Ảnh hưởng của nồng độ go đến tính chất và khả năng hấp thụ các kim loại nặng của vật liệu nano lai gofe3o4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
........................

TRẦN VĂN NAM

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ BĨNG BỀ MẶT CHI
TIẾT CƠ KHÍ ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO 3D SỬ DỤNG
ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
........................

TRẦN VĂN NAM

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ BĨNG BỀ MẶT CHI
TIẾT CƠ KHÍ ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO 3D SỬ DỤNG
ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN VĂN VINH

HÀ NỘI – 2019


MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
Lý do lựa chọn đề tài luận văn .............................................................................. 1
Mục đích nghiên cứu ............................................................................................ 2
Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................... 3
Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................. 3
Kết cấu của luận văn ............................................................................................ 3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ
DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC............................................................................ 5
1.1 Nhu cầu về đo lường biên dạng 3D chi tiết hiện nay ....................................... 5
1.2 Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc. ................... 6
1.2.1 Ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường biên dạng 3D. ........................... 9
1.2.2 Ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc trong đo lường. ..................... 12
1.3 Các nghiên cứu giảm ảnh hưởng của độ bóng đến độ chính xác phép đo ánh
sáng cấu trúc ...................................................................................................... 17
1.3.1 Các kỹ thuật HDR ................................................................................. 19
1.3.2 Kỹ thuật Stereo Photometric................................................................... 24
1.3.3 Các phương pháp khác ........................................................................... 25
1.4 Nội dung nghiên cứu của đồ án. ................................................................... 29
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ BĨNG BỀ MẶT CHI
TIẾT CƠ KHÍ LÊN ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO 3D ........................................... 30
2.1 Hiện tượng xuất hiện độ bóng bề mặt chi tiết cơ khí ..................................... 30
2.2 Ảnh hưởng của độ bóng bề mặt chi tiết cơ khí đến độ chính xác phép đo .... 37
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP PHỦ ĐẾN ĐỘ CHÍNH
XÁC PHÉP ĐO ..................................................................................................... 44
3.1 Mục đích của nghiên cứu.............................................................................. 44
3.2 Thực nghiệm trên mẫu đo với số lớp phủ khác nhau ..................................... 44

3.2.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm............................................................. 44
3.2.2 Đo kích thước hạt phủ ............................................................................ 47
3.2.3 Đánh giá tỷ lệ che phủ dựa theo số lớp phủ ............................................ 49
3.3 Khảo sát trên hệ thống đo PSGC .................................................................. 58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 65
i


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các chữ viết tắt

Viết tắt

Tên tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

2D

2 Dimension

Không gian 2 chiều

3D

3 Dimension

Không gian 3 chiều

CNC

Computer numerical control

Điều khiển số bằng máy tính

CMM

Coordinate measuring machine

Máy đo tọa độ

HDR

High dynamic range

Dải tương phản động mở rộng

DLP

Digital light processing

Xử lí ánh sáng kỹ thuật số

LCD

Liquid crystal display

Màn hình tinh thể lỏng
Phương pháp đo sử dụng

PSGC

SNR

BRDF

Phase shift combined with

ánh sáng cấu trúc dịch pha

Gray code

kết hợp mã Gray

Signal-to-Noise ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

Bidirectional

chức năng phân bố phản xạ

reflectance

hai chiều khác nhau

distribution function
MIGL

Maximum input graylevel

STD

Standar deviation

Mức xám đầu vào tối đa
Độ lệch chuẩn

ii


Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

𝑙

Đơn vị

Tên tiếng Anh

rad

Nghĩa tiếng Việt

Góc giữa pháp tuyến của bề mặt
và phương của ánh sáng tới



rad

Góc giữa pháp tuyến bề mặt và
hướng nhìn

𝑝

Góc giữa bề mặt chiếu của tia tới

rad

và hướng nhìn



-

Bước sóng ánh sáng

𝑅𝑆

-

Phản xạ phản chiếu

𝑅𝐵

-

Phản xạ tán xạ

-

Phân bố năng lượng phổ của ánh

L ()

sáng tới bề mặt
-

Véc tơ màu của cường độ ảnh

{x, y}

-

Tọa độ ảnh theo hai phương

{qr, qg, qb}

-

3 véc tơ thành phần của phần tử

{𝐼𝑟 ,Ig,
Ib }

cảm biến
wd(x)

Hê số trọng số cho tán xạ

ws(x)

Hê số trọng số cho phản xạ

S(x, )

Hàm năng xuất phổ phát xạ

E()

Hàm phân bố năng lượng phổ
của ánh sáng

iii


Cường độ ánh sáng chiếu

𝐼𝑝 (x, y)

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Hình dạng chi tiết cơ khí dạng phay.
Hình 1.2: Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc.
Hình 1.3: Mẫu chiếu mã nhị phân
Hình 1.4: Cường độ sáng phân bố trên 3 bit đầu tiên của mã hóa nhị phân.

