Đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết gia công bằng công nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc

..

..

..

.

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

Phan Thị Bích Liên

Phan Thị Bích Liên

Kỹ thuật cơ khí

ĐO LƢỜNG KIỂM TRA BIÊN DẠNG
CHI TIẾT GIA CƠNG BẰNG CÔNG NGHỆ CNC
SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Khố: 2016B
HÀ NỘI – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Phan Thị Bích Liên

ĐO LƢỜNG KIỂM TRA BIÊN DẠNG
CHI TIẾT GIA CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ CNC
SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Nguyễn Văn Vinh
2. TS. Ngô Anh Vũ

Hà Nội - 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả những nội trong luận văn “Đo lường kiểm tra biên
dạng chi tiết gia công bằng công nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu
trúc” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập
thể cán bộ hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Văn Vinh và TS. Ngô Anh Vũ. Các số liệu
và tài lệu trong luận văn là trung thực được ghi rõ nguồn trích dẫn. Kết quả nghiên
cứu này chưa được công bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác cho tới thời
điểm này.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Tác giả luận văn

Phan Thị Bích Liên

1


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận văn, tơi đã nhận được
rất nhiều sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi người.
Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Vinh, T.S Ngô Anh Vũ, Th.S
Nguyễn Thị Kim Cúc đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những ý kiến vô cùng quý báu
và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chun mơn trong suốt q trình học tập
và thực hiện luận văn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, các thầy cơ trong Khoa cơ khí động lực Trường CĐ Cơ điện và CNTP Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi về thời
gian cho tôi trong suốt q trình làm luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng thí nghiệm Quang - Cơ Điện Tử 307 C4-5
Bộ mơn Cơ Khí Chính Xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã
tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tơi trong
q trình làm luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, bạn bè đã động
viên, giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn trong suốt q trình hồn thành luận văn này.

Tác giả luận văn

Phan Thị Bích Liên

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................1
MỤC LỤC .................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU...................................................................................5
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................8
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 11
Lý do chọn đề tài ..................................................................................... 11
Lịch sử nghiên cứu ..................................................................................12
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.......13
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................15
ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC .................15
1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc và đặc điểm ánh sáng cấu trúc ............15
1.1.1. Khái niệm ánh sáng cấu trúc .................................................... 15
1.1.2. Đặc điểm ánh sáng cấu trúc ...................................................... 21
1.2. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc .........22
1.3. Ứng dụng phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu
trúc ......................................................................................................................25
1.4. Kết luận chương 1.............................................................................26
CHƯƠNG 2 ............................................................................................................27
PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC MÃ
DỊCH PHA KẾT HỢP GRAY .................................................................................27
2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha ..............................27
2.1.1. Nguyên lý đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha ........ 27
2.1.2. Các thuật toán dịch pha. ........................................................... 30

3


2.1.3. Các phương pháp gỡ pha .......................................................... 35
2.2. Phương pháp mã hóa Gray ...............................................................38
2.3. Phương pháp dịch pha kết hợp Gray ................................................40
2.4. Đặc điểm chi tiết phay CNC .............................................................42
2.5. Ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiết phay
CNC ....................................................................................................................43
2.6. Kết luận chương 2.............................................................................46
CHƯƠNG 3. ĐO LƯỜNG CHI TIẾT PHAY CNC ...............................................48
3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm .......................................................48
3.2. Chương trình đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc ...................49
3.3. Đo lường một số chi tiết phay mẫu bằng phương pháp ánh sáng cấu
trúc ......................................................................................................................52
3.4. Kết luận chương 3.............................................................................70
KẾT LUẬN .............................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................73
PHỤ LỤC ................................................................................................................75

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu Đơn vị
STD

dt

di

mm

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

Standard Deviation

Độ lệch chuẩn
Kích thước thực đo bằng máy

mm

CMM
Kích thước thực đo bằng ánh

mm

sáng cấu trúc

d

mm

Sai lệch trung bình

%

%

Sai số tương đối



rad

Pha tương đối

Ф

rad

Pha tuyệt đối
Cường độ sáng tại điểm (x,y)

I(x, y)

