Thiết kế máy quét 3d chi tiết giáy dép

This thesis introduces the research contents of a 3D shoe’s scanner device inthe automatic grinding and cementing system for shoes upper and shoe sole.. Thecontent of the thesis includes

I H C QU C GIA TP H CHÍ MINH

LÊ CAO BÁCH

THI T K MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP

Chuyên ngành: Công ngh ch t o máy

Mã s : 605204

LU N V N TH C S

TP H CHÍ MINH, tháng 12 n m 2012

CÔNG TRÌNH C HOÀN THÀNH T I

TR NG I H C BÁCH KHOA – HQG –HCM

Cán b h ng d n khoa h c: PGS.TS Ph m Ng c Tu n

(Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v và ch ký)

Cán b ch m nh n xét 1:

(Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v và ch ký) Cán b ch m nh n xét 2:

(Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v và ch ký) Lu n v n th c s c b o v t i Tr ng i h c Bách Khoa, HQG Tp HCM ngày

tháng n m

Thành ph n H i ng ánh giá lu n v n th c s g m: (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v c a H i ng ch m b o v lu n v n th c s ) 1

2

3

4

5

Xác nh n c a Ch t ch H i ng ánh giá LV và Tr ng Khoa qu n lý chuyên ngành sau khi lu n v n ã c s a ch a (n u có).

I TÊN TÀI: THI T K MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP

II NHI M V VÀ N I DUNG:

- Nghiên c u t ng quan v máy quét 3D chi ti t giày dép

- Phân tích, xác nh c u hình và nguyên lý làm vi c c a máy quét 3D chi ti t

giày dép

- Thi t k máy quét 3D chi ti t giày dép

- Thi t k quy trình, gi i thu t x lý d li u c a máy quét 3D chi ti t giày dép

- Thi t k giao di n ph n m m và giao di n h a cho ph n m m máy quét

- Ch t o và th nghi m v n hành máy quét

III NGÀY GIAO NHI M V : 02/07/2012

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 30/11/2012

I CAM OAN

Em cam oan r ng, ngo i tr các k t qu tham kh o t các công trình khác

nh ã ghi rõ trong lu n v n, các công vi c c trình bày trong lu n v n này là dochính em th c hi n và ch a có ph n n i dung nào c a lu n v n này c n p l y

t b ng c p tr ng này ho c tr ng khác

Ngày 31 tháng 12 n m 2012

Lê Cao Bách

I CÁM N

Em xin chân thành c m n s h ng d n, ch d y và giúp t n tình c a các

th y cô gi ng d y sau i h c - Tr ng i h c Bách Khoa, i h c qu c giaThành ph H Chí Minh

This thesis introduces the research contents of a 3D shoe’s scanner device inthe automatic grinding and cementing system for shoes upper and shoe sole Thecontent of the thesis includes the principles of the operation, the configuration of themechanical system, control’s principles and control’s parameters of the device Thethesis also includes a BK Scanner software which is designed for intergrating intothe device The procedure of the software is programed base on capturing the 3Ddata of shoe’s surface through an intergration between a CCD camera and a laserlight device, processing and converting 2D images data into 3D data, building thesurface and boundaries for fabricating The result of this thesis is also a product ofthe State science and technology project: “The research, design and fabricating of

an automatic shoe soles, uppers roughing and cementing system in the shoemanufacturing lines”, code: KC.03.03/11-15, in the State key science andtechnology program KC.03/11-15: "The research, application and development ofmechanical and automatic technologies"

TÓM T T

i dung lu n v n trình bày v máy quét 3D chi ti t giày dép trong h th ng

ng mài và bôi keo chi ti t giày, m giày Các n i dung nghiên c u c a lu n

n bao g m: thi t k nguyên lý ho t ng, c u hình h th ng c khí, nguyên lý

u khi n và các thông s u khi n c a thi t b Lu n v n c ng nghiên c u các

gi i thu t xây d ng ph n m m BK Scanner và tích h p v i b u khi n c a thi t Ph n m m c xây d ng trên c s các gi i thu t thu th p d li u t chi ti tgiày dép thông qua s k t h p gi a camera CCD và èn laser ng, gi i thu t x

lý và chuy n i các d li u 2D thành 3D, gi i thu t xây d ng b m t chi ti t giàydép, gi i thu t xây d ng các ng gia công K t qu c a lu n v n là s n ph m c a tài khoa h c công ngh c p Nhà n c “Nghiên c u thi t k , ch t o h th ng t

ng mài và bôi keo giày, m giày trong dây chuy n s n xu t giày dép”, mã s :KC.03.03/11-15, thu c Ch ng trình KH&CN tr ng m c p Nhà n c KC.03/11-

15 “Nghiên c u ng d ng và phát tri n công ngh c khí và t ng hóa”

