Thiết Bị Đo Biên Dạng Nòng Pháo Bằng Quét Tia Laser

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Xây dựng thiết bị đo biên dạng nòng pháo bằng quét tia laser, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Phạm Đức Tuân
• 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 sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG NÒNG PHÁO
• 1.1. Đặc điểm kiểm tra lòng nòng pháo
• 1.2. Yêu cầu kiểm tra
• 1.3. Phương pháp đo lường nòng pháo dạng tiếp xúc
• 1.3.1. Kiểm tra đường kính lòng nòng
• 1.3.2. Kiểm tra độ thẳng nòng
• 1.3.3. Kiểm tra các khuyết tật bề mặt lòng nòng
• 1.4. Phương pháp đo lường nòng pháo không tiếp xúc
• 1.4.1. Cấu tạo và hoạt động
• 1.4.2. Nguyên lý đo đường kính nòng pháo
• 1.4.3. Một số module đầu đo
• 1.4.4. Một số thiết bị đo lường biên dạng nòng không tiếp xúc
• 2. CƠ SỞ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG NÒNG PHÁO BẰNG MÁY QUÉT LASER
• 2.1. Đặc điểm của đối tượng đo lường
• 2.2. Nguyên lý đo tam giác lượng
• 2.3. Đo lường đường kính nòng pháo
• 2.4. Hàm truyền và các yếu tố ảnh hưởng
• 2.4.1. Xây dựng hàm truyền
• 2.4.2. Phân tích các thông số ảnh hưởng đến hàm truyền
• 2.4.3. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến độ phân giải và phạm vi đo
• 2.5. Thiết kế, chế tạo vật kính thu vết laser
• 2.5.1. Tính toán thiết kế hệ quang
• 2.5.2. Thiết kế kết cấu cơ khí hệ quang
• 2.5.3. Kiểm tra chất lượng vật kính sau khi tổng lắp
• 2.6. Xây dựng phần mềm tính khoảng cách đo
• 3. THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THIẾT BỊ
• 3.1. Xây dựng sơ đồ thí nghiệm
• 3.2. Xây dựng mô hình thí nghiệm
• 3.3. Hiệu chỉnh các thành phần trên bàn quang học
• 3.5. Kết quả và đánh giá
• 3.6. Thiết kế kết cấu thiết bị
• 3.7. Hướng phát triển của đề tài trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Thiết Bị Đo Biên Dạng Nòng Pháo Bách Khoa Hà Nội

Việc kiểm tra và đánh giá chất lượng nòng pháo là vô cùng quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất trong quá trình sử dụng. Biến dạng nòng pháo do tác động của khí thuốc, độ xiết của đai đạn có thể gây ra mòn, phình, nứt hoặc cong nòng. Các lỗi như phình nòng, nứt bề mặt ngoài có thể quan sát trực tiếp bằng mắt, nhưng những lỗi như mòn, nứt bề mặt trong, cong nòng thì cần sử dụng các dụng cụ chuyên dụng để đo lường và quan sát. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đang nghiên cứu và phát triển các phương pháp đo biên dạng nòng pháo tiên tiến, đặc biệt là ứng dụng công nghệ quét laser để nâng cao độ chính xác và hiệu quả kiểm tra. Theo tài liệu gốc, trước đây việc kiểm tra độ mòn nòng thường sử dụng thước hình sao PKI. Hiện nay, việc số hóa các dụng cụ đo lường đang phát triển một cách nhanh chóng, và việc ứng dụng công nghệ quét laser 3D là một bước tiến quan trọng.

1.1. Tầm Quan Trọng của Kiểm Tra Biên Dạng Nòng Pháo Định Kỳ

Việc kiểm tra định kỳ biên dạng nòng pháo giúp phát hiện sớm các dấu hiệu xuống cấp, từ đó có biện pháp bảo trì, sửa chữa kịp thời, kéo dài tuổi thọ nòng pháo. Theo tài liệu nghiên cứu, nòng pháo chịu tác động lớn từ khí thuốc và đai đạn, việc đánh giá chất lượng nòng pháo đóng vai trò quan trọng.Việc này không chỉ giúp đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng mà còn tối ưu hóa hiệu suất của pháo binh. Việc kiểm tra bao gồm đánh giá độ chính xác đo nòng pháo, các vết nứt và biến dạng.

1.2. Các Phương Pháp Đo Lường Nòng Pháo Truyền Thống và Hạn Chế

Các phương pháp đo lường truyền thống như sử dụng thước hình sao PKI và dưỡng thẳng có nhiều hạn chế về độ chính xác, thời gian đo và khả năng phát hiện các khuyết tật nhỏ. Thước hình sao PKI, dù phổ biến, nhưng độ chính xác không cao và tốn nhiều thời gian khi thực hiện nhiều điểm đo khác nhau. Các phương pháp này không phù hợp khi muốn đo kiểm đường kính lòng nòng của toàn bộ nòng pháo một cách chi tiết. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp đo lường hiện đại là cần thiết.

