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 - 2015


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
MÃ SỐ

: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
: 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 - 2015


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 án này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hoàng Tùng


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ................................................. 1
DANH MỤC
NG ............................................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................................. 5
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 10

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO LƢỜNG PROFILE Ề MẶT CHI TIẾT
CƠ KHÍ ..................................................................................................... 14
1.1. Đánh giá chất lƣợng và độ chính xác của chi tiết cơ khí qua profile bề
mặt.............................................................................................................. 14
1.2. Các thông số đánh giá profile bề mặt ............................................................. 16
1.2.1. Thông số nhám 2D ................................................................................. 17
1.2.2. Thông số nhám 3D ................................................................................ 17
1.3. Các phƣơng pháp đo profile bề mặt ............................................................... 22
1.3.1. Phƣơng pháp chép hình .......................................................................... 23
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 ............................................................................................ 47
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TOÁN TÁI HIỆN PROFILE
BA CHIỀU ................................................................................................ 49
2.1. Cơ sở lý thuyết................................................................................................ 49
2.1.1. Mô hình hóa ảnh đơn giản nhất .............................................................. 49
2.1.2. Mô hình nhòe dƣới dạng quá trình khuếch tán ..................................... 54
2.1.3. Mô hình tính toán sử dụng độ nhòe ảnh ................................................. 58
2.2. Phƣơng pháp xây dựng lại profile / biên dạng ............................................... 60
2.3. Hiệu chuẩn thuật toán ..................................................................................... 67
2.3.1. Tính toán các bề mặt giả định để kiểm tra thuật toán ............................ 67
2.3.2. Khảo sát độ chính xác của bề mặt khi thay đổi số bƣớc lặp, trong
trƣờng hợp bề mặt dạng dốc ...................................................................... 70
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 ........................................ 74
2.4. Kết luận chƣơng ............................................................................................. 78


Chƣơng 3. XÂY DỰNG CƠ SỞ TÍNH TOÁN CHUYỂN ĐỔI ĐO VÀ TÍNH
TOÁN CHO KÍNH HIỂN VI KỸ THUẬT SỐ......................................... 79
3.1. Nguyên lý hệ hiển vi k thuật số .................................................................... 79
3.2. Xây dựng cơ sở tính toán chuyển đổi tín hiệu đo trong hệ quang đối với
từng điểm sáng trên bề mặt đo ................................................................... 79
3.2.1. Khi điểm sáng trên bề mặt đo nằm đúng mặt phẳng vật của thấu
kính tƣơng đƣơng .......................................................................................80
3.2.2. Khi điểm sáng trên bề mặt đo nằm ngoài tiêu cự của thấu kính
tƣơng đƣơng ...............................................................................................80
3.2.3. Khi điểm sáng trên bề mặt đo nằm trong tiêu cự của thấu kính
tƣơng đƣơng ...............................................................................................82

3.3. Tính toán thông số của kính hiển vi k thuật số ............................................. 84
3.4. Tính toán các thông số k thuật của kính hiển vi tích hợp vật kính
Mitutoyo 375-037-1 và CMOS ký hiệu Touptek UCMOS 4000KPA
TP614000A ................................................................................................ 87
3.4.1. Vùng quan sát trên bề mặt vật của kính hiển vi .....................................87
3.4.2. Xác định độ phóng đại trên màn hình ....................................................87
3.4.3. Xác định tiêu cự f của vật kính, khoảng cách từ vật và CMOS đến
vật kính của kính hiển vi ............................................................................88
3.4.4. Tính đƣờng kính tƣơng đƣơng của vật kính ...........................................90
3.4.5. Tính số lƣợng điểm ảnh bị chiếm trên màn thu CMOS khi một
điểm sáng trên bề mặt vật đi qua kính hiển vi ...........................................90
3.5. Kết luận chƣơng ............................................................................................. 91
Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM, KIỂM CHỨNG VÀ KẾT QU ............................... 92
4.1. Mục đích thực nghiệm .................................................................................... 92
4.2. Mô hình thực nghiệm ..................................................................................... 92
4.2.1. Kính hiển vi k thuật số Mitutoyo MF-B4020C ....................................92
4.2.2. Các thông số thực nghiệm ......................................................................93
4.3. Đối tƣợng thực nghiệm ................................................................................... 94
4.3.1. ộ căn mẫu .............................................................................................94
4.3.2. Tấm chuẩn độ nhám ...............................................................................94
4.3.3. Một số chi tiết vi cơ ................................................................................95
4.3.4. Thƣớc kính chuẩn ...................................................................................96
4.4. Thực nghiệm mô tả lại profile khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu ...... 97
4.5. Thực nghiệm mô tả lại profile tấm chuẩn độ nhám ..................................... 103