C L C

NHI M V LU N V N TH C S 1

I CAM OAN i

I CÁM N ii

ABSTRACT iii

TÓM T T iv

C L C v

DANH M C HÌNH V viii

DANH M C B NG xiv

DANH M C CH VI T T T xv

CH NG 1: T NG QUAN V MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP 1

1.1 M u 1

1.2 Tình hình nghiên c u và ng d ng máy quét 3D trên th gi i 4

1.2.1 Máy quét 3D dùng trong công nghi p 4

1.2.2 Máy quét 3D dùng trong y t 6

1.2.3 Máy quét 3D dùng trong xây d ng, kh o c 7

1.2.4 Máy quét 3D trong ngành giày dép 7

1.3 Tình hình nghiên c u, ng d ng máy quét 3D Vi t Nam 10

1.3.1 Tình hình ng d ng 10

1.3.2 Tình hình nghiên c u 11

1.4 Tính c p thi t c a tài 11

1.5 M c tiêu nghiên c u c a tài 11

1.6 Ph m vi nghiên c u 12

1.7 N i dung nghiên c u c a tài 12

1.8 Ph ng pháp nghiên c u 12

1.9 Ý ngh a khoa h c c a lu n v n 13

1.10 Ý ngh a th c ti n c a lu n v n 13

CH NG 2: PHÂN TÍCH, XÁC NH C U HÌNH VÀ NGUYÊN LÝ LÀM

VI C C A MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP 14

2.1 Công d ng, ch c n ng c a máy quét 3D trong dây chuy n s n xu t giày dép 14

2.2 Xác nh nguyên lý làm vi c c a máy quét 3D chi ti t giày dép 15

2.2.1 Phân tích l a ch n gi i pháp nh n d ng và x lý d li u 3D 15

2.2.2 Phân tích và xác nh ph ng pháp quét c a máy quét 3D 18

2.3 Xác nh nguyên lý làm vi c và c u hình máy quét 3D chi ti t giày dép 21

2.3.1 Nguyên lý làm vi c máy quét 3D chi ti t giày dép 21

2.3.2 Thông s k thu t máy quét 3D chi ti t giày dép 26

CH NG 3: THI T K MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP 36

3.1 K t c u t ng th máy quét 3D chi ti t giày dép 36

3.2 Thi t k ph n c khí máy quét 37

3.2.1 Thi t k c m thân máy quét 3D 37

3.2.2 Thi t k c m chân máy quét 52

3.3 Thi t k h th ng u khi n máy quét 3D chi ti t giày dép 53

3.3.1 C u t o c a h th ng u khi n 53

3.3.2 Ph ng án u khi n các i t ng trong máy quét 3D 55

3.3.3 Thi t k h th ng u khi n c a máy quét 3D 57

CH NG 4: THI T K QUY TRÌNH, GI I THU T X LÝ D LI U C A MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP 63

4.1 M u v x lý nh và th vi n x lý nh OpenCV 63

4.1.1 nh và h th ng x lý nh 63

4.1.2 Th vi n x lý nh Open CV 66

4.2 Thi t k gi i thu t t ng quát cho quá trình x lý nh 67

4.2.1 Mô hình camera c b n 67

4.2.2 Méo nh 69

4.2.3 Mô hình camera và laser trong máy quét 3D chi ti t giày dép 71

4.3 Gi i thu t cho quá trình x lý nh 73

4.3.1 Hi u ch nh camera (calibration) 73

4.3.2 X lý nh cho máy quét 3D 76

CH NG 5: THI T K GIAO DI N C A PH N M M QUÉT BK SCANNER VÀ K T QU CH T O, V N HÀNH MÁY 84

5.1 Giao di n ph n m m và th vi n Open GL (Open Graphics Library) 84

5.2 Phân tích và l a ch n ch c n ng ph n m m BK Scanner 85

5.3 Giao di n ph n u khi n và quét d li u 87

5.4 Thi t k ch c n ng sao l u và chuy n i d li u 89

5.5 Ch t o và v n hành máy quét 90

TÀI LI U THAM KH O 98

PH L C 100

DANH M C HÌNH V

Hình 1.1: Chi ti t m giày và giày và phom giày [3] 3

Hình 1.2: Máy quét laser Metris 3D c a hãng Nikon 5

Hình 1.3: Máy quét 3D dùng cánh tay o c a hãng Nikon 5

Hình 1.4: Máy quét 3D c m tay c a hãng Z Scanner [5] 6

Hình 1.5: M t s s n ph m ng d ng máy quét 3D trong thi t k 6

Hình 1.6: Máy quét 3D Rexcan c a hãng SOLUTIONIX [6] 7

Hình 1.7: Máy quét 3D c a hãng Leica dùng trong công nghi p [7] 7

Hình 1.8: Máy quét 3D dùng trong ngành giày dép c a Frontier[7] 8

Hình 1.9: Máy quét 3D o kích th c chân khách hàng 9

Hình 1.10: Mô hình h th ng quét biên d ng giày 10

Hình 1.11: H th ng thu th p d li u và mài giày c a 10

Hình 1.12: Mô hình s n ph m m b o hi m và thìa c quét 11

Hình 2.1: L u h th ng mài và bôi keo t ng 14

Hình 2.2: Ba nhóm ph ng pháp thu th p d li u 3D ki u không ti p xúc 15

Hình 2.3: Các nguyên lý nh n d ng quang h c 16

Hình 2.4: Nguyên lý nh n d ng d li u 3D b ng tia sáng c u trúc 18

Hình 2.5: Mô hình ph ng án 1 19

Hình 2.6: Mô hình ph ng án 2 19

Hình 2.7: Mô hình ph ng án 3 20

Hình 2.8: Mô hình ph ng án 4 20

Hình 2.9: C u hình c a máy quét 3D chi ti t giày dép 21

Hình 2.10: C u t o máy quét 3D 22

Hình 2.11: L u nh n d ng và x lý d li u c a máy quét 3D 23

Hình 2.12: T a c a m i ng cong quét 3D trong m t ph ng OXZ 24

Hình 2.13: Hình nh máy tính c n hi n th ng i v n hành u ch nh ng biên chi ti t 25

