Бесконтактный способ измерения геометрических размеров тел

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

БЕСКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ
РАЗМЕРОВ ТЕЛ Ю. А. Ашмарин, А. А. Виноградова, П. П. Коваленко, Г. А. Недоцука, М. игЬап$к1 (Технический университет Ильменау, Германия) Научный руководитель — д.т.н., профессор В.М. Мусалимов
В работе приводится описание бесконтактного теневого метода измерения размеров изделий с использованием проходящего и отраженного света. Также уделяется внимание оборудованию для реализации данного метода измерений. В указанном оборудовании применяются компьютерные и оптические технологии, и также используются достижения в области технического зрения. При проведении измерений большое внимание уделяется вопросам точности. В работе показывается методика измерений и калибровки камеры с использованием программы для измерительной обработки изображений.
Для измерения размеров объектов могут быть использованы различные методы. Под методом измерений понимают прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Обычно метод измерений обусловлен устройством средства измерений. Различают дифференциальный, нулевой, контактный и бесконтактный методы измерений, а также методы сравнения с мерой и метод непосредственной оценки [1].
Контактный метод измерений — метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения.
Бесконтактный метод измерений — метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения [2].
Во многих случаях предпочтительнее использовать бесконтактный способ измерений, так как он гарантирует отсутствие повреждений измеряемого объекта, которые могут появиться в результате контакта объекта с чувствительным элементом прибора при контактном методе измерений. В частности, при измерении оптических деталей необходимо пользоваться бесконтактными методами, так как контакт рабочей поверхности оптической детали с чувствительным элементом может привести к ухудшению оптических свойств.
Существуют различные бесконтактные методы измерений. Одним из них является теневой метод измерения. При использовании данного метода измеряемый объект помещается между источником света и приемной видеокамерой. Размеры объекта определяются как разница между границами теневых контуров объекта. Метод является относительно простым в реализации и надежным в эксплуатации [3].
Основными компонентами системы обработки изображений являются камера, объектив и освещение (рис. 1). Также необходим блок для обработки результатов измерения (компьютер и программное обеспечение).
Цифровая камера представляет собой устройство, основным компонентом которой является ПЗС-матрица. Камера производит видеосъемку, преобразование аналогового видеосигнала в цифровой, сжатие цифрового видеосигнала и передачу видеоизображения. Объектив — это линзовая система, предназначенная для проецирования изображения объекта на светочувствительный элемент камеры.
Освещение является важнейшей составной частью системы обработки изображений. От выбора определенного способа освещения зависят точности измерения и позиционирования. Существуют два основных вида освещения: в падающем и проходящем свете, каждый из которых может быть рассеянным и направленным (рис. 2).
Точность данного метода измерений зависит от каждого компонента системы, условий измерения, от самого измеряемого объекта и от его положения в пространстве.
Наличие следующих факторов может снизить точность системы.
1. Наличие в детали слишком темных или слишком светлых участков поверхности, а также резких переходов от темного к светлому.
2. Работа с прозрачными, зеркальными или бликующими поверхностями.
3. Работа с мелкими деталями, острыми углами, маленькими отверстиями.
4. Работа с поверхностью, расположенной под значительным углом по отношению к камере.
5. Нарушение или изначально плохая настройка внутренних параметров системы, нарушение процесса калибровки — основополагающей операции, после которой камера превращается в измерительный инструмент.
Рис. 1. Измерительная установка
а б в г
Рис. 2. Примеры использования различного освещения: а) падающий свет, светлое поле- б) падающий свет, темное поле- в) проходящий свет- г) сочетание проходящего
и падающего света, светлое поле
При калибровке определяются положения камеры в пространстве, а также оцениваются искажения вносимые объективами в изображения. Неточности калибровки приводят к систематическим ошибкам в измерениях- трудно заметить невооруженным глазом изменение масштаба на 0,1%, однако это вносит существенную систематическую ошибку и может вызвать проблемы при последующей обработке данных.
Кроме систематических ошибок, возможно появление случайных погрешностей. Это в основном связано с появлением шумов и искажениям на изображениях, получаемых с камеры. Поэтому в процессе обработки изображения возможно использование различных фильтров для удаления шумов.
Для измерительной обработки получаемого с камеры изображения объекта используется программа «ОБргеу». Работа данной программы основана на обнаружении и анализе перепадов яркости изображения. Предварительно стоит указать программе область, которую необходимо проанализировать (рис. 3). Программа, проанализировав заданную область изображения, найдет контур, разделяющий светлое и темное поля. Этот контур будет автоматически измерен, полученные данные будут записаны в банк данных.
