4. Các kết quả mới của luận án
1.3.2 Phương pháp đo biên dạng 3D không tiếp xúc
Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp đo sử dụng hệ thống quang học, giữa đầu đo và bề mặt chi tiết đo không có áp lực đo [12], [15]. Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm, laser và các phương pháp sử dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạng phương pháp chính là: quét chủ động (Active) và quét bị động (Passive) [16], [17] (Hình 1.12). Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp đo bị động thường có tốc độ đo nhanh hơn. Hầu hết các thiết bị đo sử dụng camera làm cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao có thể đến hàng triệu ảnh trong một giây, số điểm đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh, có khả năng đo quét các chi tiết trực tuyến [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24].
11
Hình 1. 12: Phân loại phương pháp đo không tiếp xúc quang học [24].
(a) (b)
(c) (d)
Hình 1. 13: Một số dạng máy đo biên dạng không tiếp xúc.
a) Máy phóng hình, b) Máy đo quét laser, c) Máy đo khoảng cácch laser, d) Máy đo bằng ánh sáng cấu trúc.
12
- Phương pháp đo không tiếp xúc chủ động chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ, phản xạ của bề mặt chi tiết để xác định điểm đo; có các nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam giác lượng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc) [24].
+ Nguyên lý tam giác lượng: Tia laser chiếu vào đối tượng đo, ánh sáng phản xạ từ đối tượng đo qua thấu kính thu và được tập trung vào phần tử nhận ánh sáng. Nếu khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng đo thay đổi, góc của ánh sáng phản xạ sẽ thay đổi khiến vị trí của ánh sáng nhận được thay đổi trên phần tử nhận ánh sáng. Sự thay đổi này tỷ lệ thuận với lượng sai lệch của bề mặt đối tượng đo, biết khoảng cách mỗi vị trí trên phần tử nhận ánh sáng, chúng ta xác định được sai lệch trên bề mặt đối tượng đo.
Hình 1. 14: Nguyên lý đo khoảng cách tam giác lượng.
Hiện nay, thiết bị đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc (Hình 1.15) theo phương pháp tam giác lượng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do những ưu điểm vượt trội của phương pháp như tốc độ đo nhanh, góc quét rộng, đo được với các biên dạng phức tạp [11], [12]: sơ đồ khối của một hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, thông thường bao gồm một bộ phận chiếu ảnh mẫu, một bộ phận thu nhận hình ảnh và một bộ xử lý, phân tích ảnh. Bộ phận chiếu ảnh thường là máy chiếu, bộ phận thu ảnh có thể sử dụng một hoặc nhiều máy ảnh. Nguyên lý của phương pháp đo này là chiếu một miền ánh sáng cấu trúc được mã hóa lên vật thể cần đo, biên dạng bề mặt và ánh sáng mã hóa xuất hiện trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lại bởi hệ thống camera. Tọa độ 2D của chi tiết đo được xác định thông qua cường độ và vị trí của điểm ảnh trên cảm biến ảnh. Độ sâu của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha của ánh sáng mẫu khi chiếu lên chi tiết đo và ánh sáng mẫu chiếu lên mặt phẳng chuẩn. Mặt phẳng chuẩn là mặt phẳng đi qua giao điểm của trục quang camera và máy chiếu và song song với đường nối giữa pupin vào của camera và máy chiếu.
13
Hình 1. 15: Nguyên lý phương pháp đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc [11].
+ Phương pháp đo thời gian truyền sóng [25], [26]: khi khoảng cách thay đổi lượng d làm cho thời gian truyền sóng thay đổi t. Khi xác định được khoảng thời gian t thì từ mối quan hệ giữa d và t ta tính toán được khoảng cách thay đổi d.
Hình 1. 16: Nguyên lý phương pháp Time - Of – Flight dạng xung [25].
Phương pháp đo thời gian truyền sóng được chia thành hai dạng thiết bị chính là: phương pháp Time - Of – Flight (Thời gian che khuất) (Hình 1.16) và phương pháp giao thoa (Hình 1.17). Với thiết bị Time - Of – Flight nguồn phát có thể dạng xung hoặc liên tục.
14
- Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sử dụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập thể (mô phỏng lại cách quan sát của mắt người), phương pháp quang trắc, phương pháp dựa vào bóng của vật, ảnh thu được qua camera [24].
Phương pháp đo biên dạng không tiếp xúc chủ động với nhiều ưu điểm như: đo nhanh, đo trực tiếp trên dây chuyền sản xuất và đo được các bề mặt mềm, chi tiết có kích thước lớn, yêu cầu độ chính xác cao, … do đó phương pháp này ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đo lường cơ khí chính xác. Một số dạng thiết bị đo biên dạng không tiếp xúc như: máy phóng hình, kính hiển vi, máy đo quét laser, máy đo bằng ánh sáng cấu trúc, …
Trong đó, phương pháp tam giác lượng hiện nay được được ứng dựng rất nhiều trong công nghiệp đo quét 3D nhờ khả năng đo nhanh, góc quét rộng, khả năng cơ động, quét được các chi tiết có biên dạng phức tạp với độ chính xác đến hàng chục µm. Nhược điểm tồn tại hiện nay của phương pháp này là có độ chính xác còn hạn chế do chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường, tính chất bề mặt vật đo và đặc điểm cấu tạo hoạt động của hệ thống đo. Với phương pháp đo thời gian truyền sóng dạng xung tuy tốc độ đo không nhanh bằng phương pháp tam giác lượng nhưng độ chính xác cao hơn (cỡ µm) phù hợp đo biên dạng 3D các chi tiết tròn xoay có yêu cầu độ chính xác cao, đặc biệt với các chi tiết có đường kính nhỏ hoặc lớn rất khó đo biên dạng bằng các phương pháp đo khác. Ngày nay, với sự hỗ trợ của phần cứng và phần mềm việc xử lý dữ liệu điểm đo lớn được khắc phục do đó tốc độ của phương pháp quét laser dạng này cũng được cải thiện đáng kể.