Bài viết này trình bày nghiên cứu cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo 3D laser theo phương pháp đo theo điểm. Phương pháp này có thể nói như là phương pháp đo từng điểm trên bề mặt của chi tiết, sau đó ghép các điểm này lại với nhau ta thu được biên dạng của chi tiết.
Trang 1LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
35 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
Nghiên cứu, ứng dụng cơ sở lý thuyết để tính toán,
thiết kế đầu đo laser 3D theo phương pháp đo
theo điểm dựa trên nguyên lý tán xạ
measuring 3D laser by measuring points method on the
principle of scattering
Phạm Ngọc Linh
Email: linhpham110@gmail.com
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 4/10/2019 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/12/2019
Ngày chấp nhận đăng: 31/12/2019
Tóm tắt
Bài báo này trình bày nghiên cứu cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo 3D laser theo phương pháp đo theo điểm Phương pháp này có thể nói như là phương pháp đo từng điểm trên bề mặt của chi tiết, sau đó ghép các điểm này lại với nhau ta thu được biên dạng của chi tiết Chiếu tia laser lên bề mặt của chi tiết, vệt sáng của tia laser trên bề mặt vật đo có vai trò như một vật phát sáng dạng ánh sáng tán xạ Sử dụng một hệ quang tạo ảnh lên bề mặt của cảm biến quang điện Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển, thì vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển một lượng tương ứng Khi đó quỹ đạo của điểm ảnh thu được sẽ tương ứng với bề mặt của chi tiết đo
Từ khóa: Tia laser; phương pháp đo theo điểm; nguyên lý tán xạ.
Abstract
This paper presents theoretical basis research to calculate and design 3D laser transducer according
to point measurement method This method can be said as the method of measuring each point on the surface of the part and then joining these points together to obtain the profile of the part Projecting the laser on the surface of the component, the laser beam's light on the surface of the object acts
as a scattered light emitting object Use an optical system to create images on the surface of the photoelectric sensor When the surface at the measuring point is shifted, the pixel position of the laser
on the photoelectric sensor also moves the corresponding amount The trajectory of the resulting pixel corresponds to the surface of the measuring element
Keywords: Laser; point measurement method; principle of scattering.
Người phản biện: 1 PGS.TS Hoàng Văn Gợt
2 PGS.TS Trần Vệ Quốc
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
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 [4] Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo laser 3D theo phương pháp đo theo điểm theo nguyên lý tán xạ
2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý của phương pháp đo
Nguyên lý chung của các cảm biến đo bằng tia
Trang 2NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
36 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
laser theo phương pháp tam giác lượng: tia sáng
laser chiếu lên bề mặt vật đo bị tán xạ Vệt sáng
của tia laser trên bề mặt vật đo có vai trò như
một vật phát sáng dạng ánh sáng tán xạ [2] Sử
dụng một hệ quang tạo ảnh lên bề mặt của cảm
biến quang điện CB Khi bề mặt tại điểm đo dịch
chuyển một lượng ∆Z, thì vị trí điểm ảnh của tia
laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển
một lượng tương ứng [1]:
∆h = b∆Zsin(i+g)/cos(i)
Trong đó:
b: hệ số khuếch đại của hệ quang;
g: góc nghiêng của trục hệ quang với pháp tuyến
của mặt phẳng tới
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp
tán xạ [2]
Tia lazer
Cảm biến quang
Tỷ số truyền [1]:
K = b∆Zsin(i+g)/cos(i)
Sự phân bố cường độ sáng và hình dạng của ảnh phụ thuộc vào góc tới i, góc nghiêng của trục quang g, độ lớn của ∆Z và dạng phóng tán xạ tại điểm đo
Cường độ sáng của điểm ảnh tia laser phụ thuộc vào công suất của tia laser, độ tán xạ và đường kính vòng chắn sáng của hệ quang Song việc tăng đường kính vòng chắn sáng sẽ làm tăng độ không đều của phân bố cường độ sáng của điểm ảnh [3]
Phương pháp tán xạ chịu ảnh hưởng ít của góc nghiêng bề mặt điểm đo song lại phụ thuộc vào đặc điểm tán xạ của bề mặt chi tiết đo và quang sai của hệ quang Hiện nay hều hết các cảm biến đều dùng phương pháp tạo ảnh
2.2 Hàm truyền đạt
Sơ đồ đo của đầu đo laser như hình 2 [1]
Ta sẽ có hàm truyền của ảnh khi đo với các số liệu biết trước là:
Điểm M’(0,0) là điểm gốc ban đầu do ảnh của vết ảnh là điểm M, tâm ảnh OMi của vết ảnh Mi’ có tọa
độ là (0,∆y) ứng với dịch chuyển điểm đo so với
góc chiếu đo Mo là X
Hình 2 Sơ đồ tạo ảnh [2]
Từ sơ đồ trên, bằng phương pháp toán học ta tìm
mối quan hệ giữa ∆y và X [2].
