Nghiên cứu độ chính xác khi đo profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét laser

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

LÊ THANH

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐỘ CHÍNH XÁC KHI ĐO PROFIL BỀ
MẶT CHI TIẾT MÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LASER

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH:CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄNVĂN VINH

HÀ NỘI - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

MỤC LỤC
Mục lục………………………………………………………………………..1
Danh mục các hình vẽ………………………………………………...............4
Lời mở đầu……………………………………………………………............6
CHƯƠNG 1. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ QUÉT LASER 3D……...…..8
1.1. Giới thiệu về máy quét 3D.........................................................................8
1.2. Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D ……………….................................10
1.3. Nguyên lý làm việc của máy quét laser 3D ………………..…………...11
1.4. Ưu, nhược điểm của công nghệ Scan laser 3D…………….……..……..13
1.5. Ứng dụng công nghệ Scan Laser 3D………………………..…….…….15
Kết luận……………………………………………………………..……….18

CHƯƠNG 2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA
PHÉP ĐO……………………………………………………………………19
2.1. Kích thước của chùm laser……………………………………………...20
2.2. Hệ quang hội tụ……………....................................................................21
2.2.1. Quang sai cầu sai.........................................................................22
2.2.2. Quang sai coma………………….……………………………..23
2.2.3. Quang sai loạn thị……………………………………………....24
2.2.4. Quang sai méo ảnh……………………………………………..25
2.2.5. Quang sai sai sắc……………………………………………….26
2.2.6. Quang sai của thấu kính trụ………………………………….…26
2.3. Sai số do độ phân giải của CCD………………………………………...27
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐẦU ĐO VÀ
CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO………………………………….29
3.1. Xây dựng hàm truyền.........................................................…………….29
3.1.1. Sơ đồ tạo ảnh của thấu kính hội tụ…………………………….29

Học viên: LÊ THANH

1

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

3.1.2. Lựa chọn hệ tọa độ của hệ thống đo…………………………...30
3.1.3. Hàm truyền…………………………………………………….30
3.2. Thiết kế và xây dựng cụm cơ khí của đầu đo………………..................35
3.2.1. Bộ phận thay đổi khoảng cách Z0...............................................36
3.2.2. Bộ phận thay đổi góc ω..............................................................38

3.3. Lựa chọn nguồn laser…………………………………………………. 39
3.4. Lựa chọn camera (webcam)……………...……………………………. 42
3.5. Xây dựng chương trình xử lý số liệu đo………………………………. 43
3.5.1. Thu hình từ Camera (webcam)………………………………..44
3.5.2. Xử lý ảnh số………………………………………………….. 45
3.5.3. Xử lý số liệu đo………………………………………………. 52
3.5.4. Mô phỏng bề mặt vật đo………………………………………55
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO……...................57
4.1. Mô hình thực nghiệm..............................................................................57
4.2. Tạo chùm sáng dạng đường……………………………………………59
4.3. Đánh giá sai lệch kích thước của khối hộp.............................................60
4.3.1. Đánh giá sai lệch khi thay đổi Z0...............................................60
1. Đánh giá sai lệch theo trục X.......................................................63
2. Đánh giá sai lệch theo trục Y.......................................................65
4.3.2. Đánh giá sai lệch khi thay đổi ω................................................66
1. Đánh giá sai lệch theo trục X ........................................................ 67
2. Đánh giá sai lệch theo trục Y…………………………………....67
4.4. Đánh giá sai lệch kích thước của khối trụ Φ20(mm)...............................67
4.4.1. Đánh giá sai lệch khi thay đổi Z0................................................67
1. Đánh giá sai lệch theo trục X........................................................67

Học viên: LÊ THANH

2

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

2. Đánh giá sai lệch theo trục Y........................................................68
4.4.2. Đánh giá sai lệch khi thay đổi ω.................................................69
1. Đánh giá sai lệch theo trục X........................................................69
2. Đánh giá sai lệch theo trục Y……………………………………69
4.5. Đánh giá sai lệch kích thước của khối trụ Φ15(mm)...............................70
4.5.1. Đánh giá sai lệch khi thay đổi Z0................................................70
1. Đánh giá sai lệch theo trục X........................................................70
2. Đánh giá sai lệch theo trục Y........................................................70
4.5.2. Đánh giá sai lệch khi thay đổi ω.................................................71
1. Đánh giá sai lệch theo trục X........................................................71
2. Đánh giá sai lệch theo trục Y……………………………………71
KẾT LUẬN
1. Kết quả đạt được. ....................................................................................... 72
2. Hướng phát triển và ứng dụng. .................................................................. 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 74
TÓM TẮT ....................................................................................................... 75
PHỤ LỤC........................................................................................................ 77
Phụ lục A: Một số hình ảnh mô hình……………………………..………….77
Phụ lục B: Mã nguồn chương trình dò tìm vết sáng. ...................................... 79
Phụ lục C: Mã nguồn chương trình xử lý kết quả đo...................................... 84