II. Thách Thức Trong Đo Biên Dạng Nòng Pháo Chính Xác Tuyệt Đối

Việc đo biên dạng nòng pháo chính xác tuyệt đối gặp nhiều thách thức do đặc điểm cấu trúc phức tạp và điều kiện làm việc khắc nghiệt của nòng pháo. Cấu trúc nòng pháo có đường kính nhỏ, chiều dài lớn, bề mặt có thể bị mòn, nứt hoặc biến dạng. Các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm cũng ảnh hưởng đến kết quả đo. Để vượt qua những thách thức này, cần có các thiết bị đo lường hiện đại, độ chính xác cao và khả năng chống nhiễu tốt. Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng một hệ thống thiết bị đo nòng pháo sử dụng cảm biến laser.

2.1. Ảnh Hưởng của Độ Nhám Bề Mặt và Sai Số Hệ Thống Đo

Độ nhám bề mặt của nòng pháo và các sai số hệ thống trong quá trình đo có thể gây ra sai lệch đáng kể trong kết quả. Theo tài liệu, độ nhám bề mặt của sống xoắn là Ra 0,63 (cấp 8) và của rãnh xoắn là Ra 2,5 (cấp 6). Cần có các phương pháp hiệu chỉnh sai số và xử lý dữ liệu phù hợp để đảm bảo độ tin cậy của phép đo. Việc hiệu chỉnh sai số có thể dựa trên phần mềm phân tích dữ liệu quét laser.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Tiếp Cận và Đo Toàn Bộ Chiều Dài Nòng

Việc tiếp cận và đo toàn bộ chiều dài nòng pháo, đặc biệt là các vị trí sâu bên trong, là một khó khăn lớn. Cần có các thiết bị đo có kích thước nhỏ gọn, khả năng di chuyển linh hoạt và phạm vi đo rộng. Các thiết bị này cần phải có khả năng chống rung, chống nhiễu để đảm bảo kết quả đo chính xác trong điều kiện thực tế. Việc kết hợp với công nghệ quét laser 3D sẽ giúp giải quyết vấn đề này.

III. Phương Pháp Quét Laser 3D Đo Biên Dạng Nòng Pháo Tiên Tiến

Phương pháp quét laser 3D là một giải pháp tiên tiến để đo biên dạng nòng pháo với độ chính xác và hiệu quả cao. Phương pháp này sử dụng cảm biến laser để quét bề mặt nòng pháo, thu thập dữ liệu 3D và tạo ra mô hình số của nòng pháo. Từ mô hình này, có thể phân tích và đánh giá các thông số hình học, phát hiện các khuyết tật và đánh giá chất lượng nòng pháo. Ưu điểm của phương pháp này là đo nhanh, không tiếp xúc, độ chính xác cao và khả năng tự động hóa.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Thiết Bị Quét Laser Tại Bách Khoa

Thiết bị quét laser nòng pháo tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hoạt động dựa trên nguyên lý đo tam giác lượng. Cảm biến laser phát ra một tia laser chiếu vào bề mặt nòng pháo, và một camera thu lại hình ảnh của tia laser. Dựa vào góc chiếu và khoảng cách từ camera đến tia laser, có thể tính toán được tọa độ 3D của điểm đo trên bề mặt nòng pháo. Quá trình này được lặp lại trên toàn bộ bề mặt nòng pháo để tạo ra mô hình 3D hoàn chỉnh. Theo tóm tắt nội dung luận văn, sơ đồ nguyên lý đo lường biên dạng nòng pháo từ nguyên lý đo tam giác lượng có góc α=0 0, β=30 0, tiêu cự vật kính f=41 mm, độ phóng đại G=-0,5 mm, phạm vi đo từ -2 mm đến 5 mm, độ chính xác phép đo ±0,02 mm trên cơ sở sử dụng đầu thu có độ phân giải là 1920 x 1080.

3.2. Các Thành Phần Chính của Hệ Thống Đo Quét Laser 3D Bách Khoa

Hệ thống đo quét laser 3D tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội bao gồm các thành phần chính sau: cảm biến laser, hệ thống quang học, hệ thống điều khiển và phần mềm xử lý dữ liệu. Cảm biến laser có nhiệm vụ phát và thu tia laser. Hệ thống quang học có nhiệm vụ tập trung và định hướng tia laser. Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ điều khiển vị trí và góc quét của cảm biến laser. Phần mềm xử lý dữ liệu có nhiệm vụ xử lý dữ liệu quét, tạo mô hình 3D và phân tích các thông số hình học. Theo tài liệu gốc, quá trình thực hiện luận văn đã sử dụng các công cụ hiện đại như phần mềm thiết kế quang học Zemax, phần mềm lập trình Matlab, phần mềm tính toán Mathcad, phần mềm vẽ cơ khí Autocad, phần mềm thiết kế 3D Inventor.

