TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Cơ Khí -*** BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP GVHD : TS Nguyễn Trọng Doanh Hà Nội: 5/2019 MỤC LỤC PHẦN I: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ PHỊNG LAB C45-307 1.1 Khái quát chung phòng Lab C45-307 .4 1.2 Một số thành tựu đạt .5 PHẦN II : NỘI DUNG THỰC TẬP .7 2.1 Tổng quan phương pháp đo ánh sáng cấu trúc 2.2 Một số ứng dụng công nghệ quét 3D 10 2.3 Tình hình nghiên cứu 12 PHẦN III: PHƯƠNG PHÁP ĐO 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC SỬ DỤNG MÃ GRAY KẾT HỢP DỊCH PHA .13 3.1 Phương pháp dịch pha 13 3.2 Phương pháp mã hóa Gray 15 3.3 Phương pháp kết hợp dịch pha mã hóa Gray 16 PHẦN IV : XÂY DỰNG HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 18 4.1 Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm .18 4.2 Hiệu chuẩn hệ thống 23 4.3 Quét xây dựng biên dạng 3D 24 4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến đo quét biện pháp khắc phục .33 PHẦN V: KẾT LUẬN 36 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, đất nước ta đường công nghiệp hóa, đại hóa để đưa đất nước phát triển sánh với cường quốc giới Trong cơng phát triển đó, vai trò ngành Cơ khí khơng thể thiếu, đóng vai trò quan trọng việc đặt tảng cho việc phát triển ngành công nghiệp, dịch vụ Để theo kịp phát triển trình độ với nước có sản xuất Cơ khí hàng đầu giới, việc đào tạo nguồn nhân lực với trình độ chun mơn, tay nghề cao việc làm quan trọng để đào tạo kỹ sư giỏi vừa có kiến thức vừa biết vận dụng kiến thức để giải vấn đề Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trường đại học có bề dày truyền thống đào tạo ngành Cơ khí nước Trong chương trình đào tạo có nhiều học phần giúp sinh viên tiếp cận với thực tế sản xuất khí như: Nhập mơn kỹ thuật khí, Thực tập kỹ thuật, Các buổi thí nghiệm mơn học, cuối thực tập tốt nghiệp Học kì 20162 vừa qua, chúng em hoàn thành học phần thực tập tốt nghiệp phòng lab 307 mơn Cơ khí xác Quang học với mã học phần ME5011 Dưới hướng dẫn thầy Nguyễn Văn Vinh cô Nguyễn Thị Kim Cúc chúng em tiếp thu nhiều kiến thức máy móc thiết bị, vận dụng kiến thức học lớp vào việc vận hành chạy máy gia công sản phẩm Dưới nội dung báo cáo:  Tìm hiểu tổng quan phòng Lab 307  Nhiệm vụ cơng việc chúng em trình thực tập phòng lab 307  Tổng kết PHẦN I: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ PHÒNG LAB C45-307 1.1 Khái quát chung phòng Lab C45-307 Thầy phụ trách: PGS.TS Nguyễn Văn Vinh Email: nguyenvanvinh1957@yahoo.com.vn SĐT: 0913022190 Hướng nghiên cứu : - Xây dựng phương pháp đo thông số bánh máy đo CMM - Nghiên cứu độ xác tay đo toạ độ cực - Nghiên cứu điều khiển dịch chuyển xác vị trí đầu đo máy đo CMM - Công nghệ đo máy CMM - Nghiên cứu độ xác đo Profile bề mặt chi tiết máy phương pháp quét Laser - Nghiên cứu thiết kế chế tạo thực nghiệm chuyển đổi đo dịch chuyển độ nhậy cao - Nghiên cứu phương pháp đo phổ phát xạ hồng ngoại để xác định thành phần chất - Điều khiển thiết bị quét tự động thu quang phổ -Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy đo độ nhám - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy đo độ tròn -Nghiên cứu, chế tạo chuyển đổi đo dịch chuyển xác bằằ̀ng