Báo Cáo Môn Học Kỹ Thuật Đo Lường 3D Đề Bài Cảm Biến Đo Tiếp Xúc Và Không Tiếp Xúc Trong Đo Lường 3D.pdf

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (18.78 MB, 75 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b> ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG CƠ KHÍ</b>

<b>Nhóm chun mơn Cơ khí chính xác & Quang học**********</b>

<b>BÁO CÁO MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 3D</b>

<b>ĐỀ BÀI:</b>

<b>CẢM BIẾN ĐO TIẾP XÚC VÀ KHÔNG TIẾP XÚC TRONGĐO LƯỜNG 3D</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

Hiện nay, một số công ty đã sớm xây dựng bộ phần mềm hiện đại cho phép vậnhành với nhiều hệ thống quét 3D khác nhau. Trong tương lai, cơng nghệ đo lường 3D sẽtrở nên chính xác, nhẹ nhàng và dễ di chuyển hơn. Phần mềm cũng đơn giản và dễ sử dụnghơn, như sử dụng phần mềm trên điện thoại thơng minh. Ngồi ra, cơng nghệ định dạng 3Dcũng sẽ được đưa vào trong mua sắm trực tuyến để người tiêu dùng có thể nhìn thấy đượchình ảnh chân thực nhất của sản phẩm. Đo lường 3D đang đem lại rất nhiều lợi ích và liêntục được cải tiến, thông minh hơn, nhẹ nhàng hơn, nhanh nhạy hơn. Việc lựa chọn các sảnphẩm đo lường 3D còn phụ thuộc rất nhiều vào lĩnh vực kinh doanh, hoạt động của mỗidoanh nghiệp.

Môn học “Kỹ thuật đo lường 3D” trong chương trình học đã cung cấp cho nhómnhững kiến thức quý báu về các hệ thống đo lường 3D trong thực tế, về nguyên lý và cáchsử dụng của một số hệ thống phổ biến hiện nay. Nhờ có kiến thức đó, chúng em đã hiểu rõhơn kiến thức về đo lường 3D, về những vấn đề cần nghiên cứu, phát triển trong kỹ thuậtđo

Trong quá trình học tập, nghiên cứu, xây dựng hệ thống nhóm vơ cùng cảm ơn cơ TS.Nguyễn Thị Kim Cúc đã tạo điều kiện, nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo để nhóm có thể hồnthành bài báo cáo này.

Nhóm vơ cùng cảm ơn!

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

LỜI MỞ ĐẦU...2

PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC NHĨM 2...3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG 3D...6

1, Nguyên lý đo tiếp xúc 3D...6

2, Nguyên lý đo không tiếp xúc 3D...8

2,1 Nguyên lý chung...9

2,2 Một số phương pháp đo lường không tiếp xúc...9

2,2,1 Phương pháp đo bằng phương pháp quét chùm tia laser...9

2,2,2 Phương pháp đo thời gian truyền sáng ( Time of Flight-TOF)...14

2,2,3 Phương pháp đo stereo vision...14

2,2,4 Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc...16

CHƯƠNG II: CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐO LƯỜNG 3D...25

1, Tổng quan về cảm biến...25

1,1, Khái niệm...25

1,2, Cấu tạo chung...25

1,3, Phân loại...25

2, Cảm biến đo tiếp xúc...26

2,2 Cấu hình cơ bản của 1 hệ thống đo tiếp xúc...27

2,3, Ngun lý hoạt động...29

2,4, Tính tốn...31

2,5, Máy đo toạ độ đa cảm biến...35

2,6, Đầu đo năm trục Renishaw Revo...37

2,7 Phụ kiện của hệ thống...41

3, Cảm biến đo không tiếp xúc...43

3,1, Cấu tạo của cảm biến không tiếp xúc...43

3,2 Bộ truyền dẫn ánh sáng...47

3,3 Chíp xử lý hình ảnh CCD...48

3,4, Vi xử lý tín hiệu...50

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN TRONG ĐO LƯỜNG 3D...51

1, Cảm biến đo tiếp xúc...51

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

1,1, Đầu dò và cảm biến trong máy CMM...51

2, Cảm biến đo không tiếp xúc...53

1,1, Máy đo CMM Mitutoyo Crysta-Apex V...60

1,2, Máy đo quét laser 3D di động FARO Quantum MAX ScanArm...60

2, Đo không tiếp xúc...64

2,1 Thiết bị đo bằng laser...64

2,2 Thiết bị đo bằng ánh sáng cấu trúc...67

KẾT LUẬN...72

TÀI LIỆU THAM KHẢO...73

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG 3D</b>

Phép đo 3D là một q trình trong đó nhiều loại thiết bị thu thập dữ liệu 3D về các đốitượng vật lý, bao gồm hình dạng, kích thước và màu sắc của chúng, để xây dựng và phântích các mơ hình 3D kỹ thuật số với các đám mây điểm mật độ cao hoặc lưới tam giác.

Bản chất của công nghệ đo lường 3D là điều khiển ánh sáng hoặc bức xạ tại một vật thểvà thu thập tất cả các phép đo cần thiết để tái tạo hoặc thiết kế lại vật thể đó một cáchnhanh chóng

<b>1, Nguyên lý đo tiếp xúc 3D</b>

Đo lường 3D tiếp xúc thăm dò các đối tượng thơng qua tiếp xúc vật lý, chẳng hạn nhưđầu dị cảm ứng, cánh tay có khớp nối và các máy đo tọa độ nhất định (CMM).

<b>Nguyên lý đo toạ độ của CMM </b>

Chức năng chính của CMM là đo hình dạng thực tế của phơi,cắt nó so với hình dạngmong muốn và đánh giá thơng tin đo lường như kích thang đo, hình thức, vị trí và địnhhướng.

Hình dạng thực tế của phôi thu được bằng cách thu thập dữ liệu trên bề mặt của nó tạimột số điểm hoặc khu vực nhất định. Việc thu thập dữ liệu có thể được thực hiện thông quamột số cảm biến khác nhau, cả tiếp xúc và không tiếp xúc và liên tục hoặc từng điểm. Mỗiđiểm đo được thể hiện theo tọa độ đo được của nó. Một số cảm biến cũng có khả năng thuthập các vectơ hướng của các điểm đo được, thường cho phép độ chính xác tốt hơn. Tuynhiên, không thể đánh giá các thông số của phơi (ví dụ: đường kính, khoảng cách, góc,hình thức và các thông số khác) trực tiếp từ tọa độ của các điểm đo được. Một mơ hìnhphân tích của phôi là cần thiết để đánh giá các thông số. Mơ hình này thường bao gồm cácyếu tố hình học lý tưởng, cái gọi là các yếu tố hình học thay thế (toán học) (ISO 2004a,2005b; ASME 2009). Các yếu tố như vậy có thể được xác định bằng cách áp dụng mộtthuật toán phù hợp nhất với phần tử số liệu toạ độ thích hợp nhất cho bộ dữ liệu đo được.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Hình 1,1 minh họa mơ hình hóa phơi cho một ví dụ đơn giản. Nguyên tắc đo lường tọađộ có thể được định nghĩa là:

• Tạo các bộ dữ liệu bằng cách đo phơi thực tế bằng CMM (Hình 1,1a)

• Tính tốn các yếu tố hình học có liên quan (tốn học) trong các thuật ngữ của cáctham số chỉ định kích thang đo, hình thức, vị trí và hướng (Hình 1,1b)

• Đánh giá các tính năng phơi cần thiết, ví dụ, bằng cách kết hợp các yếu tố thay thế vàso sánh với kích thang đo và dung sai vẽ (Hình 1,1c)

Ba trục của CMM tạo thành một hệ tọa độ tham chiếu Cartesian mà đầu thăm dò đượcgắn vào. Đầu đo hoặc cân xác định sự dịch chuyển dọc theo đường tọa độ. Điều này chophép bất kỳ điểm nào trong thể tích đo của CMM được bao phủ bởi các phép đo bằng cáchsử dụng một điểm tham chiếu không gian trên đầu đầu đo. Điểm tham chiếu này thường làtrung tâm của đầu đo cho các cảm biến tiếpxúc. Một phép đo với CMM luôn bao gồm cácbước sau:

Hiệu chuẩn của bút stylus hoặc đầu đo đối với đầu thăm dò đề cập đếnđiểm não thườngbằng cách sử dụng một quả cầu được hiệu chuẩn (miễnlà sử dụng đầu đo ba chiều cơ điệntử cơm)

Xác định vị trí và hướng phơi (phơi phối hợp hệ thống Xw, Yw và Zw) liên quan đếnhệ tọa độ máy Xm, Ym và Zm (Hình 1,2)

- Đo các điểm bề mặt trên phôi

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

- Đánh giá các thơng số hình học của phơi- Đại diện hoặc báo cáo kết quả đo

So sánh các nguyên tắc đo lường đo lường tọa độ với đo lường thông thường (tấm bềmặt) cho thấy một số lợi thế quan trọng của CMM:

- Sự liên kết cơ học để tọa độ tham chiếu bị loại bỏ vì phần được tham chiếu đến hệtọa độ máy.

- Nhu cầu về các công cụ phụ trợ như điều chỉnh các yếu tố, cài đặt phích cắm và gắncác tệp đính kèm là tất cả nhưng loại bỏ.

- Khái niệm ba chiều về đo tọa độ cho phép xác định kích thang đo, hình thức, vị trívà định hướng thường trong một thiết lập trên một máy đo, sử dụng một hệ thốngtham chiếu, loại bỏ các nguồn lỗi riêng lẻ từ nhiều thiết bị đo lường trong đo lườngthông thường.

