Nghiên cứu, ứng dụng cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo laser 3D theo phương pháp đo theo điểm dựa trên nguyên lý tán xạ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này trình bày nghiên cứu cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo 3D laser theo phương pháp đo theo điểm. Phương pháp này có thể nói như là phương pháp đo từng điểm trên bề mặt của chi tiết, sau đó ghép các điểm này lại với nhau ta thu được biên dạng của chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu, ứng dụng cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo laser 3D theo phương pháp đo theo điểm dựa trên nguyên lý tán xạ

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Nghiên cứu, ứng dụng cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo laser 3D theo phương pháp đo theo điểm dựa trên nguyên lý tán xạ Research, building theoretical basis for calculation, designing measuring 3D laser by measuring points method on the principle of scattering Phạm Ngọc Linh Email: linhpham110@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 4/10/2019 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/12/2019 Ngày chấp nhận đăng: 31/12/2019 Tóm tắt Bài báo này trình bày nghiên cứu cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo 3D laser theo phương pháp đo theo điểm. Phương pháp này có thể nói như là phương pháp đo từng điểm trên bề mặt của chi tiết, sau đó ghép các điểm này lại với nhau ta thu được biên dạng của chi tiết. Chiếu tia laser lên bề mặt của chi tiết, vệt sáng của tia laser trên bề mặt vật đo có vai trò như một vật phát sáng dạng ánh sáng tán xạ. Sử dụng một hệ quang tạo ảnh lên bề mặt của cảm biến quang điện. Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển, thì vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển một lượng tương ứng. Khi đó quỹ đạo của điểm ảnh thu được sẽ tương ứng với bề mặt của chi tiết đo. Từ khóa: Tia laser; phương pháp đo theo điểm; nguyên lý tán xạ. Abstract This paper presents theoretical basis research to calculate and design 3D laser transducer according to point measurement method. This method can be said as the method of measuring each point on the surface of the part and then joining these points together to obtain the profile of the part. Projecting the laser on the surface of the component, the laser beam's light on the surface of the object acts as a scattered light emitting object. Use an optical system to create images on the surface of the photoelectric sensor. When the surface at the measuring point is shifted, the pixel position of the laser on the photoelectric sensor also moves the corresponding amount. The trajectory of the resulting pixel corresponds to the surface of the measuring element. Keywords: Laser; point measurement method; principle of scattering. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Việc kết hợp laser trong các thiết bị kiểm tra đo Trong đo lường điều khiển hiện đại, việc thu thập đạc cho phép đạt độ chính xác cao, thời gian lấy và xử lý thông tin qua ảnh để nhận biết đối tượng mẫu nhanh có thể đạt hàng ngàn lần trên giây [4]. và điều khiển đối tượng đang được quan tâm và Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu cơ sở lý ứng dụng rộng rãi, bởi phương pháp này giúp ta thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo laser 3D theo có thể thu nhận được nhiều thông tin từ đối tượng phương pháp đo theo điểm theo nguyên lý tán xạ. mà không cần tác động trực tiếp đến đối tượng. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Người phản biện: 1. PGS.TS. Hoàng Văn Gợt 2.1. Nguyên lý của phương pháp đo 2. PGS.TS. Trần Vệ Quốc Nguyên lý chung của các cảm biến đo bằng tia Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 35
