Thiết kế máy quét 3d chi tiết giáy dép

I H C QU C GIA TP H CHÍ MINH TR NG I H C BÁCH KHOA LÊ CAO BÁCH THI T K MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP Chuyên ngành: Công ngh ch t o máy Mã s : 605204 LU N V N TH C S TP H CHÍ MINH, tháng 12 n m 2012 CƠNG TRÌNH TR Cán b h NG C HỒN THÀNH T I I H C BÁCH KHOA – HQG –HCM ng d n khoa h c: PGS.TS Ph m Ng c Tu n (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Cán b ch m nh n xét 1: (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Cán b ch m nh n xét 2: (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Lu n v n th c s c b o v t i Tr ng i h c Bách Khoa, HQG Tp HCM ngày tháng n m Thành ph n H i ng ánh giá lu n v n th c s g m: (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v c a H i ng ch m b o v lu n v n th c s ) Xác nh n c a Ch t ch H i lu n v n ã CH T CH H I ng ánh giá LV Tr ng Khoa qu n lý chuyên ngành sau c s a ch a (n u có) NG TR NG KHOA TR I H C QU C GIA TP.HCM NG I H C BÁCH KHOA NG HÒA XÃ H I CH NGH A VI T NAM c l p - T - H nh phúc NHI M V LU N V N TH C S tên h c viên: Lê Cao Bách MSHV: 09040359 Ngày, tháng, n m sinh: 13/01/1985 N i sinh: Qu ng Ngãi Chuyên ngành: C khí ch t o máy Mã s : 605204 I TÊN TÀI: THI T K MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP II NHI M V VÀ N I DUNG: - Nghiên c u t ng quan v máy quét 3D chi ti t giày dép - Phân tích, xác nh c u hình nguyên lý làm vi c c a máy quét 3D chi ti t giày dép - Thi t k máy quét 3D chi ti t giày dép - Thi t k quy trình, gi i thu t x lý d li u c a máy quét 3D chi ti t giày dép - Thi t k giao di n ph n m m giao di n h a cho ph n m m máy quét - Ch t o th nghi m v n hành máy quét III NGÀY GIAO NHI M V : 02/07/2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 30/11/2012 V CÁN B H NG D N : PGS.TS Ph m Ng c Tu n Tp HCM, ngày 02 tháng n m 2012 CÁN B H NG D N CH NHI M B (H tên ch ký) MÔN ÀO T O (H tên ch ký) PGS.TS Ph m Ng c Tu n TR NG KHOA (H tên ch ký) I CAM OAN Em cam oan r ng, ngo i tr k t qu tham kh o t cơng trình khác nh ã ghi rõ lu n v n, công vi c c trình bày lu n v n em th c hi n ch a có ph n n i dung c a lu n v n t b ng c p tr ng ho c tr cn p ng khác Ngày 31 tháng 12 n m 2012 Lê Cao Bách i l y I CÁM Em xin chân thành c m n s h th y cô gi ng d y sau i h c - Tr N ng d n, ch d y giúp ng t n tình c a i h c Bách Khoa, i h c qu c gia Thành ph H Chí Minh Em xin c m n th y PGS.TS Ph m Ng c Tu n ã t n tình h t nh ng ki n th c kinh nghi m quý báu ã giúp em có y ng d n truy n ki n th c hoàn thành lu n v n Và em xin c m n nh ng b n bè, ng nghi p nh ng ng i thân gia ình ã tin yêu truy n thêm ngh l c cho em trình h c t p nghiên c u a b n thân c dù ã c g ng r t nhi u vi c th c hi n lu n v n, song v i th i gian có h n, nên không th tránh kh i nh ng thi u sót ch a hồn ch nh, r t mong cs óng góp ý ki n c a quý Th y Cô b n ii ABSTRACT This thesis introduces the research contents of a 3D shoe’s scanner device in the automatic grinding and cementing system for shoes upper and shoe sole The content