ТРЁХМЕРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Буклагин Д.С.¹, Шмелев С.А.²

¹ORCID: 0000-0001-5290-70-75, доктор технических наук, профессор,

ФГБНУ «Росинформагротех»

²ORCID: 0000-0002-3112-6613, кандидат технических наук,

АО «КБточмаш им. А.Э. Нудельмана»

ТРЁХМЕРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Аннотация

Обеспечение точности, быстроты и удобства измерений деталей часто является проблемой промышленного производства, так как требует применения широкого спектра, как стандартных, так и не стандартных средств измерений с различной точностью и приспособленностью к различным видам измерений. В данной статье рассмотрены существующие средства создания трёхмерных измерительных систем, возможность их применения взамен стандартизованных механических средств измерений, позволяющих решать проблемы быстроты, точности и удобства измерений в различных областях промышленного производства.

Ключевые слова: система, точность, деталь, 3D измерения, машинное зрение, оптические измерения.

Buklagin D.S.¹, Shmelev S.A.²

¹ORCID: 0000-0001-5290-70-75, PhD in Engineering, Professor,

FSBSI Rosinformagrotech

²ORCID: 0000-0002-3112-6613, PhD in Engineering,

«KBTochmash named after A.E. Nudelman» JSC

THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT SYSTEMS AND POSSIBILITY OF THEIR APPLICATION IN INDUSTRY

Abstract

Ensuring the accuracy, speed and convenience of measurements of parts is often an industrial production problem, since it requires a wide range of standard and non-standard measuring instruments with different accuracy and adaptability to different types of measurements. This article considers the existing means of creating three-dimensional measuring systems, the possibility of their use instead of standardized mechanical measuring instruments, solving the problems of speed, accuracy and convenience of measurements in various areas of industrial production.

Keywords: system, accuracy, detail, 3D measurements, machine vision, optical measurements.

Выполнение требований к производству деталей необходимого качества в современной промышленности тесно связаны с проблемой применения средств измерений определенной точности и скоростью выполнения самих измерений. Кроме того, при производстве сложных деталей существует множество труднодоступных мест, для измерения которых приходится применять большое число нестандартных средств измерений, например, штангенинструментов (рис. 1).

Рис. 1 – Пример нестандартных штангенинструментов и их применение

Решение этих проблем требует от метрологической службы предприятия искать способы эффективного применения 3D измерительных систем для сравнения результатов измерений с заданной идеальной 3D моделью детали. В данной статье рассматриваются существующие средства измерений, создающие измеренные 3D модели и сравнивающие их с идеальными, позволяющие решить проблему быстроты и точности измерений.

Задача создания 3D измерительных систем связана с попытками разработки и использования машинного зрения. Можно сказать, что общий принцип работы систем машинного зрения заключается в том, что сигнал, полученный от аналоговой видеокамеры переводится в цифровую форму, которая представляет собой набор пикселей (точек) по перепадам яркости, которых компьютер вычисляет границы измеряемого объекта на плоскости. Намного труднее определять высоту, а также координаты нахождения каждой точки в трёхмерном моделируемом пространстве. Для определения высоты, а также других размеров, в большинстве оптических приборов используется метод оптической триангуляции. Применение метода триангуляции позволяет достигать точности в 0,001 доли измеряемого расстояния [1], [2].

Схема прибора использующего метод триангуляции (рис. 2) состоит из трёх частей: излучатель 1, измеряемый объект 2 и приёмник 3.

Рис. 2 – Схема прибора использующего метод триангуляции

Излучатель 1 формирует изображение светового пятна на измеряемом объекте 2. Затем рассеянный измеряемым объектом световой луч попадает в фотоприёмник 3. Фотоприемник фиксирует изображение рассеянного светового луча. Перемещение измеряемого объекта ∆z, создаёт смещение светового луча в фотоприёмнике ∆x. Зависимость перемещения измеряемого объекта ∆z, от смещения светового луча ∆x, имеет следующий вид:

∆z=r∙sinφ/sin(α-φ),                                                           (1)

где φ=arctg(A∙∆x/(1+B∙∆x)), A=sinβ/r', B=-cosβ/r', r и r' – соответственно расстояния от измеряемого объекта 2 до объектива фотоприёмника 3, и от объектива до фотоприемника [3].

В настоящее время 3D измерительные системы производятся многими российскими и зарубежными фирмами. Их применение позволяет в различной степени решать проблемы точности, удобства и быстроты измерений. В число наиболее известных мировых производителей входят такие фирмы как: SICK (Германия), Cognex (США).

