intTypePromotion=1
ADSENSE

Nghiên cứu ứng dụng đầu đo KSS210A trong thiết bị đo laser 3D theo phương pháp tự điều tiêu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

9
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo này trình bày nghiên cứu nguyên lý, cấu tạo của đầu đo KSS210A, từ đó làm cơ sở ứng dụng làm đầu đo trong thiết bị đo laser 3D theo phương pháp điều tiêu. Nghiên cứu thực nghiệm đặc tuyến làm việc của đầu đo để đưa ra khoảng làm việc tối ưu của đầu đo trong thiết bị đo 2÷2,15 mm.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ứng dụng đầu đo KSS210A trong thiết bị đo laser 3D theo phương pháp tự điều tiêu

  1. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Nghiên cứu ứng dụng đầu đo KSS210A trong thiết bị đo laser 3D theo phương pháp tự điều tiêu Research application KSS210A in instrumentation 3D laser by autofocus method Phạm Ngọc Linh Email: linhpham110@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 20/4/2019 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/6/2019 Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2019 Tóm tắt Bài báo này trình bày nghiên cứu nguyên lý, cấu tạo của đầu đo KSS210A, từ đó làm cơ sở ứng dụng làm đầu đo trong thiết bị đo laser 3D theo phương pháp điều tiêu. Nghiên cứu thực nghiệm đặc tuyến làm việc của đầu đo để đưa ra khoảng làm việc tối ưu của đầu đo trong thiết bị đo 2÷2,15 mm. Từ khóa: Tia laser; phương pháp điều tiêu; KSS210A. Abstract This paper presents the study of the principle and structure of the KSS210A transducer, which is the basis for applying the measuring head in 3D laser measuring device according to the autofocus method. Experimental study of working characteristics of the probe to provide the optimal working range of the probe in the measuring device 2÷2.15 mm. Keywords: Laser; autofocus method; KSS210A. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong đo lường điều khiển hiện đại, việc thu thập Cụm đầu đo KSS210A (hình 1) gồm nguồn laser và xử lý thông tin qua cảm biến quang điện tử để và một bán lăng kính, một thấu kính trụ và một nhận biết đối tượng và điều khiển đối tượng đang photodetector. Một lưới nhiễu xạ, hai cuộn hội tụ được quan tâm và ứng dụng rộng rãi, bởi phương và cuộn hiệu chỉnh. Dùng tia laser qua lưới nhiễu pháp này giúp ta có thể thu nhận được nhiều xạ được dán trực tiếp ngay tại đầu của diode laser để chùm tia laser phân thành ba tia với một tia thông tin từ đối tượng mà không cần tác động trực chính để đọc tín hiệu và nhận dạng hội tụ, hai tia tiếp đến đối tượng [4]. Việc kết hợp laser trong phụ để xác định vị trí tạo tín hiệu hiệu chỉnh. Ba tia các thiết bị kiểm tra đo đạc cho phép đạt độ chính phản hồi đến bán lăng kính đổi phương 90 độ qua xác cao, thời gian lấy mẫu nhanh có thể đạt hàng hệ thống thấu kính và hội tụ trên dãy photo diode. ngàn lần trên giây. Bài báo này trình bày kết quả Sau khi đi qua bán lăng kính, tia chính rọi vào 4 nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm viêc của đầu photo diode nằm ở giữa, đường thứ hai đến mạch đo KSS210A, thông số khả năng làm việc để có Auto Focus tạo tín hiệu điều chỉnh vật kính theo thể ứng dụng vào thiết bị đo laser 3D theo phương chiều đứng, sao cho chùm tia được hội tụ trên bề pháp điều tiêu. mặt chi tiết. Người phản biện: 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Vinh 2. GS.TS. Trần Văn Địch Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 37