5


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

2D

2 Dimension

Không gian 2 chiều

3D

3 Dimension

Không gian 3 chiều

CNC

Computer numerical control

CMM

Coordinate measuring machine

CAD

Computer Aided Design

DLP

Digital light processing

PSGC

Điều khiển bằng máy tính

Máy đo tọa độ
Thiết kế có sự trợ giúp của máy
tính
Xử lí ánh sáng kỹ thuật số

Phase shift combined Gray code Phương pháp đo sử dụng ánh
sáng mã dịch pha kết hợp Gray

method

Ф

Pha tuyệt đối
Cường độ sáng tại điểm (x,y)

I(x, y)

6


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Ảnh vân mẫu ánh sáng cấu trúc được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu .15

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống chiếu bằng lưới khe hẹp ..................................................17
Hình 1.3 Phân tích pha chiếu cách tử sử dụng ảnh dịch pha .................................17
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý của bảng hiệu chuẩn để xác định tọa độ x, y, z từ phương
pháp dựng bảng toàn khơng gian............................................................................19
Hình 1.5 Bóng của lưới được di chuyển khi mỗi dòng LED được bật và tắt một cách
tuần tự. ....................................................................................................................19
Hình 1.6 Mối quan hệ hình học giữa các nguồn ánh sáng, cách tử và đối tượng đo
được trích xuất ........................................................................................................20
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc [8] ...23
Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha ...............................28
Hình 2.2 Mẫu chiếu dạng mã Gray [7] ..................................................................39
Hình 2.3 Hình ảnh chi tiết phay CNC ....................................................................42
Hình 2.4 Chi tiết phay mẫu bậc ..............................................................................43
Hình 2.5 Chi tiết phay CNC sau khi đo bằng ánh sáng cấu trúc ............................44
Hình 2.6 Chi tiết phay CNC ....................................................................................45
Hình 2.7 Chi tiết đang gia cơng trên máy CNC ......................................................45
Hình 2.8 Sản phẩm phay CNC ................................................................................46
Hình 3.1 Mơ hình thiết bị thực nghiệm ...................................................................48
Hình 3.2 Giao diện ơ vng bàn cờ ........................................................................50
Hình 3.3 Giao diện chương trình đo bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc ..........51
Hình 3.4 Đám mây điểm chi tiết bậc .......................................................................51
Hình 3.5 Chi tiết phay số 1......................................................................................53
8


Hình 3.6 Giao diện chương trình đo chi tiết phay số 1...........................................53
Hình 3.7 Đám mây điểm của chi tiết phay số 1 ......................................................54
Hình 3.8 Đồ thị kết quả đo kích thước a của chi tiết phay số 1 ..............................54
Hình 3.9 Đồ thị kết quả đo kích thước b của chi tiết phay số 1 ..............................55
Hình 3.10 Đồ thị kết quả đo kích thước c của chi tiết phay số 1 ............................55

Hình 3.11 Chi tiết phay số 2 ....................................................................................56
Hình 3.12 Phần mềm xử lý phần chi tiết phay số 2 ...............................................57
Hình 3.13 Đám mây điểm của chi tiết phay số 2 ....................................................57
Hình 3.14 Đồ thị kết quả đo kích thước a của chi tiết phay số 2 ............................58
Hình 3.15 Đồ thị kết quả đo kích thước b của chi tiết phay số 2 ............................58
Hình 3.16 Đồ thị kết quả đo kích thước c của chi tiết phay số 2 ...........................59
Hình 3.17 Chi tiết phay số 3....................................................................................59
Hình 3.18 Phần mềm xử lý phần chi tiết phay số 3 ...............................................60
Hình 3.19 Đám mây điểm của chi tiết phay số 3 ....................................................60
Hình 3.20 Đồ thị kết quả đo kích thước a của chi tiết phay số 3 ...........................61
Hình 3.21 Đồ thị kết quả đo kích thước b của chi tiết phay số 3 ...........................61
Hình 3.22 Đồ thị kết quả đo kích thước c của chi tiết phay số 3 ...........................62
Hình 3.23 Chi tiết phay số 4....................................................................................63
Hình 3.24 Phần mềm xử lý phần chi tiết phay số 4 ................................................63
Hình 3.25 Đám mây điểm của chi tiết phay số 4 ....................................................64
Hình 3.27 Đồ thị kết quả đo kích thước a của chi tiết phay số 4 ...........................65
Hình 3.28 Đồ thị kết quả đo kích thước b của chi tiết phay số 4 ...........................65
Hình 3.29 Đồ thị kết quả đo kích thước c của chi tiết phay số 4 ...........................66
Hình 3.30 Chi tiết phay số 5....................................................................................66
Hình 3.31 Phần mềm xử lý phần chi tiết phay số 5 ...............................................67
Hình 3.32 Đám mây điểm của chi tiết phay số 5 ....................................................67
9


