Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy quét 3D hồng ngoại

Đồ án tốt nghiệp chi tiết quá trình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy quét 3D hồng ngoại. Gồm tổng quan công nghệ, mạch điều khiển và lắp ráp.

• Tác giả: Nguyễn Trần Khai Đạt
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Máy Quét 3D Hồng Ngoại
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ quét 3D hồng ngoại

Công nghệ quét 3D hồng ngoại là một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực đo đạc và thu thập dữ liệu không gian. Công nghệ này sử dụng các tia hồng ngoại để thu thập thông tin về hình dạng, kích thước và vị trí của các đối tượng trong không gian ba chiều. Máy quét 3D hồng ngoại được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất, thiết kế sản phẩm, khảo cổ học, y tế, giáo dục, xây dựng đến may mặc. Công nghệ này mang lại những lợi ích đáng kể như tiết kiệm thời gian, giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và cải thiện độ chính xác trong quá trình thiết kế và phát triển. Với sự phát triển của công nghệ quét 3D, các doanh nghiệp và cơ sở sản xuất có thể tối ưu hóa quy trình công việc và đạt được hiệu quả kinh tế cao hơn.

1.1. Nguyên lý hoạt động của máy quét 3D hồng ngoại

Máy quét 3D hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên lý phát xạ và nhận tia hồng ngoại. Hệ thống phát ra các tia hồng ngoại và đo lường thời gian phản xạ từ bề mặt đối tượng. Dựa vào dữ liệu này, máy tính xử lý thông tin để tạo ra mô hình 3D chính xác. Công nghệ này cho phép quét các bề mặt phức tạp mà không cần tiếp xúc trực tiếp, đảm bảo an toàn cho các vật thể nhạy cảm và mong manh.

1.2. Ứng dụng thực tế của công nghệ quét 3D

Trong ngành sản xuất, máy quét 3D được sử dụng để kiểm tra chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa thiết kế. Trong y tế, công nghệ này hỗ trợ chẩn đoán bệnh và lập kế hoạch phẫu thuật. Trong xây dựng, quét 3D giúp đo đạc địa hình và tạo bản đồ chi tiết. Các ứng dụng khác bao gồm khảo cổ học, giáo dục, và phát triển sản phẩm mới.

II. Thiết kế máy quét 3D hồng ngoại

Quá trình thiết kế máy quét 3D hồng ngoại đòi hỏi sự kết hợp giữa các kiến thức về quang học, điện tử, cơ khí và lập trình. Thiết kế bao gồm các thành phần chính như: cảm biến hồng ngoại, hệ thống quay quét, mạch điều khiển, và phần mềm xử lý dữ liệu. Mục tiêu của thiết kế là tạo ra một máy quét có độ chính xác cao, tốc độ quét nhanh và chi phí sản xuất thấp. Trong giai đoạn thiết kế, các kỹ sư phải tính toán chi tiết các thông số kỹ thuật, chọn lựa các linh kiện phù hợp, và thử nghiệm để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Công nghệ máy quét 3D hiện đại sử dụng các cảm biến độ phân giải cao và hệ thống điều khiển tự động để cải thiện chất lượng quét.

2.1. Các thành phần cơ bản của máy quét

Máy quét 3D hồng ngoại bao gồm: (1) Nguồn phát hồng ngoại - phát ra tia hồng ngoại với bước sóng phù hợp; (2) Cảm biến infrared - nhận tín hiệu phản xạ; (3) Hệ thống quay quét - quay cảm biến để quét toàn bộ đối tượng; (4) Mạch điều khiển - điều khiển các thành phần; (5) Bộ xử lý dữ liệu - xây dựng mô hình 3D từ dữ liệu thu thập được.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế

Các yêu cầu chính bao gồm: độ chính xác quét phải đạt ±2-5mm, tốc độ quét từ 100.000-300.000 điểm/giây, phạm vi quét từ 0,5-100 mét tùy theo loại máy. Máy phải hoạt động ổn định ở nhiệt độ từ -10°C đến +50°C. Hệ thống phải có khả năng quét 3D các bề mặt khác nhau như sáng, tối, phản chiếu và hấp thụ.

