Nghiên cứu độ chính xác khi đo profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét laser

Cho đến những năm đầu thập kỷ 90, hàng loạt các thế hệ máy đo quang học ra đời đã mở rộng rất nhiều khả năng ứng dụng các giải pháp 3D không chỉ trong công nghiệp, với độ chính xác ngày

MỤC LỤC

Mục lục……… 1

Danh mục các hình vẽ……… 4

Lời mở đầu……… 6

CHƯƠNG 1 PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ QUÉT LASER 3D…… … 8

1.1 Giới thiệu về máy quét 3D 8

1.2.Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D ……… 10

1.3 Nguyên lý làm việc của máy quét laser 3D ……… ………… 11

1.4 Ưu, nhược điểm của công nghệ Scan laser 3D……….…… …… 13

1.5 Ứng dụng công nghệ Scan Laser 3D……… …….…….15

Kết luận……… ……….18

CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHÉP ĐO………19

2.1 Kích thước của chùm laser……… 20

2.2 Hệ quang hội tụ……… 21

2.2.1 Quang sai cầu sai 22

2.2.2 Quang sai coma……….……… 23

2.2.3 Quang sai loạn thị……… 24

2.2.4 Quang sai méo ảnh……… 25

2.2.5 Quang sai sai sắc……….26

2.2.6 Quang sai của thấu kính trụ……….…26

2.3 Sai số do độ phân giải của CCD……… 27

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐẦU ĐO VÀ CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO……….29

3.1 Xây dựng hàm truyền ……….29

3.1.1 Sơ đồ tạo ảnh của thấu kính hội tụ……….29

3.1.2 Lựa chọn hệ tọa độ của hệ thống đo……… 30

3.1.3 Hàm truyền……….30

3.2 Thiết kế và xây dựng cụm cơ khí của đầu đo……… 35

3.2.1 Bộ phận thay đổi khoảng cách Z0 36

3.2.2 Bộ phận thay đổi góc ω 38

3.3 Lựa chọn nguồn laser……… 39

3.4 Lựa chọn camera (webcam)……… ……… 42

3.5 Xây dựng chương trình xử lý số liệu đo……… 43

3.5.1 Thu hình từ Camera (webcam)……… 44

3.5.2 Xử lý ảnh số……… 45

3.5.3 Xử lý số liệu đo……… 52

3.5.4 Mô phỏng bề mặt vật đo………55

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO…… 57

4.1 Mô hình thực nghiệm 57

4.2 Tạo chùm sáng dạng đường………59

4.3 Đánh giá sai lệch kích thước của khối hộp 60

4.3.1 Đánh giá sai lệch khi thay đổi Z0 60

1 Đánh giá sai lệch theo trục X 63

2 Đánh giá sai lệch theo trục Y 65

4.3.2 Đánh giá sai lệch khi thay đổi ω 66

1 Đánh giá sai lệch theo trục X 67

2 Đánh giá sai lệch theo trục Y……… 67

4.4 Đánh giá sai lệch kích thước của khối trụ Φ20(mm) 67

4.4.1 Đánh giá sai lệch khi thay đổi Z0 67

1 Đánh giá sai lệch theo trục X 67

2 Đánh giá sai lệch theo trục Y 68

4.4.2 Đánh giá sai lệch khi thay đổi ω 69

1 Đánh giá sai lệch theo trục X 69

2 Đánh giá sai lệch theo trục Y………69

4.5 Đánh giá sai lệch kích thước của khối trụ Φ15(mm) 70

4.5.1 Đánh giá sai lệch khi thay đổi Z0 70

1 Đánh giá sai lệch theo trục X 70

2 Đánh giá sai lệch theo trục Y 70

4.5.2 Đánh giá sai lệch khi thay đổi ω 71

1 Đánh giá sai lệch theo trục X 71

2 Đánh giá sai lệch theo trục Y………71

KẾT LUẬN 1 Kết quả đạt được 72

2 Hướng phát triển và ứng dụng 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

TÓM TẮT 75

PHỤ LỤC 77

Phụ lục A: Một số hình ảnh mô hình……… ………….77

Phụ lục B: Mã nguồn chương trình dò tìm vết sáng 79

Phụ lục C: Mã nguồn chương trình xử lý kết quả đo 84

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phương pháp quét laser 3D……….9

