CZ2015415A3 - Způsob optického měření povrchu objektů - Google Patents

Abstract

Měřený objekt (5) je umístěn tak, že se na jeho povrchu odráží obrazec (4) ze zobrazovací plochy (3) a je zaznamenatelný jednotkou (2) pro záznam obrazu. Do výpočetní jednotky (1) se zadá matematický model (7) tvaru měřeného objektu (5) a provede se porovnání stanovené polohy nejméně jednoho pozorovaného bodu (6) s předpokládanou polohou bodu (6´) podle zadaného matematického modelu (7). Následně se provede rotace a/nebo translace zadaného matematického modelu (7) a/nebo měřeného objektu (5) tak, aby výsledná odchylka polohy nejméně jednoho pozorovaného bodu (6) od předpokládané polohy tohoto bodu (6´) dle zadaného matematického modelu (7) byla nejmenší možná. Pozorovaný bod (6) mající velikosti odchylky od předpokládané polohy tohoto bodu (6´) dle zadaného matematického modelu (7) menší a/nebo rovnu požadovaného přesnosti měření, se považuje za výsledek měření. V opačném případě se provede úprava zadaného matematického modelu (7) a vytvoří se upravený matematický model (7´). Pozorovaný bod (6) mající velikost odchylky od předpokládané polohy tohoto bodu (6´) dle upraveného matematického modelu (7´) menší a/nebo rovnu požadované přesnosti měření se považuje za výsledek měření.

Description

Způsob optického měření povrchu objektů

Oblast techniky

Navrhovaný vynález spadá do oblasti měření charakterizovaných použitím optických prostředků, konkrétně promítáním vzoru na měřený objekt.

Dosavadní stav techniky

Se vzrůstající náročností na kvalitu průmyslových výrobků také vzrůstá poptávka po rychlých, spolehlivých a cenově dostupných měřících technologiích. Měřící technologie, které zajišťují kvalitu výrobků, jsou převážně využívány na záchyt nevyhovujících kusů, které jsou buďto opraveny či vyřazeny. V některých provozech se také výrobky třídí do jednotlivých kategorií, podle kvalitativních kritérií, čímž zvyšují ekonomickou rentability výrobního procesu, neboť kvalitnější výrobky mají na trhu větší hodnotu. Z fyzikálního pohledu se výrobky dají třídit dle optických vlastností povrchu na opticky hladké a opticky drsné. Opticky hladké povrchy mají optickou drsnost menší než lambda a opticky drsné mají optickou drsnost větší než lambda. V současné době je větší poptávka po měření výrobků s opticky drsným povrchem, na což také reagoval vývoj měřící techniky. Změřit opticky drsný výrobek je v dnešní době již běžným úkolem, který je dobře zvládnut mnoha firmami v oboru. Mezi nejrozšířenější metody tohoto typu patří triangulace, která používá koherentní světlo (především laser) či nekoherentní světlo (často různé druhy projektorů).

Na druhou stranu, výrobky s opticky hladkým povrchem jsou průmyslově měřitelné podstatně hůře. Mezi klasické metody měření takovýchto výrobků patří laserová interferometrie, která má ovšem několik nevýhod, které ji brání proniknout do procesu kvality výroby ve větším rozsahu. Jsou to především malé plochy, které lze interferometricky měřit (typicky v řádech desítek mm ), velká citlivost k vibracím, které mohou měřící proces zcela zmařit a především nutnost tzv. referenčního ramene, které obsahuje také referenční objekt. Nutnost referenčního objektu je nej častější překážkou nemožnosti měřit obecné tvary povrchů, které se matematicky obtížně definují (tzv. freeform surfaces), které jsou většinou náchylnější na výrobní vady. Další, dnes rozšířenou měřící metodou, jsou různé kontaktní metody.

