4.6.1 Hiệu chuẩn với quả cầu chuẩn
Mục đích để xác định phương trình hiệu chuẩn tọa độ các điểm theo các trục OX, OY, OZ theo phương trình mặt cầu của quả cầu chuẩn với phần mềm được NCS xây dựng theo hình 4-46.
a)
b)
c)
d)
Hình 4-47 Dữ liệu quét sau khi thực hiện phương pháp bình phương nhỏ nhất cho biên dạng hình cầu
Thực nghiệm trên quả cầu chuẩn có R= 25 𝑚𝑚, gá đặt trong vùng quét của thiết bị đo, sau khi áp dụng phương pháp bình phương cực tiểu cho biên dạng hình cầu ta có kết quả hiển thị theo hình 4-47 với các bước thực hiện như sau:
- Bước 1: Đặt quả cầu chuẩn lên bàn máy, và tiến hành lấy mẫu.
- Bước 2: Sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để xác định tâm và bán kính. - Bước 3: Dựa trên phương trình quả cầu và dữ liệu quét 3D tìm các điểm nằm trên phương trình mặt cầu là giao của tâm hình cầu đến các dữ liệu quét.
- Bước 4: Tính toán độ lệch về khoảng cách giữa các điểm dữ liệu quét và điểm nằm trên phương trình hình cầu.
- Bước 5: Tính phân bố chuẩn Gaussian
- Bước 6: Chọn 1 s để tìm các cặp điểm giữa đám mây điểm và điểm nằm trên phương trình hình cầu.
- Bước 6: Tách các cặp điểm có giá trị tương ứng theo từng trục OX, OY, OZ. - Bước 7: Tìm phương trình bậc 3 mối quan hệ giữa các cặp điểm theo 3 trục. - Bước 8: Lưu các tham số của phương trình bậc 3 theo 3 trục vào tệp dữ liệu. Với kết quả hiển thị trong hình 4-47 và bảng số liệu 4-7, sai số khoảng cách dương lớn nhất là 0,259 𝑚𝑚 nằm tại các vùng rìa của dữ liệu quét hình cầu và sai số khoảng cách âm nhỏ nhất là -0,0501 𝑚𝑚.
Bảng 4-7 Sai số phép đo cho dữ liệu hình cầu áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất
Dữ
liệu Sai số dương lớn nhất (mm) Sai số âm nhỏ nhất (mm) Sai số khoảng cách trung bình (mm) Sai số chuẩn (mm) Bán kính đo (mm) 1 0,098 -0,0501 0,0000039 0,166 24,179 2 0,259 -0,156 0,0000056 0,3612 24,183 3 0,258 -0,113 -0,0000084 0,3614 24,184 4 0,253 -0,106 -0,0000017 0,454 24,181
Bảng 4-7 thể hiện kết quả đo của 4 mẫu quét quả cầu chuẩn với bán kính đo được nhỏ nhất là 24,179 mm và lớn nhất là 24,181mm so với kích thước thực của quả cầu là 25,0039 ± 0,007 mm, giá trị đo bán kính trung bình là 24,18175 mm và độ lệch chuẩn là 0,00175 mm. Sau đó, đánh giá phân bố chuẩn cho tất cả các điểm 3D trong 4 mẫu dữ liệu quét.
a)
b)
c)
d)
Hình 4-48 biểu đồ phân bố chuẩn Gaussian của 4 mẫu quét
Dựa trên biểu đồ phân bố chuẩn chọn giá trị trong khoảng 1 s để xác định phương trình đường hiệu chuẩn cho các trục tọa độ OX, OY, OZ theo hàm bậc 3.