Рис. 3. Нахождение границы темного и светлого полей
Рис. 4. Калибровочный шаблон
N окружности Радиус, мкм
1 61,256
2 126,332
3 248,806
4 501,371
5 998,894
6 2001,541
7 3998,916
8 8000,690
Таблица 1. Радиусы окружностей калибровочного шаблона
Рис. 5. Калибровочный шаблон в проходящем свете
При проведении измерений особое внимание стоит уделять вопросу точности. Чтобы результаты измерений были верными, камеру предварительно необходимо отка-либровать. Процесс калибровки производится с использованием специального калибровочного шаблона, представляющего собой набор концентрических прозрачных и непрозрачных круговых полос (рис. 4). Радиусы границ полос измерены с высокой точностью (табл. 1).
При использовании данного шаблона рекомендуется производить калибровку в проходящем свете (рис. 5). Поместив шаблон в поле зрения объектива камеры, и включив лампу проходящего света, необходимо добиться контрастного изображения шаблона, получаемого с камеры, путем соответствующей регулировки настроек объектива камеры. Изображение просматривается с помощью программы «Osprey».
Получив контрастное изображение шаблона, надо измерить средствами программы радиус одной из окружностей шаблона. Запишем полученное значение:
M = 4,1814 мм = 4181,4 мкм.
Из таблицы 1 возьмем значение радиуса соответствующей окружности:
S = 8000,69 мкм.
Далее необходимо обратиться к файлу настроек программы «WOZJ. dat», находящемуся в папке программы «Osprey». В данном файле в соответствующей строке содержится текущее значение масштабного коэффициента, определяющего соотношение между действительным размером измеряемого объекта и размером его изображения (рис. 6). Запишем это значение:
P = 43,88 500.
P WGZJ Editor
Datei Bearbeiten FomMC Ansicht
l Kalibrierdaten fuer Wechsel objektive: wozi t 1. ]
0. 0. _Q. OOQQQ
D. U000D, 1. C00D0, 0,0-
M5. 885Q0, 43. 88 5DQ71
& quot-T. --U. mm?
2400,0,2400. 0-
1,0, 1. OUOOO, 1,0, [ 1−5]
0,0, 0. OUOOO, 0,0, 4. 92 237, 4. 92 237,4: 115 $, 94 5 05, 0,0, O. OOOOO,, OOOOD- 1000. 0,1000-OUOOO-
1. 0, l. UOOOO, Vi. 0,
O. OOOUU, Q. UOOOQ, 0,0,06. 12. 2004-
1,0, 1,0,
O. OOOOO, O. OOOOO, -7,60 277,10. 07. 2002-
0. 0, U. G3962-
1. 0- O. OOOOO,
1. OUOOO, 1. OOOOO, 1. 0-
0. 34 135-
Рис. 6. Значение коэффициента Р в файле «WOZJ. dat»
Далее необходимо посчитать уточненное значение этого коэффициента по формуле
^ р
х =--Р,
М
х =. 43,885 = 83,96 955.
4181,4
Полученное значение необходимо записать вместо старого, полностью соблюдая форматирование данных. Изменения в файле необходимо сохранить, а программу перезапустить, чтобы новые данные были прочитаны из файла и занесены в память компьютера.
Проверим правильность калибровки, вновь измерив ту же окружность:
М = 8,0007 мм = 8000,7 мкм-
Б = 8000,69 мкм.
Сравнив полученное значение М с действительным Б из табл. 1, убеждаемся, что калибровка камеры произведена, камера готова к использованию, можно приступать к измерениям. После любого перемещения камеры калибровку необходимо провести вновь.
Таким образом, в данной работе приведено описание бесконтактного теневого метода измерения размеров изделий с использованием проходящего и отраженного света. При проведении измерений большое внимание было уделено вопросам точности. В данной работе была показана методика измерений и калибровки камеры с использованием программы для измерительной обработки изображений.
Литература
1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. — М.: Техносфера, 2005. -1072 с.
2. Ernst H. Einfuhrung in die digitale Bildverarbeitung- Franzis Verlag, Munchen, 1991.
3. Soille P. Morphologische Bildverarbeitung- Springer Verlag, Berlin u.a., 1998.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой