Nghiên cứu chế tạo thiết bị quét biên dạng chi tiết 3d bằng laser

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................................ 4
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 7
CHƢƠNG I: ĐO LƢỜNG BIÊN DẠNG BỀ MẶT BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUÉT
LASER 3D ............................................................................................................................. 9

1.1.

Giới thiệu về máy quét 3D.............................................................................9

1.2.

Cấu tạo và nguyên lý của máy quét 3D laser. .............................................11

1.2.1.

Quét điểm và quét đƣờng. .....................................................................11

1.2.2.

Quét mặt phẳng và quét vật quay. ........................................................13

1.3.

Một số máy đo laser 3D ...............................................................................15

1.4.

Cơ sở thiết kế máy. ......................................................................................18

CHƢƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ ĐẦU ĐO LASER VÀ HỆ DỊCH CHUYỂN QUANG
CƠ ........................................................................................................................................ 20

2.1.

Nguyên lý phƣơng pháp đo dạng điểm và dạng đƣờng...............................20

2.1.1.

Nguyên lý đo dạng điểm. ......................................................................20

2.1.2.

Nguyên lý đầu đo laser dạng đƣờng. ....................................................21

2.1.3.

Xây dựng hàm truyền đạt......................................................................22

2.1.4.

Khảo sát các thông số ảnh hƣởng đến hàm truyền đạt. ........................24

2.2.

Một số yếu tố ảnh hƣởng tới kết quả đo. .....................................................28

2.2.1.

Ảnh hƣởng của cƣờng độ tia laser. .......................................................30

2.2.2.

Ảnh hƣởng của đƣờng kính tia laser. ....................................................30

2.2.3.

Ảnh hƣởng của độ nhám bề mặt vật đo. ...............................................31

2.2.4.

Ảnh hƣởng của mầu sắc bề mặt vật đo. ................................................32
1

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

2.2.5.

Ảnh hƣởng của góc nghiêng bề mặt tại điểm đo. .................................32

2.3.

Hệ dẫn động .................................................................................................33

2.4.

Sơ đồ hệ thống điều khiển. ..........................................................................35

CHƢƠNG III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ................................................ 40

3.1.

Đầu đo..........................................................................................................40

3.2.

Hệ thống điều khiển. ....................................................................................42

3.2.1.

Chọn hệ thống điều khiển. ....................................................................42

3.2.2.

Các linh kiện điện tử dùng trong hệ thống điều khiển. .........................42

3.2.3.

Động cơ. ................................................................................................46

3.3.

Phần mềm điều khiển. .................................................................................47

3.3.1.

Phần mềm CCS 4.078. ..........................................................................47

3.3.2.

Phần mềm matlab..................................................................................50

3.3.3.

Các thuật toán sử dụng trong luận văn. ................................................53

3.4.

Lƣu đồ điều khiển. .......................................................................................56

3.4.1.

Lƣu đồ điểu khiển đo biên dạng chi tiết phẳng. ...................................56

3.4.2.

Lƣu đồ điều khiển đo biên dạng chi tiết quay. .....................................57

CHƢƠNG IV: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ........................................... 59

4.1.

Mô hình thực nghiệm. .................................................................................59

4.2.

Kết quả thực nghiệm....................................................................................61

4.3.

Calip máy đo. ...............................................................................................64

KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 67
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 68

2

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này với đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị
quét biên dạng chi tiết 3D bằng laser” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và
chƣa đƣợc công bố trong bất cứ công trình nào khác. Các số liệu nêu trong luận văn
là trung thực.

Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2013
Tác giả luận văn

Phạm Ngọc Linh

3

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý đo theo phản xạ ..............................................................12
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp tạo ảnh ........................................12
Hình 1.3: Nguyên lý quét vệt trên bề mặt chi tiết đo sử dụng hệ quang ...................13
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý quét mặt phẳng ...............................................................14
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý quét vật quay ..................................................................15
Hình 1.6: Máy quét của hãng Faro ...........................................................................16
Hình1.7: Thiết bị quét 3D cầm tay của hãng Creaform. ..........................................16
Hình 1.8: Máy quét Vituoso của Konica ...................................................................17
Hình1.9: Máy quét laser 100HSX Surphaser..........................................................18
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp tán xạ(tạo ảnh) ............................20
Hình 2.2: Nguyên lý quét 3D laser theo đường ........................................................21
Hình 2.3: Sơ đồ tạo ảnh ............................................................................................23
Hình 2.4: Biểu đồ quan hệ giữa L và ΔZ ..................................................................25
Hình 2.5: Biểu đồ quan hệ giữa H và ΔZ ..................................................................26
Hình 2.6: Biểu đồ mối quan hệ giữa f và ΔZ ............................................................27