Học viên: LÊ THANH

3

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Phương pháp quét laser 3D……………………………………………….9
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D…………………………………..…10
Hình 1.3: Quan hệ dịch chuyển vật và dịch chuyển ảnh…………………………...11
Hình 1.4: Hình ảnh một số máy quét Laser………………………………………..13
Hình 1.5: Ứng dụng trong thiết kế ngược và kiểm tra sản phẩm…………………..15
Hình 1.6: Ứng dụng trong khảo cổ và y học……………………………………….17
Hình 1.7: Ứng dụng trong việc cải tiến kiểu dáng………………………………....17
Hình 2.1: Cấu trúc của đầu đo Laser………………………………………………19
Hình 2.2. Mặt phẳng laser…………………………………………………………20
Hình 2.3: Quang sai cầu sai…………………………………………………….…22
Hình 2.4: Ảnh hưởng của cầu sai tới vị trí tiều điểm…………………………..…22
Hình 2.5: Đo quang sai cầu sai……………………………………………………23
Hình 2.6: Quang sai coma…………………………………………………………23
Hình 2.7: Quang sai loạn thị……………………………………………………....24
Hình 2.8: Quang sai méo mặt ảnh………………………………………………....25
Hình 2.9: Quang sai méo ảnh……………………………………………………...25
Hình 2.10: Quang sai sai sắc……………………………………………………....26
Hình 2.11: Chùm tía Laser sau khi đi qua thấu kính trụ……………………...…...26
Hình 2.12: Quan hệ giữa khoảng cách và quang sai của thấu kính trụ………....…27
Hình 2.13: Sai số do độ phân giải của CCD……………………………………...28
Hình 3.1: Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính hội tụ……………………………………...29
Hình 3.2: Mô hình tạo ảnh lên CCD của vết sang………………………………...31
Hình 3.3: Tọa độ điểm P1 của CCD……………………………………………...35
Hình 3.4: Các chi tiết trong bộ phận thay đổi khoảng cách Z0……………….…...37
Hình 3.5: Hệ thống thay đổi khoảng cách Z0……………………………………...38
Hình 3.6: Chi tiết gá camera (webcam)……………………………………………38
Hình 3.7: Bộ phận thay đổi góc ω…………………………………………………39
Hình 3.8: Chùm tia tới hội của thấu kính trụ………………………………………40
Hình 3.9: Form chính của chương trình……………………………………………43

Hình 3.10: Thuật toán thu hình từ camera (webcam)……………………………...44
Hình 3.11: Thu ảnh từ camera (webcam)………………………………………….45
Hình 3.12. Ảnh vết sáng...........................................................................................47

Học viên: LÊ THANH

4

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

Hình 3.13: Ảnh vệt sáng sau khi đã tìm đường cong đặc trưng...............................48
Hình 3.14: Sơ đồ thuật toán xác định đường đặc trưng……………………………50
Hình 3.15: Sơ đồ thuật toán so sánh sai lệch theo phương X……………………...54
Hình 3.16: Bề mặt cầu……………………………………………………………..56
Hình 4.1: Mô hình thực nghiệm…………………………………………………...57
Hình 4.2: Chi tiết đo.................................................................................................57
Hình 4.3: Mô hình kiểm tra độ vuông góc của chùm laser với bề mặt chi tiết đo....62
Hình 4.4: Mô hình kiểm tra độ vuông góc của mặt phẳng tạo bởi quang trục của
Webcam và chùm tia laser với mặt trước của vật đo................................................62
Hình 4.5 Form chính của chương trình.....................................................................63
Hình 4.6: Kết quả đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi Z0.................................64
Hình 4.7: Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa ∆X và Z0..............................................65
Hình 4.8: Kết quả đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi Z0.................................65
Hình 4.9: Kết quả đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi ω..................................66
Hình 4.10: Kết quải đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi ω...............................67
Hình 4.11: Kết quải đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi Z0 của khối trụ
Φ20(mm)...................................................................................................................68

Hình 4.12: Kết quải đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi Z0 của khối trụ
Φ20(mm)...................................................................................................................68
Hình 4.13: Kết quải đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi ω của khối trụ
Φ20(mm)...................................................................................................................69
Hình 4.14: Kết quải đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi ω của khối trụ
Φ20(mm)...................................................................................................................69
Hình 4.15: Kết quải đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi Z0 của khối trụ
Φ15(mm)...................................................................................................................70
Hình 4.16: Kết quải đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi Z0 của khối trụ
Φ15(mm)...................................................................................................................70
Hình 4.17: Kết quải đánh giá sai số theo trục X khi thay đổi ω của khối trụ
Φ15(mm)...................................................................................................................71
Hình 4.18: Kết quải đánh giá sai số theo trục Y khi thay đổi ω của khối trụ
Φ15(mm)...................................................................................................................71
Hình A.1: Góc Phải của mô hình…………………………………………………..77
Hình A.2: Góc trái của mô hình…………………………………………………....78

