Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » Статьи о МО » Челпанов И.Б., Прямицын И.Б., Кочетков А.В., "Метрологическое обеспечение лазерных измерительных 3D - сканеров"

Метрологическое обеспечение лазерных измерительных 3D - сканеров




И. Б. Челпанов, И. Б. Прямицын.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого,

Россия, Санкт-Петербург.

А. В. Кочетков.

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»,

ООО «Научно-исследовательский центр технического регулирования» Россия, г. Пермь


Рассматриваются вопросы построения и использования лазерных ЗО-сканеров, как измерительных установок, предназначенных для построения 3D-моделей различных объектов и контроля параметров положения и формы их поверхностей. Сформулированы рекомендации по использованию лазерных ЗО-сканеров для различных областей техники. Охарактеризованы новые области применения, перспективные для эффективного использования ЗО-сканеров для наглядного представления результатов и количественных показателей и реверс-инжиниринга.

Ключевые слова: линейные измерения, параметры положения и формы, координатно-измерительные машины, ЗО-сканеры, манипуляторы, лазерные дальномеры, точность, координаты, программное обеспечение.

Questions of construction and use laser 3D - scanners, as the measuring installations intended for creation of 3D models of various objects and control of parameters of situation and a form of their surfaces are considered. Recommendations about use laser 3D - scanners for various areas of equipment are formulated. New scopes, perspective for effective use 3D - scanners for evident representation of results and quantitative indices and a reverse engineering are characterized.

Key words: linear measurements, parameters of situation and a form, coordinate measuring machines, 3D - scanners, manipulators, laser range finders, accuracy, coordinates, software.


ВВЕДЕНИЕ

В приборостроении в отличие от традиционных измерений параметров формы и положения поверхностей объектов простых форм с помощью простых измерительных инструментов стало необходимым проводить измерения (в частности, сканированием по заданной сетке) координат многих точек поверхностей, а затем, если требуется, осуществлять их массовую статистическую обработку [1,2].

В восьмидесятых годах появились и нашли практическое применение координатно-измерительные машины (КИМ) с многозвенными механизмами манипуляторов последовательной структуры, имеющими только вращательные кинематические пары, имитирующими по кинематике руку человека, использовались системы автоматического числового программного управления приводами.

Они квалифицировались, как измерительные и контрольные роботы [2]. В области измерительных роботов прогресс имел место преимущественно в направлениях расширения манипуляционных и маневренных возможностей путем увеличения числа степеней подвижности, повышения точности позиционирования чувствительных элементов и повышения быстродействия. Нашли применение различные схемы манипуляторов, не только типа механической руки, но и в виде параллельных структур типа платформы Стюарта [2].

Подобные сложные компьютеризованные средства измерений функционально можно по-прежнему называть координатно-измерительными машинами (КИМ) и отнести их к классу измерительных установок для измерения линейных величин (расстояний), но по типу механизмов можно также относить к измерительным манипуляторам или роботам. Специфика классических КИМ заключается в том, что получение данных для измерения параметров поверхности объектов (вертикальных расстояний точек поверхностей от базовой плоскости) осуществляется многократно, как правило по узлам прямоугольной сетки, а результат измерения для участков объектов простых геометрических форм, например, плоских, цилиндрических, получается, как результат статистической обработки данных.

Однако наиболее интенсивный прогресс в этой области обязан применением бесконтактных чувствительных элементов, использующих различные физические принципы, но в первую очередь на основе лазерных сканирующих устройств, представляющих собой очень точные дальномеры (определяется расстояние по лазерному лучу до точки поверхности) [3]. При их использовании отпала необходимость точного позиционирования чувствительного элемента, на несколько порядков увеличилась частота получения координат точек поверхностей. Открылись возможности значительного упрощения манипуляторов, снижения требований к ним и даже полного отказа от механизмов. Параллельно с этим с этим были значительно расширены возможности автоматической компьютерной обработки данных вплоть до построения 30-моделей сканируемых объектов по результатам измерений координат точек поверхностей при очень высоком быстродействии с выводом результатов на дисплей.

