CC BY
38
УДК 681.518.3
DOI 10.21685/2307-5538-2019-1-8
А. В. Шулепов, Пьей Сони Вин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЦВЕТА ПОКРЫТИЯ ПОВЕРХНОСТИ В ЛАЗЕРНЫХ СКАНИРУЮЩИХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ
INVESTIGATION OF MEASUREMENT ERROR OF GEOMETRIC PARAMETERS OF PARTS DEPENDING ON THE COLOR OF THE SURFACE COATING IN LASER SCANNING OPTOELECTRONIC MEASURING SYSTEMS
Аннотация. Актуальность и цели. Бесконтактные оптоэлектронные сканирующие измерительные системы находят все большее применение при измерении различных объектов, в том числе и деталей сложной формы и конструкции в машиностроении. Важнейшим этапом подготовки применения таких систем является исследование погрешности измерения, возникающей под действием различных факторов. Представлены результаты исследования влияния цвета поверхности на погрешность измерения координат точек поверхности. Определена гамма цветов поверхности детали, при которых значение погрешности измерения является минимальным. Материалы и методы. Разработаны методики исследования влияния цвета поверхности объекта на погрешность измерения. Предложены параметры для количественного оценивания погрешности измерения координат. Результаты. Установлено значительное влияние цвета поверхности на погрешность измерения координат точек. При этом наибольшие погрешности возникают при сканировании поверхностей, имеющих черную, зеленую, синюю, оранжевую и красную окраску. Значение погрешности для самых неблагоприятных вариантов окраски достигает до 3 мм по размаху и 0,7 мм по среднеквадратичному отклонению. Исследуемая погрешность при окрашивании поверхности в цвета светлых тонов уменьшается в несколько раз, в частности, для светло-серого цвета среднеквадратичное значение составило 0,035 мм. Выводы. Разработанная методика и полученные результаты могут быть использованы для оценки влияния цвета поверхности на погрешность измерения координат точек сканирующих измерительных систем других типов, построенных на принципах триангуляции, фотограмметрии.
Abstract. Background. Non-contact optoelectronic scanning measuring systems are increasingly used in measurement of various objects, including parts of complex shapes and structures in mechanical engineering. The most important step in the preparation of the application of such systems is to study the measurement error that occurs under the influence of various factors. Presents results of a study of the influence of the surface color of the measurement error of the coordinates of the points of the surface. The gamut of colors of the part surface at which the measurement error is minimal is determined. Materials and methods. Methods of research of influence of color of a object's surface on the measurement error are developed. Pa-
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
A. V. Shulepov, Pyae Sone Win
© Шулепов А. В., Пьей Сони Вин, 2019
rameters for the quantitative estimation of the error of measurement of coordinates are proposed. Results. A significant influence of the surface color on the measurement error of the coordinates of the points is established. In this case, the greatest errors occur when scanning surfaces with black, green, blue, orange, red color. The error value for the most unfavorable color options reaches up to 3 mm in scope and 0,7 mm in standard deviation. The investigated error when painting the surface in the colors of light tones is reduced several times, in particular, its root mean square value was 0,035 mm. Conclusions. The developed technique and the results can be used to assess the effect of surface color on the measurement error of the coordinates of the points of scanning measuring systems of other types, built on the principles of triangulation, photogrammetry.
Ключевые слова: цвет, погрешность, оптоэлектронные сканирующие системы. Keywords: color, error, optoelectronic scanning systems.
Введение
Измерения геометрических параметров деталей сложной формы часто выполняются с применением координатных методов. Такие методы позволяют получить трехмерную геометрическую модель объекта и реализуются с помощью координатно-измерительных машин (КИМ) и оптоэлектронных бесконтактных сканирующих систем. Преимущества оптоэлек-тронных бесконтактных систем перед КИМ заключаются в высоком быстродействии и в возможности получения значительных массивов координат измеренных точек поверхностей деталей, расположенных с высокой плотностью [1].