IV. Thiết Kế và Chế Tạo Vật Kính Thu Laser Cho Độ Chính Xác Cao

Việc thiết kế và chế tạo vật kính thu laser có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của hệ thống đo biên dạng nòng pháo. Vật kính thu laser có nhiệm vụ thu lại ánh sáng laser phản xạ từ bề mặt nòng pháo và truyền đến cảm biến laser. Chất lượng của vật kính thu laser ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình ảnh thu được và độ chính xác của phép đo. Nghiên cứu của Trường Đại Học Bách Khoa tập trung vào tối ưu hóa thiết kế và quy trình chế tạo vật kính để đạt được độ phân giải và độ méo ảnh thấp nhất.

4.1. Tính Toán Thiết Kế Hệ Quang Học Tối Ưu Bách Khoa

Theo luận văn, Luận văn đã xây dựng được sơ đồ nguyên lý đo lường biên dạng nòng pháo từ nguyên lý đo tam giác lượng có góc α=0 0, β=30 0, tiêu cự vật kính f=41 mm, độ phóng đại G=-0,5 mm, phạm vi đo từ -2 mm đến 5 mm, độ chính xác phép đo ±0,02 mm trên cơ sở sử dụng đầu thu có độ phân giải là 1920 x 1080 (kích thước điểm ảnh là 2,9 µm), lăng kính, gương phản xạ và đầu phát laser.

4.2. Chế Tạo và Kiểm Tra Chất Lượng Vật Kính Thu Laser Nghiên Cứu

Sau khi thiết kế, vật kính thu laser được chế tạo bằng các phương pháp gia công chính xác như mài, đánh bóng và phủ lớp chống phản xạ. Quá trình chế tạo đòi hỏi kỹ thuật cao và trang thiết bị hiện đại. Sau khi chế tạo, vật kính thu laser được kiểm tra chất lượng bằng các phương pháp quang học như đo MTF (Modulation Transfer Function), đo độ méo ảnh và đo độ phân giải. Vật kính thu laser chỉ được đưa vào sử dụng khi đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đề ra.

V. Ứng Dụng Phần Mềm Phân Tích Dữ Liệu Quét Laser Nòng Pháo

Phần mềm phân tích dữ liệu quét laser đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dữ liệu thu được từ hệ thống đo biên dạng nòng pháo. Phần mềm này có nhiệm vụ lọc nhiễu, hiệu chỉnh sai số, tạo mô hình 3D, trích xuất các thông số hình học và hiển thị kết quả đo. Một phần mềm phân tích dữ liệu quét laser tốt cần có giao diện thân thiện, dễ sử dụng và khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng, chính xác. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã phát triển phần mềm riêng để phục vụ cho mục đích nghiên cứu và ứng dụng.

5.1. Phát Triển Thuật Toán Hiệu Chỉnh Sai Số và Lọc Nhiễu Laser Scanning

Theo tài liệu gốc, trong luận văn đã kết hợp giữa nguyên lý đo không tiếp xúc bằng quét tia laser và thực tiễn yêu cầu của đo lường biên dạng nòng pháo để xây dựng sơ đồ đo và lựa chọn các thành phần đầu đo phù hợp. Kết hợp giữa tính toán bằng hàm truyền và thực nghiệm đo lường để bổ sung các sai số hệ thống để nâng cao độ chính xác phép đo.

5.2. Xây Dựng Giao Diện và Chức Năng Phân Tích Biên Dạng Trực Quan

Giao diện và chức năng phân tích biên dạng trực quan giúp người dùng dễ dàng quan sát, đánh giá và phân tích kết quả đo. Giao diện cần hiển thị mô hình 3D của nòng pháo, các thông số hình học quan trọng (đường kính, độ thẳng, độ nhám) và các khuyết tật (nứt, mòn, phình). Các chức năng phân tích cần cho phép người dùng đo khoảng cách, diện tích, thể tích, so sánh các mô hình và tạo báo cáo kết quả. Giao diện cần thân thiện, dễ sử dụng và trực quan.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Thiết Bị Đo Nòng Pháo Bách Khoa

Nghiên cứu về thiết bị đo biên dạng nòng pháo bằng quét tia laser tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đạt được những kết quả đáng khích lệ. Hệ thống đo đã được xây dựng và thử nghiệm, cho thấy khả năng đo chính xác và hiệu quả. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu và hoàn thiện để nâng cao hiệu suất và tính ứng dụng của thiết bị. Hướng phát triển trong tương lai tập trung vào việc tự động hóa quá trình đo, tích hợp các công nghệ mới và mở rộng phạm vi ứng dụng.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn Bách Khoa

Theo tài liệu gốc,Luận văn đã hoàn thành được các kết quả đã đặt ra tạo cơ sở cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo cảm biến đo khoảng cách bằng phương pháp quét tia laser áp dụng cho thiết bị đo biên dạng nòng pháo.

