Способ измерения объемных координат перемещаемого щупа
METHOD OF MEASUREMENT OF VOLUME COORDINATE OF MOVABLE TARGET

Способ измерения объемных координат перемещаемого щупа путем проецирования лазерного паттерна из двух или более пространственных положений на известную геометрическую поверхность, отличающийся тем, что регистрация полученной картинки осуществляется через оптическую систему фотоматрицей, которая сама жестко механически связана как с геометрической поверхностью проецирования, так и с измерительным щупом, и позволяет математически рассчитать положение измерительного щупа относительно известных координат и векторов проецирования источников лазерного паттерна. Изобретение относится к способам оптического измерения и может быть применено для сборочных операций габаритных конструкций в машиностроении.
Известен способ измерения координат, когда на поверхность проецируют световую точку и регистрируют ее с другого пространственного положения, а расчет координаты световой точки производят по известным триангуляционным формулам, вводя в расчеты полученный по фотоматрице центр светового пятна и заранее известные координаты светоизлучателя и фотоматрицы, а также их вектора поворота в пространстве [1]. Недостатком этого способа является наличие дорогой оптической системы и недешевых фотоматриц с высоким разрешением.
Технический результат изобретения - это возможность получения координаты щупа с большей точностью на недорогом оборудовании. Сущность изобретения заключается в том, что для достижения указанного технического результата в заявленном способе измерения объемных координат применяется проецирование лазерного паттерна на известную геометрическую поверхность с нескольких направлений, отличающееся тем, что данная геометрическая поверхность и фотоматрица жестко механически связаны как между собой, так и с измерительным щупом.
Техническая сущность способа поясняется схемой (Фиг. 1), где 1 и 2 обозначены лазерные излучатели паттерна. 1а, 1б, 1в - трехлинейный паттерн (в данном случае это плоскости излучения и их пересечение с геометрической поверхностью 3) от лазерного излучателя 1, а 2а - однолинейный паттерн (в данном случае - плоскость излучения) от излучателя 2. Свет от них попадает на полуматовую известную геометрическую поверхность 3 (в данном варианте - плоский квадрат) и образует линии 1а, 1б, 1в, 2а, которые регистрируются фотоматрицей 5 через оптическую систему 4. Измерительный щуп 7, фотоматрица 5, оптическая система 4, геометрическая поверхность 3 жестко связаны между собой кронштейнами 6, образуя единый перемещаемый измерительный блок.
Рассмотрим случай, когда излучатель 1 находится в центре системы координат со смещением по оси Z (вверх), центральная плоскость излучения 16 проходит вдоль оси Y через ноль системы координат, а соседние плоскости излучения 1а и 1в имеют равные и противоположные углы вращения по оси Y. Источник 2 находится близко к источнику 1 и проецирует плоскость 2а вдоль оси X через ноль системы координат. Примем исходное положение геометрической поверхности 3 как лежащей на осях X_Y и в нуле системы координат (Фиг. 1). В этом положении фотоматрица 5 получит изображение как на Фиг. 2а. Линии 1а, 1б, 1в будут параллельны и иметь одинаковое расстояние между соседними линиями. Линия 2а будет перпендикулярна 1а, 1б, 1в. Если мы переместим измерительный блок вдоль оси Z (навстречу излучателям 1 и 2), то получим изображение как на Фиг. 2б, где расстояния между соседними линиями 1а-1б и 1б-1в будут тем меньше (по сравнению с Фиг. 2а), чем измерительный блок будет ближе к излучателям (очевидно по геометрическим построениям). Если придать вращение измерительному блоку по оси Y, то получим изображение как на Фиг. 2в, где расстояния между соседними линиями 1а-1б и 1б-1в будут отличаться тем больше, чем больше будет угол вращения. Это также очевидно вытекает из простых геометрических построений при сечении геометрической поверхности 3 лазерными плоскостями 1а, 1б, 1в. Если придать вращение измерительному блоку по оси X, то получим изображение как на Фиг. 2г, где линии 1а и 1в будут наклонены относительно линии 1б. Это также вытекает из геометрических построений пересечений плоскостей. Если придать вращение измерительному блоку по оси Z, то получим изображение как на Фиг. 2д, где линии 1а, 1б, 1в параллельны и с равным расстоянием, но повернуты относительно рамки фотоматрицы. Перемещения измерительного блока вдоль осей X и Y дают похожую на Фиг. 2а картинку, но со смещением линий 1а, 1б, 1в, 2а относительно центра фотоматрицы.
Пусть исходная координата щупа 7 будет XYZ=(0,0,0) и совпадает с центром геометрической поверхности 3. Пусть излучатели 1 и 2 находятся в точке (0,0,1000) и вектора нормалей плоскостей излучения паттерна 1а, 1б, 1в, 2а будут соответственно (-1, 0, 1), (1, 0, 0), (1, 0, 1), (0, 1, 1). Тогда при исходном положении измерительного блока в нуле системы координат (центр геометрической поверхности 3 равен (0, 0, 0)) расстояния между 1а-1б и 1б-1в равны между собой = 1000 мм. Если поднять измерительный блок по оси Z на 500 мм, то получим расстояния между 1а-1б и 1б-1в равными 500 мм, а значит, зная вектора нормалей проекционных плоскостей 1а, 1б, 1в (в нашем случае это углы 45 градусов от вертикали), находим координату щупа по правилу треугольника и получаем (0, 0, 500). Как видим, расчет перемещения по оси Z является элементарной функцией измерения расстояния между линиями 1а-1б и 1б-1в.
Перечень фигур: Фиг. 1 - общая аксонометрическая схема изобретения, Фиг. 2а - вид картинки при нулевом положении измерительного блока, Фиг. 2б - вид картинки при положительном смещении измерительного блока вдоль оси Z, Фиг. 2в - вид картинки при повороте измерительного блока по оси Y, Фиг. 2г - вид картинки при повороте измерительного блока по оси X, Фиг. 2д - вид картинки при повороте измерительного блока по оси Z.
Изобретение технически реализуемо, поскольку применяет известные принципы измерений и использует промышленные лазерные источники паттерна (проекторы или дифракционные решетки) и фотоматрицы с объективами.
Литература
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/3D_scanner