III. Mạch điều khiển và phần mềm cho máy quét 3D

Mạch điều khiển là trái tim của máy quét 3D hồng ngoại, chịu trách nhiệm điều khiển tất cả các thành phần của hệ thống. Mạch điều khiển thường sử dụng các vi điều khiển như Arduino, STM32 hoặc các bộ xử lý tương tự để đảm bảo hiệu suất cao. Phần mềm điều khiển phải có khả năng thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu, và gửi lệnh điều khiển tới các động cơ quay. Phần mềm xử lý dữ liệu sau khi quét sẽ chuyển đổi dữ liệu điểm 3D thô thành mô hình 3D hoàn chỉnh có thể xem, chỉnh sửa và xuất ra nhiều định dạng khác nhau. Công nghệ quét 3D hiện đại sử dụng các thuật toán xử lý ảnh tiên tiến để cải thiện chất lượng mô hình cuối cùng.

3.1. Thiết kế mạch điều khiển

Mạch điều khiển cần thiết kế các mạch con cho: (1) Điều khiển cảm biến hồng ngoại; (2) Điều khiển động cơ quay X-Y-Z; (3) Chuyển đổi tín hiệu analog sang digital; (4) Giao tiếp với máy tính qua cổng USB hoặc Ethernet. Mạch phải có khả năng xử lý tốc độ cao, đảm bảo dữ liệu thu thập quét 3D không bị mất hoặc bị lỗi.

3.2. Phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu

Phần mềm được viết bằng các ngôn ngữ như C++, Python hoặc C#. Nó phải thực hiện các chức năng: điều khiển quá trình quét 3D, thu thập dữ liệu từ cảm biến, lọc nhiễu, xây dựng mô hình điểm mây (point cloud), và cho phép người dùng xem, xoay, phóng to/thu nhỏ mô hình 3D. Phần mềm cũng hỗ trợ xuất ra các định dạng như STL, OBJ, PLY.

IV. Phương án chế tạo và lắp ráp máy quét 3D

Chế tạo máy quét 3D hồng ngoại là giai đoạn quan trọng để biến thiết kế thành sản phẩm thực tế. Phương án chế tạo bao gồm: gia công các bộ phận cơ khí, lắp ráp các linh kiện điện tử, hiệu chuẩn hệ thống cảm biến, và kiểm tra chất lượng toàn bộ sản phẩm. Các công đoạn chế tạo phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo độ chính xác và độ bền của máy. Quá trình lắp ráp phải thực hiện trong môi trường sạch để tránh bụi và tạp chí ảnh hưởng đến cảm biến. Sau khi hoàn thành lắp ráp, máy quét 3D phải trải qua các bài kiểm tra chức năng và độ chính xác để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Công nghệ chế tạo máy quét 3D yêu cầu sự chính xác cao ở mọi khâu để đạt được hiệu suất tối ưu.

4.1. Quy trình gia công cơ khí

Các bộ phận cơ khí như khung giá, các chi tiết quay được gia công bằng các máy CNC, máy tiện CNC, hoặc máy phay. Mỗi bộ phận phải đạt tolerances chính xác theo bản vẽ thiết kế. Sau gia công, các bộ phận được làm sạch, kiểm tra kích thước, và sơn phủ để chống oxy hóa. Việc chế tạo bộ phận cơ khí đòi hỏi tay nghề cao và sử dụng các công cụ hiện đại.

