Đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết gia công bằng công nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc

Từ những ưu điểm về tốc độ đo nhanh và khả năng đo trong quá trình gia công, xuất phát từ ý tưởng muốn ứng dụng phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc để nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụ

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

- Phan Thị Bích Liên

ĐO LƯỜNG KIỂM TRA BIÊN DẠNG CHI TIẾT GIA CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ CNC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Nguyễn Văn Vinh

2 TS Ngô Anh Vũ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả những nội trong luận văn “Đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết gia công bằng công nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập

thể cán bộ hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Văn Vinh và TS Ngô Anh Vũ Các số liệu

và tài lệu trong luận văn là trung thực được ghi rõ nguồn trích dẫn Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác cho tới thời điểm này

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Phan Thị Bích Liên

và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt quá trình học tập

và thực hiện luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, các thầy cô trong Khoa cơ khí - động lực Trường CĐ Cơ điện và CNTP Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Quang - Cơ Điện Tử 307 C4-5

Bộ môn Cơ Khí Chính Xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này

Tác giả luận văn

Phan Thị Bích Liên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 11

Lý do chọn đề tài 11

Lịch sử nghiên cứu 12

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 13

CHƯƠNG 1 15

ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 15

1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc và đặc điểm ánh sáng cấu trúc 15

1.1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc 15

1.1.2 Đặc điểm ánh sáng cấu trúc 21

1.2 Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc 22

1.3 Ứng dụng phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc 25

1.4 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2 27

PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC MÃ DỊCH PHA KẾT HỢP GRAY 27

2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha 27

2.1.1 Nguyên lý đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha 27

2.1.2 Các thuật toán dịch pha 30

2.1.3 Các phương pháp gỡ pha 35

2.2 Phương pháp mã hóa Gray 38

2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray 40

2.4 Đặc điểm chi tiết phay CNC 42

2.5 Ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiết phay CNC 43

2.6 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3 ĐO LƯỜNG CHI TIẾT PHAY CNC 48

3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm 48

3.2 Chương trình đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc 49

3.3 Đo lường một số chi tiết phay mẫu bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc 52

3.4 Kết luận chương 3 70

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 75

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Đơn vị Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

CMM

sáng cấu trúc

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CNC Computer numerical control Điều khiển bằng máy tính

CAD Computer Aided Design Thiết kế có sự trợ giúp của máy

tính DLP Digital light processing Xử lí ánh sáng kỹ thuật số

PSGC Phase shift combined Gray code

method

Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Ảnh vân mẫu ánh sáng cấu trúc được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu 15

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống chiếu bằng lưới khe hẹp 17

Hình 1.3 Phân tích pha chiếu cách tử sử dụng ảnh dịch pha 17

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của bảng hiệu chuẩn để xác định tọa độ x, y, z từ phương pháp dựng bảng toàn không gian 19

Hình 1.5 Bóng của lưới được di chuyển khi mỗi dòng LED được bật và tắt một cách tuần tự 19

Hình 1.6 Mối quan hệ hình học giữa các nguồn ánh sáng, cách tử và đối tượng đo được trích xuất 20

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc [8] 23

Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha 28

Hình 2.2 Mẫu chiếu dạng mã Gray [7] 39

Hình 2.3 Hình ảnh chi tiết phay CNC 42

Hình 2.4 Chi tiết phay mẫu bậc 43

Hình 2.5 Chi tiết phay CNC sau khi đo bằng ánh sáng cấu trúc 44

Hình 2.6 Chi tiết phay CNC 45

Hình 2.7 Chi tiết đang gia công trên máy CNC 45

Hình 2.8 Sản phẩm phay CNC 46

Hình 3.1 Mô hình thiết bị thực nghiệm 48

Hình 3.2 Giao diện ô vuông bàn cờ 50

Hình 3.3 Giao diện chương trình đo bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc 51

Hình 3.4 Đám mây điểm chi tiết bậc 51

Hình 3.5 Chi tiết phay số 1 53

Hình 3.6 Giao diện chương trình đo chi tiết phay số 1 53

Hình 3.7 Đám mây điểm của chi tiết phay số 1 54

Hình 3.8 Đồ thị kết quả đo kích thước a của chi tiết phay số 1 54

Hình 3.9 Đồ thị kết quả đo kích thước b của chi tiết phay số 1 55

Hình 3.10 Đồ thị kết quả đo kích thước c của chi tiết phay số 1 55

Hình 3.11 Chi tiết phay số 2 56

Hình 3.12 Phần mềm xử lý phần chi tiết phay số 2 57

Hình 3.13 Đám mây điểm của chi tiết phay số 2 57

Hình 3.14 Đồ thị kết quả đo kích thước a của chi tiết phay số 2 58

Hình 3.15 Đồ thị kết quả đo kích thước b của chi tiết phay số 2 58

Hình 3.16 Đồ thị kết quả đo kích thước c của chi tiết phay số 2 59

Hình 3.17 Chi tiết phay số 3 59

Hình 3.18 Phần mềm xử lý phần chi tiết phay số 3 60

Hình 3.19 Đám mây điểm của chi tiết phay số 3 60

Hình 3.20 Đồ thị kết quả đo kích thước a của chi tiết phay số 3 61

Hình 3.21 Đồ thị kết quả đo kích thước b của chi tiết phay số 3 61

Hình 3.22 Đồ thị kết quả đo kích thước c của chi tiết phay số 3 62

Hình 3.23 Chi tiết phay số 4 63

Hình 3.24 Phần mềm xử lý phần chi tiết phay số 4 63

Hình 3.25 Đám mây điểm của chi tiết phay số 4 64

Hình 3.27 Đồ thị kết quả đo kích thước a của chi tiết phay số 4 65

Hình 3.28 Đồ thị kết quả đo kích thước b của chi tiết phay số 4 65

Hình 3.29 Đồ thị kết quả đo kích thước c của chi tiết phay số 4 66

Hình 3.30 Chi tiết phay số 5 66

Hình 3.31 Phần mềm xử lý phần chi tiết phay số 5 67

Hình 3.32 Đám mây điểm của chi tiết phay số 5 67

Hình 3.33 Đồ thị kết quả đo kích thước a của chi tiết phay số 5 68 Hình 3.34 Đồ thị kết quả đo kích thước b của chi tiết phay số 5 68 Hình 3.35 Đồ thị kết quả đo kích thước c của chi tiết phay số 5 69

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Để chế tạo ra các chi tiết cơ khí đòi hỏi yêu cầu cao hơn về chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng hình học của sản phẩm bằng các phương pháp gia công truyền thống khó đáp ứng tốt được yêu cầu ngày càng cao và do đó sự cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường bị hạn chế Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật các công nghệ gia công mới cũng phát triển rất mạnh mẽ kéo theo các ứng dụng phần mềm vào trong tự động hóa sản xuất và tự động hóa lắp ráp Việc ứng dụng các máy điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) và các phần mềm này vào quá trình sản xuất cho phép nâng cao độ chính xác gia công, hiệu quả kinh tế, tăng năng suất, đồng thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất Chính vì vậy, hiện nay ở nước ta và các nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi các máy công cụ CNC

