CC BY
83
Прямицын Игорь Борисович
Prjamitsyn Igor Borisovich аспирант post-graduate student
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
St.-Petersburg state polytechnical university
Челпанов Игорь Борисович
Chelpanov Igor Borisovich профессор professor
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
St.-Petersburg state polytechnical university
Кочетков Андрей Викторович
Kochetkov Andrey Viktorovich Пермский национальный исследовательский политехнический
университет
Perm national research polytechnical university
профессор
professor;
Балабан Олег Михайлович
Balaban Oleg Mihajlovich ООО «НТЦ технического регулирования» Open Company «Scientific and technological center technical regulation»
инженер engineer E-mail: [email protected]
05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы
Лазерные сканеры: распознавание и воспроизведение в Sd-модели мелких
подробностей рельефа
Laser scanners: recognition and reproduction in 3d-model of small details of
relieflaser scanners
Аннотация: Получены рекомендации по использованию SD-сканеров для различных и новых областей применений.
Ключевые слова: SD-сканеры, настольные сканеры, точность, координаты, программное обеспечение.
The Abstract: Recommendations about use of 3D-scanners for various and new areas of applications are received.
Keywords: 3D-scanners, desktop scanners, accuracy, coordinates, the software.
***
Введение
Важнейшим свойством 3D-сканера при определении его возможностей является разрешающая способность, а именно, способность различать и достоверно представлять результаты сканирования элементов, фрагментов или деталей, малых по размерам [1-3].
Поэтому, следует охарактеризовать свойство разрешающей способности сканера. Мелкие выступающие или углубленные элементы на поверхности, такие как на рельефах монет и медалей, режущие кромки и стружколомы на твердосплавных пластинках режущего инструмента станков, профили резьбы небольшого диаметра и многое другое оказывается практически невозможным воспроизвести с помощью сканирующего устройства, так как при обработке все они воспринимаются как случайные погрешности, дефекты сканирования сглаженных поверхностей (рис.1). Например, после сканирования исчезают тонкие переплеты окон, профили пилястров, рустовка стен и пр. При сканировании таких элементов существенную роль играет зеркальность поверхности, что усиливает блики. Неравномерность наложения слоев при сканировании размазывает тонкий рельеф, а при их объединении отсеивается, как шум.
а. б.
Рис. 1. а) фотография объекта сканирования - медали с тонким рельефом (десятикратное увеличение) б) фрагмент участка сканирования с потерей тонкостей рельефа
а. б.
Рис. 2. Результаты сканирования острых кромок различных объектов (а - режущий инструмент, б - штампованная деталь)
Метод решения
Решением проблемы распознавания и воспроизведения в 3D-модели мелких подробностей рельефа может служить сканирование с минимальным количеством слоев и максимальным количеством точек на слой. В последующей триангуляции необходимо задавать в TIN-формате размеры треугольников меньше, чем размеры элементов рельефа. Но реализация всех этих методов приводит к значительному увеличению объемов обрабатываемой информации и, как следствие, требует высокой производительности компьютера.
В отношении типовых форм сканируемых объектов целесообразна аттестация лазерных сканеров, специализированная по типам этих объектов. При использовании лазерного сканера Descam Model Maker D50 на базе координатно-измерительной машины Faro Arm, авторами проводился анализ качества определения по экспериментальным данным не только точности линейных размеров, но и отклонений формы и взаимного расположения фрагментов поверхностей [1, 2]. Для этого измерения проводились на объектах, изготовленных с заведомо более высокой точностью, чем ожидаемая точность измерения исследуемого лазерного сканера. Это в основном узлы и детали машин, изготавливаемые на прецизионном оборудовании с очень узкими полями допусков, такие как штоки цилиндров, кольца подшипников, поверхности пресс-форм и др. При этом указанные детали играют роль эталонов с заведомо пренебрежимо малыми погрешностями форм и положений поверхностей.
Некоторые результаты. Координатно-измерительная машина типа «рука» со сканирующей головкой Faro Laser Scan Arm, общий вид и кинематическая схема представлены на рис.3.
Рис. 3. Координатно-измерительная машина типа «рука» со сканирующей головкой Faro Laser Scan Arm, общий вид и кинематическая схема
В ходе выполненных исследований был установлен ряд новых фактов, осознание которых может иметь высокую ценность для специалистов, использующих 3D-сканеры и дигитайзеры для определения параметров поверхностей малой кривизны [3].
Было установлено, что при программном представлении участка в действительности плоской поверхности, но предполагаемой при обработке, как цилиндрической или сферической, в зависимости от зоны выделения (сканирования) могут возникнуть следующие ситуации:
1. Малый участок сканируемой поверхности нулевой или малой кривизны можно представлять в виде цилиндрической, сферической или эллиптической поверхностей.