6.2. Triển Vọng và Hướng Phát Triển Công Nghệ Đo Laser Nòng Pháo Tương Lai

Trong tương lai, công nghệ đo laser nòng pháo sẽ tiếp tục phát triển theo hướng tự động hóa, tích hợp trí tuệ nhân tạo và mở rộng phạm vi ứng dụng. Các thiết bị đo sẽ trở nên nhỏ gọn, linh hoạt và dễ sử dụng hơn. Các thuật toán xử lý dữ liệu sẽ được cải thiện để nâng cao độ chính xác và tốc độ xử lý. Ngoài ra, công nghệ đo laser cũng có thể được tích hợp với các công nghệ khác như siêu âm, chụp ảnh nhiệt để tạo ra các hệ thống kiểm tra toàn diện hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, việc đo lường biên dạng nòng pháo đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng và độ an toàn của pháo trong quá trình sử dụng. Theo ước tính, nòng pháo có chiều dài thường lớn hơn 20 lần đường kính nòng, với đường kính trung bình khoảng 85 mm và chiều dài lên đến 4,675 m. Quá trình sử dụng pháo gây ra các hiện tượng mòn, phình, nứt và cong nòng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của pháo. Do đó, việc kiểm tra chính xác các thông số như đường kính rãnh xoắn, độ thẳng và khuyết tật bề mặt lòng nòng là rất cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng thiết bị đo biên dạng nòng pháo bằng phương pháp quét tia laser dựa trên nguyên lý đo tam giác lượng, nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả đo lường so với các phương pháp truyền thống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nòng pháo có đường kính 85 mm, chiều dài 4,675 m, với độ chính xác phép đo đạt ±0,02 mm, cao hơn nhiều so với độ chính xác ±0,1 mm của thước PKI truyền thống. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong năm 2020, với ứng dụng thực tiễn tại các cơ sở sản xuất và sửa chữa quốc phòng trong nước.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải tiến công nghệ đo lường biên dạng nòng pháo, giúp giảm thời gian đo, tăng độ tin cậy và khả năng lưu trữ dữ liệu số hóa phục vụ đánh giá mức độ hao mòn và khuyết tật trong quá trình sử dụng. Thiết bị được phát triển có thể đo được các thông số quan trọng như đường kính lòng nòng, độ thẳng, độ nhám bề mặt và xây dựng mô hình 3D lòng nòng, góp phần nâng cao trình độ kỹ thuật và hiệu suất lao động trong ngành quốc phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: nguyên lý đo tam giác lượng và hàm truyền quang học. Nguyên lý đo tam giác lượng sử dụng tia laser phát ra chiếu vào bề mặt lòng nòng, vị trí ảnh của vết laser trên cảm biến thu được sẽ xác định khoảng cách đến bề mặt cần đo. Hàm truyền quang học mô tả mối quan hệ giữa vị trí ảnh trên cảm biến và khoảng cách thực tế, được xây dựng dựa trên các thông số hệ thống như góc chiếu laser (α), góc trục quang (β), tiêu cự vật kính (f’) và độ phóng đại (G).

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: độ phân giải phép đo, phạm vi đo, độ nhám bề mặt (Ra cấp 6 đến cấp 8), độ phóng đại hệ quang, và sai số hệ thống. Mô hình nghiên cứu tập trung vào thiết kế hệ quang vật kính thu vết laser, xây dựng phần mềm tính khoảng cách dựa trên dữ liệu ảnh thu được từ camera cảm biến CMOS có độ phân giải 1920 x 1080 với kích thước điểm ảnh 2,9 µm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm đo mẫu chuẩn và mẫu có độ nhám cấp 7, dữ liệu mô phỏng bằng phần mềm Zemax và Matlab, cùng các thông số kỹ thuật của thiết bị đo laser và cảm biến. Phương pháp phân tích sử dụng kết hợp mô phỏng quang học, phân tích sai số hệ thống và thực nghiệm đo lường để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của thiết bị.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều lần đo tại các vị trí khác nhau trên mẫu đo, với mỗi vị trí đo lặp lại 10 lần để đảm bảo độ tin cậy. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đại diện cho các vị trí sâu trong lòng nòng và các vị trí gần miệng nòng để đánh giá toàn diện biên dạng. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo, hiệu chỉnh và thử nghiệm thiết bị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công sơ đồ nguyên lý đo lường biên dạng nòng pháo dựa trên nguyên lý đo tam giác lượng với góc α=0°, β=30°, tiêu cự vật kính f’=41 mm và độ phóng đại G=-0,5. Thiết bị có phạm vi đo từ -2 mm đến +5 mm, độ chính xác ±0,02 mm, vượt trội so với phương pháp thước PKI truyền thống (±0,1 mm).