4.2. Lắp ráp và kiểm tra chất lượng

Lắp ráp bắt đầu bằng cách lắp các bộ phận cơ khí lại với nhau, sau đó lắp các linh kiện điện tử. Mạch điều khiển được lắp vào, các cảm biến được gắn chặt chẽ. Sau lắp ráp, máy quét 3D được hiệu chuẩn, kiểm tra chức năng từng bộ phận. Cuối cùng, thực hiện kiểm tra chất lượng toàn diện bằng cách quét các mẫu tiêu chuẩn để xác minh độ chính xác và chất lượng mô hình 3D.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế cơ khí Chương 4: Sơ đồ nguyên lý mạch điện và lựa chọn thiết bị Chương 5: Lắp ráp thử nghiệm Chương 6: Kết luận và kiến nghị 1.5 Ý nghĩa thực tiễn: - Việc nghiên cứu và chế tạo máy quét 3D hồng ngoại là một bước ngoặc lớn trong việc tạo ảnh và bán hàng online, phát triển mạnh hơn trong thời gian tới, ngang tầm với các nước phát triển trên thế giới, đem lại chất lượng cuộc sống cao hơn người tiêu dùng với sự tiện nghi tối đa. Thiết bị có thể sử dụng cho tất cả các vật thể nhỏ đến lớn, tùy theo nhu cầu người bán hàng. 18 - Sinh viên sử dụng các kiến thức đã học để áp dụng vào cuộc sống, đem lại chất lượng cao hơn. Kết hợp giữa việc học lý thuyết với thực hành, chứng tỏ việc học luôn đi đôi với hành của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.6 Tình hình phát triển, ứng dụng máy quét 3D trong những năm qua: Một máy quét 3D có thể dựa trên nhiều công nghệ khác nhau, mỗi công nghệ có những hạn chế, ưu điểm và chi phí riêng.

Nhiều hạn chế trong các loại đối tượng có thể được số hóa vẫn còn tồn tại. ví dụ, công nghệ quang học có thể gặp nhiều khó khăn với các vật thể sáng bóng, phản chiếu hoặc trong suốt. Ví dụ, quét chụp cắt lớp điện toán công nghiệp và máy quét 3D có cấu trúc ánh sáng có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình 3D kỹ thuật số mà không cần thử nghiệm phá hủy.1: Hình ảnh máy quét 3D trong công nghiệp Dữ liệu 3D được thu thập hữu ích cho nhiều ứng dụng. Những thiết bị này được sử dụng rộng rãi bởi ngành công nghiệp giải trí trong sản xuất phim và trò chơi video, bao gồm cả thực tế ảo.

Các ứng dụng phổ biến khác của công nghệ này bao gồm thực tế tăng cường, chụp chuyển động,nhận dạng cử chỉ,lập bản đồ robot,thiết kế công nghiệp,chỉnh hình và chân tay giả,kỹ thuật đảo ngược và tạo mẫu,chất lượng kiểm soát / kiểm tra và số hóa của các hiện vật văn hóa.2: Quét 3D bộ xương cá voi vây trong Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên của Slovenia (tháng 8 năm 2013) Máy quét 3D chia sẻ một số đặc điểm với máy ảnh. Giống như hầu hết các máy ảnh, chúng có trường nhìn giống hình nón và giống như máy ảnh, chúng chỉ có thể thu thập thông tin về các bề mặt không bị che khuất. Mặc dù máy ảnh thu thập thông tin màu về các bề mặt trong trường nhìn của nó, máy quét 3D thu thập thông tin khoảng cách về các bề mặt trong trường nhìn của nó. “Hình ảnh” được tạo bởi máy quét 3D mô tả khoảng cách đến một bề mặt tại mỗi điểm trong ảnh.

Điều này cho phép xác định vị trí ba chiều của từng điểm trong ảnh. Trong hầu hết các tình huống, một lần quét sẽ không tạo ra một mô hình hoàn chỉnh của đối tượng. Nhiều lần quét, thậm chí hàng trăm, từ nhiều hướng khác nhau thường được yêu cầu để có được thông tin về tất cả các khía cạnh của chủ đề. Các bản quét này phải được đưa vào một hệ thống tham chiếu chung, một quy trình thường được gọi là căn chỉnh hoặc đăng ký, sau đó được hợp nhất để tạo ra một mô hình 3D hoàn chỉnh.

