Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: xây dựng thiết bị đo biên dạng nòng pháo bằng

Luận văn nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo biên dạng nòng pháo sử dụng công nghệ quét tia laser, ứng dụng trong kiểm tra chất lượng vũ khí quân sự.

• Tác giả: Phạm Đức Tuần
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Thiết bị đo biên dạng nòng pháo bằng quét tia laser
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết bị đo biên dạng nòng pháo

Thiết bị đo biên dạng nòng pháo là một công nghệ hiện đại được phát triển tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nhằm đảm bảo chất lượng sản xuất vũ khí. Luận văn ThS của tác giả Phạm Đức Tuần tập trung vào xây dựng thiết bị đo bằng quét tia laser, một phương pháp không tiếp xúc có độ chính xác cao. Thiết bị này có khả năng đo những nòng pháo với chiều dài đầu ít nhất gấp 20 lần đường kính nòng. Công nghệ quét tia laser mang lại những ưu điểm vượt trội so với phương pháp đo tiếp xúc truyền thống, cho phép đạt độ chính xác ±0,02 mm. Sự kết hợp giữa nguyên lý đo không tiếp xúc và yêu cầu thực tiễn tạo nên một giải pháp toàn diện cho bài toán kiểm tra chất lượng nòng pháo trong sản xuất công nghiệp quốc phòng.

1.1. Khái niệm và ý nghĩa của đo biên dạng nòng pháo

Đo biên dạng nòng pháo là quá trình kiểm tra hình dạng bề mặt bên trong nòng pháo để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Bài toán này bao gồm kiểm tra đường kính lòng nòng, độ thẳng nòng và các khuyết tật như vết nứt, han gỉ. Phương pháp không tiếp xúc bằng laser mang lại độ chính xác cao, không làm hư hỏng bề mặt và có thể đo những nòng pháo có chiều dài lớn.

1.2. Công nghệ laser trong đo lường hiện đại

Công nghệ quét tia laser sử dụng các thành phần quang học như lăng kinh, gương phân xạ và đầu phát laser để phát tán tia sáng. Đầu thu với độ phân giải 1920 x 1080 pixel (kích thước điểm ảnh 2,9 μm) ghi nhận tín hiệu phản xạ từ bề mặt nòng pháo, tạo cơ sở cho tính toán hàm truyền và xác định hình dạng bề mặt với độ chính xác cao.

II. Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo

Nguyên lý đo tam giác lượng là cơ sở lý thuyết chính của thiết bị. Thiết bị sử dụng góc quét Q = 0° đến 2°30' để quét bề mặt nòng pháo. Module đầu đo có tiêu cự vật kinh f = 47 mm với độ phòng đại G = 0,5 mm. Phạm vi đo được từ -2 mm đến +8 mm, đủ để kiểm tra nòng pháo có đường kính 85 mm và chiều dài 4.675 mm. Quy trình đo lường kết hợp giữa phần mềm Zemax (thiết kế quang học) và Matlab (xử lý dữ liệu) để tối ưu hóa hệ thống. Phần mềm Mathcad và Autocad được sử dụng cho tính toán hệ thống và thiết kế 3D. Kết hợp tính toán bằng hàm truyền và thực nghiệm đo lường, các nhà nghiên cứu từng bước nâng cao độ chính xác phép đo đến mức chuẩn xác.

2.1. Nguyên lý tam giác lượng và thông số quang học

Nguyên lý tam giác lượng dựa trên việc xác định vị trí điểm trên bề mặt thông qua góc phát và vị trí thu nhận. Với góc Q = 0° - 2°30' và tiêu cự f = 47 mm, hệ thống có thể xác định chính xác hình dạng bề mặt nòng pháo. Độ phòng đại G = 0,5 mm và phạm vi -2 mm đến +8 mm cho phép kiểm tra toàn bộ lòng nòng. Độ chính xác ±0,02 mm đạt được nhờ độ phân giải cao 1920 x 1080 pixel.

2.2. Cấu thành hệ thống và các thành phần chính

Hệ thống quét laser bao gồm đầu phát laser, lăng kinh, gương phân xạ, đầu thu cao phân giải. Module đầu đo được thiết kế có 6 đầu thu-phát laser hoặc 1 cảm biến chuyển động quay để quét toàn bộ chu vi nòng. Các thành phần được tích hợp trong cấu trúc cơ khí chắc chắn, cho phép quay quanh trục nòng pháo để thu thập dữ liệu 3D hoàn chỉnh.