Trước kia để đo biên dạng và kiểm tra hình dáng hình học của các chi tiết phay có hình dạng đơn giản, năng suất và hiệu quả công việc thấp người ta thường dùng các dụng cụ đo đơn giản: thước cặp, panme, dưỡng Khi cần đo những chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao, hình dạng phức tạp Nếu dùng dưỡng để kiểm tra thì không hợp lý, vì tương ứng với mỗi bề mặt của sản phẩm thì người ta phải chế tạo các loại dưỡng khác nhau lúc này chi phí lớn sẽ không đạt hiệu quả về năng suất và giá thành, không đáp ứng được với tốc độ sản xuất của các loại máy hiện đại điều khiển theo chương trình số Chính vì vậy, cần phải nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp kiểm tra mà tốc độ đo nhanh hơn và khi đo có thể thực hiện ngay trên máy gia công mà không cần phải tháo chi tiết ra khỏi máy, khi đo như vậy sẽ kiểm tra được kích thước và biên dạng từ đó có thể hiệu chỉnh lại chương trình gia công của máy hạn chế được sai số và phế phẩm trong quá trình gia công và đây cũng là

xu hướng phát triển của đo lường hiện đại trên thế giới

Lịch sử nghiên cứu

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, việc ghép nối với máy tính

để qua đó xử lí các số liệu đo sẽ trở nên đơn giản và hiệu qủa hơn rất nhiều Chính từ những khả năng ưu việt như vậy đã cho ra đời một thiết bị đo tự động có tốc độ

đo nhanh mà với những phép đo thông thường khó có thể đáp ứng được, đó là đo biên dạng chi tiết bằng ánh sáng cấu trúc Biên dạng của chi tiết đo có thể xác định được với độ chính xác cao thông qua bộ xử lí số liệu đo đã được lập trình và cài đặt sẵn trong máy tính Hiện nay, việc ứng dụng phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc để đo các chi tiết cơ khí trong ngành công nghiệp gia công CNC trên thế giới chưa được phổ biến Tuy nhiên, đang có nhiều triển vọng và tận dụng được nhiều

ưu điểm

Từ những ưu điểm về tốc độ đo nhanh và khả năng đo trong quá trình gia công, xuất phát từ ý tưởng muốn ứng dụng phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc để nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng của các hệ thống thiết bị kỹ thuật này vào việc nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ và khai thác ứng dụng vào quá trình sản xuất, kiểm tra các sản phẩm có độ phức tạp và độ chính xác gia công cao thì

việc thực hiện đề tài: “ Đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết gia công bằng công

nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc” là cần thiết và có ý nghĩa thực

tiễn cao

Trong các loại máy công cụ CNC, máy phay CNC được sử dụng khá phổ biến Các sản phẩm của máy phay CNC có rất nhiều kiểu biên dạng và hình dáng hình học khác nhau như: mặt phẳng, mặt bậc, mặt nghiêng, mặt cầu…, khi kết hợp máy tiện với máy phay CNC hình thành các trung tâm gia công CNC có thể gia công được các loại bề mặt có hình dáng 3D phức tạp

Do đó đề tài này chủ yếu nghiên cứu đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết bằng

công nghệ phay CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu

Nội dung trong đề tài: ‘‘Đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết gia công bằng công nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc’” được nghiên cứu với

mục đích sau:

Làm tài liệu phục vụ cho đào tạo

Làm tư liệu tham khảo cho các ngành nghề liên quan

Thông qua luận văn mở ra hướng phát triển để làm các đề tài khác

Hiểu rõ được nguyên lý hoạt động và phương pháp đo của thiết bị đo theo phương pháp ánh sáng cấu trúc Ứng dụng để kiểm tra độ chính xác gia công của chi tiết phay CNC

Ứng dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp hiện nay

Đối tượng nghiên cứu: Khả năng đo lường của phương pháp đo sử dụng ánh sáng

cấu trúc

Phạm vi nghiên cứu:

Tham khảo các tài liệu để hiểu rõ nguyên lý phương pháp đo biên dạng chi tiết phay CNC bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc Hiểu được nguyên lý và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng, độ chính xác của thiết bị chế tạo Từ đó rút ra được phương pháp làm luận văn, bố cục, nội dung, văn phong, cách trình bày…

Nghiên cứu kỹ lưỡng nội dung bố cục luận văn, xem xét các điều kiện trang thiết bị hiện có tại trường để từ đó viết luận văn bám sát điều kiện thực tế và đảm bảo các tiêu chí luận văn đề ra

Thu nhận và xử lý các tín hiệu đo thu được để mô hình hóa lại biên dạng vật thể và xác định được các thông số hình dạng hình học của chi tiết

Xây dựng mô hình thực nghiệm và nghiên cứu thử nghiệm khả năng đo của thiết bị để đánh giá khả năng và triển vọng của thiết bị

Tham khảo ý kiến từ giáo viên hướng dẫn, bạn bè, chỉnh sửa và in ấn

Các luận điểm cơ bản của tác giả

Nghiên cứu tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc, các thiết bị đo 3D

Nghiên cứu tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc mã dịch pha kết hợp gray, đặc điểm của chi tiết phay CNC và ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiết phay CNC

Thiết kế một số chi tiết phay CNC mẫu đo thử nghiệm, tiến hành đo và đánh giá độ chính xác khi đo bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc

Phương pháp nghiên cứu

Chọn lọc phân tích, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có để tìm hiểu nắm được nguyên lý làm việc của thiết bị đo bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc, sử dụng được các thiết bị thực nghiệm

Để đạt được mục tiêu và thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề ra, luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm đưa ra những đánh giá về các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị

Sử dụng các phần mềm bổ trợ cho việc tính toán thiết kế: CAD, MS - Office, phân tích dữ liệu ảnh: Image J, mô phỏng dữ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab để thực hiện các nội dung nghiên cứu đề ra

CHƯƠNG 1

ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

Trong chương này trình bày những nghiên cứu tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc từ đó xác định các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận văn Mục 1.1 trình bày tổng quan về khái niệm và đặc điểm của ánh sáng cấu trúc Mục 1.2 trình bày phương pháp đo lường chi tiết 3D bằng ánh sáng cấu trúc Mục 1.3 trình bày ứng dụng phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Mục 1.4 Kết luận chương 1

1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc và đặc điểm ánh sáng cấu trúc

