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




Поскольку часто с одной точки не все участки поверхностей объекта наблюдаемы, как правило, сканирование разных участков поверхностей объекта проводится с переустановкой объекта или сканера на разные позиции несколько раз для полного покрытия поверхностей сканируемых объектов. Тогда для создания единой ЗО-модели необходимо произвести объединение («сшивку») фрагментов. Если участки поверхностей объектов обладают свойствами симметрии, достаточно сканировать только часть, а симметричные фрагменты восстанавливаются виртуально.

В соответствии с единой общей процедурой массивы точек (координат точек поверхностей), необходимо осуществить их обработку (редактирование) с помощью специального программного обеспечения. Наиболее простыми операциями при этом являются масштабирование по осям (увеличение, уменьшение), зеркальное отражение частей модели и изменение ее ориентации в пространстве. Созданные подобным образом поверхности представляются в стандартных форматах трехмерной графики: IGES, VRML, SAT, STL, или DGN и соответственно, могут быть экспортированы в любые CAD- и ЗО-приложения. Если сканирование сопровождается цифровой видео или фотосъемкой, то на этапе обработки можно дополнить сканированное изображение объекта, придав фрагментам 30-модели реальные цвета и текстуру поверхностей. Необходим специализированный набор программ для поддержки процесса оцифровки программный, чаще всего используются пакеты Geomagic Studio, Rhino, 3d Studio Max.


4. ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИ РЕВЕРС-ИНЖИНИРИНГЕ

Одна из наиболее важных областей практического применения лазерных ЗО-сканеров - обратная разработка (обратное проектирование, обратный инжиниринг, реверс-инжиниринг - reverse engineering) образцов изделий с деталями сложных форм при отсутствии чертежей. Обратная разработка продукта применяется обычно в том случае, если имеются только образцы изделий, а техническая документация на них недоступна,изготовитель оригинального объекта не предоставил информации о структуре и технологии производства объекта. Такие ситуации обычны не только в отношении трофейной военной техники, но и другой продукции, изготавливаемой конкурирующими фирмами. Нередко возникают трудности с получением запчастей взамен вышедших из строя; тогда 30-модель, построенная по результатам измерений, используется для оперативного изготовления новой механообработкой или быстрым прототипированием.

Должны быть поставлены и решены следующие задачи:

- при полностью заданной геометрии сканируемого объекта построить множество требуемых положений луча сканера, при котором может быть получена ЗО-модель (полная или неполная, представляющая только заданные, определенные участки поверхностей);

- определить возможность построения указанной модели применительно к использованию конкретного механизма сканера при одном определенном размещении объекта относительно сканера и сформулировать рекомендации по его оптимальной установке;

- при невозможности построения требуемой ЗО-модели при одной установке получить рекомендации по совокупности нескольких размещений объекта относительно сканера.

Иногда бывает достаточно иметь модель только одной стороны объекта, близкой к плоскости. Тогда при сканировании только с лицевой стороны относительно сканера, рабочая зона будет существенно больше, чем при сканировании объекта со всех сторон.

Длинномерные объекты небольших габаритов рационально устанавливать длинной стороной вертикально, на расстояние, сопоставимое с длиной второго звена лазерного сканера и сканировать за одну установку по вертикальной оси по длине, сравнимой с суммарной длиной звеньев механизма; при этом по остальным направлениям перемещения на порядок меньше. Объекты, размеры которых по двум или более осям близки к длинам звеньев, приходится сканировать за несколько установок.

В порядке подготовки к выполнению перечисленных и других подобных работ была выполнена серия экспериментальных исследований на ЗО-сканере Faro Arm Platinum с установленным лазерным сканирующим дальномером Descam Model Maker D50. Следуя положениям, изложенным выше, нужно было бы определять параметры формы на образцах, имеющих точно известные отклонения форм от номинальных, и регистрировать результаты экспериментального определения этих отклонений.


5. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРОБОВАНИЯ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ


Разработанная методика определения формы и положения поверхностей объектов с помощью ЗО-сканера включала следующие этапы:

- при калибровке использовались образцы различных простых форм с заведомо известными характеристиками поверхности и с пренебрежимо малыми искажениями формы (далее условно - эталоны),

- проводилось многократное сканирование поверхностей каждого эталона с последующей обработкой данных с помощью штатного программного обеспечения,

-ть осуществлялась статистическая обработка полученных данных, в результате которой инструментальные погрешности сканирования, воспринимаемые как кажущиеся, «фантомные» отклонения поверхностей от номинальных квалифицировались как погрешности представления поверхностей по результатам сканирования. Были выполнены измерения для нескольких объектов, поверхности которых гарантированно выполнены с высокой точностью. Например, для внутреннего кольца подшипника качения номинальным диаметром 50 мм, сканированием были получены следующие результаты: отклонения от номинального размера и соосности поверхностей для различных выборок от количества точек, участвующих в построении для 20 различных выборок с увеличением числа точек от 20 до 3000, участвующих в выборке. Результаты сканирования с изображением оттенками серого отклонений по участкам цилиндрической поверхности представлен на рис. 1. 