Переход к новому качеству был осуществлен в измерительных установках, которые могут быть отнесены к мобильным КИМ, но часто называются 30-сканерами или дигитайзерами. Перемещения чувствительного элемента (лазерного дальномера) осуществляются вручную, причем отпадает необходимость в точном выполнении программных движений, в точных приводах и средствах программного управления. При этом сам многозвенный механизм манипулятора является пассивным, манипулятор при этом является измерительным механизмом (или измерительной механической цепью), измеряемые точными датчиками относительные углы поворота звеньев совместно с сигналами от сканера с лазерным дальномером и сигнала от лазерного дальномера вычислительно преобразуются в прямоугольные или иные координаты точек поверхностей. Впоследствии оказалось также возможным вообще избавиться от механизма связи с неподвижным основанием, а вместо этого использовать систему дистанционных датчиков (обычно измеряющих расстояния), по сигналам которых определяются линейные координаты и углы ориентации лазерного излучателя, облегчение всей конструкции манипулятора.

Основными производителями на рынке современных подобных мобильных КИМ, (30-сканеров или дигитайзеров), являются такие фирмы, как FARO Technologies Inc., США; Nikon Metrology, Япония; CimCore, Франция и другие. Мобильные КИМ как правило имеют сменные чувствительные элементы, а именно, оснащены лазерным бесконтактным сканирующим дальномерным устройством, который используется совместно с контактным щупом [4-10].


1.  3D-CKAHEPbl КАК СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Часто ЗО-сканеры считают самостоятельной группой манипуляторов, отличающихся от манипуляторов остальных роботов всех видов назначения областями применения, решаемыми задачами и устройством. Но в соответствии с назначением их следует рассматривать, как средства измерений (СИ), а именно, измерительную установку. Из этого следует, что на них должны распространяться все положения метрологии и, описания и представления метрологических характеристик (MX) в соответствии с РМГ 29-2013. Необходимо, однако, отметить существенные изменения основных понятий.В частности, вместо диапазона показаний должна рассматриваться многомерная область (трехмерная по линейным координатам и пятимерная, если дополнительно учитывать два угла). Как результат измерения должна рассматриваться построенная по совокупности точек трехмерная непрерывная поверхность. При аттестации или калибровке отличия этой поверхности от действительной (скорее всего по нормали) будет представлять собой погрешность, которая будет функцией двух координат на поверхности. Поэтому ЗО-сканеры как объекты теоретических и экспериментальных исследований отличаются также научной и метрологической проблематикой.

Большинство кратких сообщений и публикаций о ЗО-сканерах в сети Интернет и других источниках информации относится к подобным СИ с большими диапазонами измерения дальностей (десятки и даже сотни метров, они часто называются техеометрами); для задач сканирования в машиностроении и приборостроении они неприменимы, они имеют погрешности порядка нескольких миллиметров. 30-сканеры и ЗО-дигитайзеры с погрешностями порядка 0,02 мм и менее приспособлены для построения ЗО-моделей с последующей ориентацией на быстрое прототипирование, бывают тактильные (контактные) и бесконтактные дистанционные (обычно лазерными дальномерами, которые можно рассматривать, как измерительные преобразователи или чувствительные элементы).


2. УСТРОЙСТВО ТИПОВОГО 3D-CKAHEPA

Кинематическая схема манипулятора D-сканера FaroArm Platinum с лазерной сканирующей головкой Descam Model Maker D50, установленной на последнем звене, представляет собой механизм с семью степенями свободы, имеет стойку высотой L1=330 мм, а у последующего механизма шарнирного трехзвен-ника длины звеньев L2=L3=550 мм, L4=500 мм.

Основанием руки является опорная плита, которую можно переставлять и устанавливать в любые подходящие места. Кинематическая цепь образована последовательным шарнирным соединением звеньев, звенья и кинематические пары нумеруются последовательно от основания. Определим, конкретное назначение вращательных степеней подвижности и соответствующих шарниров. Всего шарниров семь, что означает избыточность степеней подвижности. Первый шарнир позволяет выйти из вертикальной плоскости в пространство, т.е. вращает плоскую рабочую зону вокруг, следующие шарниры расширяют рабочую зону плоского механизма, итого, для расчетов рабочей зоны условно, можно рассматривать плоский механизм с диапазоном вращения шарниров от 0 до 360 градусов. Последний шарнир дает возможность переориентировать плоскость сканирования лазерной головки вокруг своей осй, что позволяет из одного положения сканера получить целую область сканирования. Лазерная головка имеет свой собственный механизм сканирования поворотами луча вокруг среднего направления на малые углы, так что для наглядности можно представить, что лазерный луч имеет форму плоской лопатки. Измеряются углы поворота звеньев в шарнирах механизма и лазерного дальномера.