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D……… …10

Hình 1.3: Quan hệ dịch chuyển vật và dịch chuyển ảnh……… 11

Hình 1.4: Hình ảnh một số máy quét Laser……… 13

Hình 1.5: Ứng dụng trong thiết kế ngược và kiểm tra sản phẩm……… 15

Hình 1.6: Ứng dụng trong khảo cổ và y học……….17

Hình 1.7: Ứng dụng trong việc cải tiến kiểu dáng……… 17

Hình 2.1: Cấu trúc của đầu đo Laser………19

Hình 2.2 Mặt phẳng laser………20

Hình 2.3: Quang sai cầu sai……….…22

Hình 2.4: Ảnh hưởng của cầu sai tới vị trí tiều điểm……… …22

Hình 2.5: Đo quang sai cầu sai………23

Hình 2.6: Quang sai coma………23

Hình 2.7: Quang sai loạn thị……… 24

Hình 2.8: Quang sai méo mặt ảnh……… 25

Hình 2.9: Quang sai méo ảnh……… 25

Hình 2.10: Quang sai sai sắc……… 26

Hình 2.11: Chùm tía Laser sau khi đi qua thấu kính trụ……… … 26

Hình 2.12: Quan hệ giữa khoảng cách và quang sai của thấu kính trụ……… …27

Hình 2.13: Sai số do độ phân giải của CCD……… 28

Hình 3.1: Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính hội tụ……… 29

Hình 3.2: Mô hình tạo ảnh lên CCD của vết sang……… 31

Hình 3.3: Tọa độ điểm P1 của CCD……… 35

Hình 3.4: Các chi tiết trong bộ phận thay đổi khoảng cách Z0……….… 37

Hình 3.5: Hệ thống thay đổi khoảng cách Z0……… 38

Hình 3.6: Chi tiết gá camera (webcam)………38

Hình 3.7: Bộ phận thay đổi góc ω………39

Hình 3.8: Chùm tia tới hội của thấu kính trụ………40

Hình 3.9: Form chính của chương trình………43

Hình 3.10: Thuật toán thu hình từ camera (webcam)……… 44

Hình 3.11: Thu ảnh từ camera (webcam)……….45

Hình 3.12 Ảnh vết sáng 47

Hình 3.13: Ảnh vệt sáng sau khi đã tìm đường cong đặc trưng 48

Hình 3.14: Sơ đồ thuật toán xác định đường đặc trưng………50

Hình 3.15: Sơ đồ thuật toán so sánh sai lệch theo phương X……… 54

Hình 3.16: Bề mặt cầu……… 56

Hình 4.1: Mô hình thực nghiệm……… 57

Hình 4.2: Chi tiết đo 57

Hình 4.3: Mô hình kiểm tra độ vuông góc của chùm laser với bề mặt chi tiết đo 62

Hình 4.4: Mô hình kiểm tra độ vuông góc của mặt phẳng tạo bởi quang trục của Webcam và chùm tia laser với mặt trước của vật đo 62

Hình 4.5 Form chính của chương trình 63

Hình 4.6: Kết quả đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi Z0 64

Hình 4.7: Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa ∆X và Z0 65

Hình 4.8: Kết quả đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi Z0 65

Hình 4.9: Kết quả đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi ω 66

Hình 4.10: Kết quải đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi ω 67

Hình 4.11: Kết quải đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi Z0 của khối trụ Φ20(mm) 68

Hình 4.12: Kết quải đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi Z0 của khối trụ Φ20(mm) 68

Hình 4.13: Kết quải đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi ω của khối trụ Φ20(mm) 69

Hình 4.14: Kết quải đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi ω của khối trụ Φ20(mm) 69

Hình 4.15: Kết quải đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi Z0 của khối trụ Φ15(mm) 70

Hình 4.16: Kết quải đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi Z0 của khối trụ Φ15(mm) 70

Hình 4.17: Kết quải đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi ω của khối trụ Φ15(mm) 71

Hình 4.18: Kết quải đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi ω của khối trụ Φ15(mm) 71

Hình A.1: Góc Phải của mô hình……… 77

Hình A.2: Góc trái của mô hình……… 78

LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời của Laser vào những năm 60 của thế kỉ XX cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì những tính năng của nó đã mở ra nhiều ứng dụng lớn trong các lĩnh vực khác nhau: đo lường, y tế, in ấn, truyền thông Trong đo lường điều khiển hiện đại, việc thu thập và xử lý thông tin qua ảnh

để nhận biết đối tượng và điều khiển đối tượng đang được quan tâm và ứng dụng rộng rãi, bởi phương pháp này giúp ta có thể thu nhận được nhiều thông tin từ đối tượng mà không cần tác động trực tiếp đến đối tượng Việc kết hợp Laser trong các thiết bị kiểm tra đo đạc cho phép đạt độ chính xác cao, thời gian lấy mẫu nhanh có thể đạt hàng ngàn lần trên giây

Ngoài ra, sự phát triển của khoa học máy tính đã trợ giúp đáng kể cho con người trong việc thết kế và mô phỏng trong công nghiệp từ các kích thước đo trên sản phẩm Thị giác máy tính phần nào thay thế nhãn quan con người trong việc nhận dạng ảnh và tự động xử lý dữ liệu Cho đến những năm đầu thập kỷ 90, hàng loạt các thế hệ máy đo quang học ra đời đã mở rộng rất nhiều khả năng ứng dụng các giải pháp 3D không chỉ trong công nghiệp, với

độ chính xác ngày càng cao của các thiết bị đo quang học, những ứng dụng máy quét 3D đã được mở rộng ra rất nhiều các lĩnh vực khác nữa như: y học, kiến trúc, khảo cổ học, điêu khắc, phim hoạt hình… Trong công nghiệp, máy quét 3D laser có thể số hoá tức thời các hình dáng của các chi tiết công nghiệp khác nhau… Các dữ liệu số hoá có thể mô phỏng một cách chính xác thể hiện trên màn hình máy tính Bằng cách so sánh dữ liệu quét sử dụng phần mềm ứng dụng, chúng ta có thể đưa ra các báo cáo đo kiểm một cách nhanh chóng dựa trên phân tích sai số tổng thể, độ dày các cạnh và đường kính hình học Việc này cho phép cải tiến tốc độ và chất lượng trong quá trình sản xuất một cách rõ rệt Điều này đặc biệt hiệu quả cho việc đo kiểm, lấy dữ liệu của các vật có chiều sâu

Với các ứng dụng thiết thực và hiệu quả đó, đề tài đưa ra ý tưởng nghiên cứu chế tạo thiết bị đo dựa trên công nghệ đo không tiếp xúc ứng dụng cảm biến Laser tại Việt nam

Nhiệm vụ của luận văn là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo Profin bề mặt chi tiết bằng phương pháp quét 3D laser Hướng đi mới của thiết bị đo là ứng dụng xử lí ảnh để đưa ra kết quả đo Phương pháp xử lí tuy có phức tạp nhưng có thể giải quyết được việc đo đồng thời nhiều thông số và mô phỏng hình học bề mặt chi tiết

Tuy nhiên những vấn đề trình bày trong bản luận văn này còn có thể có nhiều hạn chế và sai sót Tôi mong rằng sẽ nhận được sự góp ý chân thành của các thầy cô và các bạn để giúp Tôi hoàn thiện hơn nữa về mặt thiết kế cho thiết bị cũng như cơ sở lý thuyết tính toán của phương pháp phục vụ cho công việc chế tạo thiết bị đo hoàn chỉnh sau này

Một lần nữa, Tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn

Ts Nguyễn Văn Vinh và các thầy giáo, cô giáo Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học – trường ĐHBK Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ Tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Hà nội, tháng 10 năm 2010