laser theo phương pháp tam giác lượng - Nghiên cứu, chế tạo chuyển đổi đo dịch chuyển xác laser theo phương pháp điều tiêu tự độngNghiên cứu phương đo phổ tần số giao thoa kế laser kiểu Maichelson với gương tự động -Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D -Nghiên cứu phương pháp đo quét biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc 1.2 Một số thành tựu đạt Đề Tài “Thiết kế chế tạo máy in chi tiết nhựa 3D” đạt giải Nhất giải thưởng “Tài Khoa học trẻ Việt Nam năm 2014” Thành viên nhóm nghiên cứu: Hồng Quốc Bình K54 Đỗ Đồng Chiến K54 Lê Duy Nhân K55 Nguyễn Thành Quyết K54 Nguyễn Dỗn Thơng K55 hình 1 Ảnh nhóm sinh viên đạt giải tài khoa học trẻ Đề Tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị bám mục tiêu tự động lắp đặt tàu Hải quân Việt Nam” đạt giải Nhất sinh viên Nghiên cứu khoa học cấp Trường 2015 Thành viên nhóm: Nguyễn Dỗn Thơng K55 Nguyễn Văn Hùng K55 1.2 Ảnh nhóm sinh viên nghiên cứu khoa học Đề Tài “Đo kích thước thể người máy quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc” đạt sinh viên nghiên cứu khoa học cấp Trường giải Nhì đồng thời đạt giải Nhất mơn khí xác quang học Thành viên nhóm: Nguyễn Đại Mã Lập Phong CĐT1 – K56 Đặng Huy Dương CĐT2 – K56 Mai Thị Huyền Thu KTCK08 – K57 Hoàng Thị Nhài KTCK05 –K57 Đề Tài : “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mảnh vá hộp sọ xương người công nghệ in 3D sử dụng nhựa PEEK” đạt giải ý tưởng sáng tạo 2018 Thành viên nhóm: Nguyễn Hữu Hiệp CĐT-K59 Nguyễn Thị Thu Hương KTCK-K58 Ngô Văn Ninh KTCK-K58 Nguyễn Văn Sơn CĐT-K59 PHẦN II : NỘI DUNG THỰC TẬP Nhiệm vụ giao : - Tìm hiểu phương pháp quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc - Nghiên cứu phương pháp quét 3D ánh sáng cấu trúc sử dụng mã gray kết hợp dịch pha Thực nghiệm quét chi tiết 2.1 Tổng quan phương pháp đo ánh sáng cấu trúc Trên giới công nghệ đo lường quang học với việc thu nhận xử lý thông tin qua ảnh để nhận biết, đo lường kiểm tra đối tượng coi lĩnh vực đo lường đại quan tâm nghiên cứu phát triển, ứng dụng rộng rãi phương pháp thu nhận nhiều thông tin đối tượng đo mà không cần tác động trực tiếp đến đối tượng Cho đến năm đầu thập kỷ 90, hàng loạt hệ máy đo quang học đời với độ xác ngày cao mở rộng nhiều khả ứng dụng giải pháp 3D không công nghiệp, mà sử dụng nhiều lĩnh vực khác như: y học, kiến trúc, khảo cổ học, điêu khắc, phim hoạt hình… Trong phương pháp đo quang học, phương pháp đo lường ánh sáng cấu trúc nghiên cứu phát triển nhanh thập niên gần đây.Việc sử dụng ánh sáng cấu trúc thiết bị kiểm tra, đo đạt độ xác cao, thời gian lấy mẫu nhanh, dựng ảnh 3D đối tượng nhanh chóng với tốc độ cao đạt hàng ngàn phép đo giây để thực phép đo theo thời gian thực Ngoài ra, phát triển khoa học máy tính trợ giúp đáng kể cho người việc thiết kế mô công nghiệp từ kết đo sản phẩm Sự kết hợp tạo nên lĩnh vực khoa học thị giác - máy tính, thay mắt người việc nhận dạng ảnh tự động xử lý liệu Trong công nghiệp, máy quét 3D ánh sáng số hố nhanh chóng hình dáng chi tiết công nghiệp khác Các liệu số hố mơ phỏ ng cách xác đối tượng thể hình máy tính Bằng cách so sánh liệu qt với tài liệu thiết kế sử dụng phần mềm ứng dụng, đưa kết đo kiểm cách nhanh chóng dựa