1.1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc

Ánh sáng cấu trúc là ánh sáng mẫu được mã hóa theo hàm cường độ hoặc màu sắc, theo không gian hoặc thời gian, được chiếu vào vùng không gian đo

Hình 1.1 Ảnh vân mẫu ánh sáng cấu trúc được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu

a Vân mẫu được mã hóa dạng sin theo mặt cắt ngang

b Vân mẫu được mã hóa theo các chu kỳ sin khác nhau theo mặt cắt ngang

c Vân mẫu dạng hình thang theo mặt cắt ngang

Theo kỹ thuật mã hóa ánh sáng cấu trúc đáp ứng việc mã hóa các mô hình mẫu chiếu theo mặt có hai phương pháp cơ bản thường được sử dụng là: dùng giao thoa ánh sáng và dùng phương pháp chiếu

Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp giao thoa

Phương pháp dùng giao thoa ánh sáng với hai chùm tia laser phẳng rộng hay bước sóng dải rộng (ánh sáng trắng) Tạo ra các mô hình giao thoa với các mẫu chiếu là các vân cách đều nhau Kích thước mô hình vân khác nhau có thể thu được bằng cách thay đổi góc giữa các chùm tia Phương pháp này cho phép thu được chính xác các mô hình mẫu với vùng có độ sâu không hạn chế Tuy nhiên, để xây dựng hệ thống này yêu cầu phải thiết kế hệ thống với độ chính xác cao và chi phí lớn

Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu

+ Tạo ánh sáng cấu trúc bằng cách tử

Có nhiều dạng mẫu ánh sáng cấu trúc được tạo ra bằng cách chiếu các nguồn sáng qua cách tử nhiễu xạ Tùy theo mục đích mã hóa có thể thiết kế hệ quang chiếu khác nhau từ đó có thể tạo ra nhiều dạng vân sáng cấu trúc

Trong một nghiên cứu mới một máy chiếu cách tử với chín dòng nguồn ánh sáng LED mới được phát triển Phương pháp dịch Pha thường sử dụng một máy chiếu cách tử với một độ phân giải cao hoặc một máy chiếu màn hình tinh thể lỏng (LCD), chi phí cao và hạn chế tốc độ dịch pha Hiệu xuất năng lượng ánh sáng của một đèn LED là rất cao Kích thước của nguồn sáng là rất nhỏ Việc kiểm soát năng lượng là

dễ dàng và rất nhanh chóng nhờ việc chuyển mạch tắt /bật các LED theo thời gian Chín dòng nguồn ánh sáng LED được đặt ở phía trước của một cách tử Việc chuyển mạch cho mỗi dòng LED của nguồn ánh sáng là 'bật' Các pha của bóng cách tử được chuyển bằng cách thay đổi các chuyển mạch cho đèn LED là bật/ tắt đồng bộ với các pha dịch chuyển và thu bằng camera theo tuần tự Sử dụng nguồn ánh sáng LED cho một máy chiếu lưới khe hẹp, nó có thể làm cho pha dịch chuyển mà không cần bất kỳ thiết bị di chuyển

Sử dụng phương pháp chiếu này có chi phí thấp và tốc độ cao Các tác giả gọi là

"phương pháp bước nhảy pha sử dụng đèn LED nhiều đường 'Ngay cả khi vị trí của các nguồn ánh sáng LED không phải là quá chính xác, sai số là gần như bị hủy bỏ bằng cách sử dụng các bảng hiệu chuẩn thu được bằng các bảng toàn không gian

với các thiết lập thực nghiệm như nhau Phương pháp này sẽ đáp ứng cho hệ thống

đo lường hình dạng tốc độ cao, độ chính xác cao, nhỏ gọn và chi phí thấp

Phương pháp dịch pha sử dụng phương pháp chiếu cách tử: Hình 1.2 cho thấy một sơ đồ hệ thống cho phương pháp chiếu cách tử Một lưới khe hẹp với phân bố

độ sáng cosin như một máy chiếu Bóng của các lưới khe hẹp được chiếu lên bề mặt đối tượng, bị biến dạng theo hình dạng của đối tượng

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống chiếu bằng lưới khe hẹp

Hình 1.3 (a) cho thấy mô hình dịch chuyển pha lưới khe hẹp chiếu lên một đối tượng Hình 1.3 (b) cho thấy độ sáng (cường độ) phân bố dọc theo đường trung tâm ngang của hình

a b Hình 1.3 Phân tích pha chiếu cách tử sử dụng ảnh dịch pha

a Sự phân bố cường độ gần như là dạng cosin

b Cho thấy độ sáng phân bố dọc theo đường trung tâm ngang của hình

Khi một cách tử với một phân bố độ sáng dạng cosin được chiếu hoặc hiển thị trên một mặt phẳng tham chiếu hoặc một đối tượng, và các pha của cách tử được dịch chuyển N lần cho một chu kỳ

Các tác giả trước đó đề xuất các phương pháp hiệu chuẩn mà sử dụng hai hoặc nhiều mặt phẳng chuẩn Các phương pháp điều chỉnh đã được mở rộng đến một số lượng rất lớn các mặt phẳng Tất cả các mối quan hệ giữa các pha của lưới chiếu và tọa độ không gian có thể thu được như bảng hiệu chuẩn cho mỗi điểm ảnh của máy ảnh Phương pháp này được gọi là " phương pháp lập bảng toàn không gian '(WSTM)

Hình 1.2 cũng cho thấy một sơ đồ của hệ thống đo lường hình bằng phương pháp chiếu lưới và giải thích về các nguyên tắc của phương pháp hiệu chuẩn bằng cách sử dụng nhiều mặt phẳng chuẩn Một màn hình LCD như một mặt phẳng tham chiếu được đặt trên một mặt tuyến tính Màn hình LCD được bao phủ với một phim tán xạ Các chức năng của phim tán xạ như một màn hình khi một mô hình lưới được chiếu từ máy chiếu lên mặt phẳng tham chiếu Nó được sử dụng để làm bảng hiệu chuẩn của mối quan hệ giữa các pha  và tọa độ z phim tán xạ cũng có chức năng như một màn hình ngược khi một mô hình lưới được hiển thị trên màn hình LCD để xác định tọa độ x và y ảnh lưới được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu đầu tiên, và sau đó nó cũng được chiếu lên đối tượng được đo Bằng cách dịch các mặt phẳng tham chiếu dọc theo trục z, một điểm ảnh của máy ảnh ghi lại cường độ như hình ảnh tại các điểm P0, P1, P2 và PN, trên những mặt phẳng tham chiếu R0, R1, R2 và RN, tương ứng Cũng như vậy, bằng cách thu các ảnh dịch pha của lưới mà sự phân phối dọc theo đường thẳng L của một pixel camera được thu