Hình 2.7: Cấu tạo cụm đầu đo ..................................................................................28
Hình 2.8: Mô hình thực nghiệm ................................................................................29
Hình 2.9: Đồ thị ảnh hưởng của cường độ tia laser đến đường đặc tuyến ..............30
Hình 2.10: Đồ thị ảnh hưởng của đường kính tia laser tới đường đặc tuyến ..........30
Hình 2.11: Đồ thị ảnh hưởng của độ nhám bề mặt vật đo đến đường đặc tuyến .....31
Hình 2.12: Đồ thị ảnh hưởng của mầu sắc bề mặt vật đo đến đường đặc tuyến ......32
Hình 2.13: Đồ thị ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt tại điểm đo..........................32
Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống điều khiển số 1 ...............................................................36
Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống điều khiển số 2 ...............................................................37
Hình 2.16: Sơ đồ hệ thống điều khiển số 3 ...............................................................38
4

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hình 3.1: Cụm đầu đo laser ......................................................................................41
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển số 2 .................................................................42
Hình 3.3 : Vi điều khiển PIC16F877A ......................................................................43
Hình 3.4: Driver 2H504 ............................................................................................45
Hình 3.5: Sơ đồ chân Driver 2H504 điều khiển động cơ .........................................45
Hình 3.6: Hệ thống điều khiển động cơ bước dùng Microstep Driver 2H504 bằng
máy tính..............................................................................................................46
Hình 3.7: Ảnh mạch điều khiển thử nghiệm ..............................................................47
Hình 3.8: Giao diện khởi động của phần mềm CCS .................................................48
Hình 3.9: Cửa sổ làm việc của phần mềm CCS ........................................................48
Hình 3.10 : Biên dịch chương trình điều khiển CCS ................................................49

Hình 3.11: Các file thu được sau khi biên dịch. .......................................................49
Hình 3.12: Giao diện khởi động của phần mềm Matlab ..........................................50
Hình 3.13: Viết chương trình trên matlab ................................................................51
Hình 3.14: Giao diện điều khiển đo quét laser .........................................................51
Hình 3.15: Giao diện modul đo bề mặt .....................................................................52
Hình 3.16: Giao diện modul đo tròn xoay ................................................................52
Hình 3.17: Xây dựng bề mặt Mesh............................................................................54
Hình 3.18: Xây dựng bề mặt Surface ........................................................................55
Hình 3.19: Lưu đồ điều khiển đo biên dạng chi tiết phẳng ......................................56
Hình 3.20: Lưu đồ điều khiển đo biên dạng chi tiết quay .........................................57
Hình 4.1: Cụm đầu đo ...............................................................................................59
Hình 4.2:Mạch điều khiển .........................................................................................59
Hình 4.3: Hệ truyền động..........................................................................................60
Hình 4.4: Máy đo ......................................................................................................60
Hình 4.5: Phần mềm đo quét.....................................................................................61
5

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hình 4.6: Chi tiết quét ...............................................................................................61
Hình 4.7: Mô hình quét .............................................................................................62
Hình 4.8: Kết quả quét thu được qua phần mềm ......................................................62
Hình 4.9: Biên dạng vật được mô phỏng lại .............................................................63
Hình 4.10: Một số kích thước của chi tiết thu được .................................................63
Hình 4.11: Xác định sai số bằng căn mẫu ................................................................64

6

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Quét 3D Laser là phƣơng pháp đo không tiếp xúc biên dạng bề mặt chi tiết
hiện đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống.
Phép đo theo phƣơng pháp này có thời gian đo nhanh, có thể đến hàng chục ngàn
phép đo trong một giây và rất hiệu quả trong đo quét biên dạng các chi tiết cơ khí.
Hiện nay, ở các nƣớc phát triển các máy quét laser 3D đƣợc sử dụng rất nhiều, tuy
nhiên giá thành của những máy đo quét này là rất đắt. Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo thiết bị quét biên dạng chi tiết 3D laser phù hợp với điều kiện kinh tế, xã
hội trong nƣớc là một yêu cầu đặt ra với các nhà khoa học Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Nghiên cứu một số vấn đề chính cần giải quyết khi thiết kế chế tạo lại thiết bị
đo này để đảm bảo đƣợc các yêu đã định ra về độ phân giải và độ chính xác, tìm ra
phƣơng pháp tối ƣu xây dựng một thiết bị quét biên dạng chi tiết 3D laser phù hợp
với điều kiện kinh tế nhƣng vẫn đảm vảo đƣợc độ ổn định và chính xác cao, đánh
giá kết quả nhanh chóng và thuận tiện theo tiêu chuẩn đã đặt ra và có thể áp dụng
rộng rãi trong sản xuất và kiểm tra.
3. Các nội dung chính của luận văn
Nội dung chính là trình bày những cơ sở lý thuyết, các nguyên lý đo, các
phƣơng pháp thiết kế đầu đo cũng nhƣ hệ dịch chuyển quang cơ. Khảo sát một số

yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác và xây dựng mô hình thực nghiệm.
Ngoài phần giới thiệu tổng quan và kết luận, luận văn bao gồm các chƣơng
sau:
Chương 1: Đo biên dạng bề mặt bằng phương pháp quét laser 3D: Trong
chƣơng này trình bày các phƣơng pháp đo laser 3D đang đƣợc sử dụng hiện nay và
cơ sở để thiết kế máy đo 3D laser.

7

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Chương 2: Cơ sở thiết kế đầu đo và hệ dịch chuyển quang cơ: Trong chƣơng
này trình bày các các cơ sở lý thuyết thiết kế đầu đo và các phƣơng pháp dịch
chuyển quang cơ.
Chương 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm: Nội dung chủ yếu trong chƣơng
này là trình bày các cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm nhƣ: hệ dịch chuyển
quang cơ, đầu đo, phần mềm thu thập và xử lý tín hiệu đo.
Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả: Nội dung chủ yếu của chƣơng
này là trình bày các kết quả thử nghiệm trên máy đo, đánh giá kết quả của máy đo.
4. Kết luận:
Sản phẩm của luận văn là một thiết bị quét biên dạng chi tiết 3D laser với các
linh kiện sẵn có trên thị trƣờng với một quy trình chế tạo khả thi phù hợp với điều
kiện kinh phí và công nghệ trong nƣớc, hệ thống đo biên dạng 3D hoạt động ổn
định, giá thành thấp hơn nhiều so với chí phí nhập khẩu từ nƣớc ngoài.
Một số kết quả thiết bị đo đã đạt đƣợc:

-

Phạm vi do: 600x400 mm.

-

Độ phân giải: 0.01 mm

-

Độ chính xác đo và chuyển động: 0.05mm.

Luận văn là sự tổng hợp sự tổng hợp kiến thức của nhiều lĩnh vực nhƣ Cơ khí,
laser, kỹ thuật điện – điên tử, công nghệ thông tin và đƣợc hoàn thành trong thời
gian tƣơng đối ngắn, do đó không thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận đƣợc
những ý kiến đóng góp quý báu của thày cô và các đồng nghiệp để đề tài đƣợc hoàn
thiện hơn.
Cuối cùng cho phép tôi đƣợc chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Vinh đã tận
tình hƣớng dẫn tôi trong quá trình làm luận văn. Cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ
môn Cơ khí chính xác & Quang học - Viện Cơ khí – Trƣờng đại học Bách Khoa Hà
Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành các nội dung của luận văn này.

8

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

CHƢƠNG I: ĐO LƢỜNG BIÊN DẠNG BỀ MẶT BẰNG PHƢƠNG
PHÁP QUÉT LASER 3D
1.1.

Giới thiệu về máy quét 3D

Kỹ thuật đồ họa cùng sự phát triển của khoa học máy tính đã trợ giúp đáng kể
cho con ngƣời trong việc thết kế và mô phỏng trong công nghiệp. Cho đến những
năm đầu thập kỷ 90 các máy đo tọa độ ba chiều đã đƣợc đƣa vào trong các dây
truyền sản xuất nhằm kiểu tra, đáng giá chất lƣợng sản phẩm. Tiếp đó, hàng loạt các
thế hệ máy đo quang học ra đời đã mở rộng rất nhiều khả năng ứng dụng các giải
pháp 3D không chỉ trong công nghiệp, với độ chính xác ngày càng cao của các thiết
bị đo quang học, những ứng dụng máy quét 3D đã đƣợc mở rộng ra rất nhiều các
lĩnh vực khác nữa nhƣ: y học, kiến trúc, khảo cổ học, điêu khắc, phim hoạt hình…
Ngày nay, máy đo ba toạ độ(CMM) đƣợc sử dụng rộng rãi trong nền công
nghiệp cơ khí để đo các kích thƣớc, vị trí và hình dạng của một bộ phận cơ khí.
Trong nền công nghiệp ô tô thì CMM đƣợc sử dụng để đo và kiểm tra các bộ phận
của ô tô. Chính vì vậy mà CMM đóng một vai trò rất quan trọng trong nền công
nghiệp ngày nay. Nhƣng máy CMM có độ chính xác khá cao nhƣng khi đo thì tốc
độ đo rất chậm nên rất khó đo các chi tiết có bề mặt phức tạp. Hiện nay, công nghệ
quét laser 3D có thể khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm trên vì máy quét laser 3D
thuộc dòng máy đo ba tọa độ không tiếp xúc, có khả năng ứng dụng rất rộng rãi
trong các lĩnh vực nhƣ cơ khí, ô tô, đo lƣờng … có thể đo với tốc độ nhanh và đạt
độ chính xác cao.
Phƣơng pháp đo không tiếp xúc có những ƣu điểm: đo đƣợc những chi tiết có
bề mặt mềm, dễ biến dạng, chiều dày mỏng, tốc độ đo cao do không tiếp xúc trực
tiếp với chi tiết. Đặc biệt có thể ứng dụng để đo đạc ở những môi trƣờng có nhiệt độ
cao, những chi tiết động đang gia công cắt gọt mà vẫn đảm bảo kết quả đo chính
xác. Một ƣu điểm vƣợt trội của máy quét 3D không tiếp xúc là nó có thể đo đạc ở