of the thesis includes the principles of the operation, the configuration of the mechanical system, control’s principles and control’s parameters of the device The thesis also includes a BK Scanner software which is designed for intergrating into the device The procedure of the software is programed base on capturing the 3D data of shoe’s surface through an intergration between a CCD camera and a laser light device, processing and converting 2D images data into 3D data, building the surface and boundaries for fabricating The result of this thesis is also a product of the State science and technology project: “The research, design and fabricating of an automatic shoe soles, uppers roughing and cementing system in the shoe manufacturing lines”, code: KC.03.03/11-15, in the State key science and technology program KC.03/11-15: "The research, application and development of mechanical and automatic technologies" iii TÓM T T i dung lu n v n trình bày v máy quét 3D chi ti t giày dép h th ng ng mài bôi keo chi ti t giày, m giày Các n i dung nghiên c u c a lu n n bao g m: thi t k nguyên lý ho t u n thông s ng, c u hình h th ng c khí, ngun lý u n c a thi t b Lu n v n c ng nghiên c u gi i thu t xây d ng ph n m m BK Scanner tích h p v i b Ph n m m c xây d ng c s gi i thu t thu th p d li u t chi ti t giày dép thông qua s k t h p gi a camera CCD èn laser lý chuy n u n c a thi t ng, gi i thu t x i d li u 2D thành 3D, gi i thu t xây d ng b m t chi ti t giày dép, gi i thu t xây d ng ng gia công K t qu c a lu n v n s n ph m c a tài khoa h c công ngh c p Nhà n ng mài bôi keo c “Nghiên c u thi t k , ch t o h th ng t giày, m giày dây chuy n s n xu t giày dép”, mã s : KC.03.03/11-15, thu c Ch ng trình KH&CN tr ng m c p Nhà n 15 “Nghiên c u ng d ng phát tri n cơng ngh c khí t iv c KC.03/11- ng hóa” CL C NHI M V LU N V N TH C S I CAM OAN i I CÁM N ii ABSTRACT iii TÓM T T iv C L C v DANH M C HÌNH V .viii DANH M C B NG xiv DANH M C CH CH 1.1 M VI T T T xv NG 1: T NG QUAN V MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP u 1.2 Tình hình nghiên c u ng d ng máy quét 3D th gi i 1.2.1 Máy quét 3D dùng công nghi p 1.2.2 Máy quét 3D dùng y t 1.2.3 Máy quét 3D dùng xây d ng, kh o c 1.2.4 Máy quét 3D ngành giày dép 1.3 Tình hình nghiên c u, ng d ng máy quét 3D Vi t Nam 10 1.3.1 Tình hình ng d ng 10 1.3.2 Tình hình nghiên c u 11 1.4 Tính c p thi t c a tài 11 1.5 M c tiêu nghiên c u c a tài 11 1.6 Ph m vi nghiên c u 12 1.7 N i dung nghiên c u c a 1.8 Ph tài 12 ng pháp nghiên c u 12 1.9 Ý ngh a khoa h c c a lu n v n 13 1.10 Ý ngh a th c ti n c a lu n v n 13 v CH NG 2: PHÂN TÍCH, XÁC NH C U HÌNH VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VI C C A MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP 14 2.1 Công d ng, ch c n ng c a máy quét 3D dây chuy n s n xu t giày dép 14 2.2 Xác nh nguyên lý làm vi c c a máy quét 3D chi ti t giày dép 15 2.2.1 Phân tích l a ch n gi i pháp nh n d ng x lý d li u 3D 15 2.2.2 Phân tích xác 2.3 Xác nh ph ng pháp