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

ên 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 Trong đo lường điều khiển hiện đại, việc thu thập và xử lý thông tin qua cảm biến quang điện tử để nhận biết đối tượng và điều khiển đối tượng đang được quan tâm và ứng dụng rộng rãi, bởi phương pháp này giúp ta có thể thu nhận được nhiều thông tin từ đối tượng mà không cần tác động trực tiếp đến đối tượng [4]. Việc kết hợp laser trong các thiết bị kiểm tra đo đạc cho phép đạt độ chính xác cao, thời gian lấy mẫu nhanh có thể đạt hàng ngàn lần trên giây. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm viêc của đầu đo KSS210A, thông số khả nĕng làm việc để có thể ứng dụng vào thiết bị đo laser 3D theo phương pháp điều tiêu. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cụm đầu đo KSS210A (hình 1) gồm nguồn laser và một bán lĕng kính, một thấu kính trụ và một photodetector. Một lưới nhiễu xạ, hai cuộn hội tụ và cuộn hiệu chỉnh. Dùng tia laser qua lưới nhiễu xạ được dán trực tiếp ngay tại đầu của diode laser để chùm tia laser phân thành ba tia với một tia chính để đọc tín hiệu và nhận dạng hội tụ, hai tia phụ để xác định vị trí tạo tín hiệu hiệu chỉnh. Ba tia phản hồi đến bán lĕng kính đổi phương 90 độ qua hệ thống thấu kính và hội tụ trên dãy photo diode. Sau khi đi qua bán lĕng kính, tia chính rọi vào 4 photo diode nằm ở giữa, đường thứ hai đến mạch Auto Focus tạo tín hiệu điều chỉnh vật kính theo chiều đứng, sao cho chùm tia được hội tụ trên bề mặt chi tiết. Người phản biện: 1. PGS.TS. Nguyễn Vĕn Vinh 2. GS.TS. Trần Vĕn Địch 38 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 Nguyên lý làm việc của đầu đo: - LD: laser diode dùng để phát ra tia laser cung cấp cho cụm quang học và diode MD. - 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). - Bộ tách quang (ma trận diode): nhận diện sự sai lệch focus và các tín hiệu lấy ra là tổng các cảm biến A, B, C, D lên vị trí mà các tia chính rơi [2]. Đường đi của tia sáng trong đầu đo: Hình 1. Cấu tạo đầu đo KSS210A Hình 2. Đường đi của tia sáng trong đầu đo MD Đĩa Hệ thống thấu kính Thấu kính hình trụ Bán lĕng kính và tách tia Lưới nhiễu xạ LD Laser diode Objective lens (vật kính) Photo diode array A, B, C, D, E, F Mạch RF Amp Focus Servo Tracking servo Thấu kính lõm Disc Tia phụ Tia chính Tia phụ Disc Laser Focus coil Tracking coil Tracking and sled servo RF Amp Focus LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 39Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 Từ hình 2 ta có thể dễ dàng nhận biết đường đi của tia sáng trong cụm quang học. Chùm tia laser với bước sóng 780 nm được tạo ra từ diode laser, được giữ ổn định cường độ sáng nhờ mạch APC. Trong chùm tia rọi lên mặt chi tiết, tia chính rọi đi đến mạch Autofocus tạo tín hiệu điều chỉnh vật kính theo chiều đứng, sao cho chùm tia được hội tụ trên mặt chi tiết. Hai tia phụ qua bán lĕng kính rồi tới photo diode TRA và TRC tạo ra hai tín hiệu cấp cho mạch so sánh và tạo điện áp sai lệch Tracking TER, sau đó TER được cấp đến mạch thúc (drive) tạo dòng chạy trong cuộn Tracking làm dịch chuyển vật kính theo chiều ngang. Sau khi tia sáng qua thấu kính, một phần truyền thẳng qua gương bán thấu còn một phần bị phản xạ vào thấu kính trụ và được thu bởi photo detector gồm 4 diode là A, B, C, D. Lưới nhiễu xạ: khi một tia sáng laser được xuyên qua lưới nhiễu xạ, một tia chính và hai tia phụ hình thành bằng cách tận dụng hiện tượng nhiễu xạ của tia laser. Bán lĕng kính và lĕng kính phân chia: bán lĕng kính được sử dụng cho phân cực thẳng, lĕng kính phân chia được sử dụng cho phân cực vòng. Bán lĕng kính cho phép truyền 50% ánh sáng theo hướng truyền đi và 50% theo hướng vuông góc. Thấu kính phân chia truyền toàn bộ 100% ánh sáng phụ thuộc vào góc phân cực của ánh sáng [1]. Thấu kính chuẩn trực: ánh sáng đi qua bán lĕng kính hoặc bộ tách tia được sửa dạng thành một chùm tia song song bởi thấu kính chuẩn trực. Để sử dụng đầu đo KSS210A trong thiết bị đo laser 3D theo phương pháp điều tiêu, ta cần xác định phạm vi đo của đầu đo. 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Dựa theo công thức: và ' 2 1 2 y L r r r ltg f α ⋅ ⋅∆ ⋅ = − + + [3], ta chọn các thông số thiết kế như sau: Với L= 2 × f 1 = 2 × 0,5 = 1 mm, r = 0,5 mm, f 1 = 0,5 mm, chọn bước dịch chuyển của chi tiết so với thấu kính là ∆ = 0,1 mm. Ta có công thức tính bán kính cuối cùng của chùm tia: Xét tại các vị trí ứng với b = 0 và b = 90o, ta có công thức tính các bán kính Rx và Ry như sau: Hình 3. Mối liên hệ giữa hiệu các bán kính rx và ry và khoảng dịch chuyển ∆ ' 2 1 2 ' 2 1 2 1 sin 2 x L r l r r l tg f f L r r r l tg f α β α α  ⋅ ⋅∆ ⋅ = + − ⋅ + ⋅    ⋅ ⋅∆ ⋅ = + + ⋅ ' 2 4Δ 0,5 1 sin 10Δ l r f α β   = + − +    ' ' 4Δ 0,5 10Δ 4Δ 0,5 10Δ x y r r = + + = − + + Bài toán đưa về tìm mối quan hệ giữa sự dịch chuyển vật kính và hiệu diện tích của 4 mảnh photo detector nhận tín hiệu đầu ra, ta có hàm tính diện tích của photo detector như sau: 40 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 Trường hợp có photo detector: Hình 4. Hiệu diện tích chiếu sáng của 4 mảnh photo diode trong cụm đầu đo Vấn đề đặt ra là cần tính hiệu diện tích (S 1 -S 2 ) để so sánh sự sai lệch về tín hiệu thu được ở 4 diode. 