Трёхмерные измерительные системы и возможность их применения в промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трёхмерные измерительные системы и возможность их применения в промышленности

Буклагин Д.С.¹, Шмелев С.А.²

¹ORCID: 0000-0001-5290-70-75, доктор технических наук, профессор,

ФГБНУ «Росинформагротех»

²ORCID: 0000-0002-3112-6613, кандидат технических наук,

АО «КБточмаш им. А.Э. Нудельмана»

ТРЁХМЕРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Аннотация

Обеспечение точности, быстроты и удобства измерений деталей часто является проблемой промышленного производства, так как требует применения широкого спектра, как стандартных, так и не стандартных средств измерений с различной точностью и приспособленностью к различным видам измерений. В данной статье рассмотрены существующие средства создания трёхмерных измерительных систем, возможность их применения взамен стандартизованных механических средств измерений, позволяющих решать проблемы быстроты, точности и удобства измерений в различных областях промышленного производства.

Ключевые слова: система, точность, деталь, 3D измерения, машинное зрение, оптические измерения.

Buklagin D.S.¹, Shmelev S.A.²

¹ORCID: 0000-0001-5290-70-75, PhD in Engineering, Professor,

FSBSI Rosinformagrotech

²ORCID: 0000-0002-3112-6613, PhD in Engineering,

«KBTochmash named after A.E. Nudelman» JSC

THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT SYSTEMS AND POSSIBILITY OF THEIR APPLICATION IN INDUSTRY

Abstract

Ensuring the accuracy, speed and convenience of measurements of parts is often an industrial production problem, since it requires a wide range of standard and non-standard measuring instruments with different accuracy and adaptability to different types of measurements. This article considers the existing means of creating three-dimensional measuring systems, the possibility of their use instead of standardized mechanical measuring instruments, solving the problems of speed, accuracy and convenience of measurements in various areas of industrial production.

Keywords: system, accuracy, detail, 3D measurements, machine vision, optical measurements.

Выполнение требований к производству деталей необходимого качества в современной промышленности тесно связаны с проблемой применения средств измерений определенной точности и скоростью выполнения самих измерений. Кроме того, при производстве сложных деталей существует множество труднодоступных мест, для измерения которых приходится применять большое число нестандартных средств измерений, например, штангенинструментов (рис. 1).

Рис. 1 - Пример нестандартных штангенинструментов и их применение

Решение этих проблем требует от метрологической службы предприятия искать способы эффективного применения 3D измерительных систем для сравнения результатов измерений с заданной идеальной 3D моделью детали. В данной статье рассматриваются существующие средства измерений, создающие измеренные 3D модели и сравнивающие их с идеальными, позволяющие решить проблему быстроты и точности измерений.

Задача создания 3D измерительных систем связана с попытками разработки и использования машинного зрения. Можно сказать, что общий принцип работы систем машинного зрения заключается в том, что сигнал, полученный от аналоговой видеокамеры переводится в цифровую форму, которая представляет собой набор пикселей (точек) по перепадам яркости, которых компьютер вычисляет границы измеряемого объекта на плоскости. Намного труднее определять высоту, а также координаты нахождения каждой точки в трёхмерном моделируемом пространстве. Для определения высоты, а также других размеров, в большинстве оптических приборов используется метод оптической триангуляции. Применение метода триангуляции позволяет достигать точности в 0,001 доли измеряемого расстояния [1], [2].

Схема прибора использующего метод триангуляции (рис. 2) состоит из трёх частей: излучатель 1, измеряемый объект 2 и приёмник 3.

Рис. 2 - Схема прибора использующего метод триангуляции

Излучатель 1 формирует изображение светового пятна на измеряемом объекте 2. Затем рассеянный измеряемым объектом световой луч попадает в фотоприёмник 3. Фотоприемник фиксирует изображение рассеянного светового луча. Перемещение измеряемого объекта ?z, создаёт смещение светового луча в фотоприёмнике ?x. Зависимость перемещения измеряемого объекта ?z, от смещения светового луча ?x, имеет следующий вид:

?z=r•sinц/sin(б-ц), (1)

где ц=arctg(A•?x/(1+B•?x)), A=sinв/r', B=-cosв/r', r и r' - соответственно расстояния от измеряемого объекта 2 до объектива фотоприёмника 3, и от объектива до фотоприемника [3].