Hình 3.33 Đồ thị kết quả đo kích thước a của chi tiết phay số 5 ...........................68
Hình 3.34 Đồ thị kết quả đo kích thước b của chi tiết phay số 5 ...........................68
Hình 3.35 Đồ thị kết quả đo kích thước c của chi tiết phay số 5 ...........................69

10

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Để chế tạo ra các chi tiết cơ khí địi hỏi u cầu cao hơn về chất lượng sản
phẩm, mức độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng hình học
của sản phẩm bằng các phương pháp gia cơng truyền thống khó đáp ứng tốt được
yêu cầu ngày càng cao và do đó sự cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường bị hạn
chế. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật các công nghệ gia công
mới cũng phát triển rất mạnh mẽ kéo theo các ứng dụng phần mềm vào trong tự
động hóa sản xuất và tự động hóa lắp ráp. Việc ứng dụng các máy điều khiển số
CNC (Computer Numerical Control) và các phần mềm này vào quá trình sản xuất
cho phép nâng cao độ chính xác gia cơng, hiệu quả kinh tế, tăng năng suất, đồng
thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Chính vì vậy, hiện nay ở nước ta và các nước
trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi các máy công cụ CNC.
Trước kia để đo biên dạng và kiểm tra hình dáng hình học của các chi tiết
phay có hình dạng đơn giản, năng suất và hiệu quả công việc thấp người ta thường
dùng các dụng cụ đo đơn giản: thước cặp, panme, dưỡng... Khi cần đo những chi
tiết địi hỏi độ chính xác cao, hình dạng phức tạp. Nếu dùng dưỡng để kiểm tra thì
khơng hợp lý, vì tương ứng với mỗi bề mặt của sản phẩm thì người ta phải chế tạo
các loại dưỡng khác nhau lúc này chi phí lớn sẽ khơng đạt hiệu quả về năng suất và
giá thành, không đáp ứng được với tốc độ sản xuất của các loại máy hiện đại điều
khiển theo chương trình số. Chính vì vậy, cần phải nghiên cứu và ứng dụng các
phương pháp kiểm tra mà tốc độ đo nhanh hơn và khi đo có thể thực hiện ngay trên
máy gia cơng mà khơng cần phải tháo chi tiết ra khỏi máy, khi đo như vậy sẽ kiểm
tra được kích thước và biên dạng từ đó có thể hiệu chỉnh lại chương trình gia công
của máy hạn chế được sai số và phế phẩm trong q trình gia cơng và đây cũng là
xu hướng phát triển của đo lường hiện đại trên thế giới.

11

Lịch sử nghiên cứu
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, việc ghép nối với máy tính
để qua đó xử lí các số liệu đo sẽ trở nên đơn giản và hiệu qủa hơn rất nhiều. Chính
từ những khả năng ưu việt như vậy đã cho ra đời một thiết bị đo tự động có tốc độ
đo nhanh mà với những phép đo thơng thường khó có thể đáp ứng được, đó là đo
biên dạng chi tiết bằng ánh sáng cấu trúc. Biên dạng của chi tiết đo có thể xác định
được với độ chính xác cao thơng qua bộ xử lí số liệu đo đã được lập trình và cài đặt
sẵn trong máy tính. Hiện nay, việc ứng dụng phương pháp đo bằng ánh sáng cấu
trúc để đo các chi tiết cơ khí trong ngành cơng nghiệp gia công CNC trên thế giới
chưa được phổ biến. Tuy nhiên, đang có nhiều triển vọng và tận dụng được nhiều
ưu điểm.
Từ những ưu điểm về tốc độ đo nhanh và khả năng đo trong q trình gia cơng,
xuất phát từ ý tưởng muốn ứng dụng phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc để
nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng của các hệ thống thiết bị kỹ thuật này vào việc
nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ và khai thác ứng dụng vào quá trình
sản xuất, kiểm tra các sản phẩm có độ phức tạp và độ chính xác gia cơng cao thì
việc thực hiện đề tài: “ Đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết gia công bằng công
nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc” là cần thiết và có ý nghĩa thực
tiễn cao.
Trong các loại máy công cụ CNC, máy phay CNC được sử dụng khá phổ biến.
Các sản phẩm của máy phay CNC có rất nhiều kiểu biên dạng và hình dáng
hình học khác nhau như: mặt phẳng, mặt bậc, mặt nghiêng, mặt cầu…, khi kết hợp
máy tiện với máy phay CNC hình thành các trung tâm gia cơng CNC có thể gia cơng
được các loại bề mặt có hình dáng 3D phức tạp.
Do đó đề tài này chủ yếu nghiên cứu đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết bằng
công nghệ phay CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc

12

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu
Nội dung trong đề tài: ‘‘Đo lường kiểm tra biên dạng chi tiết gia công bằng
công nghệ CNC sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc’” được nghiên cứu với
mục đích sau:
Làm tài liệu phục vụ cho đào tạo.
Làm tư liệu tham khảo cho các ngành nghề liên quan.
Thông qua luận văn mở ra hướng phát triển để làm các đề tài khác.
Hiểu rõ được nguyên lý hoạt động và phương pháp đo của thiết bị đo theo
phương pháp ánh sáng cấu trúc. Ứng dụng để kiểm tra độ chính xác gia cơng của
chi tiết phay CNC.
Ứng dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp hiện nay.
Đối tượng nghiên cứu: Khả năng đo lường của phương pháp đo sử dụng ánh sáng
cấu trúc.
Phạm vi nghiên cứu:
Tham khảo các tài liệu để hiểu rõ nguyên lý phương pháp đo biên dạng chi
tiết phay CNC bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc. Hiểu được nguyên lý và các
yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng, độ chính xác của thiết bị chế tạo. Từ đó rút ra
được phương pháp làm luận văn, bố cục, nội dung, văn phong, cách trình bày….
Nghiên cứu kỹ lưỡng nội dung bố cục luận văn, xem xét các điều kiện trang
thiết bị hiện có tại trường để từ đó viết luận văn bám sát điều kiện thực tế và đảm
bảo các tiêu chí luận văn đề ra
Thu nhận và xử lý các tín hiệu đo thu được để mơ hình hóa lại biên dạng vật
thể và xác định được các thơng số hình dạng hình học của chi tiết.
Xây dựng mơ hình thực nghiệm và nghiên cứu thử nghiệm khả năng đo của
thiết bị để đánh giá khả năng và triển vọng của thiết bị.
13

Tham khảo ý kiến từ giáo viên hướng dẫn, bạn bè, chỉnh sửa và in ấn.
Các luận điểm cơ bản của tác giả
Nghiên cứu tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng
cấu trúc, các thiết bị đo 3D.
Nghiên cứu tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng
cấu trúc mã dịch pha kết hợp gray, đặc điểm của chi tiết phay CNC và ứng dụng
phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo chi tiết phay CNC.
Thiết kế một số chi tiết phay CNC mẫu đo thử nghiệm, tiến hành đo và đánh
giá độ chính xác khi đo bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc.
Phương pháp nghiên cứu
Chọn lọc phân tích, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có để tìm hiểu nắm
được nguyên lý làm việc của thiết bị đo bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc, sử
dụng được các thiết bị thực nghiệm.
Để đạt được mục tiêu và thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề ra, luận
văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm đưa ra những
đánh giá về các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị.
Sử dụng các phần mềm bổ trợ cho việc tính tốn thiết kế: CAD, MS - Office,
phân tích dữ liệu ảnh: Image J, mô phỏng dữ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm
Matlab.... để thực hiện các nội dung nghiên cứu đề ra.

