Процесс измерений и обработка результатов
В процессе измерений, встроенный в голову сканера блок развертки поворачивается в горизонтальной плоскости в диапазоне 360°, при этом может быть установлен определенный шаг вращения: 0,0625°, 0,125°, 0,25°, 0,5° или 1°. В вертикальной плоскости лазерный луч рассеивается заданным шагом 0,25°, 0,5° или 1,0° веером в диапазоне 180° посредством вращающегося зеркала.
Данные, полученные сканером, записываются в файл и в дальнейшем обрабатываются в камеральных условиях. Прибор оснащен цифровой камерой с изменяемым фокусным расстоянием и управляемой при помощи программного обеспечения, обеспечивает получение цифровых фотографий снимаемого объекта. Перед началом работы производиться привязка и ориентация прибора на станции при помощи электронного тахеометра или теодолита, с помощью линейно угловой засечки. Затем устанавливается шаг и диапазон сканирования. Также перед началом измерений, можно задать ограничение по дальности. Диапазоны измерений имеют следующую классификацию: до 8 м, до 32 и до 80 м и могут быть изменены в процессе съемки.
В процессе сканирования объекта возможно включение или отключение датчика наклона инструмента, электронного компаса и изменение режима записи встроенной фотокамеры. Для удобства работы и осуществления контроля измерений могут быть активированы окна для отображения графической и визуальной информации о процессе съемки.
Схематично любой сканер можно разделить на несколько основных блоков (рисунок 15):
- измерительная головка. Как правило, в ней расположены лазерный излучатель и приемник;
- вращающаяся призма, обеспечивающая распределение пучка в вертикальной плоскости;
- сервопривод горизонтального круга (рисунок15). Обеспечивает вращение измерительной головки в горизонтальной плоскости;
- компьютер (внешний, внутренний) (рисунок 15). Предназначен для управления съемкой и записи данных на носитель.
а б в
а – измерительная головка; б – сервопривод; в – компьютер
Рисунок 15 - Состав сканера
После того, как произведены измерения, начинается процесс обработки. Изначально "сырые измерения" представляют собой набор ("облако") точек, которые необходимо представить в виде чертежей и схем. Программное обеспечение не может сегодня успешно решить проблему распознавания образов в автоматическом режиме с той степенью достоверности, которая нужна пользователю, поэтому, весь процесс обработки требует участия человека.
Сама обработка состоит из нескольких основных этапов:
- "сшивка" сканов;
- трансформирование координат;
- создание поверхностей.
Как правило, во время съемки объекта, проводится несколько сканов для полного покрытия поверхности. Для создания единого скана необходимо произвести объединение ("сшивку") (рисунок 16).
Рисунок 16 - «Сшивка» сканов
В качестве основного метода используется метод совмещения сканов по опорным точкам, которые отображаются на соседних сканах. В качестве таких точек могут быть использованы специальные призмы, светоотражающие пластины или наклейки, имеющие более высокий коэффициент отражения и потому вполне однозначно определяемые.
Для точного представления будущего чертежа или схемы необходимо задание определенной единой системы координат. Начало системы координат каждого отдельного скана, производимого с определенной точки, находится в центре измерительной головки сканера и при каждом изменении его положения, оно меняет свое положение в пространственной системе координат.
Для связи координат объекта, полученных из разных сканов, необходимо выбрать единую систему координат, определить в ней центр сканирования для каждого случая (например, с помощью электронного тахеометра) и трансформировать все полученные координаты в единую систему.
Наиболее сложный и самый основной процесс обработки - представление "облаков" точек математически описываемыми поверхностями (рисунок 17). Как правило, математический аппарат прикладного программного обеспечения позволяет создавать простейшие (плоскость, сфера, цилиндр и пр.) математические поверхности, либо аппроксимировать поверхность триангуляционным методом (TIN-поверхность). Созданные подобным образом поверхности вполне представимы в стандартном формате .dxf и соответственно, могут быть экспортированы в любые системы автоматизированного проектирования. Если сканирование сопровождается цифровой видео- или фотосъемкой, то на этапе обработки можно совместить сканированное изображение объекта с его видео изображением, придав скану реальные цвета и текстуру.
Рисунок 17 - Создание поверхностей
Лазерные трекеры
На рисунке 18 представлена принципиальная схема измерения координат точки автоматическим лазерным трекером фирмы «Leica».
Лазерный трекер (или следящая система) основана на использовании в качестве измерителя лазерной интерферометрии. Следящая головка помимо измерителя расстояния снабжена видеокамерой. Подобная система имеет уникальные возможности отслеживания любых перемещений одной точки в пространстве. Скорость получения данных — до 1000 измерений в секунду. Можно установить способ записи точек — например, по расстоянию через 0,1 мм, или по времени через 0,01 сек.
Исключительно удобным становится и исследование динамических процессов - например, движение руки манипулятора (отслеживаются движения со скоростями до 100 км/час). Пользователю достаточно при помощи встроенной видеокамеры (по изображению на экране компьютера) направить головку на визирную цель, щелкнув по цели мышкой, и процесс измерения начнется.
В процессе измерения ведется постоянное слежение за состоянием атмосферы встроенными датчиками. Все изменения температуры и влажности, влияющие на точность измерений, тут же вносятся в виде поправок в измерения. Измерительная схема метода подобна схеме тахеометрического метода, отличие - в расположении лимбов, повышенной точности измерения углов до 0,14", автоматическом слежении за отражателем, перемещающимся по контролируемым точкам объекта и повышенной точности измерения расстояний до 0,05 мм за счет использования интерферометрии.