Phép đo phát minh, yếu tố hình học được đo một cách chính xác nhất độc lập với nhautrên các dụng cụ đo khác nhau (tức là, trình ator so sánh đo chiều dài; pitch-, angle-, vàinvolute-measuring instruments cho bánh răng; dụng cụ đo hình thức; và dụng cụ đo góc)với các thiết lập khác nhau có các hệ thống tham chiếu khác nhau. Với đo lường thôngthường, các phép đo được thực hiện với các hiện vật như khối chuẩn, vòng chuẩn và thanhsin, với bánh răng involute và pitch master đóng vai trị là yếu tố tham chiếu. Trong đolường tọa độ, các tính năng đo được so sánh với các mơ hình số.

<b>2, Nguyên lý đo không tiếp xúc 3D</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Các công nghệ đo lường 3D không tiếp xúc, như tên cho thấy, cung cấp một phươngtiện để thu thập dữ liệu 3D mà không cần chạm vào các đối tượng. Chúng bao gồm máyquét laze 3D, máy quét ánh sáng có cấu trúc, giải pháp chụp ảnh và máy quét CMM quanghọc.

<i><b>2,1 Nguyên lý chung.</b></i>

Nguyên lý đo lường khơng tiếp xúc là trong q trình đo sẽ sử dụng thiết bị phát và thutín hiệu. Thiết bị phát sẽ tạo ra các tín hiệu dưới tia lazer, ánh sáng,… lan truyền trongkhông gian đến bề mặt của vật thể đo. Thiết bị thu sẽ tiếp nhận tín hiệu phản hồi và tiếnhành phân tích ,tính tốn thơng qua các giá trị như thời gian nhận tín hiệu, tốc độ truyền,cường độ tín hiệu… rồi đưa ra kết quả hiển thị. Trong q trình đo lường khơng có sự tiếpxúc trực tiếp giữa thiết bị đo và bề mặt vật thể đo.

<b>Hình 1,3 Phương pháp scan để quét vật thể 3D.2,2 Một số phương pháp đo lường không tiếp xúc.</b>

<i><b>2,2,1 Phương pháp đo bằng phương pháp quét chùm tia laser</b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Nguyên lý của phương pháp LSM được trình bày như sau: laser được chiếu lêngương đa giác lắp cố định trên trục động cơ. Vị trí gương đa giác được điều chỉnh sao chođiểm laser chiếu trên gương trùng với vị trí tiêu điểm của thấu kính chuẩn trực. Gương đagiác quay tạo thành tia laser quét liên tục và sau khi đi qua thấu kính TK1 trở thành chùmsong song. Thấu kính TK2 có tác dụng hội tụ chùm tia song song này về mặt Photodiode,xung thu được từ Photodiode có dạng như <i><b>Hình 1,5</b></i> trong đó Ton là thời gian laser quéttrong một chu kỳ T.

<b>Hình 1,5 Xung thu được từ Phơtdiode khi chưa có vật đo.</b>

Khi đặt vật đo vào vùng laser quét giữa hai thấu kính, xung thu được từphotodiode xuất hiện khoảng thời gian t xung ở mức 0 (<b>Hình 1,6</b>), đây chính là khoảngthời gian vật đo che khuất chùm tia laser. Xác định thời gian t bằng phương pháp đếmxung chuẩn ta tính được kích thước vật đo.

<b>Hình 1,6 Xung thu được từ Photodiode khi có vật đo.</b>

- Bộ phận tạo ra tín hiệu đo: Gồm có hệ quang (Gương, thấu kính, laser) và

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

a) Đầu phát tia laser

Tia Laser được tạo ra từ một đầu phát Laser khí He-Ne hoặc Laser bán dẫn. Vớithiết bị đo cần độ chính xác cao nên sử dụng Laser He-Ne vì nó đảm bảo hơn về sự đơn sắc(ánh sáng đỏ bước sóng 650 nm) và độ song song (góc phân kỳ khoảng 0,5 mR) của tia. b) Bộ phận tạo tia Laser quét

Có nhiều phương pháp tạo tia Laser quét như các phương pháp gương đa giác quay,gương điện kế, gương dao động ... nhưng với ưu điểm l à đ ơ n g i ản và cho tốc độ quétcao nên phương pháp gương đa giác quay được sử dụng phổ biến nhất trong máy quétlaser.

Người ta thường bố trí hệ quang tạo tia Laser quét bằng phương pháp đa giác quaynhư hình 1,8 (ưu nhược điểm của các phương pháp này sẽ được nói đến ở các phần sau).Khi sử dụng phương pháp này, cứ một vòng quay của gương sẽ tạo ra n chu kỳ quét của tiaphản xạ (n là số cạnh của đa giác) do đó có thể cho vận tốc quét và tần số đo lớn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

c.Bộ phận trực chuẩn tia qt.

<b>Hình 1,9 Chuẩn trực chùm tia qt góc thành chùm tia quét song song.</b>

Các tia Laser phản xạ từ gương đa giác quay sẽ lập thành một chùm tia qt góc.Tuy nhiên khi xác định đường kính D các chi tiết ta phải quét lên hai đường sinh đối tâmdo đó bắt buộc chùm tia quét phải là song song. Như vậy cần thiết phải có sự trực chuẩnchùm tia quét góc thành chùm tia quét song song. Để thực hiện điều này người ta đặt điểm

<b>"hội tụ" của chùm tia quét góc tại tiêu điểm của một thấu kính chuẩn trực TK1 (Hình 1,9).</b>

Ngồi chức năng chuẩn trực chùm tia qt thì thấu kính TK1 cịn có chức năng rấtquan trọng sau: Tia Laser quét góc cũng như tia Laser từ nguồn phát nó có độ song songrất cao vì vậy sau khi qua TK1 thì nó sẽ hội tụ tại tiêu diện của TK1. Như vậy, so vớiđường kính chùm tia phát thì đường kính của tia quét tại tiêu diện của TK1 nó đã giảmđược nhiều lần. Nhờ sự giảm đường kính của tia quét này mà khả năng phân giải khi nhậncạnh vật đo của tia quét được tăng lên tức là tăng độ chính xác của phép đo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

d. Bộ phần cảm nhận chùm tia Laser quét và tạo tín hiệu đo.

Trong q trình qt sẽ có một khoảng thời gian tia laser bị che khuất bởi chính vật đo. Để chuyển đổi sự không liên tục này thành tín hiệu đo ở bộ cảm nhận người ta thường chuyển đổi nó thành tín hiệu xung điện như sau:

<b>Hình 1,10 Nguyên lý của bộ phận tạo xung đo.</b>

Tia Laser quét sau khi qua vật đo sẽ được hội tụ nhờ một kính tụ, tại tiêu điểm của kính tụ ta đặt một tế bào quang điện, như vậy với sự không liên tục của chùm Laser quét đến kính tụ do sự che khuất của vật thì sau khi khuyếch đại tín hiệu điện của tế bào quang

<b>điện kết hợp mạch chuyển đổi thích hợp ta sẽ được một tín hiệu dạng xung ở đầu ra (Hình 1,10). </b>

Thông qua độ rộng t của đoạn xung mức “0” ứng với thời gian khơng có tín hiệu điện của tế bào quang điện ta hồn tồn có thể xác định được kích thước của chi tiết.e. Bộ phận xử lý tín hiệu.

<b>Hình 1.11 Sơ đồ chuyển đổi tướng ứng từ độ rộng xung đo thành việc đếm số xung nhịp thời gian.</b>

Để chuyển đổi thời gian t ở mức “0” của xung tế bào quang điện thành kết quả đo người tathiết kế bộ xử lý tín hiệu gồm các bộ phận như sau:

Mạch tạo xung nhịp thời gian: Để tạo ra các xung nhịp có tần số cao và ổn địnhthường sử dụng mạch tạo dao động dùng tinh thể thạch anh.

Bộ so sánh tín hiệu xung: Tín hiệu xung từ đầu ra của tế bào quang điện và thiết bịtạo xung nhịp sẽ cùng đi vào bộ so sánh tín hiệu. Bộ so sánh sẽ làm công việc đếmsố xung N phát ra từ thiết bị tạo xung nhịp thời gian trong khoảng thời gian bằng độrộng t ở mức “0” của xung tế bào quang điện.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Bộ xử lý tín hiệu đo: Sau khi so sánh tín hiệu xung bộ xử lý tín hiệu có nhiệm vụchuyển đổi số xung đếm N thành tín hiệu số cho bộ hiển thị kết quả đo. Ngồi rabộ xử lý tín hiệu cịn có chức năng xử lý và hiệu chỉnh các yếu tố khác ảnh hưởngđến kết quả đo.

<i><b>2,2,2 Phương pháp đo thời gian truyền sáng ( Time of Flight-TOF)</b></i>

Phương pháp đo thời gian truyền sáng (TOF) là một phương pháp quang học tươngtự như hệ thống siêu âm của một con dơi đó là thời gian ánh sáng phát ra và phản xạ trở lạitừ bề mặt đích tới các cảm biến. Do ánh sáng di chuyển với một tốc độ không đổi, cácthông tin về khoảng cách, độ sâu có thể được xác định từ thời điểm chiếu đến thời điểmnhận tín hiệu. Thay vì trực tiếp đo thời gian khác nhau, công nghệ TOF thường đánh giá sựthay đổi pha cho việc truyền ánh sáng bằng cách điều chỉnh ánh sáng phát ra với một tínhiệu định kỳ hình sin khác nhau, có thể được mơ tả tốn học như sau:

S(i) A(i)e <sub>101\* MERGEFORMAT (.)</sub>Trong đó: A(i) là biên độ của tín hiệu.

(i)<sub>là thơng tin pha.</sub>

Tần số f = 20MHz, chiều sâu z tỉ lệ thuận với pha:<small>m</small>Với c là tốc độ ánh sáng c = 3.10<small>8</small>m/s.

Để đo được tín hiệu mã hóa được mơ tả trong phương trình ta phải đo cả cường độvà pha. Do quá trình sản xuất bộ cảm biến TOF phức tạp đồng thời độ phân giải còn kháthấp (~ 320 x 240), độ phân giải độ sâu cũng không cao. Dù độ phân giải về khơng gian vàchiều sâu cịn hạn chế nhưng với thiết kế nhỏ gọn công nghệ TOF vẫn được ứng dụngtrong công nghiệp ô tô.

<i><b>2,2,3 Phương pháp đo stereo vision</b></i>

Stereo Vision sử dụng hai camera để chụp hai hình ảnh 2D từ các góc nhìn khácnhau và dựng lại hình ảnh 3D bằng phương pháp tam giác lượng tương tự phương pháptam giác lượng laser. Kỹ thuật StereoVision cho phép đo toàn bộ bề mặt trong một lần đokhông cần quét và phù hợp với các ứng dụng đo lường tốc độ cao.

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Hình học epipolar là hình học chiếu liên quan tới hai ảnh. Hình học epipolar độclập với cấu trúc ảnh chỉ phụ thuộc vào các tham số trong của camera.

Chiếu điểm từ không gian 3D sang 2D được biểu diễn bởi:xu

ys v A[R, t]

Nếu cả hai camera được hiệu chuẩn trong cùng một hệ tọa độ thực thì hệ thốngStereoVision sẽ cung cấp hai cặp điểm. Điều quan trọng của hệ thống StereoVisionlà tìm các cặp điểm tương ứng từ hai camera, một khi các cặp tương ứng được thiết lập hệtọa độ (x, y, z) có thể được giải quyết bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất vì có 6phương trình và 5 ẩn số. Trong hệ thống này hai hình ảnh chụp từ góc nhìn khác nhauđược sử dụng để tìm các điểm tương ứng trong một góc nhìn để dựng lại hình 3D.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Nhược điểm của phương pháp stereo vision: Việc trích xuất dữ liệu khó khăn, các phéptốn so sánh sự tương quan điểm ảnh giữa hai ảnh rất phức tạp và tốn thời

<i><b>2,2,4 Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc.</b></i>

Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thực hiện đo bề mặt 3D không tiếp xúc, khôngảnh hưởng đến biên dạng và tính chất của bề mặt chi tiết đo. Phương pháp này cũng khơnglàm mài mịn hay phá hủy đầu đo do tuổi thọ hoặc vận hành khơng đúng.

<b>Hình 1,13 Mô tả sơ đồ khối của một hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc.</b>

<b>Hình 1,13 thường bao gồm một bộ phận chiếu ảnh mẫu, một bộ phận thu nhận hình</b>

ảnh và một bộ xử lý, phân tích ảnh. Bộ phận chiếu ảnh thường là máy chiếu, bộ phận thuảnh có thể sử dụng một hoặc nhiều máy ảnh. Nguyên lý của phương pháp đo này là chiếumột miền ánh sáng cấu trúc được mã hóa lên vật thể cần đo, biên dạng bề mặt và ánh sángmã hóa xuất hiện trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy ảnh. Tọa độ2D của chi tiết đo được xác định thông qua cường độ và vị trí của điểm ảnh trên cảm biếnảnh. Độ sâu của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha của ánh sáng mẫu khichiếu lên chi tiết đo và ánh sáng mẫu chiếu lên mặt phẳng chuẩn. Mặt phẳng chuẩn là mặtphẳng đi qua giao điểm của trục quang máy ảnh và máy chiếu và song song với đường nốigiữa pupin vào của máy ảnh và máy chiếu. Hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theophương pháp tam giác lượng theo vùng bề mặt có khả năng thu được tồn bộ bề mặt 3Dtốc độ cao hơn, linh hoạt hơn và dễ dàng thực hiện so với phương pháp tam giác lượngtheo điểm và đường[ CITATION Fra \l 1033 ], [ CITATION Jec \l 1033 ]. Với phươngpháp tam giác lượng theo điểm và đường thường sử dụng nguồn laser được điều biến theodạng điểm và đường khi chiếu lên bề mặt chi tiết đo. Để đo toàn bộ bề mặt 3D phải kết hợpcả cụm dịch chuyển đầu đo hoặc chi tiết đo và hệ thống đo lường dịch chuyển phức tạp.Tín hiệu thu được ở hai phương pháp này là tập hợp các tọa độ theo điểm hoặc đường, do

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

vậy thời gian đo hết toàn bộ bề mặt 3D sẽ lớn [ CITATION Son \l 1033 ]. Hiện nay, có rấtnhiều mơ hình hệ thống với các phương pháp đo khác nhau, việc lựa chọn công cụ vàphương pháp đo phù hợp với một số yêu cầu và chi tiết đo cụ thể là rất quan trọng. Phươngpháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo phương pháp tam giác lượng theo mặt được lựachọn để nghiên cứu và giải quyết các vấn đề khi đo các chi tiết cơ khí. Phương pháp này ítbị ảnh hưởng với ánh sáng môi trường và cho phép giảm méo hình dạng do chuyển độngcủa đầu đo hay chi tiết đo trong q trình đo và có độ nhạy cao hơn đối với các bề mặt chitiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao. Theo kỹ thuật mã hóa ánh sáng cấu trúc đáp ứng việc mãhóa 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.

<b>Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp giao thoa </b>

Phương pháp dùng giao thoa ánh sáng với hai chùm tia laser phẳng rộng [ CITATIONGup \l 1033 ], [ CITATION Tow \l 1033 ]hay bước sóng dải rộng (ánh sáng trắng)[ CITATION Cui \l 1033 ]. Tạo ra các mơ hình giao thoa với các mẫu chiếu là các vân cáchđều nhau. Kích thước mơ hình vân khác nhau có thể thu được bằng cách thay đổi góc giữacác chùm tia. Phương pháp này cho phép thu được chính xác các mơ hình mẫu với vùng cóđộ sâu khơng hạn chế. Tuy nhiên, để xây dựng hệ thống này yêu cầu phải thiết kế hệ thốngvới độ chính xác cao và chi phí lớn.

<b>Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu </b>

- Tạo ánh sáng cấu trúc bằng cách tử.

Có nhiều dạng mẫu ánh sáng cấu trúc được tạo ra bằng cách chiếu các nguồn sángqua cách tử nhiễu xạ [ CITATION Bla \l 1033 ], [ CITATION Xia \l 1033 ]. Tùy theo mụcđích mã hóa có thể thiết kế hệ quang chiếu khác nhau từ đó có thể tạo ra nhiều dạng vânsáng cấu trúc.

- Tạo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu vân dạng số (DFP- Digital FringerProject).

Các vân sáng được mã hóa bằng máy tính và được chiếu bởi một khung hình bêntrong máy chiếu, thông thường là một màn hình LCD, màn hình LCOS hoặc DLP[ CITATION Gup \l 1033 ]. Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai công nghệ, côngnghệ này liên quan đến cơ chế hoạt động bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hìnhảnh, phương pháp truyền qua thường dùng tấm LCD trong khi phương pháp phản chiếuDLP lại sử dụng hàng ngàn gương nhỏ tương ứng hàng ngàn điểm ảnh. Kỹ thuật chiếu ảnhDLP có ưu điểm là tạo được hình ảnh có độ tương phản cao, tạo được hình ảnh mượt hơnkhơng lộ điểm ảnh và có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD.

Những lợi thế của kỹ thuật DFP so với các kỹ thuật khác trong việc đo hình dạng3D chính là việc tạo ra các vân mẫu dạng số một cách tự nhiên. Về nguyên tắc, các đườngvạch được tạo ra bởi máy chiếu màn hình có sự gián đoạn nhỏ do ranh giới điểm ảnh trên

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

màn hình. Trên thực tế ranh giới của các điểm ảnh đủ nhỏ có thể được bỏ qua. So với cácphương pháp tạo vân mẫu tương tự như phương pháp chiếu qua cách tử thì phương phápDFP có xu hướng linh hoạt hơn, dễ dàng hơn và nhanh hơn, so sánh với phương pháp tạovân dựa trên cơ sở giao thoa thì phương pháp DFP khơng bị ảnh hưởng bởi đốm nhiễu vàlỗi dịch pha. Tuy nhiên, phương pháp DFP có thể tạo ra chất lượng vân chiếu khơng cao, vìvậy để tạo ra vân chiếu dạng sin chất lượng cao thì máy chiếu kỹ thuật số cần được nghiêncứu kỹ. Do vậy cấu hình phần cứng của thiết bị phải mạnh và phù hợp, để giảm bớt ảnhhưởng của thiết bị. Độ phân giải quang học của phương pháp chiếu phụ thuộc vào bề rộngcủa vân được sử dụng, chất lượng của hệ thống quang và cũng bị hạn chế bởi bước sóngcủa ánh sáng. Độ phân giải của hệ thống phụ thuộc vào kích thước và số lượng điểm ảnhtrên diện tích bề mặt cảm biến ảnh [ CITATION Lan \l 1033 ]. Trong phạm vi nghiên cứucủa luận án này dùng kỹ thuật chiếu ảnh DLP với ánh sáng trắng dải bước sóng trong vùngnhìn thấy (trong khoảng 400 ÷700 nm) nên việc ảnh hưởng của bước sóng được loại bỏ.Mỗi phương pháp đo lường 3D sử dụng kỹ thuật DFP đã được nghiên cứu và phát triểngiải quyết các vấn đề khác nhau trong việc đo lường các chi tiết đo cụ thể. Trong đóphương pháp sử dụng pha thay vì cường độ có độ nhạy lớn và tính chống nhiễu tốt khi đocác bề mặt có sự biến đổi phản xạ bề mặt lớn, và có thể đạt được độ phân giải không gianhoặc thời gian cao. Một số tác giả, đã đánh giá chi tiết các kỹ thuật khác nhau như: phươngpháp mã nhị phân Gray code [ CITATION Gup \l 1033 ] phương pháp mã dịch pha,phương pháp mã hóa màu, phương pháp kết hợp mã dịch pha và Gray. Trong các phươngpháp đo sử dụng kỹ thuật DLP mã hóa ánh sáng theo thời gian thì phương pháp kết hợpđược coi là một phương pháp có nhiều ưu điểm thực tiễn nhất cho phép đo các bề mặt 3Dkhông liên tục và phức tạp. Gần đây việc kết hợp mã Gray và dịch pha PSGC trở thànhmột xu hướng phát triển và điểm nóng nghiên cứu cho phương pháp đo bằng ánh sáng cấutrúc [ CITATION Che \l 1033 ]. Phương pháp kết hợp này tận dụng lợi thế và hạn chế cácnhược điểm riêng của từng phương pháp nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu suất đo đểđo các vật thể có các bề mặt có độ dốc lớn hoặc bề mặt khơng liên tục.

Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc thu ảnh chi tiết đo thơng qua hệ thốngquang nên độ chính xác phép đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thông số hiệu chuẩn hệ thống,quang sai của hệ thống, đặc tính phản xạ của bề mặt chi tiết đo, cường độ ánh sáng nền,nhiễu. Trong phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thì hệ thống quang học được mơ hình hóakhi tính tốn các tọa độ điểm đo và các thơng số của mơ hình được xác định qua q trìnhhiệu chuẩn. Các thơng số hình học của các thiết bị quang học cần được tính tốn xác địnhnhư: vị trí tâm ống kính, tiêu cự của máy ảnh và máy chiếu. Để hiệu chuẩn chính xác yêucầu hiệu chuẩn các thơng số của thiết bị thu phát tín hiệu và mối quan hệ hình học giữa haithiết bị này. Tuy nhiên các mơ hình chưa tính đến tất cả các thông tin của hệ thống quanghọc như: quang sai của hệ quang, sai lệch của cường độ phát so với cường độ thu, độ tuyếntính của ánh sáng chiếu của máy chiếu và máy ảnh. Như vậy, việc hiệu chuẩn chính xáccàng nhiều thơng số của hệ quang thì độ chính xác của hệ thống càng cao. Việc hiệu chuẩnhệ thống để đạt được kết quả dựng hình 3D với độ chính xác cao cũng như việc nghiên cứucác quy trình hiệu chuẩn đơn giản đạt được độ chính xác cao đã được nghiên cứu đề cậptrong nhiều năm qua .

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Đối với phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, đặc tính bề mặt cũng như ánhsáng mẫu chiếu tới bề mặt chi tiết đo ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng ảnh thu được. Dữliệu bề mặt chi tiết đo có cường độ phản xạ bề mặt lớn không thể thu được một cách chínhxác. Do hiệu ứng phản xạ bề mặt có thể làm thay đổi giá trị cường độ các vân mẫu chiếutrong ảnh giải mã chúng làm nhiễu mô hình giải mã. Những đoạn mã bị nhiễu sau khi đượcgiải mã sẽ bị sai lệch. Vì vậy dữ liệu được phân tích sẽ khơng chính xác. Một phương pháphiện thường dùng để giải quyết vấn đề phản xạ bề mặt là sử dụng phương pháp phun phủbề mặt chi tiết đo làm giảm phản xạ bề mặt khi đo bằng các phương pháp quang học . Sửdụng phương pháp phun phủ bề mặt cần có cơng đoạn tiền xử lý và hậu xử lý về mặt trướcvà sau khi đo làm tăng chi phí khi đo. Như vậy, khi nghiên cứu phương pháp đo sử dụngánh sáng cấu trúc để đo các chi tiết có phản xạ bề mặt cao vấn đề về ảnh hưởng của phảnxạ bề mặt cần được nghiên cứu để làm giảm ảnh hưởng của các yếu tố này đến độ chínhxác của hệ thống.

Đặc điểm của chi tiết cơ khí với vật liệu kim loại thành phần truyền qua là rất nhỏcoi như bằng không, thành phần phản xạ bề mặt là rất lớn. Do bề mặt vật liệu kim loại cómức biến đổi cường độ cao hơn rất nhiều so với bức xạ thông thường. Mức độ phản xạ vàtán xạ của bề mặt chi tiết phụ thuộc vào nhám và biên dạng bề mặt, đặc tính vật liệu của bềmặt. Cường độ phản xạ bề mặt thu được phụ thuộc vào hướng chiếu và thu ánh sáng

Có thể thấy rằng, phương pháp đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc đang đượcnghiên cứu sâu và ngày càng phát triển, vì vậy vấn đề nghiên cứu và phương pháp đo 3D làcấp thiết để phục vụ phát triển cơng nghiệp nói riêng và hiện đại hóa đất nước nói chung.Với phương pháp đo sử dụng mã dịch pha kết hợp mã Gray này tận dụng được khả năngchống nhiễu tốt của mã Gray, và có thể gỡ pha tuyệt đối của mã hóa tương tự mà khơng cósự tích lũy lỗi. Hơn nữa sử dụng kỹ thuật dịch pha để thực hiện phép đo với mật độ lấymẫu cao, độ phân giải cao và độ chính xác cao.

Để giải quyết vấn đề đo các chi tiết cơ khí gia cơng CNC với bề mặt phức tạp cóphản xạ bề mặt cao thì phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray làphương pháp phù hợp nhất. Muốn vậy cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu các phương phápđảm bảo và nâng cao độ chính xác lên hơn nữa cũng như giải quyết vấn đề giảm ảnhhưởng của phản xạ bề mặt.

<i><b>2,2,4,1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray</b></i>

Trong các phương pháp đo bằng ánh sáng cầu trúc, phương pháp dịch pha có độphân giải cao nhất nhờ việc, xác định giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy chiếutrong một chu kỳ sin. Tuy nhiên đối với bề mặt có độ dốc lớn hoặc khơng liên tục thì sẽkhó phân biệt được từng chu kỳ sin. Mặc dù phương pháp Gray có độ phân giải thấp songcó giá trị mã hóa mỗi vân mẫu là duy nhất. Do vậy, dùng phương pháp mã hóa Gray để xácđịnh duy nhất cho mỗi chu kỳ sin giúp giảm lỗi gỡ pha. Phương pháp kết hợp cho mốiquan hệ duy nhất giữa các điểm ảnh của máy ảnh và các điểm ảnh của máy chiếu sao cho

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

mối quan hệ của các điểm này sẽ là các phép chiếu 2D của cùng 1 điểm trong tọa độ thực3D.

<i><b>2,2,4,2 Phương pháp dịch pha</b></i>

Phương pháp dịch pha là phương pháp tiêu biểu trong đo lường không tiếp xúc sửdụng ánh sáng cấu trúc do có ưu điểm lớn nhất đem lại độ phân giải cao, độ chính xác caodo việc xử lý tín hiệu có thể đạt tới phạm vi nhỏ hơn điểm ảnh của cảm biến. Bề mặt 3Dcủa chi tiết đo được xác định một cách chính xác và nhanh chóng .

<i><b>Hình 1,14 mặt cắt ngang vng góc với mặt phẳng tham chiếu và ảnh của vân dạng</b></i>

sin được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu. <b>Hình 1,14</b> là ảnh mẫu ánh sáng được mã hóatheo chu kỳ sin được chiếu lần lượt và lệch pha nhau. Ảnh mẫu thu được từ bề mặt chi tiếtđo với sự biến đổi pha của cường độ điều biến chứa thông tin chiều cao của các điểm trênbề mặt của đối tượng đo. Cường độ sáng của điểm ảnh phụ thuộc vào giá trị pha theo biểuthức sau:on 1

I x, y, t I’ x, y I’’ x, y cos [ x, y t ] 404\* MERGEFORMAT (.)

Trong đó: I<small>i </small>(x, y, t) là cường độ ánh sáng của các ảnh mẫu chiếu được chiếu bằngmáy chiếu. I’(x, y) là cường độ ánh sáng nền, I’’(x, y) là cường độ ánh sáng điều biến, Ø(x,

y) là thành phần pha lý tưởng, 2

4 là hằng số góc dịch pha, i=1, 2, 3, 4. Mỗi thuậttoán dịch pha được lựa chọn sẽ có quy trình đo và xử lý dữ liệu khác nhau. Các thuật toándịch pha đã được phát triển như: Dịch pha 3 bước [ CITATION Fra \l 1033 ], dịch pha 4bước, dịch pha 5 bước [ CITATION Gup \l 1033 ]. Số bước dịch pha sử dụng càng nhiềuthì ảnh hưởng của nhiễu càng nhỏ. Tuy nhiên, dùng nhiều bước vân mẫu dịch pha thì quátrình gỡ pha sẽ rất phức tạp.

Ảnh mẫu dịch pha 4 bước với pha là :

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

606\*MERGEFORMAT (.)

I (x, y) I (x, y) I (x, y)cos[ (x, y)<small>3</small> ] <sub>707\*</sub>MERGEFORMAT (.)

3I (x, y) I (x, y) I (x, y) cos (x, y)

MERGEFORMAT (.)