Nerozšířenějším příkladem kontaktní měřící technologie je CMM (coordinate measurement machine). Tato technologie umožňuje měřit tzv. freeform surfaces, avšak je velmi pomalá, neboť měřící rameno se pohybuje relativně pomalu a výrobek testuje bod po bodu. Tudíž pro získání dostatečného počtu bodů na zkoumaném povrchu je zapotřebí mnoho jednotlivých kontaktních měření. Takovýto kontakt je navíc nežádoucí, neboť u přesných hladkých povrchů může dojít k poškrábání.

Je tudíž logickým krokem použít měřící metodu pro opticky hladké povrchy, která by byla bezkontaktní, rychlá a dokázala měřit rozsáhlé freeform surfaces. Takovou technologií je deflektometrie, která pracuje na základě zákona odrazu, kdy se paprsek dopadající na povrch objektu odráží pod stejným úhlem ve vztahu k normále povrchu objektu, jaký s danou normálou svírá paprsek dopadající.

Současný stav deflektometrie takový, že se v praxi používají následující postupy.

První možností je tzv. ARGP metoda (z anglického Active Reflection Grading Photogrammetry). Tato metoda využívá jednu kameru a jeden monitor, který se během měření pohybuje. To je nezbytné k tomu, aby se určila jak normála povrchu v daném bodě, tak také poloha daného bodu ve vztažném souřadném systému měřícího zařízení. Tato metoda je náchylná na systematickou chybu, která je dána přesností posuvu monitoru během měření a také je časově značně náročná, neboť velikostí posunu lze získat přesnější měření. A přesný a velký pohyb je časově náročný a finanční nároky na takovéto posuvné zařízení jsou značné. Druhou možností je tzv. PRGP metoda (z anglického Passive Reflection Grading Photogrammetry). Tato metoda obchází nutnost pohybu monitoru, tak jak je tomu u metody ARGP, tím, že používá dva či více monitorů a dvou či více kamer. Nevýhodou takovéhoto uspořádání je složitost návrhu fyzického rozmístění všech měřících komponentů (kamer a monitorů) tak, aby nedocházelo ke stínění jednoho monitoru druhým. To je především těžce realizovatelné, mají-li se měřit dva různé objekty za použití stejného zařízení. Při zvyšujícím se počtu druhů měřených výrobků se stává sestavení takovéto konfigurace prakticky neproveditelné. Navíc je každý další měřící komponent přidanou finanční zátěží nejen co do pořizovacích nákladů, ale také tím, že každá součást musí být kalibrována školeným personálem. Třetí možností je tzv. CNP metoda (z anglického Comparing Normál Prediction), popsaná v dokumentu DE102004020419 B3. Tato metoda používá jeden monitor a minimálně dvě kamery, přičemž se porovnávají potenciální normály pro daný bod na povrchu měřeného objektu pro všechny kamery. Daná normála leží a je známa i její orientace v místě, kde dojde k rovnosti normál (v praxi k minimální odchylce). Nevýhodou tohoto postupuje, že v praxi je snaha dosáhnout co největšího prostorového úhlu mezi měřícími kamerami, neboť se tím zvětšuje přesnost měření. To má za následek, že se zmenšuje plocha, která je měřitelná, neboť ozářená plocha monitorem, která je vidět všemi kamerami zmenšuje. Čtvrtou a poslední možností, jak měřit opticky hladké povrchy k dnešnímu dni je tzv. CR metoda (z anglického Consistency Reconstruction). Tato metoda používá jeden monitor a dvě či více kamer. Pro měření se zvolí jeden význačný bod na povrchu měřeného objektu a pro tento bod se použije CNP metoda. Pro zbytek povrchu se použijí data pouze z jedné kamery a to tak, že se normála bodu povrchu rekonstruuje za předpokladu, že rekonstruovaný bod leží ve stejné poloze, jako význačný bod, který byl změřen pomocí metody CNP. Takto se postupuje bod po bodu, přičemž se vždy pro výpočet nového bodu použijí informace z bodů již známých a sousedících novým bodem. Tato metoda má tu výhodu oproti CNP metodě, že se dají měřit povrchy větší, nežli s metodou CNP. Na druhou stranu je tato přednost vykoupena tím, že čím je vzdálenost měřené oblasti dále od význačného bodu, kde byla použita CNP metoda, tím je přesnost měření nižší. Je to dáno tím, že se všechny chyby měření projeví u výpočtu nového bodu a všechny chyby se sčítají. Nárůst chyby měření je komplikovaná funkce vzdálenosti od význačného bodu a je silně nelineární. Tudíž není vhodná pro přesná měření velkých povrchů. Všechny výše popsané metody jsou v praxi použitelné, ale mají své limity. Jak již co se týká časové náročnosti na měření, na velikost měřené plochy, dosažitelné přesnosti či v neposlední řadě finanční náročnosti dané počtem potřebných kamer anebo monitorů.

