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

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





NGUYỄN HOÀNG TÙNG






NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG
CƠ KHÍ BẰNG ẢNH KỸ THUẬT SỐ





LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hµ NỘI - 2013

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




NGUYỄN HOÀNG TÙNG




NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG
CƠ KHÍ BẰNG ẢNH KỸ THUẬT SỐ

CHUYÊN NGÀNH
:
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ
:
62520103


LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

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

:
PGS.TS. NGUYỄN VĂN VINH



Hµ NéI - 2013
LỜI CAM ĐOAN

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

Nghiên cứu sinh



Nguyễn Hoàng Tùng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản luận án này tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của
rất nhiều cá nhân và tập thể trong và ngoài Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang
học - Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lời cảm
ơn chân thành của mình đối với những giúp đỡ quý giá đó.
Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo PGS.TS. Nguyễn
Thị Phương Mai và thầy giáo TS. Nguyễn Văn Vinh, những người đã hết sức tận
tâm chỉ bảo, hướng dẫn tận tình cho tôi không chỉ trong quá trình thực hiện luận
án.
Xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo và toàn thể cán bộ làm việc tại
Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học - Viện Cơ khí - Trường ĐH Bách khoa
Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện bản luận án.
Nhân dịp này, tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn tới các Thủ trưởng, các phòng
ban chức năng thuộc Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; lãnh

đạo chỉ huy, và đồng nghiệp tại Trung tâm Đo lường - Viện Công nghệ - Tổng
cục Công nghiệp Quốc phòng, nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện cho tôi về
thời gian, và sự động viên tinh thần rất quý giá.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người thân, và bạn bè
đã giúp đỡ, động viên để tôi có thể hoàn thành luận văn này.

Nghiên cứu sinh



Nguyễn Hoàng Tùng








MỤC LỤC
Trang

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU 1
DANH MỤC BẢNG 4
DANH MỤC HÌNH 5
MỞ ĐẦU 9

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO LƢỜNG PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT
CƠ KHÍ 13
1.1. Đánh giá chất lƣợng và độ chính xác của chi tiết cơ khí qua profile bề

mặt 13
1.2. Các thông số đánh giá profile bề mặt 15
1.2.1. Thông số nhám 2D 16
1.2.2. Thông số nhám 3D 16
1.3. Các phƣơng pháp đo profile bề mặt 21
1.3.1. Phƣơng pháp chép hình 22
1.3.2. Phƣơng pháp đo theo mặt 26
1.3.3. Phƣơng pháp dùng kính hiển vi đo quét 32
1.3.4. Xác định chiều sâu từ độ nhòe ảnh 36
1.4. Kết luận chƣơng 49

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TOÁN TÁI HIỆN PROFILE
BA CHIỀU 51
2.1. Cơ sở lý thuyết 51
2.1.1. Mô hình hình ảnh đơn giản nhất 51
2.1.2. Mô hình nhòe dạng khuếch tán 56
2.1.3. Mô hình tính toán sử dụng độ nhòe ảnh 62
2.2. Phƣơng pháp xây dựng lại profile / biên dạng 64
2.3. Hiệu chuẩn thuật toán 71
2.3.1. Tính toán các bề mặt giả định để kiểm tra thuật toán 71
2.3.2. Khảo sát độ chính xác của bề mặt khi thay đổi số bƣớc lặp, trong
trƣờng hợp bề mặt dạng dốc 74
2.3.3. Khảo sát độ chính xác của bề mặt khi thay đổi khoảng cách giữa 2
ảnh nhòe, trong trƣờng hợp bề mặt dạng phẳng 78
2.4. Kết luận chƣơng 84

Chƣơng 3. KÍNH HIỂN VI KỸ THUẬT SỐ 85
3.1. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi kỹ thuật số 85
3.2. Phân tích độ nhòe ảnh sử dụng cảm biến hình ảnh (CCD) 86
3.2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh CCD 87

3.2.2. Đặc điểm của cảm biến hình ảnh CCD 92
3.3. Xây dựng cơ sở tính toán chuyển đổi tín hiệu đo trong hệ quang đối với
từng điểm sáng trên bề mặt đo 96
3.3.1. Khi điểm sáng trên bề mặt đo nằm đúng mặt phẳng vật của thấu
kính tƣơng đƣơng 97
3.3.2. Khi điểm sáng trên bề mặt vật đo nằm ngoài mặt phẳng vật của
thấu kính tƣơng đƣơng 97
3.3.3. Khi điểm sáng trên bề mặt vật đo nằm trong mặt phẳng vật của
thấu kính tƣơng đƣơng 98
3.4. Biến đổi độ lệch δ từ quang thông phân bố đều trên vòng tròn mờ thành
tín hiệu điện 101
3.4.1. Thay đổi quang thông theo diện tích vòng tròn mờ trên màn thu 101
3.4.2. Biến đổi quang thông nhận đƣợc trên phần tử thu thành tín hiệu
điện 107
3.5. Tính toán thông số của kính hiển vi kỹ thuật số 111
3.6. Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX100 115
3.6.1. Đặc điểm 115
3.6.2. Tính toán lại các thông số kỹ thuật của kính hiển vi VHX100 116
3.7. Kết luận chƣơng 123

Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM, KIỂM CHỨNG VÀ KẾT QUẢ 124
4.1. Thực nghiệm đo profile mặt phẳng chuẩn 124
4.1.1. Một số hình ảnh nhòe của bề mặt chuẩn bậc Mitutoyo code 178-
610 chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 125
4.1.2. Xây dựng lại bề mặt của mặt phẳng chuẩn 129
4.1.3. Xây dựng lại bề mặt của chuẩn bậc tại khu vực ranh giới giữa vùng
1 và vùng 2 của chuẩn bậc 131
4.2. Thực nghiệm đo profile bề mặt nhám của chuẩn nhám Mitutoyo 133
4.2.1. Một số hình ảnh nhòe của bề mặt nhám của tấm chuẩn độ nhám
Mitutoyo chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 133

4.2.2. Xây dựng lại profile bề mặt nhám của tấm chuẩn độ nhám
Mitutoyo 134
4.3. Thực nghiệm đo kích thƣớc của chi tiết cơ khí 136
4.3.1. Một số hình ảnh nhòe của bề mặt sau nguyên công phay CNC
chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 136
4.3.2. Xây dựng lại profile bề mặt 137
4.4. Thực nghiệm đo một số chi tiết vi cơ 139
4.4.1. Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 1
chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 139
4.4.2. Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 2
chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 140
4.4.3. Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 3
chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 141
4.5. Kết luận chƣơng 142

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 143
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 144
TÀI LIỆU THAM KHẢO 145
CÁC PHỤ LỤC 150
1

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

Tiếng Việt

Tiếng Anh
Bản đồ chiều sâu: ma trận (m hàng,
n cột) chứa thông tin khoảng cách
từ điểm / mặt phẳng quy ước đến các
điểm [(1m)Δx, (1n)Δy] trên bề

mặt vật - với chiều sâu
Z[(1m)Δx,(1n)Δy]
:
Depth map



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



Chiều sâu từ độ sắc nét (DFF):
phương pháp xác định bản đồ chiều
sâu từ loạt hình ảnh bề mặt vật có độ
nét khác nhau, chụp được khi thay
đổi khoảng cách giữa hệ quang và bề
mặt vật
:
Depth from focus

Chiều sâu từ độ nhòe ảnh (DFD):
phương pháp xác định bản đồ chiều
sâu từ độ nhòe ảnh của các điểm trên
bề mặt vật, thu được qua hai hay
nhiều hơn hai ảnh nhòe.
:
Depth from defocus



Chiều sâu từ 2 ảnh nổi (DFS):
phương pháp xác định bản đồ chiều
sâu bề mặt vật từ 2 ảnh chụp bề mặt
vật ở 2 vị trí khác nhau
:
Depth from Stereo



Đường trung bình
:
Mean line
2

Độ nhám
:
Roughness
Độ sóng
:
Waviness

Khẩu độ số (NA)
:
Numerical Aperture / Angular Aperture
Đo bằng đầu dò tiếp xúc
:
Stylus technique
Đo chép hình
:
Profiling technique
Đo mặt
:
Area technique



Kính hiển vi kỹ thuật số: kính hiển
vi quang học ghép nối với cảm biến
hình ảnh quang điện tử (CCD) sử
dụng chụp ảnh kỹ thuật số của bề
mặt quan sát qua hệ hiển vi
:
Digital microscopy



Kính hiển vi điện tử truyền qua
(TEM)
:
Transmission Electron Microscope
Kính hiển vi quét (SEM)

:
Scanning Electron Microscope
Sai lệch hội tụ
:
Focus Error
Sai lệch hình dạng
:
Form error
Thông số nhám bề mặt
:
Surface roughness parameters
Thông số biên độ
:
Amplitude Parameter
Thông số bước/khoảng cách
:
Spacing Parameter
Thông số hỗn hợp
:
Hybrid Parameter
Tín hiệu sai lệch hội tụ
:
Focus Error Signal
Cảm biến hình ảnh quang điện tử
(CCD)
:
Charge-coupled device

3

Một số ký hiệu
h(y,x)
:
Hàm Gauss 2 chiều hạt nhân thay đổi bất biến tròn đối xứng
Δσ
:
Độ mờ tương đối
c
:
Hệ số khuyếch tán
E
1
(x,y)
:
Năng lượng ảnh nhòe trước khi thay đổi
E
2
(x,y)
:
Năng lượng ảnh nhòe sau khi thay đổi
D
:

Đường kính khẩu độ sáng
DepthMap
:
Bản đồ chiều sâu ban đầu

:
Bản đồ lỗi
φ
:
Trung bình bình phương lỗi của toàn hình ảnh
β
:
Số bước lặp
δ
:
Khoảng cách từ điểm đo đến tiêu cự vật kính đo

0

:
Quang thông tại mọi điểm trên bề mặt vật đo
PRNU
:
Tỷ lệ phần trăm của sự tán xạ trong phản ứng với mỗi điểm ảnh
f
td

:
Tiêu cự của thấu kính tương đương
u

0

:
Khoảng cách từ mặt phẳng vật đến thấu kính tương đương
v
0

:
Khoảng cách từ thấu kính tương đương đến màn thu
R
td

:
Bán kính của thấu kính tương đương
r
:
Bán kính vòng tròn mờ

thu

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

:
Điện áp ra của quang điện trở
M
Q

:
Độ phóng đại quang
a
CCD

:
chiều dài của CCD
b
CCD

:
chiều rộng của CCD
a
QS

:
Chiều dài của vùng quan sát.
b
QS

:
Chiều rộng của vùng quan sát.
NA
:
Khẩu độ số
LP/mm
:
Cặp dòng cho mỗi mm
Res
:

Độ phân giải quang


4

DANH MỤC BẢNG


Trang


Bảng 3.1
:
Độ phóng đại quang của vật kính VH-Z450 trên kính hiển vi
VHX100
117
Bảng 3.2
:
Khoảng cách từ vật và CCD đến
hệ quang ứng với các độ phóng đại khác nhau
119
Bảng 3.3
:
Độ phân giải quang của kính hiển vi
121
Bảng 3.4
:
Đường kính tương đương của thấu kính ứng với mỗi độ
phóng đại
122

5

DANH MỤC HÌNH
Trang
Chương 1
Hình 1.1: Sai lệch hình dạng, sóng và nhám trong profile bề mặt 13
Hình 1.2: a) Profile bề mặt nguyên thủy, b) Profile sóng và profile nhám 14
Hình 1.3: Phân loại các thông số nhám bề mặt 15
Hình 1.4: Thành phần cơ bản của profile nhám bề mặt 16
Hình 1.5 : Bộ 14 thông số 3D Birmingham 17
Hình 1.6: Mô tả bề mặt 3D 18
Hình 1.7: Lưới điểm số hoá bề mặt 3D 18
Hình 1.8. Sơ đồ khối thiết bị đo chép hình bằng đầu dò tiếp xúc 23
Hình 1.9. Nguyên lý đo tiếp xúc bằng đầu dò 23
Hình 1.10. Nguyên lý đo tam giác đạc 24
Hình 1.11. Nguyên lý đo tự động dò điểm hội tụ 25
Hình 1.12. Nguyên lý đo tán xạ tích phân toàn phần 26
Hình 1.13. Giao thoa kế dịch pha PSI 28
Hình 1.14. Hệ giao thoa Mirau 29
Hình 1.15. Hệ giao thoa Linnik 29
Hình 1.16. Nguyên lý đo nhám bề mặt theo sự thay đổi tiêu điểm 30
Hình 1.17: Nguyên lý kính hiển vi đường ngầm điện áp không đổi 34
Hình 1.18: Nguyên lý kính hiển vi đường ngầm chiều cao z không đổi 34

Hình 1.19: Đám mây electron giữa bề mặt và đầu đo 35
Hình 1.20: a) AFM sử dụng hệ STM , b) AFM sử dụng hệ thống quang
học 35
Hình 1.21: Sơ đồ quang hình giải thích mờ do nhòe ảnh 37
Hình 1.22: Các thông số camera liên quan đến quan hệ chiều sâu và độ
nhòe 40
Hình 1.23. Hai ảnh cùng chụp một đối tượng chỉ khác nhau độ sâu
trường ảnh 41
Hình 1.24: Ảnh của điểm P tại hai mặt phẳng thu ảnh 44
Hình 1.25: Sử dụng khẩu độ tại mặt phẳng tiêu phía trước thấu kính giữ
nguyên độ phóng đại 45
Hình 1.26: Quan hệ giữa hệ số độ nét q với độ nhòe ảnh α 46
Hình 1.27: Hệ hai ống kính tiêu cự thay đổi 47
Hình 1.28: Chiều sâu tính toán từ độ sắc nét 48
Hình 1.29: Ước lượng bán kính mờ 49
6

Chương 2
Hình 2.1. Biểu diễn hình học của hình ảnh bề mặt đo liên tục, không
phẳng. 55
Hình 2.2. Hình ảnh phân phối nhiệt, mờ bởi sự khuếch tán (Sự chói sáng
của mặt phẳng 57
Hình 2.3. Hàm lan truyền điểm, phép đo gần đúng của hàm lan truyền
điểm bằng cách lấy hình ảnh của nguồn ánh sáng nhỏ ở rất xa. 58
Hình 2.4. Nguyên lý của phương pháp 64
Hình 2.5. Nguyên lý trong trường hợp a 66
Hình 2.6. Nguyên lý trong trường hợp b 66
Hình 2.7. Nguyên lý trong trường hợp c 67
Hình 2.8. Nguyên lý trong trường hợp d 67
Hình 2.9. Mô hình hóa kết cấu các miền khác nhau 72

Hình 2.10. Mô hình kết cấu ngẫu nhiên 72
Hình 2.11. Hai hình ảnh nhòe của bề mặt dốc 72
Hình 2.12. Hai hình ảnh nhòe của bề mặt phẳng 73
Hình 2.13. Hai hình ảnh nhòe của cùng bề mặt dốc 74
Hình 2.14. Hình ảnh màu bề mặt giả định và một số bề mặt tính toán với
số bước lặp β khác nhau 75
Hình 2.15. Hình ảnh chiều sâu bề mặt giả định và một số bề mặt tính
toán với số bước lặp β khác nhau 76
Hình 2.16. Hình ảnh bản đồ sai số bề mặt giả định và một số bề mặt tính
toán với số bước lặp β khác nhau 77
Hình 2.17. Mối quan hệ giữa φ trung bình bình phương lỗi với số bước
lặp β 78
Hình 2.18. Hai hình ảnh nhòe của bề mặt phẳng 78
Hình 2.19. Bản đồ chiều sâu, bản đồ lỗi khi v2=0,70 79
Hình 2.20. Bản đồ chiều sâu, bản đồ lỗi khi v2=0,75 80
Hình 2.21. Bản đồ chiều sâu, bản đồ lỗi khi v2=0,80 81
Hình 2.22. Bản đồ chiều sâu, bản đồ lỗi khi v2=0,85 82
Hình 2.23. Bản đồ chiều sâu, bản đồ lỗi khi v2=0,90 83
Hình 2.24. Quan hệ giữa trung bình bình phương lỗi với khoảng cách
giữa 2 ảnh 84

