URZĄDZENIE DO WIZYJNEJ INSPEKCJI PROCESÓW USTAWCZYCH I OBRÓBKOWYCH NA MASZYNIE CNC



Podobne dokumenty
WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

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

Problematyka budowy skanera 3D doświadczenia własne

Automatyczne tworzenie trójwymiarowego planu pomieszczenia z zastosowaniem metod stereowizyjnych

Zastosowanie deflektometrii do pomiarów kształtu 3D. Katarzyna Goplańska

System automatycznego odwzorowania kształtu obiektów przestrzennych 3DMADMAC

Dr hab. inż. Błażej Bałasz, prof. PK Koszalin, dnia r. Katedra Mechaniki Precyzyjnej Wydział Mechaniczny Politechnika Koszalińska

Korekcja nieliniowości charakterystyki projekcji światła strukturalnego w wizyjnym systemie pozycjonowania przedmiotu obrabianego

Projekt rejestratora obiektów trójwymiarowych na bazie frezarki CNC. The project of the scanner for three-dimensional objects based on the CNC

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

Oprogramowanie FormControl

Obrabiarki CNC. Nr 10

Kalibracja kamery. Kalibracja kamery

Temat: Zaprojektowanie procesu kontroli jakości wymiarów geometrycznych na przykładzie obudowy.

Laboratorium Maszyny CNC. Nr 4

WideoSondy - Pomiary. Trzy Metody Pomiarowe w jednym urządzeniu XL G3 lub XL Go. Metoda Porównawcza. Metoda projekcji Cienia (ShadowProbe)

Przygotowanie do pracy frezarki CNC

Zbigniew Figiel, Piotr Dzikowicz. Skanowanie 3D przy projektowaniu i realizacji inwestycji w Koksownictwie KOKSOPROJEKT

Use of the ball-bar measuring system to investigate the properties of parallel kinematics mechanism

TELEDETEKCJA Z ELEMENTAMI FOTOGRAMETRII WYKŁAD 10

WPŁYW METODY DOPASOWANIA NA WYNIKI POMIARÓW PIÓRA ŁOPATKI INFLUENCE OF BEST-FIT METHOD ON RESULTS OF COORDINATE MEASUREMENTS OF TURBINE BLADE

Cyfrowe przetwarzanie obrazów i sygnałów Wykład 12 AiR III

SINGLE-IMAGE HIGH-RESOLUTION SATELLITE DATA FOR 3D INFORMATIONEXTRACTION

Akademia Górniczo-Hutnicza

Szkolenia z zakresu obsługi i programowania obrabiarek sterowanych numerycznie CNC

WPŁYW WYBRANYCH USTAWIEŃ OBRABIARKI CNC NA WYMIARY OBRÓBKOWE

Metoda określania pozycji wodnicy statków na podstawie pomiarów odległości statku od głowic laserowych

Temat ćwiczenia: Zasady stereoskopowego widzenia.


Inżynieria odwrotna w modelowaniu inżynierskim przykłady zastosowań

TELEDETEKCJA Z ELEMENTAMI FOTOGRAMETRII WYKŁAD IX

Proces technologiczny. 1. Zastosowanie cech technologicznych w systemach CAPP

Program szkolenia zawodowego Operator Programista Obrabiarek Sterowanych Numerycznie CNC

Przemysław Kowalski Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN

Zastosowanie stereowizji do śledzenia trajektorii obiektów w przestrzeni 3D

Program szkolenia zawodowego Operator Programista Obrabiarek Sterowanych Numerycznie CNC

Tematy prac dyplomowych inżynierskich kierunek MiBM

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY. Optoelektroniczne pomiary aksjograficzne stawu skroniowo-żuchwowego człowieka

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Programowanie obrabiarek CNC. Nr 2. Obróbka z wykorzystaniem kompensacji promienia narzędzia

Akademia Górniczo-Hutnicza

Ćwiczenie nr 8 - Modyfikacje części, tworzenie brył złożonych

Symulacja komputerowa i obróbka części 5 na frezarce sterowanej numerycznie

Zastosowanie optycznej techniki pomiarowej w przemyśle ceramicznym

Różne sposoby widzenia świata materiał dla ucznia, wersja z instrukcją

Spis treści CZĘŚĆ I POZYSKIWANIE ZDJĘĆ, OBRAZÓW I INNYCH DANYCH POCZĄTKOWYCH... 37

Geometryczne podstawy obróbki CNC. Układy współrzędnych, punkty zerowe i referencyjne. Korekcja narzędzi

Politechnika Warszawska Wydział Mechatroniki Instytut Automatyki i Robotyki

Badania elementów i zespołów maszyn laboratorium (MMM4035L) Zastosowanie systemu nawigacyjnego w pomiarach geometrii elementów maszyn. Ćwiczenie 22.

