Nghiên cứu phương pháp xác định profile bề mặt chi tiết gia công cơ khí bằng ảnh kỹ thuật số

Nghiên cứu phương pháp xác định profile bề mặt chi tiết gia công cơ khí bằng ảnh kỹ thuật số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

: PGS.TS NGUYỄN VĂN VINH

Hµ NéI - 2013

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình khoa học do chính tôi nghiên cứu Các kết quả công bố là trung thực và không trùng với một công trình khoa học nào khác

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hoàng Tùng

Để hoàn thành bản luận án này tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của rất nhiều cá nhân và tập thể trong và ngoài Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học - Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin bày tỏ lời cảm

ơn chân thành của mình đối với những giúp đỡ quý giá đó

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai và thầy giáo TS Nguyễn Văn Vinh, những người đã hết sức tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn tận tình cho tôi không chỉ trong quá trình thực hiện luận

án

Xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo và toàn thể cán bộ làm việc tại

Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học - Viện Cơ khí - Trường ĐH Bách khoa

Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện bản luận án Nhân dịp này, tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn tới các Thủ trưởng, các phòng ban chức năng thuộc Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; lãnh đạo chỉ huy, và đồng nghiệp tại Trung tâm Đo lường - Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian, và sự động viên tinh thần rất quý giá

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người thân, và bạn bè

đã giúp đỡ, động viên để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hoàng Tùng

Trang

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU 1

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH 5

MỞ ĐẦU 9

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ 13

1.1 Đánh giá chất lượng và độ chính xác của chi tiết cơ khí qua profile bề mặt 13

1.2 Các thông số đánh giá profile bề mặt 15

1.2.1 Thông số nhám 2D 16

1.2.2 Thông số nhám 3D 16

1.3 Các phương pháp đo profile bề mặt 21

1.3.1 Phương pháp chép hình 22

1.3.2 Phương pháp đo theo mặt 26

1.3.3 Phương pháp dùng kính hiển vi đo quét 32

1.3.4 Xác định chiều sâu từ độ nhòe ảnh 36

1.4 Kết luận chương 49

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TOÁN TÁI HIỆN PROFILE BA CHIỀU 51

2.1 Cơ sở lý thuyết 51

2.1.1 Mô hình hình ảnh đơn giản nhất 51

2.1.2 Mô hình nhòe dạng khuếch tán 56

2.1.3 Mô hình tính toán sử dụng độ nhòe ảnh 62

2.2 Phương pháp xây dựng lại profile / biên dạng 64

2.3 Hiệu chuẩn thuật toán 71

2.3.1 Tính toán các bề mặt giả định để kiểm tra thuật toán 71

2.3.2 Khảo sát độ chính xác của bề mặt khi thay đổi số bước lặp, trong trường hợp bề mặt dạng dốc 74

ảnh nhòe, trong trường hợp bề mặt dạng phẳng 78

2.4 Kết luận chương 84

Chương 3 KÍNH HIỂN VI KỸ THUẬT SỐ 85

3.1 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi kỹ thuật số 85

3.2 Phân tích độ nhòe ảnh sử dụng cảm biến hình ảnh (CCD) 86

3.2.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh CCD 87

3.2.2 Đặc điểm của cảm biến hình ảnh CCD 92

3.3 Xây dựng cơ sở tính toán chuyển đổi tín hiệu đo trong hệ quang đối với từng điểm sáng trên bề mặt đo 96

3.3.1 Khi điểm sáng trên bề mặt đo nằm đúng mặt phẳng vật của thấu kính tương đương 97

3.3.2 Khi điểm sáng trên bề mặt vật đo nằm ngoài mặt phẳng vật của thấu kính tương đương 97

3.3.3 Khi điểm sáng trên bề mặt vật đo nằm trong mặt phẳng vật của thấu kính tương đương 98

3.4 Biến đổi độ lệch δ từ quang thông phân bố đều trên vòng tròn mờ thành tín hiệu điện 101

3.4.1 Thay đổi quang thông theo diện tích vòng tròn mờ trên màn thu 101

3.4.2 Biến đổi quang thông nhận được trên phần tử thu thành tín hiệu điện 107

3.5 Tính toán thông số của kính hiển vi kỹ thuật số 111

3.6 Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX100 115

3.6.1 Đặc điểm 115

3.6.2 Tính toán lại các thông số kỹ thuật của kính hiển vi VHX100 116

3.7 Kết luận chương 123

Chương 4 THỰC NGHIỆM, KIỂM CHỨNG VÀ KẾT QUẢ 124

4.1 Thực nghiệm đo profile mặt phẳng chuẩn 124

4.1.1 Một số hình ảnh nhòe của bề mặt chuẩn bậc Mitutoyo code 178-610 chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 125

4.1.2 Xây dựng lại bề mặt của mặt phẳng chuẩn 129

4.1.3 Xây dựng lại bề mặt của chuẩn bậc tại khu vực ranh giới giữa vùng 1 và vùng 2 của chuẩn bậc 131

4.2 Thực nghiệm đo profile bề mặt nhám của chuẩn nhám Mitutoyo 133

Mitutoyo chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 133

4.2.2 Xây dựng lại profile bề mặt nhám của tấm chuẩn độ nhám Mitutoyo 134

4.3 Thực nghiệm đo kích thước của chi tiết cơ khí 136

4.3.1 Một số hình ảnh nhòe của bề mặt sau nguyên công phay CNC chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 136

4.3.2 Xây dựng lại profile bề mặt 137

4.4 Thực nghiệm đo một số chi tiết vi cơ 139

4.4.1 Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 1 chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 139

4.4.2 Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 2 chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 140

4.4.3 Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 3 chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 141

4.5 Kết luận chương 142

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 143

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 144

TÀI LIỆU THAM KHẢO 145

CÁC PHỤ LỤC 150

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

Bản đồ chiều sâu: ma trận (m hàng,

n cột) chứa thông tin khoảng cách

từ điểm / mặt phẳng quy ước đến các

điểm [(1m)Δx, (1n)Δy] trên bề

mặt vật - với chiều sâu

Z[(1m)Δx,(1n)Δy]

: Depth map

Chiều dài chuẩn : Sampling length / Cut-off length Chiều dài đánh giá : Assessment length / Evaluation length Chiều sâu hội tụ : Depth of Focus

Chiều sâu từ độ sắc nét (DFF):

