Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo thiết bị quét biên dạng 3D bằng laser

Toàn văn luận văn nghiên cứu chế tạo máy quét 3D laser. Phân tích nguyên lý, xây dựng mô hình và đánh giá kết quả quét biên dạng chi tiết.

• Tác giả: Phạm Ngọc Linh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Học
• Đề tài: Chế Tạo Thiết Bị Quét Biên Dạng 3D Bằng Laser
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết bị quét biên dạng 3D bằng laser

Thiết bị quét biên dạng 3D bằng laser là một công nghệ hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực chế tạo, hàng không vũ trụ và luyện tôi thép. Đây là phương pháp đo không tiếp xúc cho phép lấy toạ độ các điểm trên bề mặt chi tiết một cách chính xác và nhanh chóng. Máy quét 3D laser hoạt động dựa trên nguyên tắc phát tia laser tới bề mặt vật đo, sau đó nhận tín hiệu phản xạ để xác định khoảng cách và vị trí. Ưu điểm chính của phương pháp này so với sóng siêu âm là độ chính xác cao, kích thước chùm laser nhỏ, và khả năng tự động hóa quá trình đo lường. Công nghệ này đã trở thành giải pháp tối ưu cho việc quét và đo đạc các chi tiết có hình dạng phức tạp.

1.1. Nguyên lý hoạt động của máy quét laser 3D

Máy quét laser 3D hoạt động bằng cách chiếu tia laser lên bề mặt chi tiết và đo thời gian phản xạ của ánh sáng. Bề mặt được chia thành một lưới điểm đo với các toạ độ (x, y, z). Đầu đo không tiếp xúc chuyển động liên tục trên bề mặt trong quá trình quét bề mặt. Nguyên tắc này cho phép xác định chính xác hình dạng và kích thước của các chi tiết phức tạp mà không gây hư hại hay biến dạng vật thể đo.

1.2. So sánh với các phương pháp đo khác

So với phương pháp sóng siêu âm, laser 3D có độ định hướng cao hơn và kích thước chùm nhỏ hơn, dẫn đến khoảng cách giữa các điểm đo nhỏ hơn. Phương pháp laser cũng ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như độ ẩm, nhiệt độ. Tuy nhiên, cường độ phản xạ thay đổi theo độ đốc bề mặt, do đó cần điều chỉnh các thông số kỹ thuật phù hợp.

II. Cấu trúc và thành phần chính của thiết bị

Thiết bị quét biên dạng 3D bằng laser bao gồm nhiều thành phần quan trọng làm việc phối hợp với nhau. Đầu đo laser là bộ phận chính, được thiết kế để phát và nhận tín hiệu laser với độ chính xác cao. Hệ thống dịch chuyển quang điều khiển chuyển động của đầu đo theo các trục x, y, z để quét toàn bộ bề mặt chi tiết. Hệ thống điều khiển số sử dụng phần mềm CCS và MATLAB để xử lý dữ liệu từ các cảm biến laser. Các linh kiện điện tử như bộ phát-thu laser, bộ chuyển đổi tín hiệu, và các cảm biến vị trí được tích hợp trong hệ thống. Hệ đẫn động cung cấp năng lượng cho các chuyển động quét trên bề mặt phẳng và chi tiết quay.

2.1. Đầu đo laser và hệ thống quang

Đầu đo laser 3D được thiết kế đặc biệt để hoạt động với độ chính xác cao. Nó bao gồm nguồn phát laser công suất nhất định, hệ thống quang học để tập trung tia, và cảm biến nhận tín hiệu phản xạ. Hệ đẫn động quang điều khiển hướng của tia laser nhằm quét bề mặt chi tiết một cách có hệ thống. Cường độ tia laser, đường kính chùm, và các thông số quang học khác ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng kết quả đo lường.

2.2. Hệ thống điều khiển và xử lý dữ liệu

Hệ thống điều khiển số là trái tim của thiết bị, điều phối tất cả hoạt động. Phần mềm CCS điều khiển chuyển động quét theo lưu đồ quét chi tiết phẳng hoặc chi tiết quay. Phần mềm MATLAB xử lý dữ liệu, tính toán toạ độ 3D, và tái tạo hình dạng biên dạng vật đo. Các thuật toán trong luận văn cho phép tự động đánh giá sai số và xác định kích thước chi tiết.

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo lường

Kết quả của phương pháp quét biên dạng 3D bằng laser phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật và môi trường. Cường độ tia laser ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu phản xạ - quá yếu hoặc quá mạnh đều làm giảm độ chính xác. Đường kính tia laser quyết định độ phân giải, khi chùm laser nhỏ hơn cho phép quét chi tiết hơn. Độ nhám bề mặt vật đo ảnh hưởng đến khả năng phản xạ ánh sáng - bề mặt trơn phản xạ tốt hơn bề mặt thô. Mầu sắc bề mặt vật đo cũng quan trọng vì các màu khác nhau hấp thụ và phản xạ laser khác nhau. Cuối cùng, góc nghiêng bề mặt tại điểm đo làm thay đổi cường độ phản xạ, ảnh hưởng đến hàm truyền đạt của hệ thống.

3.1. Ảnh hưởng của các thông số laser

Cường độ tia laser và đường kính chùm là hai thông số quan trọng nhất. Khi tăng cường độ laser, tín hiệu phản xạ mạnh hơn, nhưng có thể gây nhiễu nếu quá lớn. Đường kính tia nhỏ hơn cho phép quét các chi tiết nhỏ với độ phân giải cao hơn. Hàm truyền đạt của hệ thống phản ánh mối quan hệ giữa các thông số này và chất lượng tín hiệu nhận được.

3.2. Tính chất của bề mặt vật đo

Độ nhám bề mặt, mầu sắc, và góc nghiêng bề mặt tạo thành một bộ ba yếu tố quan trọng. Bề mặt nhám cao làm phân tán laser, giảm tín hiệu phản xạ. Mầu sắc tối hấp thụ laser nhiều hơn, yêu cầu cường độ laser cao hơn. Góc nghiêng thay đổi hướng phản xạ, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đo lường.

IV. Ứng dụng thực nghiệm và đánh giá kết quả

Mô hình thực nghiệm được xây dựng để kiểm chứng hiệu quả của phương pháp quét 3D bằng laser. Các chi tiết quét bao gồm bề mặt phẳng và chi tiết quay để kiểm tra khả năng quét bề mặt phẳng và quét vật quay. Kết quả thực nghiệm được thu thập thông qua phần mềm xử lý, tạo ra biên dạng vật được mô phỏng lại với độ chi tiết cao. Xác định sai số bằng căn mẫu và so sánh kích thước thực tế với kích thước đo được, cho phép đánh giá độ chính xác của toàn bộ hệ thống. Các thực nghiệm này chứng minh rằng thiết bị có thể tự động hóa quá trình đo và đạt độ chính xác cao trong các ứng dụng công nghiệp.

4.1. Quy trình thực nghiệm và thu thập dữ liệu

Quá trình thực nghiệm bắt đầu bằng lựa chọn chi tiết quét có hình dạng đã biết. Hệ thống điều khiển điều khiển đầu đo laser quét toàn bộ bề mặt theo lưu đồ quét được lập trình. Dữ liệu toạ độ 3D từ từng điểm được thu thập liên tục. Phần mềm MATLAB xử lý dữ liệu thô, loại bỏ nhiễu, và tái tạo biên dạng 3D của vật đo.

4.2. Đánh giá độ chính xác và sai số

Kích thước chi tiết quét so sánh với kích thước lý thuyết để xác định sai số. Phương pháp căn mẫu được sử dụng để đo các kích thước quan trọng và tính sai số tuyệt đối. Độ chính xác đạt được cho thấy hiệu quả thực tiễn của phương pháp quét 3D laser trong ứng dụng công nghiệp, đồng thời chỉ ra các hướng cải tiến trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Đo biên dạng bê mặt bằng phương pháp quét laser 3D: Trong chương này trình bảy các phương pháp đo laser 3D đang được sứ dụng hiện nay và ca sở để thiết kẻ máy đo 3D laser PHAM NGỌC LINII 1IBCTM KIL LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HOC dâu, mới hàn thân tảu thuỷ, trong công nghiệp luyện tôi thép. Có thể tự động hoá quả trình đo. Các máy quét 3D đều dựa vào nguyên lắc: Bê mặt chủ tiết được chỉa thành một lưới điểm đo gồm các điểm có toạ dé (x, y, 2), máy đo sẽ lây các toa độ các điểm nay để xử lý. Các điểm nảy được lấy toa độ nhờ rnột đầu đo không tiếp xúc chuyển động liên tục, ta gọi chuyển động này lả chuyển động quét bẻ mặt.

Các phương pháp quét 3ï2 được sử dụng: " Dùng sóng siều âm: Nguyên lý do 3D sử đụng sóng siêu âm do khoảng cách bằng thời gian lan truyền của sống siêu am trong không khí, ở phương pháp này bó phát sóng siêu am sẽ phái cáo xung siêu âm, cá xung siêu ôm mày sẽ đến liếp xúc với bể mặt đo và phân xạ lại, các xưng siêu am phân xạ được thu lai bằng một bộ thu siêu âm, thời gian phát vả thu các xung siêu âm cho ta biết được khoảng cách giữa bẻ mặt vật đo. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp dùng sóng siêu âm là khoảng, cách độ phân tán sóng do càng xa khi lan truyền kich thước chủm siêu âm cảng lớn. "— Dũng laser Nguyên tắc sử dụng đầu đo laser để đo khoảng cách có tru điểm hơn so với phương pháp dùng sóng siêu âm đo tỉa laser có độ định hưởng cao và kich thước nhỏ nên khoảng cách giữa các điểm đo nhỏ. Trong thực bể mặt chỉ tiết thường nhấp nhỏ, do dé tinh phan xạ của bễ mặt chỉ tiết bị giảm đi khi dùng ánh sáng thưởng.

Cường độ phan xạ lúc này thay đổi theo độ đốc của bể mặt chí tiết Đổi với những bể mật cỏ dộ nhấp nhô cảng cao thi cường, dộ tia phan xa thu được càng yếu. Hiện nay, phương pháp đo laser 3I2 đang được nghiên cửu vả ứng dụng ngày. càng rộng rãi 10 PHAM NGỌC LINII 1IBCTM KIL LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HOC Chương 2: Cơ sở thiết kế dẫu do và bệ dịch chuyền quang cơ. Trong chương, nảy trình bay các các cơ sở lý thuyết thiết kế đầu do và các phương pháp dich chuyển quang cơ.

Chương 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm: Nội dụng, chủ yêu trong chương, xảy là trình bày các cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm như: hệ địch chuyển quang cơ, dầu do, phản mềm thu thập vả xử lý tỉ hiệu do. Chương 4: Thực nginậệm và đánh giá kết quả: Nôi đựng chủ yếu của chương, này lá trình bảy các kết quả thứ nghiệm trên máy đo, đánh siá kết quả của máy đo. 4 Äết luận: Sân phẫm của luận văn là một thiết bị quét biên dang chi tiét 3D laser voi các linh kiện sẵn có hiên thị đường với một quy trình chế tạo khả thì phù hợp với điều. kiện kinh phi và công nghệ trong nước, hệ thống do biên dạng 3D hoạt động én định, giá thanh thấp hơn nhiều so với chí phí nhập khẩu từ nước ngoài.

Một số kết quá thiết bị đo đã đạt được: = Phan vi do: 600x400 min. - Dé phan giai: 0.01 mm - _ Độ chính xác đo vả chuyển động: 0. Tuuận vẫn là sự Lông hợp sự lổng hợp kiến thức của nhiều lĩnh vực như Cơ khí, laser, kỹ thuật điện điên tử, công nghệ thỏng tin và được hoàn thành trong thời gian tương đối ngắn, do đó không thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của thấy cô và các déng nghiệp đễ dễ lải được hoán thiện hơn.