phân tích sai số hình dạng, độ dày kích thước hình học… Khả cho phép nâng cao chất lượng trình sản xuất cách rõ rệt Các nghiên cứu hệ thống chiếu ánh sáng cấu trúc quét nhanh so với hệ thống dựa nguồn laser Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo biên dạng 3D ánh sáng cáu trúc Máy đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc thiết bị để đo hình dạng ba chiều đối tượng sử dụng mẫu ánh sáng hệ thống camera Phương pháp quét 3D ánh sáng cấu trúc chiếu vân sáng (ảnh 2D) lên đối tượng đo, (như hình 1.1) vân sáng xuất bề mặt 3D đối tượng thu lại hệ thống camera, biến dạng vân sáng vật so với vân sáng mẫu cho thơng tin kích thước chiều vật cần đo Dựa quan hệ hình học máy chiếu camera, phân bố đặc biệt khơng gian, thời gian cường độ xác định độ sâu vật thể dựa vào phương pháp tam giác lượng Công nghệ đo ánh sáng cấu trúc đo phép đo mà phương pháp đo truyền thống không thực đo biên dạng bề mặt phức tạp, diện tích bề mặt, chia cắt phần thể tích Dữ liệu đo nhận nhiều sử dụng nhiều lần, lưu trữ lâu dài Cuối công nghệ quét hu kết định dạng kỹ thuật số tích hợp với hệ thống khác cách nhanh chóng Máy đo sử dụng ánh sáng cấu trúc mã nhị phân có cấu tạo gồm phận chính: - Đầu đo: Camera, Projecter - Hệ thống khí dịch chuyển đầu đo, bàn gá đối tượng đo - Máy tính, phần mềm xử lý Nhưng lại có tính đặc biệt trội so với máy quét CMM như: - Có khả đo qt tồn bề mặt sản phẩm dựng lại biên dạng 3D bề mặt đối tượng cách nhanh chóng,tốc độ quét lớn - Có thể kiểm tra nhiều thơng số hình học khác lần kiểm tra kích thước, sai lệch hình dáng độ đảo, song song, đồng trục… nhiều loại dung sai khác Hình 2.2: Ảnh số máy quét Trên hình 1.2 hình ảnh số máy quét sử dụng công nghệ quét ánh sáng cấu trúc giới Hiện có nhiều hãng sản xuất máy quét 3D ánhsáng cấu trúc như: GOM, DAVID, Faro Arm, Hexagon, Metris … Sản phẩm hãng thường có kết cấu, phần mềm quét, độ xác khác sử dụng nguồn sáng dạng mã hóa, có phạm vi ứng dụng khác rộng rãi nhiều lĩnh vực 2.2 Một số ứng dụng công nghệ quét 3D Ứng dụng thiết kế ngược : Trong ngành khí, có u cầu thiết kế phải dựng lại chi tiết có sẵn gọi phận thiết kế ngược để phục vụ vào công việc như: + Thiết kế lại khuôn cho chi tiết + Dựng lại mơ hình 3D để đưa vào gia côg lại chi tiết + Cải tiến số phận chi tiết cho phù hợp yêu cầu làm việc chi tiết Ứng dụng đo lường, kiểm tra chất lượng sản phẩm: Các sản phẩm khí ln cần thiết phải kiểm tra chất lượng bề mặt có đảm bảo độ xác gia cơng theo thiết kế Việc kiển tra tồn bề mặt đòi hỏi số lượng phép đo lớn Ưu điểm phương pháp đo ánh sáng cấu trúc tốc độ đo nhanh, kiểm tra kích thước bề mặt phức tạp Hình 2.3 : Kiểm tra đường kính đường tròn, kích thước, khoảng cách Ứng dụng ngành khn mẫu: Ngồi việc dựng lại chi tiết để làm khn nói việc kiểm tra lại kích thước lòng lõi khn trước đưa vào sản xuất có ý nghĩa định ngành khn mẫu Khi đó, cần đo kích thước lòng lõi khn so sánh với kích thước khn thiết kế từ tìm sai lệch chúng để có phương án sửa chữa cho phù hợp Ứng dụng cải tiến kiểu dáng: Với nhu cầu thị trường nay, việc sản phẩm sản xuất cần nâng cao tính u cầu thẩm mĩ đóng vai trò quan trọng việc tiêu thụ sản phẩm Các ngành sản xuất xe máy, ôtô, điện thoại di