phương pháp xác định bản đồ chiều

sâu từ loạt hình ảnh bề mặt vật có độ

nét khác nhau, chụp được khi thay

đổi khoảng cách giữa hệ quang và bề

sâu từ độ nhòe ảnh của các điểm trên

bề mặt vật, thu được qua hai hay

nhiều hơn hai ảnh nhòe

: Depth from defocus

Độ nhám : Roughness

Khẩu độ số (NA) : Numerical Aperture / Angular Aperture

Đo bằng đầu dò tiếp xúc : Stylus technique

Kính hiển vi kỹ thuật số: kính hiển

vi quang học ghép nối với cảm biến

Kính hiển vi quét (SEM) : Scanning Electron Microscope

Sai lệch hình dạng : Form error

Thông số nhám bề mặt : Surface roughness parameters

Thông số biên độ : Amplitude Parameter

Thông số bước/khoảng cách : Spacing Parameter

Tín hiệu sai lệch hội tụ : Focus Error Signal

Cảm biến hình ảnh quang điện tử

Một số ký hiệu

h(y,x) : Hàm Gauss 2 chiều hạt nhân thay đổi bất biến tròn đối xứng

Δσ : Độ mờ tương đối

c : Hệ số khuyếch tán

E 1 (x,y) : Năng lượng ảnh nhòe trước khi thay đổi

E2(x,y) : Năng lượng ảnh nhòe sau khi thay đổi

δ : Khoảng cách từ điểm đo đến tiêu cự vật kính đo

0 : Quang thông tại mọi điểm trên bề mặt vật đo

PRNU : Tỷ lệ phần trăm của sự tán xạ trong phản ứng với mỗi điểm ảnh

ftd : Tiêu cự của thấu kính tương đương

u0 : Khoảng cách từ mặt phẳng vật đến thấu kính tương đương

v0 : Khoảng cách từ thấu kính tương đương đến màn thu

Rtd : Bán kính của thấu kính tương đương

r : Bán kính vòng tròn mờ

thu : Quang thông nhận được trên bề mặt tế bào thu

U thu : Điện áp ra của quang điện trở

M Q : Độ phóng đại quang

aCCD : chiều dài của CCD

bCCD : chiều rộng của CCD

aQS : Chiều dài của vùng quan sát

bQS : Chiều rộng của vùng quan sát

NA : Khẩu độ số

LP/mm : Cặp dòng cho mỗi mm

Res : Độ phân giải quang

hệ quang ứng với các độ phóng đại khác nhau 119

Bảng 3.4 : Đường kính tương đương của thấu kính ứng với mỗi độ

DANH MỤC HÌNH

Trang Chương 1

Hình 1.1: Sai lệch hình dạng, sóng và nhám trong profile bề mặt 13

Hình 1.2: a) Profile bề mặt nguyên thủy, b) Profile sóng và profile nhám 14

Hình 1.3: Phân loại các thông số nhám bề mặt 15

Hình 1.4: Thành phần cơ bản của profile nhám bề mặt 16

Hình 1.5 : Bộ 14 thông số 3D Birmingham 17

Hình 1.6: Mô tả bề mặt 3D 18

Hình 1.7: Lưới điểm số hoá bề mặt 3D 18

Hình 1.8 Sơ đồ khối thiết bị đo chép hình bằng đầu dò tiếp xúc 23

Hình 1.9 Nguyên lý đo tiếp xúc bằng đầu dò 23

Hình 1.10 Nguyên lý đo tam giác đạc 24

Hình 1.11 Nguyên lý đo tự động dò điểm hội tụ 25

Hình 1.12 Nguyên lý đo tán xạ tích phân toàn phần 26

Hình 1.13 Giao thoa kế dịch pha PSI 28

Hình 1.14 Hệ giao thoa Mirau 29

Hình 1.15 Hệ giao thoa Linnik 29

Hình 1.16 Nguyên lý đo nhám bề mặt theo sự thay đổi tiêu điểm 30

Hình 1.17: Nguyên lý kính hiển vi đường ngầm điện áp không đổi 34

Hình 1.18: Nguyên lý kính hiển vi đường ngầm chiều cao z không đổi 34

Hình 1.19: Đám mây electron giữa bề mặt và đầu đo 35

Hình 1.20: a) AFM sử dụng hệ STM , b) AFM sử dụng hệ thống quang học 35

Hình 1.21: Sơ đồ quang hình giải thích mờ do nhòe ảnh 37

Hình 1.22: Các thông số camera liên quan đến quan hệ chiều sâu và độ nhòe 40

Hình 1.23 Hai ảnh cùng chụp một đối tượng chỉ khác nhau độ sâu trường ảnh 41

Hình 1.24: Ảnh của điểm P tại hai mặt phẳng thu ảnh 44

Hình 1.25: Sử dụng khẩu độ tại mặt phẳng tiêu phía trước thấu kính giữ nguyên độ phóng đại 45

Hình 1.26: Quan hệ giữa hệ số độ nét q với độ nhòe ảnh α 46

Hình 1.27: Hệ hai ống kính tiêu cự thay đổi 47

Hình 1.28: Chiều sâu tính toán từ độ sắc nét 48

Hình 1.29: Ước lượng bán kính mờ 49

Chương 2

Hình 2.1 Biểu diễn hình học của hình ảnh bề mặt đo liên tục, không

phẳng 55

Hình 2.2 Hình ảnh phân phối nhiệt, mờ bởi sự khuếch tán (Sự chói sáng của mặt phẳng 57

Hình 2.3 Hàm lan truyền điểm, phép đo gần đúng của hàm lan truyền điểm bằng cách lấy hình ảnh của nguồn ánh sáng nhỏ ở rất xa 58

Hình 2.4 Nguyên lý của phương pháp 64

Hình 2.5 Nguyên lý trong trường hợp a 66

Hình 2.6 Nguyên lý trong trường hợp b 66

Hình 2.7 Nguyên lý trong trường hợp c 67

Hình 2.8 Nguyên lý trong trường hợp d 67

Hình 2.9 Mô hình hóa kết cấu các miền khác nhau 72

Hình 2.10 Mô hình kết cấu ngẫu nhiên 72

Hình 2.11 Hai hình ảnh nhòe của bề mặt dốc 72

Hình 2.12 Hai hình ảnh nhòe của bề mặt phẳng 73

Hình 2.13 Hai hình ảnh nhòe của cùng bề mặt dốc 74

Hình 2.14 Hình ảnh màu bề mặt giả định và một số bề mặt tính toán với số bước lặp β khác nhau 75

Hình 2.15 Hình ảnh chiều sâu bề mặt giả định và một số bề mặt tính toán với số bước lặp β khác nhau 76

Hình 2.16 Hình ảnh bản đồ sai số bề mặt giả định và một số bề mặt tính toán với số bước lặp β khác nhau 77

Hình 2.17 Mối quan hệ giữa φ trung bình bình phương lỗi với số bước lặp β 78

Hình 2.18 Hai hình ảnh nhòe của bề mặt phẳng 78

Hình 2.19 Bản đồ chiều sâu, bản đồ lỗi khi v2=0,70 79

Hình 2.20 Bản đồ chiều sâu, bản đồ lỗi khi v2=0,75 80

Hình 2.21 Bản đồ chiều sâu, bản đồ lỗi khi v2=0,80 81

Hình 2.22 Bản đồ chiều sâu, bản đồ lỗi khi v2=0,85 82

Hình 2.23 Bản đồ chiều sâu, bản đồ lỗi khi v2=0,90 83

Hình 2.24 Quan hệ giữa trung bình bình phương lỗi với khoảng cách giữa 2 ảnh 84

Chương 3 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi kỹ thuật số 85

Hình 3.2 Cấu hình của cảm biến hình ảnh CCD 87

Hình 3.3 Cấu hình lý thuyết của khu vực quang 87

Hình 3.4 Kết cấu mặt cắt ngang và hoạt động của khu vực quang 88

Hình 3.5 Hoạt động của ổ 2 pha đơn giản 89

Hình 3.6 Cấu hình của kênh đơn 89

Hình 3.7 Cấu hình của kênh kép 90

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc mặt cắt ngang CCD kênh chìm 90

Hình 3.9 Cấu hình và hoạt động của khu vực mạch đầu ra 91

Hình 3.10 Bảng chuyển đổi của độ rọi (từ các phép đo) 91

Hình 3.11 Đặc điểm chuyển đổi quang điện (TCD1208AP) 92

Hình 3.12 Đặc điểm chuyển đổi quang điện 92

Hình 3.13 Đặc trưng đáp ứng quang phổ 93

Hình 3.14 Dạng sóng đầu ra bão hòa 94

Hình 3.15 Sự khác biệt trong mức sản lượng do khác biệt trong không gian tần số đầu vào của ánh sáng hình ảnh 95

Hình 3.16 Khi điểm sáng O1 nằm đúng mặt phẳng vật của thấu kính tương đương 97

Hình 3.17 Khi điểm sáng O2 nằm trong mặt phẳng vật của thấu kính tương đương 99

Hình 3.18 Quang thông nhận được trên tế bào thu, khi δ = 0 102

Hình 3.19 Quang thông nhận được trên tế bào thu, khi 0 2k1 a   103

Hình 3.20 Quang thông nhận được trên tế bào thu, khi 2k1 a   104

Hình 3.21 Quang thông nhận được trên tế bào thu, khi 0 2 1     k a 104

Hình 3.22 Quang thông nhận được trên tế bào thu, khi 2k1 a    105

Hình 3.23: Quan hệ giữa điện trở và quang thông nhận được trên phần tử thu 107

Hình 3.24 Mạch điện chuyển đổi quang thông thành điện áp 108

Hình 3.25 Quan hệ giữa điện áp và quang thông 110

Hình 3.26 Khẩu độ số của vật kính 112

Hình 3.27 Độ phân giải quang 113

Hình 3.28 Chiều sâu hội tụ 113

Hình 3.29 Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX100 116

Chương 4

Hình 4.1 Chuẩn bậc Mitutoyo code 178-610 124

Hình 4.2 Hình ảnh mờ trước và sau khi dịch chuyển vật kính đi 0,001 mm 129

Hình 4.3 Mặt phẳng chuẩn theo mức xám (0,169 mm x 0,169 mm trên bề mặt chuẩn) 130

