СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТИ СО СЛОЖНОЙ ФОРМОЙ (варианты)
METHOD FOR DETERMINING THE GEOMETRY OF A SURFACE WITH A COMPLEX SHAPE (options)

Группа изобретений относится к области измерительной техники и может быть использована для точного контроля неизвестной поверхности сложной формы или ее профиля, например, для точного контроля поверхности с включениями острых кромок (до 0,001 мм) при отсутствии CAD-модели.
Известен ряд способов построения профилей объектов, включающих сканирование лазерным излучением (см. например, патенты на изобретение РФ №№2256878, МПК  G01B 11/24, опубл. 20.07.2005; 2091710,  МПК G01B 21/20, опубл. 27.09.1997; 2097692, МПК G01B 21/20, опубл. 27.11.1997).
Однако точность измерений для поверхностей, образованных разными контурами, будет недостаточной.
Существуют коммерческие системы измерения трехмерного профиля, которые можно использовать для измерения для подготовки кромки режущего инструмента. Одна коммерческая система использует методы интерферометрии белого света для создания среза краевой области с очень высоким разрешением. В другой коммерческой системе используются методы формирования изображения на основе вариации фокуса или конфокальные изображения для определения узких вертикальных срезов края. Эти технологии ориентированы на получение точных данных высокой плотности. Обе эти системы основаны на микроскопе, способном измерять только очень маленькую область, обычно намного меньше миллиметра за раз. Для покрытия больших площадей требуется сшивание данных и постоянное изменение положения режущего инструмента.
Настройка и изменение положения режущего инструмента с помощью этих текущих методов требует, чтобы оператор расположил режущий инструмент и удостоверился, что целевая область находится в пределах рабочего диапазона датчика, что также вносит погрешность и влияет на производительность измерений.
Наиболее близким к заявляемым решениям является способ получения профиля кромки режущего инструмента с помощью точечного датчика. Способ включает в себя: (a) сканирование краевых точек режущего инструмента, включая целевую крайнюю точку на целевой кромке, с использованием датчика точек путем вращения режущего инструмента вокруг своей оси для создания первого облака точек, в котором первое облако точек включает в себя местоположение и информацию об ориентации целевой конечной точки; (b) изменение положения точечного датчика и режущего инструмента относительно друг друга на основе информации о местоположении и ориентации целевой конечной точки, так что фокус датчика находится в интересующей области, содержащей целевую крайнюю точку; и (c) сканирование интересующей области с использованием датчика точек для создания второго облака точек, в котором второе облако точек включает в себя информацию для анализа профиля края (см. патент на изобретение EP2785493, МПК B23Q17/09, опубл. 08.10.2014).
Недостатком является недостаточно высокая точность и ограниченность применения метода.
Техническая проблема, решаемая заявленными изобретениями, заключается в получении информации о реальной геометрии неизвестной поверхности при помощи щупа сферической формы, схемы сканирования и расчета.
Технический результат заключается также в повышении точности определения геометрии поверхности.
согласно решению
Технический результат достигается тем, что в способе определения геометрии неизвестной поверхности, включающем сканирование поверхности для получения координат точек с помощью датчика,  в качестве датчика используют щуп сферической формы, при сканировании поверхности осуществляют непрерывное отслеживание координат центра сферы щупа в заданной системе координат, фиксируют координаты точек центров сферы щупа в моментах контакта с неизвестной поверхностью для двух соседних траекторий сканирования, выбирают две соседние точки центров сферы, соответствующие первой траектории сканирования и одну ближайшую к ним точку центра сферы, соответствующую второй траектории сканирования, через выбранные три точки строят плоскость, которую затем сдвигают параллельно самой себе по направлению к поверхности на величину радиуса сферы щупа, получая тем самым координаты точек искомой поверхности, при этом радиус сферы как минимум в 7 раз больше шага между получаемыми точками, а количество и направление траекторий сканирования выбирают в зависимости от необходимой точности определения поверхности.
согласно решению
Во втором варианте исполнения в способе определения геометрии сечения неизвестной поверхности, включающий сканирование поверхности для получения координат точек с помощью датчика в качестве датчика используют щуп сферической формы, радиус которой как минимум в 7 раз больше шага между точками касания, при сканировании поверхности осуществляют непрерывное отслеживание координат центра сферы щупа в заданной системе координат,  сканирование осуществляют по одной траектории в области плоского сечения, в котором ортогональные вектора из точек касаний щупа к поверхности лежат в  плоскости сечения, при сканировании фиксируют точки центров сферы щупа, входящей в контакт с неизвестной поверхностью, определяют координаты точек центров, строят окружности с радиусом щупа и по точкам пересечения соседних окружностей получают искомую линию сечения неизвестной поверхности.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена иллюстрация к реализации способа построения части исследуемой поверхности между двумя параллельными траекториями движения щупа, на фиг. 2 - иллюстрация к реализации способа для построения линии одного сечения исследуемой поверхности; на фиг. 3 – профиль, построенный предложенным способом для лопатки газотурбинного двигателя, на фиг. 4 – сечение кромки фрезы Sandvic Coromant 10341-1200-ХА 1630,
где:
1. Сферы щупа при сканировании;
2. Определяемая неизвестная поверхность;
3. Первая траектория сканирования;
4. Вторая траектория сканирования;
5. Шаг между точками касания;
6. Точки касания щупом поверхности;
7. Центры сферы щупа;
8. Первая линия центров сферы щупа;
9. Вторая линия центров сферы щупа;
10. Плоскость, построенная по центрам сферы щупа;
11. Радиус сферы щупа;
12. Плоскость, сдвинутая на радиус сферы щупа;
13. Траектория сканирования;
14. Плоскость сечения;
15. Линия центров сферы щупа;
16. Точки пересечения окружностей;
17. Расстояние линией сечения и поверхностью;
18. «Кромка»;
19. Теоретический радиус кромки;
20. «Спинка»;
21. «Корыто»;
22. Заострение;
23. Режущая поверхность;
24. Угол резания.
