Luận án: Sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc cải thiện đo lường chi tiết cơ khí

Quét 3D không tiếp xúc (non-contact 3D scanning) dựa trên nguyên lý tam giác đạc quang học chính xác. Máy chiếu phát chùm sáng có cấu trúc hình học xác định lên bề mặt mẫu đo. Trục quang máy chiếu nghiêng một góc cố định so với trục quang máy ảnh. Khoảng cách đường cơ sở giữa hai thiết bị tạo nên hệ tam giác không gian chuẩn mực. Địa hình bề mặt vật thể làm biến dạng quy luật của các dải vân tuần hoàn. Camera công nghiệp thu nhận bức ảnh vân sáng bị uốn cong theo biên dạng chi tiết. Hệ thống trích xuất thông tin pha từ các dải vân biến dạng. Thuật toán lượng hóa độ lệch pha thành độ sâu z của từng điểm bề mặt. Phương pháp cho phép quét toàn bộ trường nhìn cùng một thời điểm. Dữ liệu hình học được thu thập liên tục với mật độ điểm dày đặc. Độ chính xác hình học phản ánh trung thực mọi góc khuất và rãnh sâu cơ khí. Thiết bị vận hành ổn định trong nhiều điều kiện ánh sáng công nghiệp.

Hệ thống chiếu vân kỹ thuật số DFP yêu cầu sự đồng bộ cơ điện quang chuẩn xác. Phần cứng chính gồm máy chiếu kỹ thuật số công nghệ DLP hoặc vi gương DMD và camera độ phân giải cao. Máy chiếu có nhiệm vụ tạo các mẫu vân sin có bước sóng và độ sáng đồng đều. Tốc độ chuyển đổi mẫu vân của thiết bị DMD đạt hàng nghìn khung hình mỗi giây. Camera kỹ thuật số cảm biến CCD hoặc CMOS đóng vai trò thu nhận tín hiệu phản xạ. Cảm biến ảnh sở hữu kích thước điểm ảnh nhỏ và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR cao. Tín hiệu kích hoạt xung phần cứng đồng bộ hóa chính xác thời điểm phơi sáng của camera và máy chiếu. Khẩu độ ống kính và tiêu cự quang học được tính toán nhằm tối ưu hóa độ sâu trường ảnh DOF. Khoảng cách làm việc được cố định chắc chắn trên giá đỡ chống rung cơ học. Thiết kế phần cứng đảm bảo tính ổn định và độ lặp lại cao trong môi trường xưởng gia công.

Phương pháp dịch pha nâng cao (phase shifting profilometry) sử dụng chuỗi mẫu vân hình sin dịch chuyển bước pha đều đặn. Thuật toán dịch pha phổ biến gồm ba bước, bốn bước hoặc N bước tiêu chuẩn. Mẫu vân dịch pha loại bỏ ảnh hưởng tiêu cực từ cường độ sáng nền và hệ số phản xạ không đồng đều. Giá trị cường độ sáng thu được tại mỗi điểm ảnh biến thiên tuần hoàn theo hàm lượng giác. Thuật toán tính hàm arctan để trích xuất bản đồ pha tương đối gói gọn trong khoảng từ âm pi đến pi. Bản đồ pha gói mang đặc tính gián đoạn tuần hoàn sau mỗi chu kỳ vân chiếu. Kỹ thuật dịch pha nhiều bước giúp triệt tiêu sóng hài bậc cao và sai số phi tuyến quang học. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu được cải thiện đáng kể trên toàn bộ cảm biến ảnh. Độ mịn của bản đồ pha tương đối quyết định trực tiếp đến độ phân giải chiều sâu của phép đo 3D.