В настоящее время 3D измерительные системы производятся многими российскими и зарубежными фирмами. Их применение позволяет в различной степени решать проблемы точности, удобства и быстроты измерений. В число наиболее известных мировых производителей входят такие фирмы как: SICK (Германия), Cognex (США).

Решения фирмы SICK широко применяются в различных организациях, как при считывании штрих кодов, так и в автомобильной промышленности при идентификации деталей и определения отклонений от их формы. Рассмотрим некоторые интересные решения и их характеристики.

В качестве одного из решений поставленных задач фирма SICK предлагает камеры Ranger и Ruler (табл. 1, рис. 3) для измерений трехмерных параметров в скоростном режиме. Камеры формируют серию профилей измеряемого объекта, а трёхмерное изображение обеспечивает данные о высоте и форме объекта. Камеры Ranger и Ruler являются приборами со схожими характеристиками. Однако, камеры Ranger могут иметь различную комплектацию и имеют возможность подстраиваться под выполнения определенных задач непосредственно на месте, в то время как камеры Ruler настраиваются самой фирмой-изготовителем. Всё это ведет к различным положительным и отрицательным последствиям. С одной стороны, устанавливая камеры Ranger можно выбрать только часть необходимых опций и более точно их настроить непосредственно на месте, но для правильной и точной их установки и наладки нужен высоко квалифицированный персонал, содержание которого требует значительных затрат.

Таблица 1 - Техническая характеристика камер серии Ruler Е

Рис. 3 - Внешний вид камер Ranger и Ruler

Изображение с нескольких подобных камер фирмы SICK можно объединять в одну 3D модель при помощи Sensor Integration Machine (рис. 4), что при правильной их расстановке позволит измерять объект полностью, со всех сторон.

Рис. 4 - Внешний вид блока объединения сигналов датчиков Sensor Integration Machine (SIM)

Исходя из данных (табл. 1), можно сделать заключение о том, что данные решения действительно предназначены для быстрых измерений и способны производить до 10000 профилей в секунду, при этом точность данных измерений достигает десятых долей миллиметра [4, С. 5-6], [5, С. 12-19], [6, С. 10-12], [7, С. 105-121].

Кроме представленных в статье решений, фирма SICK предлагает датчики TriSpector1000 (табл. 2, рис. 5) для единичных высокоточных 3D измерений. Данные датчики нельзя подключать в единую информационную систему, но они хорошо зарекомендовали себя для быстрых измерений в потоке [8, С. 10-11].

Таблица 2 - Техническая характеристика датчиков серии TriSpector

Рис. 5 - Внешний вид датчика TriSpector1000

Исходя из данных (табл. 2) можно сделать вывод, что производительность данных приборов во много раз ниже чем у камер Ranger и Ruler, что в свою очередь свидетельствует о возможности измерений намного меньших размеров. Однако, точности датчиков TriSpector1000 достигает уже сотых долей миллиметра, что в свою очередь соответствует точности штангенприборов и позволяет избавиться от их применения на производстве. Таким образом, фирма SICK представляет законченные решения позволяющее контролировать качество деталей в потоке.

Кроме уже названной фирмы SICK существуют и другие фирмы, зарекомендовавшие свои решения на мировом рынке. Одной из таких фирм является компания Cognex, которая предлагает и внедряет 3D сканеры DS1000 (табл. 3, рис. 6). Эти сканеры, как заявляет производитель, способны измерять изделия с микронной точностью [9], [10].

Таблица 3 - Техническая характеристика сканеров DS1000

измерение промышленность трёхмерный

Рис. 6 - Внешний вид сканеров DS1000

Как видно из представленных технических характеристик (табл. 3) сканеры DS1000 действительно обладают точностью до 2 мкм для измерений деталей по высоте, однако точность измерений по ширине достигает сотых долей миллиметра (что по точности соответствует измерениям штангенинструментом), видимо это так же связано с разрешением оптической камеры и с алгоритмом распознавания границ на плоскости.