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC laser theo phương pháp tam giác lượng: tia sáng Tỷ số truyền [1]: laser chiếu lên bề mặt vật đo bị tán xạ. Vệt sáng K = b∆Zsin(i+g)/cos(i) của tia laser trên bề mặt vật đo có vai trò như một vật phát sáng dạng ánh sáng tán xạ [2]. Sử Sự phân bố cường độ sáng và hình dạng của dụng một hệ quang tạo ảnh lên bề mặt của cảm ảnh phụ thuộc vào góc tới i, góc nghiêng của trục quang g, độ lớn của ∆Z và dạng phóng tán xạ tại biến quang điện CB. Khi bề mặt tại điểm đo dịch điểm đo. chuyển một lượng ∆Z, thì vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển Cường độ sáng của điểm ảnh tia laser phụ thuộc một lượng tương ứng [1]: vào công suất của tia laser, độ tán xạ và đường kính vòng chắn sáng của hệ quang. Song việc ∆h = b∆Zsin(i+g)/cos(i) tăng đường kính vòng chắn sáng sẽ làm tăng độ Trong đó: không đều của phân bố cường độ sáng của điểm ảnh [3]. b: hệ số khuếch đại của hệ quang; Phương pháp tán xạ chịu ảnh hưởng ít của góc g: góc nghiêng của trục hệ quang với pháp tuyến nghiêng bề mặt điểm đo song lại phụ thuộc vào của mặt phẳng tới. đặc điểm tán xạ của bề mặt chi tiết đo và quang Tia lazer sai của hệ quang. Hiện nay hều hết các cảm biến đều dùng phương pháp tạo ảnh. 2.2. Hàm truyền đạt Cảm biến Sơ đồ đo của đầu đo laser như hình 2 [1]. quang Ta sẽ có hàm truyền của ảnh khi đo với các số liệu biết trước là: Điểm M’(0,0) là điểm gốc ban đầu do ảnh của vết ảnh là điểm M, tâm ảnh OMi của vết ảnh Mi’ có tọa Hình 1. Sơ đồ nguyên lý đo theo phương pháp độ là (0,∆y) ứng với dịch chuyển điểm đo so với tán xạ [2] góc chiếu đo Mo là X. Hình 2. Sơ đồ tạo ảnh [2] Từ sơ đồ trên, bằng phương pháp toán học ta tìm !! "# ! 𝛺𝛺 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎( ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 + $! , (5) mối quan hệ giữa ∆y và X [2]. $ !! 𝑔𝑔𝜙𝜙& = 𝐿𝐿& + 𝐿𝐿 + 𝑋𝑋 𝑋𝑋 $ (1) 𝛥𝛥𝛥𝛥 = 𝛥𝛥𝛥𝛥 𝑂𝑂𝑀𝑀%%′′ .. 𝑎𝑎𝑎𝑎𝛺𝛺 = 𝑂𝑂𝑀𝑀 𝑎𝑎𝑎𝑎𝛺𝛺 = = 𝑂𝑂𝑀𝑀 ′ 𝑎𝑎𝑎𝑎(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎( & 𝑂𝑂𝑀𝑀%%′ .. 𝑎𝑎𝑎𝑎(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎( ) 𝐻𝐻 ) 𝐻𝐻 (6) ! 𝜙𝜙& = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔( !) (2) !∘ $ −𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎( −𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎( )) !∘ )) $ $ 𝑎𝑎𝑔𝑔(𝛷𝛷& + 𝛺𝛺) = !! "# (3) Đây chính là phương trình hàm truyền đạt của $ phương pháp đo. Từ phương trình hàm truyền ta !! "# cũng đưa ra được hàm xác định giá trị thực từ các (𝛷𝛷& + 𝛺𝛺) = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔( ) (4) $ giá trị đo [2]. ! "# ! 𝛺𝛺 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔( ! ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔 . ! / $ $ 36 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 ! "# !∘ 𝛥𝛥𝛥𝛥 = 𝑂𝑂𝑀𝑀%′ . 𝑎𝑎𝑔𝑔𝛺𝛺 = 𝑂𝑂𝑀𝑀%′ . 𝑎𝑎𝑔𝑔(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔( !$ ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑔𝑔( $ ))
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC !! "# ! %& (7) 2.3. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến ⇒ 𝑎𝑎𝑎𝑎 "𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ( ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ( $!)+ = '(′ $ " hàm truyền đạt !! "# ! %& ⇒ "𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ( ) − 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ( $! )+ = (8) Từ phương trình hàm truyền, ta thấy kết quả đo sẽ $ '("′ phụ thuộc vào các thông số như L (khoảng cách 𝐿𝐿! + 𝑋𝑋 𝐿𝐿! 𝛥𝛥𝛥𝛥 từ đầu đo đến chi tiết), H (khoảng cách từ nguồn ⇒ 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ' , = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ' , + 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 / 4 (9) 𝐻𝐻 𝐻𝐻 𝑂𝑂𝑀𝑀"′ laser đến đầu đo), f (độ phân giải của đầu đo). 𝐿𝐿! 𝛥𝛥𝛥𝛥 Khảo sát L, H, f để đạt được thiết kế hợp lý. Để ⇒ 𝑋𝑋 = 𝑡𝑡𝑡𝑡(𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑡𝑡𝑡𝑡( ) + 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑡𝑡𝑡𝑡( ))𝐻𝐻 − 𝐿𝐿! (10) 𝐻𝐻 𝑂𝑂𝑀𝑀"′ khảo sát các đường đặc tuyến biểu thị mối quan Độ cao của điểm Mi’ so với điểm M được xác định hệ của L, H, f với ΔZ, ta sẽ thay đổi các giá trị của theo: h = Xsina L, H, f và cho giá trị Z biến đổi rồi tính ra sự biến Như vậy, từ hàm truyền và hàm xác định giá trị đổi của Y. thực từ các giá trị đo ta tính được tọa độ tâm ảnh - Với L: cho L thay đổi từ 40 đến 50 mm với giá trị của vết ảnh ứng với mỗi vị trí của vết laser khi màn một lần thay đổi là 0,5 mm. Sau khi khảo sát thu chắn dịch chuyển 1 khoảng X. Và ngược lại khi biết tọa độ tâm ảnh ta sẽ tính được khoảng dịch được đồ thì đường đặc tuyến biểu thị mối quan hệ chuyển của màn chắn. giữa L và ΔZ (hình 3). Hình 3. Đồ thị quan hệ giữa L và ΔZ Qua đồ thị ta thấy được: Với L càng lớn thì độ - Với H: Cho H thay đổi từ 25 đến 45 mm. Khảo sát nhạy của đầu đo càng lớn tức là độ nhạy của sự thay đổi của H ta thu được biểu đồ mối quan hệ đầu đo càng cao, kết quả đo càng chính xác. Tuy giữa H và ΔZ (hình 4). nhiên, khi L càng lớn thì kết cấu của đầu đo càng cồng kềnh, phức tạp. Hình 4. Đồ thị quan hệ giữa H và ΔZ - Với f: ta cho giá trị của f thay đổi từ 600 đến 800 hệ giữa f và ΔZ (hình 5). pixel. Sau khi khảo sát ta thu được đồ thị mối quan Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 37
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 5. Đồ thị quan hệ giữa f và ΔZ Tương tự ta cũng thu được biểu đồ thể hiện mối được trên cảm biến, xây dựng được hàm truyền quan hệ của f và ΔZ thông qua các đường đặc đạt của đầu đo và phân tích được các yếu tố tuyến khi cho Z thay đổi và tìm sự thay đổi của Y ảnh hưởng đến hàm truyền đạt, từ đó áp dụng với mỗi giá trị f khác nhau, f lớn thì độ nhạy của vào trong các trường hợp cụ thể để lựa chọn các đầu đo cũng tốt hơn. Nhưng số liệu f phụ thuộc thông số của đầu đo cho phù hợp. vào thông số của camera sử dụng, với f càng lớn thì yêu cầu về độ phân giải của camera càng lớn và giá thành càng cao. Do đó, tùy thuộc vào các TÀI LIỆU THAM KHẢO điều kiện thực tế ta chọn camera sẽ có được giá trị f theo camera. [1] Trần Đình Tường, Hoàng Hồng Hải (2006), Quang kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ Như vậy, từ các số liệu thu được này ta có kết thuật. luận rằng kết cấu đầu đo phụ thuộc vào các thông [2] Hoàng Ngọc Hai, Mai Xuân Toàn (2013), Thiết số L, H, f. Khi ∆Z càng lớn, đường đặc tuyến càng kế máy đo quét laser 3D, Đồ án tốt nghiệp đại nghiêng thì độ nhạy của đầu đo do các thông số học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. ban đầu càng thể hiện rõ nét. [3] Nguyễn Văn Vinh (2007), Bài giảng Laser, 3. KẾT LUẬN Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. [4] Nermina Zaimovic-Uzunovic (2010), Samir Nghiên cứu này đã đưa ra được mối quan hệ giữa lemes - influences of surface parameters on laser sự thay đổi bề mặt chi tiết với các điểm ảnh thu 3D scanning, University of Zenica, Fakultetska. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ Phạm Ngọc Linh - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2010: Tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Máy chính xác, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Năm 2013: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Năm 2018: Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Công nghệ và Máy móc khai thác rừng và lâm nghiệp, Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật lâm nghiệp Saint - Petersburg mang tên X.M. Kirov - Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: Kỹ thuật đo, công nghệ 3D, tính toán thiết kế máy - Email: linhpham110@gmail.com - Điện thoại: 0387456386 38 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019