Hình 1.5. Cường độ sáng phân bố trên 3 bit đầu tiên của mã Gray
Hình 1.6. Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng nhị phân 5 bit.
Hình 1.7: Ứng dụng đo 3D trong kiểm tra chất lượng sản phẩm hồn thiện.
Hình 1.8: Ứng dụng đo 3D trong y học.
Hình 1.9: Quét 3D cơ thể người ứng dụng trong may mặc thời trang.
Hình 1.10: Ứng dụng đo 3D thiết kế khn ngược.
Hình 2.1: Mơ hình phản xạ với hai thành phần phản xạ và tán xạ
Hình 2.2: Bề mặt phản xạ với các độ nhám khác nhau
Hình 2.3: Ảnh chi tiết đo khi đo bằng ánh sáng cấu trúc
Hình 2.4: Nguyên lý phản xạ ánh sáng của một bề mặt thơng thường và bề mặt
nhiều vùng bóng
Hình 2.5. Một số ví dụ về ảnh hưởng của độ bóng đến kết quả đo
Hình 2.6: Ngun lý chiếu và thu nhận tín hiệu đo của hệ thống
Hình 3.1: Hệ thống thực nghiệm sử dụng kính hiển vi điện tử
Hình 3.2. Bình xịt chứa bột phủ phấn

iv


Hình 3.3 Máy phun áp lực khí dùng để phủ bột vơi
Hình 3.4: Giao diện phầm mềm IC Measure xử lý hình ảnh
Hình 3.5 Kích thước hạt của bột phủ phấn
Hình 3.6 Kích thước hạt của bột phủ bằng vơi ve
Hình 3.7 : Giao diện phần mềm đo phầm trăm che phủ
Hình 3.8 Hình ảnh thực tế lớp phủ và kết quả thu được thơng qua phần mềm
Hình 3.9 : Hình ảnh bề mặt mẫu đo khi phủ bột phủ phấn
Hình 3.10: Tỷ lệ phần trăm che phủ với mẫu đo được phủ 25 lớp phủ
Hình 3.11: Tỷ lệ phần trăm che phủ trung bình với mẫu đo với số lớp phủ khác nhau
Hình 3.12 : Hình ảnh bề mặt mẫu đo khi phủ bằng bột phủ vơi
Hình 3.13: Tỷ lệ phần trăm che phủ với mẫu đo được phủ số lớp phủ khác nhau

Hình 3.14: Tỷ lệ phần trăm che phủ trung bình với số lớp phủ khác nhau
Hình 3.15: Nguyên lý đo chiều dày lớp phủ
Hình 3.16: Chiều dày của các lớp phủ với số lần phủ khác nhau
Hình 3.17 : Chiều dày trung bình của từng lớp phủ
Hình 3.18: Hệ thống thực nghiệm PSGC
Hình 3.19: Giao diện của chương trình phần mềm đo
Hình 3.20: Hình ảnh chi tiết mẫu
Hình 3.21: Chi tiết mẫu thử ban đầu
Hình 3.22 Chi tiết mẫu thử được phủ 10 lớp phủ
Hình 3.23: Biều đồ thể hiện số điểm ảnh tương ứng với các lớp phủ

v


DANH MỤC BẢNG HIỆU
Bảng 1.1: Giá trị mã hóa bit trên mẫu chiếu nhị phân
Bảng 2.1: Thông số máy đo biên dạng 3D quang học CoutourGT-X
Bảng 2.2: Thông số của kính hiển vi quang học Nikon LV 150 S2000

vi


MỞ ĐẦU
Lý do lựa chọn đề tài luận văn
Trong nền sản xuất cơng nghiệp cơ khí hiện nay, với sự phát triển của cơng nghệ
gia cơng chi tiết cơ khí bằng thiết bị điều khiển số CNC có khả năng chế tạo các chi
tiết cơ khí có hình dạng phức tạp. Do đó, nhu cầu về việc kiểm tra các kích thước theo
biên dạng 3D của chi tiết cơ khí trong quá trình sản xuất và nghiên cứu khoa học đặt
ra ngày càng nhiều. Trên thế giới hiện nay, phương pháp đo lường kiểm tra biên dạng
3D bề mặt chi tiết cơ khí chủ yếu vẫn dựa vào các phương pháp và thiết bị đo lường