Hình 2.14: Qu o gia công chi ti t giày [9] 25

Hình 2.15: Vùng ch p nh c a camera 31

Hình 2.16: S d li u h th ng CAD/CAM 35

Hình 3.1: K t c u t ng th máy quét 3D chi ti t giày dép 36

Hình 3.2: K t c u c a máy quét 3D 1: Ph n chân máy, 2: Ph n thân máy 37

Hình 3.3: K t c u c m thân máy quét 37

Hình 3.4: Chi ti t giày 38

Hình 3.5: Mô hình nh v gá 39

Hình 3.6: gá chi ti t giày 39

Hình 3.7: gá chi ti t m giày trong patent s US4639963 [2] 40

Hình 3.8: Nguyên lý gá t chi ti t m 40

Hình 3.9: gá chi ti t m giày 41

Hình 3.10: C m gá camera và èn laser 42

Hình 3.11: Hành trình c a c m chuy n ng t nh ti n 43

Hình 3.12: C m chuy n ng t nh ti n lo i SKR và KR c a hãng THK 43

Hình 3.13: Mô hình l c và mô men tác d ng lên c c u chuy n ng t nh ti n 45

Hình 3.14: Mô hình l c tác d ng lên tr c Y 45

Hình 3.15: Chu k ho t ng c a ng c tr c Y 46

Hình 3.17: B n v l p c m chân máy 52

Hình 3.18: Khung chân máy 53

Hình 3.19: B n v t n máy quét 3D 53

Hình 3.20: u khi n n áp ng c servo 54

Hình 3.21: Phân lo i ng c servo 55

Hình 3.22: Mô hình các b ph n c n c u khi n 56

Hình 3.23: H th ng u khi n vòng h 56

Hình 3.24: H th ng u khi n n a kín 57

Hình 3.25: H th ng u khi n vòng h 57

Hình 3.26: Mô hình u khi n c a thi t b quét 3D 58

Hình 3.27: Mô hình b ng u khi n m t tr c c a máy quét 3D 59

Hình 3.28: B ng u khi n t n c gia công trong th c t 59

Hình 3.29: T n u khi n máy quét 3D hoàn ch nh 60

Hình 3.30: S u dây trên m ch n trong t n c a máy quét 3D 60

Hình 3.31: Giao di n u khi n ho t ng máy quét 3D trên máy tính 62

Hình 4.1: nh t ng t và nh s hóa 64

Hình 4.2: H th ng x lý nh c b n[21] 64

Hình 4.3: Bi u di n nh b ng ma tr n 66

Hình 4.4: Hi n th nh ch p v i ch ng trình vi t b ng OpenCv 67

Hình 4.5: Mô hình camera c b n 67

Hình 4.6: Mô hình pinhole camera 68

Hình 4.7: Mô hình thu nh n d li u c a camera[1] 68

Hình 4.8: nh h ng c a lens i v i nh ch p 69

Hình 4.9: Mô hình méo nh khi x y ra do th u kính 70

Hình 4.10: Sai l ch do méo ti p tuy n 70

Hình 4.11: Mô hình camera pinhole trong tính toán chuy n i t a 2D - 3D[22] 71

Hình 4.12: Ma tr n thông s ngo i và ma tr n thông s n i c a h t a camera và t a v t 74

Hình 4.13: Các nh c a b ng k ô bàn c c gi các h ng khác nhau[23] 76

Hình 4.14: L u x lý nh 77

Hình 4.15: Mô hình s p x p ph n t khi l c trung v 78

Hình 4.16: Không gian màu thu t toán l c HSV 79

Hình 4.17: L c nh v i hàm l c Gauss và Laplacian 80

Hình 4.18: nh thu c qua camera sau quá trình x lý 80

Hình 4.19: th m c xám phân b trên m t c t ngang ng laser 81

Hình 4.20: nh ch a ng laser sau khi l y tr ng tâm 82

Hình 5.1: Các b c x lý c a ph n m m quét 85

Hình 5.2: Giao di n ph n m m quét FlexScan 3D 86

Hình 5.3: Mô hình nhóm nút ch c n ng file c a ph n m m quét 87

Hình 5.4: Mô hình nhóm nút ch c n ng quét (Scan) 87

Hình 5.5: Mô hình nhóm nút ch c n ng hi n th 87

Hình 5.6: Giao di n c a ph n u khi n trên ph n m m quét 88

Hình 5.7: Giao di n c a ph n m m quét c thi t k 88

Hình 5.8: C u trúc tam giác trong c u trúc file STL 90

Hình 5.9: Máy quét 3D c ch t o 91

Hình 5.10: B c 1 - Kh i ng ph n m m 91

Hình 5.11: B c 2 – a chi ti t quét v v trí g c 92

Hình 5.12: B c 3 – Ch p nh vùng laser giao chi ti t giày 92

Hình 5.13: B c 4 – Tách màu và l c nhi u vùng nh ng laser 93

Hình 5.14: B c 5 – xác nh tâm ng laser 93

Hình 5.15: K t qu sau khi quét m i giày m t s b c quét 94

Hình 5.16: K t qu t p h p các biên d ng 3D thu c c a chi ti t giày 94

Hình 5.17: K t qu xác nh ng biên chi ti t 94

Hình 5.18: K t qu biên d ng chi ti t giày 95

Hình 5.19: K t qu d li u t a 3D c a máy quét 95

DANH M C B NG

ng 1.1: chính xác m t s thi t b quét 3D chi ti t giày dép 9

ng 2.1: B ng thông s k thu t c a m t s thi t b quét 3D 26

ng 2.2: B ng FRDPARRC cho các yêu c u k thu t c a thi t b quét 3D chi ti t giày dép 27

ng 2.3: B ng phân gi i camera 32

ng 3.1: Chi u dài thanh ray lo i KR33H (theo catalogue c a hãng THK) 44

ng 3.2: Thông s k thu t c a c m chuy n ng tr c Y 44

ng 3.3: B ng h s an toàn c a c m chuy n ng t nh ti n [20] 47

ng 3.4: B ng h s t i tr ng c a b vít me và thanh tr t [20] 47

ng 3.5: B ng l c ma sát bên trong thi t b c a c m chuy n ng t nh ti n (N) 48

DANH M C CH VI T T T

CH NG 1: NG QUAN V MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP

i dung ch ng này tìm hi u v các thi t b quét 3D có trên th tr ng và cácnghiên c u v thi t b quét 3D chi ti t giày dép, các ph ng pháp s c s d ng nghiên c u và n i dung s c nghiên c u trong lu n v n Ch ng này c ng strình bày ý ngh a khoa h c, ý ngh a th c ti n và m c tiêu c a tài