2. Thiết kế và chế tạo vật kính thu vết laser đạt chất lượng cao, với độ phân giải điểm ảnh trung bình nhỏ hơn kích thước điểm ảnh cảm biến (2,9 µm), hàm truyền MTF đạt giá trị 0,6 tại tần số không gian 100, đảm bảo độ phân giải phép đo khoảng 0,01 mm.

3. Phần mềm tính khoảng cách đo được xây dựng trên nền Matlab cho phép xác định khoảng cách dịch chuyển y theo thời gian thực với sai số đo nhỏ hơn ±0,02 mm trong phạm vi đo. Phần mềm hỗ trợ xử lý ảnh, xác định tâm vết laser bằng phương pháp hình học và trọng số năng lượng.

4. Kết quả thí nghiệm với mẫu đo có độ nhám cấp 7 và mẫu gương phản xạ cho thấy sai số đo trong phạm vi ±0,015 mm, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Sai số tăng nhẹ khi đo trong phạm vi âm (-2 mm đến 0) do ảnh hưởng của chất lượng vật kính và bề mặt đo.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sai số đo là do các yếu tố hệ thống như sai số góc α, β (±0,5°), sai số độ phóng đại G (±0,05), sai số tiêu cự f’ (±2 mm) và chất lượng vật kính. Ngoài ra, độ nhám và độ phẳng của bề mặt đo cũng ảnh hưởng đến vị trí tâm vết laser trên cảm biến, làm tăng sai số đo. So với các nghiên cứu trong ngành, thiết bị phát triển trong luận văn đạt độ chính xác cao hơn nhiều so với phương pháp tiếp xúc truyền thống và tương đương với các thiết bị đo laser hiện đại của nước ngoài.

Dữ liệu sai số có thể được trình bày qua biểu đồ sai số theo khoảng cách đo, thể hiện rõ sự biến đổi sai số trong phạm vi đo âm và dương. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và sai số đo cũng giúp minh bạch kết quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Hoàn thiện và tối ưu hóa thiết kế vật kính thu nhằm giảm thiểu quang sai và nâng cao chất lượng ảnh vết laser, từ đó cải thiện độ chính xác phép đo. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: Bộ môn Cơ khí chính xác, Viện Cơ khí.

2. Phát triển phần mềm xử lý ảnh nâng cao tích hợp thuật toán lọc nhiễu và xác định tâm vết laser chính xác hơn, giảm sai số do bề mặt đo không đồng đều. Thời gian: 4 tháng; Chủ thể: Nhóm nghiên cứu phần mềm.

3. Mở rộng phạm vi đo và ứng dụng thiết bị cho các loại nòng pháo có kích thước khác nhau, đặc biệt là nòng pháo có đường kính lớn hơn 100 mm. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: Viện Cơ khí phối hợp với các nhà máy quốc phòng.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các cơ sở sản xuất, sửa chữa trong nước nhằm nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ đo lường quang học hiện đại. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các đối tác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí chính xác: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về đo lường biên dạng nòng pháo bằng quét tia laser, hỗ trợ phát triển các thiết bị đo lường hiện đại.

2. Các cơ sở sản xuất và sửa chữa quốc phòng: Áp dụng thiết bị và phương pháp đo để nâng cao chất lượng kiểm tra nòng pháo, giảm thời gian và tăng độ chính xác trong quy trình bảo dưỡng.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí, quang học: Tài liệu tham khảo chi tiết về thiết kế hệ quang, xây dựng hàm truyền và phần mềm xử lý ảnh trong đo lường quang học.

4. Các nhà phát triển thiết bị đo lường công nghiệp: Tham khảo mô hình thiết kế, phương pháp phân tích sai số và quy trình thử nghiệm để phát triển các sản phẩm đo lường không tiếp xúc cho các ứng dụng tương tự.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp đo tam giác lượng có ưu điểm gì so với phương pháp tiếp xúc truyền thống?
   Phương pháp tam giác lượng sử dụng quét tia laser không tiếp xúc, cho phép đo nhanh, chính xác cao (±0,02 mm), giảm sai số do thao tác người dùng và có khả năng xây dựng mô hình 3D bề mặt lòng nòng, trong khi phương pháp tiếp xúc có độ chính xác thấp hơn (±0,1 mm) và mất nhiều thời gian.

2. Thiết bị đo có thể áp dụng cho các loại nòng pháo có kích thước khác không?
   Thiết bị được thiết kế cho nòng pháo đường kính 85 mm, nhưng với điều chỉnh module đầu đo và hệ quang, có thể mở rộng ứng dụng cho các nòng pháo có đường kính từ 50 mm đến 160 mm, phù hợp với các module đầu đo RF040 và RF096.

3. Sai số đo ảnh hưởng như thế nào đến đánh giá chất lượng nòng pháo?
   Sai số đo nhỏ giúp phát hiện chính xác các khuyết tật như mòn, nứt, phình nòng, từ đó đưa ra quyết định sửa chữa hoặc thay thế kịp thời, đảm bảo an toàn và hiệu suất sử dụng pháo.