14


CHƯƠNG 1
ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC
Trong chương này trình bày những nghiên cứu tổng quan về phương pháp đo
biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc từ đó xác định các nội dung nghiên cứu chủ
yếu của luận văn. Mục 1.1 trình bày tổng quan về khái niệm và đặc điểm của ánh
sáng cấu trúc. Mục 1.2 trình bày phương pháp đo lường chi tiết 3D bằng ánh sáng
cấu trúc. Mục 1.3 trình bày ứng dụng phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh

sáng cấu trúc. Mục 1.4 Kết luận chương 1.
1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc và đặc điểm ánh sáng cấu trúc
1.1.1. Khái niệm ánh sáng cấu trúc
Ánh sáng cấu trúc là ánh sáng mẫu được mã hóa theo hàm cường độ hoặc
màu sắc, theo không gian hoặc thời gian, được chiếu vào vùng khơng gian đo.

Hình 1.1 Ảnh vân mẫu ánh sáng cấu trúc được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu
a. Vân mẫu được mã hóa dạng sin theo mặt cắt ngang
b. Vân mẫu được mã hóa theo các chu kỳ sin khác nhau theo mặt cắt ngang
c. Vân mẫu dạng hình thang theo mặt cắt ngang
Theo kỹ thuật mã hóa ánh sáng cấu trúc đáp ứng việc mã hóa các mơ hình mẫu
chiếu theo mặt có hai phương pháp cơ bản thường được sử dụng là: dùng giao thoa
ánh sáng và dùng phương pháp chiếu.
Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp giao thoa.
15


Phương pháp dùng giao thoa ánh sáng với hai chùm tia laser phẳng rộng hay
bước sóng dải rộng (ánh sáng trắng). Tạo ra các mơ hình giao thoa với các mẫu
chiếu là các vân cách đều nhau. Kích thước mơ hình vân khác nhau có thể thu được
bằng cách thay đổi góc giữa các chùm tia. Phương pháp này cho phép thu được
chính xác các mơ hình mẫu với vùng có độ sâu khơng hạn chế. Tuy nhiên, để xây
dựng hệ thống này yêu cầu phải thiết kế hệ thống với độ chính xác cao và chi phí
lớn.
Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu
+ Tạo ánh sáng cấu trúc bằng cách tử.
Có nhiều dạng mẫu ánh sáng cấu trúc được tạo ra bằng cách chiếu các nguồn
sáng qua cách tử nhiễu xạ. Tùy theo mục đích mã hóa có thể thiết kế hệ quang chiếu
khác nhau từ đó có thể tạo ra nhiều dạng vân sáng cấu trúc.
Trong một nghiên cứu mới một máy chiếu cách tử với chín dịng nguồn ánh sáng

LED mới được phát triển. Phương pháp dịch Pha thường sử dụng một máy chiếu
cách tử với một độ phân giải cao hoặc một máy chiếu màn hình tinh thể lỏng (LCD),
chi phí cao và hạn chế tốc độ dịch pha. Hiệu xuất năng lượng ánh sáng của một đèn
LED là rất cao. Kích thước của nguồn sáng là rất nhỏ. Việc kiểm soát năng lượng là
dễ dàng và rất nhanh chóng nhờ việc chuyển mạch tắt /bật các LED theo thời gian.
Chín dịng nguồn ánh sáng LED được đặt ở phía trước của một cách tử. Việc chuyển
mạch cho mỗi dòng LED của nguồn ánh sáng là 'bật'. Các pha của bóng cách tử
được chuyển bằng cách thay đổi các chuyển mạch cho đèn LED là bật/ tắt đồng bộ
với các pha dịch chuyển và thu bằng camera theo tuần tự. Sử dụng nguồn ánh sáng
LED cho một máy chiếu lưới khe hẹp, nó có thể làm cho pha dịch chuyển mà khơng
cần bất kỳ thiết bị di chuyển.
Sử dụng phương pháp chiếu này có chi phí thấp và tốc độ cao. Các tác giả gọi là
"phương pháp bước nhảy pha sử dụng đèn LED nhiều đường. 'Ngay cả khi vị trí của
các nguồn ánh sáng LED khơng phải là q chính xác, sai số là gần như bị hủy bỏ
bằng cách sử dụng các bảng hiệu chuẩn thu được bằng các bảng toàn không gian
16


với các thiết lập thực nghiệm như nhau. Phương pháp này sẽ đáp ứng cho hệ thống
đo lường hình dạng tốc độ cao, độ chính xác cao, nhỏ gọn và chi phí thấp.
Phương pháp dịch pha sử dụng phương pháp chiếu cách tử: Hình 1.2 cho thấy
một sơ đồ hệ thống cho phương pháp chiếu cách tử. Một lưới khe hẹp với phân bố
độ sáng cosin như một máy chiếu. Bóng của các lưới khe hẹp được chiếu lên bề mặt
đối tượng, bị biến dạng theo hình dạng của đối tượng.