Học viên

Lê Thanh

CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ QUÉT LASER 3D 1.1 Giới thiệu về máy quét 3D

Kỹ thuật đồ họa cùng sự phát triển của khoa học máy tính đã trợ giúp đáng kể cho con người trong việc thết kế và mô phỏng trong công nghiệp Cho đến những năm đầu thập kỷ 90 các máy đo tọa độ ba chiều đã được đưa vào trong các dây truyền sản xuất nhằm kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm Tiếp đó, hàng loạt các thế hệ máy đo quang học ra đời đã mở rộng rất nhiều khả năng ứng dụng các giải pháp 3D không chỉ trong công nghiệp, với

độ chính xác ngày càng cao của các thiết bị đo quang học, những ứng dụng máy quét 3D đã được mở rộng ra rất nhiều các lĩnh vực khác nữa như: y học, kiến trúc, khảo cổ học, điêu khắc, phim hoạt hình…

Ngày nay, máy đo ba toạ độ (CMM) được sử dụng rộng rãi trong nền công nghiệp cơ khí để đo các kích thước, vị trí và hình dạng của một bộ phận

cơ khí Chính vì vậy mà CMM đóng một vai trò rất quan trọng trong nền công nghiệp ngày nay Nhưng máy CMM có độ chính xác khá cao nhưng khi đo thì tốc độ đo rất chậm nên rất khó đo các chi tiết có bề mặt phức tạp và khả năng

tự động hóa trong quá trình đo rất khó khăn Đó cũng là nhược điểm lớn của máy đo 3 tọa độ

Sự ra đời của máy quét 3D thuộc dòng máy đo ba toạ độ không tiếp xúc

đã giải quyết được vấn đề khó khăn của máy đo ba tọa độ (CMM).Máy quét 3D có khả năng ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ôtô, thiết kế khuôn, đo lường Phương pháp này có tất cả những ưu điểm của phương pháp đo không tiếp xúc: đo được những chi tiết có bề mặt mềm, dễ biến dạng, chiều dày mỏng, tốc độ đo cao do không tiếp xúc trực tiếp với chi tiết Đặc

biệt có thể ứng dụng để đo đạc ở những môi trường có nhiệt độ cao, những chi tiết động đang gia công cắt gọt mà vẫn đảm bảo kết quả đo chính xác Một

ưu điểm vượt trội của máy quét 3D dùng cảm biến CCD nữa là nó có thể đo đạc ở những nơi mà con người không thể chạm tới được như bên trong các đường ống dẫn dầu, mối hàn thân tàu thuỷ… Có thể tự động hoá quá trình đo Các máy quét 3D phổ biến ngày nay gồm: máy quét 3D sử dụng sóng siêu

âm, máy quét 3D laser

Các máy quét 3D đều dựa theo nguyên tắc: Bề mặt chi tiết được chia thành một lưới điểm đo gồm các điểm có toạ độ (x, y, z), máy đo sẽ lấy các toạ độ các điểm này để xử lý Các điểm này được lấy toạ độ nhờ một đầu đo không tiếp xúc chuyển động liên tục, ta gọi chuyển động này là chuyển động quét bề mặt

Hình 1.1: Phương pháp quét laser 3D

Hình 1.1 cho ta thấy phương pháp quét laser 3D sử dụng tia Laser có một bộ phận phát và một bộ phận thu

Chi tiết

CCD

Thấu kính

Nguồn laser

+ Bộ phận phát: Phương pháp quét laser 3D dùng nguồn phát là nguồn sáng Laser

+ Bộ phận thu: Phương pháp quét laser 3D dùng cảm biến quang

(CCD)

1.2 Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D

Công nghệ Scan laser là một trong ứng dụng của công nghệ đo không tiếp xúc Trong quá trình đo máy sử dụng chùm ánh sáng Laser chiếu vào bề mặt của chi tiết cần đo, chùm tia sáng được phản xạ lại từ bề mặt chi tiết được cảm ứng đo thu lại đưa vào bộ phận biến đổi của máy đo và với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm điều khiển đo cho ra kết quả của chi tiết đo dưới dạng đám mây điểm

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất máy Scan Laser như: Faro Arm, Metris, Konika… Mỗi hãng có phần mềm Scan khác nhau, đưa ra

độ chính xác khác nhau và sử dụng tia sáng Laser có bước sóng khác nhau như Konika sử dụng ánh sáng Laser cấp I còn Faro Arm lại sử dụng ánh sáng Laser cấp II … Nhưng về nguyên lí cơ bản đều giống nhau gồm các khối chức năng như (hình 1.2)

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D

Đèn phát

laser Tia laser cần scanBề mặt Hệ quang

Cảm biến CCD

Xử lý của phần mềm Chỉ thị

Đám mây

điểm

1.3 Nguyên lý làm việc của máy scan laser 3D

Hình 1.3: Quan hệ dịch chuyển vật và dịch chuyển ảnh

Hình 1.3 thể hiện quan hệ dịch chuyển giữa vệt sáng trên vật và ảnh của

nó trên CCD Trong đó:

1 Đèn phát Laser: có nhiệm vụ phát ra ánh sáng Laser có bước sóng thích

hợp

2 Thấu kính: có nhiệm vụ lọc và hội tụ tia Laser được phản xạ lại từ bề

mặt của chi tiết lên bề mặt của cảm biến CCD

3 Cảm biến CCD: Có nhiệm vụ thu nhận tia Laser được phản xạ từ bề

mặt chi tiết trên cơ sở so sánh các góc lệch giữa chúng và đưa ra tín hiệu điện khác nhau

4 Xử lí của phần mềm máy tính: Máy tính với sự hỗ trợ của phần mềm

máy tính có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điện từ CCD gửi tới và xử lí tín hiệu

