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 h ệ th ống quang học, giữa đầu đo và bề mặ t chi ti ết đo không có áp lực đo [12], [15]. Phương pháp đo không ti ế p xúc s ử d ụng tia X, sóng siêu âm, laser và các phương pháp sử dụng nguyên lý quang h ọc để thu th ậ p d ữ liệu điểm đo được phân lo ạ i thành 2 d ạng phương pháp chính là: quét ch ủ độ ng (Active) và quét b ị 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 t ốc độ đo nhanh hơn. Hầ u h ế t các thi ế t b ị đo sử d ụng camera làm c ả m bi ế n hình ả nh v ới t ốc độ ch ụp hình cao có th ể đế n hàng tri ệ u ả nh trong mộ t giây, s ố điể m đo tương ứ ng v ới s ố điể m ả nh c ủ a camera nên t ốc độ đo rấ t nhanh, có kh ả năng đo quét các chi ti ế t tr ự c tuyế n [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24].
Hình 1. 12: Phân loại phương pháp đo không tiếp xúc quang học [24].
(a)
(c)
(b)
(d) Hình 1. 13: Một số dạng máy đo biên dạng không tiếp xúc.
- 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 chi ế u vào đối tượng đo , ánh sáng ph ả n xạ từ đối tượng đo qua th ấu kính thu và được t ậ p trung vào ph ầ n t ử nhậ n ánh
sáng. N ế u kho ả ng cách t ừ c ả m bi ến đế n đối tượng đo thay đổi, góc c ủa ánh sáng ph ả n xạ sẽ thay đổi khi ế n v ị trí c ủa ánh sáng nh ận được thay đổi trên ph ầ n t ử nhậ n ánh sáng. Sự thay đổ i này t ỷ lệ thu ậ n v ới lượ ng sai l ệ ch c ủa bề mặ t đối tượng đo , bi ế t khoả ng cách mỗ i v ị trí trên ph ầ n t ử nh ận ánh sáng, chúng ta xác định được sai l ệ ch trên b ề mặt đối tượng đo .
Hình 1. 14: Nguyên lý đo khoảng cách tam giác lượng.
Hiệ n nay, thi ế t b ị đo 3D bằ ng ánh sáng c ấ u trúc (Hình 1.15) theo phương pháp tam giác lượng được ứ ng d ụng r ộng rãi trong công nghi ệ p do nh ững ưu điểm vượ t tr ộ i c ủa phương pháp như tốc độ đo nhanh, góc quét rộng, đo được với các biên d ạ ng ph ứ c tạ p [11], [12] : sơ đồ khối c ủa một h ệ th ống đo sử dụng ánh sáng c ấ u trúc, thông
thường bao gồ m một b ộ phậ n chi ế u ả nh mẫ u, một b ộ ph ậ n thu nh ậ n hình ả nh và mộ t bộ xử lý, phân tích ả nh. B ộ phậ n chi ế u ảnh thường là máy chi ế u, b ộ ph ậ n thu ả nh có thể sử dụng m ộ t ho ặ c nhi ề u máy ả nh. Nguyên lý c ủa phương pháp đo này là chiế u mộ t miề n ánh sáng c ấ u trúc được mã hóa lên v ậ t th ể c ần đo, biên dạ ng b ề mặ t và ánh sáng mã hóa xu ấ t hi ệ n trên b ề mặ t 3D c ủa chi ti ết đo được thu l ạ i b ởi h ệ thống camera. T ọa độ 2D c ủa chi ti ết đo được xác định thông qua cường độ và v ị trí c ủa điể m ả nh trên
c ả m bi ế n ảnh. Độ sâu c ủa chi ti ết đo được xác định thông qua độ lệ ch pha c ủa ánh sáng mẫ u khi chi ế u lên chi ti ết đo và ánh sáng mẫ u chi ế u lên mặ t ph ẳ ng chu ẩ n. M ặ t ph ẳ ng chu ẩ n là m ặ t ph ẳng đi qua giao điể m c ủa tr ục quang camera và máy chi ế u và song song v ới đườ ng n ối gi ữ a pupin vào c ủa camera và máy chi ế u.
Hình 1. 15: Nguyên lý phương pháp đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc [11].
+ Phương pháp đo thờ i gian truyề n sóng [25], [26]: khi kho ảng 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 d ạ ng thi ế t b ị chính là: phương pháp Time - Of – Flight (Thời gian che khu ấ t) (Hình 1.16) và phương pháp giao thoa (Hình 1.17). V ới thiế t b ị Time - Of – Flight ngu ồ n phát có th ể d ạ ng xung hoặ c liên t ụ c.
- Phương pháp đo không tiế p xúc b ị động s ử dụng các hình ả nh c ủa v ậ t c ần đo để xác định t ọa độ điểm đo gồm: phương pháp ả nh l ậ p th ể (mô ph ỏng l ạ i cách quan sát c ủa mắt người), phương pháp quang trắc, phương pháp dự a vào bóng c ủa v ậ t, ả nh thu được qua camera [24].
Phương pháp đo biên dạ ng không ti ế p xúc chủ động với nhi ều ưu điểm như: đo nhanh, đo trự c ti ế p trên dây chuyề n s ả n xu ất và đo được các b ề mặ t mề m, chi ti ế t có kích thước l ớn, yêu c ầu độ chính xác cao, … do đó phương pháp này ngày càng được ứ ng d ụng r ộng rãi trong đo lường cơ khí chính xác . M ột số dạ ng thi ế t b ị đo biên dạ ng không ti ếp xúc như: máy phóng hình, kính hi ển vi, máy đo quét laser, máy đo bằ ng ánh sáng cấu trúc, …
Trong đó, phương pháp tam giác lượng hi ện nay được được ứ ng d ự ng r ấ t nhi ề u trong công nghi ệp đo quét 3D nhờ kh ả năng đo nhanh, góc quét r ộng, kh ả năng cơ độ ng, quét được các chi ti ế t có biên d ạ ng ph ứ c t ạ p v ới độ chính xác đế n hàng ch ụ c µm. Nhược điể m t ồn tạ i hi ệ n nay c ủa phương pháp này là có độ chính xác còn h ạ n ch ế do ch ịu nhi ề u ảnh hưở ng c ủa môi trườ ng, tính ch ấ t b ề mặ t v ật đo và đặc điể m c ấ u t ạ o ho ạt động c ủ a h ệ thống đo. Với phương pháp đo thời gian truyề n sóng d ạ ng xung tuy tốc độ đo không nhanh bằng phương pháp tam giác lượng nhưng độ chính xác cao hơn (c ỡ µm) phù h ợp đo biên dạ ng 3D các chi ti ế t tròn xoay có yêu c ầ u độ chính xác cao, đặ c bi ệ t v ới các chi ti ết có đườ ng kính nh ỏ ho ặ c l ớn r ất khó đo biên dạ ng b ằ ng các phương pháp đo khác . Ngày nay, v ới s ự hỗ tr ợ c ủa ph ầ n c ứ ng và ph ầ n m ề m việ c x ử lý dữ liệu điểm đo lớn được khắ c ph ục do đó tốc độ c ủa phương pháp quét lase r dạ ng này cũng được cả i thi ện đáng kể .