4.5.1. Profile tấm chuẩn độ nhám (gia công bằng phƣơng pháp tiện) ...........105
4.5.2. Profile tấm chuẩn độ nhám (gia công bằng phƣơng pháp phay
đứng) ........................................................................................................108
4.6. Thực nghiệm mô tả lại profile chi tiết vi cơ ................................................. 112

4.6.1. Chi tiết vi cơ số 1..................................................................................112
4.6.2. Chi tiết vi cơ số 2..................................................................................113
4.6.3. Chi tiết vi cơ số 3..................................................................................114
4.7. Thực nghiệm mô tả lại một vùng thƣớc kính chuẩn .................................... 116
4.8. Sai số và bù sai số trong kính hiển vi k thuật số ........................................ 118
4.8.1. Một số sai số trong kính hiển vi k thuật số ......................................... 118
4.8.2. ù sai số trong kính hiển vi k thuật số khi đo bề mặt dạng bậc ......... 119
4.8.3. ù sai số trong kính hiển vi k thuật số khi đo bề mặt dạng tấm
chuẩn độ nhám có Ra 12,5 m đến Ra 3,2 m ........................................ 123
4.9. Kết luận chƣơng ........................................................................................... 125
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .......... 126
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Ố CỦA LUẬN ÁN ................. 127
TÀI LIỆU THAM KH O ...................................................................................... 128


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
: Depth of map
điểm [(1m)Δx, (1n)Δy] trên bề
mặt vật - với chiều sâu
Z[(1m)Δx,(1n)Δy]
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
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.
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
Đường trung bình

: Depth from focus

: Depth from defocus

: Depth from Stereo

: Mean line

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

2

Kính hiển vi kỹ thuật số: kính hiển
vi quang học ghép nối với cảm biến
hình ảnh quang điện tử (CCD) sử : Digital microscopy
dụng chụp ảnh kỹ thuật số của bề
mặt quan sát qua hệ hiển vi
Kính hiển vi điện tử truyền qua
: Transmission Electron Microscope
(TEM)
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
Complementary metal oxide
:
semiconductor

Cảm biến hình ảnh (CMOS)

Một số ký hiệu
h(y,x)
Δσ2

: Hàm Gauss 2 chiều hạt nhân thay đổi bất biến tròn đối xứng
: Độ mờ tương đối

∇

: Toán tử Gradient  / x1

∇.

:

c

: Hệ số khuyếch tán



2

i 1

 / x2  với x = [x1 x2]T
T

 / xi .

E1(x,y)

: Năng lượng ảnh nhòe trước khi thay đổi

E2(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


3

0

: Quang thông tại mọi điểm trên bề mặt vật đo

ftd

: Tiêu cự của thấu kính tương đương

u0

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

v0

: Khoảng cách từ thấu kính tương đương đến màn thu

Rtd

: Bán kính của thấu kính tương đương

r

: Bán kính vòng tròn mờ

thu

: Quang thông nhận được trên bề mặt tế bào thu

Uthu

: Điện áp ra của quang điện trở

MQ

: Độ phóng đại quang

aCMOS

: chiều dài ma trận thu CMOS

bCMOS

: chiều rộng ma trận thu CMOS

aQS

: Chiều dài vùng quan sát trên bề mặt vật.

bQS

: Chiều rộng vùng quan sát trên bề mặt vật.

LP/mm
Res

: Cặp dòng cho mỗi mm
:

Khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 điểm vật mà kính hiển vi phân biệt được
gọi là Độ phân giải quang


4

DANH MỤC BẢNG

Trang
Bảng 4.1

:

ả

n

Bảng 4.2

:

ả

n

Bảng 4.3

:

Bảng 4.4

:

Bảng 4.

:

Bảng 4.

:

Bảng 4.

:

Bảng 4.

:

Bảng 4.