đó để đưa ra kết quả là đám mây điểm

CCD

Mặt phẳng laser Thấu kính

5 Chỉ thị: Đưa ra kết quả đo chi tiết được xử lí từ máy tính là đám mây

điểm

Thực chất về nguyên lý của scan Laser giống như quá trình chụp ảnh thông thường, nhưng chụp ảnh của Scan Laser là quá trình chụp ảnh các vật thể ở dạng ảnh 3 chiều trong khi đó nếu là chụp ảnh thông thường thì chỉ là ảnh 2 chiều Scan Laser sử dụng cảm biến Laser và gán vào một hệ thống máy đo hệ thống này được định vị và được kiểm soát bằng máy tính, các máy

đo dùng trong Scan laser là các máy đo có thể được gán với máy CNC từ 3 đến 5 trục có kích thước tương đối lớn kết cấu khá vững chắc hoặc có thể là

mô hình máy xách tay rất nhỏ gọn Vật cần đo được đặt trực tiếp trên bàn hoặc được treo cố định hoặc cũng có thể có vị trí bất kỳ trong không gian như các tượng đài, nhà cửa… mà không phải gá đặt phức tạp như các loại máy đo CMM thông thường, đây là một lợi thế nổi trội của Scan laser Với sự hỗ trợ của phần mềm kiểm soát quét sẽ lái cảm biến Laser lướt trên bề mặt của vật cần quét bộ phận định vị 3D nằm trên bề mặt của bộ cảm biến sẽ ghi lại các tín hiệu phản hồi được đưa ra bởi hệ thống quét theo góc phản xạ của chùm ánh sáng được bề mặt của chi tiết phản xạ lại và tín hiệu này được so sánh với tham số mẫu từ đó đưa ra cho ta kết quả đo là đám mây điểm

Tất cả các hệ thống quét trong công nghệ Scan Laser đều sử dụng công nghệ dựa trên phép đạc tam giác Laser Bản chất của công nghệ này là máy ảnh hai chiều chụp ảnh dựa vào dải sáng Laser như trong hình vẽ Dải sáng được phát ra từ một đi ốt quang thông qua các bộ phân biến đổi quang học sau

đó được chiếu vào bề mặt của vật được quét tạo nên một mặt cắt trên phần bề mặt được chiếu sáng, ánh sáng phản chiếu tạo ra các ảnh điểm trên đường

chiếu được 1 trong hai bộ cảm ứng thu lại Lý do có hai bộ phận cảm ứng thay vì một là: có thể vì một lý do nào đó hình ảnh nghiêng trên bề mặt của vật thật không được một bộ phận cảm ứng nhận biết và luôn cần có một bộ phận cảm ứng thứ hai có thể bắt được hình ảnh đó Người sử dụng có thể bật hai bộ phận cảm ứng nhưng chỉ một bộ phận cảm ứng hoạt động trong một thời điểm

Tại mỗi mặt cắt tạo ra một ảnh 2 chiều hình dạng của hình ảnh 2 chiều này được ghi lại bằng CCD kỹ thuật số và sau đó dựa vào kích cỡ và bảng Laser, vị trí Z được xác định và được phần mềm lưu giữ lại vào trong một cơ

sở dữ liệu và cuối cùng sẽ được tổng hợp lại thành bề mặt của vật đựơc đo dưới dạng đám mây điểm

Scan 3D lắp trên máy đo

1.4 Ưu, nhược điểm của công nghệ quét laser 3D

Ưu điểm

Kết cấu nhỏ gọn: Máy Scan laser kết cấu nhỏ gọn hơn nhiều so với máy

đo CMM có thể có mô hình xách tay như hình trên

Gá đặt đơn giản: Khi Scan laser thì chi tiết cần Scan không cần phải gá đặt cầu kì mà có thể được đặt trên bàn hoặc có một vị trí bất kì trong không gian vì khi đo dụng cụ đo không tiếp xúc vào vật đo hơn nữa máy đo tự điều chỉnh tiêu cự của thấu kính cho phù hợp với khoảng cách thay đổi tương đối giữa máy đo và vật được đo

Cho ra kết quả nhanh: Máy Scan Laser cho ra kết quả nhanh hơn rất nhiều so với Máy CMM

Rễ ràng xử lí kết quả: Cho ra kết quả là đám mây điểm rất rễ dàng xử lí trên các phần mềm xử lý điểm chuyên dụng như: Geomegic, Catia…

Đo được nhiều những vật có độ phức tạp mà máy đo thông thường không thể đo được

Độ phân giải cao: Độ phân giải của Scan laser cao hơn rất nhiều máy

đo CMM CMM chỉ chính xác được một số giới hạn các vị trí có được gần đầu đo nhưng không thể chính xác và đầy đủ toàn bộ sản phẩm Vì vậy Scan Laser cho ra được số liệu bề mặt đầy đủ hơn số liệu mặt cắt của CMM

Quét được nhiều kích thước sản phẩm khác nhau như toà nhà, tượng đài…

Quét được các mẫu dạng mềm như xà phòng, đất nặn…

Kiểm tra các bề mặt và so sánh với các điểm

Nhược điểm

Trước khi đo những bề mặt có mầu không phản quang phải sơn lại màu cho chi tiết đo nên có thể làm ảnh hưởng đến những chi tiết mẫu có yêu cầu cao thẩm mĩ về mầu sắc

1.5 Ứng dụng công nghệ quét Laser 3D

Ứng dụng trong thiết kế ngược: Trong ngành cơ khí có một bộ phận thiết

kế luôn phải dựng lại những chi tiết đã có sẵn gọi là bộ phận thiết kế ngược để phục vụ vào các việc sau:

+ Thiết kế lại khuôn cho chi tiết

+ Dựng lại mô hình 3D để đưa vào gia công lại chi tiết

+ Cải tiến một số bộ phận nào đó trên chi tiết cho phù hợp yêu cầu làm việc của chi tiết

a) Thiết kế ngược b) Đo kiểm tra sản phẩm Hình 1.5: Ứng dụng trong thiết kế ngược và kiểm tra sản phẩm