Popsané nevýhody do značné míry odstraňuje navrhovaný vynález.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je způsob optického měření povrchu objektů. Ke způsobu podle vynálezu je využito zařízení zahrnující nejméně jednu výpočetní jednotku s pamětí, nejméně jednu jednotku pro záznam obrazu a nejméně jednu zobrazovací plochu. Na zobrazovací ploše je zobrazitelný nejméně jeden obrazec. Poloha každého bodu obrazce v rámci zobrazovací plochy je známa. Měřený objekt je umístěn tak, že se na jeho povrchu odráží obrazec ze zobrazovací plochy tak, že je zaznamenatelný jednotkou pro záznam obrazu. V procesu měření je provedeno nejméně jedno měření zahrnující zaznamenání optického odrazu každého obrazce zobrazovací plochy na povrchu objektu. Na základě měření je stanovena přesná poloha nejméně jednoho pozorovaného bodu na zobrazovací ploše.

Do výpočetní jednotky je zadán matematický model tvaru měřeného objektu. Dále je provedeno porovnání stanovené polohy nejméně jednoho pozorovaného bodu s předpokládanou polohou bodu podle zadaného matematického modelu. Následně je provedena rotace a/nebo translace zadaného matematického modelu a/nebo měřeného objektu tak, aby výsledná odchylka polohy nejméně jednoho pozorovaného bodu od předpokládané polohy tohoto bodu dle zadaného matematického modelu byla nejmenší možná. V případě, že velikost odchylky pozorovaného bodu od předpokládané polohy tohoto bodu dle zadaného matematického modelu je menši a/nebo rovna požadované přesnosti měření, je pozorovaný bod považován za změřenou polohu bodu, a tedy za výsledek měření. V případě, že je stanovená poloha pozorovaného bodu odlišná od předpokládané polohy bodu podle zadaného matematického modelu o hodnotu vetší, než je stanovená přesnost měření, je provedena úprava zadaného matematického modelu tak, aby byla odchylka zmenšena, a je vytvořen upraveny matematicky model. V případě, že velikost odchylky pozorovaného bodu od předpokládané polohy tohoto bodu dle upraveného matematického modeluje menší a/nebo rovna požadované přesnosti měření, je pozorovaný bod považován za změřenou polohu bodu, a tedy za výsledek měření. V případě, že je po provedení popsaných kroků odchylka stále větší, než je stanovená přesnost měření, je nejméně jednou opakován krok zahrnující nahrazení zadaného matematického modelu upraveným matematickým modelem. S tímto nově zadaným upraveným matematickým modelem je provedena rotace a/nebo translace tak, aby výsledná odchylka polohy nejméně jednoho pozorovaného bodu od předpokládané polohy tohoto bodu dle upraveného matematického modelu byla nejmenší možná. Variantně může být provedena úprava upraveného matematického modelu tak, aby byla odchylka zmenšena. V tomto kroku dochází k opakování kroku předchozího, avšak místo zadaného matematického modelu, resp. dříve zadaného upraveného matematického modelu, je jako vstup použit nově upravený matematický model.