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống chiếu bằng lưới khe hẹp
Hình 1.3 (a) cho thấy mơ hình dịch chuyển pha lưới khe hẹp chiếu lên một
đối tượng. Hình 1.3 (b) cho thấy độ sáng (cường độ) phân bố dọc theo đường trung
tâm ngang của hình.

a

b
Hình 1.3 Phân tích pha chiếu cách tử sử dụng ảnh dịch pha

a. Sự phân bố cường độ gần như là dạng cosin
b. Cho thấy độ sáng phân bố dọc theo đường trung tâm ngang của hình.
17


Khi một cách tử với một phân bố độ sáng dạng cosin được chiếu hoặc hiển
thị trên một mặt phẳng tham chiếu hoặc một đối tượng, và các pha của cách tử được
dịch chuyển N lần cho một chu kỳ.
Các tác giả trước đó đề xuất các phương pháp hiệu chuẩn mà sử dụng hai
hoặc nhiều mặt phẳng chuẩn. Các phương pháp điều chỉnh đã được mở rộng đến
một số lượng rất lớn các mặt phẳng. Tất cả các mối quan hệ giữa các pha của lưới
chiếu và tọa độ khơng gian có thể thu được như bảng hiệu chuẩn cho mỗi điểm ảnh
của máy ảnh. Phương pháp này được gọi là " phương pháp lập bảng tồn khơng gian
'(WSTM).
Hình 1.2 cũng cho thấy một sơ đồ của hệ thống đo lường hình bằng phương
pháp chiếu lưới và giải thích về các nguyên tắc của phương pháp hiệu chuẩn bằng
cách sử dụng nhiều mặt phẳng chuẩn. Một màn hình LCD như một mặt phẳng tham
chiếu được đặt trên một mặt tuyến tính. Màn hình LCD được bao phủ với một phim
tán xạ. Các chức năng của phim tán xạ như một màn hình khi một mơ hình lưới
được chiếu từ máy chiếu lên mặt phẳng tham chiếu. Nó được sử dụng để làm bảng
hiệu chuẩn của mối quan hệ giữa các pha  và tọa độ z. phim tán xạ cũng có chức
năng như một màn hình ngược khi một mơ hình lưới được hiển thị trên màn hình
LCD để xác định tọa độ x và y. ảnh lưới được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu đầu
tiên, và sau đó nó cũng được chiếu lên đối tượng được đo. Bằng cách dịch các mặt
phẳng tham chiếu dọc theo trục z, một điểm ảnh của máy ảnh ghi lại cường độ như

hình ảnh tại các điểm P0, P1, P2 .... và PN, trên những mặt phẳng tham chiếu R0,
R1, R2 .... và RN, tương ứng. Cũng như vậy, bằng cách thu các ảnh dịch pha của
lưới mà sự phân phối dọc theo đường thẳng L của một pixel camera được thu.
Để thu được các tọa độ x và y trên mặt phẳng tham chiếu, các lưới dịch pha
hiển thị trên màn hình LCD được chụp bởi máy ảnh. Từ những hình ảnh dịch chuyển
pha, các bảng hiệu chuẩn được hình thành để thu được tọa độ x, y, z từ pha  ở mỗi
điểm ảnh như thể hiện trong hình. 1.4 và 1.5