:

g

ng
ả

ả

n

ảng
n

ả

98

n

111

n

n

n
ng

n

n

g

cao

ng
ng
ả

cao

n

ng

n

ng

ảng

ng
n

cao

n

n

g

cao

n

ng

n

ả
ả

ng

n

n

ả

n

n
ng
ả

ng
n

ng

n g
n

ả

ảng

n

g

115
120
121
122
123
124
124

5
DANH MỤC HÌNH
Trang
Chương 1
Hình 1.1. Sai lệch hình dạng, sóng và nhám trong profile bề mặt .................. 14
Hình 1.2: a) Profile bề mặt nguyên thủy, b) Profile sóng và profile nhám ... 15
Hình 1.3: Phân loại các thông số nhám bề mặt............................................... 16
Hình 1.4: Thành phần cơ bản của profile nhám bề mặt .................................. 17
Hình 1.5 : Bộ 14 thông số 3D Birmingham ................................................... 18
Hình 1.6: Mô tả bề mặt 3D ............................................................................. 19
Hình 1.7: Lưới điểm số hoá bề mặt 3D .......................................................... 19
Hình 1.8. Sơ đồ khối thiết bị đo chép hình bằng đầu dò tiếp xúc .................. 24
Hình 1.9. Nguyên lý đo tiếp xúc bằng đầu dò ................................................ 24
Hình 1.10. Nguyên lý đo tam giác đạc ........................................................... 25
Hình 1.11. Nguyên lý đo tự động dò điểm hội tụ .......................................... 26
Hình 1.12. Nguyên lý đo tán xạ tích phân toàn phần .................................... 27
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 tiêu điểm thay đổi ...................... 30
Hình 1.17: Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi đường ngầm với điện
áp không đổi..................................................................................................... 34
Hình 1.18: Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi đường ngầm với chiều
cao z không đổi ................................................................................................ 34
Hình 1.19: Đám mây electron giữa bề mặt và đầu đo trong kính hiển vi
đường ngầm ..................................................................................................... 34
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 ............................... 36

Hình 1.22. Hai ảnh cùng chụp một đối tượng chỉ khác nhau độ sâu
trường ảnh ........................................................................................................ 38
Hình 1.23: Ảnh của điểm P tại hai mặt phẳng thu ảnh .................................... 41
Hình 1.24: Sử dụng khẩu độ tại mặt phẳng tiêu phía trước thấu kính giữ
nguyên độ phóng đại ........................................................................................ 42
Hình 1.25: Quan hệ giữa hệ số độ nét q với độ nhòe ảnh α............................. 43


6
Hình 1.26: Hệ hai ống kính tiêu cự thay đổi .................................................... 44
Hình 1.27: Chiều sâu tính toán từ độ sắc nét ................................................... 46
Hình 1.28: Ước lượng bán kính mờ ................................................................. 47
Chương 2
Hình 2.1. Biểu diễn hình học của hình ảnh bề mặt đo liên tục, không
phẳng. Các hình nón của các tia sáng chệch hướng bởi thấu kính tới điểm
y trên mặt phẳng ảnh, cắt bề mặt s trên vùng Ψ. Tổng các đóng góp năng
lượng từ hình nón xác định cường độ đo được tại các điểm y ........................ 53
Hình 2.2. Hình ảnh phân phối nhiệt, mờ bởi sự khuếch tán (Sự chói sáng
của mặt phẳng có thể được giải thích như phân bố nhiệt trên một tấm kim
loại. Khuếch tán gây ra phân bố mờ) .............................................................. 54
Hình 2.3. Hàm nhòe điểm, phép đo gần đúng của hàm nhòe điểm bằng
cách lấy hình ảnh của nguồn ánh sáng nhỏ ở rất xa. Đối với khẩu độ lớn
(trên) các PSF được xấp xỉ bằng hình trụ trơn, nhưng khi độ mở ống kính
trở nên nhỏ hơn (dưới) các PSF được xấp xỉ bởi hàm Gauss .......................... 55
Hình 2.4. Nguyên lý của phương pháp ............................................................ 60
Hình 2.5. Nguyên lý trong trường hợp a ......................................................... 62
Hình 2.6. Nguyên lý trong trường hợp b ......................................................... 62
Hình 2.7. Nguyên lý trong trường hợp c ......................................................... 63
Hình 2.8. Nguyên lý trong trường hợp d ......................................................... 63
Hình 2.9. Mô hình hóa kết cấu các miền khác nhau ........................................ 68