động… lĩnh vực phát triển mạnh có u cầu tính thẩm mĩ cao Vì vậy, ngành công nghiệp này, luôn cần cải tiến kiểu dáng cho sản phẩm Với chi tiết cần cải tiến, cần cải tiến phần sản phẩm Khi đó, cơng nghệ quét 3D ánh sáng trở nên hữu ích để lấy mẫu chi tiết cần cải tiến Sau dùng phần mềm thiết kế dựng lại chi tiết điều chỉnh cấu trúc, hình dáng bề mặt cần cải tiến Bằng phương pháp này, chi tiết thiết kế đảm bảo tính lắp ghép với chi tiết khác mà tạo nên kiểu dáng cho sản phẩm 10 Hình 4.4: Giao diện chương trình điều khiển bàn quay Hình 4.5: Bo mạch Arduino uno R3 nguồn tổ ong 24V 21 Hình 4.6: Bàn quay điện điều khiển 4.2 Hiệu chuẩn hệ thống Trong hầu hết phương pháp đo hình dạng thơng thường, hệ thống quang học mơ hình hóa tham số mơ hình thu với trình hiệu chỉnh cách tính tốn thơng số hình học thiết bị quang học như: vị trí tâm ống kính máy ảnh máy chiếu Tuy nhiên, mơ hình chứa tất thông tin hệ thống quang học biến dạng thấu kính, sai lệch cường độ cách tử, độ tuyến tính ánh sáng chiếu máy chiếu máy ảnh, v.v Thiếu thông tin gây sai số phép đo Hơn nữa, tính tốn tọa độ khơng gian sử dụng thông số nên ảnh hưởng đến độ xác đo Để thiết bị đạt độ xác cao máy chiếu camera cần hiệu chỉnh xác Tính tốn chọn khoảng cách L, B L – khoảng cách từ camera đến vùng chiếu B – khoảng cách tâm ống kính camera tâm máy chiếu 22 α= � Suy L = (h/2)/tanα ;  = 130 Vậy B= L x tg  4.3 Quét xây dựng biên dạng 3D Vấn đề quan trọng việc xây dựng biên dạng 3D xác vật thể hiệu chuẩn yếu tố hệ thống đo: Phương pháp dựa mạng nơron Phương pháp điều chỉnh gói, 2.phương pháp 10 pha tuyệt đối … phát triển Trong q trình hiệu chuẩn phụ thuộc thơng tin thơng số sẵn có hệ thống thiết lập hệ thống Quá trình hiệu chuẩn thường phức tạp tốn thời gian Trong hệ thống đo lường ánh sáng cấu trúc máy ảnh quy dạng máy ảnh lỗ nhỏ với thông số bên bao gồm : chiều dài tiêu cự, điểm nguyên tắc, điểm ảnh yếu tố nghiên, kích thước điểm ảnh Các thơng số bên ngồi bao gồm: quay tịnh tiến từ hệ tọa độ thực đến hệ tọa độ camera 23 Hình 4.7: Ảnh chiếu ánh sáng cấu trúc hiển thị phần mềm Hình 4.8: Giao diện chương trình xử lý liệu sau quét 24 Hình 4.9: Kết sau khí calib bảng calib 17x10 Sau calib giữ nguyên hệ thống không xê dịch, đặt vật lên bàn xoay chụp với nhiều góc khác 25 Thu biên dạng 3D 26 Hình 4.10: Ảnh Chi Tiết Khn qt phần mềm 27 Hình 4.11: Kết dựng đám mây điểm phần mềm MESLAB Hình 4.12: Kết dựng ảnh 3D phần mềm Một số kết khác bọn em thu trình thực nghiệm : 28 Từ file thu ta xử lí ảnh dựng lại hình 3D phần mêm Meshlab Geomagic Studio Quét vật thể góc nhìn khác nhau, xử lí nhiễu, xây dựng mặt cho đám mây điểm vừa quét, sau tìm điểm tương đồng chúng để liên kết mặt với Meshlab (biểu diễn hình bên) 29 30 4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến đo quét biện pháp khắc phục 4.4.1 Môi trường xung quanh - Tiếng ồn (đông người lại quanh máy) rung động (cắt, khoan, đục) làm ảnh hưởng đến độ xác chụp, tăng độ nhiễu ảnh Cách khắc phục đặt máy nơi n tĩnh rung động - Bụi khơng khí ngun nhân khiến ảnh chụp khơng rõ nét - Ánh sáng phòng 4.4.2 Yếu tố bên máy - Tiêu cự máy chiếu độ lấy nét camera - Khoảng cách L, B ảnh hưởng không đáng kể đến thay đổi ảnh chụp thay đổi L ± 50, giữ nguyên B thay đổi B ± 50, giữ nguyên L Chúng em thực nghiệm thấy điều Thay đổi khoảng cách L 31 Thay đổi B Từ biểu đồ ta thấy thông số calib thay đổi không đáng kể thông số đảm bảo yêu cầu - Màu sắc vật thể : Đây yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chất lượng ảnh chụp Điều thấy rõ chúng em cho chụp loạt vật thể có màu sắc khác lần quét Kết cho thấy màu trắng, màu trắng bạc không lên hình ; màu đỏ, màu vàng màu nâu, màu xám lên hình khơng đẹp màu xanh lục xanh da trời Khuyến cáo quét dựng lại chi tiết khí ta nên sơn màu cho vật thể để lấy ảnh tốt -Độ nghiêng mặt calib ảnh hưởng lớn đến chất lượng thu Khi mặt nghiêng ảnh thu bị méo, cong không đẹp Tối ưu mặt phẳng chiếu phải song song song với đường sở (đường nối tâm Camera máy chiếu) 32 Mặt calib ngả sau Mặt calib tương đối song song với đường sở 33 PHẦN V: KẾT LUẬN Trong phương pháp đo quang học, phương pháp đo lường ánh sáng cấu trúc nghiên cứu phát triển nhanh thập niên gần Việc sử dụng ánh sáng cấu trúc thiết bị kiểm tra, đo đạt độ xác cao, thời gian lấy mẫu nhanh, dựng ảnh 3D đối tượng nhanh chóng với tốc độ cao đạt hàng ngàn phép đo giây để thực phép đo theo thời gian thực Ngoài ra, phát triển khoa học máy tính trợ giúp đáng kể cho người việc thiết kế mô công nghiệp từ kết đo sản phẩm Sự kết hợp tạo nên lĩnh vực khoa học thị giác - máy tính, thay mắt người việc nhận dạng ảnh tự động xử lý liệu Trong công nghiệp, máy quét 3D ánh sáng số hố nhanh chóng hình dáng chi tiết công nghiệp khác Trong phương pháp nghiên cứu đạt số kết định như: Xây dựng thành công phần mềm đo quét ánh sáng cấu trúc sử dụng mã gray kết hợp dịch pha,kết đo quét phần mềm thu số điểm ảnh nhiều hơn,thời gian đo quét nhanh nhiễu so với phương pháp nghiên cứu trước Qua thời gian thực tập chúng em có nhìn bao quát công nghệ đo quét biên dạng 3D, thấy ứng dụng mạnh mẽ đóng góp to lớn ngành công nghiệp, kinh tế nay, đo biên dạng 3D vật thể có ý nghĩa lớn nhiều lĩnh vực sống ngành khoa học kĩ thuật Tại Việt Nam, máy đo biên dạng ngày sử dụng nhiều hơn, đặc biệt nhà máy Vì vậy, việc học tập, nghiên cứu loại thiết bị đo trở thành yêu cầu cấp thiết để phục vụ cho phát triển chung ngành khoa học kỹ thuật phát triển riêng nghành đo lường Thời gian thực tập giúp chúng em củng cố kiến thức, học tập thêm nhiều điểu bổ ích để phục vụ cho đề tài tốt nghiệp chúng em tới Chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Văn Vinh cô Nguyễn Thị Kim Cúc hướng dẫn, bảo tận tình tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành tốt trình thực tập tốt nghiệp 34 35 ... thuật khí, Thực tập kỹ thuật, Các buổi thí nghiệm mơn học, cuối thực tập tốt nghiệp Học kì 20162 vừa qua, chúng em hoàn thành học phần thực tập tốt nghiệp phòng lab 307 mơn Cơ khí xác Quang học. .. dung báo cáo:  Tìm hiểu tổng quan phòng Lab 307  Nhiệm vụ cơng việc chúng em trình thực tập phòng lab 307  Tổng kết PHẦN I: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ PHÒNG LAB C45 -307 1.1 Khái quát chung phòng Lab. .. PHẦN I: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ PHỊNG LAB C45 -307 1.1 Khái quát chung phòng Lab C45 -307 .4 1.2 Một số thành tựu đạt .5 PHẦN II : NỘI DUNG THỰC TẬP .7 2.1 Tổng quan phương