Способ получения виртуальных моделей длинномерных изделий
METHOD FOR OBTAINING VIRTUAL MODELS OF LONG-LENGTH PRODUCTS

Изобретение относится к способам получения виртуальных моделей таких изделий, как листы, прутки или трубы с целью обнаружения на них дефектов и может быть использовано в металлургической промышленности при контроле качества проката.
Известен «Способ калибровки и настройки системы лазерных датчиков и устройство для его осуществления» (патент на изобретение РФ №2541704, опубл. 27.09.2014, МПК G01B11/02). В соответствии с известным способом настроечный образец ориентируют в трёхмерном пространстве по отношению к блоку "камера-лазер" так, что свет, излучаемый лазером, виден камере, лазеры и камеры располагают на определенном расстоянии друг от друга так, что оптические оси лазеров и камер противолежат под определенным углом, определяют свойства лазера от света, записанного камерой, и расположение лазера относительно камеры, согласно которому лазерные датчики объединяют в одну систему координат, располагают под каждым из видимых лучей ванночки, представляющие собой настроечные образцы соответствующей формы, в качестве заполнителя ванночек используют воду, масло или любую другую жидкость, калибровку осуществляют по поверхности жидкости, на которую падает луч лазера, образуя на поверхности жидкости видимый след, при калибровке лазерные датчики перемещают в трехмерном пространстве по высоте, по сторонам, поворачивают на определенные углы, добиваясь визуально и на мониторе одинаковых значений геометрических параметров видимого следа от лазерных лучей на жидкой поверхности по всей длине ванночки, равной ширине настроечного образца, уровень во всех ванночках поддерживают одинаковым и горизонтальным.
Недостатком известного способа является сложность настройки системы измерительных лазеров, приводящая к невозможности его применения для контроля качества изделий на производстве.
Также известен «Способ измерения геометрических параметров стального листа, движущегося по рольгангу и лазерная измерительная система для его осуществления» (патент на изобретение РФ №2621490, опубл. 06.06.2017, МПК G01B11/02, G01B21/20), выбранный в качестве прототипа.
Известный способ включает сбор первичных данных, предварительную обработку и фильтрацию изображения поверхности листа, расчет координат измеренных профилей и поверхности листа, использование программного обеспечения путем сканирования с помощью лазерных триангуляционных датчиков поверхности листа, построение по определенному алгоритму виртуальной модели поверхности стального листа и последующую визуализацию виртуальной модели поверхности листа в компьютере, в котором алгоритм для получения исходных данных, принимает за начало отсчета координат некую виртуальную плоскость С, «парящую» над листом на расстоянии (100 – 300 мм) от плоскости рольганга, использует для построения виртуальной модели поверхности листа измерительную систему, состоящую из совокупности лазерных триангуляционных датчиков 2D-профилометров, расположенных над поверхностью стального листа, образующих, по меньшей мере, три измерительные линии ИЛ1, ИЛ2, ИЛ3 на расстоянии 500 мм друг от друга, перпендикулярных оси Y рольганга, с тремя датчиками в первом ряду, во втором ряду и в третьем ряду, всего с девятью датчиками, с лазерными линейками: L1, L2, L3, осуществляет обработку первичных данных, используемых для построения виртуальной модели поверхности листа, вводит функцию R1(X) распределения расстояний между виртуальной плоскостью С и проекцией лазерной линейки L1 на поверхность листа или, в его отсутствие, до любых других объектов в зоне обзора датчиков (ролики рольганга, пола и т.д.), аналогично вводит новые функции R2(X), R3(X), связанные с лазерными линейками L2, L3, осуществляет акты измерений расстояний от виртуальной плоскости С до поверхности листа, синхронно, с частотой 100 – 500  Гц, снимает распределения этих расстояний R1(X), R2(X), R3(X) по всем лазерным линейкам L1, L2, L3, на поверхности листа, пола, металлоконструкций, элементов рольганга, на которые осуществлены проекции лазерных лучей линеек L1, L2, L3, получает целый набор из n профилей, осуществившихся в моменты времени Tl, Т2, Т3 ... Тn, идентифицирует дискретные профили R1(X), R2(X), R3(X), формирует буферы профилей для каждой лазерной линейки, как только обнаружено начало листа и завершает набор профилей, когда лист покидает зону соответствующей лазерной линейки L1, L2, L3, обрабатывает в каждой лазерной линейке L1, L2, L3 дискретные профили, получает на листе три «независимых буфера или «хранилища» профилей R1(X), R2(X), R3(X), заменяет дискретные профили R1(X), R2(X), R3(X) на гладкие линии С3, очищенные от шумов и помех в виде вибраций и различного рода механических колебаний листа при движении по рольгангу, преобразует, очищенные от помех профили R1*, R2*, R3* в три независимые виртуальные модели одной и той же поверхности листа вдоль оси Y рольганга, аппроксимирует распределение профилей R1*, R2*, R3* по линии С4 в направлении оси Y движения листа, корректирует совокупности профилей R1, R2, R3 путем прибавления или вычитания одной и той же константы, позволяющей профилю максимально приблизиться к поверхности аппроксимации, аппроксимируя виртуальную поверхность листа только продольными линиями С5, завершает коррекцию и уточнение виртуальной модели поверхности листа по выражению: p(Y0)=(R1+R3)/2-R2, определяющее абсолютную величину и знак локальной кривизны p(Y0) в любой точке X, Y поверхности листа при фиксированном значении по оси X, строит окончательную виртуальную модель поверхности листа по трем независимым источникам информации для построения виртуальной модели поверхности листа: лазерные линейки L1, L2, L3, получает три независимые виртуальные поверхности S1*, S2*, S3*, сопоставляет эти виртуальные поверхности, осуществляет построение и визуализацию в компьютере достоверной виртуальной модели поверхности S листа, после чего применяются методы измерения геометрических параметров, аналогичные ручным методам измерения – прикладыванием линейки, измерением зазоров и пр., при этом величина перпендикулярного отрезка, построенного от виртуальной прямой к каждой точке кривой, построенной по координатам текущего профиля листа, будет отражать величину неплоскостности в каждой точке профиля листа, при расчете серповидности используются координаты кромок точек с трех лазерных ИЛ путем построения треугольника, высота которого, построенная из координаты кромки на ИЛ2 будет отражать величину серповидности на измеряемом метре, а измерение ширины листа осуществляется по трем лазерным линиям ИЛ путем сложения базовых расстояний между ТД линии измерения и координат кромок листа, полученных датчиками, в зоне работы которых находятся кромки листа, с учетом наличия разворота листа в зоне измерения.