những nơi mà con ngƣời không thể chạm tới đƣợc nhƣ bên trong các đƣờng ống dẫn

9

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

dầu, mối hàn thân tàu thuỷ, trong công nghiệp luyện tôi thép … Có thể tự động hoá
quá trình đo.
Các máy quét 3D đều dựa vào nguyên tắc: Bề mặt chi tiết đƣợc chia thành một
lƣới điểm đo gồm các điểm có toạ độ (x, y, z), máy đo sẽ lấy các toạ độ các điểm
này để xử lý. Các điểm này đƣợc lấy toạ độ nhờ một đầu đo không tiếp xúc chuyển
động liên tục, ta gọi chuyển động này là chuyển động quét bề mặt.
Các phương pháp quét 3D được sử dụng:
 Dùng sóng siêu âm:
Nguyên lý đo 3D sử dụng sóng siêu âm đo khoảng cách bằng thời gian lan
truyền của sống siêu am trong không khí, ở phƣơng pháp này bộ phát sóng siêu am
sẽ phát các xung siêu âm, các xung siêu âm này sẽ đến tiếp xúc với bề mặt đo và
phản xạ lại, các xung siêu am phản xạ đƣợc thu lai bằng một bộ thu siêu âm, thời
gian phát và thu các xung siêu âm cho ta biết đƣợc khoảng cách giữa bề mặt vật đo
với đầu đo. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của phƣơng pháp dùng sóng siêu âm là khoảng
cách độ phân tán sóng đo càng xa khi lan truyền kích thƣớc chùm siêu âm càng lớn.


Dùng laser:

Nguyên tắc sử dụng đầu đo laser để đo khoảng cách có ƣu điểm hơn so với
phƣơng pháp dùng sóng siêu âm do tia laser có độ định hƣớng cao và kích thƣớc
nhỏ nên khoảng cách giữa các điểm đo nhỏ.
Trong thực tế, bề mặt chi tiết thƣờng nhấp nhô, do đó tính phản xạ của bề mặt
chi tiết bị giảm đi khi dùng ánh sáng thƣờng. Cƣờng độ phản xạ lúc này thay đổi
theo độ dốc của bề mặt chi tiết.
Đối với những bề mặt có độ nhấp nhô càng cao thì cƣờng độ tia phản xạ thu
đƣợc càng yếu.
Hiện nay, phƣơng pháp đo laser 3D đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng ngày
càng rộng rãi.

10

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

1.2.

Cấu tạo và nguyên lý của máy quét 3D laser.

1.2.1. Quét điểm và quét đƣờng.
Nguyên tắc hoạt động của các máy quét 3D laser trong tọa độ đề các hoặc
tọa độ trụ là chia bề mặt chi tiết thành một lƣới điểm đo gồm các điểm có tọa
độ(x,y,z). Các điểm này đƣợc đo tọa độ nhờ một đầu đo laser không tiếp xúc và hệ
dịch chuyển đo lƣờng quang cơ.
Để tạo ra lƣới tọa độ điểm 3D của chi tiết có nhiều phƣơng án, với mỗi dòng

