Анализ состояния разработок видеометрических технологий оперативной подготовки данных

для CAD/CAM систем

В.А. Князь,
нач. сектора,

С.Ю. Желтов,
зам. ген. дир.,
д.т.н., проф.,
ФГУП «ГосНИИАС, г. Москва

Широкое применение компьютерных технологий в процессах проектирования, создания и контроля качества изготовления новых образцов техники обусловливает потребность в средствах оперативного получения данных о геометрии деталей и передачи их в CAD/CAM системы. Данные о геометрической форме модели, прототипа, детали необходимы на всех этапах цикла создания и производства образцов техники, начиная от замысла дизайнера или конструктора и заканчивая контролем качества производства серийных деталей и изделий. Постоянное повышение сложности, точности, качества создаваемых технологических объектов является объективной закономерностью технического прогресса. По данным РАН разнообразие технологических объектов удваивается каждые 10 лет, а сложность - каждые 15 лет. Каждые 10 лет требования по точности возрастают на 40-60%. Причем на сегодняшний день важно иметь не только массив данных измерений, но его представление в формах различных трехмерных моделей: триангулированных моделей поверхности, твердотельных моделей, представления в виде аналитических поверхностей.

Место систем множественных измерений и подготовки трехмерных моделей для производства показано на Рис. 1.

рис. 1. Место измерительных систем в цикле промышленного производства

В настоящее время представлен значительный спектр систем, которые решают задачи измерения геометрии объектов сложной формы. К основным классам таких систем относятся механические мерительные машины, системы лазерной триангуляции, лазерные сканирующие дальномеры, фотограмметрические системы.

Каждый из рассматриваемых классов имеет свои преимущества и недостатки в решении задач оперативной подготовки данных для систем автоматизированного проектирования и производства. К основным требованиям, предъявляемым к системам измерений для промышленности, можно отнести следующие:

- Высокая точность измерений.

- Высокая плотность измерений (количество измерений на единицу площади).

- Высокая производительность (количество измерений выполняемое за единицу времени).

- Высокая степень автоматизации измерений.

- Возможность выполнения измерений в сложных и опасных условиях.

- Возможность бесконтактных измерений.

- Мобильность.

Прецизионные механические мерительные машины основаны на контактном принципе измерений и позволяют получать данные о координатах поверхности детали с высокой точностью (до нескольких микронов), однако при этом не обладают высокой скоростью и плотностью измерений. Выполнение требований работы в сложных условиях и мобильности также весьма условно. Мобильные контактные мерительные машины обеспечивают гораздо более низкие точности.

Системы лазерной триангуляции такие как, например, ModelMaker обеспечивают бесконтактные измерения координат поверхности объекта. Принцип лазерной триангуляции (Рис. 2) основан на получении камерой изображения объекта, на который проецируется луч лазера. Пересечение плоскости луча с поверхностью объекта отображается на снимке в форме контрастного контура объекта. Трехмерные координаты контура определяются на основе информации о взаимной геометрии расположения лазера и камеры

.

рис. 2. Принцип лазерной триангуляции и система ModelMaker

Системы лазерной триангуляции удовлетворяют большинству требований, однако точность измерений составляет порядка 0.5 мм, что ограничивает их область применения.

Лазерные сканирующие дальномеры работают на принципе измерения дальности до поверхности объекта на основе измерения интервала времени между посланным и отраженным сигналом, либо на измерении сдвига фаз. Получение измерений множества точек поверхности обеспечивается сканирующей системой дальномерного сканера, разворачивающей луч лазера в двух направлениях, что позволяет получить массив дальностей до поверхности объекта в заданном телесном угле. Лазерные сканирующие дальномеры представлены фирмами Leica, Reigl, Optech. В связи со сложностью измерения очень малых интервалов времени для небольших удалений от сканируемого объекта дальность действия лазерных сканирующих дальномеров начинается от десятков метров. Производительность измерений составляет 100-500 тысяч точек в секунду. Точности измерений составляют единицы миллиметров, что обусловливает применение лазерных сканирующих дальномеров для крупногабаритных объектов, таких как туннели, заводские помещения и т.п. На рис. 3 представлен лазерные сканеры Cyrax 2500 и HDS3000 фирмы Leica.

рис. 3. Лазерные сканирующие дальномеры

Фотограмметрические (видеометрические) системы имеют свои преимущества с точки зрения решения задач бесконтактных измерений и подготовки данных для CAD/CAM. К ним относятся большой объем исходной информации об объекте, содержащийся в изображениях, развитые методы обработки изображений, возможность высокой степени автоматизации процесса измерений, возможности использования текстурной информации для решения различных задач (стереоотождествление, объединение фрагментов в единую 3D модель).

Фотограмметрические системы позволяют рассчитывать трехмерные координаты точек поверхности объектов, видимых на двух и более разноракурсных снимках на основе информации о положении съемочных камер в некоторой заданной системе координат. Данная информация получается в результате процедур калибровки и ориентирования камер, обеспечивающей высокую точность измерений.

Одним из образцов фотограмметрических систем для промышленного применения является система V-STAR фирмы Leica. Данная система позволяет проводить обработку изображений с системы камер и получать трехмерные модели наблюдаемых объектов. Кроме того, для проведения измерений координат невидимых точек поверхности деталей (полости, отверстия) применяются специальные фотограмметрические щупы, позволяющие измерить координаты точки касания щупа. В системе применяются метрические камеры высокого разрешения (разрешением порядка 6 мегапикселов). Кроме того, разработана специальная интеллектуальная камера INCA, в которую интегрирован персональный компьютер.

Применение данной системы для измерений координат поверхности антенны диаметром 2 м продемонстрировало точности на уровне 20 микрон, что сравнимо с точностью прецизионных мерительных машин.

рис. 4. Интеллектуальная камера INCA и фотограмметрический щуп

Таким образом, фотограмметрические системы отвечают большинству требований предъявляемым к системам подготовки данных для систем автоматизированного проектирования и с успехом применяются в промышленных приложениях. Для успешной интеграции видеометрических систем бесконтактных измерений и систем автоматизированного проектирования и производства внимание должно быть уделено следующим проблемам:

· Выдача данных измерений в согласованных формах и форматах.

· Разработка методов анализа данных сканирования, решения задач обратного инжиниринга.

· Разработка методов сопоставления данных сканирования с исходными CAD моделями.