Недостатками известного способа являются использование трудоёмкого метода измерения геометрических параметров листа, аналогичных ручным методам измерения – прикладыванием линейки, а также применение сложного алгоритма для получения виртуального профиля листа в трёхмерном пространстве.
Также известны и другие способы измерения геометрических параметров изделий, например, описанные в изобретениях: US7477372, JP4511978, JP4493428.
Однако ни один из известных способов не позволяет получить быстро и точно в производственных условиях виртуальные модели таких длинномерных изделий, как листы, прутки или трубы.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является невозможность с помощью известных способов оперативного получения в производственных условиях точных виртуальных моделей производимых длинномерных изделий.
Техническим результатом, достигаемым при помощи заявляемого способа, является расширение технических возможностей для обнаружения поверхностных дефектов длинномерных изделий, например, изготавливаемых прокатом листов, прутков или труб, а также повышение достоверности производимых измерений.
Указанный технический результат достигается за счёт применения способа получения виртуальных моделей длинномерных изделий, включающего сканирование поверхности изделия при помощи триангуляционных лазерных датчиков (2D-профилометров) при заданной частоте и по заданному алгоритму движения в продольном и поперечном направлениях, причём для сканирования поверхности изделия в продольном направлении линии лучей одного или нескольких лазерных датчиков располагают вдоль направления движения, а для сканирования поверхности изделия в поперечном направлении линии лучей датчиков располагают поперек направления движения, при этом продольные и поперечные линии сканирования имеют общие точки, после чего производят виртуальное наложение полученных данных измерений в продольном направлении на данные измерений, полученных в поперечном направлении с их взаимной привязкой по общим точкам, в результате чего в памяти компьютера формируется точная виртуальная модель изделия, которую в дальнейшем можно использовать для измерений формы изделия при помощи виртуальных инструментов.
Кроме того, для повышения точности измерений сканирование поверхности в продольном направлении производят таким образом, что каждое текущее изображение смещено относительно предыдущего так, что оба изображения частично наложены друг на друга, при этом полученное совмещенное изображение имеет размерность большую, чем размерность каждого отдельного изображения.
Сканирование поверхности изделия производят в поперечном и продольном направлениях как путём перемещения изделия относительно неподвижных датчиков, так и путём перемещения датчиков относительно неподвижного изделия.
Полученная таким образом виртуальная модель изделия, например, листа, трубы или прутка может быть использована для дальнейших  измерений, производимых при помощи виртуальных инструментов, например, для измерения плоскостности и серповидности листа, а также кривизны, овальности, косины реза для прутков или труб.
Сущность заявляемого способа получения виртуальных моделей длинномерных изделий поясняется изображениями:
На Фиг. 1 показана виртуальная модель поверхности листа.
На Фиг. 2 показана виртуальная модель поверхности прутка или трубы.
Для получения виртуальной модели поверхности листа (Фиг. 1) производят сканирование его поверхности в продольном направлении с помощью 2D-профилометров, расположенным на заданном расстоянии от поверхности листа, при заданной частоте и по заданному алгоритму, таким образом, что получают последовательность изображений, причём каждое последующее изображение сдвинуто относительно предыдущего на заданное значение и частично перекрывает его, за счёт чего достигается возможность точного совмещения двух соседних изображений. Таким образом, из полученной совокупности данных измерений в продольном направлении формируют две или более продольные виртуальные линии.
Одновременно производят сканирование поверхности листа с помощью 2D-профилометров в поперечном направлении, при этом продольные и поперечные линии сканирования имеют общие точки, затем полученные данные измерений в поперечном направлении в памяти компьютера точно позиционируются относительно полученных данных измерений в продольном направлении за счёт наличия общих точек.
Таким образом, в результате получают точную виртуальную модель металлического листа.
Для получения виртуальной модели объёмного изделия, например, прутка или трубы (Фиг. 2), в отличие от получения виртуальной модели листа, необходимо получить круговую форму поперечного профиля такого изделия, для этого 2D-профилометры располагают вокруг его оси на заданном расстоянии от поверхности прутка или трубы, измерение поверхности профиля производят в режиме панорамирования, при котором на две или более продольные линии сканирования поверхности изделия накладываются в памяти компьютера на поперечные изображения профиля, при этом наложение линий согласуется по общим точкам, в результате чего получаютвиртуальную модель прутка или трубы, которую затем можно использовать для дальнейших измерений при помощи виртуальных инструментов, например, кривизны, овальности или косины реза.
Таким образом, за счёт применения заявляемого способа получения виртуальных моделей длинномерных изделий расширяются технические возможности для обнаружения дефектов поверхностей изделий, а также повышается достоверность производимых измерений.