máy quét 3D của các hãng khác nhau lại có kết cấu khác nhau. Ta có thể quét từng
điểm hoặc tạo và thu vệt laser trên bề mặt chi tiết để lấy tập hợp tọa độ cùng một
lúc.
Quét theo từng điểm: Phƣơng pháp này dựa vào nguyên tắc đo tọa độ của máy
đo ba tọa độ. Cụm đầu đo ( nguồn Laser và cảm biến CCD) di chuyển trên bề mặt
chi tiết nhờ cơ cấu tay máy 6 bậc tự do hoặc máy CMM thông thƣờng.
Ở phƣơng pháp quét điểm có thể quét bề mặt chi tiết theo hai phƣơng pháp là
đo theo nguyên lý phản xạ hoặc nguyên lý tán xạ.
Nguyên lý phản xạ: khi chiếu tia laser tới bề mặt chi tiết đo ở vị trớ Z0 với góc
tới i bị phản xạ lại tại điểm a (hình 1.1). Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển một
lƣợng ∆Z, thì tia phản xạ lại tại điểm b và vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến
quang điện cũng dịch chuyển một lƣợng tƣơng ứng [1]:
∆h = ∆Zsin(2i) / cos(i).
Trong đó: i : góc tia laser chiếu lên bề mặt chi tiết đo
∆h: khoảng dịch chuyển vị trí điểm ảnh phản xạ
∆Z: khoảng dịch chuyển bề mặt chi tiết đo
Tỷ số truyền của chuyển đổi :
K= ∆h/∆Z =sin(2i) / cos(i)

11

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Đo theo nguyên lý phản xạ đơn giản song chỉ thích hợp với các bề mặt nhẵn
và có góc nghiêng nhỏ. Nhƣợc điểm lớn nhất của phƣơng pháp phản xạ là góc tới i

không đƣợc quá nhỏ nên có nhiều sai số khi đo bề mặt không phẳng.

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý đo theo phản xạ
Với các bề mặt có độ nhẵn thấp và bề mặt gồ ghề phức tạp ngƣời ta đo theo
phƣơng pháp tạo ảnh (hình 1.2). Trong phƣơng pháp đo này, tia sáng laser chiếu lên
bề mặt vật đo bị tán xạ. Vệt sáng của tia laser trên bề mặt vật đo có vai trò nhƣ một
vật phát sáng dạng ánh sáng tán xạ.
dz
Laser

Cảm biến CCD
Đối tượng

Dz
Thấu kính

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp tạo ảnh
Quét thành vệt laser: phƣơng pháp này thu một tập hợp nhiều điểm trên mặt
phẳng cùng một lúc khi ta chiếu laser lên bề mặt chi tiết. Với phƣơng án này ta có
thể cho nguồn laser trực tiếp tạo thành một vệt sáng trên bề mặt chi tiết.

12

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Đối với các thiết bị quét kiểu này, các hãng sản xuất thƣờng sử dụng nguồn
laser gắn với hệ quang để tách chùm laser có đƣờng kính tƣơng đối bé thành một
dải sáng nhƣ mô tả dƣới:

Hình 1.3: Nguyên lý quét vệt trên bề mặt chi tiết đo sử dụng hệ quang
Phƣơng án đo này đo nhanh, kết cấu cụm đầu đo ổn định, tốc độ quét rất nhanh.
Với phƣơng án này, nguồn laser trực tiếp chiếu và tạo thành vệt sáng trên bề mặt chi
tiết, cho phép thu đƣợc tập hợp các tọa độ (x,y,z) cùng lúc. Tuy nhiên, phƣơng pháp
này đòi hỏi kết cấu máy phức tạp và phần mềm xử lý dữ liệu lớn hơn so với máy đo
quét theo điểm. Trong quá trình thực hiện phép quét này sẽ nảy sinh nhiều sai số.
Các máy quét 3Dlaser đều dựa trên nguyên tắc : Bề mặt chi tiết đo đƣợc chia
thành một lƣới điểm đo gồm các điểm có tọa độ (x,y,z).Máy đo sẽ thu thập các tọa
độ này để xử lí .Số tọa độ càng nhiều thì việc tính toán kết quả đo càng khó khăn.Vì
thế để nâng cao độ chính xác khi đo ,ngƣời ta cần đo nhiều điểm với sự giúp đỡ của
máy tính điện tử ,đồng thời sử dụng tốc độ chụp ảnh của camera giúp khả năng xử lí
nhanh hơn và đƣa ra đƣợc nhiều thông số hơn .Phần tính toán đƣợc tọa độ nhờ phần
mềm ,do đó độ chính xác phụ thuộc vào số điểm đo và phân bố điểm đo trên bề mặt
chi tiết .
1.2.2. Quét mặt phẳng và quét vật quay.
 Quét mặt phẳng: (Sơ đồ nhƣ hình 1.4)
Khi vật thể có bề mặt là mặt phẳng hệ dịch chuyển sẽ cho ta tọa độ của chi tiết
theo hai phƣơng X và Y thông qua cảm biến dịch chuyển (thƣớc dài). Khi đó, đầu
13

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

đo laser sẽ quét trên bề mặt vật và cho ta tọa độ của chi tiết theo phƣơng Z , từ đó
xây dựng lại tọa độ (X,Y,Z) của mặt phẳng. Với bộ tọa độ (X,Y,Z) của vật, ta mô
phỏng lại hình dạng bề mặt của vật bằng phần mềm.

