UKŁAD WIZYJNY DO SKANOWANIA GEOMETRII I POZYCJONOWANIA PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA OBRABIARCE CNC

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 41, s. 39-46, Gliwice 2011 UKŁAD WIZYJNY DO SKANOWANIA GEOMETRII I POZYCJONOWANIA PRZEDMIOTU OBRABIANEGO NA OBRABIARCE CNC STEFAN DOMEK 1, PAWEŁ DWORAK 1, MAREK GRUDZIŃSKI 2, KRZYSZTOF OKARMA 3, MIROSŁAW PAJOR 2 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie (1) Katedra Automatyki Przemysłowej i Robotyki (2) Instytut Technologii Mechanicznej (3) Katedra Przetwarzania Sygnałów i Inżynierii Multimedialnej e-mail: stefan.domek@zut.edu.pl, miroslaw.pajor@zut.edu.pl marek.grudzinski@zut.edu.pl, krzysztof.okarma@zut.edu.pl, pawel.dworak@zut.edu.pl Streszczenie. Prezentowane urządzenie stanowi układ trójwymiarowego skanowania przestrzeni roboczej obrabiarki CNC, zintegrowany z jej otwartym układem sterowania. Głównym zadaniem układu wizyjnego jest ustalenie położenia (czyli pozycji i orientacji) przedmiotu obrabianego w przestrzeni roboczej obrabiarki oraz automatyczne wyznaczanie bazy obróbkowej dla programu wykonywanego przez maszynę CNC. Ponadto możliwe jest jednoczesne zeskanowanie najbliższego otoczenia przedmiotu mierzonego lub obrabianego, w tym także wszelkich uchwytów mocujących przedmiot i przygotowanie planu obróbki z uwzględnieniem obiektów kolizyjnych. 1. WSTĘP Nowoczesne maszyny CNC charakteryzują się stosunkowo wysokim stopniem automatyzacji procesów pomocniczych. Większość z nich posiada automatyczne magazyny wymiany narzędzi lub systemy automatycznego załadunku palet przedmiotowych. W przypadku obrabiarek CNC stosowanych w produkcji małoseryjnej i jednostkowej istnieje jednak konieczność ręcznego pozycjonowania przedmiotu obrabianego w przestrzeni obróbkowej maszyny bezpośrednio na obrabiarce. Proces ten wymaga zastosowania sondy pomiarowej mocowanej w uchwycie narzędziowym. Tego rodzaju pomiary umożliwiają jednakże wyznaczenie tylko ograniczonego zestawu parametrów geometrycznych przedmiotu obrabianego. Dodatkowo jest to proces czasochłonny, pogarszający efektywność pracy maszyny. W związku z faktem, iż system CNC sterujący maszyną nie ma dostępu do żadnych informacji o gabarytach i położeniu zamocowanego przedmiotu obrabianego na stole roboczym maszyny, automatyzacja procesu pozycjonowania przedmiotu jest mocno utrudniona. W pracy proponuje się zastosowanie technik wizyjnych w celu umożliwienia maszynie samoczynnego określenia, gdzie w przestrzeni roboczej umieszczony jest przedmiot obrabiany oraz jakie są jego gabaryty zewnętrzne. System wizyjny może również stale kontrolować stan i poprawność obróbki zgodnie z przyjętymi założeniami. Informacje