tiếp xúc như: máy đo tọa độ CMM, máy đo độ tròn, máy đo độ nhám bằng đầu dị…
Phương pháp đo tiếp xúc có độ chính xác cao nhất nhưng đồng thời cũng địi hỏi thao
tác đo phức tạp và tốc độ đo rất thấp, chỉ đạt được vài phép đo một giây, do đó không
thể đáp ứng được việc đo lường kiểm tra rất nhiều điểm trên toàn bộ biên dạng bề mặt
chi tiết. Để giải quyết những khó khăn mà phương pháp đó tiếp xúc còn tồn tại, hướng
nghiên cứu hiện nay tập trung vào những phương pháp đo không tiếp xúc mà chủ yếu
là phương pháp quang học. Với ưu điểm lớn của ánh sáng là truyền với tốc độ rất cao
tạo nên các phép đo kích thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo hiện nay đã đạt đến
hàng triệu phép đo trong một giây cho phép đo kiểm với số điểm đo nhiều hơn trên
bề mặt chi tiết.
Các phương pháp đo lường biên dạng 3D quang học được nghiên cứu, phát triển
và thường được sử dụng là: phương pháp chụp ảnh stereo, quét tia laser hoặc ánh sáng
cấu trúc đo thời gian truyền sóng ánh sáng. Trong đó, phương pháp đo bằng ánh sáng
cấu trúc có tốc độ đo nhanh nhưng độ chính xác thấp. Phương pháp quét tia laser có
độ chính các cao nhất song tốc độ đo khơng cao và điểu khiển q trình đo phức tạp
hơn so với phương pháp đo ánh sáng cấu trúc.
Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là phương pháp chiếu chùm ánh sáng
cấu trúc thường được gọi là ảnh mẫu ánh sáng được mã hóa theo cường độ hoặc màu
sắc theo không gian và thời gian lên bề mặt 3D chi tiết cần đo. Ảnh mẫu ánh sáng
chiếu trên bề mặt 3D chi tiết đo được thu lại bằng máy ảnh. Do sự thay đổi về độ cao
1


các điểm trên bề mặt 3D chi tiết đo làm biến dạng các vân trong ảnh mẫu ánh sáng.
Sự biến dạng của ảnh mẫu ánh sáng trên chi tiết đo so với ảnh mẫu ánh sáng cho phép
xác định được tọa độ các điểm trên bề mặt chi tiết đo thông qua phương pháp tam
giác lượng quang học. Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật quang điện tử và cơng
nghệ máy tính, phương pháp đo biên dạng 3D quang học ngày càng trở nên dễ dàng
hơn, tốc độ đo và độ chính xác ngày càng cao, có thể đo nhiều chi tiết đồng thời.
Bên cạnh những ưu điểm, nhược điểm của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu

trúc là có độ chính xác thấp hơn so với phương pháp quét tia laser. Nguyên nhân
chính là do chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường xung quanh và đặc điểm cấu tạo
hoạt động của các hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc. Điều này đang cản trở ứng
dụng của phương pháp đo này vào đo lường các chi tiết cơ khí. Do vậy, cùng với việc
nâng cao tốc độ và tính linh hoạt nhiều hướng nghiên cứu trên thế giới gần đây đã tập
trung vào nghiên cứu các phương pháp để đảm bảo và nâng cao độ chính xác của
phương pháp đo này khi đo lường kiểm tra các chi tiết cơ khí.
Tuy nhiên, cũng như các phương pháp đo quang học khác phương pháp PSGC
gặp phải nhiều khó khăn khi đo các chi tiết có bề mặt nhẵn bóng cao hoặc biến đổi lớn
về độ phản xạ trên bề mặt kết quả đo khơng chỉ có sai số đo lớn mà nhiều khi không
thực hiện được phép đo. Đây là vấn đề đang được các nhà khoa học trên thế giới tập
trung nghiên cứu để nâng cao độ chính xác hệ thống đo khi sử dụng phương pháp
PSGC đo bề mặt 3D các chi tiết cơ khí.
Đây cũng là lý do để lựa chọn nội dung nghiên cứu của luận văn:
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ bóng bề mặt chi tiết cơ khí đến độ chính xác phép
đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích chính của luận văn là nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng của độ bóng
bề mặt chi tiết cơ khí đến độ chính xác của phép đo 3D khi sử dụng phương pháp ánh