Chương 3
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi kỹ thuật số 85
7

Hình 3.2. Cấu hình của cảm biến hình ảnh CCD 87
Hình 3.3. Cấu hình lý thuyết của khu vực quang 87
Hình 3.4. Kết cấu mặt cắt ngang và hoạt động của khu vực quang 88
Hình 3.5. Hoạt động của ổ 2 pha đơn giản 89
Hình 3.6. Cấu hình của kênh đơn 89

Hình 3.7. Cấu hình của kênh kép 90
Hình 3.8. Sơ đồ cấu trúc mặt cắt ngang CCD kênh chìm 90
Hình 3.9. Cấu hình và hoạt động của khu vực mạch đầu ra 91
Hình 3.10. Bảng chuyển đổi của độ rọi (từ các phép đo) 91
Hình 3.11. Đặc điểm chuyển đổi quang điện (TCD1208AP) 92
Hình 3.12. Đặc điểm chuyển đổi quang điện 92
Hình 3.13. Đặc trưng đáp ứng quang phổ 93
Hình 3.14. Dạng sóng đầu ra bão hòa 94
Hình 3.15. Sự khác biệt trong mức sản lượng do khác biệt trong không
gian tần số đầu vào của ánh sáng hình ảnh 95
Hình 3.16. Khi điểm sáng O
1
nằm đúng mặt phẳng vật của thấu kính
tương đương 97
Hình 3.17. Khi điểm sáng O
2
nằm trong mặt phẳng vật của thấu kính
tương đương 99
Hình 3.18. Quang thông nhận được trên tế bào thu, khi δ = 0 102
Hình 3.19. Quang thông nhận được trên tế bào thu, khi
1
2
0
k
a


103
Hình 3.20. Quang thông nhận được trên tế bào thu, khi
1

2k
a


104
Hình 3.21. Quang thông nhận được trên tế bào thu, khi
0
2
1


k
a
104
Hình 3.22. Quang thông nhận được trên tế bào thu, khi
1
2k
a


105
Hình 3.23: Quan hệ giữa điện trở và quang thông nhận được trên phần tử
thu 107
Hình 3.24. Mạch điện chuyển đổi quang thông thành điện áp 108
Hình 3.25. Quan hệ giữa điện áp và quang thông 110
Hình 3.26. Khẩu độ số của vật kính 112
Hình 3.27. Độ phân giải quang 113
Hình 3.28. Chiều sâu hội tụ 113
Hình 3.29. Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX100 116
8

Chương 4
Hình 4.1. Chuẩn bậc Mitutoyo code 178-610 124
Hình 4.2. Hình ảnh mờ trước và sau khi dịch chuyển vật kính đi
0,001 mm 129
Hình 4.3. Mặt phẳng chuẩn theo mức xám (0,169 mm x 0,169 mm trên
bề mặt chuẩn) 130
Hình 4.4. Hình ảnh 3 chiều của (0,169 mm x 0,169 mm) mặt phẳng
chuẩn 130
Hình 4.5. Hai hình ảnh nhòe thu được trên kính hiển vi khi khoảng cách
giữa bề mặt vật và kính hiển vi chênh nhau 0,001 mm 131
Hình 4.6. Hai hình ảnh nhòe chuyển sang ảnh mức độ xám 131
Hình 4.7. Bề mặt xây dựng lại theo mức độ xám 132
Hình 4.8. Bề mặt xây dựng lại theo dạng 3 chiều 132
Hình 4.9. Hình ảnh mờ trước và sau khi dịch chuyển vật kính 134
Hình 4.10. Bề mặt tấm chuẩn độ nhám theo mức xám 134
Hình 4.11. Hình ảnh 3 chiều của tấm chuẩn độ nhám 135
Hình 4.12. Hình ảnh mờ trước và sau khi dịch chuyển vật kính đi
0,005 mm 137
Hình 4.13. Ảnh bề mặt chi tiết 137
Hình 4.14. Hình ảnh 3 chiều của bề mặt chi tiết 138
Hình 4.15. Một số hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 1 139
Hình 4.16. Bản đồ chiều sâu chi tiết vi cơ số 1 theo màu 139
Hình 4.17. Bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 1 139
Hình 4.18. Một số hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 2 140
Hình 4.19. Bản đồ chiều sâu chi tiết vi cơ số 2 theo màu 140
Hình 4.20. Bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 2 140
Hình 4.21. Một số hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 3 141
Hình 4.22. Bản đồ chiều sâu chi tiết vi cơ số 3 theo màu 141
Hình 4.23. Bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 3 141