40 S. DOMEK, P. DWORAK, M. GRUDZIŃSKI, K.OKARMA, M. PAJOR o położeniu wszystkich zidentyfikowanych obiektów w przestrzeni roboczej można przekazać do programu obróbkowego, co z kolei pozwoli na skuteczne planowanie automatycznych pomiarów oraz ruchów ustawczych i obróbkowych narzędzia lub sondy pomiarowej bez ryzyka wystąpienia kolizji. 2. ZASADA DZIAŁANIA PROPONOWANEGO SYSTEMU Mając na uwadze potrzebę zwiększenia efektywności pracy obrabiarek CNC, w artykule zaproponowano zastosowanie techniki wizyjnej polegającej na zeskanowaniu obrabianego przedmiotu w celu uzyskania jego trójwymiarowego modelu, dzięki czemu znacząco przyspieszone może być jego pozycjonowanie dokonywane w sposób automatyczny. W tym celu proponuje się zastosowanie zestawu kamer oraz projektorów światła strukturalnego, które umożliwiają uzyskanie informacji o położeniu poszczególnych punktów reprezentujących powierzchnię detalu w przestrzeni 3D. Ich położenie może być wyznaczone z wykorzystaniem technik fotogrametrycznych oraz algorytmów analizy obrazów, w szczególności detekcji krawędzi. W celu uzyskania jak największej dokładności pomiaru przy ograniczonej rozdzielczości obrazów uzyskiwanych z kamer niezbędne jest wykorzystanie algorytmów o dokładności subpikselowej. Skaner 3D jest niezależnym urządzeniem, związanym na stałe jedynie z własnym lokalnym układem współrzędnych. Składa się z odpowiednio rozmieszczonych w przestrzeni projektorów światła strukturalnego lub prążka laserowego oraz zestawu kamer rozmieszczonych wokół przestrzeni roboczej obrabiarki. Geometria tego układu jest znana, a w szczególności znane są kąty projekcji poszczególnych fragmentów wyświetlanego na obiekcie wzorca prążkowego oraz parametry urządzeń optycznych. Na podstawie obserwacji zniekształceń wzorca widocznego na powierzchniach skanowanego detalu można wyznaczyć, za pomocą technik fotogrametrycznych, położenie punktów w przestrzeni 3D. Zależności geometryczne dla lokalnego układu odniesienia (X S Y S Z S ) z zastosowaniem jednej kamery i jednego projektora są przedstawione na rys. 1, gdzie L oznacza odległość pomiędzy projektorem a kamerą, natomiast γ kąt między ich osiami optycznymi. Ponadto β jest kątem wyświetlania punktu wzorca rastrowego względem osi optycznej projektora, zaś α kątem jego obserwacji względem osi optycznej kamery. Pierwszy wykorzystany przez autorów układ do skanowania optycznego opierał się na wyświetlanym kodzie Graya, czyli serii obrazów z naprzemiennymi prążkami dwubarwnymi. Suma binarna wszystkich obrazów pozwalała w rezultacie uzyskać prążki o wzajemnie niepowtarzalnym kodzie, co umożliwiało ich śledzenie w przypadku powierzchni nieciągłych (np. otworów). Kod Graya wykorzystany w projekcie jest kodem 8-bitowym pozwalającym uzyskać 255 prążków o unikalnym kodzie. Zaletą metody jest szybkość działania i prosty algorytm. Nie jest niestety możliwa do wykorzystania cała zakodowana powierzchnia detalu, a jedynie krawędzie na granicy prążków. W wyniku skanowania i zastosowania procedur fotogrametrycznych otrzymuje się krzywe reprezentowane przez serie punktów, między którymi pozostają puste przestrzenie. Aby w pełni zeskanować powierzchnię detalu, technikę tę uzupełnić można o algorytm skanowania płynącymi prążkami sinusoidalnymi (ang. Phase Shifting Method). Badając zmiany gradientu prążków dla każdego piksela, tworzy się mapę głębokości obrazu. Metoda ta niestety prowadzi do wielu błędów dla powierzchni nieciągłych, co powoduje konieczność dodatkowej filtracji uzyskanej chmury punktów.