Trong 4 tháng u n m 2012, kim ng ch xu t kh u giày dép các lo i c t1.971 tri u USD t ng 9,3 % so v i cùng k n m 2011 M c dù giá tr xu t kh u t ng

nh ng th c t nhi u doanh nghi p trong ngành v n g p nhi u khó kh n v n hàng

xu t kh u Bên c nh ó, các doanh nghi p trong ngành còn g p ph i khó kh n do sthay i v chính sách nh p kh u, cách th c mua hàng, yêu c u ngày càng cao vtiêu chu n ch t l ng, tiêu chu n môi tr ng, trách nhi m xã h i doanh nghi p…,

a các th tr ng l n nh EU, M , Nh t Vì v y, s n l ng s n xu t s n ph mgiày th thao 4 tháng u n m c t 99,9 tri u ôi, gi m 3,9%, s n ph m giàydép, ng gi da c t 18,6 tri u ôi, t ng 18,5% so v i cùng k [1]

Hi n nay các s n ph m giày dép c a n c ta ch y u xu t kh u vào các th

tr ng ch l c nh EU, Nh t B n và M Tuy nhiên, nh ng th tr ng này các

n ph m giày dép xu t kh u c a Vi t Nam c ng ang ph i i m t v i r t nhi urào c n, trong ó n i b t là vi c áp thu ch ng bán phá giá

khía c nh khác, ngành giày dép xu t kh u c a n c ta c ng ang ch u s c

ép r t l n v kh n ng c nh tranh v i các n c xu t kh u giày dép hàng u nhTrung Qu c, n , Hi n ch có các s n ph m giày th thao, giày n , giày v i c a

Vi t Nam là có kh n ng c nh tranh, m t s s n ph m còn l i s c c nh tranh y u docông ngh s n xu t l c h u và ch a áp ng c yêu c u ch t l ng ngày càng cao

a nhi u th tr ng xu t kh u

Trong n c ngành giày dép là ngành ch l c cùng v i d t may và d u khíóng góp ph n l n vào t ng s n ph m qu c n i (GDP) c a n n kinh t Ngành giàydép Vi t Nam ang ng trong nhóm n m n c xu t kh u giày l n trên th gi i[2]

Tuy nhiên, ngành giày dép v n ch y u là gia công theo các n t hàng và phthu c vào nguyên ph li u, công ngh và c v n u t t n c ngoài.

Theo ánh giá c a Vi n Nghiên c u da giày Vi t Nam, trong ba phân khúc

th tr ng th p, trung và cao c p, các s n ph m giày dép trong n c u lép v so

i hàng ngo i nh p, nguyên nhân m t ph n là do s y u kém v khâu thi t k m u

mã Hi n nay, g n 55% th tr ng n i a ã n m trong tay các doanh nghi p n cngoài [2]

Khâu thi t k s n ph m v n là khâu y u nh t c a ngành giày dép Vi t Nam,70% doanh nghi p trong ngành v n ph i làm hàng gia công dù ngành này ã có tlâu i Bên c nh ó, vi c s n xu t nguyên ph li u cho ngành giày dép trong n c

ng ch áp ng r t ít nhu c u c a doanh nghi p, t l n i a hóa ch chi mkho ng 50% trong khi nguyên ph li u chi m n 75% giá thành c a s n ph m[2]

ph thu c vào nguyên ph li u nh p kh u ã nh h ng n giá thành s n ph m

ng nh gi m s c c nh tranh và l i nhu n c a doanh nghi p Vì th ngành giàydép phát tri n b n v ng, các doanh nghi p ph i t p trung xây d ng c th ng

ti t giày dép là m t b ph n c a h th ng t ng mài và bôi keo chi ti t giày Máyquét 3D chi ti t giày dép c thi t k nh m cung c p d li u biên d ng c n giacông c a chi ti t giày c n mài và bôi keo cho h th ng mài và bôi keo t ng

i t ng quét c a máy quét 3D là các chi ti t giày dép, c th là giày và giày Chi ti t giày là ph n m t d i cùng c a chi c giày, chi ti t m giày là

ph n trên c a chi c giày và th ng c g n v i phom giày trong quá trình mài và

bôi keo (Hình 1.1) Hai chi ti t này sau khi c mài và bôi keo xong s c ghép

i trên máy ép nhi u chi u thành m t s n ph m giày hoàn ch nh

Hình 1.1: Chi ti t m giày và giày và phom giày [3]

Hai ph ng pháp th ng c s d ng xây d ng mô hình 3D và ki m trakích th c v t th là dùng máy o t a CMM ho c dùng thi t b quét 3D Ph ngpháp dùng máy o CMM là ph ng pháp o ti p xúc, theo ó m t u dò s ch mvào b m t v t th ghi nh n v trí c a t ng m trên b m t v t th Ph ngpháp o dùng máy quét 3D là ph ng pháp o không ti p xúc, hình dáng b m t v t

th trong không gian 3 chi u s c ghi nh n l i b ng m t hay nhi u c m bi nquang

Các thi t b quét 3D c ng d ng r ng rãi trong nhi u l nh v c khác nhau

nh xây d ng, y h c, kh o c , a lý, Tùy theo tính ch t c a i t ng c n quét,yêu c u v chính xác d li u và t c quét mà có nh ng ph ng pháp quét khácnhau

phát tri n c a các c m bi n quang h c g n ây ã giúp nâng cao chínhxác, t c quét c a các thi t b quét 3D Các thi t b hi n t i có kh n ng thu th phàng ngàn m d li u trong m t giây và có th quét c các b m t ph c t p