  2. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đĩa Objective lens (vật kính) Hệ thống thấu kính Thấu kính hình trụ Bán lăng kính và Photo diode array tách tia A, B, C, D, E, F Thấu kính Mạch RF Amp Lưới nhiễu xạ lõm Focus Servo Tracking servo Laser diode LD MD Hình 1. Cấu tạo đầu đo KSS210A Nguyên lý làm việc của đầu đo: - Bộ tách quang (ma trận diode): nhận diện sự sai lệch focus và các tín hiệu lấy ra là tổng các cảm - LD: laser diode dùng để phát ra tia laser cung biến A, B, C, D lên vị trí mà các tia chính rơi [2]. cấp cho cụm quang học và diode MD. Đường đi của tia sáng trong đầu đo: - MD: monitor diode hay còn gọi là diode giám sát, nhận ánh sáng từ diode laser tới cấp cho mạch APC (tự động điều chỉnh công suất tia sáng). Disc Tia phụ Tia chính Tia phụ Disc Tracking and sled servo Tracking coil Focus coil RF Amp Focus Laser Hình 2. Đường đi của tia sáng trong đầu đo 38 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019
  3. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Từ hình 2 ta có thể dễ dàng nhận biết đường đi kính hoặc bộ tách tia được sửa dạng thành một của tia sáng trong cụm quang học. Chùm tia laser chùm tia song song bởi thấu kính chuẩn trực. với bước sóng 780 nm được tạo ra từ diode laser, Để sử dụng đầu đo KSS210A trong thiết bị đo được giữ ổn định cường độ sáng nhờ mạch APC. laser 3D theo phương pháp điều tiêu, ta cần xác Trong chùm tia rọi lên mặt chi tiết, tia chính rọi định phạm vi đo của đầu đo. đi đến mạch Autofocus tạo tín hiệu điều chỉnh vật kính theo chiều đứng, sao cho chùm tia được hội 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM tụ trên mặt chi tiết. Dựa theo công thức: Hai tia phụ qua bán lăng kính rồi tới photo diode TRA và TRC tạo ra hai tín hiệu cấp cho mạch so 2⋅ L⋅∆⋅r  l  sánh và tạo điện áp sai lệch Tracking TER, sau rα' = r + 2 1 − ⋅ sin β  + l ⋅ tgα f1  f2  đó TER được cấp đến mạch thúc (drive) tạo dòng chạy trong cuộn Tracking làm dịch chuyển vật kính 2⋅ L⋅∆⋅r theo chiều ngang. rx' = r + + l ⋅ tgα f12 Sau khi tia sáng qua thấu kính, một phần truyền thẳng qua gương bán thấu còn một phần bị phản và ry' = − r + 2⋅ L⋅∆⋅r + ltgα [3], ta chọn các thông xạ vào thấu kính trụ và được thu bởi photo detector f12 gồm 4 diode là A, B, C, D. số thiết kế như sau: Lưới nhiễu xạ: khi một tia sáng laser được xuyên Với L= 2 × f1 = 2 × 0,5 = 1 mm, r = 0,5 mm, qua lưới nhiễu xạ, một tia chính và hai tia phụ hình f1 = 0,5 mm, chọn bước dịch chuyển của chi tiết so thành bằng cách tận dụng hiện tượng nhiễu xạ với thấu kính là ∆ = 0,1 mm. của tia laser. Ta có công thức tính bán kính cuối cùng của Bán lăng kính và lăng kính phân chia: bán lăng chùm tia: kính được sử dụng cho phân cực thẳng, lăng kính phân chia được sử dụng cho phân cực vòng.  l  rα' = 4Δ + 0, 5  1 − sin β  + 10Δ Bán lăng kính cho phép truyền 50% ánh sáng  f2  theo hướng truyền đi và 50% theo hướng vuông Xét tại các vị trí ứng với b = 0 và b = 90o, ta có công góc. Thấu kính phân chia truyền toàn bộ 100% thức tính các bán kính Rx và Ry như sau: ánh sáng phụ thuộc vào góc phân cực của ánh sáng [1]. rx' = 4Δ + 0, 5 + 10Δ Thấu kính chuẩn trực: ánh sáng đi qua bán lăng ry' = − 4Δ + 0, 5 + 10Δ Hình 3. Mối liên hệ giữa hiệu các bán kính rx và ry và khoảng dịch chuyển ∆ Bài toán đưa về tìm mối quan hệ giữa sự dịch photo detector nhận tín hiệu đầu ra, ta có hàm tính chuyển vật kính và hiệu diện tích của 4 mảnh diện tích của photo detector như sau: Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 39
