Лазерно-фотометрическое устройство измерения геометрических параметров поверхности криволинейных объектов

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения геометрических размеров и степени искривленности поверхностей объектов сложной формы.
Известны бесконтактные оптоэлектронные устройства для измерения геометрических параметров объектов, содержащие телекамеру и блоки обработки, основанные на формировании изображения контролируемого объекта на поверхности ПЗС матрицы телекамеры с дальнейшей передачей данных в ЭВМ и программной обработкой результатов [а.с. SU 1837160, МКИ G01B 21/30, бюлл. №32, 1993; а.с. SU 2052768, МКИ G01B 17/00, бюл. №22, 1995; а.с. SU 1657960, МКИ G01B 21/10, бюл. №23, 1991; а.c. SU 1675664, МКИ G01B 11/02, бюл. №33, 1991; а.с. SU 1716327 МКИ G01B 21/20, бюл. №8, 1992; патент RU №2163395, G06K 9/52, 2000, патент на полезную модель №32261, бюл. №25 от 10.09.2003, патент на полезную модель №73069, бюл. №13 от 10.05.2008]
Недостатком известных устройств является низкая точность, связанная с оптическими искажениями изображения на границах приемной матрицы, а также зависимостью размера изображения от расстояния объектива телекамеры до контролируемого объекта.
Прототипом заявляемого изобретения является телевизионное устройство, содержащие телекамеру, соединенную с устройством обработки и видеоконтрольным устройством, отличающееся тем, что телекамера размещена на платформе с микрометрическими устройствами задания перемещений по трем ортогональным координатам, снабженными датчиками перемещений, выходы которых подключены ко входу устройства обработки, (патент РФ на полезную модель №160312 бюл. №7 от 10.03.2016)
Недостатком прототипа является недостаточная точность при измерении криволинейных поверхностей, связанная с погрешностью, вносимой несовершенством обработки изображений сильно искривленных поверхностей, а также зависимостью результатов измерений от положения объекта относительно телекамеры.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений.
Технический результат достигается тем, что в известное лазерно-фотометрическое устройство измерения геометрии искривленных поверхностей, содержащее телекамеру, размещенную на платформе с механическими устройствами задания перемещений по трем ортогональным координатам, снабженными датчиками перемещений, выходы которых, также как и выход телекамеры подключены ко входу устройства управления обработки, соединенным с видеоконтрольным устройством, причем на платформе дополнительно размещены лазерный дальномер и проектор сетки, разнесенные на фиксированное расстояние, причем выход дальномера подключен ко входу устройства управления и обработки, выход которого подключен ко входу проектора сетки
Это позволяет формировать полное изображение объекта на экране видеоконтрольного устройства путем анализа искажения сетки.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фигуре 1 приведена структурная схема предложенного устройства, а на фигуре 2 плоское изображение контролируемого участка поверхности с нанесенной на него сеткой.
Устройство состоит из проектора сетки 1, лазерного дальномера 2 и телекамеры 3, закрепленных на платформе 4, способной перемещаться с помощью микрометрических устройств задания перемещений 5, 6, 7 по координатам X, Y, Z. На координатных направляющих платформы 4 размещены датчики перемещений 8, 9, 10, выходы которых, также как и выходы лазерного дальномера 2 и телекамеры 3, подключены к устройству управления и обработки 11, выходы которого соединены со входами проектора 1 и видеоконтрольного устройства 12.
0
0
а
Принцип работы устройства состоит в следующем (Фиг. 1). В компьютере формируется проекционная сетка с известными размерами а×b, которые могут изменяться программным путем. Сетка может быть не только прямоугольная, но и круговая, либо в виде произвольно ориентированных параллельных полос. На контролируемую поверхность S с помощью проектора 1 наносится сформированная в компьютере проекционная сетка. С помощью лазерного дальномера 2 на поверхность S наносится оптическая метка М, до которой определяется расстояние L. Расстояния между оптическими осями телекамеры, лазерного дальномера и проектора считаются известными. Затем телекамерой 3 с углом обзора а делается снимок контролируемого участка поверхности объекта с нанесенной на нем координатной сеткой. Изображение поверхности объекта на плоском экране с нанесенной сеткой показано на фигуре 2, где μ, η - координаты экрана. Перед съемкой путем перемещения координатной платформы 4 добиваются попадания лазерной метки М в выбранный узел координатной сетки. Обработка полученного изображения при известных размерах координатной сетки ×b, расстояния L, расстояний между оптическими осями дальномера, телекамеры и проектора, а также фокусных параметров применяемой оптики позволяет получить пространственные координаты любой точки поверхности. В дальнейшем определить все ее геометрические параметры, такие как кривизна, углы стыковки, вмятины, отклонения от эталонных параметров при наличии цифровой модели объекта.
При необходимости устройство позволяет оперативно, программным способом, изменять шаг и форму сетки путем задания эталонных перемещений платформы по трем координатам проводить калибровку устройства. Можно уточнять данные измерений с помощью выделения изображения и дополнительного пространственного сканирования сложного участка поверхности. Для этого первый снимок делается при нулевом смещении координатной платформы относительно начала координат (точка М), второй и последующий снимки при смещении камеры по координатам X, Y, Z устройствами задания перемещений 5, 6, 7 на известные величины относительно начала координат, фиксируемые датчиками перемещений 8, 9, 10. Все данные измерительной процедуры передаются в устройство обработки 11, в котором происходит вычисление по программе выполняющей обработку изображения. Независимо от смещения оптических оси телекамер от центра фигуры и плоскости измеряемого отрезка, определяя на экране длину шага сетки и цену деления одного пиксела экрана (масштаб) отдельно по координатам X, Y, Z и по формулам аналитической геометрии вычисляется реальный размер изделия. Результат измерительной процедуры выводится на видеоконтрольное устройство 12.
Изобретение позволяет практически полностью устраниться от влияния перекосов контролируемого объекта относительно оптической оси камеры. При этом, если камерой захватывается все изображение объекта, устройство обработки можно запрограммировать не только на измерение каких-то размеров, но и проводить анализ формы, вычислять центр тяжести, момент сопротивления и т.д. Устройство позволяет значительно повысить точность оперативных измерений геометрических параметров криволинейных объектов, сделав их независимыми от взаимного расположения телекамеры и контролируемого объекта при использовании в широком диапазоне измерений.