (mm) 50.5 50 ‘ 49.5 49 48.5 Độ lệch chuẩn 48 10 Số lần đo Hình 3.34 Đồ thị kết đo kích thước b chi tiết phay số 68 Kích thước b = 49,520 (mm) đo phương pháp ánh sáng cấu trúc gần sát với kích thước thực đo máy CMM 49,398 (mm) Sai số tương đối phương pháp đo ánh sáng cấu trúc kích thước b 0,246% - Với kích thước c, kết đo thể hình 3.35 c=8,349(mm) Kích thước c (mm) 8.8 8.6 8.4 8.2 7.8 Độ lệch chuẩn 7.6 7.4 10 Số lần đo Hình 3.35 Đồ thị kết đo kích thước c chi tiết phay số Kích thước c = 8,349 (mm) đo phương pháp ánh sáng cấu trúc gần sát với kích thước thực đo máy CMM 8,324 (mm) Sai số tương đối phương pháp đo ánh sáng cấu trúc kích thước b 0,297% Vậy đo kích thước a, b, c chi tiết phay số sai số tương đối lớn 0,297% 69 3.4 Kết luận chương Qua khảo sát thực nghiệm đo chi tiết phay CNC ánh sáng cấu trúc so sánh với kích thước thực đo máy CMM, xác định thơng số sai lệch trung bình, độ lệch chuẩn sai số tương đối Thực nghiệm đo số chi tiết phay CNC sử dụng phần mềm dịch pha kết hợp mã Gray, cho thấy: - Kích thước theo phương z có độ sai số tương đối lớn 0,269% - Kích thước theo phương x, y có độ sai số tương đối lớn 1,22% - Với kích thước đường kính lỗ có sai số tương đối lớn 0,369% 70 KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu phương pháp đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết gia công công nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc mã dịch pha kết hợp Gray (PSGC) Nội dung nghiên cứu luận văn trình bày chương: Chương 1: Tổng quan phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc: tìm hiểu khái niệm ánh sáng cấu trúc, đặc điểm ánh sáng cấu trúc, phương pháp đo lường chi tiết 3D ánh sáng cấu trúc ứng dụng phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Chương 2: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm sở gỡ pha Phân tích thuật tốn dịch pha, phương pháp gỡ pha từ xây dựng phương pháp gỡ pha sử dụng mã hóa Gray nhằm nâng cao độ độ xác gỡ pha Đồng thời chương cũng trình bày đặc điểm chi tiết phay CNC ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiết phay CNC Chương 3: Trình bày kết đo số chi tiết mẫu phay CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc mã dịch pha kết hợp Gray (PSGC) Kết đo so sánh với kết đo máy CMM sai lệch kích thước, độ lệch chuẩn Qua phân tích kết thực nghiệm cho thấy phương pháp ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray phù hợp để đo chi tiết có dạng bề mặt phức tạp Thực nghiệm đo số chi tiết phay CNC sử dụng phần mềm dịch pha kết hợp mã Gray, cho thấy sai số kết đo phương nhỏ: - Kích thước theo phương z có sai số tương đối lớn 0,269% - Kích thước theo phương x, y có sai số tương đối lớn 1,22% - Với kích thước đường kính lỗ có sai số tương đối lớn 0,369% - Với chi tiết phay CNC thu đám mây điểm với đầy đủ thông tin mật độ điểm độ xác cao 71 - Với chi tiết phay rãnh, lỗ kết đo thu đám mây điểm mật độ điểm thấp độ xác giảm 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lê quang trà (2016) Nghiên cứu đo biên dạng 3D chi tiết phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc Luận án tiến sĩ [2] Nguyễn Thị Cúc (2018) Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết khí Luận án tiến sĩ Tiếng Anh [3] Daniel malacara (2007) Optical Shop Testing, A John Wiley & Sons, Inc., Publication [4] Hall-Holt, O and Rusinkiewicz, S (2011) Stripe boundary codes for real- time structured-light range scanning of moving objects Comput Vision, 2011 ICCV 2001 Proceedings Eighth IEEE Int Conf 2: 395-366 [5] H O Saldner and J M Huntley (1997) Profilometry using temporal phase unwrapping and a spatial light modulator-based fringe projector Optical Engineering, 36(2):610–615 [6] H O Saldner and J M Huntley (1997) Temporal phase unwrapping: application to surface profiling of discontinuous objects Applied Optics, 36(13):2770–2775 [7] https://www.dr-gandyra.com/fachliches/3d-messtechnik/s30/ [8] https://www.researchgate.net/figure/The-principle-of-structured-light-3D- measurement-with-fringe-encoding-a-system_fig1_258295023 [9] H Zhao, W Chen, and Y Tan (1994) Phase-unwrapping algorithm for the measurement of three-dimensional object shapes Applied Optics, 33(20):4497– 4500 [10] J M Huntley and H O Saldner (1993) Temporal phase-unwrapping algorithm for automated interferogram analysis Applied Optics, 32(17):3047– 3052 73 [11] Kato, T., Ryo, T., Umezaki, T., Hayashi, M., and Hoguro, M (2010) Evaluation of three-Dimensional Measurement Method based on Phase Shifting Methods.: 189-194 [12] RODRIGUES, M (2011) (2011) Tutorial on Fast 3D Reconstruction Using Structured Light Methods Int Conf Med Image Comput Assist Interv Toronto, Canada ,:1-32 [13] Sansoni, G., Carocci, M., and Rodella, R (1999) Three-dimensional vision based on a combination of gray-code and phase-shift light projection: analysis and compensation of the systematic errors Appl Opt 38: 6565-6573 [14] Wu, H.B., Chen, Y., Wu, M.Y., Guan, C.R., and Yu, X.Y (2006) 3D Measurement Technology by Structured Light Using Stripe-Edge-Based Gray Coded.J.Phys Conf Ser 48: 537-541 [15] Xioabo, C., Jun tong, X., Tao, J., and Ye, J.(2008) Research and development of an accurate 3D shape measurement system based on fringe projection: Model analys is and performance evaluation Precis Eng 32:215221 [16] Zheng, D and Da, F (2012b) Self-correction phase unwrapping method based on Gray-code light Opt Lasers Eng 50:1130-1139 74 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Bảng kết đo chi tiết phay số máy CMM Lần đo a (mm) b (mm) c (mm) 19,665 51,557 64,373 19,581 51,573 64,351 19,723 51,568 64,416 19,884 51,583 64,364 19,411 51,575 64,391 Phụ lục 2: Bảng kết đo chi tiết phay số ánh sáng cấu trúc Lần đo a (mm) b (mm) c (mm) 19,403 51,734 64,654 19,526 51,436 64,791 19,371 51,811 64,402 19,71 51,374 64,687 19,262 51,88 64,325 19,51 51,406 64,87 19,058 51,687 64,485 19,478 52,085 64,888 19,123 51,208 64,526 10 19,678 51,755 64,898 75 Phụ lục 3: Bảng kết đo độ lệch chuẩn sai lệch tương đối chi tiết phay số Kích Đo máy thước CMM Đo ánh sáng cấu trúc Kích thước Kích thước Sai lệch Độ lệch Sai số tương thực (mm) thực (mm) trung bình chuẩn đối (%) (mm) (mm) a 19,6528 19,411 0,240 0,215 1,225 b 51,5712 51,637 0,066 0,271 0,128 c 64,379 64,652 0,273 0,210 0,424 Phụ lục 4: Bảng kết đo chi tiết phay số máy CMM Lần đo a (mm) b (mm) c (mm) 19,631 45,708 94,622 19,852 45,661 94,682 19,442 45,716 94,627 19,751 45,607 94,654 19,937 45,806 94,662 76 Phụ lục 5: Bảng kết đo chi tiết phay số ánh sáng cấu trúc Lần đo a (mm) b (mm) c (mm) 19,481 45,506 95,064 19,805 45,985 94,99 19,547 44,955 95,369 19,995 46,184 95,189 19,383 45,885 95,287 19,802 46,598 94,508 19,498 45,905 94,207 19,849 46,656 95,069 19,355 46,907 96,016 10 19,756 45,756 94,91 Phụ lục 6: Bảng kết đo độ lệch chuẩn sai