Cuỗi cùng cho phép tôi được chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Vĩnh đã lận tỉnh hướng dẫn tôi trong quả trình làm luận văn. Căm ơn các thầy cô giáo trong Bộ xôn Cơ khi chính xác & Quang học - Viện Cơ khí - Trường dai hoc Bach Khoa Ila Nội đã nhiệt tỉnh giúp đỡ lôi hoàn thành các nội dung của lưàn vẫn này PHAM NGỌC LINII 1IBCTM KIL LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HOC CHƯƠNG I: ĐO TƯỜNG BIEN DANG BE MAT BANG PHUONG PHÁP QU LASER 3D 1. Giới thiệu về máy quét3D Kỹ Iuật đồ họa cùng sự phát triển của khoa học máy tính dã trợ giúp dáng kế cho cơn người trong việc thét ké va mé phỏng trong công nghiệp.

Cho đến những, âm đầu thập kỹ 90 các máy đo tọa độ ba chiều đã được đưa vào trong các đây truyền sẵn xuất nhằm kiểu tra, dáng giá chất lượng sản phẩm. Tiếp đó, hàng loạt các thé hệ máy đo quang học ra đời đã mỏ rộng rất nhiều khá năng ứng dung các giải pháp 3D không chỉ trong công nghiệp, với độ chính xúc ngày cảng cao của các Huối bị do quang học, những ung dung may quét 3D dã dược mở rộng ra rất nhiều các lĩnh vục khác nữa như: y học, kiến trúc, khảo cổ học, điêu khắc, phim hoạt hình Ngày nay, may do ba toạ độ(CMM) duợc sử dụng rộng rãi trong nên công, nghiệp cơ khí để đo các kích thước, vị trí và hinh đạng của một bộ phận cơ khí Trong nên công nghiệp ô tô thì CMM được sử dụng để đo và kiểm tra các bộ phận của ö tô. Chinh vi vay ma CMM dong mét vai tro rat quan tong trong nén công nghiệp ngày nay. Nhưng máy CMM có độ chính xác khá cao nhưng khi đo thì tắc độ do rất châm nên rất khó do các chủ tiết có bể 1uặt phức Lạp.

Hiện may, công nghệ quét laser 3D có thể khắc phục được những nhược điểm trén vi may quét laser 3D thuộc đòng máy đo ba tọa độ không tiếp xúc, có khả năng ứng đụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như cơ khí, ô tỏ, đo lường,. có thể do với tốc dộ nhanh và dạt độ chính xác cao. Phương pháp do không tiếp xúc có những ưu điểm: do được những chỉ tiết có bẻ mặt mềm, dễ biến dạng, chiều dảy móng, tốc độ đo cao đo không tiếp xúc trực tiên với chỉ tiết. Đặc biệt có thế ứng dụng đề đo đạc ở những môi trường, có nhiệt đô cao, những chỉ tiết dộng dang gia công cất gọt mà văn dâm bảo kết quả do chỉnh.