Hình 4.4 Hình ảnh 3 chiều của (0,169 mm x 0,169 mm) mặt phẳng chuẩn 130

Hình 4.5 Hai hình ảnh nhòe thu được trên kính hiển vi khi khoảng cách giữa bề mặt vật và kính hiển vi chênh nhau 0,001 mm 131

Hình 4.6 Hai hình ảnh nhòe chuyển sang ảnh mức độ xám 131

Hình 4.7 Bề mặt xây dựng lại theo mức độ xám 132

Hình 4.8 Bề mặt xây dựng lại theo dạng 3 chiều 132

Hình 4.9 Hình ảnh mờ trước và sau khi dịch chuyển vật kính 134

Hình 4.10 Bề mặt tấm chuẩn độ nhám theo mức xám 134

Hình 4.11 Hình ảnh 3 chiều của tấm chuẩn độ nhám 135

Hình 4.12 Hình ảnh mờ trước và sau khi dịch chuyển vật kính đi 0,005 mm 137

Hình 4.13 Ảnh bề mặt chi tiết 137

Hình 4.14 Hình ảnh 3 chiều của bề mặt chi tiết 138

Hình 4.15 Một số hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 1 139

Hình 4.16 Bản đồ chiều sâu chi tiết vi cơ số 1 theo màu 139

Hình 4.17 Bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 1 139

Hình 4.18 Một số hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 2 140

Hình 4.19 Bản đồ chiều sâu chi tiết vi cơ số 2 theo màu 140

Hình 4.20 Bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 2 140

Hình 4.21 Một số hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 3 141

Hình 4.22 Bản đồ chiều sâu chi tiết vi cơ số 3 theo màu 141

Hình 4.23 Bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 3 141

Më ®Çu

Trong ngành công nghệ chế tạo máy, một chi tiết cơ khí sau gia công ngoài

độ chính xác kích thước, hình dạng và vị trí tương quan thì độ nhám bề mặt đóng một vai trò quan trọng Đôi khi nhám là yếu tố quyết định đến chất lượng và giá trị của chi tiết Ví dụ độ nhám các sản phẩm như: bộ đôi động cơ diesel, chi tiết quang học, căn mẫu, bàn máp càng nhỏ thì giá trị sản phẩm đó càng cao

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kích thước hình học, hình dáng và trạng thái bề mặt là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng các chi tiết cơ khí, trong đó bề mặt là một trong các yếu tố quan trọng nhất liên quan đến quá trình hoạt động của chi tiết, có ảnh hưởng lớn đến mối lắp, đến ma sát giữa các chi tiết trong cơ cấu, đến tuổi bền và tuổi thọ của chi tiết máy Do đó kiểm tra chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công giữ vai trò quan trọng khi đánh giá chất lượng sản phẩm cơ khí

Đánh giá bề mặt chi tiết một cách tổng thể cho đến hiện nay vẫn đang là một vấn đề mới mẻ Bề mặt chi tiết sau khi gia công bao gồm nhám bề mặt

đã được nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu và đã đặt ra các tiêu chuẩn khác nhau để đánh giá nhám bề mặt, do có vai trò quan trọng đối với chi tiết máy như đã phân tích ở trên Tuy nhiên, trên thế giới hiện nay việc nghiên cứu vẫn đang tiếp tục do đòi hỏi ngày càng cao về mô tả bề mặt thực của chi tiết ngày càng chính xác hơn, không chỉ mô tả bề mặt trên một đường mà khảo sát trên mặt (2D) và không gian (3D) đang được nghiên cứu tại các trường Đại học, Viện nghiên cứu lớn trên thế giới nhằm đưa ra những gợi ý tốt nhất cho chế độ công nghệ, tạo ra sản phẩm có hình thái học bề mặt thoả mãn các yêu cầu khắt khe của công nghệ ngày càng chính xác Đề tài này cũng đi theo hướng phát triển chung của thế giới

Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc theo phương pháp chiều sâu từ độ nhòe ảnh qua kính hiển vi kỹ thuật số để xác định profile bề mặt của chi tiết Xuất phát từ ảnh bề mặt chi tiết chụp được qua kính hiển vi kỹ thuật số tính toán định lượng quá trình chuyển đổi tín hiệu đo trong cảm biến quang: biến độ nhòe ảnh gây ra bởi nhấp nhô trên profile bề mặt qua hệ quang thành sự thay đổi cường độ sáng trên cảm biến quang, sau đó biến đổi cường độ sáng thành chiều sâu của nhấp nhô bề mặt hay còn gọi là bản đồ

chiều sâu - chính là profile bề mặt ba chiều Tùy vào yêu cầu kỹ thuật cụ thể người ta có thể xử lý bộ số liệu đo profile bề mặt ba chiều này theo những chỉ tiêu khác nhau sẽ cho ra rất nhiều thông số nhám bề mặt Nhằm đáp ứng những đòi hỏi trong nghiên cứu và ứng dụng phương pháp đo nói trên, luận án chọn đề

tài là: “Nghiên cứu phương pháp xác định profile bề mặt chi tiết gia công cơ khí bằng ảnh kỹ thuật số”

Trong phương pháp xác định profile bề mặt ba chiều này, kính hiển vi kỹ thuật số đóng vai trò bộ phận ghi bề mặt vật đo Do có nhấp nhô trên bề mặt vật

đo nên sinh ra độ nhòe ảnh khác nhau Để phép đo đạt độ chính xác cao nhất, các thông số kỹ thuật của kính hiển vi cũng như các thông số kỹ thuật của cảm biến quang cần xác định một cách chính xác Đây là một vấn đề chuyên môn sâu đã được nghiên cứu ở các nước phát triển trên thế giới Nhưng các tài liệu về cơ sở tính toán, thiết kế, chế tạo … kính hiển vi kỹ thuật số này không được công bố rộng rãi Ở nước ta phương pháp đo này chưa được nghiên cứu, trong khi yêu cầu

đo các chi tiết dạng này rất cấp thiết trong công nghiệp dân sự và quốc phòng

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán định lượng quá trình chuyển đổi tín hiệu đo lường trong kính hiển vi kỹ thuật số

Xây dựng thuật toán phục hồi lại bản đồ chiều sâu của profile bề mặt 3D từ hai bức ảnh nhòe (hai chiều) chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số theo phương pháp chiều sâu từ độ nhòe ảnh

3 Nội dung nghiên cứu

Luận án tập trung giải quyết những vấn đề sau:

- Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán quá trình chuyển đổi tín hiệu đo lường trong kính hiển vi kỹ thuật số

- Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán một số thông số của kính hiển vi kỹ thuật số

- Xây dựng thuật toán và viết phần mềm sử dụng nguyên lý đo và các thông

số đã tính toán được nhằm tự động phục hồi lại hình ảnh ba chiều của đối tượng

đo Áp dụng vào tính toán profile bề mặt chi tiết qua ảnh chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số, theo nguyên lý chiều sâu từ độ nhòe ảnh

Những nội dung nghiên cứu được trình bày trong 4 chương và các phụ lục:

Chương 1 Tổng quan về đo lường profile bề mặt chi tiết cơ khí

Chương 2 Cơ sở lý thuyết và thuật toán tái hiện profile 3 chiều

Chương 3 Kính hiển vi kỹ thuật số

Chương 4 Thực nghiệm kiểm chứng và kết quả

4 Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở của phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Hiện nay tại ở Việt Nam mới chỉ có một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề này như: phương pháp không tiếp xúc đo profile bề mặt chi tiết cơ khí bằng đầu dò quang học hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ [2] đề cập đến đo profile bề mặt ở dạng 2 chiều; thiết kế phần mềm phân tích độ xám để

đo độ nhăn đường may bằng phương pháp khách quan [15] đề cập đến mô phỏng sóng nhăn dựa vào độ xám các điểm ảnh của mẫu vải, dọc theo hướng đường may ở dạng 2 chiều; các nghiên cứu liên quan đến xử lý ảnh số [5], [6], [7] … [13] mới chỉ đề cập đến nhận dạng ảnh, phát hiện biên … theo dạng 2 chiều mà chưa có nghiên cứu nào đề cập đến phương pháp xác định bản đồ chiều sâu 3 chiều từ những bức ảnh kỹ thuật số

Trên thế giới một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề này được công bố trong các tạp chí chuyên ngành, phân theo số lượng hình ảnh đầu vào sẽ bao gồm