Y

Z

X

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý quét mặt phẳng

 Quét vật quay: (Sơ đồ nhƣ hình 1.5)
Khi đo quét vật quay, chi tiết cần đo chuyển động quay nhờ động cơ IV, đầu
đo chuyển động tịnh tiến theo phƣơng trục Z của vật (động cơ trục Z). Với mỗi một
bƣớc tiến của đầu đo thì tia laser quét lên bề mặt vật thể một vết theo profin cắt
ngang vật. Tại mỗi lát cắt này đầu đo thu lại một ảnh gửi lên máy tính xử lý thu
đƣợc giá trị các tọa độ theo X, Y và với tọa độ Z là tọa độ điều khiển, từ đó ta thu
đƣợc tọa độ của bề mặt vật theo một profin cắt ngang vật. Với cách làm tƣơng tự
với nhiều lát cắt dọc theo chiều cao của vật thể. Từ đó ta có thể xây dựng đƣợc bề
mặt vật đã đƣợc số hóa.

14

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý quét vật quay
Trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu phƣơng pháp đo quét vật phẳng
trong hệ tọa độ đề các Oxyz, các tọa độ theo x, y thu đƣợc dựa vào kết quả đo dịch
chuyển của hệ chuyển động, tọa độ z thu đƣợc dựa vào kế quả đo trên đầu đo laser.
1.3.

Một số máy đo laser 3D

Cấu tạo của máy đo gồm những bộ phận chính :


Bộ phận đầu đo laser: Có vai trò thu thập dữ liệu đo.



Bộ phận mang chi tiết: Có nhiệm vụ tạo ra các dịch chuyển theo hệ tọa

độ (Oxyz) cho chi tết đo.


Bộ phận điều khiển và thu thập dữ liệu: Có vai trò điều khiển hệ dẫn

động cơ khí mang chi tiết đến vị trí cần đo, thực hiện phép đo và xử lý đƣa ra kết
quả đo.

15

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Một số loại máy đo Laser 3D của các hãng nổi tiếng trên thế giới:

Hình 1.6: Máy quét của hãng Faro
Hình 1.6 là máy quét laser 3D của hãng Faro. Nguyên lý hoạt động vủa máy
đo quét là tia laser đƣợc chiếu tới bề mặt chi tiết sau đó tín hiệu đƣợc thu lại và
xử lý hiển thị trên máy tinh. Máy quét này có dải đo đến 2.7m và độ chính xác
tới 0.035mm và có thể quét tới 45120 điểm/giây.

Hình1.7: Thiết bị quét 3D cầm tay của hãng Creaform.
16

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hãng Creaform đã chế tạo thành công một số máy quét laser 3D cầm tay
với các thông số:
REV scan

EXA scan

MAX scan

VIU scan

0.98

1.25

1.27

1.30

160x260x210

172x260x216

172x260x216

172x260x216

18000

25000

18000

18000

0.100

0.050

0.100

0.100

0.050

0.040

0.050

0.050

300

300

300

300

Trọng lƣợng
(kg)
Kích thƣớc
(mm)
Tỉ lệ đo
(điểm/giây)
Độ phân giải
(mm)

Độ chính xác
(mm)
Khoảng cách
đo (mm)

Hình 1.8: Máy quét Vituoso của Konica
17

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Máy quét laser 3D Vituoso của Konica là thiết bị

có kích thƣớc

248x108x145mm đã bao gồm bộ phận xử lý. Thiết bị này có khoảng cách đo
khoảng 760 mm và đo đƣợc tiết diện 225x300x200 mm, có thể quét 1.2 triệu
điểm trong 5 giây hoặc thực hiện đủ 3600 quét trong 5 phút. Độ chính xác của
thiết bị này là 0.15mm

Hình1.9: Máy quét laser 100HSX Surphaser
Đối với máy quét laser 3D 100HSX surphaser có các cấu hình với các thông
số làm việc nhƣ sau:
Cấu hình

IR_100HQ4

IR_100HS4

Phạm vi làm việc (m)

1 - 35

1 - 50

1.5 - 70

1.5 - 120

Phạm vi xa nhất (m)

180

180

180

180

Độ chính xác (mm)

0.35/5m

0.7/15m

0.7/15m

0.7/15m

1.4.

IR_100HQ5 IR_100HS5

Cơ sở thiết kế máy.

Qua khảo sát ở các mục trên ta thấy máy đo gồm những bộ phận chính sau:
-

Đầu quét laser 1D hoặc 2D: cần phải quét đƣợc biên dạng của các chi tiết
với độ ổn định và chính xác cao.

