Máy đo 3D không tiếp xúc sử dụng công nghệ quét chùm sáng cấu trúc và công nghệ thị giác máy có một số ưu điểm nổi bật như tái tạo nhanh mô hình 3D của vật thể đo, đo các kích thước trên mô hình 3D với độ chính xác trên toàn dải đo cỡ 20 µm.
Hiện nay, các hệ thống sản xuất dây chuyền và hệ thống hỗ trợ kiểm soát chất lượng (QC) sản phẩm đã trở thành một phần quan trọng nhằm đảm bảo rằng các thành phần được sản xuất tuân thủ thiết kế và nằm trong dung sai sản xuất của sản phẩm. Việc tuân theo quy trình và phương pháp kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt sẽ đảm bảo rằng không có một thành phần bị lỗi nào tới tay người dùng. Sản xuất sản phẩm chất lượng không chỉ làm tăng vòng đời và hiệu quả của sản phẩm, còn giúp tăng uy tín, thương hiệu của nhà sản xuất.
Tuy nhiên, trên thực tế rất khó kiểm tra tất cả các sản phẩm được sản xuất theo các tham số sản phẩm bằng các phương pháp thủ công thông thường. Bởi vì số lượng sản phẩm cần kiểm tra thường có thể lên đến hàng nghìn, hàng vạn thậm chí hàng triệu sản phẩm mỗi ngày. Do đó, việc có một hệ thống kiểm tra tự động để đo lường và kiểm tra sản phẩm là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
Nhận thấy máy đo 3D không tiếp xúc sử dụng công nghệ quét chùm sáng cấu trúc và công nghệ thị giác máy là một trong các thiết bị công nghệ kiểm tra, đo lường, quản lý ngoại quan sản phẩm, thiết kế, tạo mẫu ngược có khả năng đo nhanh chóng, độ chính xác cao, đo được những bề mặt phức tạp…Do đó, Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá đã đề xuất và được Bộ Công Thương phê duyệt thực hiện đề tài “Thiết kế chế tạo máy đo 3D không tiếp xúc sử dụng công nghệ quét chùm sáng cấu trúc và thị giác máy”. Đề tài do Th.S Nguyễn Đình Tuấn làm chủ nhiệm.
Phương pháp đo 3D sử dụng chùm ánh sáng cấu trúc (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế chế tạo máy đo 3D không tiếp xúc sử dụng công nghệ quét chùm sáng cấu trúc và công nghệ thị giác máy với một số ưu điểm nổi bật như tái tạo nhanh mô hình 3D của vật thể đo, đo các kích thước trên mô hình 3D với độ chính xác trên toàn dải đo cỡ 20 µm. Trên cơ sở đó, ứng dụng sản phẩm trong nhà máy tại Việt Nam để kiểm tra kích thước các chi tiết có kích thước tối đa 10x10x10cm, có trọng lượng tối đa 2kg như chi tiết điện thoại, chi tiết cơ khí của ô tô, xe máy, máy in,...
Tổng quan về máy đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc
Tiến hành nghiên cứu, nhóm tác giả bắt đầu bằng việc khảo sát, phân tích tình hình thực tế các sản phẩm máy đo lường tự động không tiếp xúc độ chính xác cao trên cơ sở ứng dụng công nghệ quét 3D bằng ánh cấu trúc tại Việt Nam và trên thế giới. Tìm hiểu các công trình trong và ngoài nước thuộc nội dung liên quan. Đồng thời, tham khảo phương pháp thực hiện, giải mã cấu tạo các thiết bị điều khiển hiện có cũng như cấu trúc hệ thống, từ đó ứng dụng để nghiên cứu thiết kế sản phẩm đề tài. Sau cùng là căn cứ vào điều kiện tài chính và công nghệ chế tạo trong nước để lựa chọn phương án hợp lý cho sản phẩm, chú trọng đến khả năng hiện đại hóa theo hướng nâng cao chất lượng sản phẩm.