2 dạng chính: các phương pháp dựa trên hai ảnh trở lên và các phương pháp dựa trên một ảnh duy nhất Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu dựa trên hai bức ảnh trở lên để xây dựng bản đồ chiều sâu như: phương pháp sử dụng hai ảnh có khẩu độ khác nhau [42], [52], [53] của Pentland, Subbarao, phương pháp sử dụng hai ảnh tại hai vị trí màn thu khác nhau [54] của Nayar, Noguchi; phương pháp

sử dụng hai ảnh khác nhau về chiều dài tiêu cự [53] của Subbarao; phương pháp quan sát 2 mắt Một số công trình nghiên cứu sử dụng một ảnh duy nhất để xây dựng bản đồ chiều sâu

Trên thế giới đã có một số thiết bị ứng dụng những phương pháp xây dựng bản đồ chiều sâu kể trên để đo profile bề mặt nhưng các thông số kỹ thuật của thiết bị, thuật toán và phần mềm không được công bố Dựa trên tài liệu thu thập được nghiên cứu sử dụng lý thuyết cơ bản trên cơ sở đó tính toán định lượng quá trình chuyển đổi tín hiệu đo lường trong kính hiển vi kỹ thuật số; tính toán một

số thông số của kính hiển vi kỹ thuật số; xây dựng thuật toán và viết phần mềm nhằm tự động phục hồi lại bản đồ chiều sâu của đối tượng đo Để kiểm tra sự

đúng đắn của thuật toán và phần mềm tính toán nội dung nghiên cứu đã tiến hành

đo, đánh giá trên thiết bị thí nghiệm nhằm kiểm chứng lại những nghiên cứu lý thuyết

5 Những luận điểm mới của đề tài:

- Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán một số thông số của kính hiển vi kỹ thuật số đo profile bề mặt 3D theo phương pháp đo không tiếp xúc mới

- Xây dựng thuật toán phục hồi lại bản đồ chiều sâu của profile bề mặt 3D

từ hai bức ảnh nhòe hai chiều thu được trên kính hiển vi kết nối camera với các thông số của camera cố định theo phương pháp chiều sâu từ độ nhòe ảnh

- Xây dựng sơ đồ và tính toán một số thông số trong kính hiển vi dùng để

đo profile bề mặt 3D của chi tiết cơ khí theo phương pháp chiều sâu từ độ nhòe ảnh

- Áp dụng nguyên lý đo, các thông số đã tính toán, xây dựng thuật toán phục hồi lại hình ảnh 3 chiều của đối tượng vào tính toán profile bề mặt kính hiển

vi kỹ thuật số

- Đã nhận được ảnh 3D với sai lệch +1,6% so với chuẩn trong khoảng

đo 800x800 điểm ảnh trên kính hiển vi Keyence VHX100

Những kết quả nhận được là bước khởi đầu quan trọng để ứng dụng phương pháp đo chiều sâu từ độ nhòe ảnh mở ra một hướng ứng dụng mới không chỉ trong phạm vi đo profile bề mặt

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG

PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ

Trong công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí, sai số của bề mặt gia công là

một trong những yếu tố đặc trưng dùng để đánh giá chất lượng bề mặt và độ

chính xác gia công của chi tiết máy Chúng ảnh hưởng tới độ chính xác gia công

cũng như tính chất sử dụng của chi tiết máy, đặc biệt là đối với những chi tiết lắp

ghép có chuyển động tương đối với nhau Có 04 loại sai số chính gồm: sai lệch

kích thước; sai lệch hình dáng; sai lệch vị trí tương quan giữa các bề mặt như độ

vuông góc, song song, độ đồng trục, độ đảo, độ đối xứng, độ xuyên tâm ; và

nhám bề mặt [3], [4]

1.1 Đánh giá chất lượng và độ chính xác của chi tiết cơ khí qua

profile bề mặt

Chất lượng bề mặt gia công được đánh giá bằng hai yếu tố đặc trưng: tính

chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt và sai số của bề mặt gia công Chất lượng của

lớp kim loại bề mặt được tạo thành bởi tính chất của kim loại và phương pháp gia

công cơ Trong quá trình gia công cơ dưới tác dụng của lưỡi cắt dụng cụ, trên bề

mặt tạo thành những vết lồi, lõm và cấu trúc của lớp bề mặt cũng thay đổi [4]

Các sai số của bề mặt gia công [3], [4] được phân biệt theo dấu hiệu hình

học như sau: sai lệch hình dáng (độ tròn, độ trụ, độ thẳng, độ phẳng ); sóng bề

mặt; nhám bề mặt (được tạo thành bằng những vết lồi, lõm dưới tác dụng của

lưỡi cắt)

Hình 1.1 Sai lệch hình dạng, sóng và nhám trong profile bề mặt [28]

Theo các tài liệu [2], [22], [26], [27] các sai lệch được định nghĩa như sau:

Sai lệch hình dáng: Là sai lệch của bề mặt sau gia công so với bề mặt danh

nghĩa trên bản vẽ thiết kế Profile sai lệch hình dáng được cấu thành từ một vài nhấp nhô lớn với bước lớn hơn 1000 lần biên độ Nguyên nhân gây nên sai lệch hình dáng là do các sống trượt, trục chính trong máy gia công bị biến dạng do nhiệt hay do sự mòn không đều của các bộ phận trong máy

Sóng bề mặt: là những thành phần sai lệch có tỷ lệ giữa bước và biên độ

nhấp nhô trong khoảng 100 đến 1000 Sóng thường có dạng tuần hoàn theo chu

kỳ Đó là kết quả của quá trình gia công không phù hợp như: phôi hay máy bị võng, uốn; do rung động; máy bị rơ; ảnh hưởng của vật liệu gia công hoặc do các yếu tố khác từ bên ngoài …

Nhám bề mặt: là thành phần sai lệch nhỏ nhất gây ra bởi quá trình gia công

còn tồn tại trên bề mặt chi tiết, chẳng hạn như vết của lưỡi cắt trong quá trình tiện, phay hay dấu vết để lại do mài, mài nghiền hay đánh bóng Toàn bộ những thành phần sai lệch bất quy tắc có tỷ lệ giữa bước và biên độ nhấp nhô nhỏ hơn

100 lần được coi là nhám Tùy thuộc từng phương pháp gia công mà nhám có thể

ở dạng tuần hoàn theo chu kỳ hay ngẫu nhiên Các yếu tố ảnh hưởng đến nhám

bề mặt gia công bao gồm: thông số hình học của dụng cụ cắt, tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, vật liệu gia công, rung động của hệ thống công nghệ

1.2 Các thông số đánh giá profile bề mặt

Bề mặt có kết cấu rất phức tạp nên không thể chỉ dùng một hay một vài thông số nào đó để mô tả đầy đủ các đặc tính của nó Thường mỗi thông số chỉ

có thể mô tả được một vài đặc tính nào đó tùy theo yêu cầu sử dụng Ngày nay, mặc dù lĩnh vực đo lường bề mặt đã được phát triển rộng rãi trên toàn thế giới nhưng ở mỗi nước vẫn có sự khác nhau Tồn tại một số lượng lớn các thông số nhám bề mặt, đa phần trong số chúng được phát triển với mục đích mô tả chức năng của những bề mặt trong những ứng dụng cụ thể Thực tế có đến hơn 60 thông số nhám đang được sử dụng trong công nghiệp Chúng xuất hiện trong các tiêu chuẩn quốc tế: ISO [19], [20], [21] hay tiêu chuẩn quốc gia về nhám bề mặt: ANSI [16], AS [17] … hoặc trong các tiêu chuẩn ngành trong công nghiệp Những tiêu chuẩn này phần lớn là tương đồng nhưng cũng có một số điểm khác biệt Việt nam cũng đã có tiêu chuẩn quốc gia về nhám bề mặt TCVN 2511 ban hành năm 1995 chỉ với 5 thông số

Mặc dù số lượng thông số độ nhám là lớn nhưng nhìn chung vẫn có thể được phân loại một cách thỏa đáng (hình 1.3) Ngoài các thông số 2D được đánh giá qua chỉ một profile mặt cắt, bề mặt còn được đặc trưng bởi các thông số không gian 3D khi toàn bộ hình thái học bề mặt được mô tả

`

Hình 1.3 Phân loại các thông số nhám bề mặt [2]

