Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp chế tạo cơ khí hiện đại, việc đo lường và kiểm tra biên dạng chi tiết gia công đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng sản phẩm. Theo báo cáo của ngành, các chi tiết cơ khí ngày càng có hình dạng phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao, đặc biệt trong gia công CNC (Computer Numerical Control). Trước đây, các phương pháp đo truyền thống như thước cặp, panme hay dưỡng chỉ phù hợp với chi tiết có hình dạng đơn giản, năng suất thấp và không đáp ứng được tốc độ sản xuất hiện đại. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp đo không tiếp xúc, đặc biệt là phương pháp ánh sáng cấu trúc, trở nên cấp thiết nhằm nâng cao độ chính xác, tốc độ đo và hiệu quả kiểm soát chất lượng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và ứng dụng phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết gia công bằng công nghệ CNC sử dụng ánh sáng cấu trúc, tập trung vào chi tiết phay CNC. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc khảo sát nguyên lý, xây dựng mô hình thực nghiệm, đo lường và đánh giá độ chính xác của phương pháp trong điều kiện thực tế tại phòng thí nghiệm Quang - Cơ Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả kiểm tra chất lượng sản phẩm, giảm thiểu sai số và phế phẩm trong quá trình gia công, đồng thời mở ra hướng phát triển ứng dụng công nghệ đo lường hiện đại trong sản xuất công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết ánh sáng cấu trúc và phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray trong đo lường 3D. Ánh sáng cấu trúc là ánh sáng mẫu được mã hóa theo hàm cường độ hoặc màu sắc, chiếu lên bề mặt vật thể để thu nhận thông tin biên dạng. Phương pháp dịch pha sử dụng các mẫu chiếu dạng sin lệch pha nhau để xác định pha tương đối, từ đó dựng lại ảnh pha tuyệt đối và tái tạo đám mây điểm 3D. Mã Gray được áp dụng để mã hóa và giải mã các mẫu chiếu, giúp xác định chính xác thứ tự chu kỳ pha, giảm thiểu sai số nhảy chu kỳ trong quá trình gỡ pha.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Ánh sáng cấu trúc: ánh sáng được mã hóa và chiếu lên vật thể, phản xạ lại chứa thông tin biên dạng.
  • Phương pháp dịch pha: kỹ thuật chiếu nhiều mẫu ánh sáng lệch pha để xác định pha tương đối và tuyệt đối.
  • Mã Gray: hệ mã nhị phân đặc biệt giúp xác định chính xác vị trí chu kỳ pha, giảm nhiễu và sai số.
  • Đám mây điểm 3D: tập hợp các điểm tọa độ không gian thu được từ quá trình đo, dùng để tái tạo hình dạng chi tiết.
  • Hiệu chuẩn hệ thống: quá trình xác định các thông số kỹ thuật của camera và máy chiếu để đảm bảo độ chính xác đo.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu chính là các tài liệu chuyên ngành về đo lường ánh sáng cấu trúc, các thuật toán dịch pha và mã Gray, cùng với dữ liệu thực nghiệm thu thập tại phòng thí nghiệm Quang - Cơ Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học cho phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray.
  • Thiết kế và chế tạo hệ thống thực nghiệm gồm máy chiếu DLP, camera độ phân giải cao, bàn quay và cụm đầu đo.
  • Thu thập dữ liệu ảnh chiếu và ảnh thu từ các chi tiết phay CNC mẫu.
  • Xử lý ảnh bằng phần mềm chuyên dụng (Image J, Geomagic, Matlab) để dựng đám mây điểm và phân tích sai số.
  • Hiệu chuẩn hệ thống theo phương pháp Zhang để xác định các tham số camera và máy chiếu.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2016 đến 2018, tập trung vào việc khảo sát lý thuyết, xây dựng hệ thống thực nghiệm, đo lường và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc: Kết quả đo các chi tiết phay CNC mẫu cho thấy sai số trung bình dưới 0,05 mm, tương đương với độ chính xác của các thiết bị đo tiếp xúc truyền thống. Độ lệch chuẩn của các phép đo nằm trong khoảng 0,02 - 0,04 mm, chứng tỏ tính ổn định và tin cậy của phương pháp.

  2. Tốc độ đo nhanh: Phương pháp ánh sáng cấu trúc cho phép thu nhận hàng ngàn điểm đo trên giây, nhanh hơn nhiều so với phương pháp tiếp xúc. Thời gian đo một chi tiết phay mẫu chỉ khoảng vài giây, giảm đáng kể so với các phương pháp truyền thống.

  3. Khả năng đo các bề mặt phức tạp: Phương pháp này hiệu quả trong việc đo các bề mặt có hình dạng phức tạp như mặt bậc, mặt cong, cung lồi lõm mà các dụng cụ đo truyền thống khó tiếp cận hoặc không đảm bảo độ chính xác.

  4. Ứng dụng trong quá trình gia công: Việc đo lường trực tiếp trên máy phay CNC giúp theo dõi và điều chỉnh kịp thời chương trình gia công, giảm thiểu phế phẩm và sai số kích thước. Thực nghiệm cho thấy có thể đo và hiệu chỉnh biên dạng chi tiết ngay trong quá trình gia công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của độ chính xác cao là do phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray giúp gỡ pha tuyệt đối chính xác, giảm thiểu sai số nhảy chu kỳ và ảnh hưởng của đặc tính phản xạ bề mặt chi tiết. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này tương đồng hoặc vượt trội hơn nhờ vào việc áp dụng thuật toán gỡ pha Carré và hiệu chuẩn hệ thống kỹ lưỡng.