Để thu được các tọa độ x và y trên mặt phẳng tham chiếu, các lưới dịch pha hiển thị trên màn hình LCD được chụp bởi máy ảnh Từ những hình ảnh dịch chuyển pha, các bảng hiệu chuẩn được hình thành để thu được tọa độ x, y, z từ pha  ở mỗi điểm ảnh như thể hiện trong hình 1.4 và 1.5

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của bảng hiệu chuẩn để xác định tọa độ x, y, z từ

phương pháp dựng bảng toàn không gian

a Bảng của pha  và x, b Bảng của pha  và y, c Bảng của pha  và z

Trong các quá trình đo, đối tượng đo được đặt giữa các mặt phẳng tham chiếu R0 và RN Lưới dịch pha được chiếu lên bề mặt đối tượng đo Phân bố pha của lưới được phân tích từ những ảnh chuyển pha Phương pháp này được gọi là lập bảng toàn không gian Nó không bao gồm các ảnh hưởng của sự biến dạng ống kính và sai lệch cường độ của lưới chiếu trong các kết quả đo lường về mặt lý thuyết Lập bảng làm cho quá trình đo trong thời gian ngắn các tọa độ 3D thu được bằng cách nhìn vào bảng hiệu chuẩn từ pha tại mỗi điểm pixel của máy ảnh và nó không yêu cầu bất cứ tính toán phức tạp tốn nhiều thời gian

Phương pháp dịch pha bằng cách thay đổi nguồn sáng: Nguyên tắc của phương pháp dịch pha sử dụng nguồn sáng là các dòng LED Hình 1.5 cho thấy một cách tử được phát ra từ nguồn sáng, trong trường hợp bốn dòng LED Nếu mỗi dòng LED được bật và tắt một cách tuần tự, bóng của cách tử sẽ được di chuyển

Hình 1.5 Bóng của lưới được di

chuyển khi mỗi dòng LED được bật và tắt

một cách tuần tự

Số lượng bước pha là hàm của khoảng cách theo phương thẳng đứng từ nguồn sáng LED trong phương pháp bước pha sử dụng nguồn sáng là các dòng LED Lượng dịch chuyển pha đổi với khoảng cách theo phương z từ nguồn sáng đến từng điểm trong hình 13 Các vị trí với số lượng dịch chuyển pha,  / 2 và  được hiển thị như là các đường thẳng ngang, tương ứng

Hình 1.6 Mối quan hệ hình học giữa các nguồn ánh sáng, cách tử và đối

tượng đo được trích xuất

Trong hình này, năm dòng LED được hiển thị, ký hiệu n là số lượng các dòng LED, và các nguồn ánh sáng dòng n được thiết lập Ln (n = 0, 1, 2, 3, 4) Các nguồn ánh sáng song song và cách đều nhau với bước là l Mặt phẳng bao gồm năm nguồn ánh sáng LED được gọi là mặt phẳng LED khi đó z = 0 với các vùng (x, y) Vị trí của các dòng LED đầu tiên L0 là gốc O của các tọa độ x, y, z Trong mặt phẳng LED, hướng x vuông góc với các dòng LED, và phương y song song với dòng LED Hướng z- vuông góc với mặt phẳng LED Sự phân bố độ sáng của năm dòng LED được giả định là đồng nhất và bằng nhau theo các phương x và y trong vùng quan sát cố định Mặt phẳng cách tử có bước là p được đặt song song với mặt phẳng LED,

khoảng cách giữa mặt phẳng LED và mặt phẳng cách tử là d Các khe của cách tử được đặt song song với các dòng LED

+ Tạo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu vân dạng số (DFP)

Các vân sáng được mã hóa bằng máy tính và được chiếu bởi một khung hình bên trong máy chiếu, thông thường là một màn hình LCD, màn hình LCOS hoặc DLP Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai công nghệ, công nghệ này liên quan đến cơ chế hoạt động bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hình ảnh, phương pháp truyền qua thường dùng tấm LCD trong khi phương pháp phản chiếu DLP lại sử dụng hàng ngàn gương nhỏ tương ứng hàng ngàn điểm ảnh Kỹ thuật chiếu ảnh DLP có ưu điểm là tạo được hình ảnh có độ tương phản cao, tạo được hình ảnh mượt hơn không lộ điểm ảnh và có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD

1.1.2 Đặc điểm ánh sáng cấu trúc

- Tốc độ thu nhận dữ liệu cực nhanh nhờ công nghệ chụp hình 3D

- Khả năng đạt độ chính xác cao trên mỗi phép đo

- Cấu trúc ánh sáng được điều chế rất đa dạng tùy thuộc vào đối tượng đo

- Có thể điều chế theo màu sắc, cường độ, mức độ xám

- Hệ thống có thể thay đổi hệ quang để tăng giảm độ phân giải đồng thời tăng giảm thể tích của phép đo từ đó phù hợp với nhiều chủng loại sản phẩm kể cả vật thể có kích thước lớn và nhỏ:

- Kích thước lớn hoặc bề mặt sản phẩm trơn liên tục và dùng thấu kính có tiêu

cự lớn

- Kích thước nhỏ hoặc bề mặt hoa văn nhẹ và dùng thấu kính có tiêu cự nhỏ

- Có thể quét được sản phẩm có kích thước lớn như thân ô tô, tàu thủy hoặc các sản phẩm có kích thước rất lớn

Phương pháp quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là phương pháp hiện nay đang được quan tâm và nghiên cứu rất nhiều Đây là phương pháp kết hợp giữa các lí thuyết về quang sóng và các thành tựu của khoa học máy tính cũng như sự phát triển của công nghệ điện tử

1.2 Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc

Trong công nghiệp chế tạo cơ khí, đo lường biên dạng chi tiết 3D đóng vai trò rất quan trọng trong việc kiểm tra, kiểm soát chất lượng sản phẩm Hình dáng và kích thước của chi tiết cơ khí ngày càng đa dạng dẫn đến việc đo bằng phương pháp tiếp xúc không thể đáp ứng về tốc độ, không đo được các chi tiết có biên dạng phức tạp Nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp bách đó, phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ

Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc đã phát triển nhanh chóng và được ứng dụng trong các thiết bị đo lường kiểm soát chất lượng trong sản xuất, chuẩn đoán bệnh trong y tế… Với ưu điểm phép đo đạt độ chính xác cao, thời gian lấy mẫu nhanh, cho phép dựng ảnh chi tiết 3D đo nhanh chóng có thể đạt hàng ngàn phép đo trên giây để thực hiện các phép đo theo thời gian thực

Các ứng dụng đo lường bằng ánh sáng cấu trúc đã tận dụng được một số ưu điểm của phương pháp đo lường quang học như:

Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thực hiện đo bề mặt 3D không tiếp xúc, không ảnh hưởng đến biên dạng và tính chất của bề mặt chi tiết đo