9

Më ®Çu
Trong ngành công nghệ chế tạo máy, một chi tiết cơ khí sau gia công ngoài
độ chính xác kích thước, hình dạng và vị trí tương quan thì độ nhám bề mặt đóng
một vai trò quan trọng. Đôi khi nhám là yếu tố quyết định đến chất lượng và giá
trị của chi tiết. Ví dụ độ nhám các sản phẩm như: bộ đôi động cơ diesel, chi tiết
quang học, căn mẫu, bàn máp càng nhỏ thì giá trị sản phẩm đó càng cao.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Kích thước hình học, hình dáng và trạng thái bề mặt là những yếu tố
quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng các chi tiết cơ khí, trong đó bề mặt là
một trong các yếu tố quan trọng nhất liên quan đến quá trình hoạt động của
chi tiết, có ảnh hưởng lớn đến mối lắp, đến ma sát giữa các chi tiết trong cơ
cấu, đến tuổi bền và tuổi thọ của chi tiết máy. Do đó kiểm tra chất lượng bề
mặt chi tiết sau gia công giữ vai trò quan trọng khi đánh giá chất lượng sản
phẩm cơ khí.
Đánh giá bề mặt chi tiết một cách tổng thể cho đến hiện nay vẫn đang là
một vấn đề mới mẻ. Bề mặt chi tiết sau khi gia công bao gồm nhám bề mặt
đã được nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu và đã đặt ra các tiêu chuẩn
khác nhau để đánh giá nhám bề mặt, do có vai trò quan trọng đối với chi tiết
máy như đã phân tích ở trên. Tuy nhiên, trên thế giới hiện nay việc nghiên
cứu vẫn đang tiếp tục do đòi hỏi ngày càng cao về mô tả bề mặt thực của chi
tiết ngày càng chính xác hơn, không chỉ mô tả bề mặt trên một đường mà
khảo sát trên mặt (2D) và không gian (3D) đang được nghiên cứu tại các
trường Đại học, Viện nghiên cứu lớn trên thế giới nhằm đưa ra những gợi ý

tốt nhất cho chế độ công nghệ, tạo ra sản phẩm có hình thái học bề mặt thoả
mãn các yêu cầu khắt khe của công nghệ ngày càng chính xác. Đề tài này
cũng đi theo hướng phát triển chung của thế giới.
Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc theo
phương pháp chiều sâu từ độ nhòe ảnh qua kính hiển vi kỹ thuật số để xác
định profile bề mặt của chi tiết. X
uất phát từ ảnh bề mặt chi tiết chụp được qua
kính hiển vi kỹ thuật số tính toán định lượng quá trình chuyển đổi tín hiệu đo
trong cảm biến quang: biến độ nhòe ảnh gây ra bởi nhấp nhô trên profile bề mặt
qua hệ quang thành sự thay đổi cường độ sáng trên cảm biến quang, sau đó biến
đổi cường độ sáng thành chiều sâu của nhấp nhô bề mặt hay còn gọi là bản đồ
10

chiều sâu - chính là profile bề mặt ba chiều. Tùy vào yêu cầu kỹ thuật cụ thể
người ta có thể xử lý bộ số liệu đo profile bề mặt ba chiều này theo những chỉ
tiêu khác nhau sẽ cho ra rất nhiều thông số nhám bề mặt. Nhằm đáp ứng những
đòi hỏi trong nghiên cứu và ứng dụng phương pháp đo nói trên, luận án chọn đề
tài là: “Nghiên cứu phương pháp xác định profile bề mặt chi tiết gia công cơ khí
bằng ảnh kỹ thuật số”
Trong phương pháp xác định profile bề mặt ba chiều này, kính hiển vi kỹ
thuật số đóng vai trò bộ phận ghi bề mặt vật đo. Do có nhấp nhô trên bề mặt vật
đo nên sinh ra độ nhòe ảnh khác nhau. Để phép đo đạt độ chính xác cao nhất, các
thông số kỹ thuật của kính hiển vi cũng như các thông số kỹ thuật của cảm biến
quang cần xác định một cách chính xác. Đây là một vấn đề chuyên môn sâu đã
được nghiên cứu ở các nước phát triển trên thế giới. Nhưng các tài liệu về cơ sở
tính toán, thiết kế, chế tạo … kính hiển vi kỹ thuật số này không được công bố
rộng rãi. Ở nước ta phương pháp đo này chưa được nghiên cứu, trong khi yêu cầu
đo các chi tiết dạng này rất cấp thiết trong công nghiệp dân sự và quốc phòng.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán định lượng quá trình chuyển đổi tín

hiệu đo lường trong kính hiển vi kỹ thuật số.
Xây dựng thuật toán phục hồi lại bản đồ chiều sâu của profile bề mặt 3D từ
hai bức ảnh nhòe (hai chiều) chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số theo phương
pháp chiều sâu từ độ nhòe ảnh.
3. Nội dung nghiên cứu
Luận án tập trung giải quyết những vấn đề sau:
- Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán quá trình chuyển đổi tín hiệu đo
lường trong kính hiển vi kỹ thuật số.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán một số thông số của kính hiển vi kỹ
thuật số.
- Xây dựng thuật toán và viết phần mềm sử dụng nguyên lý đo và các thông
số đã tính toán được nhằm tự động phục hồi lại hình ảnh ba chiều của đối tượng
đo. Áp dụng vào tính toán profile bề mặt chi tiết qua ảnh chụp được trên kính
hiển vi kỹ thuật số, theo nguyên lý chiều sâu từ độ nhòe ảnh.