4. Phần mềm tính khoảng cách hoạt động như thế nào?
   Phần mềm sử dụng thuật toán xử lý ảnh để xác định tâm vết laser trên cảm biến, tính toán khoảng cách dịch chuyển y dựa trên hàm truyền, đồng thời so sánh với giá trị thực để đánh giá sai số, hỗ trợ đo lường theo thời gian thực.

5. Làm thế nào để hiệu chỉnh thiết bị trước khi đo?
   Quá trình hiệu chỉnh bao gồm điều chỉnh góc chiếu laser (α=0°), góc trục quang (β=30°), vị trí bề mặt cảm biến vuông góc với tia laser, và độ phóng đại hệ quang G=0,5 ±0,05, đảm bảo vết laser thu được rõ nét và chính xác trên cảm biến.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công thiết bị đo biên dạng nòng pháo bằng quét tia laser với độ chính xác ±0,02 mm, vượt trội so với phương pháp truyền thống.
• Thiết kế hệ quang vật kính thu vết laser đạt tiêu chuẩn chất lượng cao, đảm bảo độ phân giải và phạm vi đo phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.
• Phần mềm tính khoảng cách đo được phát triển hiệu quả, hỗ trợ xử lý dữ liệu theo thời gian thực và giảm sai số đo.
• Kết quả thí nghiệm thực tế chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của thiết bị trong điều kiện đo mẫu có độ nhám khác nhau.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu vật kính, nâng cao phần mềm xử lý ảnh, mở rộng ứng dụng và chuyển giao công nghệ.

Các đơn vị nghiên cứu và sản xuất được khuyến khích áp dụng và phát triển thiết bị đo lường biên dạng nòng pháo bằng quét tia laser để nâng cao chất lượng kiểm tra và bảo dưỡng pháo trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG NÒNG PHÁO .1 Đặc điểm kiểm tra lòng nòng pháo .2 Yêu cầu kiểm tra .2 Phương pháp đo lường nòng pháo dạng tiếp xúc.1 Kiểm tra đường kính lòng nòng .2 Kiểm tra độ thẳng nòng.3 Kiểm tra các khuyết tật bề mặt lòng nòng .3 Phương pháp đo lường nòng pháo không tiếp xúc .1 Cấu tạo và hoạt động.2 Nguyên lý đo đường kính nòng pháo.3 Một số module đầu đo.4 Một số thiết bị đo lường biên dạng nòng không tiếp xúc. CƠ SỞ XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG NÒNG PHÁO BẰNG MÁY QUÉT LASER .1 Đặc điểm của đối tượng đo lường .2 Nguyên lý đo tam giác lượng .3 Đo lường đường kính nòng pháo .4 Hàm truyền và các yếu tố ảnh hưởng.1 Xây dựng hàm truyền .2 Phân tích các thông số ảnh hưởng đến hàm truyền.3 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến độ phân giải và phạm vi đo 23 2.5 Thiết kế, chế tạo vật kính thu vết laser .1 Tính toán thiết kế hệ quang.2 Thiết kế kết cấu cơ khí hệ quang .3 Kiểm tra chất lượng vật kính sau khi tổng lắp .6 Xây dựng phần mềm tính khoảng cách đo. THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THIẾT BỊ.1 Xây dựng sơ đồ thí nghiệm .2 Xây dựng mô hình thí nghiệm .3 Hiệu chỉnh các thành phần trên bàn quang học .5 Kết quả và đánh giá.2 Thiết kế kết cấu thiết bị .2 Hướng phát triển của đề tài trong tương lai.