3.1. Kết quả khảo sát (hình 6) Ta có khai triển phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa khoảng dịch chuyển Δ với bán kính chùm sáng thu được: Nhìn vào hình 4 ta tìm diện tích phần bị chiếu sáng của photo diode, theo nguyên tắc thu tín hiệu trên photo diode của cụm pickup thì phần diện tích phần S 1 -S 2 chính là phần diện tích cần tính tương ứng với khoảng dịch chuyển của chi tiết so với thấu kính. 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 chuyển Δ của chi tiết. Ta có: ΔS = (S 1 +S 2 +S 3 ) - (S4+S5) Trong đó: S 1 = S4 Với kích thước photo diode là hình vuông mỗi cạnh 1 mm, coi phần được chiếu sáng là một elip có phương trình: Ta có: Vậy ta có hiệu diện tích: Tính các tích phân với: 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 6. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ hiệu diện tích photo diode và lượng dịch chuyển Δ Sau khi chùm sáng qua photo detector, tín hiệu thu được tại photo detector là tín hiệu dạng điện ' ' 4Δ 0,5 10Δ 4Δ 0,5 10Δ x y r r = + + = − + + photo detector S 1 S 2 0,5 0,5 2 2 2 2 1 x y a b + = 2 2 2 2 2 2 22 2 2 3 2 2 2 0,25 1 2 4 2 0,25 0,5 1 1 1 a ab a b a b a ab a b ab S ba b x ab S b dx a a b x S b dx a + − +    = − . −    +      = − −   +    = −      ∫ ∫ 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 22 2 0,25 1 0,25 0,5 1 1 1 a ab aa b ab a b a b ab S ba b x ab x b dx b dx a aa b + − +    ∆ = − . − +    +        − − − −       +    ∫ ∫ ' ' 4Δ 0,5 10Δ 4Δ 0,5 10Δ x y r r = + + = − + + LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 41Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 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 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 = S 1 - S 2 là hiệu diện tích phần chiếu sáng trên photo diode thì ta có mối quan hệ sau: Với r 1 và r 2 là hai bán trục lớn và bán trục bé của elip trên bề mặt photo diode thì ta có: - Nếu r1 = r2 tương đương với trên bề mặt photo diode thu được hình tròn, lúc đó S 1 = S 2 U 1 = U 2 - Nếu r 1 < r 2  ΔS = (S 1 – S 2 )  U 1 – U 2 Kết luận: Với một giá trị Δ  (r 1 - r 2 )  (S 1 – S 2 ) (U 1 – U 2 ) Sau khi ta tìm được mối quan hệ giữa U và S theo lý thuyết, để kiểm nghiệm ta dùng một vật mẫu để đo và sử dụng các cĕn mẫu hoặc các loại thiết bị vi điều chỉnh cỡ µm để dịch chỉnh chi tiết chuyển động và điều chỉnh cho U 1 = U 2 . Sau đó bắt đầu đo ở các vị trí và có đồ thị thực xác định mối quan hệ U (mV) và Δ. 3.2. Mô hình thực nghiệm Mô hình đo gồm có bộ phận mang chi tiết đo, bộ phận mang đầu đo, mạch điều khiển động cơ. Hình 7. Mạch điều khiển động cơ Hình 8. Mô hình cụm mang đầu đo Hình 9. Mô hình đo Hình 10. Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm - Đầu đo quang: đầu đo KSS210A. - Cụm dịch chuyển Z: là cụm điều khiển cơ khí dịch chuyển cho đầu đo quang đi theo hướng trục Z để đo tại các vị trí cần thiết. - Bàn gá chi tiết: để gá chi tiết lên. - Cụm dịch chuyển x: là cụm điều khiển cơ khí dịch 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 tương tự và lấy được một bộ dữ liệu dạng điện áp, Hiển thị Máy tính Cụm dịch chuyển y Đầu đo quang Cụm dịch chuyển x Cụm điều khiển đo Z Bàn gá chi tiết Chi tiết đo Tia laser Y x 42 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 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 11. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ điện áp ra và khoảng dịch chuyển ∆ Từ biểu đồ trên cũng cho ta miền làm việc tốt nhất của pickup, qua thực nghiệm thì miền làm việc tốt nhất của đầu đo là từ 2÷2,15 mm. Điểm hội tụ chính xác của đầu đo cách vật kính 2,13 mm. 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 [1] Trần Đình Tường, Hoàng Hồng Hải (2006), Quang kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [2] Phạm Đình Bảo (2005), Compact disc player, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [3] Phạm Ngọc Linh (2019), Nghiên cứu, xây dựng 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. Phạm Ngọc Linh - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Nĕm 2010: Tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Máy chính xác, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Nĕm 2013: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Nĕm 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 THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