III. Phương pháp đo lường và xử lý dữ liệu

Phương pháp đo lường biên dạng nòng pháo sử dụng quét tia laser khác biệt hoàn toàn so với phương pháp đo tiếp xúc truyền thống bằng thước hình sao PKI. Trong khi phương pháp cũ chỉ có thể đo một số điểm rời rạc, công nghệ laser quét cho phép thu nhận dữ liệu liên tục trên toàn bộ bề mặt nòng pháo. Quá trình xử lý dữ liệu sử dụng thuật toán tính khoảng cách dịch chuyển, được lập trình trong Matlab để phân tích từng điểm ảnh. Hàm truyền MTF (Modulation Transfer Function) được tính toán để đánh giá chất lượng quang học của hệ thống. Kết quả cuối cùng được so sánh với tiêu chuẩn chất lượng để xác định sản phẩm đạt yêu cầu hay không. Phương pháp này không chỉ nâng cao độ chính xác đo lường mà còn tăng hiệu quả kiểm tra trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.

3.1. Quy trình thu thập và xử lý dữ liệu

Quy trình đo lường bắt đầu với việc quét tia laser quanh chu vi nòng pháo. Đầu thu ghi nhận tín hiệu phản xạ từ bề mặt và chuyển thành dữ liệu pixel. Thuật toán tính khoảng cách trong Matlab xử lý dữ liệu để xác định toạ độ 3D của từng điểm trên bề mặt. Hàm truyền được áp dụng để hiệu chỉnh sai số do quang học gây ra. Cuối cùng, dữ liệu được so sánh với mô hình CAD chuẩn để kiểm tra sai lệch.

3.2. Kiểm tra chất lượng quang học và hiệu chuẩn

Hiệu chuẩn hệ thống được thực hiện bằng mia USAF (United States Air Force resolution test chart). Hình ảnh mia thu được trong phần mềm Zemax được so sánh với kết quả đo thực tế. Bố trí kiểm tra chất lượng đảm bảo lăng kinh, gương phân xạ hoạt động đúng tiêu chuẩn. Các thông số MTF được đánh giá để xác nhận độ chính xác quang học của hệ thống đạt yêu cầu.

IV. Ứng dụng thực tiễn và những thách thức

Thiết bị đo biên dạng nòng pháo mang lại những ứng dụng thiết thực trong kiểm tra chất lượng sản xuất vũ khí. Nó có thể phát hiện các khuyết tật như vết nứt, han gỉ, rổ, vết xước trên bề mặt nòng pháo mà phương pháp cũ dễ bỏ sót. Độ chính xác ±0,02 mm cho phép phát hiện những biến dạng rất nhỏ của đường kính lòng nòng và độ thẳng nòng, điều quan trọng đối với hiệu suất bắn của pháo. Tuy nhiên, công nghệ này cũng đối mặt với những thách thức như sự ảnh hưởng của độ phản xạ bề mặt nòng pháo (đặc biệt khi có lớp dầu hay rust), yêu cầu cao về độ ổn định nhiệt độ của hệ thống quang học. Việc tích hợp công nghệ này vào sản xuất hàng loạt cần yêu cầu đào tạo nhân viên chuyên biệt và đầu tư cơ sở hạ tầng đáng kể. Tuy vậy, luận văn ThS đã tạo nên cơ sở khoa học vững chắc để phát triển thiết bị đo lường tự động trong thời gian tới.

4.1. Ứng dụng trong kiểm tra chất lượng sản xuất

Thiết bị đo laser được ứng dụng để kiểm tra độ chính xác nòng pháo trong các dây chuyền sản xuất. Nó có thể phát hiện mòn nòng, biến dạng hình học, và khuyết tật bề mặt một cách nhanh chóng và chính xác. Phạm vi đo từ -2 mm đến +8 mm cho phép kiểm tra toàn bộ lòng nòng pháo có đường kính 85 mm. Tốc độ đo nhanh giúp tăng năng suất kiểm tra so với phương pháp đo tiếp xúc truyền thống.