lệch tương đối chi tiết phay số Kích Đo thước máy CMM Đo ánh sáng cấu trúc Kích thước Kích thước Sai lệch Độ lệch Sai số tương thực (mm) thực (mm) trung bình chuẩn đối (%) (mm) (mm) a 19,722 19,647 0,075 0,220 0,382 b 45,699 46,033 0,334 0,582 0,731 c 94,649 0,411 0,487 95,060 77 0,434 Phụ lục 7: Bảng kết đo chi tiết phay số máy CMM Lần đo a (mm) b (mm) c (mm) 19,531 46,708 94,622 19,552 46,661 94,682 19,642 46,516 94,627 19,451 46,407 94,654 19,437 46,406 94,662 Phụ lục 8: Bảng kết đo chi tiết phay số ánh sáng cấu trúc Lần đo a (mm) b (mm) c (mm) 19,481 46,506 94,264 19,495 45,985 94,79 19,372 46,655 94,469 19,578 46,184 94,889 19,283 46,685 94,287 19,593 45,998 94,478 19 46,505 94,707 19,549 46,156 94,579 19,298 46,607 94,716 10 19,456 46,356 94,591 78 Phụ lục 9: Bảng kết đo độ lệch chuẩn sai lệch tương đối chi tiết phay số Kích Đo thước máy CMM Đo ánh sáng cấu trúc Kích thước Kích thước thực (mm) thực (mm) Sai lệch Độ lệch Sai số tương trung bình chuẩn đối (%) (mm) (mm) a 19,522 19,447 0,075 0,112 0,386 b 46,539 46,363 0,175 0,266 0,377 c 94,649 94,577 0,072 0,206 0,076 Phụ lục 10: Chi tiết phay số máy CMM 79 Phụ lục 11: Bảng kết đo chi tiết phay số máy CMM Lần đo a (mm) b (mm) c (mm) 25,854 19,908 39,723 25,505 20,082 39,409 24,996 19,609 39,698 25,818 19,475 39,134 25,455 20,035 39,567 Phụ lục 12: Bảng kết đo chi tiết phay số ánh sáng cấu trúc Lần đo a (mm) b(mm) c (mm) 25,054 19,508 39,323 25,405 20,082 39,708 24,896 19,59 39,497 25,518 19,88 39,804 25,755 19,498 39,607 25,376 19,808 40,024 25,607 19,509 39,479 25,297 19,79 39,708 25,556 19,99 39,804 10 25,185 19,695 39,567 80 Phụ lục 13: Bảng kết đo độ lệch chuẩn sai lệch tương đối chi tiết phay số Kích Đo thước máy CMM Đo ánh sáng cấu trúc Kích thước Kích thước Sai lệch Độ lệch Sai số thực (mm) thực (mm) trung bình chuẩn tương đối (mm) (mm) (%) a 25,525 25,364 0,160 0,263 0,629 b 19,821 19,735 0,086 0,209 0,437 c 39,506 39,652 0,145 0,200 0,369 Phụ lục 14: Bảng kết đo chi tiết phay số máy CMM Lần đo a (mm) b (mm) c (mm) 149,991 49,456 8,089 149,857 49,187 8,367 149,689 49,682 8,108 149,487 49,289 8,498 149,587 49,378 8,561 81 Phụ lục 15: Bảng kết đo chi tiết phay số ánh sáng cấu trúc Lần đo a (mm) b (mm) c (mm) 149,591 49,456 8,089 149,857 49,187 8,367 149,689 49,682 8,108 149,487 49,289 8,498 149,787 49,378 8,361 149,381 49,806 8,586 149,697 49,507 8,268 149,395 49,882 8,408 149,707 49,409 8,308 10 149,407 49,608 8,501 Phụ lục 16: Bảng kết đo độ lệch chuẩn sai lệch tương đối chi tiết phay số Kích Đo thước máy CMM Đo ánh sáng cấu trúc Kích thước Kích thước thực (mm) thực (mm) a 149,722 149,599 b 49,398 c 8,324 Sai lệch Độ lệch Sai số tương chuẩn (mm) đối (%) 0,122 0,173 0,081 49,520 0,122 0,223 0,246 8,349 0,024 0,163 0,297 trung bình (mm) 82 ... phay CNC sử dụng ánh sáng cấu trúc từ làm chủ công nghệ đo 26 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC MÃ DỊCH PHA KẾT HỢP GRAY Trong dạng ánh sáng cấu trúc, phương pháp dịch... bị đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc [8] Nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc thể hình 1.1 Nguyên lý phương pháp đo chi? ??u miền ánh sáng cấu trúc mã hóa lên vật thể cần đo, ... điểm chi tiết phay CNC 2.5 Ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiết phay CNC 2.6 Kết luận chương 2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha Trong đo lường không tiếp xúc sử dụng