Hình 2.10. Mô hình kết cấu ngẫu nhiên........................................................... 68
Hình 2.11. Hai hình ảnh nhòe của bề mặt dốc ................................................ 68
Hình 2.12. Hai hình ảnh nhòe của bề mặt phẳng ............................................ 69
Hình 2.13. Hai hình ảnh nhòe của cùng bề mặt dốc ........................................ 70
Hình 2.14. Một số bề mặt tính toán với số bước lặp β khác nhau (β=10
đến 2000 lần) ................................................................................................... 71
Hình 2.15. Hình ảnh bản đồ sai số bề mặt giả định và một số bề mặt tính
toán với số bước lặp β khác nhau (β=10 đến 2000 lần) ................................... 72
Hình 2.16. Mối quan hệ giữa Log(Trung bình bình phương lỗi) với số
bước lặp β ........................................................................................................ 73
Hình 2.17. Hai hình ảnh nhòe của bề mặt phẳng ............................................. 74
Hình 2.18. Bản đồ chiều sâu khi u2 = 70,44 mm đến u2 = 70,29 mm ............. 75
Hình 2.19. Bản đồ lỗi khi u2 = 70,44 mm đến u2 = 70,29 mm ........................ 76


7
Hình 2.20. Quan hệ giữa Log(Trung bình bình phương lỗi) với khoảng
cách giữa 2 b c ảnh nhòe................................................................................. 77
Chương 3
Hình 3.1. Chiếu và chụp bằng kính hiển vi ..................................................... 79
Hình 3.2. Khi điểm sáng O1 nằm đúng mặt phẳng vật của thấu kính
tương đương ..................................................................................................... 80
Hình 3.3. Khi điểm sáng O2 nằm trong tiêu cự của thấu kính tương
đương ............................................................................................................... 82
Hình 3.4. Thiết bị xác định tiêu cự của vật kính............................................. 88
Hình 3.5. Màn hình đo tiêu cự của vật kính Mitutoyo 375-037-1 trên
phần mềm chuyên dụng ................................................................................... 89
Chương 4
Hình 4.1. Kính hiển vi kỹ thuật số Mitutoyo MF-B4020C ............................. 92
Hình 4.2. Các thông số đại diện cho hệ quang của kính hiển vi kỹ thuật

số Mitutoyo MF-B4020C tích hợp vật kính Mitutoyo 375-037-1 ................... 93
Hình 4.3. Bộ căn mẫu cấp 1 do Cộng hòa dân chủ Đ c chế tạo ..................... 94
Hình 4.4. Bộ tấm chuẩn độ nhám Flexbar số 16008 ....................................... 95
Hình 4.5. Một số chi tiết vi cơ ......................................................................... 95
Hình 4.6. Thước kính chuẩn ............................................................................ 96
Hình 4.7. Sơ đồ tạo chênh lệch chiều cao giữa 2 miếng căn mẫu ................... 97
Hình 4.8. Hình ảnh nhòe khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có
cao = 0,5 mm khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai
lần chụp cách nhau 0,05 mm ........................................................................... 99
Hình 4.9. Profile bề mặt 3D khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có
cao = 0,5 mm ................................................................................................ 99
Hình 4.10. Hình ảnh nhòe khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có
cao = 0,1 mm khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai
lần chụp cách nhau 0,05 mm ......................................................................... 100
Hình 4.11. Profile bề mặt 3D khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có
cao = 0,1 mm .............................................................................................. 100


8
Hình 4.12. Hình ảnh nhòe khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có
cao = 0,04 mm khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở
hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ................................................................... 101
Hình 4.13. Profile bề mặt 3D khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có
cao=0,04 mm .............................................................................................. 101
Hình 4.14. Hình ảnh nhòe khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có
cao = 0,01 mm khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở
hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ................................................................... 102
Hình 4.15. Profile bề mặt 3D khu vực ranh giới giữa 2 miếng căn mẫu có
cao=0,01 mm ............................................................................................... 102
Hình 4.16. Sai lệch chênh lệch chiều cao giữa 2 miếng căn mẫu.................. 103

