Вимірювальна система для контролювання формованої бляхи на основі трианґулювання зображень - Автореферат

Необхідність контролювати параметри деталей, виготовлених формуванням бляхи, виникає як на стадії проектування технологічного процесу, коли припасовують інструменти для формування і підлаштовують параметри процесу, так і в серійному виробництві, де критеріями придатності виробу є точність геометричної форми, безпечність дефектів і механічна міцність деталі. Гойслєр за останнє десятиліття створено теоретичні основи побудови систем трианґулювання зображень і розроблено відповідне методичне забезпеченням таких систем, що дало змогу за результатами серії знімків оцифровувати (перетворювати геометричні розміри у цифрові дані - тривимірні координати точок поверхні) скановану ділянку поверхні і забезпечило швидке, паралельне і безконтактне вимірювання геометричних величин. Активно розроблювані в індустріальних країнах Заходу оптичні системи сканування поверхонь за допомогою смужкового проектування на базі новітніх цифрових сенсорів зображення і цифрових проекторів світла дають змогу вирішувати завдання отримання наборів даних із 3D-координатами поверхні, аналізуючи котрі, визначають відхилення геометричної форми і виявляють порушення суцільності матеріалу. Це завдання є актуальним безпосередньо в процесі виробництва, а також при налаштуванні технологічного процесу формування бляхи, де використання інформації про товщину формованого зразка у багатьох точках його поверхні, як вхідного параметра програмних пакетів моделювання процесів формування, дасть змогу уникнути багаторазових пробних формувань і налаштувань формувальних інструментів та скоротити підготовчу стадію виробництва. Сутність проблеми в тому, що системи трианґулювання зображень дають змогу визначати лише відхилення форми поверхні та порушення суцільності матеріалу, а вимірювання товщини, як додаткового параметра бляхи, не здійснюється, оскільки для цього відсутні науково-методичні основи.Запропоновано визначати товщину за результатами сканування лицьової і зворотньої поверхонь бляхи, для чого систему смужкового проектування слід доповнити новими функційними елементами, що уможливили б двобічне сканування та розробити відповідну процедуру вимірювання і методи опрацювання наборів даних. Тож, аби забезпечити автоматизоване одночасне сканування поверхонь з обох боків деталі, вимірювальна частина дослідного стенда для оптичного вимірювання розподілу товщини мала би складатись із двох модулів сканування поверхонь. Такий підхід дає змогу отримати точну інформація про взаємну орієнтацію 3D-сканера і деталі, що разом із кутом обертання стола, отриманим від електронного модуля позиціонування, є передумовами точного збирання наборів даних. Тому запропоновано визначати товщину, як евклідову відстань в просторі між точками однієї поверхні та елементами площини іншої. Моделлю є математичний вираз залежності координат точки поверхні (X, Z) від пари значень (m, n) - координат комірок камери і проектора відповідно, а також від вибраних параметрів 3D-сканера - фокусних віддалей обєктивів камери FC і проектора FP, розмірів пікселів сенсора камери DC і модулятора проектора DP, кута падіння QP і кута відбивання QC (що в сумі творять кут трианґулювання a) та відомих координат оптичних центрів обєктивів проектора OP(XP, ZP) і камери OC(XC, ZC): IMG_85baeb2d-d204-4b1b-9627-f66f13cd9507 . (1)У роботі розвязано завдання побудови системи для визначення товщини виробів з формованого листового металу на основі методу трианґулювання зображень. Система дає змогу визначати локальну товщину у кожній точці просканованої поверхні із роздільною здатністю, яка щонайменше в 20 разів більша за роздільну здатність найближчого аналога - системи аналізування зміни форми міток. На основі аналізу стану і основних тенденцій розвитку засобів контролювання параметрів формованої бляхи з погляду придатності до використання в автоматизованому виробництві показано перспективність оптичних систем на основі методу трианґулювання зображень та сформульовано основні завдання, які необхідно розвязати для побудови вдосконаленої системи: організація процесу двобічного сканування бляхи та розроблення відповідної процедури вимірювання. Розроблено нову процедуру вимірювання для визначення розподілу товщини, що полягає у двобічному скануванні поверхні контрольованого обєкта, збиранні отриманих наборів даних для одержання його цифрового відображення, на основі якого запропонованим методом визначається товщина в кожній з аналізованих точок поверхні. В ході реалізації процедури: доповнено структуру системи компютерокерованим обертальним столом; опрацьовано методику калібрування стола та зреалізовано процедуру збирання наборів даних, що уможливлює автоматичне отримання відображення обєкта через дискретні набори точок його лицьової і зворотньої поверхонь у спільній системі координат.

