Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ объекта исследования, методов и технических средств дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов 13
1.1 Анализ и классификация профильных объектов 13
1.2 Классификация и сравнительная характеристика методов и устройств контроля геометрических параметров профильных объектов. 17
Требования к устройствам контроля 17
1.3 Основные направления развития оптоэлектронных измерительных устройств геометрических параметров профильных объектов 32
1.4 Теоретические проблемы построения оптоэлектронных дистанционных устройств контроля геометрических параметров профильных объектов. Основные задачи исследований 42
1.5 Выводы по главе 1 45
2 Теоретические основы оптоэлектронных дистанционных устройств контроля геометрических параметров профильных объектов 46
2.1 Обобщённая математическая модель оптоэлектронного дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов 46
2.2 Математическая модель оптоэлектронных методов контроля геометрических параметров профильных объектов с угловым лазерным сканированием 58
2.3 Математическая модель оптоэлектронных методов контроля с линейным сканированием 68
2.4 Математическая модель группового контроля геометрических параметров труб .75
Выводы по главе 2 83
3 Элементная база, схемотехника и алгоритмы обработки информации устройств контроля геометрических параметров профильных объектов 84
3.1 Обобщённая структура и датчики устройств контроля 84
3.2 Техническая реализация оптоэлектронного устройства группового дистанционного контроля геометрических параметров труб 91
3.3 Алгоритм обработки изображения группы труб на раскаточном столе 95
3.4 Выводы по главе 3 99
4 Метрологический анализ методов и устройств оптоэлектронного дистанционного контроля геометрических пар аметров проф ильных объектов 100
4.1 Структура погрешностей. Постановка метрологической задачи при контроле профильных объектов 100
4.2 Основные погрешности 105
4.3 Дополнительные погрешности и методы повышения точности оптоэлектронных устройств дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов 123
Выводы по главе 4 130
5 Экспериментальные исследования и практическое использование оптоэлектронных устройств контроля геометрических пар аметров проф ильных объектов 132
5.1 Цель и задачи экспериментальных исследований. Разработка программы испытаний 132
5.2 Испытания макетного образца устройства контроля геометрических параметров профильных объектов с угловым и линейным сканированием 134
5.3 Лабораторные и производственные испытания устройства дистанционного контроля геометрических параметров труб 138
Выводы по главе 5 145
Заключение 146
Список использованных источников
- Теоретические проблемы построения оптоэлектронных дистанционных устройств контроля геометрических параметров профильных объектов. Основные задачи исследований
- Математическая модель оптоэлектронных методов контроля геометрических параметров профильных объектов с угловым лазерным сканированием
- Техническая реализация оптоэлектронного устройства группового дистанционного контроля геометрических параметров труб
- Дополнительные погрешности и методы повышения точности оптоэлектронных устройств дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов
Теоретические проблемы построения оптоэлектронных дистанционных устройств контроля геометрических параметров профильных объектов. Основные задачи исследований
Среди профильных объектов наиболее распространенными являются трубы, лопатки и лопасти газотурбинных двигателей, резервуары, шестерёнки машин, элементы конструкций авиакосмической и автомобильной техники, ювелирные изделия. Один из важнейших показателей качества любого объекта – это точность их геометрических размеров по ГОСТ. В общем случае профильные объекты можно классифицировать по различным признакам, например по применению, условиям эксплуатации, по методам изготовления, по метрологическим требованиям и т.д.
С точки зрения метрологии профильные объекты целесообразно классифицировать по следующим признакам: по форме, габаритам, точности измерений, по доступности. В соответствии с указанными признаками классификация профильных объектов представлена на
Классификация достаточно условна и требует комментариев. Примером плоских объектов при классифицировании по форме может быть профиль трубы, шайба или любое другое изделие, один из габаритных размеров которого много меньше двух других и не подлежит контролю в проводимой измерительной опе 14 рации. Классическим примером сложного объёмного объекта является лопатка газотурбинного двигателя или труба, взятая в целом. Отметим, что контроль размеров объёмных объектов можно свести к измерению трёх проекций по координатным плоскостям, если такую возможность дает физическая доступность к объекту.