Tốc độ đo hình dạng 3D bề mặt của phương pháp này cao hơn các phương pháp đo tiếp xúc Với đặc điểm đo được nhiều điểm của một vùng bề mặt chi tiết trong một lần đo Tốc độ đo của phương pháp này phụ thuộc vào tốc độ chiếu mẫu ánh sáng của nguồn chiếu, tốc độ thu ảnh của phần tử thu và đặc tính phản

xạ của bề mặt chi tiết đo Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc [8]

Nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc được thể hiện trên hình 1.1 Nguyên lý của phương pháp đo này là chiếu một miền ánh sáng cấu trúc được mã hóa lên vật thể cần đo, biên dạng bề mặt và ánh sáng mã hóa xuất hiện trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy ảnh Tọa độ 2D của chi tiết đo được xác định thông qua cường độ và vị trí của điểm ảnh trên cảm biến ảnh Độ sâu của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha của ánh sáng mẫu khi chiếu lên chi tiết đo và ánh sáng mẫu chiếu lên mặt phẳng chuẩn Thiết bị

đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc bao gồm một bộ phận chiếu ảnh, môt bộ phận thu ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu đo [1]

Bộ phận chiếu ảnh: có chức năng là chiếu các mẫu ảnh được mã hóa lên bề

mặt chi tiết cần đo Ảnh mã hóa rất đa dạng về cấu trúc, kích cỡ, độ phân giải nên

bộ phận chiếu ảnh có cấu trúc quang cơ phức tạp Tùy theo dạng ánh sáng cấu trúc,

bộ phận chiếu ảnh có thể là hệ thống giao thoa hoặc hệ thống chiếu hình Để đo chi tiết cơ khí thông dụng, chi tiết đo lớn, bộ phận chiếu ảnh thường là các máy chiếu ảnh kỹ thuật số Máy chiếu kỹ thuật số ngày càng được nâng cao chất lượng ảnh chiếu và giảm giá thành tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo thiết bị đo

Bộ phận chụp ảnh: bộ phận này có chức năng thu lại hình ảnh của mẫu chiếu

được chiếu lên bề mặt chi tiết đo Ảnh thu được chứa đựng thông tin độ cao của các điểm trên vật đo thông qua sự biến đổi dạng, màu sắc mẫu chiếu do bề mặt biên dạng của vật cần đo mang lại Có thể sử dụng một hay nhiều camera với các góc quan sát khác nhau nhằm tăng tốc độ cũng như độ chính xác khi đo Bộ phận chiếu ảnh và chụp ảnh tạo thành hệ thống cảm biến cho thiết bị quét biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc Các camera hiện nay cung cấp cho người sử dụng nhiều ưu điểm

về độ phân giải, tốc độ chụp, chất lượng hình ảnh cũng như giá thành ngày càng giảm

Bộ phận xử lý thông tin đo: chức năng bộ phận này là kết nối điều khiển quá

trình chiếu chụp đồng thời xử lý dữ liệu ảnh nhằm xác định được đám mây điểm bề mặt chi tiết đo Bộ phận này có thể là các máy tính cá nhân hoặc các thiết bị được thiết kế chuyên biệt nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển, xử lý thông tin và truy xuất dữ liệu đo

Các phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ưu điểm so với phương pháp tiếp xúc về tốc độ quét và khả năng quét các bề mặt kích thước lớn, các bề mặt không xác định Thiết bị đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc có thể quét trên một khu vực mà không cần phải di chuyển xung quanh bởi một thiết bị mang khác nên phép đo được tiến hành nhanh hơn Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp đo biên dạng chi tiết phay CNC sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ

đo, để sử dụng hiệu quả hơn phương pháp đo này trong thực tế công nghiệp Nội dung trong luận văn này, để nghiên cứu và giải quyết các vấn đề khi đo các chi tiết cơ khí gia công trên máy CNC thì lựa chọn phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo phương pháp tam giác lượng theo mặt Phương pháp này ít bị ảnh hưởng với ánh sáng môi trường và cho phép giảm vấn đề méo hình dạng do chuyển động của đầu đo hay chi tiết đo trong quá trình đo và có độ nhạy cao hơn đối với các bề mặt chi tiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao

1.3 Ứng dụng phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc

Phạm vi ứng dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc rất rộng từ việc đo chi tiết vùng kích cỡ micro trong các ngành sản xuất vi cơ, điện tử đến các chi tiết có kích thước lớn như xe bus, tàu thủy, máy bay…

Sử dụng phương pháp tiếp xúc để đo các chi tiết với hình dáng phức tạp, độ bóng cao… cần thời gian đo lâu và khó đo Do đó, sử dụng các thiết bị đo bằng ánh sáng cấu trúc mang lại hiệu quả rất cao

Một số thiết bị được đo bằng ánh sáng cấu trúc trên thị trường được giới thiệu trong bảng 1

Bảng 1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc

chi tiết cơ khí, đồ mỹ

- Đo lường biên dạng 3D các dạng sản phẩm có kích thước phức tạp: chi

- Quét biên dạng 3D các dạng sản phẩm có kích thước trung bình: chi tiết

Trên đây một số thiết bị sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và phát triển bởi một số hãng sản xuất các thiết bị quét 3D trên thế giới như: GOM, 3D3 Solutions, LMI technology Các thiết bị dùng để quét các chi tiết hình dáng phức tạp với kích thước trung bình Độ phân giải tốt nhất là sản phẩm của hãng GOM lên tới 0,02 mm trong phạm vi đo 38x39 mm, còn lại các dòng sản phẩm thường có độ phân giải trong khoảng 0,2 ÷ 0,5 mm

Bên cạnh đó, phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: giao tiếp và cộng tác, tương tác giữa con người và máy tính, giải trí, Y học và Sinh học, xác thực sinh học, chế tạo

1.4 Kết luận chương 1

Như vậy, so với phương pháp tiếp xúc về tốc độ quét và khả năng quét các bề mặt kích thước lớn, các bề mặt không xác định thì các phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ưu điểm hơn Thiết bị đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc có thể quét trên một khu vực mà không cần phải di chuyển xung quanh bởi một thiết bị mang khác nên phép đo được tiến hành nhanh hơn Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp đo chi tiết gia công trên máy phay CNC

sử dụng ánh sáng cấu trúc từ đó làm chủ công nghệ đo

nghệ, các chi tiết nhựa…

tiết cơ khí, đồ mỹ nghệ, các chi tiết nhựa…

cơ khí, đồ mỹ nghệ, các chi tiết nhựa…

Hãng sản

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

MÃ DỊCH PHA KẾT HỢP GRAY

Trong các dạng ánh sáng cấu trúc, phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất đáp ứng được yêu cầu đo các chi tiết cơ khí Để đo các chi tiết cơ khí gia công CNC với bề mặt phức tạp có phản xạ bề mặt cao thì phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray là phương pháp phù hợp nhất Phương pháp kết hợp cung cấp mối quan hệ duy nhất giữa các điểm ảnh của máy ảnh và các điểm ảnh của máy chiếu sao cho mối quan hệ của các điểm này sẽ là các phép chiếu 2D của cùng