Основний зміст роботи

У роботі розвязано завдання побудови системи для визначення товщини виробів з формованого листового металу на основі методу трианґулювання зображень. Система дає змогу визначати локальну товщину у кожній точці просканованої поверхні із роздільною здатністю, яка щонайменше в 20 разів більша за роздільну здатність найближчого аналога - системи аналізування зміни форми міток. Зокрема, отримано такі наукові та практичні результати: 1. На основі аналізу стану і основних тенденцій розвитку засобів контролювання параметрів формованої бляхи з погляду придатності до використання в автоматизованому виробництві показано перспективність оптичних систем на основі методу трианґулювання зображень та сформульовано основні завдання, які необхідно розвязати для побудови вдосконаленої системи: організація процесу двобічного сканування бляхи та розроблення відповідної процедури вимірювання.

2. Розроблено нову процедуру вимірювання для визначення розподілу товщини, що полягає у двобічному скануванні поверхні контрольованого обєкта, збиранні отриманих наборів даних для одержання його цифрового відображення, на основі якого запропонованим методом визначається товщина в кожній з аналізованих точок поверхні. В ході реалізації процедури: доповнено структуру системи компютерокерованим обертальним столом; опрацьовано методику калібрування стола та зреалізовано процедуру збирання наборів даних, що уможливлює автоматичне отримання відображення обєкта через дискретні набори точок його лицьової і зворотньої поверхонь у спільній системі координат.

3. Створено математичну модель вимірювальної частини системи - модуля сканування тривимірних координат, як основи для розрахунку звязків між оптичними, конструктивними та метрологічними параметрами компонентів системи, на підставі якої зроблено їх інженерні розрахунки для конкретної задачі вимірювання.

4. Розроблено функціональну структуру системи для реалізації запропонованої процедури та побудовано її дослідний зразок. Опрацьовано адаптивне фільтрування, що покращує якість наборів даних (зниження рівня шумів і відкидання грубих промахів) і забезпечує можливість їх автоматизованого опрацювання.

5. На основі цифрового відображення обєкта дискретними наборами точок його лицьової і зворотньої поверхонь, розроблено і реалізовано у вигляді програмних модулів метод визначення товщини як найменших локальних відстаней від точок лицьового боку деталі до елементів поверхні її зворотнього боку. Метод дає можливість з великою просторовою щільністю визначати розподіл товщини деталі, а його подальша розбудова відкриває можливість до переходу від якісних оцінок дефектів до їх кількісних геометричних характеристик.

6. Доопрацьовано метод пошуку найближчої точки за допомогою трианґуляції Делоне, розширивши його на пошук найближчого елемента поверхні. Після знаходження для кожної точки однієї поверхні найближчої точки на іншій поверхні, додається послідовність операцій, що включає: проектування аналізованої точки на площини трикутників (елементів апроксимованої поверхні), в котрі входить знайдена найближча точка; перевірка потрапляння проекції точки в межі кожного із суміжних трикутників, вершиною яких є найближча точка; визначення трикутника з найкоротшою відстанню до аналізованої точки. Вдосконалений метод дає змогу пришвидшити процедуру пошуку найближчого елемента в 8 разів порівняно із використанням звичайного перебирання і служить підвищенню ефективності процедури визначення товщини.

7. Результати роботи впроваджено на ВАТ "ЛАЗ - Інструмент" у вигляді програмного забезпечення, котре використовується у інформаційно-вимірювальному комплексі для контролювання параметрів формованих виробів при налаштовуванні пресового обладнання. Визначення товщини деталей за результатами швидкого багатоточкового, з дрібним растром точок вимірювання, сканування їх поверхні істотно скоротило кількість необхідних припасовувань геометричних параметрів формувального інструмента і тривалість стадії проектування виробничого процесу.

1. Вельган Р., Стадник Б. Метод контролювання процесів формування бляхи // Додаток до науково-технічного журналу ВАК України "Стандартизація, Сертифікація, Якість".- 2006.- Збірник матеріалів Всеукраїнська науково-технічна конференція "Якість-2006" (22-25 лютого, 2006 р.), Славське, Україна. -С. 150-155.