Po provedení shora popsaných kroků pro všechny pozorované body představuje matematický model, resp. upravený matematický model, 3D reprezentaci měřeného objektu.

Ve výhodném provedení je před měřením provedena kalibrace měřicího zařízení pomocí triangulace a/nebo fotogrammetrie.

Objasnění výkresů Příkladné provedení navrhovaného řešení je popsáno s odkazem na výkresy, na kterých je na - obr. 1 - vývojový diagram provedeného měření, s jedním nahrazením zadaného matematického modelu upraveným matematickým modelem; - obr. 2 - vývojový diagram provedeného měření, s opakovaným nahrazením zadaného matematického modelu upraveným matematickým modelem. Příklad uskutečnění vynálezu Příkladný způsob optického měření povrchu objektů je proveden na zařízení zahrnujícím: - jednu výpočetní jednotku l s pamětí; - jednu jednotku 2 pro záznam obrazu, v tomto případě CCD kameru, lze však uvažovat např. i kameru CMOS; -jednu zobrazovací plochu 3 ve formě monitoru. Před započetím měření je provedena kalibrace měřicího zařízení pomocí triangulace a/nebo fotogrammetrie. Na zobrazovací ploše 3 je zobrazitelný jeden obrazec 4. Obraz 4 je v tomto případě definován funkcí sinus. Lze však uvažovat použití jiného obrazce, např. moiré. Poloha každého bodu obrazce 4 v rámci zobrazovací plochy 3 je známa, Měřený objekt 5 je umístěn tak, že se na jeho povrchu odráží obrazec 4 ze zobrazovací plochy 3 tak, že je zaznamenatelný CCD kamerou 2. V procesu měření je provedena soustava dílčích měření, kde dílčí měření zahrnují zaznamenání optického odrazu obrazce 4 zobrazovací plochy 3 na povrchu objektu 5. Na základě měření je stanovena přesná poloha pozorovaných bodů 6 na zobrazovací ploše 3, jeden bod 6 zajedno měření.

Do výpočetní jednotky l zadán matematický model 7 tvaru měřeného objektu 5. Zadání může být provedeno před provedením měření nebo kdykoliv v průběhu nebo po provedení měření. Zadaný matematický model 7 reprezentuje pouze přibližný tvar měřeného objektu 5. Je v podobě 3D modelu, který byl využit pro výrobu měřeného objektu 5. Dále je postupně provedeno porovnání stanovené polohy každého pozorovaného bodu 6 s předpokládanou polohou každého bodu čf podle zadaného matematického modelu 7. Následně je provedena rotace a/nebo translace zadaného matematického modelu 7 tak, aby výsledná odchylka polohy každého pozorovaného bodu 6 od předpokládané polohy tohoto bodu 61 dle zadaného matematického modelu 7 byla nej menší možná.

Vzhledem k tomu, že jsou pozorované polohy některých pozorovaných bodů 6 odlišné od předpokládané polohy bodů 61 podle zadaného matematického modelu 7 o hodnotu větší, než je stanovená přesnost měření, je provedena úprava zadaného matematického modelu 7 tak, aby byla v daných bodech 6 odchylka zmenšena. Tím je vytvořen upravený matematický model T_.

Vzhledem k tomu, že pro některé body 6, resp. 61 je stále odchylka větší, než je stanovená přesnost měření, je několikrát opakován krok zahrnující nahrazení zadaného matematického modelu 7 upraveným matematickým modelem T_. S tímto nově zadaným upraveným matematickým modelem T_ je provedena rotace a/nebo translace upraveného matematického modelu T_ tak, aby výsledná odchylka polohy nejméně jednoho pozorovaného bodu 6 od předpokládané polohy tohoto 61 bodu dle upraveného matematického modelu T_ byla nejmenší možná a/nebo je provedena úprava upraveného matematického modelu T_ tak, aby byla odchylka zmenšena.