Học viên: LÊ THANH

5

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

LỜI NÓI ĐẦU
Sự ra đời của Laser vào những năm 60 của thế kỉ XX cùng với sự phát
triển của khoa học kĩ thuật thì những tính năng của nó đã mở ra nhiều ứng
dụng lớn trong các lĩnh vực khác nhau: đo lường, y tế, in ấn, truyền thông.

Trong đo lường điều khiển hiện đại, việc thu thập và xử lý thông tin qua ảnh
để nhận biết đối tượng và điều khiển đối tượng đang được quan tâm và ứng
dụng rộng rãi, bởi phương pháp này giúp ta có thể thu nhận được nhiều thông
tin từ đối tượng mà không cần tác động trực tiếp đến đối tượng...Việc kết hợp
Laser trong các thiết bị kiểm tra đo đạc cho phép đạt độ chính xác cao, thời
gian lấy mẫu nhanh có thể đạt hàng ngàn lần trên giây...
Ngoài ra, sự phát triển của khoa học máy tính đã trợ giúp đáng kể cho
con người trong việc thết kế và mô phỏng trong công nghiệp từ các kích
thước đo trên sản phẩm. Thị giác máy tính phần nào thay thế nhãn quan con
người trong việc nhận dạng ảnh và tự động xử lý dữ liệu. Cho đến những năm
đầu thập kỷ 90, 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 được mở rộng ra rất nhiều các lĩnh vực khác nữa như: y học,
kiến trúc, khảo cổ học, điêu khắc, phim hoạt hình… Trong công nghiệp, máy
quét 3D laser có thể số hoá tức thời các hình dáng của các chi tiết công nghiệp
khác nhau…. Các dữ liệu số hoá có thể mô phỏng một cách chính xác thể
hiện trên màn hình máy tính. Bằng cách so sánh dữ liệu quét sử dụng phần
mềm ứng dụng, chúng ta có thể đưa ra các báo cáo đo kiểm một cách nhanh
chóng dựa trên phân tích sai số tổng thể, độ dày các cạnh và đường kính hình
học. Việc này cho phép cải tiến tốc độ và chất lượng trong quá trình sản xuất
một cách rõ rệt. Điều này đặc biệt hiệu quả cho việc đo kiểm, lấy dữ liệu của
các vật có chiều sâu.

Học viên: LÊ THANH

6

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010

Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

Với các ứng dụng thiết thực và hiệu quả đó, đề tài đưa ra ý tưởng
nghiên cứu chế tạo thiết bị đo dựa trên công nghệ đo không tiếp xúc ứng dụng
cảm biến Laser tại Việt nam.
Nhiệm vụ của luận văn là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ
chính xác khi đo Profin bề mặt chi tiết bằng phương pháp quét 3D laser.
Hướng đi mới của thiết bị đo là ứng dụng xử lí ảnh để đưa ra kết quả đo.
Phương pháp xử lí tuy có phức tạp nhưng có thể giải quyết được việc đo đồng
thời nhiều thông số và mô phỏng hình học bề mặt chi tiết.
Tuy nhiên những vấn đề trình bày trong bản luận văn này còn có thể có
nhiều hạn chế và sai sót. Tôi mong rằng sẽ nhận được sự góp ý chân thành
của các thầy cô và các bạn để giúp Tôi hoàn thiện hơn nữa về mặt thiết kế cho
thiết bị cũng như cơ sở lý thuyết tính toán của phương pháp phục vụ cho công
việc chế tạo thiết bị đo hoàn chỉnh sau này.
Một lần nữa, Tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn
Ts. Nguyễn Văn Vinh và các thầy giáo, cô giáo Bộ môn Cơ khí chính xác và
Quang học – trường ĐHBK Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ Tôi trong quá trình
học tập và hoàn thành luận văn này.
Hà nội, tháng 10 năm 2010
Học viên