4.2. Những thách thức và hướng phát triển tương lai

Thách thức chính là độ phản xạ không đều của bề mặt nòng pháo có thể ảnh hưởng độ chính xác phép đo. Yêu cầu ổn định nhiệt độ của hệ thống quang học đòi hỏi điều kiện môi trường kiểm soát chặt. Hướng phát triển tương lai cần tập trung vào tự động hóa quy trình đo, tích hợp AI để phát hiện khuyết tật và cải thiện khả năng thích ứng với các loại nòng pháo khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TÔNG QUAN VẺ PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG BIÊN DANG NONG PHAO Trong quá trình sử dụng phao, nỏng pháo chịu tác động của khí thuốc, độ xiết của đai đạn khi bắn.sẽ làm nòng pháo bị mòn, phỉnh, nứt, cong nòng 0) Những lỗi như phinh nỏng, nứt bẻ mặt ngoài có thể quan sát trực tiếp bằng mắt nhưng những lôi như mỏn, nứt be mặt trong, cong nỏng thi phải sử dụng các dụng cụ chuyên dụng đề đo kiểm va quan sat Để kiểm tra độ mỏn nòng thường sử dụng thước hình sao PKI, đây là một dụng cụ chuyên dụng để đo độ mòn nông ở các nước sử dụng hệ pháo của Liên Xô. Đề kiểm tra đô thẳng của nỏng thì sử dụng dưỡng thing. Dé kiểm tra nứt bề mặt trong thi sử dụng gương nhỏ và kết hợp với soi đèn để quan sát (mục 1.2) Trước sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì việc số hóa các dụng cụ đo lưởng đang phát triển một cách nhanh chóng.

Trong những năm gân đây, nhà máy Dtest của Nga ket hop voi hang Riftek cia Belarus phat trien thiet bi do lưởng biên dạng nỏng phảo dựa trên nguyên lý quét tia laser. Thiet bi co the do cùng lúc độ mỏn (đường kính lòng nòng), độ thẳng, kiểm tra chất lượng bẻ mặt, dựng 3D bèmặt lỏng nòng (mục 1. 11 Dac điểm kiểm tra lòng nòng pháo.1 Đối tượng đo Nòng pháo có đường kinh sống xoăn là dụ, đường kính rãnh xoăn là d, (pháo nòng trơn thì không có rãnh xoắn), chiều dài nòng pháo là7 > 20đ,. Thông, thường, độ nhám bề mặt của sông xoắn lả Ra 0,63 (cấp 8) vả của rãnh xoăn là Ra 2.

Căn cứ vào điều kiên hoạt động vả tỉnh năng của nông phảo thì các thông số cần kiểm tra của lòng nỏng bao gồm: Đường kính rãnh nỏng dụ đối với pháo nòng xoắn và dụ đối với pháo nông trơn, độ thẳng của lòng, nỏng phảo và khuyết tật trong lòng nòng. Như vậy, đốitượng can do la be mat 16 trong va chieu sâu lỗ tương đổi lớn, bề mặt lỗ bóng có cap độ nhám thay đổi từ cập 6 đền cấp 8 và có bậc (phảo rãnh xoắn). rs S L5 a Hình 1 1 Mặt cắt đọc trục nòng pháo 112 Yêu cầu kiểm tra Từ đặc điểm làm việc của nòng phảo, các thông số kiểm tra bên trong nỏng bao gồm: Tỉnh 3.1 Bố trí laser hoặc đầu thu vuông góu vớt bể mặt đo.2 Bề trí laser và dẫu thu nghiêng góc sơ với pháp tuyển của bể mặt do.3 Sơ đồ nguyên lý đo của thiết bị Hình 3.4 Hồ trí các thánh phân thi nghiệm.5 Phương pháp hiệu chỉnh góc xoay của bể mặt phân xe.6 Hiệu chỉnh bẻ mặt do.7 TIiệu chỉnh góc B Tinh 3.8 TIiệu chỉnh bê mặt căm biển vuông góc với tỉa laser.9 Sơ đồ đo độ phóng đại Tĩnh 3.10 Sơ đỏ nguyên đo cha kết quả đo âm Hình 3.11 Sơ đỏ bố trí thí nghiệm.12 Hinh anh thực tổ của thí nghiệm Tình 3.13 Phương trình sai số bẻ mặt E gương, Hình 3.14 Phương trình sai số của bể mặt mẫu đo có độ nhám cắp7 Hinh 3.15 M6 phéng sai sé bing Matlab Hình 3.16 Kết quả sau khi hiệu chỉnh sai số của bể mặt sương Tỉnh 3. - quả sau khi hiệu chỉnh sai số của bê mặt có độ nhám cấp 7 Tình 3.18 Kết cầu lông thể đầu đo.1 Giá trị phạm vi đo và độ phân giải phụ thuộc vào f' (với œ=0).2 Giá trị phạm vì đo và độ phân giải phụ thuộc vào ƒ (với x—10) Hình 0.3 Giá trị phạm vị do và độ phân giải phụ thuộc vào F (với œ=20).4 Giá trị phạm vi đo và độ phân giải phụ thuộc vào f' (với œ=30) ĐANH MỤC HỈNH VỆ, Tình 1.

