Дифференциальный электронно-проекционный способ измерения формы поверхности объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам для измерения формы и перемещений поверхности объекта. Сущность изобретения заключается в проецировании синтезируемой в компьютере эталонной сетки, представляющей собой чередование темных и светлых полос, сканировании этой сетки цифровой видеокамерой. Сравнение принятого изображении с синтезируемой сеткой и определение параметров поверхности в каждой точке. Технический результат: повышение точности определения формы поверхности и повышение автоматизации процесса контроля. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам для измерения формы и перемещений поверхности объекта.

Известен способ получения муаровой картины, дающей качественную информацию о поверхности объекта, основанный на проектировании изображения сетки со слайда на поверхность объекта, и затем сложения полученного изображения сетки на поверхности объекта с другой сеткой, расположенной перед объектом [1].

Недостатком способа является его трудоемкость, сложность получения результата в реальном масштабе времени.

Известен способ измерения перемещений, основанный на сложении изображения спроектированной на объект сетки с другой сеткой с отличным от предыдущей шагом темных и светлых полос, получении муаровой картины и подсчете числа муаровых полос [2].

Недостатком этого способа является низкая точность и трудоемкость.

Известен электронно-проекционный способ измерения формы и перемещений поверхности объекта [3] , который является наиболее близким к заявляемому, заключающийся в том, что сетку со слайда проецируют на поверхность объекта так, чтобы темная линия пересекала главную оптическую ось проектора, причем главные оптические оси проектора и видеокамеры пересекались в точке на поверхности объекта, полученный с помощью видеокамеры объектный растр вводят в ЭВМ, где сравнивают с предварительно сформированным мнимым растром и по результатам сравнения определяют форму поверхности объекта.

Недостатком способа является недостаточная точность и зависимость полученного результата от угла между главными оптическими осями проектора и видеокамеры.

Задача, решаемая в предлагаемом способе, связана с автоматизированным мониторингом поверхности технологических объектов. Технический результат достигается тем, что при использовании описанного способа повышается точность определения параметров поверхности объекта, также повышается степень автоматизации процесса измерения.

Сущность изобретения состоит в том, что вначале производят предварительную настройку видеосистемы путем совмещения осей проектора и видеокамеры в точке на поверхности объекта, затем осуществляют проецирование на эту поверхность с помощью проектора сетки с чередующимися светлыми и темными линиями, синтезируют мнимый растр в компьютере, складывают его с принятым видеокамерой рабочим растром и определяют по полученной муаровой картине с учетом установленных ранее соотношений параметры поверхности объекта, при этом параметры синтезируемых компьютером проектируемой на поверхность объекта эталонной сетки и мнимого растра программно изменяют, а мнимый растр поворачивают на заданный относительно его первоначального положения угол в плоскости проецирования относительно оси видеопроектора.

На фиг. 1 представлена структурная схема для реализации предлагаемого способа. Она содержит объект контроля 1 с спроектированной на него сеткой, цифровой проектор 2, цифровую видеокамеру 3, контроллер 4, исполнительный механизм 5, персональный компьютер 6, плоскость мнимого растра 7 и повернутую на угол плоскость мнимого растра 8.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

С помощью компьютера 6 синтезируется вид сетки (задается шаг сетки, ширина светлых и темных полос, угол поворота в плоскости проектирования), которая затем с помощью проектора 2 проектируется на объект 1. Производится настройка видеосистемы проектор-камера так, что их главные оптические оси были сфокусированы в точке А на поверхности объекта. Определяется угол между главными оптическими осями проектора 2 и видеокамеры 3 и расстояние L от проектора 2 до точки А. Изображение спроектированной на поверхность объекта сетки (рабочий растр) принимается видеокамерой 3 и передается в компьютер 6. После этого в компьютере 6 синтезируется вторая сетка (мнимый растр) 7, отстоящая от поверхности объекта на расстоянии L_В. Далее в компьютере 6 с помощью специальной программы осуществляется поворот мнимого растра 7 относительно точки В, лежащей на оси проектора, в плоскости, перпендикулярной этой оси, на угол . Затем в компьютере 6 производится наложение рабочего и повернутого на угол мнимого растра 8, получение муаровой картины и вычисление по установленным зависимостям параметров поверхности объекта контроля.

Рассмотрим теоретические предпосылки для разработки указанного способа. Образование муаровых полос (явление механической интерференции) возможно в следующих случаях: 1) накладываются две сетки прямых параллельных линий с одинаковым шагом , повернутые друг относительно друга на угол ; 2) накладываются две сетки с разным шагом (₁ и ₂) при отсутствии поворота между ними; 3) накладываются сетки с разным шагом и повернутые друг относительно друга на угол (рассматриваемый случай).