quét c a máy quét 3D 18 nh nguyên lý làm vi c c u hình máy quét 3D chi ti t giày dép 21 2.3.1 Nguyên lý làm vi c máy quét 3D chi ti t giày dép 21 2.3.2 Thông s k thu t máy quét 3D chi ti t giày dép 26 CH NG 3: THI T K MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP 36 3.1 K t c u t ng th máy quét 3D chi ti t giày dép 36 3.2 Thi t k ph n c khí máy quét 37 3.2.1 Thi t k c m thân máy quét 3D 37 3.2.2 Thi t k c m chân máy quét 52 3.3 Thi t k h th ng u n máy quét 3D chi ti t giày dép 53 3.3.1 C u t o c a h th ng 3.3.2 Ph ng án u n 3.3.3 Thi t k h th ng CH u n 53 it ng máy quét 3D 55 u n c a máy quét 3D 57 NG 4: THI T K QUY TRÌNH, GI I THU T X LÝ D LI U C A MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP 63 4.1 M u v x lý nh th vi n x lý nh OpenCV 63 4.1.1 nh h th ng x lý nh 63 4.1.2 Th vi n x lý nh Open CV 66 4.2 Thi t k gi i thu t t ng quát cho trình x lý nh 67 4.2.1 Mơ hình camera c b n 67 4.2.2 Méo nh 69 4.2.3 Mơ hình camera laser máy qt 3D chi ti t giày dép 71 4.3 Gi i thu t cho trình x lý nh 73 vi 4.3.1 Hi u ch nh camera (calibration) 73 4.3.2 X lý nh cho máy quét 3D 76 CH NG 5: THI T K GIAO DI N C A PH N M M QUÉT BK SCANNER VÀ K T QU CH T O, V N HÀNH MÁY 84 5.1 Giao di n ph n m m th vi n Open GL (Open Graphics Library) 84 5.2 Phân tích l a ch n ch c n ng ph n m m BK Scanner 85 5.3 Giao di n ph n u n quét d li u 87 5.4 Thi t k ch c n ng l u chuy n i d li u 89 5.5 Ch t o v n hành máy quét 90 TÀI LI U THAM KH O 98 PH L C 100 vii Hình 5.15: K t qu sau quét m i giày m t s b c 9: T p h p d li u t a a chi ti t thành d li u t a c a t t c m quét c c a chi ti t giày ng biên c a chi ti t (Hình 5.17) Hình 5.17: K t qu xác c 11: Làm tr n c b m t 3D c a b m t chi ti t (Hình 5.16) Hình 5.16: K t qu t p h p biên d ng 3D thu c 10: Xây d ng c quét nh ng biên chi ti t ng biên chi ti t l y t a 94 ng biên (Hình 5.18) Hình 5.18: K t qu biên d ng chi ti t giày Ki u d li u 3D giai n c mơ t nh hình 5.19 Hình 5.19: K t qu d li u t a k t qu t chuy n 3D c a máy quét ng thích v i ph n m m CAD khác, d li u s i sang ki u d li u c a STL nh t lu n c a ch i dung c a ch ã trình bày ch c ng ng ng ã trình bày tìm hi u t ng quan v giao di n ph n m m quét BK Scanner thi t k ch c n ng c a ph n m m quét V i máy quét quét chi ti t t l y c ch t o ph n m m máy quét giày Ph n m m ã xây d ng m biên c a chi ti t giày c quét 95 c tích h p c ti n hành ng biên d ng 3D b T LU N Trong lu n v n nh ng v n sau ây ã gi i quy t Kh o sát thi t b quét 3D th tr c: ng nghiên c u v thi t b quét 3D ng d ng ngành giày dép Tìm hi u v quy trình s n xu t giày dép tích h p máy quét 3D chi ti t giày dép dây chuy n mài bơi keo chi ti t giày t Phân tích, l a ch n ph ng án quét thu th p d li u, t ng ó l a ch n gi i pháp thu th p d li u cho thi t b Phân tích, l a ch n c u hình máy quét Thi t k s nguyên lý, s u n máy quét Th c hi n b n v c khí l p ráp b ph n Ch t o ph n c khí u n c a thi t b quét 3D Th nghi m quét d li u v i chi ti t Lu n v n ã th c hi n ch c n kh c ph c Máy quét có th