(1)
(2)
(3)
(4)
(6)
Đây chính là phương trình hàm truyền đạt của phương pháp đo Từ phương trình hàm truyền ta cũng đưa ra được hàm xác định giá trị thực từ các giá trị đo [2] 𝑔𝑔𝜙𝜙&= !! $
𝜙𝜙&= 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔(!! $)
𝑎𝑎𝑔𝑔(𝛷𝛷&+ 𝛺𝛺) = !! "# $
(𝛷𝛷&+ 𝛺𝛺) = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔(!! "# $ )
𝛺𝛺 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔(!! "# $ ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔 !! $/
𝛥𝛥𝛥𝛥 = 𝑂𝑂𝑀𝑀%′ 𝑎𝑎𝑔𝑔𝛺𝛺 = 𝑂𝑂𝑀𝑀%′ 𝑎𝑎𝑔𝑔(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔(!! "# $ ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔(!∘$))
𝛺𝛺 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎(!! "# $ ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 +!! $,
𝛥𝛥𝛥𝛥 = 𝑂𝑂𝑀𝑀%′ 𝑎𝑎𝑎𝑎𝛺𝛺 = 𝑂𝑂𝑀𝑀%′ 𝑎𝑎𝑎𝑎(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎(𝐿𝐿&𝐻𝐻 )+ 𝑋𝑋 −𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎(!∘$))
𝛺𝛺 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎(!! "# $ ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 +!! $,
𝛥𝛥𝛥𝛥 = 𝑂𝑂𝑀𝑀%′ 𝑎𝑎𝑎𝑎𝛺𝛺 = 𝑂𝑂𝑀𝑀%′ 𝑎𝑎𝑎𝑎(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎(𝐿𝐿&𝐻𝐻 )+ 𝑋𝑋 −𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎(!∘$))
(5)
Trang 3LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
37 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
Độ cao của điểm Mi’ so với điểm M được xác định
theo: h = Xsina
Như vậy, từ hàm truyền và hàm xác định giá trị
thực từ các giá trị đo ta tính được tọa độ tâm ảnh
của vết ảnh ứng với mỗi vị trí của vết laser khi màn
chắn dịch chuyển 1 khoảng X Và ngược lại khi
biết tọa độ tâm ảnh ta sẽ tính được khoảng dịch
chuyển của màn chắn
⇒ 𝑎𝑎𝑎𝑎 "𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 (!! "#
$ ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 (!!
$)+ ='(%&
"
(8) (9)
(10)
⇒ "𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 (!! "#
$ ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 (!!
$)+ ='(%&
"
′
⇒ 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 '𝐿𝐿!𝐻𝐻 , = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 '+ 𝑋𝑋 𝐿𝐿𝐻𝐻, + 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 /! 𝛥𝛥𝛥𝛥
𝑂𝑂𝑀𝑀"′4
⇒ 𝑋𝑋 = 𝑡𝑡𝑡𝑡(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑡𝑡𝑡𝑡(𝐿𝐿𝐻𝐻) + 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑡𝑡𝑡𝑡(! 𝛥𝛥𝛥𝛥
𝑂𝑂𝑀𝑀"′))𝐻𝐻 − 𝐿𝐿!