Mở pha không gian và thời gian (spatial & temporal phase unwrapping) là bước quan trọng để xác định giá trị pha tuyệt đối liên tục. Phương pháp mở pha không gian gặp nhiều khó khăn khi bề mặt bị đứt gãy hoặc có góc nhọn. Kỹ thuật mở pha thời gian sử dụng mẫu mã Gray giải quyết triệt để hiện tượng mất dấu chu kỳ. Chuỗi ảnh mã Gray nhị phân gán một chỉ số chu kỳ duy nhất cho từng điểm ảnh dọc theo hướng chiếu. Giá trị mã Gray xác định chính xác số thứ tự chu kỳ vân của từng pha tương đối bị gói. Thuật toán cộng thêm bội số nguyên của hai pi vào giá trị pha tương đối tại mỗi vị trí. Bản đồ pha tuyệt đối thu được hoàn toàn trơn tru và phản ánh chân thực hình học vật thể. Giải thuật mở pha theo trục thời gian tính toán độc lập cho từng điểm ảnh riêng biệt. Sự độc lập này ngăn chặn sự lan truyền sai số cục bộ trên toàn bộ bề mặt đo.

Chiếu vân sáng đa tần (multi-frequency fringe projection) là giải pháp mở pha thời gian tiên tiến không cần dùng mã Gray nhị phân. Kỹ thuật này phát đồng thời các chuỗi vân sin có tần số không gian khác nhau lên mẫu đo. Chuỗi vân tần số thấp nhất có đúng một chu kỳ trên toàn bộ trường quét, giúp xác định pha tuyệt đối sơ bộ. Các chuỗi vân tần số trung bình và cao liên tiếp nâng cao độ chính xác cục bộ của phép đo. Thuật toán phân cấp tần số hoặc nguyên lý dịch pha kép đồng hóa pha giữa các mức tần số. Giải thuật giúp giảm số lượng ảnh cần chụp so với phương pháp mã Gray truyền thống. Tốc độ thu nhận tăng lên rõ rệt, đáp ứng yêu cầu đo lường trong dây chuyền sản xuất công nghiệp tốc độ cao. Dữ liệu pha tuyệt đối không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi đột ngột về màu sắc hoặc kết cấu bề mặt.

Mô hình camera lỗ nhỏ là nền tảng hình học mô tả quá trình tạo ảnh phối cảnh trong không gian ba chiều. Mỗi điểm trong không gian thực chiếu xuyên qua tâm quang học để hội tụ lên mặt phẳng cảm biến. Ma trận nội thông số chứa đựng tiêu cự theo hai trục tọa độ ảnh cùng vị trí điểm gốc quang tâm. Hệ số tỉ lệ điểm ảnh phản ánh kích thước thực của các tế bào quang điện trên cảm biến CCD hoặc CMOS. Các sai lệch quang học bao gồm méo hướng tâm k1, k2, k3 và méo tiếp tuyến p1, p2. Méo hình làm cong đường thẳng thực tế khi đi qua rìa ống kính quang học. Thuật toán hiệu chuẩn ước lượng chính xác các hệ số biến dạng thông qua hình học bàn cờ. Mô hình toán học tính toán bù sai số cho từng điểm ảnh đơn lẻ trên cảm biến. Quá trình nắn chỉnh ảnh phục hồi trường hình học phẳng lý tưởng trước khi trích xuất dữ liệu pha.

Hiệu chuẩn máy chiếu đòi hỏi kỹ thuật tạo ảnh ảo đặc biệt do máy chiếu không thể tự thu nhận ánh sáng. Bản đồ pha thu được từ camera được sử dụng để ánh xạ tọa độ điểm ảnh camera sang mặt phẳng máy chiếu. Tọa độ điểm góc bàn cờ được chuyển đổi chính xác sang hệ tọa độ của thiết bị vi gương DMD. Ma trận quay R và véc-tơ tịnh tiến t giữa hai thiết bị được tối ưu hóa đồng thời bằng thuật toán Levenberg-Marquardt. Khoảng cách đường cơ sở b và góc hợp bởi hai trục quang được xác lập với độ chính xác cao. Hiện tượng biến dạng pha tại các góc cạnh bàn cờ được mô hình hóa và triệt tiêu. Quá trình hiệu chuẩn đảm bảo sự tương thích hình học tuyệt đối giữa chùm tia chiếu và tia thu. Sai số chiếu lại trung bình đạt mức dưới 0.05 điểm ảnh, tạo tiền đề vững chắc cho việc đo kích thước cơ khí.

