Применение фотограмметрических измерительных систем V-STARS в промышленности

Татьяна Малючек
Старший инженер ООО «ТЕСИС»
Ирина Федорова
Старший инженер ООО «ТЕСИС»

Развитие современного производства, безусловно, связано со стремительным ростом требований к качеству выпускаемой продукции, а следовательно, к точности соответствующего оборудования и удобствам его использования. Не последнюю роль играет и затраченное время на проведение сбора и анализа данных, а также автоматизация производственных процессов. В данной статье мы рассмотрим актуальный на сегодняшний день вопрос применения высокоточных мобильных координатно-измерительных систем в отечественной промышленности. Среди высокоточных координатно-измерительных систем для крупногабаритных объектов, таких как лазерные трекеры, тахеометры и теодолиты, в настоящее время все чаще начинают встречаться фотограмметрические системы.

Метод фотограмметрии

Принцип измерения объектов с помощью метода фотограмметрии похож на принцип «работы» зрения человека. Человек видит объемные объекты и может оценивать их размеры и расстояния до них благодаря бинокулярному зрению. Изображение, видимое правым и левым глазом, преобразуется нами в объемную картинку. Также работает и фотограмметрическая система — она преобразует изображения одного и того же объекта, снятые с нескольких позиций, в трехмерный объект, а точнее — в облако точек. Человек, чтобы точно определить размеры объекта, сравнивает его с каким­то эталоном, например своей рукой или линейкой. В фотограмметрии также применяются откалиброванные масштабные линейки, позволяющие с высокой точностью определить размеры объекта.

Для многих задач, которые невозможно решить традиционными контактными методами, метод фотограмметрии подходит как нельзя лучше. Если, например, сравнить фотограмметрическую систему с лазерным трекером, то в первую очередь отпадает необходимость в поддержке стабильности как окружающей среды, так и расположения самой системы относительно объекта. Фотограмметрическая система не боится вибраций, перемещений, солнца, ветра, перепадов температур. При этом ни один из перечисленных факторов не влияет на точность измерений. Процесс измерений с помощью фотограмметрической системы полностью бесконтактный, что позволяет проводить измерения на изделии, подверженном деформации, и в режиме реального времени отслеживать его изменения.

Применение фотограмметрического оборудования

Рассмотрим вопросы применения фотограм­мет­рического оборудования на примере системы V­STARS от компании Geodetic Systems (GSI) и на примере измерения и анализа фланцев труб в реальных производственных условиях. Применение лазерных трекеров или измерительных манипуляторов типа «рука» в данном случае практически невозможно из­за наличия труднодоступных мест и ограниченного пространства для размещения оборудования. У системы V­STARS, наоборот, нет «слепых» или недоступных зон благодаря полной автономности, компактности и набору дополнительных аксессуаров, которые позволяют решать широкий спектр задач.

В данном примере нашей задачей является определение центров фланцев труб, проверка соосности и контроль геометрических параметров. Перед проведением измерительных работ с помощью системы V­STARS на объекте необходимо:

1. Разместить закодированные мишени (рис. 1), которые служат для сшивки изображений и ориентации камеры в пространстве.
2. На объект необходимо нанести маркеры со светоотражающим покрытием (рис. 2) в тех местах, где требуется измерить координаты точек. Поскольку в фотограмметрии используется принцип триангуляции, маркеры должны быть видны как минимум с двух различных позиций съемки.

Для масштабирования измерений используются специализированные калиброванные масштабные линейки, чаще всего изготовленные из того же материала, что и измеряемый объект, чтобы в процессе измерений исключить влияние на результат теплового расширения/сжатия материала.

Рис. 1. Закодированные мишени

Рис. 2. Примеры маркеров со светоотражающим покрытием

Рис. 3. Область 1

Рис. 4. Область 2

Объектом нашего контроля являются две области труб с труднодоступными местами (рис. 3 и 4). После подготовки объекта — нанесения закодированных мишеней и маркеров, определяющих контрольные точки, — производим серию снимков с разных сторон. В фотограмметрии очень важно соблюдать угол перекрытия области измерений, то есть камера по отношению к измеряемому объекту должна находиться под углом примерно 90° (рекомендуемое положение). Угол перекрытия между двумя позициями камер должен быть в диапазоне 60­120°.

В ходе измерений была сделана серия снимков (в общей сложности более 100 штук). Полученные снимки высокой контрастности загружаются в специализированный программный пакет для обработки: реконструкции 3D­сцены и определения координат точек X, Y, Z, на которые были нанесены светоотражающие маркеры (рис. 5).

В ходе первичного анализа мы получаем данные по количеству сделанных снимков и точек. Программа рассчитывает координаты точек, среднеквадратическое отклонение по X, Y, Z и погрешность масштабирования (табл. 1).

Результатом обработки серии снимков является облако точек (рис. 6).

Для удобства расчетов система координат перенесена в центры цилиндров.

На основе полученного облака точек были построены геометрические элементы. В ходе проведенного анализа получена информация по радиусам фланцев труб, отклонения центров от номинальных данных, радиусы, а также углы осей цилиндров (рис. 7).

Рис. 5. Стандартный снимок, полученный с помощью V-STARS

Рис. 6. Облако точек, полученное с помощью V-STARS (область 1)

Таблица 1. Первичный анализ

Таблица 2. Общие сведения о затраченном времени

Общие сведения о затраченном времени

Как видно из табл. 2, измерения были проведены за короткое время и являются достаточно точными.

Фотограмметрическая система V­STARS

Основным элементом системы V­STARS является специальная цифровая камера, сконструированная для метрологических измерений. Легкая, эргономичная, с высококачественным калиброванным широкоугольным объективом камера, заключенная в прочный корпус, создана для применения в производственных условиях. Одним из преимуществ фотограмметрии является быстрое получение данных, что также позволяет минимизировать рабочее время, необходимое для анализа и получения полной картины в соответствии с поставленной задачей. Благодаря возможности использования при измерениях сразу нескольких камер, можно в режиме онлайн отслеживать деформацию изделия или сравнить результаты с CAD­моделью и номинальными данными.

Рис. 7. Анализ геометрии

Рис. 8. Работа с помощью проектора Pro-SPOT

Рис. 9. Проектор Pro-SPOT и камеры V-STARS/Dynamo

Для ускорения и упрощения процесса получения большого массива данных можно использовать комплексный подход: несколько камер V­STARS и проектор Pro­SPOT (рис. 8 и 9), проецирующий на объект через специальные слайды до 23 тыс. светящихся точек, программное обеспечение для обработки результатов замеров, а также большое количество различных маркеров, отражателей, щупов и аксессуаров, помогающих решить практически любую задачу.

В настоящее время компания Geodetic Systems, Inc. (США) выпускает два типа фотограмметрических систем: высокоскоростную систему на базе камер V­STARS/Dynamo и бюджетную серию V­STARS/N на базе зеркального фотоаппарата Nikon D700.

Главным различием этих систем является то, что, система V­STARS/Dynamo дает возможность одновременной работы с несколькими камерами и позволяет использовать проектор Pro­SPOT.

Рис. 10. Система ICAN

В отличие от других измерительных систем, благодаря специальному контейнеру ICAN
(рис. 10) измерения можно проводить в экстремальных условиях, например в испытательных камерах, имитирующих условия космического пространства. Контейнер ICAN — абсолютно автономная система, работающая от одного тонкого кабеля, который служит для питания и передачи данных, оснащенная встроенными системами поддержания оптимальных температур и импульсной системой вращения камеры вокруг ее оптической оси. ICAN обеспечивает абсолютную безопасность проведения работ, так как съемка выполняется дистанционным методом там, где пребывание человека опасно для его здоровья (табл. 3).

Таблица 3. Почему V-STARS

Основные области применения фотограмметрической системы V­STARS

Рис. 11. Контроль геометрии летательных аппаратов

Рис. 12. Измерение при краш-тесте

Рис. 13. Измерение кузовной части

Рис. 14. Измерение деформации

Рис. 15. Быстрый контроль стенда

Контроль и обратный инжиниринг как простых деталей, так и сложных криволинейных поверхностей объектов различных размеров (рис. 11).

Контроль изготовления и периодическая инспекция шаблонов, кондукторов и калибров (рис. 12 и 13).

Мониторинг деформаций и перемещений объектов и систем, вызванных изменением температуры или нагрузки (рис. 14).

Сборка элементов различных конструкций (рис. 15).

Рис. 16. Измерение и сопоставление с моделью

Рис. 17. Применение в космической промышленности

Рис. 18. Измерение на движущемся конвейере

Рис. 19. Измерение патрубка

Контроль партий деталей и проверка повторяемости размеров при сборке, а также симметрии готовых машин (рис. 16 и 17).

Монтаж и контроль сборочных линий и конвейеров (рис. 18).

Измерение трубопроводов (рис. 19). 

САПР и графика 10`2014