11

Những nội dung nghiên cứu được trình bày trong 4 chương và các phụ lục:
Chương 1. Tổng quan về đo lường profile bề mặt chi tiết cơ khí.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết và thuật toán tái hiện profile 3 chiều.
Chương 3. Kính hiển vi kỹ thuật số.
Chương 4. Thực nghiệm kiểm chứng và kết quả.
4. Phương pháp nghiên cứu
Cơ sở của phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết và thực
nghiệm. Hiện nay tại ở Việt Nam mới chỉ có một số nghiên cứu liên quan đến
vấn đề này như: phương pháp không tiếp xúc đo profile bề mặt chi tiết cơ khí
bằng đầu dò quang học hoạt động theo nguyên lý tự động bù sai lệch hội tụ [2] đề
cập đến đo profile bề mặt ở dạng 2 chiều; thiết kế phần mềm phân tích độ xám để
đo độ nhăn đường may bằng phương pháp khách quan [15] đề cập đến mô phỏng

sóng nhăn dựa vào độ xám các điểm ảnh của mẫu vải, dọc theo hướng đường
may ở dạng 2 chiều; các nghiên cứu liên quan đến xử lý ảnh số [5], [6], [7] …
[13] mới chỉ đề cập đến nhận dạng ảnh, phát hiện biên … theo dạng 2 chiều mà
chưa có nghiên cứu nào đề cập đến phương pháp xác định bản đồ chiều sâu 3
chiều từ những bức ảnh kỹ thuật số.
Trên thế giới một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề này được công bố
trong các tạp chí chuyên ngành, phân theo số lượng hình ảnh đầu vào sẽ bao gồm
2 dạng chính: các phương pháp dựa trên hai ảnh trở lên và các phương pháp dựa
trên một ảnh duy nhất. Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu dựa trên hai bức
ảnh trở lên để xây dựng bản đồ chiều sâu như: phương pháp sử dụng hai ảnh có
khẩu độ khác nhau [42], [52], [53] của Pentland, Subbarao, phương pháp sử dụng
hai ảnh tại hai vị trí màn thu khác nhau [54] của Nayar, Noguchi; phương pháp
sử dụng hai ảnh khác nhau về chiều dài tiêu cự [53] của Subbarao; phương pháp
quan sát 2 mắt Một số công trình nghiên cứu sử dụng một ảnh duy nhất để xây
dựng bản đồ chiều sâu.
Trên thế giới đã có một số thiết bị ứng dụng những phương pháp xây dựng
bản đồ chiều sâu kể trên để đo profile bề mặt nhưng các thông số kỹ thuật của
thiết bị, thuật toán và phần mềm không được công bố. Dựa trên tài liệu thu thập
được nghiên cứu sử dụng lý thuyết cơ bản trên cơ sở đó tính toán định lượng quá
trình chuyển đổi tín hiệu đo lường trong kính hiển vi kỹ thuật số; tính toán một
số thông số của kính hiển vi kỹ thuật số; xây dựng thuật toán và viết phần mềm
nhằm tự động phục hồi lại bản đồ chiều sâu của đối tượng đo. Để kiểm tra sự
12

đúng đắn của thuật toán và phần mềm tính toán nội dung nghiên cứu đã tiến hành
đo, đánh giá trên thiết bị thí nghiệm nhằm kiểm chứng lại những nghiên cứu lý
thuyết.
5. Những luận điểm mới của đề tài:
- Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán một số thông số của kính hiển vi kỹ
thuật số đo profile bề mặt 3D theo phương pháp đo không tiếp xúc mới.

- Xây dựng thuật toán phục hồi lại bản đồ chiều sâu của profile bề mặt 3D
từ hai bức ảnh nhòe hai chiều thu được trên kính hiển vi kết nối camera với các
thông số của camera cố định theo phương pháp chiều sâu từ độ nhòe ảnh
- Xây dựng sơ đồ và tính toán một số thông số trong kính hiển vi dùng để
đo profile bề mặt 3D của chi tiết cơ khí theo phương pháp chiều sâu từ độ nhòe
ảnh
- Áp dụng nguyên lý đo, các thông số đã tính toán, xây dựng thuật toán
phục hồi lại hình ảnh 3 chiều của đối tượng vào tính toán profile bề mặt kính hiển
vi kỹ thuật số.
- Đã nhận được ảnh 3D với sai lệch +1,6% so với chuẩn trong khoảng
đo 800x800 điểm ảnh trên kính hiển vi Keyence VHX100.