Решения фирмы SICK широко применяются в различных организациях, как при считывании штрих кодов, так и в автомобильной промышленности при идентификации деталей и определения отклонений от их формы. Рассмотрим некоторые интересные решения и их характеристики.

В качестве одного  из решений поставленных задач фирма SICK предлагает камеры Ranger и Ruler (табл. 1, рис. 3) для измерений трехмерных параметров в скоростном режиме. Камеры формируют серию профилей измеряемого объекта, а трёхмерное изображение обеспечивает данные о высоте и форме объекта. Камеры Ranger и Ruler являются приборами со схожими характеристиками. Однако, камеры Ranger могут иметь различную комплектацию и имеют возможность подстраиваться под выполнения определенных задач непосредственно на месте, в то время как камеры Ruler настраиваются самой фирмой-изготовителем. Всё это ведет к различным положительным и отрицательным последствиям. С одной стороны, устанавливая камеры Ranger можно выбрать только часть необходимых опций и более точно их настроить непосредственно на месте, но для правильной и точной их установки и наладки нужен высоко квалифицированный персонал, содержание которого требует значительных затрат.

Таблица 1 – Техническая характеристика камер серии Ruler Е

Показатель	Ruler E1200	Ruler E600
Макс. ширина профиля	1024	1536
3D разрешение по высоте	0,4 мм	0,2 мм
Пример поля зрения (H x W)	250x1200 мм	250x600 мм
Производительность	10000 3D профилей в секунду
Размеры (L x H x D)	420 x 163 x 105 мм
Степень защиты	IP 65
Класс лазера	2M/2 (опция 3B)
Опции	Измерение рассеяния, 3B лазер, подогрев

Рис. 3 – Внешний вид камер Ranger и Ruler

Изображение с нескольких подобных камер фирмы SICK можно объединять в одну 3D модель при помощи Sensor Integration Machine (рис. 4), что при правильной их расстановке позволит измерять объект полностью, со всех сторон.

Рис. 4 – Внешний вид блока объединения сигналов датчиков Sensor Integration Machine (SIM)

Исходя из данных (табл. 1), можно сделать заключение о том, что данные решения действительно предназначены для быстрых измерений и способны производить до 10000 профилей в секунду, при этом точность данных измерений достигает десятых долей миллиметра [4, С. 5-6], [5, С. 12-19], [6, С. 10-12], [7, С. 105-121].

Кроме представленных в статье решений, фирма SICK предлагает датчики TriSpector1000 (табл. 2, рис. 5) для единичных высокоточных 3D измерений. Данные датчики нельзя подключать в единую информационную систему, но они хорошо зарекомендовали себя для быстрых измерений в потоке [8, С. 10-11].

Таблица 2 – Техническая характеристика датчиков серии TriSpector

Показатель	TriSpector1008	TriSpector1030	TriSpector1060
Рабочая дистанция, мм	56-116	141-541	321-1121
Пример поля зрения, мм	65х15	270х100	540х200
Лазер	2М, видимый красный свет (660 нм)
Производительность	2000 3D-профилей/с
Разрешение 3D-профиля	790 точек (пикселей)
Ширина при минимальной рабочей дистанции, мм	40	90	180
Ширина при максимальной рабочей дистанции, мм	75	330	660
Максимальный диапазон высоты, мм	60	400	800
Разрешение по высоте, мкм	20-50	40-280	80-670

Рис. 5 – Внешний вид датчика TriSpector1000

Исходя из данных (табл. 2) можно сделать вывод, что производительность данных приборов во много раз ниже чем у камер Ranger и Ruler, что в свою очередь свидетельствует о возможности измерений намного меньших размеров. Однако, точности датчиков TriSpector1000 достигает уже сотых долей миллиметра, что в свою очередь соответствует точности штангенприборов и позволяет избавиться от их применения на производстве. Таким образом, фирма SICK представляет законченные решения позволяющее контролировать качество деталей в потоке.

Кроме уже названной фирмы SICK существуют и другие фирмы, зарекомендовавшие свои решения на мировом рынке. Одной из таких фирм является компания Cognex, которая предлагает и внедряет 3D сканеры DS1000 (табл. 3, рис. 6). Эти сканеры, как заявляет производитель, способны измерять изделия с микронной точностью [9], [10].