Для реализации способа необходимо использовать устройство, в котором при сканировании поверхности происходит непрерывное отслеживание координат центра сферы щупа в заданной системе координат. Таким устройством может являться, например, координатно-измерительная машина (КИМ). Для определения геометрии неизвестной поверхности в заданной системе координат предлагается проводить контактное сканирование сферическим щупом 1 по определяемой неизвестной поверхности 2.  Сканирование проводят по двум соседним параллельным траекториям 3, 4 расположенным примерно на расстоянии шага касаний (сканирования) 5, как минимум в 7 раз меньшим радиуса сферы щупа 1. Установлено, что выбор такого соотношения шага сканирования к радиусу позволяет сократить погрешность измерений. При сканировании по траекториям 3 и 4 получают точки касания щупа 6 определяемой поверхности 2. Затем фиксируют в выбранной системе координаты X, Y, Z точек центров щупа 7, соответствующие моментам касания щупа поверхности. В результате получают две линии центров щупа 8 и 9. Затем выбирают две соседние точки на одной линии центров, например 8,  и одну ближайшую к ним точку на второй линии 9, и строят в выбранной системе координат три сферы с радиусом щупа 1 с центрами в точках 7. Затем через эти три точки, образующие треугольник, строят плоскость 10. Её сдвигают параллельно самой себе по направлению к определяемой поверхности на величину радиуса щупа 11, получив плоскость 12 с тремя точками, которые совпадают с точками касания щупа контролируемой поверхности 6. Они образуют треугольник в плоскости 12.
Получив достаточное количество точек и треугольников, известными способами строится вся поверхность. Например, с использованием программных продуктов компаний Ascon, Autodesk: создание поверхностей из полигонов (треугольников) или точек.
Количество и направление траекторий сканирования выбирается в зависимости от необходимой точности определения поверхности. Погрешности построения уменьшаются с повышением количества точек, траекторий, уменьшением шага.
Существует другой вариант применения заявленного способа для определения плоского сечения на неизвестной поверхности, в котором ортогональные вектора из точек касаний щупа к поверхности лежат в  этой же плоскости или их незначительные отклонения от плоскости не мешают получить достаточно точный результат.
Проводя сканирование в плоском сечении, достаточно одной линии сканирования, выполняя те же условия: шаг сканирования как минимум в 7 раз меньше радиуса щупа.
Для определения геометрии сечения 13 на неизвестной поверхности 2, в заданной системе координат X, Y в плоскости 14 предлагается проводить контактное сканирование сферическим щупом 1.  Сканирование проводят в выбранной плоскости 14 по траектории 13 с шагом сканирования 5. При сканировании получаем точки 6 касания щупа 1 поверхности 2. Фиксируем точки центров 7 щупа 1, соответствующие касаниям 6 щупа 1. Затем на точках линии центров 15 строим окружности 1 в плоскости 14 с радиусом щупа 1. После чего находим точки пересечения 16 соседних окружностей, которые являются точками определяемого сечения 13 поверхности 2. Затем известными способами (например, с использованием программных продуктов компаний Ascon, Autodesk) по облаку точек 16 строим нужное сечение.
Благодаря правильному выбору соотношения радиуса сферы щупа к шагу между касаниями расстояние 17 между сечением 13 и полученной линией по точкам 16 не будет превышать допустимую величину.
При необходимости определения сечения с особо малым внешним радиусом поверхности (например: острия режущей кромки металлорежущего инструмента, от 0,05 до 0,001 мм) при сканировании желательно обеспечить касание щупа с минимальным усилием, тем самым не внося погрешность деформаций. При вычислениях координат сечения поверхности, получаемой из облака точек 16, оставляя среднеквадратичную линию сечения.
Способ был реализован для определения формы поверхности лопатки газотурбинных двигателей (Фиг. 3). Щупом датчика с диаметром 5 мм исследовали «кромку» 18 с номиналом радиуса 0,95 мм. Сбор точек при сканировании осуществляли с помощью КИМ, обработку данных проводили программно по вышеописанной методике. В результате были выявлены отклонения от номинальных размеров имеющими теоретический радиус 19. При измерении заявленным способом контролировались форма лопатки в месте соединения «кромки» 18, «спинки» 20 и «корыта» 21.  Реальная стыковка поверхностей, из-за неточности их исполнения, была не известна, из-за незнания реальных касаний щупа.
Предлагаемый способ, не зависящий от CAD-моделей, и позволил определять реально существующую поверхность 18, 20, 21.
Также заявленным способом была определена форма режущей кромки металлорежущего инструмента (Фиг. 4). Микроцилиндр — эквивалентный реальному  заострению 22 ( часто радиус его менее  5 мкм) с его CAD-моделью не даёт результатов , т. к. волнистость и шероховатость уже соизмеримы с искомыми размерами, а ошибки нормалей существенно влияет на результат  измерения. Здесь получена подробная форма режущей поверхности 23 при переходе её от теоретических заднего и переднего углов резанья 24 к реальному профилю заострения 22 инструмента.