t h n Ngồi ra, có th c i thi n ng u n c nhi m v giày nhiên v n m t s h n c c i ti n ph n u n v i xác xác c a d li u nh ch p thông qua vi c phân gi i camera ts h ng phát tri n c a Nghiên c u v thi t b quét tài c xu t nh sau: xác c a thi t b quét 3D, c i ti n có th xác c a ng d ng vào quét chi ti t công nghi p v i xác cao Nghiên c u tin c y c a thi t b c i thi n tin c y c a thi t b quét 3D Nghiên c u thi t k ph n m m quét v i ch c n ng cho phép o c, tính tốn ch c n ng CAD c b n Vi c tích h p kh n ng th c hi n ch c ng CAD ph n m m s giúp ng i s d ng có th ki m tra chi ti t tr c ti p ph n m m, qua ó th c hi n c quét 96 u ch nh c n thi t mô hình Nghiên c u thi t k máy quét 3D cho chi ti t công nghi p Hi n t i, máy quét 3D ch ng d ng cho quét chi ti t giày dép ph c v dây chuy n mài bôi keo chi ti t giày, nhiên có th c i ti n máy có th quét chi ti t công nghi p khác m r ng ng d ng c a thi t b 97 TÀI LI U THAM KH O [1] Trang tin n t B Công Th ng Vi t Nam, Internet: http://www.moit.gov.vn [2] Hi p h i da giày Vi t Nam, Internet: http://www.lefaso.org.vn, [3] Lee K Fisher et al “Shoe manufacturing system.” US Patent 639 963, Feb 3, 1987 [4] Nikon Coporation, Internet: http://www.nikon.com [5] Z Coporation, Internet: http://www.zcorp.com [6] SOLUTIONIX Coporation, Internet: http:www.solutionix.com/ [7] Leica coporation, Internet: http://www.leica-geosystems.com [8] Frontier Advanced Technology Ltd, Internet: http://www.frontiertech.com.hk [9] Chuanyu Wu, et al Research on the generation of trajectory for shoe upper spraying based on structured light 2008 [10] Zhongxu Hu, et al Computer vision for shoe upper profile measurement via upper and sole conformal matching 2006 [11] Công ty TNHH TM-DV CN KT VI CAM, Internet: http://www.vcam-tech.com [12] Chuyên 2, tài KC.03.03/11-15 “Nghiên c u thi t k , ch t o h th ng t ng mài bôi keo giày, m giày dây chuy n s n xu t giày dép” [13] Bách khoa toàn th Wikipedia, Internet: http://wikipedia.org [14] Bernd Jähne, University of Heidelberg, Practical handbook on image processing for scientific and technical applications (2nd edition), 2004 [15] David 3D Laser Scanner, Internet: http:// david-laserscanner.com [16] Bogus aw Cyganek, J Paul Siebert, An introduction to 3d computer vision techniques and algorithms,2009 [17] Alexander Slocum, MIT, Process of design, 2000 [18] Roland DGA Coporation, Internet: http://www.rolanddga.com [19] ShapeGrabber Company, Internet: http://www.shapegrabber.com/ [20] Basler Company, Internet: http:// www.baslerweb.com/ 98 [21] The Imaging Source Europe, Internet: http://www.theimagingsource.com [22] THK Co, Ltd, Internet: http://www.thk.com [23] Nguy n Th Ph ng Hà (2003) Lý thuy t u n hi n i Nhà xu t b n i H c Qu c Gia TP.HCM [24] Nguy n c Thành (2005) o l ng u n b ng máy tính Nhà xu t b n i H c Qu c Gia TP.HCM [25] Nguy n V n Ng , Khoa cơng ngh HQG Hà N i, giáo trình x lý nh, 2001 [26] Intel Corporation (2000) OpenSource ComputerVision Library, Internet: http://developer.intel.com [27] Gary Bradski, Adrian Kaehler (2008) Learning Open CV [28] Sinisa Kolaric (2007) Camera's coordinate system in OpenCV http://cvkolaric.blogspot.com/2007/06/cameras-coordinate-system.html [29] R.Y.Tsai (1987) A Versatile Camera Calibration Technique for 3D Machine Vision IEEE J Robotics & Automation, RA-3, No.4 pp 323-344 [30] The Official Guide to Learning OpenGL, Version 1.1 http://orion.lcg.ufrj.br/compgraf1/downloads/OpenGL_Programming_Guide/index html [31] 3D3 Solution Company, Internet: http://www.3d3solutions.com [32] Yaskawa Corp, Internet: http://yaskawa.com [33] Al Bovik, The Essential Guide to Image Processing , 2009 [34] Junichiro Toriwaki, Hiroyuki Yoshida, Fundamentals of Three-Dimensional Digital Image Processing, 2009 99 PH L C Ph l c 1: B ng kích c giày dép a ng kích th c c giày b ng chi u r ng chân ng i (inch) Ph l c 2: B ng danh sách camera STT Hãng Camera ng kính c tính k thu t Basler phân gi i: 2592 x 1944 (pixels), 14 (fps), Monochrome Computar M1214-MP Tiêu c th u kính: F 1,4: 12 (mm) Basler A2400-17gm, 2/3” Basler acA1600-20gm, th u kính 1/1.8” AVT Oscar F-320 Camera acA2500-14gm 10 11 phân gi i: 2448 x 2050 (pixels) Tiêu c ng kính : f 12 – f 36 (mm) Kích th c c m bi n : 3,45 x 3,45 (µm) phân gi i: 1624 x 1236 (pixels) Tiêu c ng kính : f 12 – f 36 (mm) Kích th c c m bi n : 4,4 x 4,4 (µm) m bi n nh: ICX262, 1/1.8", CCD Kích th c nh: H x V = 2080 x 1540 (pixels) c ch p: 6,6 (fps) phân gi i: 6576 x 4384 (pixels) Tiêu c ng kính : f 18 (mm) AVT GX6600C Kích th c c m bi n : 5,5 x 5,5 (µm) Tiêu c ng kính : 18 (mm) phân gi i: 2448 x 2050 (pixels) GT2450C, ng kính AVT Kích th c c m bi n : 3,45 x 3,45 (µm) kính 2/3 in Tiêu c ng kính : f 12 – f 36 (mm) phân gi i: 1620 x 1220 (pixels) GT1600C, ng kính AVT Kích th c c m bi n : 4,4 x 4,4 (µm) 2/3 in Tiêu c ng kính : f 12 – 36 (mm) phân gi i: 2448 x 2050 (pixels) XCL-5005CR, ng Sony Kích th c c m bi n : 3,45 x 3,45 (µm) kính 2/3 in Tiêu c ng kính : f 12 – f 36 (mm) phân gi i: 1624x1236 (pixels) TXG20c-P, ng kính Baumer Kích th c c m bi n : 4,4 x 4,4 (µm) 1/1.8in Tiêu c ng kính : f 12 – f 36 (mm) phân gi i:1600x1200 (pixels) Image DFK 51BU02.H,1/1.8 Kích th c c m bi n : 4,65x4,65 (µm) Source in Tiêu c ng kính : f 12 – f 36 (mm) phân gi i: 1600 x 1200 (pixels) Image DFK 23G274,1/1.8 in Kích th c c m bi n : 4,4 x (µm) Source Tiêu c ng kính : f 12 – f 36 (mm) Ph l c 3: B ng t ng h p thi t k STT gá gá hi n có Mơ t h th ng u m Nh c m Patent: 4691398 th ng xy lanh lò xo,tay k p Phía u m i giày kh i ch U t ng a, u ch nh c b r ng c a rãnh d i gá hãng Comas gá c a hãng BENAZZATO Patent: 4639963 Có th gá cho nhi u lo i size giày tc u n m t t chi ti t gi n, d ch ng ph ng o c gi i h n Có kh n ng ng kh i ch V u ch nh t kh i c nh chi u dài t kh i có th di theo kích chuy n th c chi u Dùng h th ng xy dài c a lanh k p, gá t giày nhanh n gi n Khó dùng cho lo i giày cao gót,lo i có giày m ng m m t ng i b ng ph ng Ch dung c cho nh ng lo i giày th p,t ng i b ng ph ng Không dùng c