Trong đó I (x, y), I (x, y), I (x, y), I (x, y)<small>1 2 3 4 </small> tương ứng là cường độ sáng phân bố tạitọa độ (x, y) của 4 ảnh mẫu chiếu trên mặt phẳng tham chiếu Từ phương trình (1.2), (1.3),. (1.4), (1.5) sẽ xác định được các giá trị pha tương đối ( ( ( <small>�</small>( ( , ) của các điểm đo.

Giá trị pha <small>�</small> là ma trận 2 chiều tương ứng với kích thước của CCD. Hàm arctangián đoạn ở 2π, nên pha tương đối chỉ được phân bố liên tục trong phạm vi từ 0 đến 2π.Khi trên bề mặt vật đo có hai mặt phẳng tạo nên độ lệch pha lớn hơn 2π sẽ gây ra các điểmkhơng xác định. Nếu tần số sóng sin được sử dụng trong ảnh mẫu mã hóa ánh sáng cấu trúclà 1 chu kỳ trên toàn bộ vùng chiếu, thì thuật tốn gỡ pha là khơng cần thiết song độ phângiải các điểm đo sẽ thấp nhất. Tần số sóng sin càng cao thì độ phân giải càng lớn nhưng sẽchịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu và cần phải sử dụng thuật toán gỡ pha. Bản chất của quátrình gỡ pha là quá trình xác định các vị trí gián đoạn 2π. Sau đó di chuyển các đoạn phatương đối này bằng cách thêm hoặc bớt đi một số lượng k<small>G</small>(x, y) modul pha 2π để nối tiếpcác pha tương đối thành pha tuyệt đối liên tục trên tồn bộ vùng khơng gian đo.

Hiện nay, có hai phương pháp gỡ pha được nghiên cứu ứng dụng : gỡ pha khônggian và gỡ pha thời gian. Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương pháp là gỡ pha thời giankhơng địi hỏi phải biết các thông tin pha điểm ảnh lân cận để thực hiện gỡ pha. Gỡ phakhông gian quayquanh phát hiện sự gián đoạn 2π từ các điểm ảnh lân cận và do đó địi hỏibề mặt liên tục. (Ví dụ, bề mặt hình học khơng thể gây ra những thay đổi pha 2π). Thuậttốn gỡ pha khơng gian thường ứng dụng đo các bề mặt bằng phẳng và không có vùng bịgián đoạn. Ngược lại phương pháp gỡ pha thời gian là phù hợp để đo chi tiết đo có bề mặthình học tùy ý. Pha tuyệt đối có thể thu được thông qua một số phương pháp gỡ pha thờigian đã được nghiên cứu: thêm các dấu trên ảnh liên tục, sử dụng thuật toán dịch pha nhiềutần số hoặc một thuật tốn mã hóa nhị phân và dịch pha, mã hóa Gray kết hợp dịch pha ,mã hóa bậc thang kết hợp dịch pha.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<i><b>2,2,4,3 Phương pháp mã Gray</b></i>

Hiện nay, để đạt độ phân giải cao độ chính xác cao và chống nhiễu tốt, phương phápđo dịch pha kết hợp với mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) làphương pháp được quan tâm nhiều nhất. Đặc biệt để ứng dụng đo các chi tiết cơ khí.

Nguyên lý đo 3D của phương pháp PSGC là chiếu tuần tự các ảnh mẫu dịch pha vàmã Gray lên chi tiết đo, vân mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lạibởi hệ thống máy ảnh, sự biến dạng của vân mẫu ánh sáng trên chi tiết so với vân mẫu ánhsáng được chiếu phụ thuộc vào hình dạng bề mặt chi tiết đo [ CITATION Gup \l 1033 ].Thông qua các quan hệ hình học giữa vị trí máy chiếu và máy ảnh, giữa cường độ các điểmảnh và mẫu chiếu thu được có thể xác định được độ sâu của các điểm bề mặt chi tiết đodựa vào phương pháp tam giác lượng.

Một đơn vị mã duy nhất của mã Gray sẽ xác định thứ tự vân k<small>G</small>(x, y) tương ứng vớimỗi chu kỳ pha 2π, với k (x, y)<small>G</small> là số nguyên đại diện cho thứ tự vân. Mục tiêu của thuậttốn gỡ pha là tìm được thứ tự mỗi chu kỳ sin một cách chính xác cho mỗi điểm ảnh.Trong phương pháp PSGC, giá trị chính của mã sin được gỡ bằng thuật toán dịch pha đểthu được bản đồ pha tương đối, còn giá trị tuyệt đối hay thứ tự pha được xác định bằngthuật toán Gray. Nhờ đó thuật tốn dịch pha kết hợp mã Gray có khả năng đo biên dạng bềmặt 3D của các chi tiết phức tạp có bề mặt khơng liên tục và độ dốc lớn mà không cần sửdụng thuật tốn gỡ pha phức tạp. Ngồi ra, phương pháp kết hợp này cịn có thể giảm thiểuđược nhiễu khi gỡ pha tuyệt đối.

<b>Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo PSGC.</b>

Trong thuật toán xác định thứ vân k<small>G</small>(x, y) cần xác định được biên của các vân. Các biên của vân là các đường thẳng khi ảnh mẫu chiếu trên mặt phẳng tham chiếu. Trong hình 1.5 mơ tả cách tìm biên vân của 3 ảnh mẫu mã Gray được chiếu trong không gian chiếu và tạo ra 2 -1 biên. <small>3</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Mặt phẳng tham chiếu được chia làm 8 phần là các vân có độ rộng nhất định cótrình tự chiếu với mã cường độ là duy nhất, được biểu diễn bởi một từ mã. Các ảnh mẫuđược chiếu theo thứ tự G<small>1</small>, G<small>2</small>, và , cường độ chiếu ở vân thứ nhất từ trái sang là trắng-G<small>3</small>đen-đen, do đó đoạn mã duy nhất tương ứng là 100.

Sau khi xác định được biên của vân, bước tiếp theo là xác định số thứ tự vân củaảnh chiếu mã Gray theo hàng và cột, lưu vào một ma trận với hai thông số hàng và cộttương ứng với số vân mỗi hàng và cột. Khi đó chỉ số k<small>G </small>sẽ tương ứng với chỉ số của hàngvà cột tương ứng. Ma trận hệ số k<small>G</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

Như <b>Hình 1,17</b>, kích thước của CCD là C<small>u</small> × C<small>v</small> được gọi là mặt phẳng ảnh. Mỗiđiểm ảnh trên cảm biến máy ảnh CCD được xác định bằng giá trị hàng và cột . Quangu vtâm của máy chiếu là OO'', quang tâm của máy ảnh OO' cắt nhau tạo O. Mặt phẳng thamchiếu (R ) là mặt phẳng đi qua tâm O và song song với đường cơ sở O'O'' là đường nối<small>0</small>giữa pupin vào của máy ảnh và pupin ra của máy chiếu O'O''=b. Khoảng cách giữa pupinvào của máy ảnh và mặt phẳng (R ) là <small>0</small> L. Thuật toán xác định tọa độ 3D của vật thể dựatrên phương pháp tam giác lượng quang học. Tọa độ của một điểm nằm trên mặt phẳng(R<small>0</small>) được xác định bởi tọa độ điểm ảnh trên mặt phẳng ảnh của máy ảnh với các thông số:tọa độ điểm ảnh và từ mã dịch pha và mã Gray thu được khi chiếu một loạt ảnh mẫu mãhóa lên (R ). <small>0</small>

Khi ánh sáng dịch pha và mã Gray được chiếu lên (R ), dựng được bản đồ pha mặt<small>0</small>phẳng tham chiếu (RP). Khi chi tiết đo được đặt trong vùng đo, dựng được bản đồ pha khicó vật (OP). Chiều cao của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha giữa điểm ảnhtrên bản đồ pha (RP) và bản đồ pha (OP).

Điểm A nằm trên mặt phẳng (R ) khi khơng có vật thì điểm A có ảnh là điểm B' (<small>0</small> u,v') trên CCD và có từ mã trùng với từ mã của điểm B'' trên DMD của máy chiếu. Từ điểmnhìn của máy chiếu là điểm C trên bề mặt của vật có giá trị pha tương đương với điểm Atrên mặt phẳng tham chiếu <small>C</small> = <sup>r</sup><small>A</small>, điểm C trên bề mặt vật và điểm B trên (R ) có cùng<small>0</small>giá trị điểm ảnh A' (u, v) trên CCD.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

<b>CHƯƠNG II: CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐO LƯỜNG 3D 1, Tổng quan về cảm biến</b>

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học haysinh học của mơi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thơng tinvề trạng thái hay q trình đó.

<i><b>1,2, Cấu tạo chung</b></i>

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các loại cảm biến phục vụ các mục đích khác nhaunhưng chung quy lại chúng đều được làm từ các sensor phần tử điện thay đổi tính chất theosự biến đổi của mơi trường (đầu dị).

Cấu tạo gồm các phần tử mạch điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh được đóng gói nhỏgọn. Các tín hiệu phát ra được quy chuẩn theo mức điện áp và dịng điện thơng dụng nhấtphù hợp với các bộ điều khiển.

Cảm biến hóa học: thường thấy như độ ẩm, độ PH, ion, khói,...

Ngồi ra ta cũng có một số hình thức phân chia khác.

Cảm biến chủ động: không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điểnhình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặtCảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình làcác photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-nđược phân cực ngược.

<i><b>Phân loại theo nguyên lí hoạt động</b></i>

Theo ngun lí hoạt động ta có thể kể đến những loại cảm biến nổi bật như:

Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biếntrở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.

Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm biếndịng xốy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,….

Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện,…

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấpnháy, cảm biến điện hóa đầu dị ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ,…

Hệ thống thăm dò là một phần thiết yếu của CMM vì chúng tạo thành mối liên hệ giữa cáctrục đo chiều dài của CMM và phôi được đo. Do nhiệm vụ cảm nhận sự gần gũi với bề mặtphơi, chúng có tầm quan trọng vượt trội trong việc đảm bảo hiệu suất hệ thống cao. Tùythuộc vào nhiệm vụ đo lường, vật liệu cần được thăm dò, CMM được sử dụng, thông số kỹthuật liên quan đến độ phân giải cần thiết và tốc độ đo mong muốn, và nhiều yếu tố khác,sự kết hợp tối ưu của CMM và hệ thống thăm dò phải được chọn. Điều này cũng có thể cónghĩa là việc sử dụng một số hệ thống thăm dò khác nhau trên một CMM để đo các thànhphần phức tạp. Do nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ đo lường và độ chính xác, có mộtxuhướng strong đối với các hệ thống đa cảm biến. Các xu hướng khác trong tương lai cho cáchệ thống thăm dò là thu nhỏ để đo lường các vi mô phức tạp, cải thiện nền kinh tế và tốcđộ để giảm chi phí và thời gian cho mỗi điểm đo được, và cải thiện độ tin cậy của kết quảđo lường bằng cách thu thập thông tin tồn diện về phơi và bằng cách cải thiện khả năngmiễn dịch của hệ thống đối với ảnh hưởng môi trường.

Các hệ thống thăm dò đầu tiên cho CMM chỉ là styli cứng, phải được đưa vào tiếp xúc vớiphôi bằng tay bởi người vận hành CMM. Sau khi thiết lập thơng số , người vận hành phảikích hoạt một chương trình các trục máy, thường được thực hiện với sự trợ giúp của cơngtắc chân. Vì việc phát hiện tiếp xúc được tìm ra bởi bộ phận điều hành của CMM, quá trìnhnày là chậm, chủ quan, và dễ bị lỗi. Lực thăm dị tĩnh khơng thể được kiểm sốt hoặc hạnchế và lực thăm dị động quá lớn để đo các bộ phận tinh tế một cách chính xác và khơng bịtổn hại. Trong vấn đề này, đầu dị cứng giới hạn kích thước và tính chất động của CMM, vìkhơng thể điều khiển chúng bằng điện.

Năm 1972, Sir David McMurtry của Tập đoàn Rolls-Royce đã phải đối mặt với vấn đề nàykhi ơng có nhiệm vụ đo ống nhiên liệu tốt; ông đã giải quyết nó với phát minh của mình vềhệ thống thăm dị điện trở động lực (Hình 6.4a; McMurtry 2003). Đây là hệ thống thăm dòđầu tiên cho phép một số đầu đo sau khi phát hiện tiếp xúc tự động bằng cách hướng dẫnđộng học trước của bút stylus đầu dò. Khi các đầu dị chạm vào phơi, cơ chế động học trởnên không được giải nén do một sự hỗ trợ bổ sung tại điểm bề mặt thăm dò của phơi. Bahỗ trợ động học của đầu dị được thực hiện dưới dạng công tắc điện kết nối chuỗi, chophép một phương tiện phát hiện tiếp xúc tự động dễ dàng nhưng đáng tin cậy bằng cách đođiện trở. Lò xo mềm để chuẩn bị cho phép vài milimet hành trình trong khi hạn chế lựctiếp xúc một cách hiệu quả. Phát minh này là một bước đột phá trong đo lường tọa độ, vànó kích thích sự phát triển của các hệ thống thăm dò tinh vi hơn cũng như các CMM lớnhơn, nhanh hơn, tự động và chính xác hơn nhiều.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Ngay sau khi hệ thống thăm dị kích hoạt cảm ứng đầu tiên được giới thiệu, công ty CarlZeiss đã giới thiệu vào năm 1973 CMM đầu tiên của họ, UMM500, với một hệ thống thămdò đo ba chiều (3D) chuyên dụng bao gồm ba trục xếp chồng lên nhau, mỗi trục được trangbị một bộ truyền động để tạo lực thăm dò chủ động và một cảm biến cảm ứng để đo lượnggiãn nước. Đây là máy đo 3D đo hệ thống cho CMMs và cũng là người đầu tiên có thế lựcthăm dị tích cực. Người kế nhiệm của hai hệ thống này vẫn là một trong những loại hệthống thăm dò CMM quan trọng nhất.

<i><b>2,2 Cấu hình cơ bản của 1 hệ thống đo tiếp xúc</b></i>

Để hoàn thành nhiệm vụ của mình như là liên kết giữa CMM và phơi, một hệ thống thămdị xúc giác phải có ít nhất các thành phần sau đây (Hình 2,2):

• Một yếu tố thăm dò để thiết lập một tương tác cơ học với bề mặt phơi, ví dụ, bóngtip. Quả bóng tip phải thể hiện sự lệch lệ hình thức rất thấp, độ cứng cao và haomòn thấp, và chúng thường được làm từ ruby.

Một thiết bị truyền, ví dụ, trục bút stylus, để chuyển thơng tin liên lạc (ví dụ: lực thăm dò)đến cảm biến. Trục bút stylus phải hiển thị độ cứng rất cao và đồng đều, giãn nở nhiệt thấpvà trọng lượng thấp. Ví dụ, vật liệu được lựa chọn là thép, cacbua vonfram, gốm sứ hoặcnhựa gia cố sợi carbon

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

Hệ thống thăm dò xúc giác cơ bản trong thiết kế điện trở động lực.

• Một yếu tố tạo ra và kiểm soát lực để tạo ra một lực thăm dị được xác định, ví dụ,một lị xo . Nó là quan trọng để đạt được một lực thăm dò đẳng đới; lượng lựcphải được lựa chọn theo phơi, yếu tố thăm dị, và ảnh hưởng môi trường như độẩm bề mặt và rung động. Một số hệ thống thăm dò sử dụng lực thăm dò chủđộng, ví dụ, được tạo ra bởi bộ truyền động cuộn dây thoại.

• Một cảm biến để đánh giá thơng tin tiếp xúc (ví dụ: cơng tắc, lực hoặc cảm biếnthay thế). Bên cạnh những hệ thống chỉ đơn thuần phát hiện tiếp xúc, các hệthống thăm dò đo hướng và cường độ dịch chuyển bút stylus cũng phổ biến.• Một giao diện với CMM để truyền thông tin tiếp xúc đo được đến bộ điều khiển để

kích hoạt đo vị trí của các trục CMM, xử lý thêm và đánh giá vị trí của điểm đượcthăm dị trong hệ tọa độ máy.

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Hệ thống đo CMM thường được phân loại theo loại tương tác với phôi cần đo.Ngay cả ngày nay, phổ biến nhất là các hệ thống thăm dò xúc giác sử dụng lực tương tácgiữa phần tử thăm dị và phơi. Tiếp xúc với phơi được phát hiện khi lực thăm dị vượtq một giá trị được điều khiển bằng điện tử hoặc cơ học. Một ví dụ là hệ thống thăm dịđiện trở động học phát hiện

tiếp xúc với phôi khi lực thăm dị đủ cao để mở ít nhất một trong các tiếp điểm độnghọc, được đóng bằng

<i><b>2,3, Nguyên lý hoạt động2,3,1, Nguyên tắc hoạt động</b></i>

Có những hệ thống thăm dò chỉ phát hiện tiếp xúc và do đó có đầu ra Boolean (liên hệcó hoặc khơng) -hệ thống thăm dị kích hoạt cảm ứng. Ngồi ra cịn có các hệ thống đảmbảo một vector thăm dò (tiêu chuẩn và hướng) -đo lường các hệ thống thăm dị.

Hệ thống thăm dị kích hoạt cảm ứng phù hợp để đo các tính năng bề mặt tiêu chuẩn,bởi vì một số lượng tương đối nhỏ các điểm thăm dò rời rạc thường là đủ và bù đắp ảnhhưởng của đường kính bóng tip và làm sáng trước đầu thăm dị có thể dễ dàng được thựchiện bằng cách thêm hoặc bớt đường kính quả bóng đầu hiệu quả với kích thước hoặc vị tríđược đo bằng nó (bù bán kính bóng tip tại tính năng đo được). Đối với việc đo các bề mặtđiêu khắc (dạng tự do), đo các hệ thống thăm dị có lợi thế do khả năng quét và khả năngbù trực tiếp cho đường kính bóng tip hiệu quả với sự trợ giúp của vectơ thăm dị chắc chắn(bù bán kính bóng đầu tại mỗi điểm thăm dị).

Nói chung, ưu điểm của hệ thống thăm dị kích hoạt cảm ứng là giá cả, trọng lượng vàkích thước thấp; khả năng sử dụng đầu khớp nối; và cải tiến các đặc tính động của hệ thốngCMM. Trái ngược với các hệ thống này, đo lường các hệ thống thăm dị là thường chính

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

xác hơn, cho phép ngoại suy các điểm thăm dị thành lực thăm dị ảo bằng khơng và có khảnăng quét cả các đối tượng đã biết và không xác định.

Các hệ thống thăm dị kích hoạt cảm ứng luôn đo một cách linh hoạt, nghĩa là chúngphát hiện một điểm bề mặt trong khi CMM đang di chuyển. Đo lường các hệ thống thămdị có thể đo bằng động hoặc tĩnh, nghĩa là tọa độ của hệ thống thăm dò và CMM được đọcra trong thời gian máy dừng.

<i><b>2,3,2, Phương thức hoạt động</b></i>

Kết nối chặt chẽ với nguyên tắc hoạt động là phương thức hoạt động của các hệ thốngthăm dò. Trong khi các hệ thống thăm dò kích hoạt cảm ứng chỉ thu thập một vài điểmthăm dị rời rạc, các hệ thống đo có thể giữ liên lạc với bề mặt phôi và thu thập hàng ngànđiểm trên đường đi của chúng dọc theo bề mặt, được gọi là qt.

