23 февраля 2016г.
Организация сквозного автоматизированного управления всем стадиями жизненного цикла продукции является одной и первостепенных задач для обеспечения конкурентоспособности производства. Поэтому требуется включать в виртуальную мастер-модель изделия, используемую на всех стадиях жизненного цикла, не только технологическое описание процессов механической обработки, но также процессов измерения и контроля. Причем не только в виде результатов измерений отдельных экземпляров изготовленных деталей и узлов, но при разработке контрольных операций. Для обеспечения качества разрабатываемых процессов требуется использовать адекватные модели используемого при проведении измерений оборудования [1]. А для организации автоматизированного позиционирования рабочих частей измерительного оборудования – адекватные алгоритмы преобразования трехмерной геометрии модели в команды для привода.
Технология оптической оцифровки с использованием системы, состоящей из проектора и двух предварительно ориентированных фотокамер с общей точкой фокусировки, является одной из самых производительных по объему данных среди методов бесконтактных измерений. При этом качество получаемых моделей и время, необходимое для получения модели полной поверхности, существенно зависит от взаимного положения сенсора измерительной системы и объекта измерения в процессе оцифровки. В первую очередь это связано с возможностью перекрытия целевой области другими элементами объекта измерений, приспособления или самого сенсора. Поэтому задача виртуального моделирования процесса оцифровки является актуальной. Полученные в результате моделирования относительные координаты и углы поворота сенсора необходимо воспроизводить с высокой точностью при реализации разработанного процесса. При этом для выполнения роботизированного позиционирования пространственные координаты положения и ориентации сенсора, определенные относительно точки фокуса на поверхности измеряемого объекта, необходимо преобразовать в обобщенную абсолютную систему координат.
При разработке геометрической модели измерительной системы для виртуальной отладки разрабатываемых процессов оцифровки с последующим преобразованием результатов в управляющую программу необходимо в первую очередь расположить несколько систем координат (СК) [2], определяющих положения узлов установки и функции связи между ними (Рисунок 1).
СК1 –
абсолютная система координат, связанная
с абсолютным нулем измерительной системы, относительно которого выполняется программирование перемещений сенсора.
Направление осей абсолютной системы координат определяется согласно документации на используемое оборудование и не изменяется в процессе выполнения оцифровки.
СК4 – рабочая система
координат сенсора, связанная с сенсором в рабочем положении. Это положение рассчитывается в результате виртуального моделирования переходов оцифровки и определяется относительно измеряемой
поверхности детали. Координаты начальной точки этой СК определяются положением точки привязки сенсора.
Расположение осей определяется
предварительно найденной оптимальной ориентацией базиса сенсора, при этом ось Z совпадает с осью проектора, ось Y с горизонтальной линией,
соединяющей камеры.
Для удобства описания преобразования вводятся
вспомогательные системы координат, получаемые
смещением и поворотом двух исходных.
СК2 - Смещенная СК, определяющая положение сенсора в рабочей
точке около измеряемого объекта.
Оси направлены параллельно осям СК1, а начальная
точка совпадает с начальной точкой
СК4 (Рисунок 2а).
Преобразование координат точек из СК2 в СК1 выполняется путем только линейного смещения.
где I - единичная матрица;
𝑄
12= 𝑞𝑥𝑞𝑦𝑞𝑧 - вектор линейного переноса, состоящий из координат начальной точки СК2, определенных относительно СК1. СК3 - СК, определяющая углы наклона и поворота сенсора в исходном положении. Начало совпадает с началом СК2. Ось Z совпадает с осью проектора, ось Y с горизонтальной осью, соединяющей камеры в исходном положении (Рисунок 2б).
Преобразование координат точек из СК3 в СК2 выполняется путем только поворота, т.к. их начальные точки совпадают.
Начало СК3 также совпадает с началомСК4, описывающей положение сенсора
в процессе моделирование измерений.
Переход между этими системами
координат осуществляется путем вращения
и наклона корпуса сенсора с закрепленными осями системы при переходе от исходного
положения сенсора к рабочему.
Преобразование координат
точек из СК4 в СК3 выполняется путем только
поворота, т.к. их начальные точки совпадают.
Для определения этих векторов используются углы поворота сенсора в рабочем положении относительно исходного:
ΘА - угол наклона относительно оси Х,
ΘВ - угол поворота вокруг оси Z,
Таким образом, путем последовательного преобразования координат рабочего положения и ориентации сенсора относительно измеряемого объекта
можно получить значения управляющих
параметров для выполнения роботизированного позиционирования. Результирующее уравнение для преобразования координат
рабочего повернутого положения
сенсора относительно абсолютной СК формулируется следующим образом:
где Р1 и Р4 – координаты точки фокусировки сенсора оптической измерительной системы на поверхности объекта измерения относительно абсолютной и сенсорной
СК, представленные в векторной форме.
Основным отличием разрабатываемой модели
от модели, приведенной в [2]
является необходимость учета дополнительных степеней свободы,
связанных с наклоном
и поворотом базиса измерительной системы относительно нормали
к целевой поверхности измеряемого объекта,
поскольку при использовании оптической
технологии важно корректно оценивать область
перекрытия участков,
одновременно фиксируемых камерами.
Таким образом,
разработанная модель
оптической измерительной системы
позволяет повысить эффективность проектирования операций
бесконтактных измерения
и контроля за счет детального учета особенностей объекта
измерения. А полученные соотношения для преобразования координат
выбранного оптимального положения
сенсора относительно измеряемой
детали являются основой для разработки управляющих программ роботизированного позиционирования сенсора.
Список литературы
1.
Lin A. C. Automatic 3D measuring
system for optical scanning of axial fan blades /
A. C. Lin, C. Hui-Chin // The International Journal of Advanced
Manufacturing Technology. - 2011. - №57 - Р.701-717.
2.
ZexiaoX. Modeling and verification of a five-axis laser scanning system
/ X. Zexiao, Z. Chengguo,
Z. Qiumei, Z. Guoxiong
// The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2005. - №26 - Р.391-398.