При классифицировании по габаритам принимались во внимание следующие критерии. Под микрообъектами понимаются изделия размерами меньше 1 мм. К таким объектам могут относиться ювелирные изделия, кристаллы, алмазы, мелкие линзы, элементы микросхемотехники. При контроле указанные изделия требуют применения специальной увеличительной оптики, в частности микроскопов, в том числе и электронных. К мелкогабаритным объектам условно можно отнести изделия с размерами от 1,0 до 100 мм, хорошо различимых невооруженным глазом, легко транспортируемых и размещаемых на столе. Их измерение не требует применения специальной увеличительной оптики, которая может ограничиться стандартными фотообъективами. Сюда могут относиться шестерёнки часов и машин, малогабаритные лопатки, оптические и многие другие, в том числе и ювелирные изделия. К среднегабаритным объектам относятся изделия с размерами от 100 до 2000 мм, которые при измерении также не требуют применения специальной оптики, но могут иметь ограничения по доступности и возможностям перемещения в пространстве. Например, блоки двигателей внутреннего сгорания, автомобильные и авиационные топливные баки, колеса машин. К крупногабаритным объектам относятся изделия с размерами больше 2000 мм, измерение которых требует уменьшающей оптики. Такие изделия являются трудно перемещаемыми, ограниченно доступными. Классическими примерами таких объектов являются трубы, резервуары, корпуса автомобильной, авиационной и ракетно-космической техники, архитектурные сооружения.
По точности изготовления, указанной на рисунке 1.1 классификация предполагает следующие погрешности измерений П, определённые метрологической наукой: 2 П 5 % - низкоточные; 0,5 П 2 % - средней точности; 0,1 П 0,5% - высокоточные; П 0,1 % - прецизионные. К низкоточным объектам мож 15
но отнести некоторые виды труб, элементы архитектурных конструкций и строительных сооружений, к прецизионным - элементы оптики, микросхемотехники.
Классификация по доступности вполне очевидна. Классическим примером ограниченно доступного объекта являются трубы, находящиеся на стеллажах или в кучах, когда один торец трубы недоступен. Полностью физически недоступным объектами часто является изделия находящиеся в процессе изготовления и испытания, например расположенные в вакуумной- или термокамере.
Рассмотрим подробнее некоторые из указанных объектов и требования к ним по метрологическим характеристикам. Трубы характеризуются следующими геометрическими параметрами: длина, внешний и внутренний диаметры, толщина стенки, форма профиля, кривизна по длине и другие. Подробный анализ требований к различным видам труб приведен в работе [1]. По геометрическим параметрам трубы делятся на две большие группы: круглые и профильные (фасонные). Всего в СНГ выпускаются 32 вида профильных труб. Все виды профилей труб, выпускаемых заводами СНГ приведены в [1]. В таблице 1.1 приведены примеры профиля труб и метрологические требования к ним, ярко характеризующие важность и актуальность решаемой задачи.
Рисунок 1.2 - Классификация методов контроля профильных объектов В дальнейшем будем рассматривать только оптоэлектронные методы контроля, родоначальниками были визуально-оптические приборы контроля размеров. Здесь использовался в основном проекционный метод контроля, который заключался в получении изображения изделия на экране с последующим его сравнением с изображением, принятым за эталонное. Ссылки на такие виды контроля с указанием первоисточников приведены в [1,2]. Оптоэлектронные устройства контроля геометрии изделий условно делятся на фотокомпенсационные, фотоимпульсные и телеметрические. Действие фотокомпенсационных приборов основано на сравнении двух световых потоков, один из которых частично перекрывается измеряемым изделием, а другой – подвижной заслонкой-эталоном, положение которой при равенстве потоков характеризует размер изделия. Наиболее распространены фотоимпульсные приборы, типичная схема одного из которых приведена на рисунке 1.3
Математическая модель оптоэлектронных методов контроля геометрических параметров профильных объектов с угловым лазерным сканированием
Данный прибор является модификацией трекера FARO предыдущей модели. Его главные отличия от своего предшественника - это улучшенная точность (на 27%) и увеличенная рабочая зона (на 36%). Laser Tracker специально разработан для измерений линейных и угловых размеров в авиакосмической промышленности, судостроении, автомобильной промышленности.