45 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 47 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mặt cắt dọc trục nòng pháo .2 Cấu tạo chung của thước hình sao PKI .3 Nguyên lý hoạt động của thước PKI .4 Dưỡng kiểm tra độ thẳng .5 Sơ đồ tổng thể của thiết bị đo lường biên dạng nòng pháo của hãng Dtest .7 Nguyên lý đo tam giác lượng .8 Sơ đồ nguyên lý đo đường kính nòng pháo .9 Tập hợp điểm đo tọa độ (r,ϕ) khi module đầu đo quay .10 Module đầu đo cố định với 6 đầu thu-phát laser.11 Đầu đo có một cảm biến chuyển động quay .12 Hình ảnh đầu đo của thiết bị PS125 .13 Kết cấu đầu đo của PS125.14 Nguồn laser của PS125 .15 Bia hiệu chỉnh PS125 .16 Ống đỡ ngoài của PS125 .17 Đầu đo của thiết bị đo PS 57/120 .18 Module laser của thiết bị đo PS 57/120 .19 Thiết bị PS 120/159.20 Đầu đo của thiết bị PS 120/159 .1 Đặc điểm của đối tượng đo lường .2 Bề mặt cảm biến tạo với trục quang góc γ.3 Cảm biến bố trí vuông góc với trục quang.4 Sơ đồ nguyên lý phương pháp đo đường kính nòng pháo .5 Sơ đồ tính toán hàm truyền .6 Các thông số kết cấu của hệ quang .7 Kết cấu hệ quang.8 Đồ thị điểm ảnh của hệ quang.9 Hàm truyền MTF của hệ quang .10 Kết cấu cơ khí hệ quang.11 Sơ đồ bố trí kiểm tra chất lượng vật kính .12 Hình ảnh mia USAF thu được.13 Hình ảnh mia USAF thu được khi mô phỏng bằng Zemax .14 Lưu đồ thuật toán chính dùng để tính khoảng dịch chuyển .15 Giao diện xác định khoảng cách .1 Bố trí laser hoặc đầu thu vuông góc với bề mặt đo.2 Bố trí laser và đầu thu nghiêng góc so với pháp tuyến của bề mặt đo.3 Sơ đồ nguyên lý đo của thiết bị .4 Bố trí các thành phần thí nghiệm .5 Phương pháp hiệu chỉnh góc xoay của bề mặt phản xạ .6 Hiệu chỉnh bề mặt đo .8 Hiệu chỉnh bề mặt cảm biến vuông góc với tia laser .9 Sơ đồ đo độ phóng đại.10 Sơ đồ nguyên đo cho kết quả đo âm.11 Sơ đồ bố trí thí nghiệm.12 Hình ảnh thực tế của thí nghiệm .13 Phương trình sai số bề mặt gương.14 Phương trình sai số của bề mặt mẫu đo có độ nhám cấp 7 .15 Mô phỏng sai số bằng Matlab .16 Kết quả sau khi hiệu chỉnh sai số của bề mặt gương .17 Kết quả sau khi hiệu chỉnh sai số của bề mặt có độ nhám cấp 7 .18 Kết cấu tổng thể đầu đo.1 Giá trị phạm vi đo và độ phân giải phụ thuộc vào f’ (với α=0).2 Giá trị phạm vi đo và độ phân giải phụ thuộc vào f’ (với α=10).3 Giá trị phạm vi đo và độ phân giải phụ thuộc vào f’ (với α=20).4 Giá trị phạm vi đo và độ phân giải phụ thuộc vào f’ (với α=30). 52 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số loại thước PKI đang được sử dụng phổ biến .2 Thông số của thiết bị đo biên dạng đường kính trong loại RF040 .3 Thông số của thiết bị đo biên dạng đường kính trong loại RF096 .4 Các thông số chung dòng sản phẩm PS .5 Tổng hợp các tham số hệ thống theo đề nghị của người sử dụng .6 Các thông số của PS125 .7 Các thông số của PS 57/120 .8 Các thông số của PS 120/159 .1 Kích thước điểm ảnh của hệ quang sau thiết kế .1Các thông số đo bề mặt gương .2 Sai số đo bề mặt gương sau khi hiệu chỉnh sai số .3 Dữ liệu đo bề mặt có độ nhám cấp 7 .4 Thông số của các thành phần thí nghiệm. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG NÒNG PHÁO Trong quá trình sử dụng pháo, nòng pháo chịu tác động của khí thuốc, độ xiết của đai đạn khi bắn…sẽ làm nòng pháo bị mòn, phình, nứt, cong nòng [1].

Những lỗi như phình nòng, nứt bề mặt ngoài có thể quan sát trực tiếp bằng mắt nhưng những lỗi như mòn, nứt bề mặt trong, cong nòng thì phải sử dụng các dụng cụ chuyên dụng để đo kiểm và quan sát. Để kiểm tra độ mòn nòng thường sử dụng thước hình sao PKI, đây là một dụng cụ chuyên dụng để đo độ mòn nòng ở các nước sử dụng hệ pháo của Liên Xô. Để kiểm tra độ thẳng của nòng thì sử dụng dưỡng thẳng. Để kiểm tra nứt bề mặt trong thì sử dụng gương nhỏ và kết hợp với soi đèn để quan sát (mục 1.

Trước sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì việc số hóa các dụng cụ đo lường đang phát triển một cách nhanh chóng. Trong những năm gần đây, nhà máy Dtest của Nga kết hợp với hãng Riftek của Belarus phát triển thiết bị đo lường biên dạng nòng pháo dựa trên nguyên lý quét tia laser. Thiết bị có thể đo cùng lúc độ mòn (đường kính lòng nòng), độ thẳng, kiểm tra chất lượng bề mặt, dựng 3D bề mặt lòng nòng (mục 1.1 Đặc điểm kiểm tra lòng nòng pháo 1.1 Đối tượng đo Nòng pháo có đường kính sống xoắn là dn, đường kính rãnh xoắn là dr (pháo nòng trơn thì không có rãnh xoắn), chiều dài nòng pháo là L > 20d n. Thông thường, độ nhám bề mặt của sống xoắn là Ra 0,63 (cấp 8) và của rãnh xoắn là Ra 2,5 (cấp 6) [2] (hình 1.