Hình 4.17. Sơ đồ chụp profile tấm chuẩn độ nhám ....................................... 104
Hình 4.18. Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng
phương pháp tiện có Ra 12,5 m khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và
kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ............................................ 105
Hình 4.19. Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công
bằng phương pháp tiện có Ra 12,5 m .......................................................... 105
Hình 4.20. Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng
phương pháp tiện có Ra 6,3 m khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và
kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ............................................ 106
Hình 4.21. Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công
bằng phương pháp tiện có Ra 6,3 m ............................................................ 106
Hình 4.22. Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng
phương pháp tiện có Ra 3,2 m khi khoảng cách giữa bề mặt chuẩn và
kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ............................................ 107
Hình 4.23. Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công
bằng phương pháp tiện có Ra 3,2 m ............................................................ 107
Hình 4.24. Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng
phương pháp phay đ ng có Ra 12,5 m khi khoảng cách giữa bề mặt
chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ............................. 108
Hình 4.25. Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công
bằng phương pháp phay đ ng có Ra 12,5 m ............................................... 108


9
Hình 4.26. Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng
phương pháp phay đ ng có Ra 6,3 m khi khoảng cách giữa bề mặt
chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ............................. 109
Hình 4.27. Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công
bằng phương pháp phay đ ng có Ra 6,3 m ................................................. 109
Hình 4.28. Hình ảnh nhòe của profile tấm chuẩn độ nhám gia công bằng

phương pháp phay đ ng có Ra 3,2 m khi khoảng cách giữa bề mặt
chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ............................. 110
Hình 4.29. Profile bề mặt 3D của profile tấm chuẩn độ nhám gia công
bằng phương pháp phay đ ng có Ra 3,2 m ................................................. 110
Hình 4.30. Hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 1 khi khoảng cách giữa bề
mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ...................... 112
Hình 4.31. Profile bề mặt 3D của chi tiết vi cơ số 1 ...................................... 112
Hình 4.32. Hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 2 khi khoảng cách giữa bề
mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ...................... 113
Hình 4.33. Profile bề mặt 3D của chi tiết vi cơ số 2 ...................................... 113
Hình 4.34. Hình ảnh nhòe của chi tiết vi cơ số 3 khi khoảng cách giữa bề
mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ...................... 114
Hình 4.35. Profile bề mặt 3D của chi tiết vi cơ số 3 ...................................... 114
Hình 4.36. Sơ đồ gá đặt thước kính trên kính hiển vi .................................... 116
Hình 4.37. Hình ảnh nhòe của vùng thước kính chuẩn khi khoảng cách
giữa bề mặt chuẩn và kính hiển vi ở hai lần chụp cách nhau 0,05 mm ......... 116
Hình 4.38. Profile bề mặt 3D của vùng thước kính chuẩn ............................ 117


11
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 3D 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.

1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Xây dựng cơ sở 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.
Nghiên cứu ứng dụng thuật toán mô phỏng profile bề mặt 3D từ hai bức ảnh
nhòe 2D chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số theo phương pháp chiều sâu từ
độ nhòe ảnh.

2. Nội dung nghiên cứu
Luận án tập trung giải quyết những vấn đề sau:
- Nghiên cứu tìm hiểu cơ sở lý thuyết mô phỏng profile bề mặt 3D từ những
bức ảnh nhòe 2D thu được trên kính hiển vi.
- Nghiên cứu tìm hiểu thuật toán mô phỏng profile bề mặt 3D từ hai bức
ảnh nhòe 2D thu được trên kính hiển vi.
- Xây dựng cơ sở 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.
- Nghiên cứu xây dựng profile bề mặt 3 chiều từ những bức ảnh nhòe chụp
được trên kính hiển vi kỹ thuật số.


12
Những nội dung nghiên cứu được trình bày trong 4 chương:
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. Xây dựng cơ sở tính toán chuyển đổi đo và tính toán cho kính
hiển vi kỹ thuật số.
Chương 4. Thực nghiệm, kiểm chứng và kết quả.

3. 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 tìm hiểu cơ sở lý thuyết mô phỏng profile bề mặt 3D từ những
bức ảnh nhòe 2D; nghiên cứu tìm hiểu thuật toán mô phỏng profile bề mặt 3D từ
hai bức ảnh nhòe 2D; xây dựng cơ sở tính toán một số thông số của kính hiển vi

13
kỹ thuật số. Đã tiến hành đo, đánh giá một số bề mặt chi tiết cơ khí trên thiết bị
thí nghiệm nhằm kiểm chứng lại những nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết.