Таблица 3 – Техническая характеристика сканеров DS1000

Показатель	DS925B	DS1050	DS1101	DS1300
Ближнее поле обзора (мм)	23,4	43	64	90
Дальнее поле обзора (мм)	29,1	79	162	410
Расстояние между инструментом и деталью (мм)	53,5	87	135	180
Диапазон измерения (мм)	25	76	220	725
Класс лазера	2м	2м	2м	2м
Разрешение X (мм)	0,0183 -0,0227	0,059 -0,090	0,079 -0,181	0,101 -0,457
Разрешение Z (мм)	0,002	0,004-0,014	0,010-0,052	0,016-0,265

Рис. 6 – Внешний вид сканеров DS1000

Как видно из представленных технических характеристик (табл. 3) сканеры DS1000 действительно обладают точностью до 2 мкм для измерений деталей по высоте, однако точность измерений по ширине достигает сотых долей миллиметра (что по точности соответствует измерениям штангенинструментом), видимо это так же связано с разрешением оптической камеры и с алгоритмом распознавания границ на плоскости.

Кроме широко применяемых в мировой практике устройств фирм SICK (Германия), Cognex (США) есть и другие производители 3D измерительных устройств, заслуживающие не меньшего внимания, такие как: РИФТЭК (Беларусь), ПРИЗМА (Россия), ИНКОМ (Россия) и другие.

Рассмотрим подробнее один из сканеров фирмы РИФТЭК основанной в Белоруссии, имеющей также производство и в России. Лазерные сканеры серии РФ625 (табл.4, рис. 7) производят измерения 2D профилей и посредством перемещения детали производят измерения всей детали и построение 3D моделей [11, С. 1-8].

Таблица 4 – Основные технические характеристики сканеров серии РФ625

Показатель	Значение
Быстродействие	248 профилей/с в обычном режиме 491 профилей/с в режиме повышенной частоты
Максимальное быстродействие	1875 профилей/с
Линейность (погрешность), Z ось (по высоте)	±0,1% от диапазона (±0,05% от диапазона для сканеров с диапазоном 17/6-7/8 мм)
Линейность (погрешность), Х ось (по ширине)	±0,2% от диапазона
Рабочий диапазон, Z ось	От 5 до 1400 мм
Рабочий диапазон, Х ось	От 7 до 980 мм

Если подсчитать погрешность сканеров серии РФ625 в соответствии с табл. 4 то получается, что точность измерения профиля (размер по высоте и ширине) для многих моделей данной серии сравнима с измеренной штангенинструментом. Однако, как в случаях со сканерами DS1000 и датчиками TriSpector1000, точность построения 3D модели будет сильно зависить от равномерности поступательного движения измеряемой детали, её вибрации и самого алгоритма сложения профилей в единую 3D модель, а это уже не зависит от самих датчиков.

Рис. 7 – Внешний вид сканеров серии РФ625

В свою очередь все представленные в статье 3D устройства предоставляют предприятиям возможность 100% контроля каждой детали. В то время, как многие предприятия занимающиеся конвейерным производством могут позволить себе только контроль выборки, который не позволяет говорить о 100% контроле качества и в данном случае можно говорить о вероятности и статистических характеристиках распределения показателей качества изготавливаемой детали.

Таким образом, в настоящее время существует множество устройств, позволяющих решить значительный спектр задач, связанных с точностью, измерений, которая соответствует точности измерений штангенинструментом, но обеспечивает быстроту и удобство при массовом контроле деталей в промышленном производстве, позволяет решить множество других задач на основе совершенствования средств и алгоритмов распознавания при 3D измерениях.