Mặt cắt doc trục nông pháo.7 Câu tạo chung của thước hình sao PKI BWW Tình 1.3 Nguyên lý hoại đồng của thước PK.4 Dưỡng kiểm tra độ thắng.5 Sơ đồ tng thể của thiết bị đo lường biên dạng nòng pháo cha.6 Module diu do 0 0ê Tlinh 1.7 Nguyễn lý đo tam giác lượng.8 Sơ đồ nguyên lý đo đường kính nòng pháo Hinh 1.9 Tap hyp did do toa dé (1,9) khi module dau de quay Tỉnh1.10 Module đâu đo có định với 6 đầu thu-phát Taser Hình1.11 Đầu đo có một cảm biến chuyển dộng quay,.12 Hình ảnh đầu do của thiết bị P8125.13 Kết câu dâu do của P8128.14 Nguén laser cia PS125 Hình 1.15 Bia hiệu chỉnh P8125.16 Ông đỡ ngoài của P8125.17 Đầu đo của thiét bi do PS 57/120. cece ES Hinh 1.18 Module laser cia thiết bị do P8 57/120 Linh 1.19 Thiét bj PS 120/159.20 Đâu do của thiết bị PS 120/159.1 Dặc điểm của đối tượng đo lường.3 Bẻ mặt câm biển tao với trục quang góc7.3 Cảm biển bố trí vuông góc với trục quang, - 18 Tình 2.4 Sơ đỗ nguyên lý phương pháp đo đường kính nông pháo 19 Tình 2.5 Sơ đồ tính toán hàm truyền.6 Các thông số kết cầu của hệ quang. - - 26 I0 cp«‹ CD, NNN ẽ.8 Bồ tủ điểm ânh của hệ quang.9 Hàm truyền MTF cửa hệ quang.10 Kết cầu cơ khí hệ quang.11 Sơ dẻ bề trị kiểm tra chất lượng vật kinh.12 Hình ảnh mía USAF thu dược.13 Hình ánh mia USAF thu được khi mô phông fing Zemax.14 Lưu đỗ thuật toán chính đùng dễ tính khoảng dịch chuyển.15 GHao diện xác định khoáng cách.coccc co CHƯƠNG 1. TÔNG QUAN VẺ PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG BIÊN DANG NONG PHAO Trong quá trình sử dụng phao, nỏng pháo chịu tác động của khí thuốc, độ xiết của đai đạn khi bắn.sẽ làm nòng pháo bị mòn, phỉnh, nứt, cong nòng 0) Những lỗi như phinh nỏng, nứt bẻ mặt ngoài có thể quan sát trực tiếp bằng mắt nhưng những lôi như mỏn, nứt be mặt trong, cong nỏng thi phải sử dụng các dụng cụ chuyên dụng đề đo kiểm va quan sat Để kiểm tra độ mỏn nòng thường sử dụng thước hình sao PKI, đây là một dụng cụ chuyên dụng để đo độ mòn nông ở các nước sử dụng hệ pháo của Liên Xô.

Đề kiểm tra đô thẳng của nỏng thì sử dụng dưỡng thing. Dé kiểm tra nứt bề mặt trong thi sử dụng gương nhỏ và kết hợp với soi đèn để quan sát (mục 1.2) Trước sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì việc số hóa các dụng cụ đo lưởng đang phát triển một cách nhanh chóng. Trong những năm gân đây, nhà máy Dtest của Nga ket hop voi hang Riftek cia Belarus phat trien thiet bi do lưởng biên dạng nỏng phảo dựa trên nguyên lý quét tia laser. Thiet bi co the do cùng lúc độ mỏn (đường kính lòng nòng), độ thẳng, kiểm tra chất lượng bẻ mặt, dựng 3D bèmặt lỏng nòng (mục 1.

11 Dac điểm kiểm tra lòng nòng pháo.1 Đối tượng đo Nòng pháo có đường kinh sống xoăn là dụ, đường kính rãnh xoăn là d, (pháo nòng trơn thì không có rãnh xoắn), chiều dài nòng pháo là7 > 20đ,. Thông, thường, độ nhám bề mặt của sông xoắn lả Ra 0,63 (cấp 8) vả của rãnh xoăn là Ra 2. Căn cứ vào điều kiên hoạt động vả tỉnh năng của nông phảo thì các thông số cần kiểm tra của lòng nỏng bao gồm: Đường kính rãnh nỏng dụ đối với pháo nòng xoắn và dụ đối với pháo nông trơn, độ thẳng của lòng, nỏng phảo và khuyết tật trong lòng nòng. Như vậy, đốitượng can do la be mat 16 trong va chieu sâu lỗ tương đổi lớn, bề mặt lỗ bóng có cap độ nhám thay đổi từ cập 6 đền cấp 8 và có bậc (phảo rãnh xoắn).