Nói chung, độ khơng đảm bảo đo lường cho vị trí của một điểm cao hơn trong chế độquét do ảnh hưởng động; nhưng do tỷ lệ điểm cao hơn nhiều, nhiều thông tin hơn về phơiđược thu thập, cho phép thử nghiệm các tính chất phức tạp nhiều hơn của phơi. Thăm dịđiểm rời rạc là thích hợp cho sự chắc chắn của các tính năng hình học tiêu chuẩn, khi độlệch hình thức khơng được đánh giá. Trong chế độ quét, nó cũng là khơng thể để đánh giáđộ lệch hình học ngồi kích thước của các tính năng hình học. Điều này là cần thiết khi độlệch hình học dự kiến của một bộ phận được kiểm tra không đáng kể so với dung sai quyđịnh. Ngồi ra cịn có khả năng qt với các hệ thống kích hoạt cảm ứng, nơi khoảng cáchgiữa các điểm thăm dò rời rạc được giữ rất nhỏ.

Tạo và kiểm sốt một lực thăm dò được xác định là rất quan trọng để đảm bảo khả nănglặp lại và tính chính xác của kết quả đo lường do các hiệu ứng phụ thuộc lực thăm dò nhưuốn bút stylus, biến dạng nhựa và đàn hồi của bóng đầu và chi tiết gia cơng, cũng như độtuyến tính của cảm biến tiếp xúc của hệ thống thăm dò.

Hầu như tất cả các hệ thống thăm dị kích hoạt cảm ứng và cũng có một số hệ thốngthăm dò đo lường sử dụng tạo lực thăm dò thụ động, nghĩa là lực thăm dò được tạo ra bởimột yếu tố đàn hồi (ví dụ: cuộn dây hoặc lò xo lá) tương ứng với sự biến dạng của yếu tốđó. Tạo hệ lực thăm dị chủ động sử dụng bộ truyền động (ví dụ: cuộn dây giọng nói) tácdụng lực điều khiển lên bút stylus, độc lập với sự dịch chuyển bóng đầu.

Các hệ thống tạo lực thăm dị thụ động có lợi thế là rẻ hơn, nhỏ gọn hơn và có trọnglượng ít hơn do khơng có bộ truyền động và bộ đẩy con của chúng. Một nhược điểm là ảnhhưởng của lực tiếp xúc khác nhau đối với kết quả đo được do sự dịch chuyển khác nhau.Tạo lực thăm dị chủ động có thể giảm thiểu sự thay đổi lực và độ không đảm bảo đo củaphép đo;nhưng ngay cả với lực thăm dị liên tục, vẫn có các hiệu ứng đàn hồi khác nhau dođộ cứng khác nhau của hệ thống thăm dị, bút stylus và phơi theo hướng tải.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Để thiết lập một hệ thống động học 3 DOF (DOF là viết tắt của degree of freedom), khicần thiết cho nhiều hệ thống thăm dò khác nhau, về cơ bản có hai nguyên tắc của thựchiện: (1) động học nối tiếp và (2) động học song song. Các động học nối tiếp bao gồm mộtsố trục độc lập xếp chồng lên nhau (dịch hoặc xoay), một cho mỗi DOF. Để có được vị trícủa phần chuyển động, các dịch chuyển trong mỗi trục chỉ cần được thêm vào. Trong độnghọc song song,mỗi trục dịch và xoay khơng dành riêng cho một DOF, vì vậy chuyển độngtrong một DOF có thể là động tác kết hợp trong một số trục động học. Thông thườngkhông thể di chuyển hệ thống chỉ trong một trục động học.

Vì các hệ thống thăm dị kích hoạt cảm ứng chỉ phát hiện tiếp xúc bề mặt mà khôngcung cấp bất kỳ thông tin nào về vectơ thăm dò , khơng cần thiết phải chia tổng dịch<b>b</b>

chuyển bóng đầu vào một số trục tọa độ; do đó, các hệ thống này hoạt động với động họcsong song. Để đo các hệ thống thăm dò, cả hai mối quan hệ đều được sử dụng trong thựctế, và thông thường, sự dịch chuyển được đo riêng biệt trong mỗi trục động học.

Động học nối tiếp thường cung cấp những lợi thế về phạm vi di chuyển lớn hơn, chế tạovà hiệu chuẩn dễ dàng hơn, và giảm độ khơng chính xác khi di chuyển chỉ trong một trục.Nhược điểm là kích thước và khối lượng lớn hơn, độ cứng thấp hơn và mắc chéo giữa cáctrục.

Do lợi thế của nó về kích thước, độ cứng và trọng lượng, động học song song được sửdụng trong hầu hết các hệ thống vi mô.

<i><b>2,4,1 Kích thước của phần tử thăm dị</b></i>

Đối với việc đo lường hầu hết các bộ phận trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, chẳng hạnnhư các thành phần động cơ, bánh răng, trục và các bộ phận kim loại tấm được tạo hình, hệthống thăm dị có kích thước theo quy ước với đường kính đầu bi từ 1 đến 8 mm và lựcthăm dò tĩnh từ 50 đến 200 mN là phù hợp nhất. Khả năng lặp lại của một điểm thăm dòduy nhất thường nằm trong khoảng 0,1 đến 10 μm tùy thuộc vào hệ thống CMM được sửdụng, hệ thống thăm dò,chất lượng bề mặt phôi và nhiều mặt khác. Đo lường các hệ thốngthăm dị trong lĩnh vực này thường có phạm vi đo vài milimet theo mỗi hướng.

Tuy nhiên, lĩnh vực đang phát triển của công nghệ hệ thống vi mô (MST), đòi hỏi cácyếu tố thăm dò nhỏ hơn nhiều, độ phân giải tốt hơn và tĩnh nhỏ hơn và

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

lực thăm dị động do kích thước nhỏ và các tính năng được đo. Những cấu trúc tinh vi nhưvậy, thường có tỷ lệ khung hình cao, làm tăng thêm nhu cầu đối với các hệ thống thăm dịvi mơ (Weckenmann, Peggs và Hoffmann 2006). Loại mẫu vật thay đổi từ ống kính siêunhỏ, bánh răng siêu nhỏ và vịi phun nhiên liệu đến các tính năng và cấu trúc trên hệ thốngvi cơ điện tử (MEMS). Ngày nay, có một số hệ thống thăm dị 3D có sẵn trên thị trườngcho các vi CMM, hầu hết chúng đều cho thấy sự tương đồng gần giống với các hệ thống cókích thước thơng thường. Lực dị phải được giới hạn dưới 1 mN để tránh biến dạng dẻo củaphơi do ứng suất tiếp xúc Hertzian, có thể đạt giá trị đáng kể ngay cả ở lực tiếp xúc thấp dobán kính cong thấp của các phần tử vi mơ:

Trong đó :

σ :ứng xuất tiếp xúc HertzianF : Lực tiếp xúc

w<small>0 </small>: Biến dạng đàn hồi

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

r : Bán kính bóng tipE :Mơ đun của Young hiệu quảΥ : Tỷ lệ của Poisson

E<small>1 :</small>Mô đun của young của bóng tip E<small>2 :</small>Mơ đun phơi của Young

Hệ thống vi mô thường được sử dụng với các đầu bi có đường kính từ 0,5 đến 0,1 mm vàchiều dài thân của một vài mm. Phạm vi đo theo thứ tự vài chục micromet ở độ phân giảivài nanomet. Khả năng tái tạo của máy đo xuống tới vài chục nanomet đã được báo cáo,tùy thuộc vào bút stylus, nhiệm vụ đo, đặc điểm vật liệu và bề mặt của mẫu, cũng như cácđiều kiện môi trường như độ sạch và nhiệt độ ổn định (Flack 2001c; Küng, Meli, vàThalmann 2007).

<i><b>2,4,2 Trình độ của hệ thống thăm dị</b></i>

Chất lượng của hệ thống đo lường có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của CMM, vì kết quảcủa nó (vectơ vị trí khơng tải của đầu bi rp và chiều dài hiệu dụng của vectơ tương quanđầu b) được sử dụng để tính tốn từng kết quả đo với đầu bi và bút cảm ứng. Các sai số đolường do khơng đủ trình độ chun mơn rất khó nhận ra vì chúng có thể lặp lại và nhấtqn. Đường kính đầu bi hiệu dụng khơng chỉ xem xét các kích thước vật lý thực tế của bộphận thăm dị mà còn xem xét các biến dạng đàn hồi của thân bút, bộ phận thăm dị và phơido lực thăm dị gây ra ,cũng như các đặc tính làm sáng trước của hệ thống thăm dò.Như một kết luận trực tiếp, tất cả các thông số ảnh hưởng đến biến dạng đàn hồi (lực vàhướng thăm dò, vật liệu và độ nhám bề mặt của hiện vật / phôi, v.v.) và làm sáng tỏ các đặcđiểm của hệ thống thăm dò (chế độ vận hành, quét hoặc dò điểm rời rạc, tốc độ tiếp cận,hướng thăm dò , v.v.) phải tương tự về chất lượng và phép đo tiếp theo để đạt được kết quảtốt nhất. Đường kính đầu bi hiệu dụng cũng có thể phụ thuộc theo hướng do bất kỳ yếu tốnào sau đây:

• Độ lệch hình dạng của đầu bi• Độ cứng bút stylus dị hướng• Lực thăm dò dị hướng