Những kết quả nhận được là bước khởi đầu quan trọng để ứng dụng phương
pháp đo chiều sâu từ độ nhòe ảnh mở ra một hướng ứng dụng mới không chỉ
trong phạm vi đo profile bề mặt.
13



Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ ĐO LƢỜNG
PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ

Trong công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí, sai số của bề mặt gia công là
một trong những yếu tố đặc trưng dùng để đánh giá chất lượng bề mặt và độ
chính xác gia công của chi tiết máy. Chúng ảnh hưởng tới độ chính xác gia công
cũng như tính chất sử dụng của chi tiết máy, đặc biệt là đối với những chi tiết lắp
ghép có chuyển động tương đối với nhau. Có 04 loại sai số chính gồm: sai lệch
kích thước; sai lệch hình dáng; sai lệch vị trí tương quan giữa các bề mặt như độ
vuông góc, song song, độ đồng trục, độ đảo, độ đối xứng, độ xuyên tâm ; và

nhám bề mặt [3], [4].
1.1. Đánh giá chất lƣợng và độ chính xác của chi tiết cơ khí qua
profile bề mặt
Chất lượng bề mặt gia công được đánh giá bằng hai yếu tố đặc trưng: tính
chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt và sai số của bề mặt gia công. Chất lượng của
lớp kim loại bề mặt được tạo thành bởi tính chất của kim loại và phương pháp gia
công cơ. Trong quá trình gia công cơ dưới tác dụng của lưỡi cắt dụng cụ, trên bề
mặt tạo thành những vết lồi, lõm và cấu trúc của lớp bề mặt cũng thay đổi [4].
Các sai số của bề mặt gia công [3], [4] được phân biệt theo dấu hiệu hình
học như sau: sai lệch hình dáng (độ tròn, độ trụ, độ thẳng, độ phẳng ); sóng bề
mặt; nhám bề mặt (được tạo thành bằng những vết lồi, lõm dưới tác dụng của
lưỡi cắt)


Hình 1.1. Sai lệch hình dạng, sóng và nhám trong profile bề mặt [28]
14



Theo các tài liệu [2], [22], [26], [27] các sai lệch được định nghĩa như sau:
Sai lệch hình dáng: Là sai lệch của bề mặt sau gia công so với bề mặt danh
nghĩa trên bản vẽ thiết kế. Profile sai lệch hình dáng được cấu thành từ một vài
nhấp nhô lớn với bước lớn hơn 1000 lần biên độ. Nguyên nhân gây nên sai lệch
hình dáng là do các sống trượt, trục chính trong máy gia công bị biến dạng do
nhiệt hay do sự mòn không đều của các bộ phận trong máy.
Sóng bề mặt: là những thành phần sai lệch có tỷ lệ giữa bước và biên độ
nhấp nhô trong khoảng 100 đến 1000. Sóng thường có dạng tuần hoàn theo chu
kỳ. Đó là kết quả của quá trình gia công không phù hợp như: phôi hay máy bị
võng, uốn; do rung động; máy bị rơ; ảnh hưởng của vật liệu gia công hoặc do các
yếu tố khác từ bên ngoài …

Nhám bề mặt: là thành phần sai lệch nhỏ nhất gây ra bởi quá trình gia công
còn tồn tại trên bề mặt chi tiết, chẳng hạn như vết của lưỡi cắt trong quá trình
tiện, phay hay dấu vết để lại do mài, mài nghiền hay đánh bóng. Toàn bộ những
thành phần sai lệch bất quy tắc có tỷ lệ giữa bước và biên độ nhấp nhô nhỏ hơn
100 lần được coi là nhám. Tùy thuộc từng phương pháp gia công mà nhám có thể
ở dạng tuần hoàn theo chu kỳ hay ngẫu nhiên. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhám
bề mặt gia công bao gồm: thông số hình học của dụng cụ cắt, tốc độ cắt, lượng
chạy dao, chiều sâu cắt, vật liệu gia công, rung động của hệ thống công nghệ.



a)
b)
Hình 1.2. a) Profile bề mặt nguyên thủy,
b) Profile sóng và profile nhám được tách riêng [23]

Các thành phần sai lệch hình dáng, sóng hay nhám thường không xuất hiện
riêng rẽ mà chúng đồng thời tồn tại trên bề mặt chi tiết. Vì vậy sau khi đo được
profile bề mặt, tùy theo mục đích đo cụ thể ta có thể tách lọc được nhám, sóng
hay sai lệch hình dáng.

15



1.2. Các thông số đánh giá profile bề mặt
Bề mặt có kết cấu rất phức tạp nên không thể chỉ dùng một hay một vài
thông số nào đó để mô tả đầy đủ các đặc tính của nó. Thường mỗi thông số chỉ
có thể mô tả được một vài đặc tính nào đó tùy theo yêu cầu sử dụng. Ngày nay,
mặc dù lĩnh vực đo lường bề mặt đã được phát triển rộng rãi trên toàn thế giới

nhưng ở mỗi nước vẫn có sự khác nhau. Tồn tại một số lượng lớn các thông số
nhám bề mặt, đa phần trong số chúng được phát triển với mục đích mô tả chức
năng của những bề mặt trong những ứng dụng cụ thể. Thực tế có đến hơn 60
thông số nhám đang được sử dụng trong công nghiệp. Chúng xuất hiện trong các
tiêu chuẩn quốc tế: ISO [19], [20], [21] hay tiêu chuẩn quốc gia về nhám bề mặt:
ANSI [16], AS [17] … hoặc trong các tiêu chuẩn ngành trong công nghiệp.
Những tiêu chuẩn này phần lớn là tương đồng nhưng cũng có một số điểm khác
biệt. Việt nam cũng đã có tiêu chuẩn quốc gia về nhám bề mặt TCVN 2511 ban
hành năm 1995 chỉ với 5 thông số.
Mặc dù số lượng thông số độ nhám là lớn nhưng nhìn chung vẫn có thể
được phân loại một cách thỏa đáng (hình 1.3). Ngoài các thông số 2D được đánh
giá qua chỉ một profile mặt cắt, bề mặt còn được đặc trưng bởi các thông số
không gian 3D khi toàn bộ hình thái học bề mặt được mô tả.

