Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu phương pháp xác định profile bề mặt chi tiết gia công cơ khí bằng ảnh kỹ thuật số
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HOÀNG TÙNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG CƠ KHÍ BẰNG ẢNH KỸ THUẬT SỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hµ NỘI - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HOÀNG TÙNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG CƠ KHÍ BẰNG ẢNH KỸ THUẬT SỐ CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ : 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI : PGS.TS. NGUYỄN VĂN VINH Hµ NéI - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình khoa học do chính tôi nghiên cứu. Các kết quả công bố là trung thực và không trùng với một công trình khoa học nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Hoàng Tùng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành bản luận án này tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của rất nhiều cá nhân và tập thể trong và ngoài Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học - Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành của mình đối với những giúp đỡ quý giá đó. Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo PGS.TS. Nguyễn Thị Phương Mai và thầy giáo TS. Nguyễn Văn Vinh, những người đã hết sức tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn tận tình cho tôi không chỉ trong quá trình thực hiện luận án. Xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo và toàn thể cán bộ làm việc tại Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học - Viện Cơ khí - Trường ĐH Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện bản luận án. Nhân dịp này, tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn tới các Thủ trưởng, các phòng ban chức năng thuộc Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; lãnh đạo chỉ huy, và đồng nghiệp tại Trung tâm Đo lường - Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian, và sự động viên tinh thần rất quý giá. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người thân, và bạn bè đã giúp đỡ, động viên để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Hoàng Tùng MỤC LỤC Trang DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU 1 DANH MỤC BẢNG 4 DANH MỤC HÌNH 5 MỞ ĐẦU 9 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO LƢỜNG PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ 13 1.1. Đánh giá chất lƣợng và độ chính xác của chi tiết cơ khí qua profile bề mặt 13 1.2. Các thông số đánh giá profile bề mặt 15 1.2.1. Thông số nhám 2D 16 1.2.2. Thông số nhám 3D 16 1.3. Các phƣơng pháp đo profile bề mặt 21 1.3.1. Phƣơng pháp chép hình 22 1.3.2. Phƣơng pháp đo theo mặt 26 1.3.3. Phƣơng pháp dùng kính hiển vi đo quét 32 1.3.4. Xác định chiều sâu từ độ nhòe ảnh 36 1.4. Kết luận chƣơng 49 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TOÁN TÁI HIỆN PROFILE BA CHIỀU 51 2.1. Cơ sở lý thuyết 51 2.1.1. Mô hình hình ảnh đơn giản nhất 51 2.1.2. Mô hình nhòe dạng khuếch tán 56 2.1.3. Mô hình tính toán sử dụng độ nhòe ảnh 62 2.2. Phƣơng pháp xây dựng lại profile / biên dạng 64 2.3. Hiệu chuẩn thuật toán 71 2.3.1. Tính toán các bề mặt giả định để kiểm tra thuật toán 71 2.3.2. Khảo sát độ chính xác của bề mặt khi thay đổi số bƣớc lặp, trong trƣờng hợp bề mặt dạng dốc 74 2.3.3. Khảo sát độ chính xác của bề mặt khi thay đổi khoảng cách giữa 2 ảnh nhòe, trong trƣờng hợp bề mặt dạng phẳng 78 2.4. Kết luận chƣơng 84 Chƣơng 3. KÍNH HIỂN VI KỸ THUẬT SỐ 85 3.1. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi kỹ thuật số 85 3.2. Phân tích độ nhòe ảnh sử dụng cảm biến hình ảnh (CCD) 86 3.2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh CCD 87 3.2.2. Đặc điểm của cảm biến hình ảnh CCD 92 3.3. Xây dựng cơ sở tính toán chuyển đổi tín hiệu đo trong hệ quang đối với từng điểm sáng trên bề mặt đo 96 3.3.1. Khi điểm sáng trên bề mặt đo nằm đúng mặt phẳng vật của thấu kính tƣơng đƣơng 97 3.3.2. Khi điểm sáng trên bề mặt vật đo nằm ngoài mặt phẳng vật của thấu kính tƣơng đƣơng 97 3.3.3. Khi điểm sáng trên bề mặt vật đo nằm trong mặt phẳng vật của thấu kính tƣơng đƣơng 98 3.4. Biến đổi độ lệch δ từ quang thông phân bố đều trên vòng tròn mờ thành tín hiệu điện 101 3.4.1. Thay đổi quang thông theo diện tích vòng tròn mờ trên màn thu 101 3.4.2. Biến đổi quang thông nhận đƣợc trên phần tử thu thành tín hiệu điện 107 3.5. Tính toán thông số của kính hiển vi kỹ thuật số 111 3.6. Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX100 115 3.6.1. Đặc điểm 115 3.6.2. Tính toán lại các thông số kỹ thuật của kính hiển vi VHX100 116 3.7. Kết luận chƣơng 123 Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM, KIỂM CHỨNG VÀ KẾT QUẢ 124 4.1. Thực nghiệm đo profile mặt phẳng chuẩn 124 4.1.1. Một số hình ảnh nhòe của bề mặt chuẩn bậc Mitutoyo code 178- 610 chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 125 4.1.2. Xây dựng lại bề mặt của mặt phẳng chuẩn 129 4.1.3. Xây dựng lại bề mặt của chuẩn bậc tại khu vực ranh giới giữa vùng 1 và vùng 2 của chuẩn bậc 131 4.2. Thực nghiệm đo profile bề mặt nhám của chuẩn nhám Mitutoyo 133 4.2.1. Một số hình ảnh nhòe của bề mặt nhám của tấm chuẩn độ nhám Mitutoyo chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 133 4.2.2. Xây dựng lại profile bề mặt nhám của tấm chuẩn độ nhám Mitutoyo 134 4.3. Thực nghiệm đo kích thƣớc của chi tiết cơ khí 136 4.3.1. Một số hình ảnh nhòe của bề mặt sau nguyên công phay CNC chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 136 4.3.2. Xây dựng lại profile bề mặt 137 4.4. Thực nghiệm đo một số chi tiết vi cơ 139 4.4.1. Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 1 chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 139 4.4.2. Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 2 chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 140 4.4.3. Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 3 chụp đƣợc trên kính hiển vi kỹ thuật số 141 4.5. Kết luận chƣơng 142 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 143 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 CÁC PHỤ LỤC 150 1 DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU Tiếng Việt Tiếng Anh Bản đồ chiều sâu: ma trận (m hàng, n cột) chứa thông tin khoảng cách từ điểm / mặt phẳng quy ước đến các điểm [(1m)Δx, (1n)Δy] trên bề mặt vật - với chiều sâu Z[(1m)Δx,(1n)Δy] : Depth map Chiều dài chuẩn : Sampling length / Cut-off length Chiều dài đánh giá : Assessment length / Evaluation length Chiều sâu hội tụ : Depth of Focus Chiều sâu từ độ sắc nét (DFF): phương pháp xác định bản đồ chiều sâu từ loạt hình ảnh bề mặt vật có độ nét khác nhau, chụp được khi thay đổi khoảng cách giữa hệ quang và bề mặt vật : Depth from focus Chiều sâu từ độ nhòe ảnh (DFD): phương pháp xác định bản đồ chiều sâu