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

Tuy nhiên, trên thực tế không thể cung cấp một hiện vật tương tự như tất cả các phơi đượcđo; do đó, để chứng nhận tip bóng 3D thường là một tạo tác hình cầu có kích thước đã biếtchính xác và độ lệch hình thức rất thấp được thăm dị và đo lường. Hình cầu là hình dạngtạo tác được ưa chuộng vì nó có thể được sản xuất và đo lường rất chính xác, có các vectơthơng thường theo từng hướng khơng gian và có thể được định vị mà khơng cần quan tâmđến hướng. Đường kính của hình cầu được xác định bởi các tâm bi đầu khi thăm dị hiệnvật là tổng của đường kính hiện vật thực và đường kính đầu bi nhỏ hiệu dụng. Đồ tạo tácđể hiệu chuẩn các hệ thống thăm dị thơng thường thường được làm từ nhôm oxit đa tinhthể, cacbua vonfram, thép không gỉ và thủy tinh hoặc Zerodur. Để xác định chất lượng củacác hệ thống vi đo với các phần tử thăm dò và lực thăm dò nhỏ hơn nhiều nhưng yêu cầucao hơn nhiều về độ chính xác, các quả cầu ruby và silicon nitride được sử dụng. Trong cảhai trường hợp, vật liệu có độ giãn nở nhiệt thấp và độ cứng cao được ưu tiên hơn do tínhổn định về kích thước tốt hơn. Để thực hiện các phép đo có thể xác định nguồn gốc, hệthống thăm dò phải đủ tiêu chuẩn với một hiện vật được hiệu chuẩn bởi một viện đo lườngquốc gia.

Chiến lược đánh giá bao gồm việc lựa chọn hiện vật đủ tiêu chuẩn, vị trí và hướng của nótrong phạm vi đo của CMM, tốc độ thăm dò và lực thăm dị, cũng như định nghĩa về sốlượng, vị trí và trình tự của các điểm thăm dị. Thơng thường, chiến lược đánh giá chấtlượng do nhà sản xuất hệ thống thăm dò đề xuất hoặc được thực hiện trong phần mềmCMM, xem xét các đặc điểm cụ thể của CMM và hệ thống thăm dò. Tùy thuộc vào loại hệthống thăm dị và u cầu về độ chính xác, đường kính đầu bi hiệu quả có thể phụ thuộcvào hướng.

Theo dõi sự lan truyền thống kê của quá trình kiểm tra chất lượng có thể cho thấy khơngchỉ khơng đủ trình độ chun mơn mà cịn cho thấy sự kết hợp không đầy đủ về kiểu dáng(khớp yếu, mài mòn đầu bi hoặc nhặt mảnh vỡ) và hiệu suất kém đi của hệ thống thăm dòvà / hoặc CMM.

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

Giống như tất cả các tác vụ đo lường, thăm dị cũng có các lỗi góp phần vào độ khơngđảm bảo đo của từng tác vụ được thực hiện bằng CMM. CMM, trong khi độ khơng đảmbảo đo độ dài là yếu tố đóng góp thích hợp nhất cho phần phụ thuộc vào độ dài của MPEcủa hệ thống CMM.

Sai số thăm dò 3D đối với phép đo các điểm đơn lẻ có thể được xác định theo ISO10360-5 (ISO 2010a) bằng cách thăm dị bán cầu bắc của tiêu chuẩn hình cầu với 25 điểmthăm dị phân bố đều và xác định hình cầu bình phương nhỏ nhất liên quan. Khoảng cáchxuyên tâm giữa điểm đo bên ngoài và bên trong nhất được lấy làm thước đo cho sai sốthăm dò .

Việc dò lỗi trong các phép đo qt có tính đến các hiệu ứng động đối với kết quả đo, cáchiệu ứng này thường phát triển với tốc độ đo cao hơn. Tiêu chuẩn ISO 10360-4 (ISO2000c) chỉ định hai thông số khác nhau về hiệu suất quét mô tả *: (1) MPETij (MPE chocác phép đo quét) và (2) MPEτ (thời gian quét tối đa cho phép). Quy trình để đánh giá cácthơng số này như sau: Một hiện vật hình cầu được đo bằng bốn đường quét (xung quanhxích đạo, song song với xích đạo, qua các cực và song song với đường đi qua các cực).Thời gian cần thiết phải nhỏ hơn MPEτ và khoảng cách bán kính tối đa giữa các điểm đượcđo phải nhỏ hơn MPETij. Ngoài ra, tất cả các điểm được đo phải nằm trong dải dung saicủa MPETij trong đường kính đã hiệu chỉnh của hiện vật.

Độ lớn và đặc tính hướng của lỗi thăm dị chắc chắn phụ thuộc nhiều vào kiểu, kíchthước và chất lượng của hệ thống thăm dò được xem xét, ngồi quy trình kiểm định đượcáp dụng. Nếu trong q trình kiểm định chỉ đánh giá đường kính hiệu quả của bóng đầunhọn, thì sự biến đổi sơ bộ và độ lệch hình thức của bóng đầu sẽ góp phần vào lỗi thăm dò,trong khi phức tạp hơn - và thường tốn thời gian hơn - các thủ tục kiểm tra chất lượng cũngcó thể xác định và bù đắp cho những sai số phụ thuộc vào hướng hệ thống này. Sai số đầudò 3D là 3 μm (đối với hệ thống thăm dị kích hoạt cảm ứng tiêu chuẩn) và những sai sốnhỏ hơn 1 μm (đối với hệ thống thăm dò đo chất lượng cao) được tạo ra bởi các hệ thốngthăm dị vi mơ hiện đại đặc biệt ,có thể đạt giá trị thấp hơn đáng kể 1 μm. Lỗi dị là thuộctính của tồn bộ hệ thống dò, bao gồm bút cảm ứng và bi đầu; do đó, việc thay đổi bút cảmứng có thể ảnh hưởng đến lỗi đầu dò.

Độ lặp lại là giới hạn có thể đạt được về mặt lý thuyết đối với lỗi thăm dị 3D, vì tất cảcác ảnh hưởng hệ thống lặp lại có thể được bù đắp bằng các phép thử đánh giá chất lượng.Độ lặp lại một chiều có thể nhỏ hơn nhiều so với lỗi đầu dị 3D và nó thường được các nhàsản xuất hệ thống thăm dò chỉ định, mặc dù trên thực tế nó khơng liên quan đến phép đotọa độ 3D.

Một yếu tố quan trọng khác để đánh giá hiệu suất thăm dị là độ trễ. Độ trễ có thể đượcxác định bằng một thử nghiệm rất đơn giản. Bằng cách vặn ba khối gage lại với nhau, mộtđặc điểm bên trong và một đặc điểm bên ngồi có cùng kích thước có thể được tạo ra. Sựkhác biệt đo được giữa các tính năng đó là độ trễ của hệ thống thăm dị .Độ trễ có thể dophản ứng mạnh hoặc thiếu tính lặp lại của vị trí khơng tải của bút stylus; nó cũng có thể

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

bao gồm các lỗi máy tùy thuộc vào vị trí bút stylus bên trong âm lượng:

đâuH: độ trễ

L<small>e:</small>Chiều dài bên ngoài được đoL<small>i:</small>Chiều dài bên trong đo được

Đặc biệt khi đo bán kính cong nhỏ, các yếu tố như mép cắt của dụng cụ, sự biến đổi sơ bộvà độ lệch dạng của hệ thống thăm dị có thể dẫn đến sai số lớn nếu giả định hành vi đẳnghướng của hệ thống thăm dị và dị hướng khơng được bù đắp bởi phụ thuộc vào trình độchun mơn.

Mỗi loại hệ thống thăm dò có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và khơng có một hệthống thăm dị phổ qt nào có thể thực hiện tất cả các nhiệm vụ đo lường chiều một cáchthỏa đáng. Đặc biệt đối với các sản phẩm hoặc bộ phận phức tạp với nhiều tính năng khácnhau, nhu cầu kiểm tra tối đa chất lượng và hiệu quả đòi hỏisự kết hợp tinh tế của các kỹthuật thăm dò khác nhau .

Do khả năng thăm dò điểm đơn lẻ và khả năng áp dụng phương pháp khác nhau, các hệthống thăm dị xúc giác thơng thường rất linh hoạt và thích hợp

<b>Hình 2,6 Hysteresis thử nghiệm hệ thống thăm dị</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

cho nhiều tác vụ đo khác nhau, như đo hình dạng, vị trí, kích thước và góc của các đặcđiểm hình học tiêu chuẩn, nếu đầu bi có thể tiếp cận được và đủ cứng để chạm vào. Tuynhiên, chúng không hiệu quả để đo các bề mặt điêu khắc, không thể đi vào các đặc điểmnhỏ bên trong, tác dụng lực thăm dị có thể phá hủy hoặc làm biến dạng các cấu trúc tinh vivà khơng có khả năng thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt như đo độ dày của các lớp trongsuốt.

Hệ thống quang học thường có thể thu thập một số điểm rất cao một cách nhanh chóngvà do đó đặc biệt thích hợp để đo các bề mặt điêu khắc hoặc độ chắc chắn tổng thể của cácđặc điểm có thể nhìn thấy rõ ràng. Hệ thống thị giác với các đặc điểm hai chiều (2D) củachúng có thể được sử dụng một cách hữu ích để đo các đặc điểm mặt phẳng trên mỗi mặtdây chuyền đối với trục quang học, như các cạnh hoặc các đối tượng in. Cảm biến điểm vàvạch laser (phương pháp lấy nét tam giác hoặc tự động lấy nét) thích hợp để đo các đốitượng hoặc đối tượng địa lý có độ cao khác nhau như bề mặt cong. Tuy nhiên, với các hệthống quang học, không thể thăm dò các bề mặt gần như song song với trục quang học, ví

</div>