Компания Geodetic Systems inc. (США) производитель в сфере промышленной фотограмметрии представляет на российском рынке систему для проведения бесконтактных геометрических измерений V-STARS. V-STARS - это технология, позволяющая определить трехмерные координаты точек объекта из серии цифровых фотографий. Достаточно нескольких снимков объекта, чтобы создать его 3D модель. Основным элементом системы V-STARS является специальная цифровая камера INCA3, спроектированная специально для применения в фотограмметрии. Легкая, эргономичная, с высококачественным калиброванным широкоугольным объективом камера, в прочном корпусе, создана для применения в производственных условиях. Изображения с камеры могут, как записываться на Flash-носитель, и передаваться по встроенному Wi-Fi протоколу. Система V-STARS включает в себя: одну или несколько камер INCA3 (или NIKON D2X), проектор PROSPOT, направляющий на объект мощный поток света либо проецирующий через специальные слайды до 23000 светящихся точек, программное обеспечение для обработки результатов замеров.
Основные достоинства систем V-STARS: быстрота проведения съемки -достигается за счет малого времени экспозиции камеры, что дает возможность проводить измерения без штатива, держа аппарат в руках; большой диапазон размеров измеряемых объектов - от мелкой детали до самолета; высокая точность измерений объектов: 5 мкм + 5 мкм/м. Основные области применения: контроль и реверс-инжиниринг как простых деталей, так и сложных криволинейных поверхностей объектов различных размеров; контроль изготовления и периодическая инспекция шаблонов, кондукторов и калибров.
Отрасли, в которых широко внедряются системы V-STARS: авиастроение; космонавтика; автомобилестроение; тяжелое машиностроение; кораблестроение; ядерная энергетика. V-STARS/S8 - это система Hi-End уровня, обеспечивающая универсальность, скорость и точность измерений. V-STARS/E4X - одна из разработок в области систем для контроля геометрических параметров изделий, представляющая собой бюджетное решение начального уровня для пользователей, которым не нужна высокая точность системы V-STARS/S8. В основе системы Е4Х лежит, специальным образом откалиброванная, цифровая зеркальная камера Nikon D2X. Она имеет CMOS матрицу с разрешением 12 миллионов пикселей, LCD экран и оптический TTL видоискатель, простое и понятное меню настроек и сменный носитель информации. Для контроля изделие обклеивается отражателями в виде окружностей и специальными маркерными кодами. После чего оператор с помощью камеры Nikon D2X делает несколько снимков этого объекта с разных сторон. Данные обрабатываются в программном обеспечении V-STARS и благодаря маркерным кодам сшиваются в трехмерный объект, в результате чего каждый отражатель преобразуется в точку с координатами X, У, Z. Полученные данные могут быть проанализированы в программном обеспечении V-STARS или экспортированы в другие программы для проведения контроля геометрических параметров изделий или реверс - инжиниринга. Система Е4Х проводит измерения с точностью от 8 мкм + 8 мкм/м, или 0,04 мм на 4 метрах. Система Е4Х состоит из камеры Nikon D2X, ноутбука, программного обеспечения V-STARS и различных аксессуаров. При требуемых точностях в несколько сотых долей миллиметра в последние десятилетия все большее применение находят измерительные системы, основанные на других принципах. Наибольшее распространение при этом получили теодолитные измерительные системы (например, Axyz MTM) интерферометрические (например, Axyz LTD), фотограмметрические (например, V-STARS). Существуют и другие, методы бесконтактного определения координат (например: основанный на лазерно-акустической эмиссии).