Для КИМ и ЗО-сканеров той MX, которая заменяет диапазон измерений, является рабочая зона. Рабочая зона обычного манипулятора обычно определяется, как часть пространства, в которой может находиться рабочий орган, однако В отношении лазерного ЗО-сканера ситуация существенно'иная. Рабочий орган представляется в виде вектора с размером, равным расстоянию от оси предпоследнего шарнира до пятна луча лазера и рабочая зона определяется с учетом номинальной длины его луча. Это расстояние примерно равно фокусному расстоянию-моно близко к длинам звеньев манипулятора или, по крайней мере, имеет тот же порядок. ЗО-сканер Faro platinum arm имеет сканирующий дальномер Descam Model Maker D50 (но может быть любой другой со сходными параметрами, например Faro Laser Line Probe). Для манипулятора такого 3 D-сканера, как Faro Arm Platinum, диапазон вращения шарниров А, В, G ~ от 0 до 180°, D, Е, Щ G - 360°. Фактически получается, что рабочая зона определяется возможными положениями шарнира С. У таких ЗО-сканеров рабочая зона по конфигурации близка к сферической, в зависимости от модели от 1 до 4 м в диаметре, а ожидаемая (допускаемая по паспортным данным), Следует, что традиционное определение рабочей зоны не имеет смысла, поскольку возможны различные положения луча лазера при осмотре даже Только малого участка, вместо этого следует говорить о максимальных размерах объектов, поверхнос^і}-,которых могут быть отсканированы при одной установке объекта,-а конкретно для разных объектов нужно математическое моделирование. 

Необходимо, чтобы угол между нормалью к участку поверхности вблизи пятна и лучом был около 30±15 (в зависимости от поверхности). Из этого следует, что традиционное определение рабочей зоны не имеет смысла, поскольку возможны различные положения излучателя при осмотре даже только малого участка, вместо этого следует говорить о максимальных размерах объектов, поверхности которых могут быть отсканированы при одной установке объекта, а конкретно для разных объектов нужно математическое моделирование.

Предельная погрешность измерения координат точек при строгом выполнении рекомендаций производителя имеет порядок 30 мкм [7], что несколько хуже, чем у стационарных КИМ с конструкцией портального типа. 

Фокусное расстояние лазерного датчика около 250 мм, а для нормального режима работы дальность от точки выхода луча лазера до поверхности может изменяться в процессе сканирования в пределах от 200 мм до 300мм, в зависимости от модели сканирующей головки и оптических свойств поверхности. Именно тем, что при сканировании поверхности допускаются значительные отклонения расстояния, определяются тип траекторий (нет необходимости перемещаться по нормали для точного задания расстояния до поверхности, а можно при изменяющемся расстоянии продолжать сканирование, контролируя изображение на мониторе) определяется возможность и преимущества задания перемещений вручную. 

Отсутствие требований к высокой точности выполнения движений при достаточно больших допустимых отклонениях ±50 мм от номинального значения расстояния до поверхности является характерной особенностью именно лазерного ЗО-сканера и облегчает работу оператора, вручную перемещающего лазерный дальномер.

3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДАННЫХ О РАССТОЯНИЯХ ДО ТОЧЕК ОБЪЕКТА

При ЗО-сканировании при использовании лазерного дальномера, определяющего расстояния до точек поверхностей объекта, вычислительное устройство получает и регистрирует дискретные значения сигналов с датчиков углов поворота. По измеренным углам поворота звеньев в шарнирах механизма и выходного сигнала лазерного дальномера вычислительное устройство с помощью специального, штатного программного обеспечения вычисляются координаты точек полосы лазерного луча на поверхности объекта, и затем осуществляется последующая статистическая обработка совокупностей дискретных данных (координат точек) с целью определения параметров формы и положения поверхностей сканируемого объекта. Число точек за сеанс обычно составляет сотни тысяч и миллионы. 

Комбинирование режимов работы невысокой точности с контактным датчиком позволяет производить на первом этапе измерения координат точек поверхностей простых поверхностей, затем на втором этапе точно бесконтактно геометрию ответственных или сложных и труднодоступных поверхностей, сканируя их лазерным лучом дистанционно. Результаты сканирования, которые получаются как дальности по заданным направлениям из точек с заданными координатами,запоминаются в виде массивов данных, совокупностей координат большого числа точек сканируемых поверхностей. Вследствие случайных погрешностей координат регистрируемые данные, геометрически принято представлять, как пространственное облако точек, которые группируются в узких зонах в пределах погрешностей относительно сканируемых поверхностей [4].

Страница 1 из 2 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » Статьи о МО » Челпанов И.Б., Прямицын И.Б., Кочетков А.В., "Метрологическое обеспечение лазерных измерительных 3D - сканеров"