2.3 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến hàm truyền đạt
Từ phương trình hàm truyền, ta thấy kết quả đo sẽ phụ thuộc vào các thông số như L (khoảng cách
từ đầu đo đến chi tiết), H (khoảng cách từ nguồn laser đến đầu đo), f (độ phân giải của đầu đo) Khảo sát L, H, f để đạt được thiết kế hợp lý Để khảo sát các đường đặc tuyến biểu thị mối quan
hệ của L, H, f với ΔZ, ta sẽ thay đổi các giá trị của
L, H, f và cho giá trị Z biến đổi rồi tính ra sự biến đổi của Y
- Với L: cho L thay đổi từ 40 đến 50 mm với giá trị một lần thay đổi là 0,5 mm Sau khi khảo sát thu được đồ thì đường đặc tuyến biểu thị mối quan hệ giữa L và ΔZ (hình 3)
Hình 3 Đồ thị quan hệ giữa L và ΔZ
Qua đồ thị ta thấy được: Với L càng lớn thì độ
nhạy của đầu đo càng lớn tức là độ nhạy của
đầu đo càng cao, kết quả đo càng chính xác Tuy
nhiên, khi L càng lớn thì kết cấu của đầu đo càng
cồng kềnh, phức tạp
- Với H: Cho H thay đổi từ 25 đến 45 mm Khảo sát
sự thay đổi của H ta thu được biểu đồ mối quan hệ giữa H và ΔZ (hình 4)
Hình 4 Đồ thị quan hệ giữa H và ΔZ
- Với f: ta cho giá trị của f thay đổi từ 600 đến 800
pixel Sau khi khảo sát ta thu được đồ thị mối quan hệ giữa f và ΔZ (hình 5).
Trang 4NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
38 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
Hình 5 Đồ thị quan hệ giữa f và ΔZ
Tương tự ta cũng thu được biểu đồ thể hiện mối
quan hệ của f và ΔZ thông qua các đường đặc
tuyến khi cho Z thay đổi và tìm sự thay đổi của Y
với mỗi giá trị f khác nhau, f lớn thì độ nhạy của
đầu đo cũng tốt hơn Nhưng số liệu f phụ thuộc
vào thông số của camera sử dụng, với f càng lớn
thì yêu cầu về độ phân giải của camera càng lớn
và giá thành càng cao Do đó, tùy thuộc vào các
điều kiện thực tế ta chọn camera sẽ có được giá
trị f theo camera
Như vậy, từ các số liệu thu được này ta có kết
luận rằng kết cấu đầu đo phụ thuộc vào các thông
số L, H, f Khi ∆Z càng lớn, đường đặc tuyến càng
nghiêng thì độ nhạy của đầu đo do các thông số
ban đầu càng thể hiện rõ nét
3 KẾT LUẬN
Nghiên cứu này đã đưa ra được mối quan hệ giữa
sự thay đổi bề mặt chi tiết với các điểm ảnh thu
được trên cảm biến, xây dựng được hàm truyền đạt của đầu đo và phân tích được các yếu tố ảnh hưởng đến hàm truyền đạt, từ đó áp dụng vào trong các trường hợp cụ thể để lựa chọn các thông số của đầu đo cho phù hợp
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Đình Tường, Hoàng Hồng Hải (2006),
Quang kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ
thuật.
[2] Hoàng Ngọc Hai, Mai Xuân Toàn (2013), Thiết
kế máy đo quét laser 3D, Đồ án tốt nghiệp đại
học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
[3] Nguyễn Văn Vinh (2007), Bài giảng Laser,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[4] Nermina Zaimovic-Uzunovic (2010), Samir
lemes - influences of surface parameters on laser
Phạm Ngọc Linh
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu):
+ Năm 2010: Tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Máy chính xác, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
+ Năm 2013: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
+ Năm 2018: Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Công nghệ và Máy móc khai thác rừng và lâm nghiệp, Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật lâm nghiệp Saint - Petersburg mang tên X.M Kirov
- Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Kỹ thuật đo, công nghệ 3D, tính toán thiết kế máy
- Email: linhpham110@gmail.com
- Điện thoại: 0387456386
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