Dựa trên những kết quả đã khảo sát, nhóm tác giả lựa chọn thiết kế máy đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc VMES3D.01 có cấu trúc gồm hệ thống cơ khí và hệ thống phần mềm. Trong đó, hệ thống cơ khí gồm: đầu quét 3D, hệ thống khung cơ khí (khoang, bàn xoay vật, khoang thiết bị và khung vỏ cơ khí), hệ thống điện điều khiển (gồm các thiết bị điện, điện điều khiển để điều khiển, giám sát hoạt động của các bộ phận khác (hệ thống màn hình giao tiếp, CPU, GPU, … các driver điều khiển xoay mẫu vật, các cảm biến an toàn, IO unit,…)
Mô hình máy đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Hệ thống phần mềm điều khiển gồm 2 module: Module điều khiển đo, quét thu thập dữ liệu 3D có chức năng điều khiển đầu đo, điều khiển bàn xoay, điều khiển ngoại vi, điều khiển chiếu mẫu hình, điều khiển thu thập mẫu hình 3D; Mô đun tái tạo mô hình 3D có chức năng tái tạo, hiệu chỉnh mô hình 3D, xuất nhập, lưu trữ dữ liệu mô hình 3D.
Hệ thống phần mềm thị giác máy tính có chức năng quản lý, xử lý về mô hình 3D vật thể; Quản lý và xử lý, cấu hình, hiệu chỉnh phép đo; Quản lý kết quả phép đo (OK/NG); Xuất dữ liệu báo cáo; Xuất hình ảnh hỗ trợ kiểm tra ngoại quan bằng AI.
“
Trong quá trình sử dụng thiết bị đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc, trường quan sát, độ phóng đại, tiêu cự của camera và máy chiếu thường thay đổi, do đó ngoài việc hiệu chuẩn xác định các thông số ban đầu còn cần hiệu chuẩn trong mỗi lần sử dụng. Việc hiệu chuẩn yêu cầu cần đơn giản, đạt độ chính xác cao. Mục đích hiệu chỉnh hệ thống cảm biến nhằm xác định các ma trận nội tham số, các hệ số đặc trưng cho hệ quang và ma trận ngoại tham số đặc trưng cho vị trí tương quan của camera và máy chiếu.” chủ nhiệm đề tài Nguyễn Đình Tuấn cho biết.
Sau khi tính toán thiết kế và chọn lựa các linh kiện, thiết bị phục vụ cho quá trình chế tạo, lắp đặt máy đo 3D VMES3D.01. Từ các thiết bị thành phần như camera công nghiệp, thấu kính công nghiệp, bộ đèn chiếu mẫu hình, bàn xoay, máy tính,... nhóm nghiên cứu tính toán để chế tạo bộ khung gá cơ khí phù hợp và thiết kế, xây dựng hệ thống phần mềm giao tiếp, điều khiển, tính toán phục vụ quá trình thu thập dữ liệu, tái tạo mô hình, đo lường và quản lý.
Thử nghiệm thiết bị
Sau khi hoàn thành lắp đặt toàn bộ thiết bị máy đo 3D không tiếp xúc tự động sử dụng công nghệ thị giác máy, thử nghiệm từng thành phần riêng biệt, nhóm tiến hành chạy thử nghiệm chức năng hoạt động của hệ thống, các tính năng thu thập, dựng mẫu hình, thực hiện đo mẫu, kiểm tra hoạt động thời gian. Kết quả, thiết bị đo chạy ổn định, thời gian thực hiện 1 phép đo trung bình đạt 1s. Phép đo mất nhiều thời gian nhất là 1.2s. Sai lệch được lấy là hiệu của kết quả đo bằng thước cặp so với giá trị đo trên thiết bị. Qua kết quả thí nghiệm đo sai lệch lớn nhất < 0.02mm, đạt kỳ vọng yêu cầu.
Thiết bị sau khi được lắp đặt hoàn tất (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Tiếp tục thử nghiệm máy đo 3D không tiếp xúc sử dụng công nghệ quét chùm sáng cấu trúc và thị giác máy VMES3D.01 trong điều kiện thực tế, nhóm đề tài kết hợp cùng với công ty cổ phần Scantech 3D Việt Nam - đây là một trong những công ty hàng đầu trong lĩnh vực thiết bị công nghệ, số hóa dữ liệu 3D (Quét 3D), tạo mẫu nhanh (3D-printer), cung cấp, đào tạo phần mềm, dịch vụ số hóa 3D phục vụ cho việc tạo mẫu hoặc sao chép các vật thể trên mọi chất liệu một cách nhanh chóng và hoàn toàn chính xác.
Trong quá trình thử nghiệm tại Scantech 3D Việt Nam, thiết bị đo kích thước VMES3D.01 của đề tài đã thu được nhiều kết quả khả quan như: khả năng hoạt động tốt, ổn định, thiết bị dễ thao tác, hoạt động hiệu quả. Kết quả đo kích thước trên các mẫu sản phẩm và mẫu chuẩn khá tương đồng và không sai lệch nhiều. Ngoài ra, các phương án và mục tiêu của quá trình thử nghiệm đã hoàn thành. Các tính năng, thông số sản phẩm của đề tài đã đáp ứng các yêu cầu đã đăng ký.