Lê Thanh

Học viên: LÊ THANH

7

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010

Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ 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 người 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 được đưa
vào trong các dây truyền sản xuất nhằm kiểm tra, đánh giá chất lượng 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 được mở rộng ra rất nhiều các lĩnh vực khác nữa như: y học,
kiến trúc, khảo cổ học, điêu khắc, phim hoạt hình…
Ngày nay, máy đo ba toạ độ (CMM) được sử dụng rộng rãi trong nền
công nghiệp cơ khí để đo các kích thước, vị trí và hình dạng của một bộ phận
cơ khí. Chính vì vậy mà CMM đóng một vai trò rất quan trọng trong nền công
nghiệp ngày nay. Nhưng máy CMM có độ chính xác khá cao nhưng khi đo thì
tốc độ đo rất chậm nên rất khó đo các chi tiết có bề mặt phức tạp và khả năng
tự động hóa trong quá trình đo rất khó khăn. Đó cũng là nhược điểm lớn của
máy đo 3 tọa độ.
Sự ra đời của máy quét 3D thuộc dòng máy đo ba toạ độ không tiếp xúc
đã giải quyết được vấn đề khó khăn của máy đo ba tọa độ (CMM).Máy quét
3D có khả năng ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ôtô, thiết kế
khuôn, đo lường... Phương pháp này có tất cả những ưu điểm của phương
pháp đo không tiếp xúc: đo được 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

Học viên: LÊ THANH

8

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

biệt có thể ứng dụng để đo đạc ở những môi trường có nhiệt độ cao, những
chi tiết động đang gia công cắt gọt mà vẫn đảm bảo kết quả đo chính xác. Một
ưu điểm vượt trội của máy quét 3D dùng cảm biến CCD nữa là nó có thể đo
đạc ở những nơi mà con người không thể chạm tới được như bên trong các
đường ống dẫn dầu, mối hàn thân tàu thuỷ… Có thể tự động hoá quá trình đo.
Các máy quét 3D phổ biến ngày nay gồm: máy quét 3D sử dụng sóng siêu
âm, máy quét 3D laser.
Các máy quét 3D đều dựa theo nguyên tắc: Bề mặt chi tiết được chia
thành một lưới 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 được 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.

CCD
Thấu kính

Chi tiết

Nguồn laser

Hình 1.1: Phương pháp quét laser 3D
Hình 1.1 cho ta thấy phương pháp quét laser 3D sử dụng tia Laser có

một bộ phận phát và một bộ phận thu.

Học viên: LÊ THANH

9

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

+ Bộ phận phát: Phương pháp quét laser 3D dùng nguồn phát là nguồn
sáng Laser.
+ Bộ phận thu: Phương pháp quét laser 3D dùng cảm biến quang
(CCD).
1.2. Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D
Công nghệ Scan laser là một trong ứng dụng của công nghệ đo không
tiếp xúc. Trong quá trình đo máy sử dụng chùm ánh sáng Laser chiếu vào bề
mặt của chi tiết cần đo, chùm tia sáng được phản xạ lại từ bề mặt chi tiết được
cảm ứng đo thu lại đưa vào bộ phận biến đổi của máy đo và với sự hỗ trợ của
máy tính và phần mềm điều khiển đo cho ra kết quả của chi tiết đo dưới dạng
đám mây điểm.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất máy Scan Laser như:
Faro Arm, Metris, Konika… Mỗi hãng có phần mềm Scan khác nhau, đưa ra
độ chính xác khác nhau và sử dụng tia sáng Laser có bước sóng khác nhau
như Konika sử dụng ánh sáng Laser cấp I còn Faro Arm lại sử dụng ánh sáng
Laser cấp II … Nhưng về nguyên lí cơ bản đều giống nhau gồm các khối chức
năng như (hình 1.2) .

Đèn phát

laser

Đám mây
điểm

Tia laser

Chỉ thị

Bề mặt
cần scan

Hệ quang

Xử lý của
phần mềm

Cảm biến
CCD

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý máy quét laser 3D

Học viên: LÊ THANH

10

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

1.3. Nguyên lý làm việc của máy scan laser 3D

Z
Ảnh trên CCD

CCD

Thấu kính
Chi tiết

Mặt phẳng laser
Nguồn laser

Y

Vệt sáng
trên vật

X

Hình 1.3: Quan hệ dịch chuyển vật và dịch chuyển ảnh
Hình 1.3 thể hiện quan hệ dịch chuyển giữa vệt sáng trên vật và ảnh của
nó trên CCD. Trong đó:
1. Đèn phát Laser: có nhiệm vụ phát ra ánh sáng Laser có bước sóng thích
hợp.
2. Thấu kính: có nhiệm vụ lọc và hội tụ tia Laser được phản xạ lại từ bề
mặt của chi tiết lên bề mặt của cảm biến CCD.
3. Cảm biến CCD: Có nhiệm vụ thu nhận tia Laser được phản xạ từ bề
mặt chi tiết trên cơ sở so sánh các góc lệch giữa chúng và đưa ra tín hiệu điện

khác nhau.
4. Xử lí của phần mềm máy tính: Máy tính với sự hỗ trợ của phần mềm
máy tính có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điện từ CCD gửi tới và xử lí tín hiệu
đó để đưa ra kết quả là đám mây điểm.