-

Hệ dịch chuyển: dịch chuyển hệ thống quang cơ theo các phƣơng X, Y, Z.
18

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

-

Phần điều khiển: điều khiển hệ dịch chuyển, thu thập và xử lý tín hiệu đo

để đƣa ra đƣợc biên dạng bề mặt chi tiết.

Dữ liệu đo thu đƣợc ở đây là dữ liệu điểm trong hệ tọa độ đề các XYZ nhƣng
ta có thể chuyển thành dạng STL mô tả đƣợc bề mặt chi tiết đo.
Nhƣ vậy, nội dung của luận văn bao gồm các vấn đề trong thiết kế chế tạo hệ
dịch chuyển đo quang cơ, bộ phần đầu đo và phần mềm thu thập và xử lý tín hiệu
đo. Các nội dung này sẽ đƣợc thể hiện ở các chƣơng tiếp theo.

19

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

CHƢƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ ĐẦU ĐO LASER VÀ HỆ DỊCH
CHUYỂN QUANG CƠ
2.1.

Nguyên lý phƣơng pháp đo dạng điểm và dạng đƣờng.

2.1.1. Nguyên lý đo dạng điểm.
Qua phân tích hai phƣơng pháp đo theo nguyên lý phản xạ và nguyên lý tán
xạ(tạo ảnh), ta thấy đo theo nguyên lý tán xạ có thể đo đƣợc những bề mặt phức tạp
hơn nên luận văn này đi nghiên cứu phƣơng pháp đo theo nguyên lý tán xạ. Nguyên
lý chung của các cảm biến đo bằng tia laser theo phƣơng pháp tam giác lƣợng: tia
sáng laser chiếu lên bề mặt vật đo bị tán xạ. Vệt sáng của tia laser trên bề mặt vật đo
có vai trò nhƣ một vật phát sáng dạng ánh sáng tán xạ. Sử dụng một hệ quang tạo

ảnh lên bề mặt của cảm biến quang điện CB. Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển
một lƣợng ∆Z, thì vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch
chuyển một lƣợng tƣơng ứng:
∆h = ∆Zsin(i+)/cos(i)
với:-  là hệ số khuếch đại của hệ quang.
-  là góc nghiêng của trục hệ quang với pháp tuyến của măt phẳng tới.

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp tán xạ(tạo ảnh)
Tỷ số truyền:
K = ∆Zsin(i+)/cos(i)
20

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Sự phân bố cƣờng độ sáng và hình dạng của ảnh phụ thuộc vào góc tới i, góc
nghiêng của trục quang , độ lớn của ∆Z và dạng phóng tán xạ tại điểm đo.
Cƣờng độ sáng của điểm ảnh tia laser phụ thuộc vào công suất của tia laser, độ
tán xạ và đƣờng kính vòng chắn sáng của hệ quang. Song việc tăng đƣờng kính
vòng chắn sỏng sẽ làm tăng độ không đều của phân bố cƣờng độ sáng của điểm ảnh.
Phƣơng pháp tán xạ chịu ảnh hƣởng ít của góc nghiêng bề mặt điểm đo song
lại phụ thuộc vào đặc điểm tán xạ của bề mặt chi tiết đo và quang sai của hệ quang.
Hiện nay hều hết các cảm biến đều dùng phƣơng pháp tạo ảnh.
2.1.2. Nguyên lý đầu đo laser dạng đƣờng.
Đầu đo chuyển động tịnh tiến dọc theo phƣơng trục Z của vật. Với mỗi một
bƣớc tiến của đầu đo thì tia Lazer quét trên bề mặt vật một vết theo profil cắt ngang

vật. Tại mỗi lát cắt này đầu đo thu lại một ảnh gửi lên máy tính xử lí thu đƣợc giá trị
các tọa độ theo X, Y và với tọa độ Z là tọa độ điều khiển từ đó ta thu đƣợc tọa độ
của bề mặt vật theo một Profil cắt ngang vật. Với cách làm tƣợng tự với nhiều lát
cắt dọc theo chiều cao của vật. Từ đó ta có thể xây dựng đƣợc bề mặt vật đã đƣợc số
hóa. Với bộ tọa độ (X,Y,Z) của vật ta mô phỏng lại hình dạng bề mặt của vật bằng
phần mềm