Một ưu điểm vượt trội của máy quét 312 không tiếp xúc là nó có thể đo đạc ở những nơi má con người không thể chạm tới được như bên trong các đường ông dẫn. PHAM NGỌC LINII 1IBCTM KIL LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HOC DANH MỤC HÌNH VỆ Tình 1.1: Sơ đồ nguyén ly do thea phản xe Hình 1.2: Sơ dỗ nguyên lý do theo phương pháp tạo ảnh .3: Nguyên lý quái vệt trên bỄ mặt chỉ HÁI đo xử dụng hệ quang.4: Se’ dé nguyên [0 quét mặt phẳng.5: Sơ dé nguyên by quét vt quay Hinh 1.6: May quét cia hang Faro.?: Thiét bj quét 3D cam tay ciia hang Creaform.8: Méy quét Vituoso cita Konica.9: May quét laser 100HSX Surphaser.1: Se’ dé nguyên hy: do thee phuong phap tan xattao anh).2: Nguyén ly) quét 3D laser theo dieing .3: So dé tgo ảnh.4: Biéu dé quan hé gittaL va AZ.5: Bitu đồ quan hé gitta H va AZ.6: Biéu dé méi quan hé guita f va AZ Hinh 2 tấu tạo cụn dầu do.8: Mã hình thực nghiệm.9: Dẫ thị ảnh hướng của cường độ tia laser đến đường đặc hun.10: Đà thị ảnh hưởng của dường kính tia laser tới dưỡng đặc huyền Hình 2.11: Đồ thị ảnh hướng của độ nhdm bé mặt vật đo đến đường đặc tuyễn.12: Dễ thị ảnh hưởng của mầu sắc bê mặt vật đo đến đường déic tuyén.13: Đ thị ảnh hưởng của góc nghiêng bê mặt tại diễm đo.14: Sơ đề bệ thắng điều khiến số 1.15: Sơ đỗ hệ thông điều khiển số 2.16: Sơ dỗ hệ thông điều khiến số 3. 4 PHAM NGỌC LINII 1IBCTM KIL LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HOC MO PAU 1. LỆ do chọn dé tài: Quét 3D I.aser là phương pháp đo không tiếp xúc biên dạng bê mặt chỉ tiết liện dang được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sông.

Phép đo theo phương pháp nảy có thời gian đo nhanh, có thể đến hàng chục ngàn. phép do trong md giây và rất liệu quả trong đo quét. biên dạng các chỉ tí cơ khi Hiện nay, ở các nước phát triển các máy quét laser 3D dược sử dụng rất nhiễu, tuy “hiền giá thành của những máy đo quét nảy là rất đất. Vị vậy, việc nghiên cửu, thiết ki tạo thiết bị quớt biên đạng chỉ tiết 3D laser phù hợp với điền kiện kinh lế, xã hội trong nước là một yêu cầu dặt ra với các nhà khoa học Việt Nam.

2 Aục đích nghiên cứu của luận văn Nghiên cứu một số vẫn để chính cẩn giải quyết khi thiết kế chế tạo lại thiết bị đo này để đâm bão được các yêu đã định ra về độ phân giải và độ chính xác, tìm ra phương pháp tối ưu xây dụng một thiết bị quét biên dạng chỉ tiết 312 laser phủ hợp với điều kiện kinh tế nhưng vẫn đâm vào được độ ốn định và chính xác cao, đánh. giả kết quả nhanh chong và thuận tiện theo tiên chuẩn đá đất ra và có thể áp đụng, xông rãi trong sản xuất vả kiểm tra. 31 Cúc nội dụng chính cũa luận văn Nội dung chính là trình bảy những cơ sở lý thuyết, các nguyên lý do, các phương pháp tiết kế đầu do cũng như hệ địch chuyển quang cơ. Khảo sắt một.

số yếu tổ ánh hướng đến độ chính xác và xây dựng mô hình thực nghiệm Ngoài phan giới thiêu tổng quan và kết hiận, luận văn báo gồm các chương Chương 1: Đo biên dạng bê mặt bằng phương pháp quét laser 3D: Trong chương này trình bảy các phương pháp đo laser 3D đang được sứ dụng hiện nay và ca sở để thiết kẻ máy đo 3D laser PHAM NGỌC LINII 1IBCTM KIL LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HOC Chương 2: Cơ sở thiết kế dẫu do và bệ dịch chuyền quang cơ. Trong chương, nảy trình bay các các cơ sở lý thuyết thiết kế đầu do và các phương pháp dich chuyển quang cơ. Chương 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm: Nội dụng, chủ yêu trong chương, xảy là trình bày các cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm như: hệ địch chuyển quang cơ, dầu do, phản mềm thu thập vả xử lý tỉ hiệu do. Chương 4: Thực nginậệm và đánh giá kết quả: Nôi đựng chủ yếu của chương, này lá trình bảy các kết quả thứ nghiệm trên máy đo, đánh siá kết quả của máy đo.