ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ 3D-СКАНИРОВАНИЯ, ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ОСЕВОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ МЕХОБРАБОТКИ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптическим устройствам для трехмерного сканирования профиля различных осевых режущих инструментов для мехобработки, такие как фрезы, сверла, метчики, развертки, зенкера, циковки (пресеттеры). Полученная 3D-модель может использоваться для точного измерения всех параметра инструмента, настройки перед установкой в станок или обратного инжиниринга для создания точного чертежа.
В качестве ближайшего аналога заявленного технологического решения выбрано устройство для предварительной настройки и измерения режущего инструмента для мехобработки (по патенту US 20100076717 А1 24.09.2008), содержащий два датчика. Один датчик предназначен для измерения вылета инструмента по его диаметру и длине теневым способом. Данный датчик содержит камеру с телецентрическим объективом в качестве фотоприемника и телецентрический излучатель, расположенные на одной оптической оси. Проходящий через инструмент свет формирует четкую тень на фотоприемнике, на основе которой рассчитываются характеристики инструмента. Второй датчик улавливает отраженный от поверхности инструмента свет. Он содержит камеру и светодиодную подсветку. Данная камера позволяет получить изображение всей поверхности инструмента, а не только его краев, как в случае с первым датчиком. Для получения изображения всего инструмента необходимо перемещать устройства вдоль оси инструмента, а сам инструмент вращать со шпинделем вокруг своей оси. Измерения передаются в персональный компьютер, который с высокой точностью измеряет характеристики инструмента.
У ближайшего аналога два недостатка. Первый недостаток возникает при сканировании передних углов инструмента. В этом случае могут возникать «теневые зоны». В результате 3D-модель получается неполной. Второй недостаток связан с технологией сканирования на основе анализа отраженного от поверхности света (фотограмметрия). Данная технология гарантирует необходимую точность, в основном, на краях объекта и поверхностях, имеющих хорошо выраженные особенности геометрии поверхности.
Технический результат полезной модели заключается в повышении точности определения трехмерного профиля инструмента.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для 3D-сканирования, измерения и контроля осевого режущего инструмента для мехобработки, помимо стандартной камеры, анализирующей тень от режущих кромок инструмента и отраженный свет, содержится лазерный стерео 3D-профилометр, имеющие пару фотоприемников. Один фотоприемник сканирует передние углы, второй фотоприемник - задние углы инструмента. Лазерный структурированный свет падает на инструмент поперек его оси. Программное обеспечение анализирует контуры инструмента, сформированные теневой картиной на фотосенсоре с телецентрическим объективом, с высокой точностью (около 1 мкм). На основе этих данных формируется 3D-модель контуров инструмента. Далее лазерный 3D-профилометр производит сканирование инструмента. Точность лазерных триангуляционных приборов на краях, ступеньках, гранях, отверстиях значительно снижена. Для повышения точности 3D-модели необходимо «вписать» полученную лазерным 3D-профилометров модель в 3D-модель точных контуров, полученных фотоприемником с телецентрическим объективом.
Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 кружком выделена область переднего угла фрезы, на котором возникает «теневая зона» при стандартном способе измерения. На фиг. 2 и фиг. 3 схематически изображено оптическое устройство для 3D-сканирования, измерения и контроля осевого режущего инструмента.
Устройство включает датчик для лазерного сканирования 1, снабженный источником лазерного излучения со структурированным светом в виде «линии» 2, два канала измерения 3 отраженного от инструмента 5 излучения, установленного в шпинделе 6, имеющий двигатель с энкодером 7, «теневым» датчиком, состоящим из телецентрического излучателя 4 и фотоприемника с телецетрическим объективом 9, расположенных на одной оптической оси, двигателем 8 для перемещения датчика 1 вдоль оси инструмента.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Инструмент устанавливается в шпиндель, оснащенный двигателем с радиальным энкодером. «Теневой» датчик сканирует контуры объекта по всей длине инструмента на 360 градусов с шагом поворота 1 градус. С помощью математической интерполяции с каждым новым поворотом достраивается объемная модель контура инструмента. Объемная контурная модель преобразуется в 3D-облако точек. Вторым этапом осуществляется лазерное 3D-сканирование. Лазерный луч, развернутый в «линию», направлен перпендикулярно оси инструмента. Оба фотоприемника регистрируют отраженное излучение, каждое из которых формирует трехмерное облако точек. Трехмерные облака точек объединяются в единую модель. Для формирования полной 3D-модели инструмент поворачивается с шагом 30 или менее градусов. На каждом шаге происходит лазерное 3D-сканирование.
Полученное 3D-облако точек аппроксимируется с 3D-облаком точек высокоточной объемной контурной модели. Алгоритм осуществляет сведение обоих 3D-моделей в единую 3D-модель. Результатом является высокоточная 3D-модель, объединяющая в себе преимущества теневого и лазерного триангуляционного метода без наличия «теневых» зон.
Заявленное устройство может найти применение в различных областях, где требуется высокоточная предварительная настройка режущих инструментов вне станка, измерение и контроль режущего инструмента, обратный инжиниринг инструмента, создание управляющий программы для быстрой переточки инструмента.