Các thông

số nhám

bề mặt

Các thông số nhám 2D

Các thông số bước 3D

Các thông số biên độ 3D

Các thông số hỗn hợp 3D

Các hàm số thống kê 3D

1.2.1 Thông số nhám 2D

Profile nhám bề mặt bao gồm ba yếu tố cơ bản: biên độ, độ dốc và khoảng cách [23], [24], [26], [27], [28] như mô tả trong hình 1.4 Tương ứng với nó là ba

nhóm thông số nhám 2D sau:

 Các thông số về biên độ: là các thông số đặc trưng được đo theo các

phương vuông góc với bề mặt (ví dụ Ra, Rz, Rq, Rt, Rp, Rv, Ry,

Rmax…)

 Các thông số về khoảng cách: là các thông số đặc trưng được đo

theo phương ngang bề mặt (ví dụ RSm, RS, RPc, HSC …)

 Các thông số hỗn hợp: là các thông số được xác định thông qua việc

kết hợp cả hai yếu tố biên độ và khoảng cách (ví dụ R a, R q )

Hình 1.4 Thành phần cơ bản của profile nhám bề mặt [27]

1.2.2 Thông số nhám 3D

Trong những năm gần đây, người ta rất quan tâm tới việc đo và đánh giá nhám ba chiều của bề mặt, gọi tắt là nhám 3D Nhiều thông số đã được đưa ra nghiên cứu và hiệu quả ứng dụng của chúng đã được chứng minh Một vài trong các thông số này chỉ đơn thuần là phần mở rộng của các thông số 2D tương ứng khi đánh giá theo ba chiều Tuy nhiên, cũng có những thông số đặc trưng chỉ có ở dạng 3D, chẳng hạn như hướng kết cấu bề mặt Từ những năm 1990, một bộ gốc

gồm 14 thông số 3D đã được xây dựng với tên gọi là bộ "14 thông số nhám Birmingham" [29] (hình 1.5) Đến nay có nhiều thông số nhám 3D khác được bổ

sung và đã xuất hiện một số trong các tiêu chuẩn ngành [23] Hiện nay một bộ thông số 3D cũng đang được xem xét trong dự thảo Tiêu chuẩn quốc tế về nhám

bề mặt

1.2.2.1 Phân loại thông số nhám 3D

Tương tự 2D, các thông số nhám 3D cũng gồm một số nhóm chính sau:

- Thông số biên độ nhám: Sa, Sq, Ssk, Sku, Sp, Sv, Sz, S5z …

- Thông số bước nhám: S ds , S al , S tr , S td …

- Thông số hỗn hợp: S sc , S dq , S dr …

- Thông số khác: Sfd, Std, Stp, Sk, Spk, Svk, SMR1, SMR2, Vmp, Vmc, Vvc, Vvv …

Trong phép đo thông số nhám 3D, bề mặt được mô tả bởi một hàm số là

cao độ của các điểm trên nó: f = z(x,y) với hai biến độc lập (x,y) là tọa độ điểm được xét Một số khái niệm cơ bản như diện tích mẫu A s, diện tích đánh giá Ae, mặt trung bình đều được định nghĩa xuất phát từ những khái niệm tương đương

Ssc

Sdq

Sdr

Các thông số nhám 3D khác

Sbi

Sci

Svi

Hình 1.6 Mô tả bề mặt 3D [25] Hình 1.7 Lưới điểm số hoá bề mặt 3D

Một số ký hiệu sau thường được dùng khi mô tả và đánh giá độ nhám 3D bề mặt:

 f = z(x,y): hàm số mô tả cao độ các điểm trên bề mặt so với mặt trung bình

 A e : diện tích đánh giá, A e = Lx  Ly

 A s : diện tích mẫu, A s = x  y

 x: khoảng lấy mẫu theo phương x - khoảng cách lưới điểm theo phương x

 y: khoảng lấy mẫu theo phương y - khoảng cách lưới điểm theo phương y

 L x : chiều dài đánh giá theo phương x, L x = Mx

 L y : chiều dài đánh giá theo phương y, L y = Ny

 M: số khoảng lấy mẫu theo phương x

 N: số khoảng lấy mẫu theo phương y

Ngoài những thông số xuất phát từ thông số nhám 2D tương ứng còn có những thông số khác mà chỉ khi mô tả 3D mới có Vì thế số lượng các thông số nhám 3D là khá nhiều và phức tạp Trong giới hạn của luận án, một vài thông số 3D đơn giản và có mối liên hệ chặt chẽ với các thông số nhám 2D tương ứng sẽ được đề cập tới Tất cả những thông số này đều được xác định trên bộ tọa độ lưới các điểm đo trên bề mặt [23], [25], [30]

1.2.2.2 Một số thông số nhám 3D

Thông số nhám trung bình Sa: là trung bình số học của giá trị tuyệt đối độ

lệch chiều cao các điểm trên bề mặt cần đánh giá so với mặt trung bình trong

phạm vi diện tích đánh giá Trị số của S a được xác định qua công thức sau:

Ly Lx a

Thông số nhám Sq: được định nghĩa là căn bậc hai của giá trị bình phương

trung bình các chênh lệch chiều cao đo được từ bề mặt trung bình trong phạm vi diện tích đánh giá:

Ly Lx 2 q

Hay viết dưới dạng rời rạc với ma trận tọa độ điểm Zjk:

Thông số nhám Sv: Sv giá trị chiều sâu của rãnh nhám thấp nhất so với bề

mặt trung bình trong phạm vi diện tích mẫu A s

Thông số nhám Sz :

Tương tự như thông số R z thì Sz cũng vẫn tồn tại hai định nghĩa khác nhau:

S z là khoảng cách từ đỉnh nhám cao nhất tới rãnh nhám sâu nhất trong phạm

vi diện tích mẫu A s Dễ thấy:

Sz theo mười điểm (hay còn gọi là S5z): là giá trị trung bình của tổng giá trị tuyệt đối chiều cao 5 đỉnh cao nhất và chiều sâu 5 rãnh thấp nhất trong phạm vi diện tích mẫu As:

Thông số nhám Sdq:

Là độ dốc bình phương trung bình của bề mặt trong phạm vi diện tích mẫu

S dq cũng được tính bằng cách sử dụng đa thức Lagrangian với 7 điểm:

Nhận xét: Tất cả các chỉ tiêu nhám được định nghĩa ở trên đều dựa trên số

đo profile bề mặt Số chỉ tiêu được đưa vào tiêu chuẩn ở mỗi quốc gia, mỗi ngành có sự khác nhau Nhưng cho dù là thông số nhám 2D hay 3D thì số đo profile bề mặt luôn luôn là cơ sở, nguồn gốc xác định chúng Ngày nay, khi các dịch chuyển lấy mẫu x và y ngày càng nhỏ thì các phép tính về nhám bề mặt

ngày càng chính xác giống như khi được tính trên một profile liên tục Yêu cầu này đã được quán triệt khi thiết kế chế tạo các thiết bị đo nhám hiện đại

1.3 Các phương pháp đo profile bề mặt

Ngày nay, trong lĩnh vực đo profile bề mặt có rất nhiều kỹ thuật đo khác nhau Các thiết bị đo cũng được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc

vào từng tiêu chí cụ thể Thông thường người ta phân thành ba nhóm cơ bản: đo theo mặt, đo chép hình và đo bằng kính hiển vi [26], [31] Các thiết bị đo chép

hình có thể là dạng tiếp xúc như loại thiết bị đo đầu dò quen thuộc; có thể là dạng không tiếp xúc như các thiết bị đo chép hình quang học: chiếu hình, đo theo nguyên lý dò tìm tiêu điểm hệ quang, tam giác đạc Các thiết bị đo quang học

ưu điểm lớn nhất là không có sự tiếp xúc vật lý nên không có khả năng làm hư hại bề mặt đo Bản chất không tiếp xúc khiến cho các thiết bị đo quét quang học

có thể đạt được thời gian đo và tốc độ đo nhanh hơn [32] Tuy nhiên, việc phân tích tính toán thông số nhám từ các dữ liệu đo được bởi thiết bị đo quang học là

khá phức tạp Đối với loại thiết bị đo đầu dò tiếp xúc, ta có thể dự đoán tín hiệu

ra qua mô hình với một quả cầu có đường kính hữu hạn dịch chuyển và luôn tiếp xúc với bề mặt Trong khi đó, vấn đề không đơn giản khi nghiên cứu tương tác giữa trường sóng điện từ của ánh sáng… với bề mặt được đo Có nhiều học thuyết về bản chất của chùm tia tới và bề mặt đo trong khi rất khó khẳng định được trong thực tế Tương tác giữa chùm tia với bề mặt là rất phức tạp do đó không thể tách rời các đặc tính hình học và bản chất vật liệu của bề mặt trong phép đo Vì vậy, cần phải có hiểu biết về bản chất bề mặt được đo trước khi lựa chọn một thiết bị đo quang học phù hợp [23]