Рисунок 18 - Принципиальная схема измерения координат точки
автоматическим лазерным трекером фирмы «Leica
Лазерный трекер в судостроении может быть использован при контроле геометрии гребных винтов, изделий машиностроения, настройке резательных и сборочных машин, сборочных постелей, при сборке корпусных конструкций и монтаже судового оборудования.
Рекомендации по внедрению на предприятии прогрессивных высокоточных электронных оптических средств измерений при выполнении проверочных работ при формировании блоков и корпусов ПЛ на стапеле
Внедрение новых инструментов, интегрированных в технологический процесс обеспечения жизненного цикла объектов подводной техники, вызывает ряд новых проблем, связанных как с условиями реализации высоких технических характеристик новых инструментов контроля, так и с интерпретацией результатов контроля в контексте существующих норм и правил, а также технологий математического моделирования прочности и надежности объектов подводной техники.
Некоторые проблемы, возникающие при внедрении новых средств измерений:
многие новые инструменты имеют высокую стоимость;
сложность (в некоторых случаях даже невозможность) проведения контроля формы и размеров относительно единой базы вследствие стесненности рабочего пространства, подчиненности всех технологических операций общему процессу строительства заказов и т.п.;
возникновение плоских и трехмерных размерных цепей из-за необходимости применения других инструментов (например, электронных уровней, отвесов, лазерных «рулеток» и т.п.), что приводит к потере части преимуществ, обеспечиваемых высокой точностью единичных наблюдений;
трудности, обусловленные наличием внутри блоков и корпусов ПЛ конструктивных элементов (например, шельфы плоских переборок, настилы, выгородки, фундаменты, крупное насыщение, цистерны и т.д.) перекрывающих прямую видимость части контролируемых поверхностей;
сложности, возникающие в связи с пространственным расположением конструктивных элементов корпуса, а также элементов технологической оснастки;
необходимость предварительной разметки поверхности ОК блоков и корпусов ПЛ;
проблема оптимизации самой технологии контроля формы (как следствие из предыдущей проблемы). Эта оптимизация требует анализа каждого конкретного объекта на предмет разработки наиболее рационального выбора конфигурации пространственной структуры и последовательности выполнения первичных измерений.
На основании проведенных исследований можно выдать следующие рекомендации по совершенствованию технологии проверочных работ:
необходимо проведение постоянных исследований оптимизации технологии геометрического контроля с учетом результатов исследования чувствительности реальных объектов и точности математических моделей анализа прочности и надежности;
необходимо развитие и внедрение современных инструментов контроля геометрии и соответствующих информационных технологий создания информационного образа конструкции ОК изделий 21 на всех стадиях жизненного цикла в виде интегрирующих систем;
создание методов корректного учета недоступных областей конструкции, построения модели объекта на основе совокупных данных, полученных с использованием различных методов контроля, оценка достоверности предельных отклонений геометрии.
По результатам проведенного анализа передового мирового и отечественного опыта выполнения измерений с использованием высокоточных и высокоэффективных электронных оптических средств, рекомендуются для применения на ОАО «ПО «Севмаш» следующие перспективные средства измерения, обеспечивающие повышение технического уровня и производительности труда при выполнении обмеров ОК изделий 21:
электронно-оптические измерительные системы на основе тахеометров фирмы Leica Geosystem AG – для дистанционного прочерчивания конструкций ОК, находящихся в любом пространственном положении и территориально отдаленных друг от друга (например, размещенных в разных производственных цехах);
лазерные измерительные системы (лазерный трекер API Tracker3 компании API, Нидерланды, импульсный сканер ScanStation 2 фирмы Leica Geosystem AG, Швейцария, FARO Laser Tracker Xi компании FARO Techyologies Inc., США) - для измерения контуров поверхностей блоков и корпусов ПЛ, а также проверки и выставки этих конструкций на стапеле;
фотограмметрические системы V-STARS компании «ТЕСИС», Россия - для замеров при изготовлении секций и блоков ОК, уточнения координат установки насыщения, положения блоков и корпусов ПЛ относительно базовых плоскостей и т.д.
Заключение
В данной работе проведен анализ опыта применения современных трехмерных цифровых средств на основе оптико-электронных, акустических и электромагнитных методов для проведения измерений геометрических параметров крупногабаритных изделий и показано, что:
- в значительной степени наличие пригоночных работ связано с недостаточной точностью традиционно применяемых средств измерении. Существенному повышению точности измерений способствовало применение оптических приборов.
- в настоящее время в измерительной технике отмечается технический прорыв – создание цифровых трехмерных измерительных станций, способных с высокой точностью и достаточно быстро выдавать объемную цифровую информацию о геометрии крупногабаритных конструкций. Это позволяет существенно усовершенствовать технологические процессы изготовления, сборки и монтажа корпусных конструкций кораблей и их механического оборудования.
- разработанные в настоящее время системы позволяют решать большинство измерительных задач на совершенно новом техническом и организационном уровнях. Однако они различаются аппаратными средствами и их техническими характеристиками, характером обработки данных с использованием специального программного обеспечения, областью применения и другими особенностями.
- становиться возможным разработка технологий корпусных работ, которые гарантируют требуемую точность и высокую эффективность размерного контроля на всех стадиях производства за счет объединения САПР и электронных оптических измерительных систем.