UKŁAD WIZYJNY DO SKANOWANIA GEOMETRII I POZYCJONOWANIA PRZEDMIOTU 41 Rys.1. Geometria układu skanującego wraz z widokami w osi kamery (po lewej) i projektora (po prawej) oraz detalem oświetlonym światłem strukturalnym w postaci prążków (środek) Zeskanowane punkty odwzorowane są w lokalnym układzie współrzędnych (X S Y S Z S ) związanym na stałe z układem skanowania optycznego. Powoduje to konieczność powiązania skanera 3D z przestrzenią roboczą obrabiarki z wykorzystaniem znanych i niezmiennych punktów charakterystycznych umieszczonych na obrabiarce, którymi mogą być markery (m) umieszczone w środku i w narożnikach stołu (rys. 2), przy czym są one trwale związane ze stołem (np. grawerowane laserowo), aby nie uległy uszkodzeniu podczas mocowania przedmiotu obrabianego. Dzięki takiemu powiązaniu zeskanowane punkty z powierzchni przygotówki można transformować i przedstawić we wspólnym maszynowym układzie współrzędnych (X m Y m Z m ), związanym z obrabiarką. Następnie baza obróbkowa detalu (X b Y b Z b ) musi zostać przetransformowana do nowego układu współrzędnych (X b Y b Z b ) i przyjęta w taki sposób, aby detal został całkowicie wpasowany i obrobiony w zeskanowanej przygotówce, z uwzględnieniem naddatków na obróbkę, co zilustrowano na rys. 3. Kalibracja stanowiska podzielona została na trzy etapy: kalibrację toru optycznego kamer, kalibrację geometrii skanerów 3D (po instalacji) oraz kalibrację ich położenia względem obrabiarki (przed każdym uruchomieniem). Dodatkowo konieczne jest zmierzenie kąta projekcji obrazu wyświetlanego przez projektor i jednocześnie kątów wyświetlania poszczególnych fragmentów wzorca rastrowego, potrzebnych do obliczeń fotogrametrycznych. Stosunkowo prosta metoda bazuje na pomiarze przekątnej wyświetlanego obrazu ze znanej dużej odległości (im większa odległość od ekranu, tym dokładniej wyznaczony kąt projekcji).

42 S. DOMEK, P. DWORAK, M. GRUDZIŃSKI, K.OKARMA, M. PAJOR Rys.2. Schemat ideowy stanowiska do skanowania wizyjnego Kalibracja toru optycznego kamer wykonywana jest na podstawie analizy zdjęć specjalnej uniwersalnej tablicy kalibracyjnej, dzięki której uwzględnić można korekcję dystorsji obiektywu, sprawdzić rozdzielczość obiektywu, a także sprawdzić różne błędy odwzorowania: kołowości, równoległości i prostopadłości. Również istotna z punktu widzenia dokładności skanowania trójwymiarowego jest prawidłowa kalibracja geometrii projektora względem kamery (wchodzących w skład pojedynczego układu skanującego), a w szczególności współpłaszczyznowość urządzeń optycznych z płaszczyzną trójkąta tworzącego osie optyczne i kąt między osiami optycznymi. Dokładne pomiary geometrii wykonywane są za pomocą współrzędnościowej maszyny CNC jeszcze przed powiązaniem skanera z konkretną obrabiarką. Urządzenia wchodzące w skład systemu skanującego powinny być rozmieszczone w przestrzeni z zachowaniem możliwie równomiernego rozkładu. W praktyce może jednak się okazać, że dostępne miejsce jest ograniczone przez gabaryty obudowy maszyny CNC lub części ruchome jak wrzeciono czy kolumna pionowa. Teoretycznie trzy projektory i trzy kamery są wystarczające do dookólnego zeskanowania przedmiotu trójwymiarowego. W praktyce okazuje się, że powierzchnie nachylone pod niewielkim kątem do kierunku padania światła z projektorów są słabo oświetlone, a wyświetlany wzorzec rastrowy mocno rozmyty. W takich warunkach prawidłowa analiza obrazu jest bardzo trudna i powoduje powstawanie znacznej ilości szumów wokół chmury punktów. Jednym z możliwych rozwiązań jest zastosowanie obrotowego stołu umożliwiającego obrót detalu np. o kąt 60

UKŁAD WIZYJNY DO SKANOWANIA GEOMETRII I POZYCJONOWANIA PRZEDMIOTU 43 i przeprowadzenie kolejnego skanowania z trzech kierunków. Obszar skanowany zostałby podzielony na sześć sektorów, ale każde dwa sąsiednie sektory miałyby znaczną część wspólną. W ten sposób można ograniczyć obszar skanowania tylko do fragmentów dobrze oświetlonych bez ryzyka pominięcia części powierzchni przy tworzeniu modelu 3D. Dodatkowym ułatwieniem przy zaawansowanym skanowaniu miejsc trudno dostępnych i normalnie niewidocznych dla żadnej z trzech kamer może być zastosowanie tzw. stołu uchylnego. Dzięki możliwości obrócenia detalu o znany niewielki kąt (widziany na obrazie jako przesunięcie rzędu ułamka piksela) możliwe jest ponadto wykorzystanie technik superrozdzielczości w celu dodatkowego zwiększenia dokładności skanowania. Rys.3. Transformacja bazowego układu odniesienia i wpasowanie detalu w zeskanowaną przygotówkę Założeniem proponowanego systemu jest, iż przygotówkę zamocować można w dowolnym miejscu na stole w polu widzenia kamer. Skanowanie z kilku kierunków pozwala uzyskać zbiór powierzchni cząstkowych (rys.4), które należy połączyć w jedną, reprezentującą cały przedmiot (z wyłączeniem powierzchni niewidocznych dla kamer np. wewnątrz głębokich otworów lub zasłoniętych przez uchwyty). Wraz z przygotówką skanowane są uchwyty mocujące ją do stołu, które są eliminowane programowo z uzyskanego modelu, podobnie jak elementy niezmienne jak: tło, powierzchnia stołu, obudowa obrabiarki. Proces wpasowania może być wspomagany przez wstępne zorientowanie modeli 3D względem siebie lub wskazanie pewnych kluczowych punktów wspólnych detalu i przygotówki. Warto zwrócić uwagę, iż nie zawsze jest to zadanie jednoznaczne, gdyż wpasowanie może prowadzić do wielu poprawnych rezultatów w przypadku dużego nadmiaru materiału przygotówki. Dodatkowym utrudnieniem jest konieczność identyfikacji uchwytów mocujących przedmiot na stole i odróżnienia ich od powierzchni przygotówki. W tym celu można zastosować oznaczenia uchwytów markerami i przygotować bazę modeli uchwytów do identyfikacji.

44 S. DOMEK, P. DWORAK, M. GRUDZIŃSKI, K.OKARMA, M. PAJOR Rys.4. Chmura punktów reprezentująca fragment skanowanej powierzchni Po dokonaniu transformacji układu współrzędnych i wpasowaniu zeskanowanego detalu program obróbki modyfikowany jest o nowy układ bazowy (X b Y b Z b ), w którego osiach będzie poruszać się narzędzie obrabiarki. W efekcie końcowym detal wykonany zostanie całkowicie bez ryzyka wystąpienia powierzchni nieobrobionych (poza materiałem). Powierzchnie niewidoczne wcześniej dla kamer mogą zostać obrobione po przestawieniu przygotówki w uchwytach, przeprowadzeniu kolejnego procesu skanowania i przyjęcia nowej bazy do obróbki. Przy doborze urządzeń optycznych należy uwzględnić kilka istotnych parametrów. Ogniskowa obiektywu, ściśle związana z polem widzenia kamer, musi być dobrana tak, aby na obrazie można było szczegółowo zarejestrować przedmiot o założonych wymiarach i przy założeniu minimalnej możliwej do uzyskania odległości od kamery. Z kolei przekątna wyświetlanego z projektora obrazu powinna być możliwie mała, aby na zarejestrowanym obrazie można było obserwować gęsty wzorzec światła strukturalnego i jednocześnie krawędzie wzorca były ostre. Biorąc pod uwagę dokładność wykonania obiektywów i zjawisko różnego kąta załamania dla zmiennej długości fali świetlnej (aberracja chromatyczna), konieczne jest określenie minimalnej gęstości wyświetlanego wzorca rastrowego, który pozostanie wyraźnie widoczny na zarejestrowanym obrazie. Skanowanie 3D może służyć również do stworzenia bazy tzw. programowych krańcówek dla ruchu narzędzia, co ma szczególne znaczenie przy obrabiarkach o znacznej prędkości przesuwu suportu. Skanowanie 3D dodatkowo można wykorzystać do oceny poprawności i zgodności wykonanego detalu z modelem CAD, a w wersji najbardziej zaawansowanej do sterowania obrabiarką w czasie obróbki. Jednakże w takim przypadku konieczne jest przeprowadzenie dalszych badań i opracowanie procedur programowych mających na celu zapewnienie możliwie najwyższej dokładności uzyskiwanych pomiarów z uwzględnieniem warunków oświetleniowych oraz różnego charakteru skanowanych powierzchni (różne współczynniki odbicia światła, różna połyskliwość materiału).