từ độ nhòe ảnh của các điểm trên bề mặt vật, thu được qua hai hay nhiều hơn hai ảnh nhòe. : Depth from defocus Chiều sâu từ 2 ảnh nổi (DFS): phương pháp xác định bản đồ chiều sâu bề mặt vật từ 2 ảnh chụp bề mặt vật ở 2 vị trí khác nhau : Depth from Stereo Đường trung bình : Mean line 2 Độ nhám : Roughness Độ sóng : Waviness Khẩu độ số (NA) : Numerical Aperture / Angular Aperture Đo bằng đầu dò tiếp xúc : Stylus technique Đo chép hình : Profiling technique Đo mặt : Area technique Kính hiển vi kỹ thuật số: kính hiển vi quang học ghép nối với cảm biến hình ảnh quang điện tử (CCD) sử dụng chụp ảnh kỹ thuật số của bề mặt quan sát qua hệ hiển vi : Digital microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) : Transmission Electron Microscope Kính hiển vi quét (SEM) : Scanning Electron Microscope Sai lệch hội tụ : Focus Error Sai lệch hình dạng : Form error Thông số nhám bề mặt : Surface roughness parameters Thông số biên độ : Amplitude Parameter Thông số bước/khoảng cách : Spacing Parameter Thông số hỗn hợp : Hybrid Parameter Tín hiệu sai lệch hội tụ : Focus Error Signal Cảm biến hình ảnh quang điện tử (CCD) : Charge-coupled device 3 Một số ký hiệu h(y,x) : Hàm Gauss 2 chiều hạt nhân thay đổi bất biến tròn đối xứng Δσ : Độ mờ tương đối c : Hệ số khuyếch tán E 1 (x,y) : Năng lượng ảnh nhòe trước khi thay đổi E 2 (x,y) : Năng lượng ảnh nhòe sau khi thay đổi D : Đường kính khẩu độ sáng DepthMap : Bản đồ chiều sâu ban đầu : Bản đồ lỗi φ : Trung bình bình phương lỗi của toàn hình ảnh β : Số bước lặp δ : Khoảng cách từ điểm đo đến tiêu cự vật kính đo 0 : Quang thông tại mọi điểm trên bề mặt vật đo PRNU : Tỷ lệ phần trăm của sự tán xạ trong phản ứng với mỗi điểm ảnh f td : Tiêu cự của thấu kính tương đương u 0 : Khoảng cách từ mặt phẳng vật đến thấu kính tương đương v 0 : Khoảng cách từ thấu kính tương đương đến màn thu R td : Bán kính của thấu kính tương đương r : Bán kính vòng tròn mờ thu : Quang thông nhận được trên bề mặt tế bào thu U thu : Điện áp ra của quang điện trở M Q : Độ phóng đại quang a CCD : chiều dài của CCD b CCD : chiều rộng của CCD a QS : Chiều dài của vùng quan sát. b QS : Chiều rộng của vùng quan sát. NA : Khẩu độ số LP/mm : Cặp dòng cho mỗi mm Res : Độ phân giải quang [...]... ca chi tit vi c s 2 140 Hỡnh 4.19 Bn chiu sõu chi tit vi c s 2 theo mu 140 Hỡnh 4.20 Bn chiu sõu ca chi tit vi c s 2 140 Hỡnh 4.21 Mt s hỡnh nh nhũe ca chi tit vi c s 3 141 Hỡnh 4.22 Bn chiu sõu chi tit vi c s 3 theo mu 141 Hỡnh 4.23 Bn chiu sõu ca chi tit vi c s 3 141 9 Mở đầu Trong ngnh cụng ngh ch to mỏy, mt chi tit c khớ sau gia cụng ngoi chớnh xỏc kớch thc, hỡnh dng... phng phỏp o chiu sõu t nhũe nh m ra mt hng ng dng mi khụng ch trong phm vi o profile b mt 13 Chng 1 TNG QUAN V O LNG PROFILE B MT CHI TIT C KH Trong cụng ngh ch to cỏc chi tit c khớ, sai s ca b mt gia cụng l mt trong nhng yu t c trng dựng ỏnh giỏ cht lng b mt v chớnh xỏc gia cụng ca chi tit mỏy Chỳng nh hng ti chớnh xỏc gia cụng cng nh tớnh cht s dng ca chi tit mỏy, c bit l i vi nhng chi tit lp... nh 3 chiu ca tm chun nhỏm 135 Hỡnh 4.12 Hỡnh nh m trc v sau khi dch chuyn vt kớnh i 0,005 mm 137 Hỡnh 4.13 nh b mt chi tit 137 Hỡnh 4.14 Hỡnh nh 3 chiu ca b mt chi tit 138 Hỡnh 4.15 Mt s hỡnh nh nhũe ca chi tit vi c s 1 139 Hỡnh 4.16 Bn chiu sõu chi tit vi c s 1 theo mu 139 Hỡnh 4.17 Bn chiu sõu ca chi tit vi c s 1 139 Hỡnh 4.18 Mt s hỡnh nh nhũe ca chi. .. - chớnh