Học viên: LÊ THANH

11

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

5. Chỉ thị: Đưa ra kết quả đo chi tiết được xử lí từ máy tính là đám mây
điểm.
Thực chất về nguyên lý của scan Laser giống như quá trình chụp ảnh
thông thường, nhưng chụp ảnh của Scan Laser là quá trình chụp ảnh các vật
thể ở dạng ảnh 3 chiều trong khi đó nếu là chụp ảnh thông thường thì chỉ là
ảnh 2 chiều. Scan Laser sử dụng cảm biến Laser và gán vào một hệ thống
máy đo hệ thống này được định vị và được kiểm soát bằng máy tính, các máy
đo dùng trong Scan laser là các máy đo có thể được gán với máy CNC từ 3
đến 5 trục có kích thước tương đối lớn kết cấu khá vững chắc hoặc có thể là
mô hình máy xách tay rất nhỏ gọn. Vật cần đo được đặt trực tiếp trên bàn
hoặc được treo cố định hoặc cũng có thể có vị trí bất kỳ trong không gian như
các tượng đài, nhà cửa… mà không phải gá đặt phức tạp như các loại máy đo
CMM thông thường, đây là một lợi thế nổi trội của Scan laser. Với sự hỗ trợ
của phần mềm kiểm soát quét sẽ lái cảm biến Laser lướt trên bề mặt của vật
cần quét bộ phận định vị 3D nằm trên bề mặt của bộ cảm biến sẽ ghi lại các
tín hiệu phản hồi được đưa ra bởi hệ thống quét theo góc phản xạ của chùm

ánh sáng được bề mặt của chi tiết phản xạ lại và tín hiệu này được so sánh với
tham số mẫu từ đó đưa ra cho ta kết quả đo là đám mây điểm.
Tất cả các hệ thống quét trong công nghệ Scan Laser đều sử dụng công
nghệ dựa trên phép đạc tam giác Laser. Bản chất của công nghệ này là máy
ảnh hai chiều chụp ảnh dựa vào dải sáng Laser như trong hình vẽ. Dải sáng
được phát ra từ một đi ốt quang thông qua các bộ phân biến đổi quang học sau
đó được chiếu vào bề mặt của vật được quét tạo nên một mặt cắt trên phần bề
mặt được chiếu sáng, ánh sáng phản chiếu tạo ra các ảnh điểm trên đường

Học viên: LÊ THANH

12

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

chiếu được 1 trong hai bộ cảm ứng thu lại. Lý do có hai bộ phận cảm ứng
thay vì một là: có thể vì một lý do nào đó hình ảnh nghiêng trên bề mặt của
vật thật không được một bộ phận cảm ứng nhận biết và luôn cần có một bộ
phận cảm ứng thứ hai có thể bắt được hình ảnh đó. Người sử dụng có thể bật
hai bộ phận cảm ứng nhưng chỉ một bộ phận cảm ứng hoạt động trong một
thời điểm.
Tại mỗi mặt cắt tạo ra một ảnh 2 chiều hình dạng của hình ảnh 2 chiều
này được ghi lại bằng CCD kỹ thuật số và sau đó dựa vào kích cỡ và bảng
Laser, vị trí Z được xác định và được phần mềm lưu giữ lại vào trong một cơ
sở dữ liệu và cuối cùng sẽ được tổng hợp lại thành bề mặt của vật đựơc đo
dưới dạng đám mây điểm.

Scan 3D lắp trên máy đo

Scan 3D lắp trên cánh

CMM

tay robot

Scan 3D tự do

Hình 1.4: Hình ảnh một số máy quét Laser

Học viên: LÊ THANH

13

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

1.4. Ưu, nhược điểm của công nghệ quét laser 3D
Ưu điểm
Kết cấu nhỏ gọn: Máy Scan laser kết cấu nhỏ gọn hơn nhiều so với máy
đo CMM có thể có mô hình xách tay như hình trên.
Gá đặt đơn giản: Khi Scan laser thì chi tiết cần Scan không cần phải gá
đặt cầu kì mà có thể được đặt trên bàn hoặc có một vị trí bất kì trong không
gian vì khi đo dụng cụ đo không tiếp xúc vào vật đo hơn nữa máy đo tự điều
chỉnh tiêu cự của thấu kính cho phù hợp với khoảng cách thay đổi tương đối
giữa máy đo và vật được đo.

