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.

Hành động tiếp theo: 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.