2


sáng cấu trúc, giúp cho việc đảm bảo độ chính xác khi đo các chi tiết cơ khí có độ
bóng cao như chi tiết nhôm khi gia công CNC hoặc chi tiết thép khi gia công tinh.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu luận văn là chi tiết được gia công bằng công nghệ phay
CNC. Do đặc điểm của các chi tiết nhơm phay CNC là độ bóng bề mặt lớn, dẫn đến
phản xạ bề mặt gây nên độ bóng cao.
Cụ thể là nghiên cứu, ứng dụng phương pháp làm giảm ảnh hưởng của độ bóng bề

mặt chi tiết bằng phương pháp phủ lớp giảm phản xạ.
Phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp làm giảm các yếu tố ảnh hưởng của
độ bóng chi tiết đến phép đo ánh sáng cấu trúc. Nghiên cứu các phương pháp giảm
ảnh hưởng của ánh sáng phản xạ bề mặt khi đo các chi tiết hợp kim nhôm khi phay
tinh bằng máy phay CNC. Nghiên cứu làm giảm độ bóng bề mặt chi tiết cơ khí bằng
phương pháp phủ bột, các yếu tố ảnh hưởng của lớp phủ đến chất lượng bề mặt chi
tiết đo và ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được các kết quả có thể đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu, luận văn đã sử
dụng phương pháp tìm hiểu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, sử dụng các công cụ
toán học kết hợp tin học để xử lý kết quả thực nghiệm.
Kết cấu của luận văn
Luận văn bao gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan đo lường bề mặt 3D chi tiết cơ khí sử dụng phương pháp ánh
sáng cấu trúc.
Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của độ bóng bề mặt chi tiết đến độ chính xác phép
đo 3D
3


Chương 3: Khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của bề mặt lớp phủ lên độ chính xác
của phép đo
Trong luận văn, các kết quả được chọn lọc, phân tích, kế thừa các nghiên cứu đã
có để thực nghiệm kiểm chứng ảnh hưởng của độ bóng bề mặt đến độ chính xác của
kết quả đo. Phương pháp đo quét biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc là phương
pháp đo mới, đang được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và phát triển để
hoàn thiện. Do vậy trong luận văn khơng tránh khỏi những sai sót về mặt tính tốn và
nội dung. Em rất mong được sự góp ý của thầy cơ giáo để luận văn được hồn thiện
tốt nhất.

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS
Nguyễn Văn Vinh cùng tồn thể các thầy cơ trong bộ mơn đã tạo điều kiện cho em
hoàn thành luận văn này.

4


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ
SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC
1.1 Nhu cầu về đo lường biên dạng 3D chi tiết hiện nay
Trong nền sản xuất cơng nghiệp cơ khí hiện nay, với sự phát triển của công
nghệ gia công bằng thiết bị điều khiển số CNC có khả năng chế tạo các chi tiết cơ khí
với hình dạng phức tạp. Các phép đo 2D bằng các phương pháp truyền thống hầu như
đã đáp ứng hầu hết các yêu cầu trong đo lường hiện tại như đo lường kích thước,
khoảng cách… Tuy nhiên nghành công nghiệp càng phát triển dẫn đến nhu cầu đo
lường của con người ngày càng cần những yêu cầu cao hơn về số lượng phép đo, thời
gian thực hiện…Do vậy, các nhu cầu kiểm tra các kích thước biên dạng 3D của chi
tiết cơ khí trong q trình sản xuất và nghiên cứu khoa học đặt ra ngày càng nhiều.
Phương pháp đo lường kiểm tra biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí trên thế giới hiện
nay vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp và thiết bị đo lường tiếp xúc như: máy đo
tọa độ CMM, máy đo độ tròn, máy đo độ nhám bằng đầu dò… Phương pháp đo tiếp
xúc có độ chính xác cao nhất nhưng đòi hỏi thao tác đo phức tạp và tốc độ đo rất thấp,
chỉ đạt được vài phép đo một giây, không đáp ứng được việc đo lường kiểm tra rất
nhiều điểm trên toàn bộ biên dạng bề mặt chi tiết. Để giải quyết khó khăn này hướng
nghiên cứu ứng dụng hiện nay là các phương pháp không tiếp xúc mà chủ yếu là
phương pháp quang học. Với ưu điểm lớn của ánh sáng là truyền với tốc độ rất cao
tạo nên các phép đo kích thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo hiện nay đã đạt đến
hàng triệu phép đo trong một giây.
Kích thước hình học, hình dáng, và trạng thái bề mặt là những yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến chất lượng các chi tiết cơ khí. Trong đó bề mặt là một trong

những yếu tố quan trọng nhất liên quan đến quá trình hoạt động của chi tiết, có ảnh
hưởng lớn đến mối lắp, đến ma sát giữa các chi tiết trong cơ cấu, đến tuổi bền và tuổi
thọ của chi tiết máy. Do đó kiểm tra chất lượng bề mặt (biên dạng 3D) của chi tiết
sau gia cơng đóng vai trị quan trọng khi đánh giá chất lượng sản phẩm cơ khí.