Xét về bản chất, phương pháp đo chia làm hai hướng: Một là đo chép hình profile bề mặt, từ tập dữ liệu tọa độ các điểm trên profile xử lý để tính toán ra các thông số cần đo Phương pháp này cho phép xử lý để tính ra bất kỳ thông số nào theo yêu cầu Phương pháp thứ hai là đo trực tiếp, số liệu ra là kết quả thông số

độ nhám như các kỹ thuật đo theo mặt ở trên Thông thường kết quả đo được xác định từ tính chất thống kê của bề mặt đo được, ví dụ như phân tích phân bố cường độ của các tia sáng tán xạ trong phương pháp đo tán xạ toàn phần Phương pháp này chỉ cho phép xử lý ra một số các thông số độ nhám

Phân tích cụ thể sau đây một số phép đo tiêu biểu cho 2 phương pháp trên qua các nguyên lý đo và thiết bị đo cụ thể

1.3.1 Phương pháp chép hình:

Theo các tài liệu [1], [2], [3] phương pháp chép hình các thông tin của bề mặt thu được bằng cách dịch chuyển chính xác một đầu dò với độ phân giải cao trên bề mặt Qua đó nhận được các dữ liệu về chiều cao cũng như bước sóng của các nhấp nhô trên bề mặt được đo

1.3.1.1 Phương pháp sử dụng đầu dò tiếp xúc

Đây là loại thiết bị tiêu biểu cho phương pháp đo chép hình bề mặt Nó rất thông dụng và được người sử dụng nghĩ tới trước tiên mỗi khi có nhu cầu đo nhám Trong phương pháp này, profile của bề mặt thực được chép hình lại bằng cách dịch chuyển một đầu dò có độ phân giải cao song song và luôn luôn tiếp xúc với bề mặt được đo Thông thường đây là một mũi dò rất nhọn bằng kim cương

với bán kính r rất bé Qua đó những nhấp nhô của profile thực được phản ánh

qua dịch chuyển lên xuống của đầu dò bám trên bề mặt Kết hợp với dịch chuyển

ngang trờn bề mặt ta thu được một profile chộp hỡnh từ profile thực Từ profile chộp hỡnh được này được xử lý qua cỏc kỹ thuật khuếch đại, chuyển đổi tương tự

- số, lọc cỏc súng cú bước khụng phự hợp rồi phõn tớch tớnh toỏn cỏc thụng số nhỏm cần xỏc định (hỡnh 1.8)

Hỡnh 1.8 Sơ đồ khối thiết bị đo chộp hỡnh bằng đầu dũ tiếp xỳc

Nguyờn lý đo đầu dũ tiếp xỳc cú lịch sử phỏt triển rất lõu dài với những thiết bị đo nhỏm đầu tiờn trờn thế giới được chế tạo Tuy nhiờn, nú tồn tại những nhược điểm cố hữu do bản chất của phương phỏp như: cú thể làm hư hại bề mặt

đo, mũi dũ cú thể bị góy, vỡ, mũn, biến dạng do luụn cú sự tiếp xỳc trong quỏ trỡnh đo, khụng đo được những bề mặt mềm, profile đo được bị ảnh hưởng bởi kớch thước vật lý của mũi dũ Độ phõn giải ngang của chỳng cũng bị giới hạn

Đú là bước súng ngắn nhất của một profile hỡnh sin mà mũi dũ vẫn cú thể tiếp xỳc tới được điểm thấp nhất Độ phõn giải được xỏc định qua cụng thức:

2 a.r

  với a là biờn độ nhấp nhụ profile và r là bỏn kớnh mũi dũ

Hỡnh 1.9 Nguyờn lý đo tiếp xỳc bằng đầu dũ

Khuếch đại Cụm

Pick - up

Khối tạo dịch chuyển

Bộ lọc

Bộ phận ghi

Đầu dò

Ng-ỡng cut-off

Thông số nhám ISO 4287

Bề mặt đ-ợc đo

Chính vì những nhược điểm như thế, các kỹ thuật đo nhám không tiếp xúc được nghiên cứu phát triển nhằm ngày càng hoàn thiện khả năng đo nhám bề mặt sao cho chính xác, tin cậy và nhanh hơn

1.3.1.2 Thiết bị đo profile bề mặt theo nguyên lý tam giác đạc

Thiết bị đo theo nguyên lý tam giác đạc (TAI) được dùng để đo khoảng cách tương đối đến một bề mặt [23], [24] Ánh sáng từ nguồn laser được chiếu tới bề mặt qua sợi quang, trong đó chùm tia sẽ bị tán xạ Cảm biến được thiết lập bởi các linh kiện quang học sao cho hội tụ chùm tia tán xạ thành một điểm trên mảng CCD dạng đường hoặc cảm biến nhạy vị trí Trong quá trình đo, các nhấp nhô trên bề mặt khiến cho điểm sáng hội tụ di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác trên cảm biến (hình 1.10)

Hình 1.10 Nguyên lý đo tam giác đạc

TAI thường sử dụng một bàn đo có thể dịch chuyển theo hai trục x và y

Độ phẳng khi chuyển động trên phạm vi (150  100) mm đạt tới vài m trong khi với phạm vi dưới 25 mm thì có thể nhỏ hơn 0,5 m Thiết bị đo theo phương

pháp này không đạt được độ phân giải và độ chính xác cao như phương pháp giao thoa Do đó chúng thường được dùng để đo các bề mặt với kết cấu tương đối rộng: giấy, vải Ưu điểm chính của các cảm biến tam giác đạc là tốc độ đo

và có thể ứng dụng để đo thô trong quá trình sản xuất Nếu so sánh với các thiết

bị đo theo nguyên lý khác có cùng độ phân giải thì các thiết bị đo theo nguyên lý này có giá rẻ hơn khá nhiều

1.3.1.3 Phương pháp đo chép hình profile bề mặt theo nguyên lý tự động

bù sai lệch hội tụ

Hình 1.11 Nguyên lý đo tự động dò điểm hội tụ

Trong một số thiết bị đo chép hình profile bề mặt bằng quang học, người

ta sử dụng một đốm sáng hội tụ quét trên bề mặt được đo Vai trò của đốm sáng này gần giống như mũi dò cơ khí của loại thiết bị đo tiếp xúc Thiết bị đo profile

bề mặt theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ, hay còn gọi là nguyên lý điều

tiêu tự động, cũng hoạt động như vậy Một chùm tia laser tự động hội tụ thành một điểm trên bề mặt được đo Dịch chuyển bề mặt mẫu và cố định bước đo nhờ

sử dụng bàn đo hai chiều x và y rồi đo chiều cao bề mặt mẫu tại từng điểm hội tụ

Hình 1.11 là sơ đồ cổ điển của một thiết bị đo dò điểm hội tụ hoạt động theo nguyên lý tự động dò sai lệch hội tụ của chùm tia [23] Nguồn sáng được sử dụng thường là ánh sáng laser do đặc tính định hướng cao và có khả năng hội tụ thành một điểm Tia tới đi qua một phía của vật kính, còn tia phản xạ đi qua phía đối diện của vật kính sau khi hội tụ trên bề mặt được đo tại tâm của trục quang

Nó hình thành một ảnh trên cảm biến tự động điều tiêu sau khi đi qua thấu kính tạo ảnh Hình 1.11 này minh họa trạng thái hội tụ đúng Tọa độ điểm hội tụ trên

bề mặt được xác định bởi các thang thước x và y trên bàn đo hai chiều Cao độ

của điểm hội tụ được xác định qua cảm biến vị trí Z

1.3.2 Phương pháp đo theo mặt

Theo các tài liệu [1], [2], [3] phương pháp đo theo mặt được sử dụng để đo các đỉnh và rãnh nhám đặc trưng trên bề mặt được đo qua phép thống kê trung bình Đó là các phương pháp đo tán xạ quang, nhiễu xạ quang, đo siêu âm Ngoài ra còn nhiều phương pháp đo diện tích khác được phát triển và ứng dụng