rs S L5 a Hình 1 1 Mặt cắt đọc trục nòng pháo 112 Yêu cầu kiểm tra Từ đặc điểm làm việc của nòng phảo, các thông số kiểm tra bên trong nỏng bao gồm: CHƯƠNG 1. TÔNG QUAN VẺ PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG BIÊN DANG NONG PHAO Trong quá trình sử dụng phao, nỏng pháo chịu tác động của khí thuốc, độ xiết của đai đạn khi bắn.sẽ làm nòng pháo bị mòn, phỉnh, nứt, cong nòng 0) Những lỗi như phinh nỏng, nứt bẻ mặt ngoài có thể quan sát trực tiếp bằng mắt nhưng những lôi như mỏn, nứt be mặt trong, cong nỏng thi phải sử dụng các dụng cụ chuyên dụng đề đo kiểm va quan sat Để kiểm tra độ mỏn nòng thường sử dụng thước hình sao PKI, đây là một dụng cụ chuyên dụng để đo độ mòn nông ở các nước sử dụng hệ pháo của Liên Xô. Đề kiểm tra đô thẳng của nỏng thì sử dụng dưỡng thing. Dé kiểm tra nứt bề mặt trong thi sử dụng gương nhỏ và kết hợp với soi đèn để quan sát (mục 1.2) Trước sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì việc số hóa các dụng cụ đo lưởng đang phát triển một cách nhanh chóng.

Trong những năm gân đây, nhà máy Dtest của Nga ket hop voi hang Riftek cia Belarus phat trien thiet bi do lưởng biên dạng nỏng phảo dựa trên nguyên lý quét tia laser. Thiet bi co the do cùng lúc độ mỏn (đường kính lòng nòng), độ thẳng, kiểm tra chất lượng bẻ mặt, dựng 3D bèmặt lỏng nòng (mục 1. 11 Dac điểm kiểm tra lòng nòng pháo.1 Đối tượng đo Nòng pháo có đường kinh sống xoăn là dụ, đường kính rãnh xoăn là d, (pháo nòng trơn thì không có rãnh xoắn), chiều dài nòng pháo là7 > 20đ,. Thông, thường, độ nhám bề mặt của sông xoắn lả Ra 0,63 (cấp 8) vả của rãnh xoăn là Ra 2.

Căn cứ vào điều kiên hoạt động vả tỉnh năng của nông phảo thì các thông số cần kiểm tra của lòng nỏng bao gồm: Đường kính rãnh nỏng dụ đối với pháo nòng xoắn và dụ đối với pháo nông trơn, độ thẳng của lòng, nỏng phảo và khuyết tật trong lòng nòng. Như vậy, đốitượng can do la be mat 16 trong va chieu sâu lỗ tương đổi lớn, bề mặt lỗ bóng có cap độ nhám thay đổi từ cập 6 đền cấp 8 và có bậc (phảo rãnh xoắn). rs S L5 a Hình 1 1 Mặt cắt đọc trục nòng pháo 112 Yêu cầu kiểm tra Từ đặc điểm làm việc của nòng phảo, các thông số kiểm tra bên trong nỏng bao gồm: MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TONG QUAN VE PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG BIỂN DANG NONG PHAO.

— 11 Die did kiểm tra lòng nòng pháo 1 1.2 Yéucau kiém tra.2 Thương pháp đo lường nòng pháo đạng tiếp xúc 2 1.1 Kiểm tra đường kính lỏng nẻng. Kiểm tra độ thẳng nòng.23 kiểm tra các khuyết tật bể mặt lòng nòng. Phương pháp do lường nòng pháo không tiếp xúc.1 Cấu tạo và hoạt động.2 Nguyên lý do đường kinh nòng pháo. Môi số thidt bi do Iudng bién dang ndng khong lidp xtc 10 CHUONG 2.

CƠ SỞ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐƠ LƯỜNG BIÊN DANG NONG PIIAO BANG MAY QUET LASER .1 Dike diém ctia déi trong do WiONg ee ee cesses seeesseesestimsnttnssssessseeeseee LT 3.2 Nguyên lý do tam giác lượng.3 Do lưỡng đường kinh nỏng phảo. Ham truyền và các yếu tổ ãnh hưởng.41 Xây dung bam truyén.