5


Chất lượng bề mặt gia công được đánh giá bằng hai yếu tố đặc trưng: tính chất
cơ lý của lớp kim loại bề mặt và sai số của bề mặt gia công. Chất lượng của lớp kim
loại bề mặt được tạo thành bởi tính chất của kim loại và phương pháp gia cơng. Trong
q trình gia cơng tùy thuộc vào phương pháp gia công , trên bề mặt xuất hiện những
vết lồi, lõm và cấu trúc lớp bề mặt cũng sẽ thay đổi. Các sai số của bề mặt gia cơng
bao gồm các sai lệch hình dáng (độ trịn, độ trụ, độ thẳng, tương quan vị trí các bề
mặt ...); sóng bề mặt và nhám bề mặt. Việc kiểm tra hình dáng và vị trí các bề mặt
cần phải đo rất nhiều điểm trên bề mặt chi tiết, đặc biệt là những chi tiết các hình
dạng phức tạp, dẫn đến làm tăng thời gian đo. Hình 1.1 thể hiện chi tiết nhôm được
phay CNC với rất nhiều biên dạng bề mặt khác nhau, rất khó đo và tốn nhiều thời
gian khi đo bằng phương pháp tiếp xúc CMM.

Hình 1.1: Hình dạng chi tiết cơ khí dạng phay CNC.
1.2 Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc.
Trong thập kỷ qua, đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc đang được ứng dụng ngày
càng nhiều vào các ngành cơng nghiệp trong đó có ngành cơ khí. Trong cơng nghiệp
6


yêu cầu đo lường và kiểm soát chất lượng các chi tiết cơ khí là rất lớn. Phần lớn các
chi tiết cơ khí gia cơng CNC sử dụng trong cơng nghiệp thường trải qua gia đoạn gia
công tinh trước khi đưa vào sử dụng. Như vậy, bề mặt của chi tiết sẽ trở nên nhẵn

bóng. Với phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc thì đặc tính bề mặt đối tượng đo
là một yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Đặc tính phản xạ bề mặt ảnh
hưởng đến chất lượng ảnh thu được khi chiếu ánh sáng mẫu tới bề mặt. Vì hiệu ứng
này làm thay đổi giá trị độ sáng các vân mẫu chiếu trong ảnh giải mã, chúng làm
nhiễu mơ hình được giải mã. Những đoạn mã hóa bị nhiễu sau khi được giải mã sẽ
sai lệch. Do vậy, dữ liệu thu được sẽ khơng tương thích so với dữ liệu ban đầu. Kết
quả là số liệu đo nhận được sẽ khơng chính xác. Một số các yếu tố ảnh hưởng đến độ
chính xác của phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc: Do phản xạ không đồng nhất
của bề mặt đối tượng đo, ảnh hưởng của cường độ ánh sáng nền, nhiễu và ảnh hưởng
của việc lệch tiêu điểm, ảnh hưởng của phương pháp hiệu chuẩn, chuyển đổi giữa
màu đen và trắng, gây nên một số sai số trong quá trình giải mã và kết quả ảnh hưởng
đến quá trình dựng lại biên dạng đối tượng đo.
Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý
tam giác lượng trong quang học.

7


Hình 1.2: Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc.
Nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc được thể hiện trên hình
1.2. Thiết bị chiếu (1) sẽ chiếu các ảnh mẫu 2D (2) được thiết kế theo một phương
pháp mã hóa nhất định lên bề mặt chi tiết đo (3) ,biên dạng 3D của chi tiết làm biến
dạng hình ảnh mẫu chiếu và được nhận biết thông qua hệ thống camera (4). Phân tích
dữ liệu ảnh và kết hợp phương pháp mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây
điểm của chi tiết đo. Một số ảnh mẫu được mã hóa theo hàm cường độ và pha, các
ảnh mẫu này được chiếu lên bề mặt của đối tượng. Hình ảnh các mẫu chiếu bị méo
bởi bề mặt của đối tượng được chụp bằng máy ảnh. Độ méo và lệch của ảnh mẫu
chiếu lên đối tượng so với ảnh mẫu chiếu lên mặt phẳng tham chiếu xác định chiều
cao của đối tượng thơng qua thuật tốn tam giác lượng. Thơng tin bề mặt đối tượng
được xây dựng dựa trên mối quan hệ giữa máy chiếu và máy ảnh. Mặc dù các thiết bị