Po provedení shora popsaných kroků pro všechny pozorované body 6 a určení polohy bodů s dostatečnou přesností představuje opakovaně upravený matematický model T_ 3D reprezentaci měřeného objektu 5 a tedy výsledek měření. Příkladné provedení je popsané na obr. 2.

Seznam vztahových značek 1 - výpočetní jednotka 2 — jednotka pro záznam obrazu 3 — zobrazovací plocha 4 - obrazec 5 - objekt 6 - pozorovaný bod 6' - bod matematického modelu 7 - zadaný matematický model 7' - upravený matematický model

Claims (4)

1. Patentové nároky

   1. Způsob optického měření povrchu objektů na zařízení zahrnujícím nejméně jednu výpočetní jednotku (1) s pamětí, nejméně jednu jednotku (2) pro záznam obrazu a nejméně jednu zobrazovací plochu (3), na které je zobrazitelný nejméně jeden obrazec (4), kde poloha každého bodu obrazce (4) v rámci zobrazovací plochy (3) je známa, přičemž měřený objekt (5) je umístěn tak, že se na jeho povrchu odráží obrazec (4) ze zobrazovací plochy (3) tak, že je zaznamenatelný jednotkou (2) pro záznam obrazu, přičemž v procesu měření se provede nejméně jedno měření zahrnující zaznamenání optického odrazu každého obrazce (4) zobrazovací plochy (3) na povrchu objektu (5), na jehož základě se stanoví přesná poloha nejméně jednoho pozorovaného bodu (6) na zobrazovací ploše (3) vyznačující se tím, že do výpočetní jednotky (1) se zadá matematický model (7) tvaru měřeného objektu (5), dále se provede porovnání stanovené polohy nejméně jednoho pozorovaného bodu (6) s předpokládanou polohou bodu (6') podle zadaného matematického modelu (7) následně se provede rotace a/nebo translace zadaného matematického modelu (7) a/nebo měřeného objektu (5) tak, aby výsledná odchylka polohy nejméně jednoho pozorovaného bodu (6) od předpokládané polohy tohoto bodu (6') dle zadaného matematického modelu (7) byla nej menší možná, přičemž pozorovaný bod (6) mající velikost odchylky od předpokládané polohy tohoto bodu (6') dle zadaného matematického modelu (7) menší a/nebo rovnu požadované přesnosti měření, se považuje za výsledek měření.
2. 2. Způsob optického měření povrchu objektů podle nároku 1, vyznačující se tím, že v případě, že je stanovená poloha pozorovaného bodu (6) odlišná od předpokládané polohy bodu (6') podle zadaného matematického modelu (7) o hodnotu větší, než je stanovená přesnost měření, se provede úprava zadaného matematického modelu (7) tak, aby byla odchylka zmenšena, a vytvoří se upravený matematický model (7'), přičemž pozorovaný bod (6) mající velikost odchylky od předpokládané polohy tohoto bodu (6 ) dle upraveného matematického modelu (7 ) menší a/nebo rovnu požadované přesnosti měření, se považuje za výsledek měření.
3. 3. Způsob optického měření povrchu objektů podle nároku 2, vyznačující se tím, že v případě, že je stále odchylka větší, než je stanovená přesnost měření, nejméně jednou se opakuje krok zahrnující: nahrazení zadaného matematického modelu (7) upraveným matematickým modelem (7') a s tímto nově zadaným upraveným matematickým modelem (7') se provede: rotace a/nebo translace upraveného matematického modelu (7') tak, aby výsledná odchylka polohy nejméně jednoho pozorovaného bodu (6) od předpokládané polohy tohoto bodu (6') dle upraveného matematického modelu (7') byla nejmenší možná a/nebo úprava upraveného matematického modelu {!') tak, aby byla odchylka zmenšena.
4. 4. Způsob optického měření povrchu objektů podle některého z předešlých nároků, vyznačující se tím, že před měřením se provede kalibrace měřicího zařízení pomocí triangulace a/nebo fotogrammetrie.