Luận văn: Xây dựng hệ thống đo biên dạng 3D bằng phương pháp quét tia laser

Luận văn thạc sĩ ngành Cơ khí: Xây dựng hệ thống đo biên dạng 3D bằng phương pháp quét tia laser. Nguyên lý, thiết kế và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Lưu Đức Hùng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Vinh
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Xây dựng hệ thống đo biên dạng 3D bằng phương pháp quét tia laser
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đo biên dạng 3D bằng quét tia laser

Hệ thống đo biên dạng 3D bằng quét tia laser là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực đo lường hình học chi tiết. Phương pháp này cho phép đo chính xác các sai lệch độ tròn và các thông số hình học của các chi tiết có hình dạng trụ tròn. Công nghệ quét laser đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất hiện đại, đặc biệt là trong công nghệ chế tạo máy. Hệ thống này vượt trội so với các phương pháp đo truyền thống bằng cách cung cấp kết quả đo có độ chính xác cao, thời gian đo nhanh và khả năng xử lý dữ liệu tự động. Với sự phát triển của công nghệ quang học và xử lý tín hiệu số, hệ thống đo 3D laser đã trở thành giải pháp tối ưu để đánh giá chất lượng các chi tiết cơ khí trong quy trình sản xuất.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của quét tia laser

Quét tia laser là phương pháp sử dụng chùm tia laser để quét qua bề mặt chi tiết cần đo. Khi tia laser truyền qua chi tiết trụ tròn, nó sẽ tạo ra các điểm sáng trên các cảm biến quang học. Thông qua phân tích vị trí các điểm sáng này, hệ thống có thể xác định đường kính và độ tròn của chi tiết. Nguyên lý này dựa trên quang học hình học và các thuật toán xử lý ảnh số để tái tạo hình dạng 3D chính xác của chi tiết.

1.2. Ứng dụng trong công nghệ chế tạo máy

Trong công nghệ chế tạo máy, hệ thống đo biên dạng 3D được áp dụng để kiểm tra chất lượng các chi tiết trụ tròn như trục, vòng bi, và các thành phần cơ khí khác. Phương pháp này cho phép kiểm tra sai lệch độ tròn theo tiêu chuẩn ISO 6 và tiêu chuẩn Việt Nam, giúp nâng cao độ tin cậy của quy trình kiểm tra chất lượng và tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.

II. Các phương pháp đo độ tròn truyền thống

Trước khi quét tia laser được phát triển, các phương pháp đo độ tròn truyền thống đã được sử dụng rộng rãi. Phương pháp đo hai điểm bằng dụng cụ cầm tay là một trong những phương pháp cơ bản nhất, tuy nhiên nó có độ chính xác thấp và phụ thuộc vào kỹ năng của người đo. Phương pháp đo ba điểm bằng khối V cung cấp kết quả tốt hơn nhưng vẫn có hạn chế trong việc đo lường những chi tiết có hình dạng phức tạp. Máy đo độ tròn chuyên dùng F135 của hãng JUNO OPIK là thiết bị chuyên dụng có độ chính xác cao, nhưng chi phí đầu tư ban đầu rất lớn. Các phương pháp này không thể cung cấp thông tin 3D đầy đủ về chi tiết.

2.1. Phương pháp đo hai điểm và ba điểm

Phương pháp đo hai điểm sử dụng hai đầu đo để đo khoảng cách giữa hai điểm trên bề mặt chi tiết. Phương pháp đo ba điểm sử dụng khối V để đo sai lệch độ tròn với độ chính xác cao hơn. Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều có khả năng hạn chế trong việc thu thập dữ liệu 3D toàn diện từ chi tiết.