đo dựa trên phương pháp ánh sáng cấu trúc có thể tương thích hầu hết các ứng dụng.
Mỗi một phương pháp đã được nghiên cứu và phát triển để khắc phục một số hạn chế
trong việc đo lường các đối tượng khác nhau, và đã đạt được thành công ở các ứng
dụng cụ thể. Một số tác giả đã đánh giá chi tiết các kỹ thuật khác nhau để đo lường
hình dạng 3D.
Các phương pháp đo lường quang học có một số ưu điểm sau:
Tốc độ: đối với các bước nhỏ và thực hiện đo bề mặt 3D thì phương pháp đo lường
quang học không làm ảnh hưởng đến biên dạng và tính chất bề mặt, tốc độ quét được
quyết định bởi ánh sáng tán xạ từ bề mặt và tốc độ của phần tử thu.
Độ tin cậy: các phương pháp đo biên dạng bằng phương pháp quang học khơng chạm
vào bề mặt do đó khơng thể phá hủy bề mặt đo và mài mòn bề mặt đầu đo hoặc phá
hủy đầu đo do vận hành không đúng.
Độ phân giải: kích thước điểm hoặc độ phân giải theo các phương của các phương
pháp quang học nằm trong khoảng từ vài micromet tới vài chục micromet.

8


Ánh sáng cấu trúc là chùm tia sáng mà mỗi tia được mã hóa về cường độ (điều biến
biên độ cường độ sáng theo dạng sin, tam giác, nhị phân…) hoặc màu sắc (cầu vồng,
xen kẽ…).
Bên cạnh những ưu điểm trên, phương pháp đo lường quang học vẫn còn tồn
tại những nhược điểm như: độ chính xác của kết quả thu được phụ thuộc vào chất
lượng về mặt đo như độ nhám bề mặt…, phụ thuộc vào chất lượng bề mặt khi gia
công.
1.2.1 Ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường biên dạng 3D.
Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc chiếu nguồn sáng được cấu
trúc lên bề mặt chi tiết. Có rất nhiều dạng ánh sáng cấu trúc khác nhau, có thể được
cấu trúc theo hai hoặc ba phương chiếu hoặc cấu trúc theo màu sắc, cường độ…
Một số dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường biên dạng 3D:

- Mã nhị phân :

Hình 1.3: Mẫu mã nhị phân
9


Mẫu chiếu nhị phân sử dụng các sọc đen và trắng để tạo thành một chuỗi các
mẫu chiếu. Các điểm trên bề mặt của đối tượng có một mã nhị phân khác nhau. Với
mẫu chiếu thứ n có 2n sọc. Hình 1.3 cho thấy một mơ hình chiếu 5-bit. Khi chuỗi
này được chiếu lên một khung hình có 32 (25) khoảng được xác định theo phương
ngang. Kỹ thuật mã hóa nhị phân rất tin cậy và ít nhạy cảm với bề mặt vật qt vì
chỉ có một giá trị nhị phân tương ứng với một điểm ảnh. Tuy nhiên, để đạt được độ
phân giải cao cần số lượng lớn các ảnh chiếu, các đối tượng khi đo cần cố định mất
nhiều thời gian quét và xử lý.
Phương pháp mã hóa nhị phân được Posdamer và Altschuler đề cập lần đầu
tiên trong lĩnh vực đo lường biên dạng vào năm 1981, với việc chiếu tuần tự n mẫu
chiếu để mã hóa thành 2n sọc sử dụng mã hóa nhị phân. Mỗi sọc trên mẫu chiếu
cuối cùng sở hữu một mã nhị phân riêng biệt và duy nhât. Nghiên cứu cho rằng, các
điểm ảnh trên cùng một sọc có cùng mã nhị phân, khi tiến hành phương pháp tam
giác lượng xác định tọa độ, các điểm đo cần xác định vị trí tâm sọc hoặc biên của
sọc trên vật để dựng lại lưới điểm của chi tiết đo. Một dạng mã nhị phân thường
dùng là mã Gray.