"
𝑎…𝑋)+ 𝑏4𝑋!+ 𝑐4𝑋 + 𝑑4 = 𝑋a 𝑎T𝑌)+ 𝑏T𝑌!+ 𝑐T𝑌 + 𝑑T = 𝑌a 𝑎U𝑍)+ 𝑏U𝑍!+ 𝑐U𝑍 + 𝑑U = 𝑍a
(4-2)
Bảng 4-8 Bảng giá trị phương trình hiệu chuẩn cho các trục tọa độ
STT Trục tọa độ 𝒂 𝒃 𝒄 𝒄 1 OX 0,9913 -0,0249 1,0133 0.00003866 2 OY -3,0024 0,0754 1,013 -0,00001319 3 OZ -46,3193 25,6611 -3,7215 0,28834
Áp dụng phương trình hiệu chuẩn với các trục tọa độ OX,OY, OZ theo bảng giá trị 4-8 ta có kết quả như hình 4-49 và bảng 4-9.
a)
c)
d)
Hình 4-49 Dữ liệu quét áp dụng phương trình hiệu chuẩn cho từng trục tọa độ Bảng 4-9 Sai số phép đo cho dữ liệu hình cầu áp dụng phương trình hiệu chuẩn
STT Sai số khoảng cách lớn dương nhất (mm) Sai số khoảng cách âm nhỏ nhất (mm) Sai số khoảng cách trung bình (mm) Sai số chuẩn (mm) Bán kính đo (mm) 1 0,63 -0,469 -3,18 e-6 0,1033 25,0148 2 0,164 -0,158 1,32 e-5 0,29 24,9833 3 0,162 -0,12 8,72 e-5 0,289 24,9850 4 0,214 -0,109 4,66 e-4 0.3948 25,0119
Nhận xét: Sau khi áp dụng phương tình hiệu chuẩn theo các trục OX, OY, OZ đối với dữ liệu quét 3D, ta có giá trị bán kính đo lớn nhất: 25,0119 𝑚𝑚 nhỏ nhất là 24,9833
4.7 Đánh giá độ chính xác đo của hệ thống xây dựng được sử dụng căn mẫu chuẩn mẫu chuẩn
Sau khi đã hiệu chuẩn hệ thống sử dụng quả cầu chuẩn trên phương pháp và phần mềm đã xây dựng, tiến hành đánh giá độ chính xác của hệ thống với căn mẫu chuẩn Ceramic cấp 0 (của hãng Mitutoyo – hình 4-50), sắp xếp theo từng cặp bậc thang có độ dài tiêu chuẩn lần lượt là: 25; 22,8; 20,2; 12,9 và 10,5 mm, các bước thực hiện như sau:
- Bước 1: Xếp căn mẫu chuẩn theo các bậc (hình 4-51.a) - Bước 2: Quét các căn mẫu
- Bước 3: Tái tạo dữ liệu đám mây điểm 3D của căn mẫu (hình 4-51.b)
- Bước 4: Áp dụng phương trình hiệu chuẩn bậc 3 với từng điểm ảnh 3D theo bảng tham số 4-8.
- Bước 5: Lựa chọn các vùng đám mấy điểm để tìm phương trình dạng mặt phẳng 3D (hình 4-51)
- Bước 6: Lựa chọn 1 điểm nằm trên bậc tiếp theo và sử dụng phép chiếu lên phương trình mặt phẳng đã dựng (hình 4-52)
- Bước 7: Xác định khoảng cách giữa điểm và điểm chiếu trên mặt phẳng trên cách bậc còn lại (hình 4-53).
Hình 4-50 Bộ căn mẫu chuẩn cấp 0 của hãng Mitutoyo
Từ dữ liệu đám mây điểm theo hình 4-51, sử dụng phần mềm GOM Inspect V8 để xây dựng các mặt phẳng tham chiếu theo phương pháp xấp xỉ, sau đó tiến hành đo khoảng cách giữa các mặt phẳng.