Типовая схема трехкоординатной лазерной сканирующей оптоэлектронной измерительной системы (ЛСОИС) представлена на рис. 1.
Сканируемая деталь 1 установлена на поворотном столе 2. Сканирующая оптоэлектрон-ная система включает излучатель - лазер 3, цифровую видеокамеру 4 на основе ПЗС-матрицы, которая установлена на подвижной каретке 5, может перемещаться в вертикальном направлении Z и совершать угловые перемещения ф2. Координата сканируемой точки а {X, У, Z} определяется по результатам обработки перемещений поворотного стола ф1 и сканирующей системы ф2 и ^
а {X, Y, Z} = f ((ф15 ф2, Z), Ym, Zm), где Ym и Zm - координаты изображения точки а на ПЗС-матрице.
(1)
Рис. 1. Схема трехкоординатной сканирующей оптоэлектронной измерительной системы
Полученная измерительная информация о координатах измеренных точек используется для построения моделей объекта в различных форматах при контроле геометрической точности для задач обратного инжиниринга (CAD-CAM) и т.п. [1, 2].
Погрешность измерения в лазерных сканирующих системах - это погрешность измерения координат точек поверхностей, по которым определяют параметры геометрической точности объектов. Измерения выполняются бесконтактным методом на основе применения оптоэлектронных систем, при которых проявляются особенности взаимодействия сенсора и измеряемой поверхности [8, 11].
Важнейшими задачами исследований погрешности являются выявление факторов процесса измерения при сканировании и установление степени их влияния на погрешность измерения, а также нахождение способов управления этими факторами для уменьшения погрешности измерения в бесконтактных оптоэлектронных системах.
По причинам возникновения составляющие погрешности измерения могут быть разделены на три группы:
1) инструментальные, вызываемые погрешностями функционирования элементов измерительной системы [12-14];
2) погрешности, обусловленные объектом измерения;
3) методические причины.
Инструментальные составляющие погрешности вызываются погрешностями системы координатных перемещений узлов сканера, погрешностями оптической системы формирования и анализа изображений точек, создаваемых сканирующим лучом на измеряемых поверхностях.
К факторам объекта измерения, оказывающим значительное влияние на погрешность измерения координат точек поверхностей в сканирующей измерительной системе относятся форма и шероховатость поверхности, цвет, отражательная и поглощательная способность материала объекта для применяемого в сканирующей системе источника излучения с длиной волны X = 0,68 мкм и др. [4, 5].
Конструкция объекта измерения, расположение его поверхностей приводит к возникновению участков измеряемых поверхностей, которые являются недоступными для сканирующего луча.
Методические погрешности определяются применяемыми алгоритмами сканирования и обработки массивов координат точек при построении трехмерной модели объекта, а также особенностями базирования объекта измерения в сканирующей системе [3].
Цвет поверхности детали - важный параметр, устанавливаемый конструктором изделия. Цвет поверхности определяется материалом детали, технологическим процессом обработки и применяемым покрытием. Так, конструкционные материалы (металлы, сплавы, пластмассы, древесина и т.д.) имеют различный цвет. Наличие покрытия поверхностей, вид покрытия (электрохимические покрытия, лакокрасочные покрытия) и состояние поверхности (окисные пленки, загрязнения на поверхности и т.д.) также определяют ее цвет [6].
Изучение влияния цвета поверхностей объекта на погрешность получаемой модели является важным направлением исследований точности сканирующих оптоэлектронных измерительных систем [15]. Однако представленные в этих исследованиях оценки влияния цвета на погрешность сводятся к сравнению относительного количества пропущенных сканером точек на поверхностях, окрашенных в различный цвет. При этом не определяется представляющая наибольший интерес количественная оценка погрешности измерения координаты точки как линейной величины.
Авторами статьи проведены экспериментальные исследования влияния цвета поверхности измеряемой детали на погрешность измерения координат точек.