Hình 1.4: Cường độ sáng phân bố trên 3 bit đầu tiên của mã hóa nhị phân.
- Mã Gray :
Phát triển nguyên lý của Posdamer và Altschuler, Inokuchi... sử dụng mẫu
chiếu mã nhị phân dạng Gray. Với dạng mẫu chiếu này mã nhị phân của các vùng
chiếu này có khoảng Hamming bằng 1, giúp cho việc xử lý nhiễu dễ dàng hơn. Hình
1.5 thể hiện dạng phân bố cường độ sáng mã hóa nhị phân x Gray 3 bit đầu tiên.
10

Hình 1.5. Cường độ sáng phân bố trên 3 bit đầu tiên của mã Gray

Hình 1.6. Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng nhị phân 5 bit.
Hình 1.6 thể hiện sự phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã nhị phân 5
bit. Với quy ước bit 0 ứng với màu đen, bit 1 ứng với màu trắng. Theo phương ngang
𝑤

các mẫu chiếu được mã hóa theo 𝑙𝑜𝑔2 𝑃 với wP là số điểm ảnh theo phương ngang
của cảm biến máy chiếu. Lần lượt từ trên xuống dưới là các mẫu chiếu theo thứ tự từ
1 đến 8. Xét 16 bit đầu tiên trong mẫu chiếu nhị phân vùng có kí hiệu A. Với độ phân
giải máy chiếu 1024x768, khi chiếu 8 bit theo mã nhị phân giá trị mỗi vạch được mã
hóa là 8 điểm ảnh. Mã của mỗi vạch được thể hiện theo bảng 1, hàng C1 ÷ C16 là
vạch lần lượt theo phương ngang từ 1 đến 16. Giá trị các cột trong bảng là mã nhị
phân tương ứng của vạch đó. Có thể thấy các mã được tạo ra là duy nhất và mỗi mã
liền kề chỉ có 1 bit có giá trị khác nhau (khoảng Hamming bằng 1).

11


Bảng 1.7: Giá trị mã hóa bit trên mẫu chiếu nhị phân
Ngồi hai phương pháp trên cịn có nhiều phương pháp khác cũng được
nghiên cứu rộng rãi trong và ngoài nước như phương pháp dịch pha, phương pháp
kết hợp dịch pha và mã Gray, phương pháp chiếu mẫu tồn khơng gian, phương
pháp đánh dấu đường…
1.2.2 Ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc trong đo lường.
Việc xây dựng hình ảnh 3D của vật thể tồn tại xung quanh chúng ta có ý
nghĩa rất lớn trong nhiều lĩnh vực trong cuộc sống cũng như khoa học kỹ thuật. Khi
xây dựng được hình ảnh 3D của vật thể,con người có thể xác định được các đặc tính

về hình dạng của vật thể đó,điều này đặc biệt có ý nghĩa trong nhiều lĩnh vực khác
như đo lường,thiết kế ngược,tạo mẫu nhanh…Trong công nghiệp, việc sử dụng hình
ảnh 3D từ phương pháp quét 3D tạo nhiều thuận tiện cho đo lường và quản lý chất
lượng sản xuất. Từ hình ảnh 3D ta có thể:
-

Xác định các biên dạng mặt cắt chi tiết, qua đó xác định các kích thước hình
học của mặt cắt: kích thước đường kính, kích thước chiều dày, chiều rộng các
cạnh…
12


-

Phục vụ cho q trình kiểm tra, kiểm sốt chất lượng các sản phẩm hoàn thiện.
Phạm vi sử dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc rất rộng từ

việc đo chi tiết vùng kích cỡ micro trong các ngành sản xuất vi cơ, điện tử đến các
chi tiết có kích thước lớn như xe bus, tàu thủy, máy bay… Ngồi ra, việc xây dựng
hình ảnh 3D cịn ứng dụng trong một số lĩnh vực như:
-

Sao chép 3D trong tạo hình nghệ thuật điêu khắc.

-

Ứng dụng trong may mặc thời trang, thay thế cho phương pháp truyền thống sử

dụng thước dây để đo các thông số riêng lẻ trong từng người, thông số chưa thể hiện
rõ biên dạng cơ thể. Với công nghệ đo lường biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc

giúp cho việc thiết kế,tạo mẫu khi có dữ liệu qt đem lại tính thẩm mỹ cao hơn đặc
biệt lợi thế trong việc thiết kế, tạo mẫu riêng lẻ.
Một số ứng dụng điển hình:
Trong cơng nghiệp, phương pháp quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc có thể
được ứng dụng trong q trình kiểm tra, kiểm sốt chất lượng sản phẩm. Hình 1.7 thể
hiện việc ứng dụng quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trong việc kiểm tra chất lượng
chi tiết cơ sau khi được gia cơng. Ngồi ra, phương pháp qt 3D sử dụng ánh sáng
cấu trúc còn được áp dụng rộng rãi trong y học (hình 1.8) là quét bộ phận cơ thể. Hay
như trong thời trang may mặc thì phương pháp quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc
được áp dụng để quét lấy số đo cơ thể người ( hình 1.9.)