Trong công nghi p, các công n nh : thi t k ng c, ki m tra s n ph m,

o m u nhanh là các công n mà máy quét 3D c s d ng nhi u nh t Trong

nh v c thi t k s n ph m, s k t h p gi a công ngh t o m u nhanh v i các máyquét 3D ã giúp các nhà phát tri n s n ph m rút ng n th i gian a s n ph m ra th

tr ng Các nhà cung c p thi t b quét 3D l n trên th gi i có th c k n nh :Mitutoyo, Minolta, Leica, Optech, Faro, Zeiss, Các hãng này ã và ang cung c pnhi u lo i thi t b quét 3D cho ng d ng trong nhi u ngành khác nhau

1.2 Tình hình nghiên c u và ng d ng máy quét 3D trên th gi i

Hi n nay, máy quét 3D c dùng r ng rãi trong nhi u l nh v c khác nhau

nh :

Trong c khí o c, ki m tra s n ph m c ch t o

Trong y khoa dùng tái t o mô hình b ph n c th ng i

Trong kh o c , xây d ng o c thi t k các công trình xây d ng.Trong n nh giúp xây d ng các mô hình 3D các nhân v t

ng d ng trong công nghi p s n xu t s n ph m giày dép và nhi ungành s n xu t khác

Trong t ng l nh v c, máy quét 3D có nh ng yêu c u khách nhau v chínhxác, ph ng pháp thu th p d li u,…

1.2.1 Máy quét 3D dùng trong công nghi p

Các máy quét 3D trong công nghi p c s d ng cho m c ích chính là l y

li u CAD 3D c a v t th Có ba ki u máy quét chính: ki u máy quét 3D có uquét 3D c g n lên m t c c u máy chuy n ng hay m t cánh tay o ho c ki umáy quét 3D c m tay

Trong hình 1.2 là máy quét laser Metris 3D c a hãng Nikon[4] Trong thi t này, m t u quét 3D c g n lên m t khung máy chuy n ng u quét 3D sphát ra chùm tia laser chi u lên b m t v t th c n quét, sau ó camera thu nh n d

li u b m t quét

Hình 1.2: Máy quét laser Metris 3D c a hãng Nikon.

t s thi t b quét 3D s d ng u quét 3D g n tr c ti p lên m t cánh tay

o D li u c thu th p t v trí t ng i c a u quét so v i v trí g c và d li uthu c khi quét Hình 1.3 là máy quét 3D MCAX dùng cánh tay o c a hãngNikon

Hình 1.3: Máy quét 3D dùng cánh tay o c a hãng Nikon

t s hãng phát tri n các máy quét 3D c m tay có kh n ng quét các s n

ph m kích th c l n Hình 1.4 là thi t b quét c m tay c a hãng Zcorp, v i kh

ng linh ho t c a thi t b , chúng có th thu th p d li u c a các b m t t do ph c

p c a nh ng v t th có kích th c l n

Hình 1.4: Máy quét 3D c m tay c a hãng Z Scanner [5].

Các s n ph m c a máy quét 3D trong công nghi p có th k n nh : ntho i, chi ti t c khí, b ph n xe h i,…

Hình 1.5: M t s s n ph m ng d ng máy quét 3D trong thi t k

1.2.2 Máy quét 3D dùng trong y t

Trong l nh v c Y t , ngoài các thi t b ch p 3D MRI (Magnetic resonanceimaging) dùng t tr ng, các máy quét 3D c s d ng ch y u là tái t o l icác mô hình 3D c a b ph n c th , t ó có th tái t o l i b ph n b khi m khuy t.Trong hình 1.6 là máy quét 3D c s d ng trong l nh v c y t khi quét m u hàmng

Hình 1.6: Máy quét 3D Rexcan c a hãng SOLUTIONIX [6].

1.2.3 Máy quét 3D dùng trong xây d ng, kh o c

Trong l nh v c kh o c và xây d ng, các máy quét 3D s d ng mô hìnhhóa các mô hình kh o c nh các chi ti t kh o c và các công trình ki n trúc Trongxây d ng, máy quét 3D c s d ng mô hình hóa mô hình a hình, các tòanhà, v.v.v

Hình 1.7: Máy quét 3D c a hãng Leica dùng trong công nghi p [7]

1.2.4 Máy quét 3D trong ngành giày dép

Trong l nh v c giày dép, máy quét 3D c s d ng ch y u trong l nh v c

o hình các phom giày, ghi nh n d li u kích th c bàn chân c a khách hàng.Trong ngành công nghi p giày dép, các thi t b quét 3D c s d ng trongcác ng d ng nh :

Thi t k ng c, d ng l i m u 3D c a phom giày.

1.2.4.1 Máy quét 3D trong ng d ng thi t k ng c và d ng l i m u phom giày

Máy có kh n ng quét và d ng l i mô hình m u, t ó a ra t p tin d li uCAD k thu t viên x lý Máy quét 3D c a hãng Frontier tích h p h th ng quétlaser v i công ngh o quang h c tiên ti n c a c cùng v i k thu t u khi n s trí và các thành ph n khác Máy có kh n ng ch p các b m t hình h c c a chi

ti t giày trong 4 phút và chuy n d li u qua máy tính hi n th

Hình 1.8: Máy quét 3D dùng trong ngành giày dép c a Frontier[7]

1.2.4.2 Máy quét 3D thu th p d li u kích th c chân khách hàng

Ngoài ra máy quét 3D c ng c ng d ng l y m u kích c chân c akhách hàng t ó cung c p s li u cho các b ph n thi t k giày

Hình 1.9: Máy quét 3D o kích th c chân khách hàng.

ng 1.1: chính xác m t s thi t b quét 3D chi ti t giày dép

Scan 3D II Highspeed + (Frontier)

ScantechST600

1.2.4.3 Máy quét 3D trong ng d ng thu th p d li u biên d ng chi ti t giày ph c

quá trình t ng hóa s n xu t giày dép

Trên th gi i ã có m t s ít nghiên c u v thi t b quét 3D nh m ph c v cho

vi c t ng hóa trong quá trình s n xu t giày dép Trong bài báo [9], tác giChuanyu Wu và các ng s t i i H c Zhejiang Science Tech China trình bày v

qu o phun keo d a trên biên d ng thu c t thi t b quét b m t m giày

Trong nghiên c u, nhóm tác gi s d ng 1 camera CCD, 1 u laser t o chùmtia laser quét trên b m t v t th , m t ng c b c s d ng u khi n chuy n

ng c a thi t b Hình nh thu c t camera là nh ng ám mây m nh 3D, thu c biên d ng c a giày, nh ng d li u trên c n i suy ra ng B-Spline.Sau khi tính toán x p x , biên d ng c a chi ti t giày c chuy n qua cho thi t bkhác gia công chi ti t giày dép

Hình 1.10: Mô hình h th ng quét biên d ng giày.