Hình 2.2: Nguyên lý quét 3D laser theo đường
21

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Nguyên lý chụp ảnh :
- Sử dụng nguồn laser mảnh, góc phát hẹp bề mặt cần scan, tại những vị trí
trên bề mặt đƣợc chiếu laser sẽ hiện đƣờng biên dạng với màu sắc của nguồn laser.
Sử dụng Camera để thu ảnh biên dạng trên.
- Phần mềm xử lý ảnh biên dạng thu đƣợc để tính toán các kích thƣớc, các sai
lệch hình học và mô phỏng biên dạng của chi tiết.
- Hiệu chuẩn bộ thu dựa vào biên dạng biết trƣớc đƣợc đặt tại một khoảng
cách xác định với bộ thu.
- Khi thu ảnh bằng camera có độ phóng đại ảnh cố định, cùng một vật nhƣ
nhau nhƣng ở khoảng cách khác nhau sẽ cho kích thƣớc vật trong khung hình khác
nhau. Khoảng cách càng lớn thì ảnh profile trong khung hình càng nhỏ và ngƣợc lại.
- Các ứng dụng scan profile hoặc scan 3D cần biết kích thƣớc của vật thể cần
quét thì phải thực hiện hiệu chuẩn cho bộ thu.

- Độ mảnh của chùm laser và tính chất tán xạ ánh sáng của bề mặt chi tiết có
ảnh hƣởng đến hình ảnh biên dạng đƣợc tạo trên bề mặt.
Qua phân tích, so sánh hai phƣơng pháp là quét điểm và quét đƣờng ta thấy
phƣơng pháp quét laser theo điểm cho độ chính xác cao hơn và có thể quét đƣợc ở
những bề mặt phức tạp hơn so với phƣơng pháp quét laser theo đƣờng. Vì vậy,
trong luận văn này nghiên cứu phƣơng pháp quét laser theo điểm.
2.1.3. Xây dựng hàm truyền đạt.
Trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu phƣơng pháp quét laser 3D theo
điểm, nên ở đây ta cũng chỉ đi xây dựng hàm truyền đạt với phƣơng pháp này.
Sơ đồ đo của đầu đo laser theo điểm nhƣ hình 2.3.
Ta sẽ có hàm truyền của ảnh khi đo với các số liệu biết trƣớc là:
Điểm M‟(0,0) là điểm gốc ban đầu do ảnh của vết ảnh là điểm M, tâm ảnh
OMi của vết ảnh Mi‟ có tọa độ là (0, y ) ứng với dịch chuyển điểm đo so với góc
chiếu đo Mo là X.

22

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hình 2.3: Sơ đồ tạo ảnh
Từ sơ đồ trên bằng phƣơng pháp toán học ta tìm mối quan hệ giữa y và X :
tg0 

L0
H

0 arctg(
tg( 0 )

L0
)
H

L0  X
H

(0   )  arctg (

  arctg (

L0  X
)
H

L0  X
L
)  arctg  0 
H
H

yOM i' .tgOM i' .tg(arctg (

L0  X
L
)arctg ( ))

H
H

Đây chính là phƣơng trình hàm truyền đạt của phƣơng pháp đo. Từ phƣơng
trình hàm truyền ta cũng đƣa ra đƣợc hàm xác định giá trị thực từ các giá trị đo.

23

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

 X  tg (arctg (

L0
y
)  arctg (
)) H  L0
H
OM i'

Độ cao của điểm Mi‟ so với điểm M đƣợc xác định theo:
h = X.sinα
Nhƣ vậy, từ hàm truyền và hàm xác định giá trị thực từ các giá trị đo ta tính
đƣợc tọa độ tâm ảnh của vết ảnh ứng với mỗi vị trí của vết lazer khi màn chắn dịch
chuyển 1 khoảng X. Và ngƣợc lại khi biết tọa độ tâm ảnh ta sẽ tính đƣợc khoảng
dịch chuyển của màn chắn.

2.1.4. Khảo sát các thông số ảnh hƣởng đến hàm truyền đạt.
Từ phƣơng trình hàm truyền ta thấy kết quả đo sẽ phụ thuộc vào các thông số
nhƣ L, H, f. Khảo sát L, H, f để đạt đƣợc thiết kế hợp lý. Để khảo sát các đƣờng đặc
tuyến biểu thị mối quan hệ của L, H, f với ΔZ ta sẽ thay đổi các giá trị của L, H, f
và cho giá trị Z biến đổi rồi tính ra sự biến đổi của Y.
- Với L: cho L thay đổi từ 40 mm đến 50 mm với giá trị 1 lần thay đổi là 0.5
mm. Sau khi khảo sát thu đƣợc đồ thì đƣờng đặc tuyến biểu thị mối quan hệ giữa L
và ΔZ(Hình 2.4).

24

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hình 2.4: Biểu đồ quan hệ giữa L và ΔZ
Qua đồ thị ta thấy đƣợc: Với L càng lớn thì độ nhạy của đầu đo càng lớn thì
độ nhạy của đầu đo càng cao, kết quả đo càng chính xác. Tuy nhiên khi L càng lớn
thì kết cấu của đầu đo càng cồng kềnh, phức tạp.

25

PHẠM NGỌC LINH

11BCTM.KH