`

Hình 1.3. Phân loại các thông số nhám bề mặt [2]
Các
thông
số
nhám
bề
mặt
Các
thông số
nhám 2D
Các thông số hỗn hợp 2D
Các thông số biên độ 2D
Các thông số bước 2D
Các hàm số thống kê 2D

Các
thông số
nhám 3D
Các thông số bước 3D
Các thông số biên độ 3D
Các thông số hỗn hợp 3D
Các hàm số thống kê 3D
16



1.2.1. Thông số nhám 2D
Profile nhám bề mặt bao gồm ba yếu tố cơ bản: biên độ, độ dốc và khoảng
cách [23], [24], [26], [27], [28] như mô tả trong hình 1.4. Tương ứng với nó là ba
nhóm thông số nhám 2D sau:
 Các thông số về biên độ: là các thông số đặc trưng được đo theo các
phương vuông góc với bề mặt (ví dụ R
a
, R
z
, R
q
, R
t
, R
p
, R
v
, R
y

,
R
max
…)
 Các thông số về khoảng cách: là các thông số đặc trưng được đo
theo phương ngang bề mặt (ví dụ R
Sm
, R
S
, R
Pc
, HSC …).
 Các thông số hỗn hợp: là các thông số được xác định thông qua việc
kết hợp cả hai yếu tố biên độ và khoảng cách (ví dụ R
a
, R
q
).


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

1.2.2. Thông số nhám 3D
Trong những năm gần đây, người ta rất quan tâm tới việc đo và đánh giá
nhám ba chiều của bề mặt, gọi tắt là nhám 3D. Nhiều thông số đã được đưa ra
nghiên cứu và hiệu quả ứng dụng của chúng đã được chứng minh. Một vài trong
các thông số này chỉ đơn thuần là phần mở rộng của các thông số 2D tương ứng
khi đánh giá theo ba chiều. Tuy nhiên, cũng có những thông số đặc trưng chỉ có ở
dạng 3D, chẳng hạn như hướng kết cấu bề mặt. Từ những năm 1990, một bộ gốc
gồm 14 thông số 3D đã được xây dựng với tên gọi là bộ "14 thông số nhám

Birmingham" [29] (hình 1.5). Đến nay có nhiều thông số nhám 3D khác được bổ
sung và đã xuất hiện một số trong các tiêu chuẩn ngành [23]. Hiện nay một bộ
thông số 3D cũng đang được xem xét trong dự thảo Tiêu chuẩn quốc tế về nhám
bề mặt.
17



1.2.2.1. Phân loại thông số nhám 3D
Tương tự 2D, các thông số nhám 3D cũng gồm một số nhóm chính sau:
- Thông số biên độ nhám: S
a
, S
q
, S
sk
, S
ku
, S
p
, S
v
, S
z
, S
5z
…
- Thông số bước nhám: S
ds
, S

al
, S
tr
, S
td
….
- Thông số hỗn hợp: S
sc
, S
dq
, S
dr
…
- Thông số khác: S
fd
, S
td
, S
tp
, S
k
, S
pk
, S
vk
, S
MR1
, S
MR2
, V

mp
, V
mc
, V
vc
, V
vv
…
Trong phép đo thông số nhám 3D, bề mặt được mô tả bởi một hàm số là
cao độ của các điểm trên nó: f = z(x,y) với hai biến độc lập (x,y) là tọa độ điểm
được xét. Một số khái niệm cơ bản như diện tích mẫu A
s
, diện tích đánh giá A
e
,
mặt trung bình đều được định nghĩa xuất phát từ những khái niệm tương đương
trong mô tả 2D.

Hình 1.5. Bộ 14 thông số 3D Birmingham

Hình 1.6 mô tả một bề mặt 3D cần đánh giá còn hình 1.7 là lưới điểm đo
của bề mặt đó.
14 thông số
nhám 3D
Birmingham
Các thông số
biên độ nhám
RMS - Sq
Sz
Ssk

Sku
Các thông số
bƣớc nhám
Sds
Sal
Str
Std
Các thông số
hỗn hợp
Ssc
Sdq
Sdr
Các thông số
nhám 3D khác
Sbi
Sci
Svi
18






Hình 1.6. Mô tả bề mặt 3D [25]

Hình 1.7. Lưới điểm số hoá bề mặt 3D

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

 f = z(x,y): hàm số mô tả cao độ các điểm trên bề mặt so với mặt trung bình.
 A
e
: diện tích đánh giá, A
e
= L
x


L
y

 A
s
: diện tích mẫu, A
s
=

x


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

x
: chiều dài đánh giá theo phương x, L
x
= M

x
 L
y
: chiều dài đánh giá theo phương y, L
y
= N

y
 M: số khoảng lấy mẫu theo phương x
 N: số khoảng lấy mẫu theo phương y

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