2.2. Máy đo độ tròn chuyên dùng

Máy đo độ tròn chuyên dùng là thiết bị cao cấp có khả năng đo chính xác sai lệch độ tròn theo tiêu chuẩn quốc tế. Tuy nhiên, chi phí cao và yêu cầu bảo trì phức tạp làm hạn chế ứng dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

III. Phương pháp quét một chùm tia laser kết hợp đầu đo góc

Phương pháp quét một chùm tia laser được kết hợp với đầu đo góc để tạo ra một hệ thống đo biên dạng 3D hiện đại. Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý: khi chùm tia laser truyền qua chi tiết trụ tròn, đầu đo góc sẽ xác định vị trí xoay của chi tiết, từ đó cho phép xác định đường kính chi tiết tại mỗi hướng góc khác nhau. Bằng cách lặp lại phép đo 360 hướng góc, hệ thống có thể tạo ra một bản đồ 3D chi tiết về hình dạng và sai lệch độ tròn của chi tiết. Ưu điểm chính của phương pháp này là tốc độ đo nhanh, độ chính xác cao, và khả năng tự động hóa toàn bộ quá trình đo lường.

3.1. Nguyên lý xác định đường kính chi tiết

Khi tia laser truyền qua chi tiết trụ tròn, nó sẽ tạo ra các điểm sáng trên cảm biến. Vị trí của các điểm sáng này phụ thuộc vào đường kính chi tiết tại mỗi hướng góc. Bằng cách phân tích vị trí này, hệ thống có thể tính toán chính xác đường kính chi tiết với độ sai lệch rất nhỏ.

3.2. Xác định độ tròn từ dữ liệu quét laser

Độ tròn được xác định bằng cách so sánh các giá trị đường kính được đo tại 360 hướng góc khác nhau. Sai số giữa đường kính tối đa và tối thiểu chính là sai lệch độ tròn của chi tiết, tuân theo tiêu chuẩn ISO 6 và tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.

IV. Xây dựng hệ thống đo thực nghiệm và kết quả nghiên cứu

Luận văn thạc sĩ về hệ thống đo biên dạng 3D bằng quét tia laser đã thực hiện xây dựng một hệ thống đo thực nghiệm tại Viện Cơ khí của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Hệ thống này được thiết kế với sơ đồ nguyên lý rõ ràng và mô hình thiết bị cụ thể, cho phép kiểm tra các mẫu đo có đường kính khác nhau như D7, D20. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp quét laser cung cấp độ chính xác tương đương với máy đo độ tròn chuyên dùng F135 nhưng với thời gian đo nhanh hơn. Dữ liệu thu được từ 5 lần lặp lại tại 360 hướng góc giúp đánh giá sai lệch độ tròn một cách chính xác và tin cậy, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn cho công nghiệp chế tạo máy Việt Nam.

4.1. Thiết kế và xây dựng hệ thống

Hệ thống đo thực nghiệm được xây dựng dựa trên nguyên lý quét tia laser và đầu đo góc chuyên dụng. Sơ đồ nguyên lý chi tiết cho phép các nhà nghiên cứu khác có thể tái tạo hoặc cải tiến hệ thống. Mô hình thiết bị được thiết kế gọn gàng, dễ vận hành và bảo trì.

4.2. Kết quả đo và so sánh với tiêu chuẩn

Kết quả đo từ hệ thống laser được so sánh với kết quả từ máy đo chuyên dùng F135 và các tiêu chuẩn ISO 6. Các mẫu đo với các đường kính khác nhau đều cho kết quả sai lệch độ tròn nằm trong phạm vi cho phép, chứng minh hiệu quả của phương pháp quét laser trong ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TONG QUAN VE DO LUONG BIEN DANG 3D CHI TIẾT ‘TRU TRON 3 1.1 Do lường biên dạng 3D chỉ tiết trụ tròn.2 Cae dinh nghia vé sai léch 46 tron. Định nghĩa vẻ sai lệch độ tròn theo tiéu chuan q Iso 6 1.2 Định nghữa sai lệch độ tròn theo tiêu chuân Việt Nam 7 1.3 Các phương pháp do dé trén pha bié 1.1 Phương pháp đo hai điểm bằng dung cụ cam lay § 1.2 Phương pháp đo ba điểm bằng khối V.3 Phương pháp đo một tiếp điềm bằng máy đo tọa độ 10 1.4 Phương pháp đo bằng máy do dé tron chuyên dúng, 11 1.5 Phương pháp đo hai điểm bằng hai đầu dò 14 1.6 Phương pháp đo ba điểm bằng ba đầu đó.7 Phương pháp do bón diễm bằng bên dẫu dò.8 Phương pháp do quét biển dang tuyến tỉnh.9 Phương pháp do độ tròn bằng quét hai chim tia laser voi máy LSM.4 Phương pháp đu lường biên dạng 3D chỉ tiết trụ tròn bằng phương phân quết laser.1 Phương pháp tạo xung quét laser truyền qua 37 1.2 Nguyên lý đo biên dang 3D chi tiét tròn xoay - 38 1.5 Kết luận chương. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ ĐÓ ĐỘ TRÒN BẰNG QUET MOT CHUM TIA LASER KET HOP DAU BO GOC „41 2.1 Phương pháp đo độ tròn bằng phương pháp quét chùm tỉa Laser.1 Nguyên lý xác định đường kinh chỉ tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser truyền qua.