Ứng dụng trong đo kiểm tra sản phẩm: Bất kì một sản phẩm nào sau khi

sản xuất xong để được đưa ra thị trường đều phải được kiểm tra xem có đảm

bảo điều kiện làm việc của nó không vì vậy trong các ngành sản xuất đặc biệt

là sản xuất cơ khí chính xác luôn có một bộ phận gọi là bộ phận kiểm tra chất lượng sản phẩm Để kiểm tra chính xác được các kích thước hoặc các bề mặt đặc biệt là các bề mặt phức tạp và có kích thước lớn người ta thường sử dụng công nghệ Scan laser

Ứng dụng trong ngành khuôn mẫu: Ngoài việc dựng lại chi tiết để để làm

khuôn như đã nói ở trên thì việc kiểm tra lại các kích thước của lòng lõi khuôn trước khi đưa vào sản xuất có ý nghĩa quyết định trong ngành khuôn mẫu Khi đó người ta đo các kích thước trong lòng lõi khuôn và so sánh với các kích thước mẫu ban đầu từ đó tìm ra các sai lệch giữa chúng để có phương án sửa chữa cho phù hợp

Ứng dụng trong cải tiến kiểu dáng: Với nhu cầu của thị trường hiện nay

ngoài việc các sản phẩm sản xuất ra nâng cao được tính năng thì yêu cầu về thẩm mĩ cũng đóng vai trò cực kì quan trọng trong việc tiêu thụ sản phẩm của các ngành sản xuất như ngành sản xuất xe máy, sản xuất ôtô, điện thoại di động… đó là những lĩnh vực phát triển rất mạnh hiện nay và có yêu cầu về tính thẩm mĩ cao vì vậy người ta luôn luôn cần cải tiến kiểu dáng cho sản phẩm Với các chi tiết cần cải tiến người ta chỉ cần cải tiến một phần nào đó trên đó của sản phẩm khi ấy người ta sử dụng công nghệ Scan laser để lấy mẫu chi tiết cần cải tiến Sau đó dùng phần mềm thiết kế dựng lại chi tiết đó

và vẽ thêm vào hình dáng các bề mặt cần cải tiến vì vậy chi tiết thiết kế ra vẫn đảm bảo tính lắp ghép với các chi tiết khác mà làm cho sản phẩm có kiểu dáng mới

Ứng dụng trong ngành khảo cổ học: Bên cạnh đó scan laser 3D còn ứng

dụng trong lĩnh vực khảo cổ Với mục đích khôi phục lại các sản phẩm của các thới kỳ cổ đại trước đó

Y học, phẫu thuật và và tái tạo: Trong y học thì có ứng dụng khá nhiều

công nghệ Scan laser nhưng ở đây chỉ xin nêu ra những ứng dụng điển hình nhất của công nghệ này đó là ngành tái tạo giải phẫu

a) Ứng dụng trong khảo cổ b) Ứng dụng trong y học

Luận văn tập trung vào nghiên cứu, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến

độ chính xác của máy quét Laser 3D ứng dụng xử lý ảnh

Nội dung luận văn tập trung vào những phần chính sau:

• Máy quét 3D laser

• Phận tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo

Phần này nêu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Bao gồm các yếu tố cơ khí; các yếu tố quang;

• Tính toán, thiết kế hệ thống đầu đo, chương trình xử lý ảnh và

chương trình xử lý tín hiệu đo: Phần này tập trung đưa ra các vấn đề

thiết kế hệ cơ cho đầu đo, và chương trình xử lý tín hiệu đo

• Thực nghiệm về độ chính xác của phép đo Thực nghiệm xác

định sai số của phép đo và ảnh hưởng bởi thông số hình học của đầu đo đến độ chính xác;

• Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA

PHÉP ĐO

Trong máy quét laser 3D có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo như: các yếu tố cơ khí và các yếu tố quang Chương này sẽ đi phân tích và tìm hiểu về mức độ ảnh hưởng đến độ chính xác bởi các yếu tố quang

Yếu tố quang xét đến trong chương này là các yếu tố quang trong bộ

phận đầu đo (hình 2.1) Bao gồm một nguồn phát laser, một thấu kính trụ

(Transmitter lens), một hệ quang hội tụ (Receiver lens) và một bản CCD

+ Nguồn phát Laser cho ra một tia laser

+ Thấu kính trụ có tác dụng chuyển đổi một tia laser thành một dải laser

+ Hệ quang hội tụ có tác dụng hội tụ ảnh của vệt laser lên trên CCD

+ CCD có tác dụng thu ảnh của vết sáng

Hình 2.1: Cấu trúc của đầu đo Laser

Vậy các yếu tố quang gây ra sai số gồm:

2.1 Kích thước của chùm Laser

Trên thực tế, chùm laser đi ra khỏi nguồn phát laser không phải là một đường thẳng không có chiều dày, bản thân nó cũng có một kích thước nhất định, sau khi đi qua thấu kính trụ tạo thành “mặt phẳng laser”, mặt phẳng này không phải là mặt phẳng lý tưởng mà nó cũng có một chiều dày nhất định, vì thế, “vết sáng” trên vật thực chất không phải là một đường mà là một “dải sáng”, việc lấy đường đặc trương trong vùng sáng này để xác định tọa độ các điểm không tránh khỏi sai số Ở đây, chúng ta có 2 bài toán điển hình đặt ra: + Lựa chọn “điểm sáng” nào trong “vùng sáng” để sai số gây ra là nhỏ nhất

+ Biện pháp kỹ thuật nào để làm mảnh chùm sáng nhất có thể nhằm giảm thiểu sai số

Thông thường, ở đây người ta cần giải quyết cùng lúc cả hai bài toán trên nhằm đạt được độ chính xác cao nhất có thể (hình 2.2)

a) mặt phẳng laser lý tưởng b) mặt phẳng laser thực

Hình 2.2 Mặt phẳng laser

Mặt phẳng laser không phải là mặt phẳng lý tưởng (hình 2.2.a) mà nó cũng có một chiều dày nhất định (hình 2.2.b), vì thế, “vệt sáng” trên vật không phải là một đường mà là một “dải sáng”

Kích thước của “dải sáng” phụ thuộc vào khoảng cách giữa nguồn laser đến bề mặt vật đo và góc mở của nguồn laser

2.2 Hệ quang hội tụ

Các sai số này gây ra sai số tạo ảnh lên CCD của thấu kính hội tụ Gồm nhiều loại sai số khác nhau gây ra các sai số về ảnh khi tạo ảnh của vật lên mặt phẳng ảnh

Ảnh trên bề mặt ảnh Q’ được gọi là ảnh đồng dạng tuyệt đối so với vật trên mặt chứa vật Q khi có đủ ba điều kiện:

+ Một vật điểm chỉ có một điểm ảnh và ngược lại;

+ Một đoạn thẳng vật thì chỉ có một đoạn thẳng ảnh tương ứng và ngược lại;

+ Một phần tử vật cũng chỉ một phần tử ảnh tương ứng và ngược lại Khi hệ tạo ảnh đồng dạng tuyệt đối thì vật điểm B có độ lớn so với trục quang là l thì ảnh điểm B’0 cách trục quang là l’0 Tỉ lệ tạo ảnh cho mặt ảnh

Q0’ so với mặt chứa vật Q là β’0 = l’0/ l Tỷ lệ tạo ảnh này không đổi với mọi điểm ảnh của các điểm vật tương ứng

Do hệ quang tạo ảnh có quang sai nên ảnh có quang sai B’ dịch khỏi ảnh

lí tưởng B’0 Giá trị sai lệch giữa B’ so với B’0 chính là quang sai do hệ quang tạo nên Chúng được hình thành bởi các thông số cấu tạo của các chi tiết quang và bản chất chùm sánh nhiều bước sóng truyền qua hệ

Hệ quang thông thường gồm một trong các quang sai sau:

Quang sai cầu sai Quang sai coma Quang sai loạn thị

Quang sai cong mặt ảnh Quang sai méo ảnh Quang sai sai sắc

2.2.1 Quang sai cầu sai

Hình 2.3: Quang sai cầu sai

Với quang sai cầu sai, các tia ở xa trục bị khúc xạ nhiều hơn so với các tia ở gần quang trục, vì vậy tiêu điểm của các tia không trùng nhau: Các tia ở rìa thấu kính hội tụ gần thấu kính hơn so với các tia ở gần tâm (quang sai cầu sai dọc trục - TLA) Như vậy, nếu các thấu kính có đường kính lớn khi tạo ảnh thì ảnh sẽ có một phần ở giữa rõ nét, xung quanh bị mờ dần

Hình 2.4: Ảnh hưởng của cầu sai tới vị trí tiều điểm

Tiêu cự Chiều cao h

Bên cạnh quang sai cầu sai dọc trục còn có quang sai cầu sai ngang trục (TSA), nó xác định khoảng cách từ trục quang tới các tia biên cắt mặt phẳng ảnh Như vậy, quang sai cầu sai ngang trục có ý nghĩa trong việc tính toán đường kính ảnh mờ Gọi u’ là góc nghiêng của tia biên đối với quang trục thì quang sai dọc trục và quang sai ngang trục có mối quan hệ:

TSA=LSA.tgu’

TLA

2u'

Hình 2.5: Đo quang sai cầu sai

2.2.2 Quang sai coma

Cũng giống như quang sai cầu sai, quang sai coma xảy ra đối với các tia đi từ các điểm ngoài trục:

Hình 2.6: Quang sai coma

Để sửa quang sai cầu sai và quang sai coma bằng cách dùng hai thấu kính ghép sát: Một thấu kính hội tụ và một thấu kính phân kỳ có bề dầy khác nhau Hệ thấu kính này gọi là hệ aplanatic

2.2.3 Quang sai loạn thị

Hình 2.7: Quang sai loạn thị

Quang sai loạn thị tương tự như quang sai coma; tuy nhiên, quang sai này không bị ảnh hưởng nhiều bởi kích thước của vòng chắn sáng mà bị ảnh hưởng nhiều do góc nghiêng của tia sáng với quang trục Như vậy, quang sai này xảy ra đối với vật ở ngoài quang trục, ảnh của một điểm không phải là một điểm mà có hình dạng ellipse hoặc một đường thẳng Phụ thuộc vào góc nghiêng của tia sáng tới thấu kính mà hướng của ảnh (bị biến dạng thành đường thẳng) quay theo hai hướng là theo mặt meridion hay sagital

Ở những hệ quang có chất lượng thấp thì quang sai loạn thị do bề mặt thấy kính không đối xứng hoặc vị trí đặt thấu kính không đúng, bị nghiêng đi

so với quang trục của hệ

2.2.4 Quang sai méo ảnh

Hình 2.8: Quang sai méo mặt ảnh

Khi ánh sáng hội tụ qua một thấu kính lồi thì mặt ảnh có dạng mặt cầu lõm Vì vậy, toàn bộ ảnh không thể hội tụ đồng thời rõ nét trên màn ảnh được (ở đây màn ảnh có thể là film, CCD): ảnh rõ ỏ ngoài biên, mờ ở tâm hoặc rõ ở tâm và mờ ở biên

Quang sai cong mặt ảnh chỉ xảy ra đối với thấu kính có mặt làm việc là mặt cong

Hình 2.9: Quang sai méo ảnh

2.2.5 Quang sai sai sắc

Hình 2.10: Quang sai sai sắc

Quang sai sai sắc xảy ra đối với ánh sáng tới là ánh sáng trắng bởi vì ánh sáng trắng gồm nhiều bước sóng khác nhau cho nên chiết suất đối với mỗi bước sóng cũng khác nhau Do vậy tiêu điểm của mỗi bước sóng không trùng nhau