UKŁAD WIZYJNY DO SKANOWANIA GEOMETRII I POZYCJONOWANIA PRZEDMIOTU 45 Rys.5. Projekt stanowiska laboratoryjnego wraz z mechaniką stołu frezarki 3-osiowej Rys.6. Algorytm obróbki detalu z wykorzystaniem proponowanego systemu wizyjnego Ze względu na fakt, iż przy skomplikowanych kształtach detali, w szczególności zawierających otwory i powierzchnie wklęsłe, pewne ich fragmenty mogą być niewidoczne dla kamer, w dalszym etapie projektu przewidziane jest wykorzystane dodatkowej ruchomej kamery, której położenie mogłoby być sterowane na podstawie informacji pozyskanej z systemu stacjonarnego wraz ze stolikiem obrotowym.

46 S. DOMEK, P. DWORAK, M. GRUDZIŃSKI, K.OKARMA, M. PAJOR 3. WNIOSKI Dzięki zastosowaniu systemu wizyjnego możliwe jest znaczące zwiększenie wydajności pracy obrabiarek CNC dzięki przyspieszeniu i zautomatyzowaniu procesu pozycjonowania przedmiotu obrabianego. Ze względu na fakt, iż większość systemów skanowania 3D przeznaczona jest do odwzorowywania dużych obiektów, np. architektonicznych czy też rzeźb, bez konieczności zachowania dokładności pomiarów na poziomie dziesiątych czy też setnych części milimetra, niezbędne jest wykorzystanie dodatkowych algorytmów subpikselowej analizy obrazu, czy też technik superrozdzielczości bazujących na analizie sekwencji wideo. Artykuł powstał częściowo dzięki wsparciu w ramach grantu MNiSW nr N502 147238 pt. Wykorzystanie technik wizyjnych do pozycjonowania przedmiotów obrabianych na obrabiarkach CNC umowa nr 1472/B/T02/2010/38. LITERATURA 1. Luhmann T., Robson S., Kyle S., Harley I.: Close range photogrammetry: principles, techniques and applications. New York: John Wiley & Sons, 2008. 2. Fechteler P., Eisert P., Rurainsky J.: Fast and high resolution 3D face scanning. Proceedings of the International Conference on Image Processing ICIP 2007, Vol. III, p.. 81-84. 3. Peng T., Gupta S.K.: Model and algorithms for point cloud construction using digital projection patterns. Journal of Computing and Information Science in Engineering 2007, 7, 4, p. 372-381. 4. Li X., Guskov I., Barhak J.: Robust alignment of multi-view range data to CAD model. In: Proceedings of the International Conference on Shape Modeling and Applications SMI 2006. Matsushima, Japan, p. 17. 5. Makadia A., Patterson A., Daniilidis K.: Fully automatic registration of 3D point clouds. In: Proceedings of the International Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. CVPR 2006, New York, p. 1297-1304. 6. Xie H., McDonnell K., Qin H.: Surface reconstruction of noisy and defective data sets. In: Proceedings of the IEEE Visualisation Conference, 2004, Austin, Texas, p.259-266. VIDEO SYSTEM FOR SCANNING THE GEOMETRY AND POSITIONING OF THE WORKPIECE ON THE CNC MACHINE TOOL Summary. The device presented in the paper is the three-dimensional scanning system for CNC machine tools workspace, integrated with the open control system. The main task of the vision system is to determine the location (i.e. the position and orientation) of the workpiece in the workspace, and automated determination of the machining base. Moreover, it is possible to scan the geometry of the measured or processed object s neighbourhood at the same time, including the handles.