„41 212 Nguyên lý xác định góc quay ¬—.3 Nguyên lý xảo dịnh dộ tròn. cà non tê ceerrere —.2 Xây dựng thiết kế hệ thống de thực nghiệm.21 Sơ đồ nguyên lý - - - 47 Mô hình thiết bị đo thục nghiệm. Thiết kế mạch điều khiến. Các phân tử của mạch điện 49 3.5 Thiết tủ điện.6 Thân mềm đo độ tròn - - 51 2.3 Kết luận chương.

NGIHHẼ: ;ỨU THỰC NGIHIỆM DO ĐỘ TRÒN LASER.1 Thiết lập thiết bị do thực nghiệm 3.2 Các hước tiễn bánh thực nghiệm. 3,3 Kết quả thực nghiệm.1 Đo độ trờn các mẫu đo chuẩn.2 Đánh giá kết quả đo độ tròn.4 To độ tròn một số chỉ tiết may 3.5 Kết luận chương. TẢI LIỆU THAM KHẢO. DANH MUC HINA VE.1 Đụnh nghĩa vẻ sai lệch độ thẳng |]|.2 Định nghữn về sai lệch độ trên [T |.3 Định nghĩa vẻ sai lệch độ trụ [1].4 Đặc trưng theo phương ngang của sai lệch độ trụ |1].5 Đặc trưng theo phương đọc của sai lệch dỏ trụ [1].6 Các phương pháp xác định 2 đường tròn bao |2|.7 Định nghĩa sai lệch độ tròn theo TCVN [7].8 Se dé do dé tron bang dụng cụ cảm tay [3] Hinh 1.9 So dé do dé tron trên khối V |4] Hình 1.10 Hình ảnh đo độ tròn trên máy tọa độ [5] .11 Sg dé do sai lệch độ tròn trong hệ tọa dộ cực 1 can "` 1linh 1.12 Hình ánh máy đo độ tròn của các hãng trên thể giới [2|.13 So dỗ nguyên lý của mảy do dộ tròn sứ dụng 1 dầu do [4].14 So dé biéu dign chi tiết được đặt lên bản quay [2].15 Hưởng các đâu do của phương pháp đo hai tiếp điểm [7|.16 Thước kẹp cuộn kiểu yên ngựa đã được sửa đổi cho phương pháp đo hai điểm [7].17 Sơ để do độ tròn sở3 dụng 2 đâu đo BI.18 Bổ trí hai đầu đo đối xứng triệt tiếu méo cạnh 1é [2}.19a Khi tam quay bién déng theo es [2] Hinh 1.19bKhi tim quay bién d6ng thea ey [2].20 Sơ đỗ đo độ tron kết hyp ba diu do dich chuyén [9 I 24 Tình 1.21 Tâm chủ tiết lệch so với tâm quay ]10|.22 Ba đầu đo đặt cách đều nhau 120° [2] - - 28 Hình 1.23 Khai triển biên dạng clủ tiết miéo 2 cạnh [2] - 29 Tình 1.24 Vị trí các dầu dé (S1-S4) trong hệ thông do 4 điểm [7].25 Nguyên tắc cho việo tính loản cáu cạnh móo của phương pháp 4 điểm [7] 30 THình 1 26 Hình ảnh thiết bị đo độ tròn đàng 4 đầu đò [7] 31 Tình 1.27 Một ví dụ của mat con in kim (hình tru sid) [14].28 Cac van dé trong phép đo độ tròn của hình trụ nhỏ bằng phương pháp quét quay thông thường [14].29 Sơ để nguyên lý cơ bản của phương, pháp cả biên đang tuyên tính để do độ tròn của một hình trụ nhồ Ƒ14].30 So dé nguyén tic của ghép xuyên tâm cho cácbiên dạng cung tron được quét lân cận |14].