Cho ra kết quả nhanh: Máy Scan Laser cho ra kết quả nhanh hơn rất
nhiều so với Máy CMM.
Rễ ràng xử lí kết quả: Cho ra kết quả là đám mây điểm rất rễ dàng xử lí
trên các phần mềm xử lý điểm chuyên dụng như: Geomegic, Catia…
Đo được nhiều những vật có độ phức tạp mà máy đo thông thường
không thể đo được.
Độ phân giải cao: Độ phân giải của Scan laser cao hơn rất nhiều máy
đo CMM. CMM chỉ chính xác được một số giới hạn các vị trí có được gần
đầu đo nhưng không thể chính xác và đầy đủ toàn bộ sản phẩm. Vì vậy Scan
Laser cho ra được số liệu bề mặt đầy đủ hơn số liệu mặt cắt của CMM.
Quét được nhiều kích thước sản phẩm khác nhau như toà nhà, tượng
đài…
Quét được các mẫu dạng mềm như xà phòng, đất nặn…
Kiểm tra các bề mặt và so sánh với các điểm.

Học viên: LÊ THANH

14

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

Nhược điểm
Trước khi đo những bề mặt có mầu không phản quang phải sơn lại màu
cho chi tiết đo nên có thể làm ảnh hưởng đến những chi tiết mẫu có yêu cầu
cao thẩm mĩ về mầu sắc.
1.5. Ứng dụng công nghệ quét Laser 3D
Ứng dụng trong thiết kế ngược: Trong ngành cơ khí có một bộ phận thiết

kế luôn phải dựng lại những chi tiết đã có sẵn gọi là bộ phận thiết kế ngược để
phục vụ vào các việc sau:
+ Thiết kế lại khuôn cho chi tiết.
+ Dựng lại mô hình 3D để đưa vào gia công lại chi tiết.
+ Cải tiến một số bộ phận nào đó trên chi tiết cho phù hợp yêu cầu làm
việc của chi tiết.

a) Thiết kế ngược

b) Đo kiểm tra sản phẩm

Hình 1.5: Ứng dụng trong thiết kế ngược và kiểm tra sản phẩm
Ứng dụng trong đo kiểm tra sản phẩm: Bất kì một sản phẩm nào sau khi
sản xuất xong để được đưa ra thị trường đều phải được kiểm tra xem có đảm

Học viên: LÊ THANH

15

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

bảo điều kiện làm việc của nó không vì vậy trong các ngành sản xuất đặc biệt
là sản xuất cơ khí chính xác luôn có một bộ phận gọi là bộ phận kiểm tra chất
lượng sản phẩm. Để kiểm tra chính xác được các kích thước hoặc các bề mặt
đặc biệt là các bề mặt phức tạp và có kích thước lớn người ta thường sử dụng
công nghệ Scan laser.
Ứng dụng trong ngành khuôn mẫu: Ngoài việc dựng lại chi tiết để để làm

khuôn như đã nói ở trên thì việc kiểm tra lại các kích thước của lòng lõi
khuôn trước khi đưa vào sản xuất có ý nghĩa quyết định trong ngành khuôn
mẫu. Khi đó người ta đo các kích thước trong lòng lõi khuôn và so sánh với
các kích thước mẫu ban đầu từ đó tìm ra các sai lệch giữa chúng để có
phương án sửa chữa cho phù hợp.
Ứng dụng trong cải tiến kiểu dáng: Với nhu cầu của thị trường hiện nay
ngoài việc các sản phẩm sản xuất ra nâng cao được tính năng thì yêu cầu về
thẩm mĩ cũng đóng vai trò cực kì quan trọng trong việc tiêu thụ sản phẩm của
các ngành sản xuất như ngành sản xuất xe máy, sản xuất ôtô, điện thoại di
động… đó là những lĩnh vực phát triển rất mạnh hiện nay và có yêu cầu về
tính thẩm mĩ cao vì vậy người ta luôn luôn cần cải tiến kiểu dáng cho sản
phẩm. Với các chi tiết cần cải tiến người ta chỉ cần cải tiến một phần nào đó
trên đó của sản phẩm khi ấy người ta sử dụng công nghệ Scan laser để lấy
mẫu chi tiết cần cải tiến. Sau đó dùng phần mềm thiết kế dựng lại chi tiết đó
và vẽ thêm vào hình dáng các bề mặt cần cải tiến vì vậy chi tiết thiết kế ra vẫn
đảm bảo tính lắp ghép với các chi tiết khác mà làm cho sản phẩm có kiểu
dáng mới.

Học viên: LÊ THANH

16

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

Ứng dụng trong ngành khảo cổ học: Bên cạnh đó scan laser 3D còn ứng
dụng trong lĩnh vực khảo cổ. Với mục đích khôi phục lại các sản phẩm của
các thới kỳ cổ đại trước đó.