Исследование влияния цвета поверхности на погрешность определения координат точек при сканировании проводилось с использованием специальных образцов цвета поверхности. Образцы цвета представляют собой детали с плоскими поверхностями с точными параметра-
Погрешность измерения в бесконтактных оптоэлектронных сканирующих системах
Исследование влияния цвета поверхности на погрешность измерения координат точек поверхности
ми геометрической формы по плоскостности (отклонения от прямолинейности в плоскости не более 0,003 мм, шероховатость поверхностей образцов, на которые наносились покрытиями различных цветов, измеренная по параметру Ra составила от 0,32 до 0,4 мкм). В качестве красителей применялись матовые акриловые краски с высокой жидкотекучестью. Применение таких красителей позволило получить однородные ровные цветные покрытия, не изменяющие точную плоскую форму поверхностей образцов [7].
Проводилось сканирование поверхностей образцов цвета с помощью ЛСОИС модели Roland PICZA LPX-250, строились 3D модели поверхностей и исследовались неровности профилей поверхностей сканов.
За погрешность измерения координат точек поверхности, вызываемую влиянием цвета поверхности были приняты отклонения от прямолинейности номинально прямолинейных профилей поверхностей образцов. Для расчета значения погрешности измерения координат точек использовались следующие интегральные и точечные оценки отклонений от прямолинейности профиля:
- среднеквадратичные отклонения координат точек профиля Pq (Root mean square deviation) от средней линии:
Pq =
1 i
- J Y 2( x) dx,
(2)
где l - длина профиля;
- размах координат точек Pt (Total height of profile):
Pt = Y max - Y min,
(3)
где Ymax, Ymin - наибольшее и наименьшее значение ординаты профиля соответственно;
- средняя арифметическая высота неровностей профиля Pa (Arithmetical mean deviation of profile):
ll
Pa = J J |Y ( x) dx.
(4)
На рис. 2 показаны модели поверхностей сканированных образцов, окрашенных в различные цвета. На рис. 3-6 представлены профили неровностей, полученных на сканах поверхностей образцов цвета.
а)
б)
в)
г)
Рис. 2. Трехмерная модель сканированной поверхности с окрашенными в различные цвета участками:
а - черный; б — зеленый; в - оранжевый; г - белый
59
2019, № 1 (27)
Черный цвет
Рис. 3. Профиль неровностей модели сканированной поверхности черного цвета
Рис. 4. Профиль неровностей модели сканированной поверхности зеленого цвета
Рис. 5. Профиль неровностей модели сканированной поверхности оранжевого цвета
Белый цвет
Х,тт
Рис. 6. Профиль неровностей модели сканированной поверхности белого цвета
Обсуждение результатов
На профилях, полученных на сканах образцов цвета поверхности (см. рис. 3-6), наблюдаются различные, в том числе и значительные, отклонения профиля от прямолинейности, которые никак не обусловлены отклонениями формы и шероховатостью поверхностей образцов. Возникновение таких отклонений профиля от прямолинейного на сканах объясняется погрешностью триангуляционного датчика оптоэлектронной сканирующей системы под влиянием рассеивающих, отражающих и поглощающих свойств поверхностей с различным цветом покрытия.
Для сравнения результатов исследования влияния цвета поверхностей на погрешность измерения координат были построены диаграммы зависимостей параметров Рч и Рг от цвета поверхности, которые представлены на рис. 7 и 8.