Xử lý bề mặt kim loại phản xạ cao bằng kỹ thuật HDR fringe projection tối ưu hóa chất lượng thu nhận quang học. Thuật toán kết hợp nhiều chuỗi ảnh chụp ở các mức thời gian phơi sáng khác nhau từ ngắn đến dài. Tại mỗi điểm ảnh, thuật toán tự động chọn mức xám có độ tương phản cao nhất nhưng chưa bị bão hòa giá trị 255. Kỹ thuật điều biến cường độ chiếu thích nghi điều chỉnh mức sáng phát ra từ máy chiếu theo hệ số phản xạ cục bộ BRDF. Phương pháp phân tích vùng mức xám MIGL ước lượng chính xác ngưỡng sáng tối đa mà không gây lóa. Dải vân sin giữ nguyên hình dạng điều hòa chuẩn xác trên toàn bộ bề mặt kim loại bóng loáng. Kỹ thuật HDR loại bỏ hoàn toàn nhu cầu phun bột phủ phản quang gây hại cho bề mặt gia công tinh xảo. Quá trình kiểm tra diễn ra sạch sẽ, bảo toàn nguyên trạng chi tiết máy công nghiệp.

Tái tạo đám mây điểm 3D (3D point cloud reconstruction) chuyển đổi bản đồ pha tuyệt đối thành tọa độ không gian thực X, Y, Z. Mỗi điểm ảnh chứa giá trị pha hợp lệ kết hợp với ma trận tham số hiệu chuẩn tạo thành một tia không gian. Điểm giao nhau giữa tia sáng máy chiếu và tia nhìn camera xác định tọa độ bề mặt chính xác. Đám mây điểm sau khi tái tạo thường chứa các điểm nhiễu ngoại lai do phản xạ tán xạ hoặc vùng biên chi tiết. Thuật toán RANSAC (RANdom SAmple Consensus) phân tách và loại bỏ hiệu quả các điểm dị biệt không phù hợp hình học. Thuật toán ICP (Iterative Closest Points) thực hiện đăng ký và ghép nối các đám mây điểm từ nhiều góc quét khác nhau. Kỹ thuật phân rã giá trị kỳ dị SVD hỗ trợ tính toán ma trận chuyển đổi tọa độ tối ưu. Kết quả tạo ra mô hình 3D hoàn chỉnh với độ mịn và độ chính xác hình học cao.

Đo lường kích thước và dung sai hình học GD&T là tiêu chuẩn bắt buộc trong kiểm soát chất lượng cơ khí chính xác. Đám mây điểm 3D đo được khớp với mô hình CAD danh nghĩa qua thuật toán đăng ký tọa độ chính xác. Phần mềm tự động trích xuất các yếu tố hình học cơ bản như mặt phẳng, hình trụ, hình nón và mặt cầu. Thuật toán đánh giá tức thời các thông số dung sai vị trí, độ phẳng, độ tròn, độ đồng tâm và độ vuông góc. Phép đo chiều cao bậc, rãnh then và bán kính cong biên dạng tự do đạt độ lặp lại cao dưới 5 micromet. Bản đồ nhiệt trực quan thể hiện độ lệch dương và độ lệch âm trên toàn bộ bề mặt gia công. Báo cáo kiểm định GD&T xuất tự động theo các tiêu chuẩn quốc tế ISO và ASME. Quy trình kiểm tra rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và tối ưu hóa năng lực máy công cụ CNC.

Đo biến dạng động và ứng suất cơ học (dynamic deformation and mechanical stress measurement) cung cấp dữ liệu quan trọng cho phân tích kết cấu. Khi chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh hoặc dao động tuần hoàn, trường hình học 3D bề mặt liên tục thay đổi. Hệ thống chiếu vân tốc độ cao kết hợp camera tần số quét lớn ghi lại chuỗi dịch chuyển pha theo thời gian thực. Thuật toán tương quan ảnh số DIC tích hợp với ánh sáng cấu trúc tính toán ma trận ten-sơ biến dạng cục bộ. Phân bố biến dạng vi mô giúp các kỹ sư cơ khí xác định chính xác các điểm tập trung ứng suất nguy hiểm. Phương pháp đánh giá không phá hủy bảo toàn cấu trúc phôi mẫu trong suốt quá trình thử nghiệm độ bền mỏi. Dữ liệu thực nghiệm đóng vai trò đối chứng chuẩn xác cho các mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn FEA phức tạp.