3A MUCLUC CHƯƠNG 1. TONG QUAN VE DO LUONG BIEN DANG 3D CHI TIẾT ‘TRU TRON 3 1.1 Do lường biên dạng 3D chỉ tiết trụ tròn.2 Cae dinh nghia vé sai léch 46 tron. Định nghĩa vẻ sai lệch độ tròn theo tiéu chuan q Iso 6 1.2 Định nghữa sai lệch độ tròn theo tiêu chuân Việt Nam 7 1.3 Các phương pháp do dé trén pha bié 1.1 Phương pháp đo hai điểm bằng dung cụ cam lay § 1.2 Phương pháp đo ba điểm bằng khối V.3 Phương pháp đo một tiếp điềm bằng máy đo tọa độ 10 1.4 Phương pháp đo bằng máy do dé tron chuyên dúng, 11 1.5 Phương pháp đo hai điểm bằng hai đầu dò 14 1.6 Phương pháp đo ba điểm bằng ba đầu đó.7 Phương pháp do bón diễm bằng bên dẫu dò.8 Phương pháp do quét biển dang tuyến tỉnh.9 Phương pháp do độ tròn bằng quét hai chim tia laser voi máy LSM.4 Phương pháp đu lường biên dạng 3D chỉ tiết trụ tròn bằng phương phân quết laser.1 Phương pháp tạo xung quét laser truyền qua 37 1.2 Nguyên lý đo biên dang 3D chi tiét tròn xoay - 38 1.5 Kết luận chương. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ ĐÓ ĐỘ TRÒN BẰNG QUET MOT CHUM TIA LASER KET HOP DAU BO GOC „41 2.1 Phương pháp đo độ tròn bằng phương pháp quét chùm tỉa Laser.1 Nguyên lý xác định đường kinh chỉ tiết tròn xoay bằng phương pháp quét laser truyền qua.

„41 212 Nguyên lý xác định góc quay ¬—.3 Nguyên lý xảo dịnh dộ tròn. cà non tê ceerrere —.2 Xây dựng thiết kế hệ thống de thực nghiệm.21 Sơ đồ nguyên lý - - - 47 Mô hình thiết bị đo thục nghiệm. - - -Ö48 TOM TAT NOI DUNG LUAN VAN Nội dung nghiên cứu của luận văn được trình bày trong 3 chương; Chương1: Tổng tan về do lường biển dang 3D chủ Hết trụ trộn Tìm hiểu và khảo sát các ru nhược điểm của các phương pháp đo độ tròn đang được ứng đụng hiện nay. Tù đó nhận thây rang cân thiết để nghiên cứu một phương pháp do tối ưu có thể khắc phục dược các nhược diém của các phương pháp đo độ tron biện tại.

Phương pháp đo độ tròn bằng quét một chủm tia Taser đã được đẻ xuất đễ nghiên cứu. Chương 2: Phương pháp và thiết bị do độ tròn bằng phương quét một chùm. tia laser kết hợp với đầu đo góc Các nguyên lý của phương pháp đo độ tròn bằng phương pháp một chùm tỉa laser như phương pháp xác định dường kinh vật do, xác dịnh góc quay và xác định độ trồn đá được tìm liểu. Từ đó đã xây dựng thiết kế được hệ thống đo thực nghiệm.