  4. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Trường hợp có photo detector: Trong đó: S1 = S4 S1 Với kích thước photo diode là hình vuông mỗi cạnh 1 mm, coi phần được chiếu sáng là một elip 0,5 có phương trình: S2 x2 y 2 + =1 0,5 a 2 b2 Ta có:  ab   a 0, 25  photo detector S 2 =  0,5 −  .  1 − 2   a 2 + b2   b  ab Hình 4. Hiệu diện tích chiếu sáng của 4 mảnh photo diode trong cụm đầu đo a 2 +b2 x2 ab  Vấn đề đặt ra là cần tính hiệu diện tích (S1-S2) để S3 = ∫   b 1 − a 2 − a 2 + b2  dx  1− 2   0,25 a so sánh sự sai lệch về tín hiệu thu được ở 4 diode. b 3.1. Kết quả khảo sát (hình 6) a  x2  S4 = ∫  b 1 − 2  dx  a  Ta có khai triển phương trình biểu diễn mối quan ab  hệ giữa khoảng dịch chuyển Δ với bán kính chùm a2 +b 2 sáng thu được: Vậy ta có hiệu diện tích: rx' = 4Δ + 0, 5 + 10Δ  ab   a 0, 25  ∆ S =  0,5 −  .  1 − 2  + ry' = − 4Δ + 0, 5 + 10Δ  a 2 + b 2   b  ab Nhìn vào hình 4 ta tìm diện tích phần bị chiếu sáng a 2 +b2 x2 ab  a  x2  của photo diode, theo nguyên tắc thu tín hiệu trên photo diode của cụm pickup thì phần diện tích ∫  a2 a2 + b2  dx −  b 1 − − ∫  a2  dx  b 1 − a 1− 2   0,25 ab   phần S1-S2 chính là phần diện tích cần tính tương b 2 2 a +b ứng với khoảng dịch chuyển của chi tiết so với Tính các tích phân với: thấu kính. rx' = 4Δ + 0, 5 + 10Δ ry' = − 4Δ + 0, 5 + 10Δ Ta có với Δ chạy từ (-5; 5) mm với bước dịch chuyển Δ = 0,1 mm, ta thu được đồ thị mối quan hệ như sau: Hình 5. Diện tích chiếu sáng thu được trên bề mặt photo diode Phần diện tích photo diode bị chiếu sáng tương ứng với diện tích như hình trên, chúng ta xây dựng bài toán lập mối quan hệ giữa hiệu diện tích phần photo diode được chiếu sáng và lượng dịch Hình 6. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ hiệu diện tích chuyển Δ của chi tiết. photo diode và lượng dịch chuyển Δ Ta có: Sau khi chùm sáng qua photo detector, tín hiệu ΔS = (S1+S2+S3) - (S4+S5) thu được tại photo detector là tín hiệu dạng điện 40 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019
  5. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC áp. Để có thể tìm được khoảng dịch chuyển của chi tiết so với thấu kính theo điện áp ra, ta phải tìm được mối liên hệ giữa điện áp ra ở đầu ra photo detector và hiệu diện tích chiếu sáng trên 4 mảnh photo diode. Theo lý thuyết tính toán, nếu ta dùng hai photo diode để thu điện áp ra thì như ta đã biết rằng lượng quang thông sẽ tỷ lệ với hiệu điện thế chiếu vào hay tỷ lệ với diện tích chiếu sáng, vậy cho ta kết luận Hình 8. Mô hình cụm mang đầu đo rằng hiệu điện thế tỷ lệ với diện tích chiếu sáng. U = k(ΔS) Với k là hệ số đặc trưng giữa U và ΔS, nếu ta biết hệ số k ta có thể xác định mối quan hệ giữa U và ΔS. Với mỗi photo diode chúng ta có thể tra được hệ số k. Nhìn vào hình 4, nếu gọi ΔS = S1 - S2 là hiệu diện tích phần chiếu sáng trên photo diode thì ta có mối quan hệ sau: Với r1 và r2 là hai bán trục lớn và bán trục bé của Hình 9. Mô hình đo elip trên bề mặt photo diode thì ta có: Hiển thị - Nếu r1 = r2 tương đương với trên bề mặt photo Cụm điều diode thu được hình tròn, lúc đó S1 = S2 U1= U2 Đầu đo khiển đo quang Z - Nếu r1 < r2  ΔS = (S1 – S2)  U1 – U2 Tia laser Máy Chi tiết đo tính Kết luận: Cụm dịch x chuyển y Với một giá trị Δ  (r1 - r2)  (S1 – S2) (U1 – U2) Y Bàn gá chi tiết Sau khi ta tìm được mối quan hệ giữa U và S theo Cụm dịch chuyển x lý thuyết, để kiểm nghiệm ta dùng một vật mẫu để đo và sử dụng các căn mẫu hoặc các loại thiết bị Hình 10. Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm vi điều chỉnh cỡ µm để dịch chỉnh chi tiết chuyển - Đầu đo quang: đầu đo KSS210A. động và điều chỉnh cho U1 = U2. Sau đó bắt đầu đo ở các vị trí và có đồ thị thực xác định mối quan - Cụm dịch chuyển Z: là cụm điều khiển cơ khí dịch chuyển cho đầu đo quang đi theo hướng trục hệ U (mV) và Δ. Z để đo tại các vị trí cần thiết. 