Căn cứ vào điều kiện hoạt động và tính năng của nòng pháo thì các thông số cần kiểm tra của lòng nòng bao gồm: Đường kính rãnh nòng dr đối với pháo nòng xoắn và dn đối với pháo nòng trơn, độ thẳng của lòng nòng pháo và khuyết tật trong lòng nòng. Như vậy, đối tượng cần đo là bề mặt lỗ trong và chiều sâu lỗ tương đối lớn, bề mặt lỗ bóng có cấp độ nhám thay đổi từ cấp 6 đến cấp 8 và có bậc (pháo rãnh xoắn).1 Mặt cắt dọc trục nòng pháo 1.2 Yêu cầu kiểm tra Từ đặc điểm làm việc của nòng pháo, các thông số kiểm tra bên trong nòng bao gồm: 1 + Kiểm tra đường kính rãnh xoắn nòng pháo d r: Đường kính lớn nhất cho phép là drmax tùy thuộc vào từng loại pháo khác nhau; + Kiểm tra độ thẳng nòng pháo δ: Nòng pháo không được cong quá giới hạn cho phép δmax; + Kiểm tra khuyết tật: Lòng nòng không được có các khuyết tật như: Vết nứt, han gỉ, rỗ, vết xước.2 Phương pháp đo lường nòng pháo dạng tiếp xúc Đo lường biên dạng nòng pháo là một trường hợp riêng của đo lường biên dạng lỗ. Phương pháp đo phổ biến đang được sử dụng để đo lường biên dạng nòng pháo là phương pháp đo tiếp xúc bằng cách sử dụng thước đo chuyên dụng PKI. Thước đo cho cả pháo nòng trơn và rãnh xoắn.1 Kiểm tra đường kính lòng nòng Độ mòn nòng pháo sinh ra do sự cọ sát của đai đạn vào lòng nòng pháo.

Để đo độ mòn nòng sử dụng thước hình sao PKI. Độ mòn được đánh giá thông qua đường kính lòng nòng đo được và giới hạn lớn nhất cho phép. Thước có sơ đồ kết cấu được thể hiện trên hình 1.2 Cấu tạo chung của thước hình sao PKI 1. Vòng định tâm; 5.3 Nguyên lý hoạt động của thước PKI 1.

Đầu dịch chuyển; 4. Vòng định tâm; 8. Cặp bánh răng côn; 9. Cặp bánh răng dẫn; 10.

Bề mặt trong nòng pháo; 13. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thước được thể hiện trên hình 1. Khi quay tay (1) làm quay tang trống (2) và dịch chuyển đầu dịch chuyển (3) hiển thị thành cự ly đo trên thang đo (13). Chuyển động quay được truyền qua các ly hợp (4), trục truyền (5), cặp bánh răng côn (8) làm dịch chuyển đầu đo (10) theo phương vuông góc với bề mặt đo (12).

Thang đo (13) có khoảng chia là 0,05 2 mm. Thước đo được hỗ trợ bởi ống lót (6) đặt tại mặt cắt của miệng nòng và vòng định tâm (7). Thao tác đo: Đầu đo (6-hình 1.2) được đưa vào trong nòng pháo đến vị trí cần đo đường kính trong. Vị trí đo có thể đường kính danh nghĩa của nòng pháo hoặc đường kính rãnh xoắn.

Nếu là đo đường kính của rãnh xoắn thì đầu đo (10- hình 1.3) cần phải lọt vào rãnh xoắn. Tùy thuộc vào điểm đo trong nòng pháo để sử dụng thanh truyền (5-hình 1.2) cho phù hợp. Và tại các vị trí nối thanh truyền cần lắp vòng định tâm (4-hình 1.2) để giảm độ võng của thước. Khi đo các điểm sâu trong lòng nòng thì ống lót (3-hình 1.2) thường được đặt ở vị trí miệng nòng.

Vặn tay quay (1-hình 1.3) tiếp xúc vào bề mặt đo. Để đảm bảo chắc chắn tiếp xúc này thì vặn tay quay này đến khi nghe tiếng xiết hai lần. Khi đo đọc giá trị trên thang đo (13-hình 1. Kết quả đo được tính theo công thức CT(1.

Thước PKI đo đường kính lỗ dựa trên nguyên lý đo so sánh. Thước PKI được hiệu chuẩn với một đường kính lỗ chuẩn d0. Thước được đưa vào vị trí cần đo của nòng pháo, đối với các vị trí đo ở sâu trong nòng thì cần phải đặt ống lót 3 (hình 1.2) vào miệng nòng để định hướng thước đo trong lòng nòng. Đối với pháo có rãnh xoắn thì lựa để đầu đo 10 (hình 1.3) và gối tỳ 11 (hình 1.3) lọt vào rãnh xoắn.

Tiến hành xoay tay quay 1 (hình 1.