Bài báo [10] c a tác gi Zhongxu Hu, Robert Bicker, i h c Newcastle

gi i thi u h th ng t o qu o mài chi ti t giày b ng cách thu th p biên d ng b

t và x lý d li u thu c a ra biên d ng cho robot mài biên d ng chi ti tgiày Biên d ng mài c t o ra b ng cách t o ng cong NURBS n i suy cho t a các m biên

Hình 1.11: H th ng thu th p d li u và mài giày c a

1.3 Tình hình nghiên c u, ng d ng máy quét 3D Vi t Nam

1.3.1 Tình hình ng d ng

i Vi t Nam, vi c ng d ng máy quét 3D trong ngành s n xu t c bi t làcông nghi p giày dép ch a c chú tr ng Hi n t i có m t s nhà cung c p thi t b

và d ch v quét 3D nh ng ng d ng v n còn h n ch H u h t các thi t b quét 3D

u c nh p t n c ngoài v i giá thành và chi phí cao

t s nhà cung c p d ch v quét 3D trên th tr ng hi n nay nh : Trung tâm

ch v công ngh 3D Hà N i; Công Ty TNHH TM-DV Công ngh k thu t ViCam H Chí Minh [11], Các doanh nghi p này trang b các thi t b quét 3D c acác hãng nh Scanny 3D, Nikon… quét m u 3D ph c v ch y u l nh v c thi t

ng c, khuôn m u Hình 1.12 là m t s s n ph m quét c a công ty Vi - Cam

Hình 1.12: Mô hình s n ph m m b o hi m và thìa c quét

1.5 c tiêu nghiên c u c a tài

c tiêu c a tài là nghiên c u thi t k máy quét 3D thu th p biên d ng c a, m giày; cung c p d li u ã thu th p và x lý cho các thi t b mài và bôi keo

th c hi n các công n mài và bôi keo t ng

1.6 Ph m vi nghiên c u

Trong ph m vi nghiên c u c a tài ch thi t k máy quét 3D chi ti t giày dép

ph c v cho vi c thu th p d li u biên d ng chi ti t giày và cung c p d li u chothi t b gia công mài và bôi keo chi ti t giày dép

1.7 i dung nghiên c u c a tài

Lu n v n th c hi n các n i dung nghiên c u sau:

i dung 1: Nghiên c u t ng quan v các máy quét 3D trong n c và trên

i dung 8: V n hành thi t b , k t qu và ph ng h ng phát tri n tài

i dung 8 c trình bày trong ch ng 6

1.8 Ph ng pháp nghiên c u

Các ph ng pháp c s d ng trong lu n v n bao g m:

Ph ng pháp nghiên c u tài li u: trên c s tham kh o các patents, cácbài báo nghiên c u xây d ng s nguyên lý, gi i thu t x lý d li uthu th p

Máy quét 3D c thi t k và ch t o trong khuôn kh tài NCKH c p Nhà

c “Nghiên c u thi t k , ch t o h th ng t ng mài và bôi keo giày, mgiày trong dây chuy n s n xu t giày dép”, mã s KC.03.03/11-15 và s c avào v n hành trong dây chuy n mài và bôi keo chi ti t giày t ng t i Công ty c

CH NG 2: PHÂN TÍCH, XÁC NH C U HÌNH VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VI C C A MÁY QUÉT 3D CHI TI T GIÀY DÉP

i dung ch ng này s phân tích các công d ng và ch c n ng c a máy quét3D chi ti t giày dép, t ó xác nh nguyên lý làm vi c, c u hình c a máy quét vàcác thông s k thu t c a máy quét 3D phù h p v i dây chuy n mài và bôi keo chi

ti t giày dép

2.1 Công d ng, ch c n ng c a máy quét 3D trong dây chuy n s n xu t giày dép

th ng t ng mài và bôi keo m giày, giày bao g m thi t b chuyêndùng nh n d ng và x lý d li u 3D c a chi ti t giày, thi t b mài chi ti t giày, thi t hút b i, thi t b bôi keo chi ti t giày, thi t b hút h i keo, b ng t i và h th ng

u khi n trung tâm [12] Quy trình công ngh th c hi n mài và bôi keo chi ti tgiày c th c hi n g m các công n th hi n trên hình 2.1

Hình 2.1: L u h th ng mài và bôi keo t ng

Trong hình 2.1, chi ti t giày ( giày, m giày) c n c mài và bôi keo

c a qua thi t b nh n d ng và x lý d li u 3D nh n d ng, x lý d li u b

t c n c mài và bôi keo, l y d li u s th c hi n công n mài và bôi keo

li u s 3D b m t c a chi ti t giày c n mài và bôi keo c tích h p vào c s

li u c a h th ng u khi n trung tâm H th ng u khi n trung tâm ukhi n ng b các thi t b mài, bôi keo chi ti t giày th c hi n các công n giacông t ng ng thông qua các b u khi n trên m i thi t b

Trong l u c a h th ng mài và bôi keo t ng (hình 2.1), thi t b quét3D có ch c n ng chính là xây d ng biên d ng b m t c n gia công c a m t chi ti tgiày dép s c gia công mài và bôi keo Ngoài ra, máy quét 3D chi ti t giày dépcòn có các ch c n ng sau:

Xây d ng ng gia công liên t c cho các chi ti t giày phù h p v i thi t bmài và bôi keo

Có ch c n ng n i suy nh ng ch b che khu t trên ng gia công

li u c xu t ra cho máy mài và bôi keo có nh d ng là file stl ho c.txt và m t s nh d ng khác t ng thích v i các ph n m m CAD/CAM

2.2 Xác nh nguyên lý làm vi c c a máy quét 3D chi ti t giày dép

2.2.1 Phân tích l a ch n gi i pháp nh n d ng và x lý d li u 3D

Trong ph ng pháp thu th p và nh n d ng d li u 3D ki u không ti p xúc,

li u 3D c a chi ti t có th c thu nh n b ng cách dùng sóng âm, t tr ng

ho c ánh sáng tác d ng lên chi ti t, t ó ghi nh n d li u biên d ng chi ti t c nquét Các nhóm ph ng pháp nh n d ng d li u ki u không ti p xúc c mô ttrong hình 2.3

Hình 2.2: Ba nhóm ph ng pháp thu th p d li u 3D ki u không ti p xúc

Trong công nghi p, ph ng pháp quang h c c áp d ng nhi u nh t và

th ng các thi t b quét 3D c ng d ng trong các công n nh thi t k , ki mtra ch t l ng s n ph m u m c a ph ng pháp quang h c là kh n ng xây

ng mô hình 3D các chi ti t có kích th c nh nh mô hình chi ti t c khí, ntho i, chi ti t giày dép,… n các v t th có kích th c l n nh các công trình ki ntrúc, kh o c

xây d ng d li u 3D dùng ph ng pháp quang h c, có nhi u nguyên lýkhác nhau nh : “th i gian phát – nh n” (“time-of-flight”), tam giác l ng(triangulation) ho c tia sáng c u trúc (structured line), l p th (stereo), quang tr c, [13]

a theo cách th c thi t b nh n d ng d li u mà ph ng pháp này cphân ra hai lo i: nh n d ng ki u b ng và ch ng

Ph ng pháp nh n d ng ki u b ng d a theo nguyên lý: thi t b nh n d

li u b m t c a v t th d i ánh sáng t nhiên mà không ph i tác ng b t k ngu nsáng nào lên b m t v t th

Nguyên lý l p th là nguyên lý xây d ng d li u 3D v t th ki u b ng V

b n, nguyên lý này mô ph ng mô hình th giác c a m t ng i V i ít nh t haigóc nhìn khác nhau tr lên, kho ng cách t m t ng i n m c n quan sát có th

c xác nh u m c a ph ng pháp này là thi t b r ti n Tuy nhiên nh c

m c a ph ng pháp này là chính xác còn ch a cao Ngoài nguyên lý l p th ,nguyên lý quang tr c c ng là nguyên lý xây d ng mô hình 3D ki u b ng

Ph ng pháp nh n d ng ki u ch ng d a theo nguyên lý: thi t b phát ra

t chùm tia sáng chi u lên b m t v t th c n quét, sau ó d li u b m t c

nh n d ng d a vào ngu n sáng ph n x l i t b m t v t th Các nguyên lý “th igian phát-nh n” và tia sáng c u trúc là nguyên lý nh n d ng d li u 3D ch ng

Trong nguyên lý “th i gian phát-nh n”, kho ng cách t thi t b o n b

t v t th c n o c xác nh d a vào th i gian chùm tia sáng phát i và chùmtia ph n x c thu nh n l i u m c a ph ng pháp này là có kh n ng o ccác công trình, v t th kích th c l n Tuy nhiên, nh c m c a ph ng pháp này

là chính xác th p

Nguyên lý tam giác l ng d a trên c s : thi t b chi u m t ngu n laser

m n b m t v t th Trong nguyên lý này, ngu n laser, m laser, camera t onên m t tam giác V i kho ng cách gi a camera và laser, góc gi a camera và lasercùng v i góc nhìn c a camera lên ã bi t, t ó ta có th xác nh chi u cao v t u

m c a nh ng nguyên lý dùng tam giác l ng là h th ng n gi n, quá trình tínhtoán không ph c t p Tuy nhiên nh c m là ch có kh n ng quét nh ng v t cókích th c vài mét tr l i, th i gian quét lâu và chính xác th p

Trong nguyên lý tia sáng c u trúc, d li u biên d ng 3D c a b m t v t th

c xác nh d a vào m t nh thu c khi m t chùm tia sáng chi u lên b m t

t th Chùm tia sáng có th là chùm ánh sáng n s c ho c m t d i các chùm sáng

n s c khác nhau Trong các thi t b ng i ta th ng s d ng chùm tia laser vì u

m c a nó là có c ng sáng l n do ó d nh n d ng Hi n nay, các thi t bdùng nguyên lý chùm tia sáng c u trúc có th t chính xác t 0,2 mm - 0,05 mmtùy thu c vào c u hình thi t b Nguyên lý quét 3D dùng tia sáng c u trúc có chính xác trung bình, nh ng u m h n ph ng pháp tam giác l ng là t c thu

th p d li u biên d ng b m t v t th c n quét l n h n nhi u l n

Trên c s yêu c u thi t k máy quét 3D chi ti t giày dép, ph ng án c

a ch n thu th p và nh n d ng d li u biên d ng chi ti t giày là ph ng phápkhông ti p xúc theo nguyên lý tia sáng c u trúc Mô hình nguyên lý ph ng phápnày c th hi n trong hình 2.4

Hình 2.4: Nguyên lý nh n d ng d li u 3D b ng tia sáng c u trúc

Trên hình 2.4, m t èn laser chi u chùm tia laser ng lên b m t v t th

n quét M t camera c t cách èn laser m t kho ng l, camera này s ghi nh n

nh giao c a b m t v t th v i chùm tia laser nh thu c s c tính toán xác nh các t a 3D c a ng biên d ng v a nh n c trong nh

2.2.2 Phân tích và xác nh ph ng pháp quét c a máy quét 3D

Hi n nay, có nhi u cách nh n d ng d li u 3D b m t v t th theo ph ngpháp không ti p xúc dùng tia sáng c u trúc Nh ng ph ng án nêu d i ây là tiêu

bi u và c s d ng r ng rãi [14]

Ph ng án 1: C m camera và laser cùng chuy n ng t nh ti n trên m t tr c

nh t nh, v t th c n quét c t c nh

Hình 2.5: Mô hình ph ng án 1.