Toàn bộ quá trình này, đi từ bản đồ phạm vi đơn đến toàn bộ mô hình, thường được gọi là đường ống quét 3D. Sản phẩm máy quét 3D đã được nhóm tác giả nghiên cứu từ cuối năm 2012 với tổng chi phí gần 200 triệu đồng. Nếu nhập khẩu một chiếc máy như vậy của nước ngoài thì kinh phí có thể lên đến 1-1,5 tỉ đồng. Với việc làm chủ hoàn toàn công nghệ và nội địa hóa thành công sản phẩm, giá thành sản phẩm máy quét 3D made in Vietnam của DCSELAB chỉ 1/2 - 1/3 giá thành sản phẩm ngoại nhập với các tính năng tương đương.

Ngoài ra, việc bảo trì bảo dưỡng sản phẩm cũng có nhiều thuận lợi hơn so với các thiết bị nhập ngoại. Hiện nay, nhu cầu về nội địa hóa sản phẩm ngoại nhập ngày càng gia tăng, thể hiện ở việc số lượng đơn đặt hàng nghiên cứu nội địa hóa các sản phẩm ngoại nhập tại 20 DCSELAB ngày càng nhiều. Việc nghiên cứu thành công máy quét 3D là một minh chứng cho thấy VN hoàn toàn có năng lực để nghiên cứu, sản xuất những sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu cả trong nước lẫn thị trường quốc tế.3: Kỹ sư Phan Huỳnh Lâm bên cạnh máy quét 3D 1.7 Phân loại máy quét 3D hồng ngoại: 1.1 Máy quét 3D cầm tay linh hoạt Dòng máy quét 3D cầm tay được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực: •Đồ gỗ mỹ nghệ, đồ gỗ nội thất. Đây là mảng sử dụng máy quét 3d (máy scan 3d) nhiều nhất ở Việt Nam.

•Các sản phẩm cơ khí lớn, không yêu cầu quá khắt khe về độ chính xác - nhưng yêu cầu tốc độ quét 3d nhanh. •Đúc đồng, đúc gang, đúc khuôn cát và chạy mẫu xốp (chạy mẫu sốp). Một số dòng máy scan quét 3d cầm tay được sử dụng phổ biến:  Máy quét 3D Einscan Pro and Einscan Pro Plus: Hình 1.4: Máy quét 3D Einscan Pro and Einscan Pro Plus  Máy scan 3D free scan X3, X5, X7: 21 Hình 1.5: Máy scan 3D free scan  Máy quét 3D Drake (Nga) : Hình 1.6: Máy quét 3D Drake (Nga)  Máy 3D Thor (Nga): Hình 1.2 Máy quét 3D cố định Dòng máy scan quét 3D được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau; đa số các dòng máy quét 3d cố định được sử dụng trong những ngành yêu cầu có độ chính xác cao, độ phân giải cao: 1. • Gia công CNC - Lập trình gia công CNC.

• Gia công khuôn, thiết kế khuôn ép nhựa, khuôn đúc kim loại. • Kiểm tra 3D sản phẩm - Kiểm tra 3D công nghệ ánh sáng. Một số dòng máy scan quét 3d cố định được sử dụng phổ biến:  Máy quét Eascan 3D II: Hình 1.8: Máy quét 3D Eascan 2  Máy quét 3D OptimScan 3M & 5M : Hình 1.9: Máy quét 3D Optímcan 3M & 5M 1.8 Các thiết bị sử dụng công nghệ máy quét 3D hồng ngoại: Thiết bị quét ảnh sản phẩm 3D là môt đề tài được các công ty của các nước trên thế giới đã nghiên cứu chế tao thành công và ngày càng phát triển. Xu hướng của thế giới là phát triển thương mại điện tử,nên nhu cầu cần các thiết bị giúp cho thương mại điện điện tử phát triển là rất cao.Ở nước ta hiện nay có rất ít đề tài nghiên cứu đến các thiết bị này và hầu hết là nhâp từ nước ngoài về với giá rất cao.1 Các thiết bị ở nước ngoài  Thiết bị quét ảnh sản phẩm 3D-3D MultiArm 2000 của hãng ORTERY 23 Hình 1.10: Thiết bị 3D MultiArm 2000 của hãng Ortery Thiết bị sử dung máy tính điều khiển, kết hợp với 5 máy ảnh Canon phuc vụ việc tạo ra những sản phẩm 3D với độ chính xác cao.