13


Hình 1.7: Ứng dụng đo 3D trong kiểm tra chất lượng sản phẩm hoàn thiện.
Sau khi sản phẩm đã được gia cơng hồn thiện, sản phẩm được đưa ra kiểm
tra lại độ chính xác về hình dáng và kích thước bằng cách sửa dụng ánh sáng cấu
trúc dựng lại hình ảnh 3D trên phầm mềm, sau đó đo các kích thước trên máy tính
và so sánh với lại bản vẽ thiết kế ban đầu.

Hình 1.8:Ứng dụng đo 3D trong y học.
Hiện nay ngày càng xuất hiện những tai nạn gây chấn thương nghiêm trọng
về cấu trúc xương tại những vị trí nguy hiểm như xương sọ, xương hàm, xương
mặt… Những trường hợp không thể phục hồi lại cấu trúc xương, gây nguy hiểm
đến tính mạng cũng như là thẩm mỹ của bệnh nhân. Do đó nhu cầu về phục dựng lại
những vị trí bị khuyết đi là rất lớn. Những vị trí bị trấn thương được chụp lại, dựa
14


vào phầm mềm trên máy tính để xây dựng lại phần bị mất đi, sau đó sử dụng cơng

cụ in 3D với vật liệu y sinh để in lại phần đó.

Hình 1.9: Qt 3D cơ thể người ứng dụng trong may mặc thời trang.
So với phương pháp đo trong may mặc truyền thống sử dụng thước dây ghi
lại vào sổ, vốn tốn rất nhiều thời gian và khó lưu trữ, thì sử dụng ánh sáng cấu trúc
để quét cơ thể người sẽ cho ra được tồn bộ các thơng số một cách chính xác kể cả
tại những vị trí khó đo, ngồi ra hệ thống cịn được lưu trữ tự động giúp dễ dàng tra
cứu và lưu trữ….
Ứng dụng trong thiết kế ngược
Từ một vật thể mẫu, công nghệ quét 3D sẽ giúp tái tạo lại mơ hình trên máy một
cách chính xác. Sau khi có mơ hình trên máy tính sẽ sử dụng phần mềm thiết kế ngược
(CATIA, NX...) để thiết kế lại và chỉnh sử theo yêu cầu rồi xuất file 3D (IGS, STEP...)
để gia công bằng CNC.

15


Hình 1.10. Ứng dụng đo 3D thiết kế khn ngược
1.2.3 Đặc điểm của phương pháp đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc
Kết quả của phép đo biên dạng 3D càng chính xác khi kết quả mơ phỏng biên
dạng thu được càng gần với biên dạng thực tế. Đối với phương pháp qt tiếp xúc do
sử dụng đầu dị ln tồn tại kích thước giữa đầu tiếp xúc và vật cần quét nên khi quét
lên biên dạng vật thể mắc phải sai số. Vì thế, phương pháp qt khơng cần tiếp xúc
có cơ sở đạt độ chính xác cao hơn. Tuy nhiên phương pháp đo 3D cịn gặp nhiều khó
khăn như:
- Đặc điểm lớn nhất của các hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là cần phải được
hiệu chuẩn trước mỗi lần đo để đảm bảo thu được kết quả đo tốt nhất. Việc hiệu chuẩn
độ chính xác của hệ thống bao gồm: hiệu chuẩn máy ảnh, máy chiếu và mối quan hệ
hình học giữa hai thiết bị này. Hiệu chuẩn hệ thống đo rất quan tr ọng đối với các
phép đo khi sử dụng máy ảnh vì nó liên quan tới độ chính xác của phép đo trong tọa

độ thực ba chiều từ không gian tọa độ hai chiều của máy ảnh.
- Để đo một bề mặt vật thể hoàn chỉnh, cần quét nhiều lần từ nhiều vị trí và góc nhìn
khác nhau, thu được nhiều đám mây điểm bề mặt để tích hợp tạo ra một đám mây điểm
trên tồn bộ bề mặt chi tiết đo. Khó khăn chính gặp phải là việc ghép nhiều phần dữ
liệu thu được sau mỗi lần quét với mỗi hệ tọa độ khác nhau.
16