Кроме широко применяемых в мировой практике устройств фирм SICK (Германия), Cognex (США) есть и другие производители 3D измерительных устройств, заслуживающие не меньшего внимания, такие как: РИФТЭК (Беларусь), ПРИЗМА (Россия), ИНКОМ (Россия) и другие.

Рассмотрим подробнее один из сканеров фирмы РИФТЭК основанной в Белоруссии, имеющей также производство и в России. Лазерные сканеры серии РФ625 (табл.4, рис. 7) производят измерения 2D профилей и посредством перемещения детали производят измерения всей детали и построение 3D моделей [11, С. 1-8].

Таблица 4 - Основные технические характеристики сканеров серии РФ625

Если подсчитать погрешность сканеров серии РФ625 в соответствии с табл. 4 то получается, что точность измерения профиля (размер по высоте и ширине) для многих моделей данной серии сравнима с измеренной штангенинструментом. Однако, как в случаях со сканерами DS1000 и датчиками TriSpector1000, точность построения 3D модели будет сильно зависить от равномерности поступательного движения измеряемой детали, её вибрации и самого алгоритма сложения профилей в единую 3D модель, а это уже не зависит от самих датчиков.

Рис. 7 - Внешний вид сканеров серии РФ625

В свою очередь все представленные в статье 3D устройства предоставляют предприятиям возможность 100% контроля каждой детали. В то время, как многие предприятия занимающиеся конвейерным производством могут позволить себе только контроль выборки, который не позволяет говорить о 100% контроле качества и в данном случае можно говорить о вероятности и статистических характеристиках распределения показателей качества изготавливаемой детали.

Таким образом, в настоящее время существует множество устройств, позволяющих решить значительный спектр задач, связанных с точностью, измерений, которая соответствует точности измерений штангенинструментом, но обеспечивает быстроту и удобство при массовом контроле деталей в промышленном производстве, позволяет решить множество других задач на основе совершенствования средств и алгоритмов распознавания при 3D измерениях.

Список литературы / References

1. Востропятов Н. А. Принципы машинного зрения [электронный ресурс] // Реферат по читающим автоматам: http://www.studfiles.ru/preview/356491/ (дата обращения 24.08.2017).

2. Метод триангуляции [электронный ресурс] // http://www.laserportal.ru/content_536 (дата обращения 24.08.2017).

3. Теория триангуляционного метода измерения [электронный ресурс] // http://www.controlplast.ru/site/index.php?/rproducts/klaser/teoria-triangulyacia (дата обращения 24.08.2017).

4. Лысенко О. Машинное зрение от SICK / IVP [электронный ресурс] // cyberleninka.ru: научная электронная библиотека «КиберЛенинка»., Журнал «Компоненты и технологии». - 2007. - №1: https://cyberleninka.ru/article/v/mashinnoe-zrenie-ot-sick-ivp (дата обращения 24.08.2017).

5. Обзор продукции. Машинное зрение. Новое измерение в машинном зрении [электронный ресурс] // http://www.energoprime.ru/catalog-pdf/SICK/Машинное-зрение.pdf (дата обращения 24.08.2017).

6. Product overview. Vision a new dimension in vision. 2D vision, 3D vision, Sensor Integration Machine [электронный ресурс] // https://goo.gl/cFqHns (дата обращения 27.09.2017).

7. Product catalog 2014/2015. Vision. Vision sensors. Smart cameras. Hight-end cameras. [электронный ресурс] // https://goo.gl/qZ6YzG (дата обращения 27.09.2017).

8. TriSpector INTUITIVE 3D INSPECTION [электронный ресурс] // https://goo.gl/7Fc3k9 (дата обращения 24.08.2017).

9. DS1000 - интеллектуальные 3D сканеры [электронный ресурс] // http://www.mallenom.ru/products/mashinnoe-zrenie/ds1000-3d-scanner/ (дата обращения 24.08.2017).

10. Cognex vision. Серия DS Датчик перемещения 3D. Лазерная система определения профиля. [электронный ресурс] // https://goo.gl/kiQv7W (дата обращения 27.09.2017).

11. RIFTEK. Лазерные сканеры. Серия РФ625. Руководство по эксплуатации. [электронный ресурс] // https://goo.gl/Rc3PCh(дата обращения 16.11.2017).

Размещено на Allbest.ru