3.2. Mô hình thực nghiệm - Bàn gá chi tiết: để gá chi tiết lên. Mô hình đo gồm có bộ phận mang chi tiết đo, bộ - Cụm dịch chuyển x: là cụm điều khiển cơ khí dịch phận mang đầu đo, mạch điều khiển động cơ. chuyển khối chi tiết theo phương x. - Cụm dịch chuyển y: là cụm điều khiển cơ khí giúp dịch chuyển chi tiết theo phương y. - Khối điều khiển - hiển thị: thực hiện điều khiển đo bằng các lệnh trên máy tính và cho hiển thị kết quả đo lên màn hình. Sử dụng đầu đo KSS 210A ta đo trên bề mặt đĩa CD có tính phản xạ cao, cho đầu đo dịch chuyển theo phương ngang các bước với mỗi bước là 0,1 mm, sau đó ghi số liệu thu được dưới dạng điện áp. Cứ tiếp tục như vậy cho đến khoảng 5 mm thì dừng lại và cho động cơ điều khiển dịch chuyển đầu đo chạy ngược lại và đo tiếp. Lập lại các phép đo ở các vị trí bất kỳ khác ta sẽ đo Hình 7. Mạch điều khiển động cơ tương tự và lấy được một bộ dữ liệu dạng điện áp, Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 41
  6. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC sau đó lấy hiệu điện áp giữa lần đi và về của cùng một vị trí sẽ cho ta một bộ số liệu mới. Dùng Exell ta dựng được đồ thị mối quan hệ giữa hiệu điện áp và khoảng dịch chuyển của vật kính. Tương ứng với hiệu diện tích của 4 mảnh photo detector thu được chính là hiệu điện áp mà chúng ta có. 3.3. Kết quả thực nghiệm Sau khi làm thực nghiệm, ta thu được mối quan hệ giữa khoảng cách từ mắt đọc tới chi tiết với độ nhạy và độ chính xác của đầu đo qua biểu đồ: Hình 12. Khoảng làm việc của đầu đo 4. KẾT LUẬN Nghiên cứu này đã mô tả về nguyên lý, cấu tạo của đầu đo KSS210A, các số liệu thực nghiệm để đưa ra được khoảng làm việc tốt nhất của đầu đo, từ đó ứng dụng trong thiết bị đo 3D laser không tiếp xúc theo phương pháp điều tiêu. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 11. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ điện áp ra [1] Trần Đình Tường, Hoàng Hồng Hải (2006), Quang kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học và và khoảng dịch chuyển ∆ Kỹ thuật. Từ biểu đồ trên cũng cho ta miền làm việc tốt nhất [2] Phạm Đình Bảo (2005), Compact disc player, của pickup, qua thực nghiệm thì miền làm việc Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. tốt nhất của đầu đo là từ 2÷2,15 mm. Điểm hội tụ [3] Phạm Ngọc Linh (2019), Nghiên cứu, xây dựng chính xác của đầu đo cách vật kính 2,13 mm. cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế đầu đo laser 3D theo phương pháp tự điều tiêu, Tạp chí NCKH Trường Đại học Sao Đỏ. [4] Chao-Chen Gu, Hao Cheng, Kai-Jie Wu, Liang-Jun Zhang, Xin-Ping Guang (2018), A High Precision Laser-Based Autofocus Method Using Biased Image Plane for Microscopy, Hindawi Journal of Sensors Volume 2018. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ Phạm Ngọc Linh - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2010: Tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Máy chính xác, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Năm 2013: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Năm 2018: Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Công nghệ và Máy móc khai thác rừng và lâm nghiệp, Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật lâm nghiệp Saint - Petersburg mang tên X.M. Kirov - Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: Kỹ thuật đo, công nghệ 3D, tính toán thiết kế máy - Email: linhpham110@gmail.com - Điện thoại: 0387456386 42 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2