1.3.2.1 Phương pháp đo tán xạ toàn phần

Đây là một phương pháp điển hình cho kỹ thuật đo độ nhám mà không cần chép hình profile bề mặt Trong đó chỉ có thông số nhám Rq được xác định

Hình 1.12 Nguyên lý đo tán xạ tích phân toàn phần

Phương pháp đo tán xạ toàn phần [23], [27], [28] được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong đo lường kiểm tra các bề mặt quang học Sơ đồ nguyên lý của phương pháp này được thể hiện trong hình 1.12 Bề mặt đo được chiếu rọi bởi chùm tia laser với một cường độ xác định Chùm tia đi qua khe hẹp trên quả cầu tích phân rồi tán xạ trên bề mặt mẫu nằm bên trong quả cầu đó Chỉ có tia phản

xạ gương sẽ trở lại qua cửa thoát ra ngoài Các tia tán xạ đi theo nhiều hướng khác nhau sẽ phản xạ liên tiếp trên bề mặt trong của quả cầu rồi cuối cùng tới cảm biến quang, tại đó cường độ của chúng được đo

Cường độ lượng tia tán xạ là Iscatter có liên quan với độ nhám bình phương trung bình của bề mặt được đo Rq qua công thức:

o

.RI

1.3.2.2 Giao thoa kế hoạt động theo nguyên lý dịch pha

Hình 1.13 mô tả một giao thoa kế dịch pha (PSI) [23] Đó là sự tích hợp của một giao thoa kế với một kính hiển vi Trong PSI gương tách tia hướng chùm sáng đi xuống theo một đường chuẩn tới một gương phẳng lý tưởng, tại đó ánh sáng sẽ được phản xạ hoàn toàn Gương tách tia sẽ hướng chùm tia thứ hai đi tới

bề mặt được đo rồi phản xạ lại Hai chùm tia này kết hợp với nhau tại bộ tách tia tạo thành hình ảnh vân giao thoa trên bề mặt cảm biến

Thông thường các PSI sử dụng kết cấu đồng trục, nghĩa là hai chùm tia

truyền đi theo cùng một hướng Tuy nhiên kết cấu không đồng trục cũng được sử dụng, ở đó ảnh của bề mặt có thể được hội tụ trên cảm biến hoặc không Khi đó một thuật toán truyền số được sử dụng cho phép hội tụ số Quang lộ trên nhánh chuẩn được hiệu chỉnh sao cho thu được độ tương phản giao thoa cực đại Trong quá trình đo, dịch chuyển khiến cho hiệu quang lộ tới bề mặt được đo và quang

lộ tới gương chuẩn thay đổi, kết quả tạo ra sự thay đổi hình ảnh vân giao thoa Sau đó biểu đồ pha được xây dựng từ từng dịch chuyển trên thiết bị ghi giao thoa Cuối cùng, các thông tin về cao độ các điểm trên bề mặt được phân tích từ biểu đồ pha Sự chênh lệch quang lộ được tạo ra bằng nhiều cách Ví dụ như vật

kính và gương chuẩn của hệ thống được dịch chuyển bởi một cơ cấu truyền động dạng áp điện Đối với những bề mặt có chiều cao nhấp nhô của nhám lớn hơn 1/2 bước sóng, người ta sử dụng các thuật toán về pha hoặc dùng phương pháp bước sóng kép

Hình 1.13 Giao thoa kế dịch pha PSI

Thiết bị đo PSI thường sử dụng một trong hai kết cấu với cách bố trí các vật kính hiển vi khác nhau Hình 1.14 thể hiện kết cấu vật kính Mirau, ở đó các phần tử A, B và C dịch chuyển còn D là chuẩn Hình 1.15 là kết cấu vật kính Linnik, trong đó các phần tử B và C dịch chuyển tham chiếu tới D và E Kết cấu dạng Mirau nhỏ gọn hơn và ít cần tới sự điều chỉnh hơn kiểu Linnik Đối với cả hai loại vật kính, phải là giao thoa ánh sáng trắng khi cả gương chuẩn và đối tượng đo đúng tiêu điểm Với vật kính Mirau, điều này được thực hiện qua sự điều chỉnh độ nghiêng và vị trí của gương chuẩn Còn với vật kính Linnik, cả gương chuẩn và đối tượng phải đúng tiêu điểm Hơn nữa cả hai nhánh của vật kính Linnik phải được chế tạo bằng nhau trong phạm vi vân giao thoa, hai vật kính trong hệ Linnik phải phù hợp Điều đó khiến chi phí tăng cao Hệ Linnik có

độ phóng đại và độ phân giải đạt tới tương đương với các kính hiển vi quang học tiêu chuẩn có độ phân giải cao nhất

Hình 1.14 Hệ giao thoa Mirau [23] Hình 1.15 Hệ giao thoa Linnik [23]

Một loại kết cấu khác là dựa trên nguyên lý của giao thoa kế Michelson Một lăng kính tách tia dạng khối lập phương được đặt bên dưới vật kính để hướng chùm tia tới bề mặt chuẩn Ưu điểm của kết cấu Michelson là phần trung tâm của vật kính không bị chặn Tuy nhiên, lăng kính tách tia lập phương được đặt trong phần hội tụ của chùm tia khiến cho quang sai xuất hiện Nhược điểm của loại thiết bị này là có khẩu độ số nhỏ và khoảng làm việc lớn

Nguồn sáng được sử dụng trong các hệ thống đo PSI có bước sóng trong một dải hẹp như: điốt laser, LED, nguồn sáng trắng được lọc dải hẹp hay đèn quang phổ… Độ chính xác bước sóng trung tâm và độ rộng phổ cường độ sáng

có ảnh hưởng quan trọng đến độ chính xác của kết quả đo Các phép đo profile

bề mặt được thực hiện bằng cách sử dụng một cảm biến hình ảnh bao gồm một mảng tuyến tính các sensor ảnh điểm Khoảng cách và bề rộng của các điểm ảnh trên cảm biến xác định các thuộc tính của độ phân giải ngang của thiết bị PSI có thể đạt được độ phân giải và độ lặp lại tới dưới nanomét nhưng rất khó xác định

độ chính xác do nó phụ thuộc nhiều vào bề mặt được đo Chỉ những bề mặt có các điểm liền kề chênh lệch không quá ẳ bước sóng nguồn mới đo được trên PSI Phạm vi đo của PSI bị giới hạn trong khoảng một vân hay xấp xỉ ẵ bước sóng trung tâm  của nguồn sáng Do đó các thiết bị đo PSI chỉ được sử dụng để đo những bề mặt rất phẳng Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng chỉ những

bề mặt có độ nhám Ra (hay Sa) nhỏ hơn 1/10 bước sóng  mới đo được bằng PSI

Hạn chế đó được khắc phục bằng cách kết hợp PSI với một thiết bị đo giao thoa quét kết hợp CSI với chế độ quét dọc Độ chính xác của PSI tăng lên cho phép đo được những bề mặt siêu phẳng, thậm chí còn phẳng hơn cả bề mặt chuẩn qua phương pháp trung bình hoá PSI còn có thể đo được những bề mặt có độ phản

xạ thấp tới dưới 5% mặc dù tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu sẽ tăng khi độ phản xạ giảm Độ tương phản tối ưu đạt được khi các hệ số phản xạ của bề mặt chuẩn và

bề mặt được đo là phù hợp với nhau

1.3.2.3 Nguyên lý đo bề mặt theo sự thay đổi điểm hội tụ

Hình 1.16 Nguyên lý đo nhám bề mặt theo sự thay đổi tiêu điểm

Sự thay đổi điểm hội tụ kết hợp độ sâu hội tụ nhỏ của hệ thống quang với chức năng quét đứng có thể cung cấp thông tin về nhấp nhô và màu sắc từng điểm trên bề mặt Hình 1.16 là sơ đồ nguyên lý đo theo sự thay đổi điểm hội tụ [23] Bộ phận chính là một hệ quang học chính xác bao gồm các thấu kính với nhiều công dụng cho phép đo với độ phân giải ngang khác nhau Nhờ vào gương tách tia, chùm sáng phát ra từ nguồn sáng trắng đi qua hệ thống quang rồi hội tụ trên bề mặt được đo nhờ một vật kính Phụ thuộc vào kết cấu nhấp nhô trên bề mặt được đo mà chùm tia sáng sẽ phản xạ theo nhiều hướng Nếu bề mặt đo có

tính phản xạ khuếch tán, tia sáng sẽ phản xạ với cường độ như nhau theo mọi hướng Trong trường hợp phản xạ gương, ánh sáng chủ yếu chỉ đi theo hướng mà góc phản xạ bằng góc tới Tất cả các tia xuất phát từ bề mặt vật đo sẽ đi qua vật kính và hệ quang rồi chiếu tới cảm biến nhạy sáng nằm phía sau gương tách tia