2. При фрагментальном выделении (нескольких случайно выбранных зон) точек плоской поверхности, в большинстве случаев в результате обработки данных с использованием штатного программного обеспечения происходит построение цилиндра или сферы большого
Лазерный сканер Измерительный щуп
Опорная плита
Рукоятка
радиуса. Исходная плоскость является близкой к средней для сегмента полученного цилиндра, который лежит в зоне этой плоскости. В этом случае по радиусу R такого цилиндра или сферы, можно судить о кривизне поверхности.
3. При обработке данных, полученных при сканировании одной и той же зоны, получаются значимо различные значения радиуса R цилиндра или сферы, причем для сферы получаются большие и более стабильные значения радиуса.
4. При выделении отдельного небольшого участка поверхности, возможно пересечение плоскости цилиндрической поверхности, что объясняется определением выбранного участка как усредненной образующей поверхности цилиндра, такие данные следует исключить из расчетов. В подобных случаях необходимо произвести повторное сканирование для получения нового массива данных и последующей обработки.
5. Кривизна цилиндра или сферической поверхности, приближенно представляющей плоскость, всегда имеет одинаковый знак кривизны, т. е. по результатам сканирования плоскость всегда представляется, как якобы вогнутая поверхность. Это свидетельствует об определенной систематической погрешности выполнения рассматри-ваемой операции, что объясняется инструментальными погрешностями лазерного датчика. Из этого следует, что при сканировании выпуклых поверхностей малой кривизны будут получаться заниженные значения кривизны, а для вогнутых - завышенные.
6. От эксперимента к эксперименту радиус R цилиндра (кажущейся кривизны) изменялся в широких пределах. Практически важна нижняя граница радиуса R кажущейся кривизны, для размера участка сканирования 90 мм этом радиус цилиндра всегда был больше, чем 19 м, а радиус сферы - больше 35 м.
7. Наибольшие отклонения полученной цилиндрической поверхности от плоскости не превышают 60 мкм, что и характеризует погрешности сканера при решении указанной задачи и соответствует паспортным данным по его точности.
Число образующих «облако» точек поверхности, получаемых при сканировании и используемых для построения цилиндра, незначительно сказывается на результатах.
Были определены предельные погрешности измерений в зависимости от размеров и типа поверхностей, при соблюдении всех требований к процессу сканирования они оказались порядка 50 мкм, т.е. выше в 1,5-2 раза паспортных. Также определены зависимости погрешности измерений от числа точек, координаты которых зарегистрированы при сканировании, от количества проходов сканирования одних и тех же поверхностей, от настроек сканирующего устройства, от средней скорости прохода траектории при сканировании и изменений скоростей, результаты представлены в виде таблиц и графиков.
Оценена разрешающая способность для объектов с малыми размерами, когда измерения проводились на концевых плоскопараллельных мерах длины и калиброванных цилиндрических прутках малых диаметров. На калиброванных цилиндрических прутках малых диаметров (от 0,4 мм до 2,5 мм в диаметре) исследовались возможности восстановления всей поверхности качественно известной формы по результатам сканирования малого фрагмента (рис. 4) и оценена точность. Надежно распознаются прутки диаметром более 1,5 мм, при сканировании прутков меньшего диаметра, возможно лишь распознавание поверхности как цилиндрической, но при этом нельзя говорить о точности определения диаметра.
Рис. 4. Пример построения цилиндрической поверхности на базе неполного сканирования калиброванного прутка с целью определения диаметра, а также отклонения от цилиндрично-сти (темным цветом выделен сканированный фрагмент, светлым - полностью построенная
цилиндрическая поверхность).
На основе выполненных экспериментальных исследований и анализа данных получены рекомендации по применению КИМ рассматриваемого типа в машиностроении, приборостроении, реинжиниринге, строительстве и других областях науки и техники.
Результаты проведенных исследований использованы при подготовке массивов данных для изготовления методами быстрого прототипирования масштабных копий объектов сложной формы, таких как турбинные лопатки (рис.5), гребные винты, импеллеры, сложные корпусные изделия, мелкая пластика и др.
Рис. 5. Изображение результата сканирования турбинной лопатки
Даже визуально воспринимается кажущаяся «измятость» в действительности плавно изогнутых рабочих поверхностей лопатки, что совершенно не свойственно сканируемому образцу. Лопатка выглядит, как необработанная отливка. Это может свидетельствовать или о недостаточном числе точек на поверхности, или о недостатках штатной программы. Кроме того, конечно недостаточна точность поверхностей хвостовика, особенно по которым осуществляется базирование, в действительности выполненных с высокой точностью взаимно орто-тональными плоскими поверхностями и нескругленными ребрами между ними. Из этого следует, что даже для визуально правильного представления объекта может потребоваться существенная доработка изображения. Например, в тех фрагментах, где имеются плоскости, выполненные с заведомо высокой точностью, следует использовать представления именно их, а по экспериментальным данным определять только параметры их положения.