Mê hinh hệ thống do thực nghiệm gồm bàn xoay với đầu đọc góc — được sử dụng, đề tạo chuyển động quay cho vật đo vá dược dầu dọc góc dược sử đụng thay cho một encoder do góc, máy do TLỂM đễ tạo ra nguồn laser và xử lý xung đo, các khối chuân đề giúp máy I.SM đạt chiều cao tới vị trí đo vật, tủ điện với cáo hệ thông mạch điện và mạch điểu khiến, một máy tinh co phan mém do độ tròn dược kết nỗi với mạch diễu khiển và một bản đá đẻ làm mặt chuẩn do cho hệ thống Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm đo đồ trỏn bằng laser Xây dựng dược mô hình thiết bị thí nghiệm và phản mềm do độ và thực Tnện đo độ trồn của cae mau do và chỉ tiết Tráy HỌC VIÊN Lưu Đức Hùng TOM TAT NOI DUNG LUAN VAN Nội dung nghiên cứu của luận văn được trình bày trong 3 chương; Chương1: Tổng tan về do lường biển dang 3D chủ Hết trụ trộn Tìm hiểu và khảo sát các ru nhược điểm của các phương pháp đo độ tròn đang được ứng đụng hiện nay. Tù đó nhận thây rang cân thiết để nghiên cứu một phương pháp do tối ưu có thể khắc phục dược các nhược diém của các phương pháp đo độ tron biện tại. Phương pháp đo độ tròn bằng quét một chủm tia Taser đã được đẻ xuất đễ nghiên cứu. Chương 2: Phương pháp và thiết bị do độ tròn bằng phương quét một chùm.

tia laser kết hợp với đầu đo góc Các nguyên lý của phương pháp đo độ tròn bằng phương pháp một chùm tỉa laser như phương pháp xác định dường kinh vật do, xác dịnh góc quay và xác định độ trồn đá được tìm liểu. Từ đó đã xây dựng thiết kế được hệ thống đo thực nghiệm. Mê hinh hệ thống do thực nghiệm gồm bàn xoay với đầu đọc góc — được sử dụng, đề tạo chuyển động quay cho vật đo vá dược dầu dọc góc dược sử đụng thay cho một encoder do góc, máy do TLỂM đễ tạo ra nguồn laser và xử lý xung đo, các khối chuân đề giúp máy I.SM đạt chiều cao tới vị trí đo vật, tủ điện với cáo hệ thông mạch điện và mạch điểu khiến, một máy tinh co phan mém do độ tròn dược kết nỗi với mạch diễu khiển và một bản đá đẻ làm mặt chuẩn do cho hệ thống Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm đo đồ trỏn bằng laser Xây dựng dược mô hình thiết bị thí nghiệm và phản mềm do độ và thực Tnện đo độ trồn của cae mau do và chỉ tiết Tráy HỌC VIÊN Lưu Đức Hùng DANH MUC HINA VE.1 Đụnh nghĩa vẻ sai lệch độ thẳng |]|.2 Định nghữn về sai lệch độ trên [T |.3 Định nghĩa vẻ sai lệch độ trụ [1].4 Đặc trưng theo phương ngang của sai lệch độ trụ |1].5 Đặc trưng theo phương đọc của sai lệch dỏ trụ [1].6 Các phương pháp xác định 2 đường tròn bao |2|.7 Định nghĩa sai lệch độ tròn theo TCVN [7].8 Se dé do dé tron bang dụng cụ cảm tay [3] Hinh 1.9 So dé do dé tron trên khối V |4] Hình 1.10 Hình ảnh đo độ tròn trên máy tọa độ [5] .11 Sg dé do sai lệch độ tròn trong hệ tọa dộ cực 1 can "` 1linh 1.12 Hình ánh máy đo độ tròn của các hãng trên thể giới [2|.13 So dỗ nguyên lý của mảy do dộ tròn sứ dụng 1 dầu do [4].14 So dé biéu dign chi tiết được đặt lên bản quay [2].15 Hưởng các đâu do của phương pháp đo hai tiếp điểm [7|.16 Thước kẹp cuộn kiểu yên ngựa đã được sửa đổi cho phương pháp đo hai điểm [7].17 Sơ để do độ tròn sở3 dụng 2 đâu đo BI.18 Bổ trí hai đầu đo đối xứng triệt tiếu méo cạnh 1é [2}.19a Khi tam quay bién déng theo es [2] Hinh 1.19bKhi tim quay bién d6ng thea ey [2].