Do hệ quang có độ sâu hội tụ nhỏ nên chỉ một vùng nhỏ của đối tượng đo có ảnh sắc nét Để thực hiện được phép dò hoàn toàn bề mặt với toàn bộ độ sâu điều tiêu, các phần tử quang học chính xác được dịch chuyển dọc theo quang trục

trong khi dữ liệu từ bề mặt liên tục được lưu lại Điều này đảm bảo rằng từng khu

vực trên đối tượng được hội tụ sắc nét Các thuật toán chuyển đổi dữ liệu mà cảm biến thu được sẽ cho ta thông tin ba chiều với một hình ảnh có màu sắc thật sự trung thực và đầy đủ chiều sâu điều tiêu Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích sự thay đổi tiêu điểm này, thông thường là dựa trên tính toán độ sắc nét tại một vị trí cụ thể Phương pháp tiêu biểu là dựa trên việc đánh giá các dữ liệu

mà cảm biến thu được trong một diện tích cục bộ nhỏ Nhìn chung, đối với một đối tượng điểm được hội tụ càng sắc nét thì sự biến thiên của các giá trị cảm biến của các khu vực lân cận càng lớn Ví dụ, độ lệch chuẩn của các giá trị cảm biến thu được có thể được sử dụng như một thước đo đơn giản đối với độ sắc nét Độ phân giải đứng của một thiết bị đo sự thay đổi điểm hội tụ phụ thuộc vào vật kính được lựa chọn và có thể nhỏ tới 10 nm Phạm vi quét theo phương đứng phụ thuộc vào khoảng làm việc của vật kính, nó có thể tới vài chục milimét Phạm vi

đo ngang XY có thể đạt tới (100100) mm bằng cách sử dụng các thuật toán đặc biệt kết hợp với một bàn đo dịch chuyển hai chiều có động cơ truyền động Tương phản với các kỹ thuật đo quang học khác bị giới hạn đối với các chiếu sáng đồng trục, bề mặt với độ dốc tối đa có thể đo được với loại thiết bị này không phụ thuộc vào khẩu độ số của vật kính Nó cho phép đo được các profile

có độ dốc tới 80

Phương pháp đo theo sự thay đổi điểm hội tụ được ứng dụng cho nhiều loại

bề mặt với các hệ số phản xạ quang học khác nhau Bề mặt mẫu có thể thay đổi

từ bóng sáng tới phản xạ khuếch tán, từ các vật liệu đồng nhất cho tới vật liệu hợp chất phức tạp, và từ bề mặt có đặc tính nhẵn mịn tới thô ráp Nguyên lý đo này khắc phục việc khả năng đo bị giới hạn bởi tính phản xạ bằng cách sử dụng

một tổ hợp nguồn chiếu sáng đã được điều biến, kiểm soát các tham số đặc trưng của cảm biến và độ phân cực tích hợp Thông thường, các thiết bị đo loại này cho kết quả đo tốt trên những bề mặt có độ nhám Ra lớn hơn 10 nm và bước sóng ngưỡng khoảng c  2m

1.3.2.4 Phương pháp điện dung

Thiết bị dựa vào nguyên lý này, bao gồm một tấm phẳng dẫn điện được đặt trên bề mặt cần đo cũng dẫn điện với một lớp cách điện mỏng ở giữa Điện dung của lớp chuyển tiếp là hàm số của khoảng cách giữa tấm phẳng và bề mặt đo, nó phụ thuộc một phần vào độ dày của lớp cách điện và một phần khác là độ nhám của bề mặt được đo Khi tấm cách điện tựa trên các đỉnh nhấp nhô của bề mặt được đo, ta thấy bề mặt càng nhám thì khoảng cách giữa mặt dưới tấm cách điện với bề mặt trung bình của profile bề mặt đo càng lớn Do đó sự thay đổi điện dung đo được sẽ thể hiện độ nhám của bề mặt được đo

Nhược điểm của phương pháp này là độ chính xác không cao, chỉ đo được trên những bề mặt dẫn điện Hơn nữa việc sử dụng tấm cách điện trượt trên bề mặt đo có thể làm biến dạng bề mặt thực cần đo

1.3.3 Phương pháp dùng kính hiển vi đo quét

Phương pháp sử dụng kính hiển vi bao hàm một phạm vi rất rộng với những thiết bị sử dụng phương pháp này có thể là trực tiếp như các kính hiển vi quang học hoặc gián tiếp như kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi truyền qua điện tử hay kính hiển vi lực nguyên tử Cũng có phương pháp khác để quan sát được topography của bề mặt là sử dụng các thiết bị phân tích ảnh quang phổ, tiêu biểu

là phương pháp sử dụng kính hiển vi điện tử Auger và phương pháp dùng kính hiển vi quang điện tử với chùm tia X

Trong các phương pháp đo quang học, nhược điểm của chúng là độ chính xác bị giới hạn bởi bước sóng của ánh sáng được sử dụng Đối với những yêu cầu cao hơn nữa, chẳng hạn với các bề mặt trơn nhẵn tới mức độ phân tử, các màng mỏng thì rất khó có thể dùng các thiết bị đo quang học để đo chúng Một quy luật trong ngành đo lường là đơn vị đo cũng phải có kích thước tương đương với những yếu tố mà nó đo

Theo tài liệu [1], những thiết bị đo dạng kính hiển vi quét, đơn vị đo được

sử dụng là kích thước mạng tinh thể, hay một cách khác là sử dụng các electron thay cho ánh sáng Bước sóng tương ứng với dịch chuyển của các electron là:

p

h A eV

Thấy rằng bước sóng của electron nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng trung bình khoảng 10-4 đến 10-5 lần

Có nhiều loại kính hiển vi sử dụng electron thay vì ánh sáng nhằm mục đích tăng độ phân giải ngang Nó có thể sử dụng tính truyền qua của electron trong TEM (Transmission Electron Microscope) hoặc cũng có thể dưới dạng quét electron trong SEM (Scanning Electron Microscope), tương tự như những kính hiển vi quét bằng tia nhưng sử dụng các electron

Một kiểu khác là kính hiển vi quét hiệu ứng đường hầm (STM) và kính hiển

vi lực nguyên tử (AFM) Các thiết bị này đặc điểm giống như trong các thiết bị

đo đầu dò truyền thống Điểm khác biệt cơ bản là thay vì đo các thông số hình học thì chúng đo các đặc tính khác của bề mặt như mật độ điện tích, hay lực nguyên tử từ đó nội suy ra khoảng cách theo chiều z

1.3.3.1 Kính hiển vi quét sử dụng hiệu ứng đường ngầm STM

Kính hiển vi quét STM là một bước phát triển mới của phương pháp đo bề mặt bằng chép hình Nguyên lý của STM dựa trên sự trao đổi electron giữa đầu

đo và bề mặt mẫu đo Do đó thiết bị đo loại này chỉ sử dụng được với các chất dẫn điện và bán dẫn Trong STM, nguồn phát electron được giữ sao cho rất gần

so với bề mặt cần đo Khi có một điện áp hiệu dụng được đặt giữa đầu đo và bề mặt thì một dòng điện xuất hiện vượt qua hàng rào chân không Cường độ của dòng điện này phụ thuộc rất nhiều khoảng cách từ đầu phát tới bề mặt đo Khi khoảng cách vào khoảng 1nm thì dòng điện đường ngầm xuất hiện Việc quét được thực hiện bởi 2 truyền động sử dụng hiệu ứng áp điện x và y, nhờ quá trình này khả năng chép hình lại bề mặt được thực hiện qua phương pháp quét nhiều đường khác nhau