2. Базилевич О., Вельган Р., Івахів О., Мушеник П. Порівняння методів обчислення товщини при контролюванні формованих листів металу // Інформаційні технології та компютерна інженерія.- 2006.- № 1 (5). -С. 138-145.

3. Вельган Р. Аналіз методів та засобів для контролю виробів із листового металу // Методи та прилади контролю якості.- 2006.- № 16. -С. 76-78.

4. Вельган Р. Алгоритм обчислення розподілу товщини для систем оптичного сканування поверхні // Вісник НТТУ "КПІ". Серія "Приладобудування".- 2006.- Вип. 32. -С. 111-117.

5. Вельган Р., Мушеник П. Застосування діаграми Вороного для обчислення геометричних параметрів деталей // Вимірювальна техніка та метрологія.- 2005.- № 1. -С. 72-75.

6. Mushenyk P., Velgan R. Evaluation Geometry Parameters of 2D Objects Using Delaunay Triangulation // VII International Workshop for Candidates for a Doctors Degree OWD’2005, Symposium PTEE & Seminar BSE (October 22-25, 2005, Wisla, Poland) / Conference Archives PTETIS vol. 21, vol. 1.- Warsaw, 2005. -P. 57-58.

7. Ivakhiv O., Mushenyk P., Velgan R. Geometrical Parameters Evaluation of Optical Coordinate Measurement Using Voronoi Diagram // Proceedings 50 Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Technische Universitat Ilmenau (Thuer.), (September 19-23, 2005, Ilmenau, Germany).- Ilmenau : Verlag ISLE, 2005. -P. 453-454.

8. Базилевич О., Вельган Р., Івахів О., Мушеник П. Порівняння методів обчислення товщини при контролюванні формованих листів металу // Тези доповідей VIII міжнародної конференції "Контроль і управління в складних системах" (КУСС-2005), (24-27.10.2005, Винниця).- Винниця, 2005. -С. 53.

9. Weckenmann A., Ernst R., Velgan R., Gall P., Nalbantic K. Detection of Defects in Sheet Metal by using Fringe Projection System // Proceedings of the 8th International Symposium on Measurement and Quality Control in Production (October 12-15, 2004, Erlangen, Germany) / VDI-Berichte 1860.- Duesseldorf, 2004. -P. 231-236.

10. Havrylyuk M., Ivakhiv O., Puyda V., Sasnyk P., Velgan R. Real time computer vision system for two-dimensional geometric characteristics determination // Proceedings of the 8th International Symposium on Measurement and Quality Control in Production (October 12-15, 2004, Erlangen, Germany) / VDI-Berichte 1860.- Duesseldorf, 2004. -P. 677-681.

11. Havrylyuk M., Ivakhiv O., Puyda V., Sasnyk P., Velgan R. Subsystem for the Image Processing Algorithms Creation Based on Simulator DSP-56300 // VI International Workshop for Candidates for a Doctors Degree OWD’2004 (October 16-19, 2004, Wisla, Poland) / Conference Archives, vol. 19, vol. 1.- Wisla, 2004. -P. 47 - 49.

12. Havrylyuk M., Ivakhiv O., Puyda V., Sasnyk P., Velgan R. Using DSP in Real Time Computer Vision Systems // VI International Workshop for Candidates for a Doctors Degree OWD’2004 (October 16-19, 2004, Wisla, Poland) / Conference Archives, vol. 19, vol. 1.- Wisla, 2004. -P. 50 - 53.

13. Ernst R., Weckenmann A., Velgan R. Local wall thickness measurement of formed sheet metal using fringe projection // Proceedings of the XVII IMEKO World Congress (June 22-27, 2003, Dubrovnik, Croatia).- Dubrovnik, 2003. -P. 1802-1805.

14. Murmu N. C., Velgan R. Detection of defects in formed sheet metal using medial axis transformation // W. Osten (ed.): Optical Measurement Systems for Industrial Inspection III (June 23-26, 2003, Munich, Germany) / Proceedings of SPIE, vol. 5144.- Munich, 2003. -P. 651-658.

15. Weckenmann A., Nalbantic K., Velgan R., Murmu N. C. Visualisation of Conformity and Wear of Cutting Tool Inserts // 7th International Fall Workshop: Vision, Modeling and Visualization 2002 (VMV-2002), (November 20-22, 2002, Erlangen, Germany).- Erlangen, 2002. -P. 315-321.