 Ưu điểm:  Chụp ảnh 360° và bán cầu.  Hệ thống cứng vững cho chất lượng hình ảnh cao.  Được điều khiển tự động.  Có hỗ trợ bánh xe di chuyển.

 Nhược điểm:  Tốn kém kinh phí vì số lượng Camera nhiều.  Lắp đặt phức tạp.  Thiết bị có bán kính chụp cố định nên chỉ cho được sản phẩm có kích thước nhỏ.  Thiết bị quét sản phẩm 360(Alpha shot) của hãng ORBITVU Hình 1.11: Hệ thống quét ảnh 360 của ORBITVU 24 Thiết bị bao gồm một camera, được điều khiển bởi máy tính và một phòng nhỏ trang bị bàn xoay và các loại đèn chiếu sáng thích hợp để lúc cho ra sản phẩm chất lượng cao nhất.

 Ưu điểm:  Chụp ảnh cho chất lượng tốt.  Hệ thống lun ổn định.  Nhược điểm: Chỉ quét được ảnh 360. Không quét được ảnh bán cầu.

 Thiết bị quét ảnh 360-3D Photobench 60 Hình 1.12: Thiết bị 3D Photobench 60 Thiết bị bao gồm một buồng chiếu sáng LED với chất lượng cao để có thể cho ra loạt ảnh chất lượng rất cao. Một camera được điều khiển bằng máy tính và bàn xoay được đặt giữa buồng thiết bị.  Ưu điểm:  Tự động chụp ảnh và xử lí ảnh hàng loạt.  Đèn Led tăng cường độ sáng giúp chất lượng hình ảnh tốt.

 Tương thích với hầu hết các dòng máy ảnh DSLR và Nikon.  Nhược điểm:  Thiết bị chỉ tạo được ảnh 360.  Kích thước của thiết bị chỉ có thể cho được sản phẩm kích thước nhỏ.  Không quét được ảnh bán cầu.

25  Thiết bị quét ảnh 360-FotoRobot của hãng Apogeephoto Hình 1.13: Thiết bị quét ảnh FotoRobot Thiết bị sử dụng máy tính điều khiển hoạt dộng của 4 camera và bàn xoay trung tâm,4 camera được đặt ở các vị trí khác nhau cho ra được ảnh 360 trọn vẹn.  Ưu điểm:  Kết cấu vững chắc.  Tạo ra ảnh chất lượng cao.  Nhược điểm: Chỉ tạo được ảnh 360 và tạo ra 3D nhưng không chi tiết.

 Kết cấu thiết bị lớn khó lắp đặt, di chuyển.  Sử dụng nhiều camera dẫn đến việc khó lắp đặt.  Cồng kềnh, khó di chuyển.2 Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam Do đây là một đề tài khá mới mẻ nên chưa có sản phẩm nào thực thi và được sử dụng. 26 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái niệm máy quét 3D: 2.1 Định nghĩa máy quét 3D Máy quét 3D là một thiết bị phân tích một đối tượng trong không gian thực hay môi trường để thu thập dữ liệu về hình dạng của vật và tính đặc trưng bề mặt của nó (ví dụ: màu sắc, độ nhám).

Các dữ liệu thu thập sẽ được số hóa và có thể được sử dụng xây dựng mô hình không gian ba chiều kỹ thuật số của mẫu vật.1: Máy quét 3D hãng ATOS đang quét mẫu vật 2.2 Khái niệm công nghệ quét 3D Quét 3D là kỹ thuật thu thập số liệu hiện trường dưới dạng số sử dụng cảm biến hồng ngoại quét qua bề mặt đối tượng để ghi nhận kích thước và mối quan hệ không gian giữa các đối tượng với nhau. Các máy quét 3D sau khi hoàn tất một chu trình thu số liệu sẽ tạo thành các ĐÁM MÂY ĐIỂM (Point Cloud), thể hiện một cách đầy đủ và hoàn chỉnh nhất hình ảnh của các đối tượng mà cảm biến hồng ngoại đã quét qua.