2.2.6 Quang sai của thấu kính trụ

Thấu kính trụ là thấu kính có bề mặt thấu kính không phải là mặt cầu

mà lại là mặt trụ, với thấu kính trụ, chúng ta có: Khi một chùm tia song song

đi vào thấu kính trụ, chùm tia ló ra khỏi thấu kính là một chùm tia hội tụ hay phân kỳ theo một phương, và song song theo phương vuông góc, hay ta có chùm tia ló của một chùm tia song song là một dải sáng

Hình 2.11: Chùm tía Laser sau khi đi qua thấu kính trụ

Ở đây ta lợi dụng tính chất này của thấu kính trụ để tạo ra một “mặt phẳng laser”, tuy nhiên, do các sai số trong quá trình chế tạo thấu kính trụ,

“mặt phẳng laser” này không phải là một mặt phẳng lý tưởng, tuy nhiên, do các tia sáng đều truyền thẳng và được xem như tất cả đều xuất phát từ tiêu điểm dọc của thấu kính nên mặt phẳng laser sẽ cong theo phương vuông góc với trục của laser Để hạn chế sai số này, ngoài nâng cao độ chính xác của thấu kính, người ta còn cố gắng bố trí chi tiết đo gần với nguồn phát laser

∆ 1 : Khi khoảng cách nhỏ

∆ 2 : Khi khoảng cách lớn

Hình 2.12: Quan hệ giữa khoảng cách và quang sai của thấu kính trụ

2.3 Sai số do độ phân giải của CCD

CCD (Charge Couple Devices) là một ma trận hai chiều bao gồm các mắt lưới là các photodiod và vùng lưu giữ điện tích được che chắn khỏi sự tiếp xúc với ánh sáng, hay chính xác hơn, ta có một hình ảnh được tạo ra trên CCD là một tập rời rạc gồm các điểm ảnh (pixel – picture element), do đó, khi chúng ta lấy tọa độ một điểm trên CCD, thực chất đó là việc lấy xấp xỉ điểm

đó trên CCD Để giảm các sai số này, ngoài việc tăng số điểm ảnh trên các

hàng và cột của CCD (còn gọi là tăng độ phân giải của CCD), người ta còn sử dụng nhiều biện pháp khác bằng phần mềm để nội suy điểm ảnh thật trên CCD

Các nút được chiếu sáng Tâm sáng thực

Hình 2.13: Sai số do độ phân giải của CCD

Do CCD là một tập hợp rời rạc các điểm thu nhận ảnh, do đó, xảy ra hiện tượng điểm đo đã dịch chuyển nhưng ảnh của nó vẫn chưa thay đổi do lượng dịch chuyển của ảnh là quá nhỏ so với khoảng cách của hai điểm thu ảnh trên CCD Tức là độ phân giải của CCD ảnh hưởng trực tiếp đến độ phân giải và độ chính xác của thiết bị đo

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐẦU ĐO VÀ

CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO 3.1 Xây dựng hàm truyền

3.1.1 Sơ đồ tạo ảnh của thấu kính hội tụ

A’B’ là ảnh của vật sáng qua thấu kính hội tụ

O là quang tâm của thấu kính

F, F’ là tiêu điểm ảnh và tiêu điểm vật của thấu kính

Các tia sáng xuất phát từ điểm B khi tới thấu kính hội tụ đều khúc xạ sao cho các tia khúc xạ đều đi qua điểm B’ Trong số các tia này, chúng ta có một

số tia đặc biệt, bao gồm tia song song với quang trục, tia đi qua tiêu điểm và tia đi qua quang tâm với các đặc điểm:

Tia đi qua tiêu điểm vật của thấu kính khúc xạ song song với quang trục của thấu kính

Tia đi song song với quang trục của thấu kính khúc xạ qua tiêu điểm ảnh của thấu kính

Tia đi qua quang tâm thấu kính sẽ truyền thẳng khi đi qua thấu kính

3.1.2 Lựa chọn hệ tọa độ của hệ thống đo

Thông thường người ta có hai quan điểm lựa chọn hệ tọa độ tính toán cho hệ thống: Hệ tọa độ cố định và hệ tọa độ động

Hệ tọa độ cố định: Được sử dụng phổ biến trong các hệ thống đo lường, đặc biệt trong các hệ thống đo lường với các chi tiết đo tĩnh Hệ tọa độ này có

ưu điểm đơn giản trong mô tả tọa độ, ghép nối dữ liệu giữa các lần đo khác nhau đơn giản

Hệ tọa độ động, thông thường là hệ tọa độ gắn với một khớp hay một trục nào đó trong hệ thống, thông thường được dùng trong các trường hợp đo với các chi tiết quay quanh trục cố định, trong trường hợp này, nếu ta sử dụng

hệ tọa độ gắn với trục quay của hệ thống, việc xử lý số liệu đo sẽ được giảm

đi đáng kể do ít phải dịch chuyển, thay đổi hệ tọa độ cho các điểm chuyển động (số lượng điểm có thể rất lớn)

Trong hệ thống của chúng ta, nhằm đơn giản cho việc mô tả và xử lý số liệu, chúng ta sử dụng hệ tọa độ Đề các vuông góc cố định, trục Y đi qua giao điểm của quang trục thấu kính hội tụ với mặt phẳng laser, trục Z đi qua quang tâm của thấu kính hội tụ, trục X thuộc mặt phẳng laser, hay ta có mặt phẳng laser chính là mặt phẳng tọa độ XY của hệ tọa độ

3.1.3 Hàm truyền

Sơ đồ tạo ảnh của vết sáng lên CCD như (hình 3.)