Специально для системы Axyz Leica Geosystems начала выпускать теодолиты (для системы Axyz MTM), тахеометры (для системы Axyz STM), лазерные интерферометры (для системы Axyz LTM). Под системой Axyz понимается скорее не набор отдельных инструментов, а общий подход, заложенные «ноу хау», программное обеспечение и поддержка (в том числе и аппаратная) разнообразных приборов, методика выполнения работ. Устройство определяет наилучшее расположение прямой, плоскости, окружности, сферы, цилиндра, параболоида или конуса по набору точек с минимальным средне-квадратическим отклонением от идеального. Кроме того, осуществляет сравнение наборов точек и проверка отклонений их координат от номинала.
Работа лазерного трекера (Axyz LTD) или следящей системы, основана на использовании в качестве измерителя лазерной интерферометрии. Следящая го 30 ловка измерителя расстояния снабжена видеокамерой. Система имеет возможности отслеживания любых перемещений одной точки в пространстве. Скорость получения данных - до 1000 измерений в секунду. Можно установить способ записи точек - например, по расстоянию (через 0.1мм), или по времени (через 0.01сек.). В процессе измерения ведется постоянное слежение за состоянием атмосферы встроенными датчиками. Все изменения температуры и влажности тут же вносятся в виде поправок в измерения.
Техническая реализация оптоэлектронного устройства группового дистанционного контроля геометрических параметров труб
Групповой контроль ГП труб является частным случаем реализации опто-электронных дистанционных измерительных устройств. Структурная и функциональная схемы устройства дистанционного группового контроля ГП труб приведены на рисунках 1.12, 1.13. Устройство предназначено для группового контроля нескольких труб, раскатанных в один слой по измерительному столу, при этом результатом измерения является значение длины, диаметра и кривизны для каждой трубы в отдельности. Над измерительным столом, расположена фотокамера высокого разрешения с широкоугольным объективом. Для работы в темное время суток сверху устанавливаются дополнительные источники освещения. Камера съемку группы труб на измерительном столе. При этом трубы могут лежать на столе под разными углами, то есть не параллельно друг другу. Пример расположения группы труб на раскаточном столе показан на рисунке 2.6.
Чтобы получить высокую точность и надежность измерения потребовалось решить три основные задачи: калибровка устройства, распознавание труб по ком 76 пьютерной фотографии и математическая обработка результата, связанная с определением конкретных значений геометрических параметров. Для обеспечения калибровки в конструкцию стола внесены четыре реперных прямоугольника, расположенные на известных расстояниях AB, BC, CD, AD. На практике расстояния между реперами определяются после монтажа с помощью лазерной рулетки. Распознавание труб на грязном фоне является сложнейшей задачей. Для обеспечения надёжного распознавания необходим контраст между фоном и трубами. Практика применения оптических устройств показала, что обеспечить чистоту на большой площади стола затруднительно, поэтому разработан специальный алгоритм, который основан на использовании контрастной черной полосы, специально организованной на раскаточном столе (рисунок 2.6). Черная полоса представляет собой узкую стальную полосу, покрашенную черной краской, которая приваривается к конструкции стола. Рассмотрим математическую модель процедуры контроля геометрических размеров группы труб. При разработке модели были поставлены следующие требования: 1. Обеспечить возможность автоматической калибровки устройства группового контроля длины труб при каждом фотоснимке. 2. Стол, на котором производятся измерения, расположен произвольно относительно камеры, в том числе и под произвольным углом. Требование было сформулировано по причине наклона раскаточного стола. Наклон стола необходим для возможности катания труб под силой тяжести. Расположить оптическую ось фотоаппарата на высоте 5м точно перпендикулярно плоскости стола - непростая задача. Система подсветки и камера устанавливаются подъемным механизмом и после каждого техобслуживания необходимо проводить точную настройку. 3. Математическая модель должна корректировать оптические искажения, в частности дисторсию. Особенно это касается широкоугольных объективов. Об оптических искажениях подробно будет изложено в разделе 4 диссертации. 4. Фокусное расстояние объектива считать тоже неизвестной величиной.