4. Những luận điểm mới của đề tài:
- Nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp đo profile bề mặt 3 chiều dựa trên lý
thuyết chiều sâu từ độ nhòe ảnh (D. .D). Trên cơ sở đó xây dựng chương trình
tính toán, biểu di n profile bề mặt 3 chiều từ 2 bức ảnh nhòe.
- Khảo sát ảnh hưởng của số bước lặp , khoảng cách giữa 2 ảnh nhòe tới
trung bình bình phương lỗi φ của toàn hình ảnh suy ra số bước lặp tối ưu 
146 và quy tắc chọn khoảng cách giữa 2 ảnh nhòe phải lớn hơn chiều sâu hội tụ
của kính hiển vi.
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm dựa trên kính hiển vi Mitutoyo M 4 2 C tích hợp vật kính Mitutoyo 375- 37-1 và CMOS ký hiệu Touptek
UCMOS 4

KP

TP614

. Kính hiển vi này không có chức năng D. .D

nhưng khi kết hợp với chương trình tính toán, biểu di n profile bề mặt từ 2 bức
ảnh nhòe đã có chức năng D. .D.
- Chứng minh bằng thực nghiệm khả năng xác định profile 3 chiều của bề
mặt gia công cơ khí bằng phương pháp D. .D trong điều kiện hiện có của phòng
thí nghiệm qua đó chứng tỏ khả năng ứng dụng của phương pháp này ở Việt
Nam. Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng đo 3 chiều theo D. .D là khả thi khi
nhấp nhô bề mặt lớn hơn chiều sâu hội tụ của kính hiển vi.
Những kết quả nhận được là bước khởi đầu quan trọng mở ra một hướng

ứng dụng mới không chỉ trong phạm vi đo profile bề mặt bằng phương pháp đo
chiều sâu từ độ nhòe ảnh.


14

Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƢỜNG
PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ
Trong công nghệ chế tạo 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. Các sai số này 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]

15

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.


16

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. Các chỉ tiêu profile được
thể 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. Tiêu chuẩn quốc gia của Việt nam về nhám bề mặt ban
đầu với 2 thông số, đến nay sử dụng TCVN 2511 (ban hành năm 1995) chỉ có 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 mô tả được toàn bộ hình thái học bề mặt.
Các thông số hỗn hợp 2D
Các

Các thông số biên độ 2D

thông số
nhám 2D

Các thông số bước 2D

Các
thông

Các hàm số thống kê 2D

số
nhám

Các thông số bước 3D

bề
mặt
Các

Các thông số biên độ 3D

thông số
nhám 3D

Các thông số hỗn hợp 3D
Các hàm số thống kê 3D

`
Hình 1.3. Phân loại các thông số nhám bề mặt [2]


17

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 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 Ra, Rz, Rq, Rt, Rp, Rv, Ry,
Rmax…)
 Các thông số về khoảng cách:là các thông số đặc trưng được đo theo
phương ngang bề mặt (ví dụ RSm, RS, RPc, 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 3D. 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.


18

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: Sa, Sq, Ssk, Sku, Sp, Sv, Sz, S5z …
- Thông số bước nhám: Sds, Sal, Str, Std ….
- Thông số hỗn hợp: Ssc, Sdq, Sdr …
- Thông số khác: Sfd, Std, Stp, Sk, Spk, Svk, SMR1, SMR2, Vmp, Vmc, Vvc, Vvv …
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 As, diện tích đánh giá Ae,
mặt trung bình đều được định nghĩa xuất phát từ những khái niệm tương đương
trong mô tả 2D.
14 thông số
nhám 3D
Birmingham

Các thông số
biên độ nhám

Các thông số
bƣớc nhám

Các thông số
hỗn hợp

Các thông số
nhám 3D khác

RMS - Sq

Sds

Ssc

Sbi

Sz

Sal

Sdq

Sci

Ssk

Str

Sdr

Svi

Sku

Std

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.


19

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.
 Ae: diện tích đánh giá, Ae = Lx Ly
 As: diện tích mẫu, As = 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
 Lx: chiều dài đánh giá theo phương x,Lx = Mx
 Ly: chiều dài đánh giá theo phương y, Ly = 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].

1.2.2.2. Một số thông số nhám 3D
Thông số nhám trung bình Sa:
Được định nghĩa là trung bình số học của giá trị tuyệt đối độ lệch chiều cao
các điểm trên bề mặt cần đánh giá so với mặt trung bình trong phạm vi diện tích
đánh giá.