Hình 4-52 Tạo mặt phẳng trên bậc 1 bằng phần mềm Gom Inspect
Hình 4-54 Dựng các mặt phẳng bậc và đo khoảng cách Bảng 4-10 Kết quả đo và giá trị độ lệch bậc của các căn mẫu
Giá trị thực (mm) Đo lần 1 (mm) Đo lần 2 (mm) Đo lần 3 (mm) Đo lần 4 (mm) Đo lần 5 (mm) Độ lệch chuẩn (mm) Độ lệch chuẩn tương đối (%) 2,200 2,203 2,21 2,192 2,215 2,209 0,00881 0,39961 2,600 2,611 2,613 2,593 2,594 2,595 0,00991 0,38096 7,300 7,305 7,308 7,290 7,291 7,294 0,00832 0,11407 2,400 2,407 2,390 2,391 2,410 2,398 0,00909 0,37904
Nhận xét: Nhìn vào kết quả đo bảng 4-10 với 5 quét mẫu, chia thành 4 bậc, độ lệch chuẩn lớn nhất 0,0091mm và nhỏ nhất là 0,0051mm. Độ lệch chuẩn tương đối nhỏ nhất là 0,11407% và 0,379%. Xử lý kết quả với phân bố Student độ tin cậy 95% có kết quả đo được lần lượt là: 2,2058 ± 0,0097 (mm), 2,6012 ± 0,0109 (mm), 7,2976 ± 0,0083 (mm) và 2,3992 ± 0,01 (mm).
4.8 Thực nghiệm quét và đo với một số chi tiết cơ khí 4.8.1 Thực nghiệm đo kích thước với chi tiết puly 4.8.1 Thực nghiệm đo kích thước với chi tiết puly
Chi tiết Puly trong động cơ Thaco có bản vẽ kích thước như trên hình 4-54 cùng với chi tiết thực sau khi chế tạo.
Tiến hành thực nghiệm đo chi tiết puly theo hình 4-54 và so sánh kết quả đo. - Bước 1: Đặt mẫu Puly lên bàn máy
- Bước 2: Thiết lập tham số bàn máy quay tự động theo trục W từ 0°~359°, mỗi bước dịch chuyển 20°, góc xoay U 45°.
- Bước 3: Thực hiện quét tự động (kết quả như hình 4-55)
- Bước 4: Sử dụng phần mềm Gom Inspect nội suy các dạng hình trụ 3D, mặt phẳng (hình 4-56).
- Bước 5: Đo đạc các kích thước theo bản vẽ hình (4-54)
a)
b)
Hình 4-55 Chi tiết Puly trong động cơ ô tô THACO
Hình 4-57 Đo các kính thước trên phần mềm Gom Inspect
Bảng 4-11 Bảng kết quả đo chi tiết Puly (các số liệu đo được thể hiện trong bảng 5 PHỤ LỤC 2) Giá trị đo bằng panme (mm) Đo lần 1(mm) Đo lần 2(mm) Đo lần 3(mm) Đo lần 4(mm) Đo lần 5(mm) Độ lệch chuẩn (mm) Độ lệch chuẩn tương đối (%) ∅32,01 32,028 32,027 32,010 32,017 32,028 0,0191 0,05986 ∅28,48 28,539 28,452 28,433 28,549 28,509 0,0596 0,20928 9,32 9,235 9,207 9,356 9,322 9,372 0.05588 0,6010
Sử dụng phân bố chuẩn Student với độ tin cậy là 95%, giá trị đo trên bảng 4-11 và bảng 5 (PHỤ LỤC2) có kích thước ∅32,017 ± 0,005 (mm), ∅28,498 ± 0,015 (mm) và 9,298 ±0,014 (mm).
Nhận xét: Đối với đo các kích thước dạng lỗ, độ ổn định của phép đo khi sử dụng phương pháp nội suy với bề mặt hình trụ (trên phần mềm đo 3D Gom Inspect), phụ thuộc vào số điểm ảnh thu được, do đó số điểm ảnh càng nhỏ (tương ứng diện tích bề mặt càng nhỏ) thì độ chính xác của phép đo càng thấp và ngược lại.