В порядке подготовки к выполнению перечисленных и других подобных работ была выполнена серия экспериментальных исследований на КИМ Faro Arm Platinum с установленной сканирующей головкой 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 (рис.6).
Разработанная методика построена на решении обратной задачи:
• использовались образцы различных простых форм с заведомо известными характеристиками поверхности и с пренебрежимо малыми искажениями формы (далее условно
- эталоны),
• проводилось многократное сканирование каждого эталона с последующей обработкой данных в штатном программном обеспечении,
• осуществлялась статистическая обработка полученных данных, в результате которой кажущиеся, «фантомные» отклонения поверхностей от номинальных квалифицировались как погрешности представления поверхностей по результатам сканирования.
Рис. 6. Определение кривизны номинально плоской путем программного назначения цилинд-ричности (светло-серым цветом обозначена поверхность объекта, темнее - область выделения (сканирования)
Были выполнены измерения для нескольких объектов, поверхности которых выполнены с высокой точностью. Например, для внутреннего кольца подшипника качения номинальным диаметром 50 мм, сканированием были получены следующие данные отклонения от номинального размера и соосности для различных выборок от количества точек, участвующих в построение для 20 различных выборок с увеличением числа точек от 20 до 3000, участвующих в выборке (таблица 1, рис.7).
Таблица 1
Отклонения построенных цилиндров от идеального
Номер выборки Количество точек, участвующих в выборке, шт. Диаметр построенного цилиндра, мм Отклонение от диаметра идеального цилиндра, мм Абсолютное значение угла между осью построенного и идеального цилиндров, град
1 27 49,969 -0,031 1,0328
2 132 49,997 -0,003 0,9857
3 214 50,005 0,005 1,0764
4 272 49,961 -0,039 2,7852
5 322 49,954 -0,046 1,1515
6 482 50,049 0,049 0,3085
7 499 49,961 -0,039 0,3669
8 518 49,969 -0,031 1,7449
9 580 50,012 0,012 0,4051
10 662 49,969 -0,031 3,7558
11 702 49,972 -0,028 1,1123
12 705 49,993 -0,007 0,4895
13 1325 50,02 0,02 2,0065
14 1782 50,006 0,006 1,522
15 2059 50,021 0,021 0,7087
16 2204 50,02 0,02 0,3085
17 2395 49,989 -0,011 0,4051
18 3004 49,986 -0,014 0,3438
Рис. 7. Пример сканирования цилиндрической поверхности
Анализ проводится в программе Geo Magic Studio. На рис.8 представлено распределение отклонений точек от построенного цилиндра для внутреннего кольца подшипника, максимальные отклонения достигают десятых мм, среднее значение отклонения порядка 50 мкм.
QOOO
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Количество точек
Рис. 8. Зависимость отклонения диаметра построенного цилиндра от количества точек,
участвующих в построении
Зависимость отклонения направления оси построенного цилиндра от количества точек, участвующих в построении, представлена на рис.9.
Количество точек
Рис. 9. Зависимость отклонения направления оси построенного цилиндра от количества точек, участвующих в построении
По графикам (рис.8 и 9) можно заметить, что с увеличением количества точек сначала происходит уточнение параметров цилиндра, благодаря тому, что в область выборки попадает все большее число точек, принадлежащих цилиндру, закрывая тем самым шумы от посторонних поверхностей. 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.
Отметим, что зависимости погрешностей определения геометрических параметров от числа точек являются немонотонными, колебательными, хотя можно было ожидать, что с увеличением числа точек точность непрерывно повышается. Тенденция устойчивого повышения точности наглядно проявляется при достаточно большом числе точек (многие тысячи).
Заключение
1. Количественно и качественно оценены преимущества, которые предоставляют современные лазерные 3Б-сканеры-дигитайзеры по сравнению с наиболее распространенными координатно-измерительными машинами при решении прикладных задач и сформулированы требования к их механизмам.
2. По результатам экспериментальных исследований сканированием объектов с различными типами и особенностями выполнен анализ погрешностей определения параметров положения и форм типовых поверхностей.
3. Найдены и охарактеризованы новые области, перспективные для эффективного использования 3Б-сканеров для документирования, наглядного представления результатов и количественных показателей.
ЛИТЕРАТУРА
1.Прямицын И.Б., Челпанов И.Б. Лазерные сканирующие устройства. Методы и методики исследования характеристик. Области применения // Современное машиностроение. Наука и образование: материалы Международной научно-практической конференции. 14-15 июля 2012 года. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2012. - С. 631-644.
2.Прямицын И.Б. Точность сканирования лазерных измерительных манипуляторов // Информационно-измерительные и управляющие системы. - М. : Радиотехника, 2011. Т 9. № 9.
- С. 73-76.
3.Прямицын И.Б., Челпанов И.Б., Аржанухина С.П. Настольные лазерные сканеры: новые области применения и точностные характеристики // Интернет-журнал «Науковедение». 2012. № 3. http://naukovedenie.ru.