cho lo i giày o,quá m m Ch dùng c cho nh ng lo i giày th p, t ng i b ng m kh i ch V t c u n ph ng Không dùng nh u c cho lo i gi n Hai kh i ch V Không c n giày d o c vít c nh ng th ng k p Khơng th t theo kích th c c a thay i chi u dài ch t giày gá theo size giày gia công Ph m vi d ng h p tc u n m kh i ch V gi n u, kh i c Gá nhanh Không dùng cv i c nh kh i di ng Gá lo i giày cao gót lị xo,có b xy nhi u giày lanh có size khác Ph l c 4: Các b ng tra thông s c a c m chuy n a ng xác ngh v i c m chuy n ng t nh ti n hãng THK ng t nh ti n b ng c p xác chi u dài t i a c a vít me c m chuy n nh ti n c ng h s mô men t ng ng c a c m chuy n ng t nh ti n ng Ph l c 5: B ng t ng h p lo i ng c thông s [26] Ph l c 6: Tính tốn cho c m truy n m truy n ph ng tr c Z ng tr c Z có tác d ng nâng h c m camera èn laser theo ng tr c Z kh i l ng m c a t ng th c m camera èn laser xác nh t thi t g n kg Kho ng cách tr ng tâm c a c m tr c Z, ta ch c n xác nh c m tr c Z v i thơng s c th hi n hình V i c m ã c ch n ch th a mãn yêu c u k thu t c a thi t b i tr ng tác d ng lên tr t: P1 K A m.g 1.51.10 1.6.9,81.140 1244 (N) P1T K B m.g 1.51.10 1.6.9,81.67 595, (N) P1E=1839,5 (N) s an toàn t i tr ng t nh h th ng tr C0 Pmax fs 20200 10, > 3,5 1839,5 i tr ng tác d ng lên vít me: Fa1 m.g f 3,79 (N) td nh ng: ng Trong ó: µ h s ma sát = 0,005 F l c c n kh i tr t f = 3,5 (N) s an toàn t i tr ng t nh h th ng vít me fs C0 a Fa max 2840 3, 79 : 694,37 > 3,5 i tr ng t i h n c a thi t b : P1 n E.I 0,5 =2950 (N) la Trong ó P1 t i tr ng t i h n n: h s b trí thi t b , n = b trí g i u tr c vít la: kho ng cách gi a g i E: modul dàn h i I: momen quán tính c a tr c vít D1: kho ng cách tâm bi D1 = 7,8 mm i tr ng tác d ng lên c tác ng lên c ng t s an toàn: fs P0 a Fa max 2590 4, 09 633, 25 : ng t nh l c tác ng lên tr c vít me LÝ L CH TRÍCH NGANG tên: Lê Cao Bách Ngày, tháng, n m sinh: 13/01/1985 i sinh: Qu ng Ngãi a ch liên l c: 17 Nguy n S n, Ph ng Phú Th nh Qu n Tân Phú, TP.HCM n tho i: 0918484999 Email: lecaobach@gmail.com Quá trình t o: - 2003 - 2008: Sinh viên ngành C Khí ch t o máy, Khoa C Khí, Tr i H c Bách Khoa, - i h c Qu c gia Thành Ph H Chí Minh 2009 - nay: H c viên cao h c ngành Công ngh ch t o máy Tr c Bách Khoa, ng i h c Qu c gia Thành Ph H Chí Minh Q trình công tác: - 2009-2010: Công tác t i công ty TNHH Tr - 2010-2011: Công tác t i công ty TNHH MTV óng tàu CNHH Sài Gịn ng ng Th nh Ti n i ... ti t giày dép 21 2.3.2 Thông s k thu t máy quét 3D chi ti t giày dép 26 CH NG 3: THI T K MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP 36 3.1 K t c u t ng th máy quét 3D chi ti t giày dép ... 2.3.2 Thơng s k thu t máy quét 3D chi ti t giày dép 2.3.2.1 Phân tích l a ch n yêu c u k thu t c a máy quét 3D chi ti t giày dép Qua tham kh o máy quét 3D có th tr 2.1 máy quét 3D ng c trình bày... hình ngun lý làm vi c c a máy quét 3D chi ti t giày dép - Thi t k máy quét 3D chi ti t giày dép - Thi t k quy trình, gi i thu t x lý d li u c a máy quét 3D chi ti t giày dép - Thi t k giao di n