4.8.2 Thực nghiệm đo chi tiết piston
Đối với biên dạng lỗ trên chi tiết (phần khoanh đỏ hình 4-58a), khả năng thu nhận ảnh 3D của thiết bị thực nghiệm phụ thuộc vào góc 𝛼 = 18° và khoảng cách giữa 2 máy ảnh (100 mm), với điều kiện để tính toán tọa độ điểm 3D trên bề mặt phải được đồng thời 2 máy ảnh quan sát được và có vân chiếu từ máy chiếu lên điểm đó và bề rộng của vùng quan sát ≥ 8 × 0,108 = 0,86 mm, trong đó 0,108 là độ phân giải điểm ảnh 2D theo độ sâu (Bảng 3-2 trang 90) và 8 là số điểm ảnh trong thuật toán xác định tâm của đường chiếu trên vân dịch đường; với yêu cầu số điểm ảnh nhỏ nhất 3 điểm 3D theo đường sinh của biên dạng hình trụ, chiều sâu nhỏ nhất có thể đo 5 × 0,86 = 4,3 𝑚𝑚
(5 là khoảng cách giữa hai biên để tính 3 đỉnh trong vân chiếu dịch đường), đây cũng là khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 tia có gốc từ máy ảnh đến bề mặt lỗ cần đo. Hình 4-57 mô tả sơ đồ tính đường kính lỗ nhỏ nhất mà hệ thiết bị có thể đo được, đường màu đỏ là tia từ hai máy ảnh đến điểm giữa (trong 3 điểm đo 3D) trên bề mặt của lỗ, đường màu đen là 2 tia biên để đo 2 điểm còn lại. Với góc nghiêng 45°, và khoảng cách 200 mm từ vật đến hệ đo thì đường kính nhỏ nhất có thể đo là ∅10,21 mm < ∅13 mm (đường kính lỗ trên chi tiết piston), hệ thống có thể đo được biên dạng lỗ trên piston.
Hình 4-58 Sơ đồ tính toán đường kính lỗ nhỏ nhất có thể đo được tại vị trí góc nghiêng của chi 45o
Thực hiện quét chi tiết (piston hình 4-58a) tương tự các bước đo trên chi tiết puly với yêu cầu đo đường kính mặt trụ ngoài và đường kính lỗ trong. Hình 4-58b thể hiện chi tiết piston sau khi quét bàn máy quay tự động theo trục W từ 0o~359o, mỗi bước dịch chuyển 20o, góc xoay U 45o và 18 dữ liệu quét từ các góc khác nhau được ghép tự động dựa trên tham số của ma trận dịch chuyển đối với mỗi vị trí bàn xoay. Sau đó dữ liệu được đo kích thước đường kính ngoài như trong hình 4-59.
a)
b)
Hình 4-59 Chi tiết piston động cơ xe máy và dữ liệu quét 3D chi tiết piston trên phần mềm thực nghiệm
Nhận xét: Biên dạng lỗ trên chi tiết (phần khoanh đỏ hình 4-58a) sau khi quét được thu thập dữ liệu điểm đo 3D (phần khoanh đỏ hình 4-58b) minh chứng cho phần tính toán khả năng đo lỗ khả dụng khi đường kính lớn hơn đường kính nhỏ nhất ∅10,21 mm;
tương tự với các biên dạng rãnh có khoảng cách 1 mm và 2 mm nhỏ hơn khoảng cách tối thiểu 10,21 mm nên không có dữ liệu 3D thu được.
Hình 4-60 Đo đường kính ngoài chi tiết piston trên phần mềm Gom Inspect Bảng 4-12 Bảng kết quả đo đường kính piston
(các số liệu đo được thể hiện trong bảng 6 PHỤ LỤC 2)
Giá trị đo bằng panme (mm) Đo lần 1 (mm) Đo lần 2 (mm) Đo lần 3 (mm) Đo lần 4 (mm) Đo lần 5 (mm) Độ lệch chuẩn (mm) Độ lệch chuẩn tương đối (%) ∅50,01 49,993 50,002 50,078 49,983 49,998 0,030 0,060 ∅13,04 13,057 13,072 13,076 12,970 13,004 0,2838 0,118
Sử dụng phân bố chuẩn Student với độ tin cậy là 95%, giá trị đo trên bảng 4-12 và bảng 6 PHỤ LỤC-2 là đường kích ngoài ∅50,02 ± 0,008(mm), đường kính lỗ chốt ∅13,01 ± 0,01(mm).