Trong hình 2.5, v t th c n quét c t c nh lên m t ph ng bàn máy,camera và èn laser c l p c nh v i nhau và cùng di chuy n quét b m t v t

th Mô hình này c nhóm tác gi trong tài li u [9] l a ch n khi quét d li u biên

ng chi ti t m giày Ph ng án này thích h p v i các v t th n ng, khó di chuy n.Tuy nhiên, nh c m c a ph ng án này là b nh h ng b i rung ng phát sinhtrong quá trình di chuy n do camera c l p trên ph n chuy n ng c a thi t b

Ph ng án 2: Camera và v t th ng yên, laser quét lên b m t v t th b ngcách quay quanh m t tr c nh t nh

Hình 2.6: Mô hình ph ng án 2

Trong hình 2.6, camera và v t th c l p c nh, èn laser di chuy n vàquét lên b m t v t th Camera ch p các nh giao biên d ng b m t v t th và ènlaser, t ó tính toán ra t a 3D c a b m t v t th Ph ng pháp này phù h p cho

ng d ng quét các thi t b l n, n ng và khó di chuy n Thi t b quét David 3D LaserScanner [15] s d ng ph ng pháp này xây d ng mô hình 3D chi ti t quét

Ph ng án 3: Camera và èn laser ng yên, v t th c xoay quanh m t

tr c nh t nh

Hình 2.7: Mô hình ph ng án 3.

Trong hình 2.7, v t th c n quét c t trên m t bàn xoay èn laser vàcamera c gá c nh Khi v t th quay, ng giao c a chùm tia laser và v t th thay i và quét toàn b b m t v t th khi v t quay m t vòng quanh tr c

Ph ng án này phù h p cho các ng d ng quét v t th có hình tr

Ph ng án 4: V t th di chuy n, c m camera và laser ng yên

Hình 2.8: Mô hình ph ng án 4

Trong hình 2.8, v t th c n quét s di chuy n, èn laser và camera c gá

nh Khi v t di chuy n thì ng giao tuy n c a tia laser và b m t v t th sthay i Camera ch p nh vùng giao tuy n và d li u c tính toán cho ra t a 3D ng giao tuy n Ph ng pháp này có u m là chính xác c a nh

ch p không b nh h ng b i rung ng khi v t th di chuy n

Trong các ph ng án nêu trên, có th nh n th y r ng ph ng án 4 là ph ng

án phù h p cho máy quét 3D c n thi t k

2.3 Xác nh nguyên lý làm vi c và c u hình máy quét 3D chi ti t giày dép

2.3.1 Nguyên lý làm vi c máy quét 3D chi ti t giày dép

y quét chi ti t giày, có th l a ch n ph ng án chi ti t giày di chuy n,camera và èn laser c l p c nh theo ph ng án 4 c trình bày trong ph n2.2.2 D a trên ph ng án c ch n, c u hình c a máy quét 3D c xác nh nhtrong hình 2.9

Hình 2.9: C u hình c a máy quét 3D chi ti t giày dép

Trong ó: 1: bàn máy, 2: bàn tr t, 3: chi ti t giày, 4: camera, 5: èn laser, 6:

gá chi ti t giày 7: c m chuy n ng t nh ti n tr c Y, 8: ng c u khi nchuy n ng tr c Y

Trong hình 2.9, m t camera 4 và m t èn laser 5 c g n lên m t khungmáy C m chuy n ng t nh ti n tr c Y 7 có ch c n ng chuy n i chuy n ngquay c a ng c 8 thành chuy n ng t nh ti n c a bàn tr t 2 Khi bàn tr t dichuy n thì chùm tia sáng t èn laser s quét h t b m t chi ti t giày 3

Máy quét 3D dùng công ngh x lý nh xây d ng d li u t a 3D c acác m thu c b m t c n quét c a chi ti t Chùm tia laser quét qua b m t c n quét

o nên các ng cong quét 3D trên b m t chi ti t Các ng cong 3D này làgiao tuy n c a m t ph ng chùm tia laser ng Camera s ch p vùng nh ch a các

ng cong quét Sau ó nh c ph n m m quét c các t a 2D c a ng

cong quét trên nh[16] Quá trình quét c l p l i các v trí khác nhau trên b

t c n quét, cho n khi thu c t a c a t t c các ng cong quét D li u

a 2D c a ng laser thu c trên nh s c k t h p v i d li u v trí t ng

i gi a v trí v t quét và chùm laser tính toán ra d li u toa 3D c a nggiao chùm laser và b m t v t quét

Sau quá trình xác nh t a 3D c a các m trên các ng cong quét,

ph n m m dùng thu t toán xác nh t a 3D c a các m trên ng biên chi ti t

và t ó xác nh ng gia công c a chi ti t Sau ó, ng gia công và d li u 3D

a v t quét c xu t ra file stl và file t ng thích v i m t s ph n m mCAD/CAM mang d li u t a 3D c a các m thu c ng gia công

Hình 2.10: C u t o máy quét 3D

nguyên lý ho t ng c a máy quét, l u nh n d ng và x lý d li u c amáy quét 3D chi ti t giày dép trên hình 2.10 có th c mô t trong l u tronghình 2.11

Hình 2.11: L u nh n d ng và x lý d li u c a máy quét 3D.