18


Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý của bảng hiệu chuẩn để xác định tọa độ x, y, z từ
phương pháp dựng bảng tồn khơng gian
a. Bảng của pha  và x, b. Bảng của pha  và y, c. Bảng của pha  và z
Trong các quá trình đo, đối tượng đo được đặt giữa các mặt phẳng tham chiếu
R0 và RN. Lưới dịch pha được chiếu lên bề mặt đối tượng đo. Phân bố pha của lưới
được phân tích từ những ảnh chuyển pha. Phương pháp này được gọi là lập bảng
tồn khơng gian. Nó khơng bao gồm các ảnh hưởng của sự biến dạng ống kính và
sai lệch cường độ của lưới chiếu trong các kết quả đo lường về mặt lý thuyết. Lập
bảng làm cho quá trình đo trong thời gian ngắn các tọa độ 3D thu được bằng cách
nhìn vào bảng hiệu chuẩn từ pha tại mỗi điểm pixel của máy ảnh và nó khơng u
cầu bất cứ tính tốn phức tạp tốn nhiều thời gian.
Phương pháp dịch pha bằng cách thay đổi nguồn sáng: Nguyên tắc của
phương pháp dịch pha sử dụng nguồn sáng là các dịng LED. Hình 1.5 cho thấy một
cách tử được phát ra từ nguồn sáng, trong trường hợp bốn dòng LED. Nếu mỗi dòng
LED được bật và tắt một cách tuần tự, bóng của cách tử sẽ được di chuyển.

Hình 1.5 Bóng của lưới được di
chuyển khi mỗi dịng LED được bật và tắt
một cách tuần tự.

19


Số lượng bước pha là hàm của khoảng cách theo phương thẳng đứng từ nguồn
sáng LED trong phương pháp bước pha sử dụng nguồn sáng là các dòng LED.
Lượng dịch chuyển pha đổi với khoảng cách theo phương z từ nguồn sáng đến từng
điểm trong hình. 13. Các vị trí với số lượng dịch chuyển pha,  / 2 và  được hiển
thị như là các đường thẳng ngang, tương ứng

Hình 1.6 Mối quan hệ hình học giữa các nguồn ánh sáng, cách tử và đối
tượng đo được trích xuất
Trong hình này, năm dịng LED được hiển thị, ký hiệu n là số lượng các dòng
LED, và các nguồn ánh sáng dòng n được thiết lập Ln (n = 0, 1, 2, 3, 4). Các nguồn
ánh sáng song song và cách đều nhau với bước là l. Mặt phẳng bao gồm năm nguồn
ánh sáng LED được gọi là mặt phẳng LED khi đó z = 0 với các vùng (x, y). Vị trí
của các dịng LED đầu tiên L0 là gốc O của các tọa độ x, y, z. Trong mặt phẳng
LED, hướng x vng góc với các dịng LED, và phương y song song với dịng LED.
Hướng z- vng góc với mặt phẳng LED. Sự phân bố độ sáng của năm dòng LED
được giả định là đồng nhất và bằng nhau theo các phương x và y trong vùng quan
sát cố định. Mặt phẳng cách tử có bước là p được đặt song song với mặt phẳng LED,
20


khoảng cách giữa mặt phẳng LED và mặt phẳng cách tử là d. Các khe của cách tử
được đặt song song với các dòng LED
+ Tạo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu vân dạng số (DFP).
Các vân sáng được mã hóa bằng máy tính và được chiếu bởi một khung hình
bên trong máy chiếu, thơng thường là một màn hình LCD, màn hình LCOS hoặc
DLP. Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai cơng nghệ, cơng nghệ này liên

quan đến cơ chế hoạt động bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hình ảnh,
phương pháp truyền qua thường dùng tấm LCD trong khi phương pháp phản chiếu
DLP lại sử dụng hàng ngàn gương nhỏ tương ứng hàng ngàn điểm ảnh. Kỹ thuật
chiếu ảnh DLP có ưu điểm là tạo được hình ảnh có độ tương phản cao, tạo được
hình ảnh mượt hơn khơng lộ điểm ảnh và có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD.
1.1.2. Đặc điểm ánh sáng cấu trúc
- Tốc độ thu nhận dữ liệu cực nhanh nhờ cơng nghệ chụp hình 3D
- Khả năng đạt độ chính xác cao trên mỗi phép đo
- Cấu trúc ánh sáng được điều chế rất đa dạng tùy thuộc vào đối tượng đo
- Có thể điều chế theo màu sắc, cường độ, mức độ xám
- Hệ thống có thể thay đổi hệ quang để tăng giảm độ phân giải đồng thời tăng giảm
thể tích của phép đo từ đó phù hợp với nhiều chủng loại sản phẩm kể cả vật thể có
kích thước lớn và nhỏ:
-

Kích thước lớn hoặc bề mặt sản phẩm trơn liên tục và dùng thấu kính có tiêu
cự lớn

-

Kích thước nhỏ hoặc bề mặt hoa văn nhẹ và dùng thấu kính có tiêu cự nhỏ

-

Có thể quét được sản phẩm có kích thước lớn như thân ơ tơ, tàu thủy hoặc
các sản phẩm có kích thước rất lớn.