Анализ проводится в программе GeoMagic Studio. На рис. 2 представлено распределение среднеквадратичных отклонений точек от поверхности построенного цилиндра для внутреннего кольца подшипника, максимальные отклонения достигают десятых миллиметра, среднеквадратичное значение отклонения имеет порядок 50 мкм.’чен- спокная рабо , а По графикам (рис. 2) можно заметить, что с увеличением количества точек сначала происходит уточнение значений параметров цилиндра, благодаря тому, что в область выборки попадает все большее число точек, принадлежащих цилиндру. Тоже происходит и с углом ориентации цилиндра. Отклонение между осью построенного и номинального цилиндров стремится к значению, которое можно отнести к суммарной погрешности сканирования и обработки данных.

Зависимости погрешностей определения геометрических параметров от числа точек являются немонотонными, колебательными, хотя можно было ожидать, что с увеличением числа точек точность должна непрерывно повышаться. Но все же тенденция устойчивого повышения точности наглядно проявляется при достаточно большом числе точек (многие десятки и сотни тысяч).

ВЫВОДЫ

1. Качественно и частично количественно оценены преимущества, которые предоставляют современные лазерные Зй-скане-ры-дигитайзеры по сравнению с наиболее распространенными координатно-измерительными машинами при решении прикладных задач измерений параметров формы и положения сложных поверхностей и охарактеризованы схемные и конструктивные особенности их манипуляторов.

2. Определена специфика задач оценивания манипуляционных возможностей ЗО-сканеров, определена специфика описания и представления рабочей зоны в типовых ситуациях, разработаны методы определения их рабочих зон с учетом ограничений на длину луча лазерного дальномера, ширину угла сканирования и угла его падения на поверхности. 3. По результатам экспериментальных исследований результатов сканирования поверхностей объектов выполнен анализ погрешностей определения параметров положения и форм их поверхностей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Марков Н. Н., Осипов В. В., Шабалина М. Б. Нормирование точности в машиностроении- М.: Высшая школа, 2001.
2. Механика промышленных роботов. В трех книгах /Под ред. К. В. Фролова и Е. И. Воробьева-М.: Высшая школа, 1988.
3. Measurement assurance of tests of manipulating and powered robots Chelpanov I. B., Kochetkov A. V. Measurement Techniques. 2013. T. 56. Ne 9. S. 974-980.
4. Шандыбина Г. Д., Парфенов В. А. Информационные лазерные технологии. Учебное пособие-СПб: изд. СПб ГУ ИТМО, 2008.
5. Прямицын И.Б., Чел пан о в И. Б. Исследование точностных характеристик лазерных измерительных манипуляторов //Современное машиностроение. Дата принятия 01.11.2016 Наука и образование: материалы Международной научно-практической конференции. 14-15 июля 2011 года.- СПб.: Изд-во Политехни. ун-та, 2011-410 с.- С. 340-346.
6. Прямицын И. Б. Точность сканирования лазерных измерительных манипуляторов //Интеллектуальные и адаптивные роботы. 2011. № 1-2.- С. 73-76.
7. Проведение уголовной и судеб -ной экспертизы с использованием объемных Зd-мoдeлeй сканируемых объектов на примере дорожно-транспортных происшествий /А. В. Кочетков, И. Б. Прямицын, И. Б. Челпанов, А. А. Сухов //Russian journal of Earth Sciences RJES. Выпуск Ne 11 (11)/2012. ISSN 1681-1178 (printable) lle-ISSN 1681-1208 (Online) lle-ISSN 1681-1194 (Online) http://www.ores.su/index. php/-1111-2012/215-3d-.
8. Лазерные сканеры: распознавание и воспроизведение в ЗО-модели мелких подробностей рельефа /И. Б. Прямицын, И. Б. Челпанов, А. В. Кочетков, О. М. Балабан //Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» 2012. №4. http://naukovedenie. ги/. Идентификационный номер статьи в журнале: 45ТВН412.
9. Прямицын И. Б. Точность сканирования лазерных измерительных манипуляторов //Информационноизмерительные и управляющие системы- М.: Радиотехника, 2011. T9. №9.-С. 73-76.
10. http://www.tesis.com.ru/ - Сайт компании ТЕСИС (представитель компании FARO Technologies Inc.).
Вернуться Страница 2 из 2

Добавить комментарий


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