При наложении двух сеток с шагом между линиями соответственно ₁ и ₂, как показано на фиг.2, расположенных под углами ₁ и ₂ к оси абсцисс х, образуются муаровые полосы, имеющие шаг S и повернутые к оси абсцисс на угол . При этом справедливы следующие выражения.

Угол наклона муаровых полос к оси x определяется из следующего выражения: и не зависит от с₁ и с₂ (расстояний от начала координат до первой линии соответствующей сетки). Следовательно, при параллельном перемещении одной или обеих систем линий угол наклона муаровых полос не меняется. Поворот муаровых полос может быть получен лишь относительным поворотом налагаемых систем линий.

Отрезок, отсекаемый муаровой полосой на оси ординат, определяется как: Расстояние муаровой полосы от начала координат: Шаг полос S определяется по формуле:

т. е. расстояния между всеми соседними муаровыми полосами одинаковы. При этом если = ₁-₂ = 0, то шаг муаровых полос равен:
S = ₁₂/₁-₂,
т. е. , чем меньше разность между шагами сеток, тем больше шаг муаровых полос S, поэтому целесообразно уменьшать шаг S для повышения точности контроля. При наличии угла между сетками ( 0) увеличение последнего будет приводить к уменьшению шага S. Поэтому, программно варьируя параметрами ₁ и ₂, а также , можно повышать разрешающую способность метода.

Как следует из фиг.2 и фиг.3 вектор определяющий перемещение в направлении, перпендикулярном сетке с шагом ₁ (в системе координат х¹, у¹), равен [4]:

где К - порядок полосы (-1, 0, 1,...), - шаг сетки, причем полоса с К= 0 проходит через точку поворота В (фиг.1), которая находится на главной оптической оси проектора.

Вектор W для двух соседних муаровых полос определяется по формуле согласно методике [3] и представляет собой изменение расстояния от плоскости мнимого растра до контролируемой поверхности.

Таким образом, каждая муаровая полоса несет информацию о векторной сумме смещений - (W+U) (фиг.3). При этом вектор W определяется из картины полос, полученных электронно-проекционным методом [3]. т.e. при наложении в компьютере сканируемой проекции сетки с мнимым растром (причем обе сетки параллельны друг другу). Вектор U образуется поворотом мнимого растра на угол (в отличие от положения мнимого растра в работе [3]).

Поэтому для получения действительной топологии поверхности, определяемой вектором W, необходимо после обработки полос из полученной картины (W+U) вычесть "мнимое" перемещение U, созданное за счет поворота мнимого растра

С учетом [3, 4], имеем:
W = (h+K)sin = (h+K)sin(arccos(U/W+U)),
где
где - шаг линий исходной сетки в проекторе,
m_g - масштаб проекции сетки в плоскости "мнимого" растра,
₁ и ₂ - углы соответственно освещения и наблюдения контрольного растра,
m_g=(L_п-f_g)/f_g,
где L_п=L-L_В - расстояние от проектора до плоскости мнимого растра, f_g - главное фокусное расстояние для объектива телекамеры.

Источники информации
1. Теокарис Т. Муаровые полосы при исследовании деформаций. - М.: Мир, 1972. - С.25-38.

2. Домрачев В.Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. Справочное пособие / В.Г. Домрачев, В.Р. Матвеевский, Ю.С. Смирнов. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.14-15.

3. А.с. 2065570 RU, МПК 6 G 01 В 21/00, опубл. 20.08.96. Бюл. 23. Кучерюк В. И., Попов А.М., Колесников А.В. Электронно-проекционный способ измерения формы и перемещений поверхности объекта (прототип).

4. Дюрелли А., Парке В. Анализ деформаций с использованием муара /Пер. с англ. Ушакова Б.Н. - М.: Мир, 1974. - С.46-58.

Формула изобретения

Способ измерения формы поверхности объекта, включающий предварительную настройку видеосистемы путем совмещения осей проектора и видеокамеры в точке на поверхности объекта, проецирование на эту поверхность с помощью проектора сетки с чередующимися светлыми и темными линиями, синтез мнимого растра в компьютере, сложение его с принятым видеокамерой рабочим pacтром и определение по полученной муаровой картине с учетом установленных ранее соотношений параметров поверхности объекта, отличающийся тем, что параметры синтезируемых компьютером проектируемой на поверхность объекта эталонной сетки и мнимого растра программно изменяют, а мнимый растр поворачивают на заданный относительно его первоначального положения угол в плоскости проецирования относительно оси видеопроектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3