Triển vọng nhân rộng sản phẩm
Sau 27 tháng thực hiện, đề tài nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công 01 máy đo 3D không tiếp xúc sử dụng công nghệ chùm sáng cấu trúc và thị giác máy VMES3D.01. Đối với các vật tư, linh kiện cơ bản của đề tài, nhóm sẽ nhập khẩu từ nước ngoài để lắp ráp, còn các chi tiết gia công cơ khí và hệ thống phần mềm được tính toán thiết kế, chế tạo bởi đội ngũ nghiên cứu trong nước. Do đó theo nhóm đánh giá mức độ làm chủ công nghệ là trên 80%.
Đồng thời, đề tài đã hoàn thiện đầy đủ bộ phần mềm điều khiển, thu thập dữ liệu và phần mềm thị giác máy tính; Bộ tài liệu khoa học công nghệ bao gồm bản vẽ thiết kế hệ thống cơ khí, tài liệu phân tích thiết kế hệ thống phần mềm, tài liệu hướng dẫn cài đặt và sử dụng máy đo, tài liệu hướng dẫn hiệu chỉnh máy.
Thiết bị được lắp đặt tại Công ty cổ phần Scantech 3D Việt Nam (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Điểm mới của đề tài là đã hoàn thiện được theo nhu cầu của thị trường, chế tạo thành công một thiết bị vừa đảm trách được thu thập - tái tạo mô hình 3D, cho phép thực hiện cấu hình các phép đo và quản lý dữ liệu kết quả trên phần mềm duy nhất. Ngoài ra áp dụng kỹ thuật mới AI vào trong việc thiết lập cấu hình phép đo tự động, cũng như đánh gía ngoại quan sản phẩm.
Việc xây dựng đầy đủ phương pháp luận để phân tích, tổng hợp và thiết kế chế tạo thành công máy đo 3D không tiếp xúc sử dụng công nghệ chùm sáng cấu trúc và thị giác máy VMES3D.01 đã đem đến triển vọng nhân rộng sản phẩm trong tương lai. Sản phẩm VMES3D.01 khẳng định bước tiến chủ động của công nghệ trong nước, giúp gia tăng một dòng thiết bị có chất lượng với chi phí hợp lý để phục vụ ngành kỹ thuật trong nước. Thiết bị có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, thiết kế, may mặc, sản xuất,…
Đặc biệt, qua quá trình thực hiện đề tài, các cán bộ tham gia (đặc biệt là các cán bộ mới) đã tích lũy thêm được nhiều kinh nghiệm trong nghiên cứu thiết chế tạo các sản phẩm đo lường, kiểm tra, nhận dạng ứng dụng công nghệ thị giác máy cũng như nâng cao năng lực thiết kế, nhờ đó tạo điều kiện thực hiện các nhiệm vụ khoa học công nghệ trong những năm tiếp theo.
Qua quá trình thử nghiệm, thiết kế chế tạo nhóm nghiên cứu nhận thấy với phương pháp sử dụng ánh sáng về đặc tính chung bị ảnh hưởng bởi ánh sáng và chất liệu bề mặt của sản phẩm. Các bề mặt có tính phản xạ hoặc hấp thụ ánh sáng mạnh thì khó khăn trong việc thu thập dữ liệu. Để khắc phục trên một số mẫu thử có đặc tính bóng, phản xạ ánh sáng cao cần phủ lên một lớp phủ bề mặt, sau đó mới tiến hành thu thập, đo lường. Đồng thời, về dữ liệu mô hình 3D chiếm dung lượng lớn (từ 200 Mb – 1Gb). Việc tạo môi trường làm việc cần có phần cứng tương ứng (dung lượng bộ nhớ động lớn – RAM lớn). Do đó, trong thời gian tới, nhóm thực hiện tiếp tục nâng cấp phần mềm, cải tiến các thiết bị để kết quả đo chính xác hơn. Tìm hiểu về các trường ánh sáng (bước sóng) phù hợp với từng ứng dụng, xây dựng dữ liệu về tương quan bước sóng – vật liệu. Nghiên cứu các mô hình nén, tối ưu về mặt dữ liệu để giảm tải dung lượng của các tập thông tin. Từ đó cải tiến, hoàn thiện thiết bị. Đồng thời cũng xây dựng lộ trình đưa sản phẩm vào sử dụng trong thực tế. |
Minh Khuê