Y học, phẫu thuật và và tái tạo: Trong y học thì có ứng dụng khá nhiều
công nghệ Scan laser nhưng ở đây chỉ xin nêu ra những ứng dụng điển hình
nhất của công nghệ này đó là ngành tái tạo giải phẫu.

a) Ứng dụng trong khảo cổ

b) Ứng dụng trong y học

Hình 1.6: Ứng dụng trong khảo cổ và y học

Hình 1.7: Ứng dụng trong việc cải tiến kiểu dáng

Học viên: LÊ THANH

17

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

Kết luận
Qua nghiên cứu, tìm hiểu về cấu tạo, ưu – nhược điểm của máy quét
laser 3D ta thấy việc nghiên cứu độ chính xác và các thông số ảnh hưởng đến
độ chính xác của loại máy này là rất cấn thiết, đặc biệt là trong lĩnh vực đo
lường. Ở Việt Nam, lĩnh vực này còn rất mới, cho đến nay chúng ta chỉ đang
ở giai đoạn tìm hiểu ban đầu. Trong khi đó, trên thế giới, phương pháp quét
3D đã được ứng dụng để sản xuất những thiết bị quét ưu việt, phục vụ đa
dạng trong nhiều lĩnh vực. Một số công ty, trung tâm gia công… cũng đã
nhập các thiết bị này về Việt Nam.

Luận văn tập trung vào nghiên cứu, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến
độ chính xác của máy quét Laser 3D ứng dụng xử lý ảnh.
Nội dung luận văn tập trung vào những phần chính sau:
• Máy quét 3D laser.
• Phận tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
Phần này nêu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Bao
gồm các yếu tố cơ khí; các yếu tố quang;
• Tính toán, thiết kế hệ thống đầu đo, chương trình xử lý ảnh và
chương trình xử lý tín hiệu đo:. Phần này tập trung đưa ra các vấn đề
thiết kế hệ cơ cho đầu đo, và chương trình xử lý tín hiệu đo.
• Thực nghiệm về độ chính xác của phép đo. Thực nghiệm xác
định sai số của phép đo và ảnh hưởng bởi thông số hình học của đầu đo
đến độ chính xác;
• Kết luận và hướng phát triển.

Học viên: LÊ THANH

18

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA
PHÉP ĐO
Trong máy quét laser 3D có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính
xác của phép đo như: các yếu tố cơ khí và các yếu tố quang. Chương này sẽ đi
phân tích và tìm hiểu về mức độ ảnh hưởng đến độ chính xác bởi các yếu tố
quang.

Yếu tố quang xét đến trong chương này là các yếu tố quang trong bộ
phận đầu đo (hình 2.1). Bao gồm một nguồn phát laser, một thấu kính trụ
(Transmitter lens), một hệ quang hội tụ (Receiver lens) và một bản CCD.
Trong đó:
+ Nguồn phát Laser cho ra một tia laser.
+ Thấu kính trụ có tác dụng chuyển đổi một tia laser thành một
dải laser.
+ Hệ quang hội tụ có tác dụng hội tụ ảnh của vệt laser lên trên
CCD.
+ CCD có tác dụng thu ảnh của vết sáng.

Hình 2.1: Cấu trúc của đầu đo Laser

Học viên: LÊ THANH

19

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

Vậy các yếu tố quang gây ra sai số gồm:
2.1. Kích thước của chùm Laser
Trên thực tế, chùm laser đi ra khỏi nguồn phát laser không phải là một
đường thẳng không có chiều dày, bản thân nó cũng có một kích thước nhất
định, sau khi đi qua thấu kính trụ tạo thành “mặt phẳng laser”, mặt phẳng này
không phải là mặt phẳng lý tưởng mà nó cũng có một chiều dày nhất định, vì
thế, “vết sáng” trên vật thực chất không phải là một đường mà là một “dải
sáng”, việc lấy đường đặc trương trong vùng sáng này để xác định tọa độ các

điểm không tránh khỏi sai số. Ở đây, chúng ta có 2 bài toán điển hình đặt ra:
+ Lựa chọn “điểm sáng” nào trong “vùng sáng” để sai số gây ra là nhỏ
nhất.
+ Biện pháp kỹ thuật nào để làm mảnh chùm sáng nhất có thể nhằm giảm
thiểu sai số.
Thông thường, ở đây người ta cần giải quyết cùng lúc cả hai bài toán
trên nhằm đạt được độ chính xác cao nhất có thể (hình 2.2) .

a) mặt phẳng laser lý tưởng
b) mặt phẳng laser thực
Hình 2.2. Mặt phẳng laser
Mặt phẳng laser không phải là mặt phẳng lý tưởng (hình 2.2.a) mà nó
cũng có một chiều dày nhất định (hình 2.2.b), vì thế, “vệt sáng” trên vật
không phải là một đường mà là một “dải sáng”.

Học viên: LÊ THANH

20

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

Kích thước của “dải sáng” phụ thuộc vào khoảng cách giữa nguồn laser
đến bề mặt vật đo và góc mở của nguồn laser.
2.2. Hệ quang hội tụ
Các sai số này gây ra sai số tạo ảnh lên CCD của thấu kính hội tụ. Gồm
nhiều loại sai số khác nhau gây ra các sai số về ảnh khi tạo ảnh của vật lên
mặt phẳng ảnh.