l profile b mt ba chiu Tựy vo yờu cu k thut c th ngi ta cú th x lý b s liu o profile b mt ba chiu ny theo nhng ch tiờu khỏc nhau s cho ra rt nhiu thụng s nhỏm b mt Nhm ỏp ng nhng ũi hi trong nghiờn cu v ng dng phng phỏp o núi trờn, lun ỏn chn ti l: Nghiờn cu phng phỏp xỏc nh profile b mt chi tit gia cụng c khớ bng nh k thut s Trong phng phỏp xỏc nh profile b mt ba chiu ny, kớnh hin vi k thut... thụng s ó tớnh toỏn c nhm t ng phc hi li hỡnh nh ba chiu ca i tng o p dng vo tớnh toỏn profile b mt chi tit qua nh chp c trờn kớnh hin vi k thut s, theo nguyờn lý chiu sõu t nhũe nh 11 Nhng ni dung nghiờn cu c trỡnh by trong 4 chng v cỏc ph lc: Chng 1 Tng quan v o lng profile b mt chi tit c khớ Chng 2 C s lý thuyt v thut toỏn tỏi hin profile 3 chiu Chng 3 Kớnh hin vi k thut s Chng 4 Thc nghim kim... phỏp chiu sõu t nhũe nh qua kớnh hin vi k thut s xỏc nh profile b mt ca chi tit Xut phỏt t nh b mt chi tit chp c qua kớnh hin vi k thut s tớnh toỏn nh lng quỏ trỡnh chuyn i tớn hiu o trong cm bin quang: bin nhũe nh gõy ra bi nhp nhụ trờn profile b mt qua h quang thnh s thay i cng sỏng trờn cm bin quang, sau ú bin i cng sỏng thnh chiu sõu ca nhp nhụ b mt hay cũn gi l bn 10 chiu sõu - chớnh l profile. .. dao, chiu sõu ct, vt liu gia cụng, rung ng ca h thng cụng ngh a) b) Hỡnh 1.2 a) Profile b mt nguyờn thy, b) Profile súng v profile nhỏm c tỏch riờng [23] Cỏc thnh phn sai lch hỡnh dỏng, súng hay nhỏm thng khụng xut hin riờng r m chỳng ng thi tn ti trờn b mt chi tit Vỡ vy sau khi o c profile b mt, tựy theo mc ớch o c th ta cú th tỏch lc c nhỏm, súng hay sai lch hỡnh dỏng 15 1.2 Cỏc thụng s ỏnh giỏ profile. .. cu, n tui bn v tui th ca chi tit mỏy Do ú kim tra cht lng b mt chi tit sau gia cụng gi vai trũ quan trng khi ỏnh giỏ cht lng sn phm c khớ ỏnh giỏ b mt chi tit mt cỏch tng th cho n hin nay vn ang l mt vn mi m B mt chi tit sau khi gia cụng bao gm nhỏm b mt ó c nhiu tỏc gi trờn th gii nghiờn cu v ó t ra cỏc tiờu chun khỏc nhau ỏnh giỏ nhỏm b mt, do cú vai trũ quan trng i vi chi tit mỏy nh ó phõn tớch... v trớ tng quan gia cỏc b mt nh vuụng gúc, song song, ng trc, o, i xng, xuyờn tõm ; v nhỏm b mt [3], [4] 1.1 ỏnh giỏ cht lng v chớnh xỏc ca chi tit c khớ qua profile b mt Cht lng b mt gia cụng c ỏnh giỏ bng hai yu t c trng: tớnh cht c lý ca lp kim loi b mt v sai s ca b mt gia cụng Cht lng ca lp kim loi b mt c to thnh bi tớnh cht ca kim loi v phng phỏp gia cụng c Trong quỏ trỡnh gia cụng c di tỏc... mt 3D t hai bc nh nhũe hai chiu thu c trờn kớnh hin vi kt ni camera vi cỏc thụng s ca camera c nh theo phng phỏp chiu sõu t nhũe nh - Xõy dng s v tớnh toỏn mt s thụng s trong kớnh hin vi dựng o profile b mt 3D ca chi tit c khớ theo phng phỏp chiu sõu t nhũe nh - p dng nguyờn lý o, cỏc thụng s ó tớnh toỏn, xõy dng thut toỏn phc hi li hỡnh nh 3 chiu ca i tng vo tớnh toỏn profile b mt kớnh hin vi k . tài là: Nghiên cứu phương pháp xác định profile bề mặt chi tiết gia công cơ khí bằng ảnh kỹ thuật số Trong phương pháp xác định profile bề mặt ba chi u này, kính hiển vi kỹ thuật số đóng. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG CƠ KHÍ BẰNG ẢNH KỸ THUẬT SỐ CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ : 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ. NGUYỄN HOÀNG TÙNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG CƠ KHÍ BẰNG ẢNH KỸ THUẬT SỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hµ NỘI -