Список литературы / References

1. Востропятов Н. А. Принципы машинного зрения [электронный ресурс] // Реферат по читающим автоматам: http://www.studfiles.ru/preview/356491/ (дата обращения 24.08.2017).
2. Метод триангуляции [электронный ресурс] // http://www.laserportal.ru/content_536 (дата обращения 24.08.2017).
3. Теория триангуляционного метода измерения [электронный ресурс] // http://www.controlplast.ru/site/index.php?/rproducts/klaser/teoria-triangulyacia (дата обращения 24.08.2017).
4. Лысенко О. Машинное зрение от SICK / IVP [электронный ресурс] // cyberleninka.ru: научная электронная библиотека «КиберЛенинка»., Журнал «Компоненты и технологии». – 2007. - №1: https://cyberleninka.ru/article/v/mashinnoe-zrenie-ot-sick-ivp (дата обращения 24.08.2017).
5. Обзор продукции. Машинное зрение. Новое измерение в машинном зрении [электронный ресурс] // http://www.energoprime.ru/catalog-pdf/SICK/Машинное-зрение.pdf (дата обращения 24.08.2017).
6. Product overview. Vision a new dimension in vision. 2D vision, 3D vision, Sensor Integration Machine [электронный ресурс] // https://goo.gl/cFqHns (дата обращения 27.09.2017).
7. Product catalog 2014/2015. Vision. Vision sensors. Smart cameras. Hight-end cameras. [электронный ресурс] // https://goo.gl/qZ6YzG (дата обращения 27.09.2017).
8. TriSpector INTUITIVE 3D INSPECTION [электронный ресурс] // https://goo.gl/7Fc3k9 (дата обращения 24.08.2017).
9. DS1000 - интеллектуальные 3D сканеры [электронный ресурс] // http://www.mallenom.ru/products/mashinnoe-zrenie/ds1000-3d-scanner/ (дата обращения 24.08.2017).
10. Cognex vision. Серия DS Датчик перемещения 3D. Лазерная система определения профиля. [электронный ресурс] // https://goo.gl/kiQv7W (дата обращения 27.09.2017).
11. RIFTEK. Лазерные сканеры. Серия РФ625. Руководство по эксплуатации. [электронный ресурс] // https://goo.gl/Rc3PCh(дата обращения 16.11.2017).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Vostropyatov N.A. Principy mashinnogo zreniya [Principles of machine vision] N.A. Vostropyatov // Referat po chitayuschim avtomatam [Essay on reading machines] [electronic resource] http://www.studfiles.ru/preview/356491 (accessed 24.08.2017). [in Russian]
2. Metod triangulyacii [The triangulation method] // The free access [electronic resource] http://www.laserportal.ru/content_536 (accessed 24.08.2017). [in Russian]
3. Teoriya triangulyacionnogo metoda izmereniya [The theory triangulation method of measurement] // The free access [electronic resource] http://www.controlplast.ru/site/index.php?/rproducts/klaser/teoria-triangulyacia (accessed 24.08.2017). [in Russian]
4. Lysenko O. Mashinnoe zrenie ot SICK / IVP [Machine vision from SICK / IVP] O. Lysenko // cyberleninka.ru: nauchnaya elektronnaya biblioteka «KiberLeninka»., Zhurnal «Komponenty i tekhnologii» – 2007. - №1 [scientific digital library "Cyberleninka"., The journal "components and technologies"] [electronic resource]. https://cyberleninka.ru/article/v/mashinnoe-zrenie-ot-sick-ivp [in Russian]
5. Obzor produkcii. Mashinnoe zrenie. Novoe izmerenie v mashinnom zrenii [Product overview. Machine vision. The new dimension in machine vision] // The free access [electronic resource] http://www.energoprime.ru/catalog-pdf/SICK/Машинное-зрение.pdf (accessed 24.08.2017). [in Russian]
6. Product overview. Vision a new dimension in vision. 2D vision, 3D vision, Sensor Integration Machine [electronic resource] // https://goo.gl/cFqHns (accessed 27.09.2017). [in English]
7. Product catalog 2014/2015. Vision. Vision sensors. Smart cameras. Hight-end cameras. [electronic resource] // https://goo.gl/qZ6YzG(accessed 27.09.2017). [in English]
8. INTUITIVE 3D INSPECTION [electronic resource] // https://goo.gl/7Fc3k9(accessed 24.08.2017). [in English]
9. DS1000 - intellektualnye 3D skanery [DS1000 - smart 3D scanners] // The free access [electronic resource] http://www.mallenom.ru/products/mashinnoe-zrenie/ds1000-3d-scanner/ (accessed 24.08.2017). [in Russian]
10. Cognex vision. Seriya DS1000. Datchik peremescheniya 3D. Lazernaya sistema opredeleniya profilya. [Cognex vision. The DS1000 series. The displacement sensor 3D. Laser system to determine the profile.] // The free access [electronic resource] hhttps://goo.gl/kiQv7W (accessed 27.09.2017). [in Russian]
11. Lazernyie skaneryi. Seriya RF625. Rukovodstvo po ekspluatatsii. [RIFTEK. The laser scanners. Series RF625. The user’s manual.] // The free access [electronic resource] https://goo.gl/Rc3PCh (accessed 16.11.2017). [in Russian]