Tốc độ đo nhanh là lợi thế lớn của phương pháp ánh sáng cấu trúc, phù hợp với yêu cầu sản xuất công nghiệp hiện đại, nơi mà thời gian kiểm tra chất lượng là yếu tố quyết định năng suất. Việc đo được các bề mặt phức tạp mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Kết quả đo trực tiếp trên máy phay CNC cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế cao, giúp giảm thời gian tháo lắp chi tiết, tăng hiệu quả kiểm soát chất lượng và giảm chi phí sản xuất. Các biểu đồ kết quả đo kích thước chi tiết phay mẫu minh họa sự tương đồng giữa kết quả đo bằng ánh sáng cấu trúc và các phương pháp chuẩn, đồng thời thể hiện độ ổn định qua các lần đo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống đo ánh sáng cấu trúc trong dây chuyền gia công CNC: Đề xuất các nhà máy sản xuất cơ khí tích hợp hệ thống đo lường không tiếp xúc để kiểm soát chất lượng trực tiếp trên máy, giảm thiểu sai số và phế phẩm. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể là các phòng kỹ thuật và quản lý sản xuất.

  2. Đào tạo nhân lực chuyên sâu về công nghệ đo ánh sáng cấu trúc: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành, xử lý dữ liệu đo lường nhằm nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ mới. Thời gian đào tạo 6 tháng, chủ thể là các trung tâm đào tạo kỹ thuật và trường đại học.

  3. Nghiên cứu phát triển phần mềm xử lý dữ liệu đo lường tối ưu: Phát triển các thuật toán gỡ pha và xử lý ảnh nâng cao, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và đặc tính bề mặt phức tạp. Thời gian nghiên cứu 18 tháng, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  4. Mở rộng ứng dụng phương pháp đo ánh sáng cấu trúc cho các loại máy công cụ khác: Nghiên cứu áp dụng cho máy tiện CNC, máy cắt laser và các thiết bị gia công khác nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả sản xuất. Thời gian triển khai 24 tháng, chủ thể là các doanh nghiệp sản xuất và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành cơ khí chế tạo: Nắm bắt công nghệ đo lường hiện đại, áp dụng vào kiểm soát chất lượng sản phẩm gia công CNC, nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên đại học: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong đào tạo và nghiên cứu phát triển công nghệ đo lường không tiếp xúc.

  3. Doanh nghiệp sản xuất công nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình kiểm tra chất lượng, giảm chi phí và tăng năng suất.

  4. Nhà phát triển thiết bị đo lường và phần mềm: Tham khảo các thuật toán và mô hình thực nghiệm để phát triển sản phẩm mới phù hợp với nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp ánh sáng cấu trúc có ưu điểm gì so với phương pháp đo tiếp xúc?
    Phương pháp ánh sáng cấu trúc cho tốc độ đo nhanh hơn nhiều, có thể đo các bề mặt phức tạp không tiếp xúc, giảm thiểu ảnh hưởng đến chi tiết và phù hợp với đo trực tiếp trên máy gia công.

  2. Độ chính xác của phương pháp đo này đạt mức nào?
    Sai số trung bình dưới 0,05 mm và độ lệch chuẩn khoảng 0,02 - 0,04 mm, tương đương hoặc tốt hơn nhiều so với các phương pháp đo tiếp xúc truyền thống.

  3. Phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray hoạt động như thế nào?
    Phương pháp này sử dụng các mẫu chiếu ánh sáng lệch pha để xác định pha tương đối, kết hợp với mã Gray để xác định chính xác thứ tự chu kỳ pha, giúp gỡ pha tuyệt đối và giảm sai số nhảy chu kỳ.

  4. Có thể áp dụng phương pháp này cho các loại máy CNC khác ngoài máy phay không?
    Có thể, phương pháp có tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho các máy tiện CNC, máy cắt laser và các thiết bị gia công khác, tuy nhiên cần nghiên cứu điều chỉnh phù hợp với từng loại máy.

  5. Những khó khăn khi triển khai phương pháp này trong thực tế là gì?
    Chi phí đầu tư thiết bị ban đầu cao, yêu cầu hiệu chuẩn chính xác và đào tạo nhân lực chuyên sâu để vận hành và xử lý dữ liệu đo lường.

Kết luận

  • Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp dịch pha và mã Gray đạt độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh, phù hợp với các chi tiết phay CNC có hình dạng phức tạp.
  • Hệ thống thực nghiệm được xây dựng thành công với thiết bị máy chiếu DLP và camera độ phân giải cao, cho phép đo trực tiếp trên máy gia công.
  • Kết quả đo lường cho thấy sai số trung bình dưới 0,05 mm, đáp ứng yêu cầu kiểm soát chất lượng trong sản xuất công nghiệp.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng công nghệ đo lường không tiếp xúc trong sản xuất cơ khí, góp phần nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.
  • Đề xuất triển khai hệ thống đo lường trong dây chuyền sản xuất, đào tạo nhân lực và phát triển phần mềm xử lý dữ liệu để ứng dụng rộng rãi hơn trong tương lai.

Hành động tiếp theo là tiến hành thử nghiệm mở rộng trên các loại chi tiết và máy CNC khác, đồng thời phát triển phần mềm xử lý dữ liệu tối ưu nhằm nâng cao độ chính xác và tốc độ đo. Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu được khuyến khích hợp tác để ứng dụng và phát triển công nghệ này trong sản xuất thực tế.