Ảnh trên bề mặt ảnh Q’ được gọi là ảnh đồng dạng tuyệt đối so với vật
trên mặt chứa vật Q khi có đủ ba điều kiện:
+ Một vật điểm chỉ có một điểm ảnh và ngược lại;
+ Một đoạn thẳng vật thì chỉ có một đoạn thẳng ảnh tương ứng và ngược
lại;
+ Một phần tử vật cũng chỉ một phần tử ảnh tương ứng và ngược lại.
Khi hệ tạo ảnh đồng dạng tuyệt đối thì vật điểm B có độ lớn so với trục
quang là l thì ảnh điểm B’0 cách trục quang là l’0 . Tỉ lệ tạo ảnh cho mặt ảnh
Q0’ so với mặt chứa vật Q là β’0 = l’0/ l . Tỷ lệ tạo ảnh này không đổi với mọi
điểm ảnh của các điểm vật tương ứng.
Do hệ quang tạo ảnh có quang sai nên ảnh có quang sai B’ dịch khỏi ảnh
lí tưởng B’0. Giá trị sai lệch giữa B’ so với B’0 chính là quang sai do hệ quang
tạo nên. Chúng được hình thành bởi các thông số cấu tạo của các chi tiết
quang và bản chất chùm sánh nhiều bước sóng truyền qua hệ.
Hệ quang thông thường gồm một trong các quang sai sau:
Quang sai cầu sai
Quang sai coma
Quang sai loạn thị

Học viên: LÊ THANH

21

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

Quang sai cong mặt ảnh
Quang sai méo ảnh

Quang sai sai sắc
2.2.1. Quang sai cầu sai

Hình 2.3: Quang sai cầu sai
Với quang sai cầu sai, các tia ở xa trục bị khúc xạ nhiều hơn so với các
tia ở gần quang trục, vì vậy tiêu điểm của các tia không trùng nhau: Các tia ở
rìa thấu kính hội tụ gần thấu kính hơn so với các tia ở gần tâm (quang sai cầu
sai dọc trục - TLA). Như vậy, nếu các thấu kính có đường kính lớn khi tạo
ảnh thì ảnh sẽ có một phần ở giữa rõ nét, xung quanh bị mờ dần.
Chiều cao h

Tiêu cự

Hình 2.4: Ảnh hưởng của cầu sai tới vị trí tiều điểm

Học viên: LÊ THANH

22

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

Bên cạnh quang sai cầu sai dọc trục còn có quang sai cầu sai ngang trục
(TSA), nó xác định khoảng cách từ trục quang tới các tia biên cắt mặt phẳng
ảnh. Như vậy, quang sai cầu sai ngang trục có ý nghĩa trong việc tính toán
đường kính ảnh mờ. Gọi u’ là góc nghiêng của tia biên đối với quang trục thì
quang sai dọc trục và quang sai ngang trục có mối quan hệ:

TSA

TSA=LSA.tgu’

2u'

TLA

Hình 2.5: Đo quang sai cầu sai
2.2.2. Quang sai coma
Cũng giống như quang sai cầu sai, quang sai coma xảy ra đối với các
tia đi từ các điểm ngoài trục:

Hình 2.6: Quang sai coma

Học viên: LÊ THANH

23

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010


Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profil bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét Laser

Để sửa quang sai cầu sai và quang sai coma bằng cách dùng hai thấu
kính ghép sát: Một thấu kính hội tụ và một thấu kính phân kỳ có bề dầy khác
nhau. Hệ thấu kính này gọi là hệ aplanatic.
2.2.3. Quang sai loạn thị

Hình 2.7: Quang sai loạn thị

Quang sai loạn thị tương tự như quang sai coma; tuy nhiên, quang sai
này không bị ảnh hưởng nhiều bởi kích thước của vòng chắn sáng mà bị ảnh
hưởng nhiều do góc nghiêng của tia sáng với quang trục. Như vậy, quang sai
này xảy ra đối với vật ở ngoài quang trục, ảnh của một điểm không phải là
một điểm mà có hình dạng ellipse hoặc một đường thẳng. Phụ thuộc vào góc
nghiêng của tia sáng tới thấu kính mà hướng của ảnh (bị biến dạng thành
đường thẳng) quay theo hai hướng là theo mặt meridion hay sagital
Ở những hệ quang có chất lượng thấp thì quang sai loạn thị do bề mặt
thấy kính không đối xứng hoặc vị trí đặt thấu kính không đúng, bị nghiêng đi
so với quang trục của hệ.

Học viên: LÊ THANH

24

Cao học CNCK khóa 2008 - 2010