4.8.3 Quét một số chi tiết khác
Với mục đích đánh giá ảnh hưởng của các bề mặt phản xạ khác nhau, khi quét trên các vật liệu khác nhau. Khi đó hệ số phản xạ được thay bằng độ bóng (Gloss), tiến hành quét một số chi tiết có hình dạng bề mặt phức tạp làm bằng vật liệu khác nhau như: Đồng, nhựa mạ vàng 24K, sáp. Hình 4-60 chi tiết hoa văn đúc đồng kích thước 111 ×
90 × 5 (mm) được thực hiện với 1 lần quét, hình 4-61 chi tiết hình con cá mạ vàng 24k kích thước 360 × 160 × 75 (mm) với 5 lần quét (sử dụng trục Z trên bàn máy để di chuyển), hình 4-62 chi tiết tượng linh vật đúc bằng vật liệu sáp kích thước 265 × 150 ×
Nhận xét: Đối với các chi tiết có màu sắc sáng hoặc ánh kim, sử dụng phương pháp HDR do NCS đề xuất thu được hầu hết các bề mặt 3D trên chi tiết. Tuy nhiên, với các chi tiết có bề mặt hấp thụ ánh sáng (chi tiết màu đen ví dụ một phần trên hình 4-61) thì phương pháp này không hiệu quả do việc khó phân biệt các đỉnh vạch sáng của vân chiếu dịch đường, do vậy cần có những nghiên cứu tiếp theo để cải thiện chất lượng ảnh 3D đối với chi tiết màu sắc tối.
Hình 4-61 Dữ liệu quét chi tiết bằng vật liệu đồng
Hình 4-63 Dữ liệu quét khi đã ghép nối các góc quét của tượng hổ bằng vật liệu sáp
4.9 Kết luận
Chương 4 đã trình bày thiết bị thực nghiệm, phần mềm được xây dựng cho hệ thống đo quét 3D sử dụng phương pháp mã Gray và dịch đường. Các bước tiến hành cho cấu hình hệ thống, xử lý và thu nhận ảnh 3D từ ảnh độ sâu.
Xác định bộ thông số của các vị trí dịch chuyển bàn máy so với thiết bị đo 3D bằng tập các ảnh chụp ô bàn cờ gá đặt lên bàn máy.
Tiến hành thực nghiệm đánh giá và tổng hợp phương pháp sử dụng kỹ thuật HDR cho quá trình quét 3D với chi tiết có độ bóng cao từ 4 thông số thiết lập cho hệ thống được phân đoạn theo dải mức xám tương ứng, kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp đưa ra có thể thu nhận các chi tiết cơ khí tốt hơn so với phương pháp hợp nhất đa phơi sáng, tuy nhiên số lượng lấy mẫu lớn và mất thời gian tính toán, do vậy cần có thêm các nghiên cứu để tối ưu bộ số thiết lập để giảm số lấy mẫu.
Với quả cầu chuẩn, thực nghiệm xác định phương trình hiệu chuẩn dữ liệu đo 3D thu được, từ đó xây dựng phương trình hiệu chuẩn để tăng độ chính xác. Được kiểm nghiệm lại khi đo với các căn mẫu chuẩn cấp 0.
Mố số mẫu chi tiết cơ khí được đo các kích thước từ đó đánh giá phương pháp và thiết bị đo phù hợp cho việc đo kích thước các chi tiết cơ khí có độ chính xác đạt được tối đa ± 20 𝜇𝑚. Với các chi tiết có tính chất bề mặt khác nhau và độ phản xạ khác nhau, một số thí nghiệm đã được tiến hành dựa trên các chi tiết bằng các vật liệu như: Đồng, mạ vàng, sáp; phương pháp HDR do NCS đề xuất cho độ phân giải và chất lượng tốt, có thể ứng dụng cho các lĩnh vực khác không chỉ với các chi tiết cơ khí. Tuy nhiên phương pháp này còn hạn chế khi thực hiện đo các chi tiết có bề mặt tối (bề mặt hấp thụ ánh sáng) nên cần có những nghiên cứu tiếp tục để cải tiến.
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN
Luận án đã đóng góp những nội dung chính sau:
- Nghiên cứu phương pháp mã hóa các điểm trên bề mặt vật sử dụng mã vân Large-