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
Pq, mm
Белый
□ I
□ Белый
□ Зеленый ■ Черный
□ Оранжевый
□ Кр асный
□ Синий
Зеленый Черный Оранжевый Красный
Синий
Рис. 7. Влияние цвета поверхности на среднеквадратичное отклонение Рц погрешности измерения координаты У точек поверхности
3.5
Pt, mm
2.5
1.5
0.5
ni
L
□ Белый
□ Зеленый ■ Черный
^ Оранжевый
□ Кр асный
□ Синий
Белый Зеленый Черный Оранжевый Красный Синий
Рис. 8. Влияние цвета поверхности на размах Р( погрешности измерения координаты У точек поверхности
3
2
1
0
В результате проведенных исследований установлено, что наибольшие погрешности измерения координат точек возникают при сканировании поверхностей, имеющих черную, зеленую, синюю, оранжевую, красную окраску. Так, для поверхности, окрашенной в черный цвет, размах значений погрешности измерения координат точек Р{ достигает значения 0,8 мм, для поверхности, окрашенной в синий цвет, - более 3 мм. Оценки среднеквадратичных значений погрешности Рч для этих цветов составили соответственно 0,14 и 0,7 мм.
Наименьшие погрешности достигаются при сканировании поверхностей, имеющих окраску светлых тонов (белая, серая, желтая окраска). Оценки среднеквадратичных значений погрешности Рч для этих цветов составили не более 0,035 мм. Размах значений погрешности Рг не превысил в исследованиях 0,13 мм.
Высокоточное сканирование и построение моделей поверхностей может быть выполнено для обработанных поверхностей из наиболее распространенных конструкционных материалов без нанесения покрытия. Однако погрешность измерения координат точек поверхностей в этом случае существенно зависит от шероховатости поверхности, формы поверхности и алгоритма сканирования. Значения погрешности измерения координат точек для технических поверхностей без специальной подготовки может составлять до десятков миллиметров.
1. Проведены исследования погрешности измерения координат точек поверхностей, окрашенных в различные цвета.
2. Для уменьшения погрешности рекомендуется окрашивать сканируемые поверхности в светлые цвета (белый, светло-серый, желтый). При этом наносимое покрытие не должно иметь блеска. Блестящие поверхности требуют нанесения антибликового покрытия. Толщина слоя покрытия составляет 6-12 мкм, может быть точно измерена и учтена в результатах измерения геометрических параметров.
3. Результаты, полученные при исследовании влияния цвета поверхности на погрешность измерения координат точек в лазерных сканирующих системах, могут быть использованы также для других типов многокоординатных сканирующих измерительных систем, построенных на принципах триангуляции, фотограмметрии и лазерной дальнометрии.
1. Пьей Сони Вин. Исследование погрешности измерения деталей в 3D сканирующих оптоэлектронных измерительных системах / Пьей Сони Вин, А. В. Шулепов // Машиностроение: традиции и инновации (МТИ - 2018) : материалы XI Междунар. конф. -Москва : МГТУ «СТАНКИН», 2018. - С. 55-61.
2. Зуйков, А. А. Повышение точности измерений малогабаритных объектов с применением специальных систем визирования в компьютеризированных измерительных микроскопах / А. А. Зуйков, А. В. Шулепов // Приборы. - 2012. - № 9 (147). -
3. Марков, Б. Н. Алгоритмы робастной фильтрации профиля шероховатости / Б. Н. Марков, А. В. Шулепов // Измерительная техника. - 2015. - № 7. - С. 4-7.
4. Леун, Е. В. Исследование и разработка сапфировых измерительных наконечников для приборов активного контроля размерных параметров изделий / Е. В. Леун, А. В. Шулепов // Омский научный вестник. - 2017. - № 3 (153). - С. 91-95.
5. Латонов, И. В. Способ бесконтактной оценки шероховатости поверхности по ее цифровому изображению, формируемому оптической системой измерительного микроскопа / И. В. Латонов, А. В. Шулепов // Вестник МГТУ Станкин. - 2013. - № 1 (24). -С. 141-145.
6. Разработка системы обработки изображения измерительного комплекса для настройки инструмента станков с ЧПУ / А. В. Шулепов, С. Н. Герасимов, И. Е. Холин, Д. А. Мастеренко, Н. В. Шулепова // Вестник МГТУ Станкин. - 2015. - № 4 (35). -С. 89-94.