Do tia laser được quét bằng cách quay gương quanh một trục cố định hoặc chiếu qua một thấu kính trụ nên có thể xem nó nằm trong một mặt phẳng, ở đây ta gọi mặt phẳng này là mặt phẳng laser

Phương trình của mặt phẳng này trong hệ tọa độ Đề các của máy là

Ax + By + Cz + D = 0 (P)

Do mặt phẳng laser trùng với mặt phẳng tọa độ XY như đã trình bày ở phần trên, ta có phương trình của mặt phẳng này là z = 0

Hình 3.2: Mô hình tạo ảnh lên CCD của vết sang

Vệt sáng trên vật có thể xem là giao tuyến của mặt phẳng P và bề mặt vật, hay vệt sáng đó là một đường cong thuộc mặt phẳng P

Một điểm thuộc vệt sáng tạo ảnh trên CCD theo nguyên lý tạo ảnh của thấu kính hội tụ, trong đó ta xét riêng tia sáng đi qua quang tâm của thấu kính với đặc điểm tia đi qua quang tâm thì đi thẳng, vì thế ta có thể nói điểm sáng

trên vật, điểm ảnh của nó trên CCD nối với nhau bằng một đường thẳng đi qua quang tâm của thấu kính

Giả sử tọa độ điểm ảnh A trên CCD là (xA, yA, zA) trong hệ tọa độ Đề các của máy (tọa độ này được xác định thông qua ma trận chuyển đổi tương ứng với tọa độ gốc và hai điểm cuối hai trục của CCD), tọa độ quang tâm O của thấu kính là (0, 0, zO) (do trục Z của hệ tọa độ đi qua quang tâm O của hệ thấu kính nên các tọa độ x, y của nó đều bằng 0) trong hệ tọa độ Đề các của máy,

ta có phương trình đường thẳng đi qua AO là:

trong đó (∆x, ∆y, ∆z) với ∆x = xA – xO = xA; ∆y = yA – yO = yA; ∆z = zA – zO

là véc tơ chỉ phương của đường thẳng

Điểm V của vệt sáng cũng nằm trên đường thẳng này theo lý luận ở phần trên, do đó ta có điểm V chính là giao điểm của đường thẳng AB và mặt phẳng P

Hay tọa độ điểm V(xV, yV, zV) là nghiệm của hệ phương trình:

A A

A A

A A

Hàm Truyền trên thực hiện việc xác định tọa độ Đề các điểm sáng V từ tọa độ Đề các của điểm ảnh A và các thành phần hệ quang Tuy nhiên, các thông tin nhận được trên ảnh thu được từ CCD của chúng ta lại không phải là tọa độ Đề các mà lại là tọa độ thành phần ảnh Pixel

Mặt phẳng CCD được xác định từ ba điểm P1, P2, P3 như (hình 3.2) trong đó P1 là gốc tọa độ, P2 và P3 là hai điểm cuối theo hai phương của CCD Sau khi có tọa độ 3 điểm này, ta có:

trong đó δCCD là khoảng cách giữa hai điểm ảnh trên CCD, được xác định đối với từng CCD do nhà sản xuất cung cấp, iA và jA là tọa độ pixel theo hai phương ngang và dọc của điểm A trên CCD

Tọa độ trên được chuyển về tọa độ Đề các vuông góc của hệ thống như sau:

Lại có, khoảng cách từ quang tâm hệ thấu kính tới CCD là b và các quan

hệ về góc như (hình 3.3) trong đó ta có tọa độ điểm giữa C của CCD:

với h và w lần lượt là kích thước theo hai phương dọc và ngang của CCD

Y

a b

Hình 3.3: Tọa độ điểm P1 của CCD

Thay các tọa độ điểm O và P1 vào hàm quan hệ trên, ta có

a.sin w

h

a.sin h

3.2 Thiết kế và xây dựng cụm cơ khí của đầu đo

Cụm cơ khí của hệ thống đầu đo bao gồm các khối chức năng cơ bản:

- Bộ phận thay đổi khoảng cách giữa quang trục thấu kính và nguồn laser - Z0

- Bộ phận gá camera(webcam) cho phép thay đổi góc hợp bởi mặt phẳng CCD và phương thẳng đứng - ω

CCD

Z0 O

Z 0

Z 0

Sau đây sẽ tiến hành phân tích chi tiết nguyên tắc hoạt động và những yêu cầu cần đáp ứng khi thiết kế các bộ phận của hệ thống

3.2.1 Bộ phận thay đổi khoảng cách Z 0

Để thay đổi khoảng cách Z0 (khoảng cách giữa quang trục thấu kính và nguồn laser) có 2 phương án:

+ Phương án thứ nhất: Cố định camera (webcam), dịch chuyển nguồn laser

+ Phương án thứ hai: Cố định nguồn laser, dịch chuyển camera (webcam)

Từ hai phương án trên ta thấy phương án thứ nhất khả quan và hợp lý hơn Vì kích thước nguồn laser nhỏ hơn kích thước của camera (webcam) nên việc gá dịch chuyển dễ dàng hơn

Theo phương án thứ nhất:

Cố định nguồn laser bằng hai chi tiết gá (hình 3.4.d) Và gá cố định trên tấm gá (hình 3.4.b) Chi tiết gá nguồn laser được tạo rãnh chữ nhật hai bên để có thể trượt trên thanh dẫn hướng có tiết diện ngang là hình chữ nhật (hình 3.4.a) Truyền chuyển động cho chi tiết gá nguồn laser dịch chuyển dọc thanh dẫn hướng bằng hệ thống truyền động vít me đai ốc (hình 3.4.c)

Hình 3.5: Hệ thống thay đổi khoảng cách Z 0

3.2.2 Bộ phận thay đổi góc ω

Để thay đổi góc ω ta sử dụng chi tiết gá hình chữ U như (hình 3.6) và hai chốt quay gắn vào hai bên chi tiết gá qua lỗ Φ 4 và bắt vào camera (webcam)

Hình 3.6: Chi tiết gá camera (webcam)

Chi tiết gá camera được bắt cố định lên hệ thống thay đổi khoảng cách

Z0 như (hình 3.7)

Hình 3.7: Bộ phận thay đổi góc ω

3.3 Lựa chọn nguồn laser

Nguồn laser thông thường phát ra chùm tia có tiết diện ngang là hình tròn Hiện nay nó được sử dụng khá phổ biến trên thị trường Với các thông

Tính toán thấu kính trụ tròn xoay bán kính r

Chiều dày của thấu kính: d = 2r

Bán kính cong các mặt: r1 = r; r2 = -r