Несмотря на то, что в измерении можно использовать объектив с фиксиро ванным фокусным расстоянием, данное фокусное расстояние лучше брать как не 77 известную величину по нескольким причинам. Во-первых, нас интересует не само фокусное расстояние, а расстояние, на котором проецируется изображение. Или точнее говоря - расстояние между центром линзы и матрицей, на которой формируется изображение. Во-вторых, при наведении на резкость у фотоаппарата объектив перемещается относительно матрицы, а поскольку расстояние до стола неизвестно, то и положение объектива - тоже. В-третьих, на положение фотокамеры относительно объекта измерения (раскаточного стола) могут существенно повлиять различные цеховые условия, например деформации при перемещении крана, изменение температуры в широком диапазоне при открывании ворот цеха в зимнее время при запуске грузового транспорта.
Для определения размеров труб, лежащих на плоском раскаточном столе можно воспользоваться методикой, описанной в предыдущем разделе. Только здесь мы имеем не координатные перемещения стола, а фиксированные заранее известные реперные расстояния на раскаточном столе. Калибровочная система уравнений, определяемая расстояниями между реперными точками имеет вид.
Общая длина отрезка MN, расположенного на координатном столе определится по формуле (2.83). Формулы (2.94) - (2.96) показывают, что для определения длины отрезка МN не обязательно знать абсолютные координаты его концов на изображении. Достаточно знание приращения координат при движении курсора от точки М к точке N, что бывает удобно при обработке изображения.
Система (2.100) имеет решение относительно неизвестных величин, в том числе интересующих нас масштабирующих коэффициентов Rx, RY, Rz, которое проводится для конкретных расстояний между реперными точками и проводится по стандартным программам математического пакета МАTHСАD. Приведённое решение задачи определения длины труб, расположенных на плоском наклонённом столе предполагает знание фокусного расстояния f объектива, оно не всегда известно. Эта же задача может быть решена без использования фокусного расстояния объектива с использованием уравнений подобия при оптических преобразованиях объекта в изображение.
Рассмотрим схему формирования изображения на матрице (рисунок 2.8). За ноль системы координат выбирается центральная точка объектива. Оптическая ось объектива выбирается таким образом, чтобы совпадала с осью Z. При выборе за начало координат других точек отсчета математическое описание процедуры формирования изображения сильно усложнится. Трубы лежат в плоскости раскаточного стола внутри реперного прямоугольника АВСД, стороны которого известны. Стол имеет наклон к горизонту, угол которого не известен. Наклон стола необходим для обеспечения технологии раскатки труб в один слой. При этом угол наклона меняется при загрузке труб. Поэтому координаты реперных точек А(XAYAZA), B(XBYBZB), C(XCYCZC), D(XDYDZD) в пространстве неизвестны.
Схема формирования изображения точек объекта на фотоматрице На рисунке 2.8 показан ход лучей от точки А до фотоматрицы (точка А ) через собирающую линзу. Для упрощения понимания на рисунке изображена вымышленная матрица, которая находится перед линзой (так удобнее рассматривать подобные треугольники). На рисунке f – фокусное расстояние объектива, d – расстояние до матрицы от линзы. Известные расстояния AB, BC, CD, AD между ре-перными точками определяются через неизвестные координаты по формулам
Дополнительные погрешности и методы повышения точности оптоэлектронных устройств дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов
Для проведения испытаний в соответствии с разработанной в предыдущем разделе программой изготовлен макетный образец оптоэлектронного устройства дистанционного контроля геометрических параметров объектов сложной конфигурации, который имел совмещённые возможности как углового, так и линейного сканирования (рисунок 5.1).
Структурная схема этого устройств показана на рисунке 3.1. Здесь на подвижной платформе, перемещаемой микрометрическими винтами по трём координатам установлен штатив, на котором закреплена вторая плоская платформа, имеющая возможность поворачиваться в горизонтальной и азиму 135 тальной плоскостях. На этой платформе установлены лазерная рулетка марки Leica DISTO D3aBT, телекамера марки Logiteh HD Webcam C270, гироскопические датчики углов, расположенные на отладочной плате STM32F3DISCOVERY. Телекамера и датчики углов через USB – порты подключены к компьютеру, лазерная рулетка передаёт информацию в компьютер по радиоканалу.
Технические характеристики комплектующих устройств приведены в разделе 3 данной Блок датчиков выдаёт расстояние до контрольной точки, на которую наведён лазер, а также углы платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Линейные перемещения по двум горизонтальным координатам задавались микрометрическими винтами с погрешностью измерений 10 мкм, в вертикальной координате линейное перемещение задавалось движением по крепёжной штанге и измерялось штангенциркулем с погрешностью 10 мкм.
В процессе испытаний использовались разные плоские и объёмные объекты сложной конфигурации. В качестве плоских объектов использовались торцы труб, геометрические лекала. Испытания плоских объектов не вызывало проблем и использовались лишь для первичной отладки измерительной процедуры и настройки устройства. Результаты испытаний плоских объектов в данном разделе не при 136 водятся. В качестве объемных объектов использовались цилиндрические формы, фрагменты труб, шарообразные и конусные поверхности. Идеальным объектом, на котором наглядно иллюстрировались возможности разработанной методики измерений, был объект «Звезда», показанный на рисунке 5.3. Объект имеет выпуклую поверхность с боковыми гранями, которые не дают отражения лазерного луча. Целью испытаний было создание цифрового 3D - образа данного объекта (облака точек) методом углового сканирования лазерным лучом и методом линейного сканирования на основе фиксированных перемещений координатной платформы.
Рисунок 5.3 - Объект контроля «Звезда»
Для проведения измерений на объекте выбирались шесть контрольных точек А0 - А6, которые давали отражение лазерного луча. За точку А0, которая выбрана за начало координат в цифровом образе, была принята точка в центре звезды. При использовании углового сканирования на контрольные точки наводился лазерный луч, проводились измерения расстояния до контрольных точек, измерялись углы в соответствии с методикой, изложенной в разделе 2.2. Заполнялась таблица вида 2.1, которая приведена в приложении Д. Там же, приведена кусочно-линейная аппроксимация объекта по контрольным точкам, проекции которой иллюстрируют пространственную выпуклость объекта и сложность его конфигурации.
Для обработки результатов измерений разработана программа, позволяющая автоматизировать заполнение протокола и вычислять геометрические параметры объекта. Окно программы показано на рисунке 5.4.
В окне отображаются координаты контрольных точек Аi (X,Y,Z) пространстве Аi (X,Y,Z) и на изображении Аi (,), расстояния между контрольными точками, вычисленные по формуле (2.55). Координаты даны относительно точки A0(0,0,0). Указав мышкой произвольную точку Вi на изображении, программа автоматически по формулам (2.68) – (2.70) вычисляет координаты этой точки в пространстве, а также заполняет таблицу расстояний между этими точками. Координаты вычисленных по изображению точек проверялись с помощью лазерного дальномера и датчиков углов и совпадали с погрешностью 3%. Координаты точек поверхности объекта, от которых нет отражения лазерного луча, проверялись по расстояниям между точками на изображении и совпадали с погрешностью 5%.
Экспериментально исследовалась методика создания цифрового 3-D образа объекта «Звезда» при линейном сканировании. Для этого делалось четыре съемки объекта при начальном положении и при смещениях по осям Х, Y, Z на 20 мм от 138 носительно исходной точки. Измерение расстояний до поверхности объекта не применялось. За начало координат в изображении принималась точка A0.
По формулам (2.93) вычислялись масштабирующие коэффициенты. По формулам (2.94) – (2.97) облако точек объекта, которое на выпуклых частях объекта с погрешностью 5% совпадало с облаком, полученным методом углового сканирования. Такие результаты следует признать удовлетворительными, так как они подтверждают корректность разработанной методики измерений, что и было целью данного эксперимента. Более тщательная метрологическая оценка разработанных методов измерения с угловым и линейным сканированием, требует проведения опытно-конструкторской работы, изготовления опытного образца изделия и длительных испытаний.