7. Марков, Б. Н. Зарубежная практика нормирования параметров 3D-рельефа шероховатости поверхностей / Б. Н. Марков, П. Н. Емельянов // Вестник МГТУ Станкин. -2015. - № 4 (35). - С. 95-100.
Заключение
Библиографический список
С. 39-44.
8. Зуйков, А. А. Повышение точности измерения малогабаритных отверстий с помощью измерительного микроскопа на основе цифровой обработки изображения / А. А. Зуйков, А. В. Шулепов // Вопросы электромеханики : труды ВНИИЭМ. - 2012. - Т. 127, № 2. - С. 45-48.
9. Марков, Б. Н. Двухмерные фильтры изображения шероховатости поверхности / Б. Н. Марков, А. В. Шулепов // Измерительная техника. - 2015. - № 8. - С. 3-5.
10. Марков, Б. Н. Алгоритм построения морфологического дискового фильтра для анализа шероховатости поверхности / Б. Н. Марков, О. Н. Меликова, А. В. Шулепов // Измерительная техника. - 2017. - № 5. - С. 30-33.
11. Марков, Б. Н. Методика вычисления нормируемых стандартами ISO функциональных параметров трехмерной структуры шероховатости поверхности / Б. Н. Марков, П. Н. Емельянов, А. В. Глубоков, А. В. Шулепов // Измерительная техника. - 2018. -№ 2. - С. 23-27.
12. Разработка прибора для измерения отклонений формы и шероховатости поверхностей особо точных деталей / Д. А. Мастеренко, П. Н. Емельянов, М. Г. Ковальский, А. Ю. Байковский, С. Ю. Алабин // Измерительная техника. - 2014. - № 3. - С. 24-28.
13. Разработка измерительного комплекса для автоматизированной настройки инструментальных наладок для станков с ЧПУ / А. В. Шулепов, И. Е. Холин, С. Н. Герасимов, Д. А. Дударов, А. Ю. Байковский, В. А. Куликов // Измерительная техника. -2013. - № 12. - С. 32-35.
14. Телешевский, В. И. Измерительная информационная система для контроля линейных и угловых размеров изделий на принципах интеллектуальной компьютерной микроскопии / В. И. Телешевский, А. В. Шулепов, Е. М. Роздина // Приборы. - 2012. -№ 4 (142). - С. 24-27.
15. Zaimovic-Uzunovic, N. Influence of Surface Parameters on Laser 3D Scanning / N. Zai-movic-Uzunovic, S. Lemes // 10th International Symposium on Measurement and Quality Control. - 2010, September 5-9. - P. 408-411. - URL: www.am.unze.ba
Шулепов Алексей Виленинович
кандидат технических наук, доцент,
кафедра информационных измерительных систем
и технологий,
Московский государственный технический университет «СТАНКИН» (Россия, г. Москва, Вадковский пер., 1) E-mail: [email protected]
Shulepov Aleksey Vileninovich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of information measuring systems and technologies,
Moscow State Technical University «STANKIN» (1 Vadkovsky lane, Moscow, Russia)
Пьей Сони Вин
аспирант,
Московский государственный технический университет «СТАНКИН» (Россия, г. Москва, Вадковский пер., 1) E-mail: [email protected]
Pyae Sone Win
postgraduate student,
Moscow State Technical University «STANKIN» (1 Vadkovsky lane, Moscow, Russia)
Образец цитирования:
Шулепов, А. В. Исследование погрешности измерения геометрических параметров деталей в зависимости от цвета покрытия поверхности в лазерных сканирующих оптоэлектронных измерительных системах / А. В. Шулепов, Пьей Сони Вин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2019. - № 1 (27). - С. 55-62. - БО! 10.21685/2307-5538-2019-1-8.
í.........................................................................................
Measuring. Monitoring. Management. Control