1 điểm trong tọa độ thực 3D Trong chương này trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp dịch pha trong mục 2.1 Mục 2.2 trình bày phương pháp mã Gray Mục 2.3 trình bày phương pháp dịch pha kết hợp Gray Mục 2.4 Đặc điểm chi tiết phay CNC 2.5 Ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiết phay CNC 2.6 Kết luận

chương 2

2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha

Trong đo lường không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc, phương pháp dịch pha là phương pháp được sử dụng phổ biến do có nhiều ưu điểm đem lại độ chính xác cao, độ phân giải cao do các xử lý có thể đạt tới phạm vi nhỏ hơn điểm ảnh của cảm biến

2.1.1 Nguyên lý đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha

Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc sử dụng cơ sở đo biên dạng bề mặt của phương pháp đo giao thoa laser, việc tạo vân giao thoa thay đổi khi dịch chuyển mặt phẳng tham chiếu được thay thế bằng thiết bị chiếu lần lượt các vân chiếu dạng sin lệch pha nhau Camera ghi lại các hình ảnh để phân tích dữ liệu

đo hình thành lên nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp dịch pha Trên hình 2.1 là sơ đồ khối mô tả quá trình đo theo phương pháp dịch pha Máy chiếu chiếu hệ vân chiếu lên bề mặt chi tiết cần đo, hình ảnh chiếu trên chi tiết

được máy ảnh thu ảnh lại gửi vào máy tính có nhiệm vụ tạo vân, mã hóa vân, giải

mã, xử lý tín hiệu Các thuật toán phần mềm phân tích xử lý tín hiệu đo trên máy tính xác định pha của ảnh thu Mỗi điểm ảnh xác định được một điểm đo trên bề mặt vật Ma trận giá trị pha đó thường được gọi là “ảnh pha” dùng để dựng đám mây điểm 3D

Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha

Chi tiết : là các chi tiết cần đo được đặt trong trường quan sát của camera

và máy chiếu Sử dụng thiết bị đo có không gian làm việc phù hợp với kích thước vật đo để đo được toàn bộ biên dạng 3D của chi tiết Các đặc điểm bề mặt chi tiết đo sẽ ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác khi đo biên dạng sử dụng phương pháp quang học

Máy chiếu: có chức năng chiếu hệ vân, trong phương pháp dịch pha sử

dụng các mẫu chiếu là ánh sáng cấu trúc có cường độ sáng của các điểm ảnh được phân bố theo quy luật dạng sin Để tạo ra ánh sáng cấu trúc dạng sin có thể sử dụng phương pháp giao thoa laser, cách tử nhiễu xạ hoặc máy chiếu kỹ thuật số Phương pháp giao thoa laser và chiếu sáng qua cách tử nhiễu xạ phù hợp với các phép đo có vùng đo nhỏ cần độ chính xác cao do có thể tạo ra mẫu sáng chiếu có chu kì sin nhỏ, tuy nhiên có nhược điểm là kết cấu phức tạp đòi hỏi độ chính xác rất cao cũng như phạm vi đo hạn chế Với các thiết bị đo thông dụng đáp ứng các dải sản phẩm có kích thước trung bình thường sử dụng máy chiếu kỹ thuật số, các máy chiếu theo công nghệ DLP có thể tạo ra các dạng

Chi tiết đo

- Thu ảnh vân mẫu

Dựng đám mây điểm 3D

mẫu chiếu trên máy tính với độ chính xác vân chiếu cao Số ảnh chiếu phụ thuộc vào giải thuật dịch pha sử dụng Xét trường hợp tổng quát, với dịch pha N bước, ảnh mẫu vân chiếu được thiết kế theo quy luật:

𝐼�𝑛�(x, y)=𝐴�(𝑥�, 𝑦�) + 𝐵�(𝑥�, 𝑦�)sin(Ф(x,y)+ (2.1) Trong đó:

- (𝑥�, 𝑦�) là cường độ sáng của điểm (x, y) được phân bố trên ảnh thứ n

- A(x, y); B(x, y) là hệ số cường độ sáng trên các mẫu chiếu

- (x, y): tọa độ điểm trên mẫu ảnh chiếu

- N: số bước dịch pha

- n: ảnh chiếu thứ n

Vì có ba ẩn số A(x, y); B(x, y); Ф(x, y) do đó cần tối thiểu 3 phương trình để

xác định, tương ứng với số ảnh tối thiểu trong phương pháp dịch pha là 3 ảnh

Máy ảnh : thiết bị đo sử dụng camera thu lại ảnh chi tiết đo khi được chiếu

mẫu ánh sáng Các thiết bị đo có thể có một hoặc nhiều camera, các hình ảnh vân sáng trên bề mặt chi tiết đo được chuyển vào bộ phận xử lý để dựng lại tọa độ điểm

đo

Máy tính: có nhiệm vụ tạo vân, mã hóa vân, giải mã, xử lý tín hiệu, phân

tích pha ảnh Trong phương pháp dịch pha cần dựng lại ảnh pha tuyệt đối của ảnh

để từ đó xác định tọa độ 3D của vật cần đo Việc dựng lại ảnh pha tuyệt đối trải qua hai giai đoạn: xác định pha tương đối và gỡ pha tương đối Xét trong trường hợp tổng quát, khi sử dụng phương pháp dịch pha N bước ảnh pha tương đối (wraped) xác định bởi:

(2.2)

Trong đó:

∅(𝑥�, 𝑦�): giá trị pha tương đối tại vị trí điểm có tọa độ (x, y) Dựng ảnh pha tuyệt đối Ф (x, y) quan hệ với ∅(𝑥�, 𝑦�) theo công thức:

Ø(𝑥�, 𝑦�) = 𝑚�𝑜�𝑑�(Ф(𝑥�, 𝑦�), 2𝜋�) (2.4)

Độ chính xác ảnh pha tuyệt đối phụ thuộc vào phương pháp gỡ pha Có hai phương pháp gỡ pha là gỡ pha theo không gian và gỡ pha theo thời gian

Dựng đám mây điểm 3D: sau khi gỡ pha xác định được ảnh pha tuyệt đối Để dựng

lại tọa độ đám mây điểm đo cần dựa trên sơ đồ bố trí hệ thống cảm biến gồm camera

và máy chiếu Xác định tọa độ điểm đo được xác định theo 2 phương pháp: phương pháp dựa trên mối quan hệ hình học của hệ thống và phương pháp giải tích Trong phương pháp giải tích hệ thống đo được đưa về mô hình toán học tính theo tọa độ không gian

Đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha cho độ chính xác cao, độ phân giải cao nhất trong các phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc (ảnh pha phân bố liên tục) Số bước dịch pha phụ thuộc vào thuật toán dịch pha sử dụng Các cảm biến có tốc độ chiếu chụp ngày càng cao giúp cho phương pháp có khả năng đo đáp ứng yêu cầu đo trực tuyến

2.1.2 Các thuật toán dịch pha

Việc xác định các thuật toán dịch pha là yếu tố quan trọng trong phương pháp dịch pha, với các thuật toán khác nhau sẽ xác định quy trình đo và cách xử

lý dữ liệu đo khác nhau Có nhiều thuật toán được nghiên cứu để phù hợp với đối tượng đo nhưng đều hướng tới mục đích: phương pháp tạo mẫu chiếu đơn giản,

xử lý dữ liệu nhanh và giảm các ảnh hưởng nhiễu trong quá trình đo Hiện nay, các thuật toán sau được dùng phổ biến là:

2.1.2.1 Thuật toán 3 bước dịch pha [3]

Thuật toán dịch pha ba bước sử dụng bước dịch pha 𝛿�𝑖� = −𝛼�, 0, 𝛼�; 𝑖� = 1,

2, 3 cho 3 mẫu chiếu Cường độ các điểm ảnh trên từng mẫu chiếu được xác định bởi:

𝐼�1(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�"(𝑥�, 𝑦�, ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�) − 𝛼�] (2.5) 𝐼�2(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�"(𝑥�, 𝑦�, ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�)] (2.6) 𝐼�3(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�"(𝑥�, 𝑦�, ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�,

𝑦�) + 𝛼�] Từ 3 công thức trên:

(2.7)

𝐼�1(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�"(𝑥�, 𝑦�, ∆){𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�)] cos(𝛼�) + 𝑠�𝑖�𝑛�[∅(𝑥�,

𝐼�2(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�"(𝑥�, 𝑦�, ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�)] (2.9) 𝐼�3(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�"(𝑥�, 𝑦�, ∆){𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�)] cos(𝛼�) − 𝑠�𝑖�𝑛�[∅(𝑥�,

𝑦�)]sin(𝛼�)} Giải hệ phương trình 2.8; 2.9 và 2.10 xác định được ảnh pha

Đặc biệt đối với dịch pha 3 bước có thể đơn giản hóa cho chương trình tính toán nếu chọn:

Khi đó:

(2.14)

Phương pháp dịch pha ba bước có ưu điểm là dữ liệu đơn giản và là phương pháp nhanh nhất trong dịch pha Bên cạnh đó, phương pháp này cũng có những nhược điểm là chịu nhiều ảnh hưởng bởi lỗi dịch pha, sự không tuyến tính của cảm biến, nhiễu môi trường và đặc điểm hình học và quang học của bản thân vật

đo

2.1.2.2 Thuật toán ba bước dịch pha kép [3]

Phương pháp ba bước dịch kép thường được dùng để giảm lỗi không tuyến tính của hệ thống cảm biến Giả sử xác định được lỗi không tuyến tính thông qua

∆∅ Khi đó:

(2.15) Suy ra:

(2.16)

Trong đó:

- : Pha được tính với giải thuật 3 bước dịch pha lý tưởng

- ∅′: Pha được tính chứa yếu tố không tuyến tính

- m: Hệ số phụ thuộc vào độ không tuyến tính của hệ thống

Do tần số nhiễu gấp 3 lần tần số pha cơ bản nên khi sử dụng các bước dịch pha là bội số của 60o thì lỗi pha là 180o, khi đó trung bình lỗi pha giảm về 0 Có thể

sử dụng 2 cặp mẫu chiếu có độ dịch pha là (0, 120o, 240o) và (60o, 180o, 300o) Trong trường hợp lỗi không tuyến tính nhỏ và m lớn, xác định được:

(2.17) Với dịch pha bội số 60o:

(2.18)

Như vậy ∆∅ = ∆∅′ nên trung bình lỗi bằng 0

2.1.2.3 Thuật toán dịch pha Carré [3]

Carré sử dụng thuật toán dịch pha với góc pha trong các mẫu chiếu là:

𝛿�𝑖� = −3𝛼�, −𝛼�, 𝛼�, 3𝛼�; 𝑖� = 1, 2, 3,4 Khi đó các mẫu vân chiếu được mã hóa theo quy luật sau:

𝐼�1 = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�"(𝑥�, 𝑦�, ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�) − 3𝛼�] (2.19) 𝐼�2 = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�"(𝑥�, 𝑦�, ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�) − 𝛼�] (2.20) 𝐼�3 = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�"(𝑥�, 𝑦�, ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�) +

𝛼�]

(2.21)

𝐼�4 = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�"(𝑥�, 𝑦�, ∆)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�) + 3𝛼�] Giải các phương trình trên xác định được góc pha:

(2.25)

Thuật toán dịch pha Carré sử dụng 4 ảnh chiếu do đó có tốc độ đo chỉ sau phương pháp dịch pha 3 bước Thuật toán được sử dụng các ảnh có tính chất đảo giá trị cường độ do đó khắc phục được một số nhược điểm do bề mặt phản xạ của vật đo đem lại

2.1.2.4 Giải thuật Hariharan [3]

Hariharan sử dụng thuật toán dịch pha với góc pha trong các mẫu chiếu là:

𝛿�1 = −2𝛼�, −𝛼�, 0, 𝛼�, 2 ; 𝑖� = 1, 2, 3, 4, 5 Khi đó các mẫu chiếu được mã hóa theo các biểu thức sau”

𝐼�1(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�′′(𝑥�, 𝑦�, 𝛥�)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�) − 2𝛼�] (2.26) 𝐼�2(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�′′(𝑥�, 𝑦�, 𝛥�)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�) − 𝛼�] (2.27) 𝐼�3(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�,𝑦�) + 𝐼�′′(𝑥�, 𝑦�, 𝛥�)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�)] (2.28) 𝐼�4(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�′′(𝑥�, 𝑦�, 𝛥�)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�) + 𝛼�] (2.29) 𝐼�5(𝑥�, 𝑦�) = 𝐼�′(𝑥�, 𝑦�) + 𝐼�′′(𝑥�, 𝑦�, 𝛥�)𝑐�𝑜�𝑠�[∅(𝑥�, 𝑦�)

Với giải thuật này có thể xác định được lỗi dịch pha một cách đơn giản, giả

sử lỗi là ε khi đó pha tạo ra có:

𝜙�′(𝑥�, 𝑦�) = 𝜙�(𝑥�, 𝑦�) + Δ𝜙�(𝑥�, 𝑦�) (2.34) Với lỗi dịch pha nhỏ ε có thể xác định được:

𝑡�[𝜙�′(𝑥�, 𝑦�)] ≈ [1 + (𝑒�2/2)]𝑡�𝑎�𝑛�[∅(𝑥�, 𝑦�)] (2.35) Khi đó:

∅(𝑥�, 𝑦�) = 𝜙�′(𝑥�, 𝑦�) − 𝜙�(𝑥�, 𝑦�) ≅ (𝑒�2/4)𝑠�𝑖�𝑛�[2∅(𝑥�, 𝑦�)] (2.36) Như vậy, với những đối tượng đo dễ gây ra các ảnh hưởng của độ chính xác dịch pha thường áp dụng phương pháp này Khi các lỗi gây ra lớn nhất đạt 2o

có thể xác định được sự thay đổi bước dịch pha là 0,02o

là rất lớn Khi đo các chi tiết cơ khí do đặc điểm hình dạng và đặc tính quang bề mặt

sử dụng thuật toán dịch pha Carré sẽ giảm được sự ảnh hưởng đặc tính quang bề mặt giúp cho khả năng chống nhiễu tốt hơn đồng thời thuật toán xử lý dữ liệu đo cũng đơn giản hơn

2.1.3 Các phương pháp gỡ pha

Có nhiều phương pháp gỡ pha được nghiên cứu và có thể chia làm hai phương pháp chính là phương pháp gỡ pha không gian và phương pháp gỡ pha thời gian Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương pháp là gỡ pha thời gian không đòi hỏi phải biết các thông tin pha điểm ảnh lân cận để thực hiện gỡ pha

2.1.3.1 Phương pháp gỡ pha không gian

Trong ảnh pha mang có thể tồn tại nhiều bước nhảy pha quá 2π giữa các điểm ảnh liền kề Ảnh pha tương đối biểu diễn theo tỷ lệ xám như hình 2.2b Tỷ lệ xám tượng trưng cho giá trị pha nằm trong khoảng –π đến π Ngoài ra còn còn xuất hiện nhiều vùng không xác định được giá trị pha Nhiều điểm tồn tại sự thay đổi đột ngột từ trắng sang đen chỉ ra những điểm có thể tồn tại bước nhảy pha

Nguyên lý của phương pháp gỡ pha không gian xuất phát từ:

- Sự khác nhau của giá trị pha được kiểm tra toàn bộ trên bản đồ pha Những

vị trí có sự khác biệt gần 2π có thể tồn tại bước nhảy pha

- Bù giá trị pha 2π sao cho tại các điểm có thể tồn tại bước nhảy pha phân bố liên tục

- Tại các điểm tham chiếu biết trước giá trị pha tuyệt đối xây dựng lên ảnh pha tuyệt đối

2.1.3 2 Phương pháp gỡ pha theo thời gian

a) Thuật toán gỡ pha Huntley và Saldner [5, 6, 10]

Giải thuật gỡ pha theo thời gian sử dụng các mẫu chiếu sin có tần số khác nhau Cường độ sáng phân bố trên mẫu chiếu theo biểu thức:

(2.37)

𝜉�, 𝜂� ∈ [0,1]; t=1÷T; n=1÷4 Trong đó:

- (𝜉�, 𝜂�) là tọa độ trong không gian chiếu t: số chu kì trong mẫu

chiếu

- n: bước chiếu trong quá trình dịch pha

- (𝑃�)𝑚�𝑎�𝑥� giá trị cường độ lớn nhất trên vân chiếu mẫu

- (𝑝�)(𝜉�,,𝑡�,𝑛�) cường độ chiếu tại điểm (𝜉�, 𝜂�) trên mẫu chiếu (t, n) Giá trị pha tuyệt đối (𝜉�, 𝜂�, 𝑡�) trên mẫu chiếu (t, 1) được xác định bởi:

(2.38)

Khi chiếu mẫu chiếu lên bề mặt chi tiết đo, ảnh thu được có giá trị cường độ sáng phân bố là (𝑝�)(𝑖�,𝑗�,𝑡�,𝑛�) với (i, j) là tọa độ điểm ảnh Với thuật toán sử dụng cho các mẫu chiếu có cùng số chu kì t, có thể xác định được ảnh pha tuyệt đối (𝑖�, 𝑗�, 𝑡�) theo công thức:

Với mẫu chiếu T xác định được ảnh pha tuyệt đối với tần số lớn nhất thể hiện

độ chính xác của phương pháp đo pha:

Như vậy, trong phương pháp cho (𝑖�, 𝑗�, 1) ∈ [-𝜋�, 𝜋�] do đó các điểm trên ảnh pha tuyệt đối được xác định, (𝑖�, 𝑗�, 𝑇�) thể hiện ảnh pha tuyệt đối có độ chính xác cao nhất đặc trưng cho phép đo Phương pháp gỡ pha của Huntley và Saldner cho độ chính xác cao tuy nhiên do cần nhiều mẫu chiếu nên không áp dụng được

cho việc đo các chi tiết ở trạng thái động

b) Thuật toán gỡ pha Zhao [9]

Nhằm tăng tốc độ đo Zhao phát triển thuật toán gỡ pha thời gian sử dụng ít mẫu chiếu hơn của Huntley và Saldner với các mẫu chiếu được mã hóa với tần

số khác nhau Thuật toán gỡ pha Zhao được thực hiện qua các bước sau:

- Bước 1: Xác định bản đồ pha với mẫu chiếu sin có chu kì nhỏ nhất Ø(i, j) khi đó mối quan hệ giữa ảnh pha tuyệt đối Ф(i, j) và ảnh pha nhỏ nhất xác định theo:

Ф(i, j) = Ø(i, j) + 2π s(i, j) (2.43) Với s(i, j) là số nguyên chưa biết

- Bước 2: Sử dụng mẫu chiếu 1 chu kì chiếu lên vật và xác định:

Ф0(i, j) = Ø0(i, j), khi đó mối quan hệ giữa Ф0(i, j) và Ф(i, j) được xác định bởi:

Ф(i, j) = ch,0Ф0(i, j), với ch,0 là hằng số

Như vậy có thể xác định:

(2.44)

Từ đó có thể xây dựng được ảnh pha tuyệt đối Với phương pháp của Zhao cần

ít nhất 3 tần số để có thể xác định chính xác các ảnh pha tuyệt đối Tuy nhiên, các mẫu chiếu được giảm đi mà vẫn cho kết quả tương xứng với giải thuật của Huntley

và Saldner

2.2 Phương pháp mã hóa Gray

Phương pháp mã hóa Gray cho phép mô tả 2n hướng chiếu khác nhau của máy chiếu Số chỉ thị của hướng chiếu có thể được xác định rõ ràng bằng số lượng từ mã

sử dụng hai mức xám (trắng và đen) với ưu điểm: thiết lập hệ thống đơn giản, chống nhiễu tốt và có thể đo các bề mặt gián đoạn hoặc các bề mặt bị cô lập Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm: độ phân giải thấp và dải động thấp