Phương pháp qt 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là phương pháp hiện nay đang
được quan tâm và nghiên cứu rất nhiều. Đây là phương pháp kết hợp giữa các lí
thuyết về quang sóng và các thành tựu của khoa học máy tính cũng như sự phát triển

của công nghệ điện tử.
21


1.2. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc
Trong cơng nghiệp chế tạo cơ khí, đo lường biên dạng chi tiết 3D đóng vai trị
rất quan trọng trong việc kiểm tra, kiểm soát chất lượng sản phẩm. Hình dáng và
kích thước của chi tiết cơ khí ngày càng đa dạng dẫn đến việc đo bằng phương pháp
tiếp xúc không thể đáp ứng về tốc độ, không đo được các chi tiết có biên dạng phức
tạp. Nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp bách đó, phương pháp đo không tiếp xúc sử
dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ.
Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc đã phát triển nhanh chóng và được
ứng dụng trong các thiết bị đo lường kiểm soát chất lượng trong sản xuất, chuẩn
đoán bệnh trong y tế… Với ưu điểm phép đo đạt độ chính xác cao, thời gian lấy
mẫu nhanh, cho phép dựng ảnh chi tiết 3D đo nhanh chóng có thể đạt hàng ngàn
phép đo trên giây để thực hiện các phép đo theo thời gian thực.
Các ứng dụng đo lường bằng ánh sáng cấu trúc đã tận dụng được một số ưu
điểm của phương pháp đo lường quang học như:
Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thực hiện đo bề mặt 3D khơng tiếp xúc,
khơng ảnh hưởng đến biên dạng và tính chất của bề mặt chi tiết đo.
Tốc độ đo hình dạng 3D bề mặt của phương pháp này cao hơn các phương
pháp đo tiếp xúc. Với đặc điểm đo được nhiều điểm của một vùng bề mặt chi tiết
trong một lần đo. Tốc độ đo của phương pháp này phụ thuộc vào tốc độ chiếu
mẫu ánh sáng của nguồn chiếu, tốc độ thu ảnh của phần tử thu và đặc tính phản
xạ của bề mặt chi tiết đo. Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu
trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học.

22

Chi tiết đo

Mã hóa hình ảnh

Máy tính

Máy ảnh
Máy chiếu
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc [8]
Nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc được thể hiện
trên hình 1.1. Nguyên lý của phương pháp đo này là chiếu một miền ánh sáng cấu
trúc được mã hóa lên vật thể cần đo, biên dạng bề mặt và ánh sáng mã hóa xuất
hiện trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy ảnh. Tọa độ 2D
của chi tiết đo được xác định thơng qua cường độ và vị trí của điểm ảnh trên cảm
biến ảnh. Độ sâu của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha của ánh sáng
mẫu khi chiếu lên chi tiết đo và ánh sáng mẫu chiếu lên mặt phẳng chuẩn. Thiết bị
đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc bao gồm một bộ phận chiếu ảnh, môt bộ
phận thu ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu đo [1]
Bộ phận chiếu ảnh: có chức năng là chiếu các mẫu ảnh được mã hóa lên bề
mặt chi tiết cần đo. Ảnh mã hóa rất đa dạng về cấu trúc, kích cỡ, độ phân giải nên
bộ phận chiếu ảnh có cấu trúc quang cơ phức tạp. Tùy theo dạng ánh sáng cấu trúc,
bộ phận chiếu ảnh có thể là hệ thống giao thoa hoặc hệ thống chiếu hình. Để đo chi
tiết cơ khí thơng dụng, chi tiết đo lớn, bộ phận chiếu ảnh thường là các máy chiếu
ảnh kỹ thuật số. Máy chiếu kỹ thuật số ngày càng được nâng cao chất lượng ảnh
chiếu và giảm giá thành tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo thiết bị đo.
23