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Laboratorium Programowanie obrabiarek CNC. Nr 2

Temat Zasady projektowania naziemnego pomiaru fotogrametrycznego. 2. Terenowy rozmiar piksela. 3. Plan pomiaru fotogrametrycznego

INSTRUKCJA DO ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH

Instrukcja do ćwiczenia jednopłaszczyznowe wyważanie wirników

Program kształcenia kursu dokształcającego

Manipulator OOO z systemem wizyjnym

Programowanie systemów wizyjnych Cognex. Podstawowe pojęcia oraz środowisko Spreadsheet

Program kształcenia kursu dokształcającego

Iris Przestrzenny System Pozycjonowania pomocny w rozmieszczaniu elementów podczas montażu i spawania

Z a p r o s z e n i e n a W a r s z t a t y

Utworzenie dokumentacji bryłowej na podstawie skanów 3D wykonanych skanerem scan3d SMARTTECH

Kurs: Programowanie i obsługa obrabiarek sterowanych numerycznie - CNC

Nowa metoda pomiarów parametrów konstrukcyjnych hełmów ochronnych z wykorzystaniem skanera 3D

Projektowanie systemów zrobotyzowanych

Podstawy technik wytwarzania PTWII - projektowanie. Ćwiczenie 4. Instrukcja laboratoryjna

Współrzędnościowa Technika Pomiarowa

SPIS TREŚCI STRESZCZENIE...8 SUMMARY...9 I. WPROWADZENIE... 10

KATEDRA MECHANIKI I PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN. Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z elementów analizy obrazów

Mobilne Aplikacje Multimedialne

Tematy prac dyplomowych magisterskich, realizacja semestr: letni 2018 kierunek AiR

Symulacja maszyny CNC oparta na kodzie NC

Aerotriangulacja. 1. Aerotriangulacja z niezależnych wiązek. 2. Aerotriangulacja z niezależnych modeli

Technologiczny zapis konstrukcji, nowe wytyczne zawarte w normie *EN ISO 1101

Obróbka po realnej powierzchni o Bez siatki trójkątów o Lepsza jakość po obróbce wykańczającej o Tylko jedna tolerancja jakości powierzchni

OCENA ODWZOROWANIA KSZTAŁTU ZA POMOCĄ WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWEGO RAMIENIA POMIAROWEGO WYPOSAŻONEGO W GŁOWICĘ OPTYCZNĄ

Aplikacje Systemów. Nawigacja inercyjna. Gdańsk, 2016

POSTĘPY W KONSTRUKCJI I STEROWANIU Bydgoszcz 2004

Laboratorium metrologii

KONTROLA JAKOŚCI ODKUWEK I MATRYC / ARCHIWIZACJA I REGENERACJA MATRYC

DIGITALIZACJA GEOMETRII WKŁADEK OSTRZOWYCH NA POTRZEBY SYMULACJI MES PROCESU OBRÓBKI SKRAWANIEM

Kalibracja robotów przemysłowych

Problem testowania/wzorcowania instrumentów geodezyjnych

INŻYNIERIA ODWROTNA - praktyczne zastosowania. dr inż. Ireneusz Wróbel Katedra Podstaw Budowy Maszyn, ATH w Bielsku-Białej

Metody kodowania wybranych cech biometrycznych na przykładzie wzoru naczyń krwionośnych dłoni i przedramienia. Mgr inż.

SKANER LASEROWY HP-L-8.9

Roboty przemysłowe. Wojciech Lisowski. 8 Przestrzenna Kalibracja Robotów

Weryfikacja geometrii wypraski oraz jej modyfikacja z zastosowaniem Technologii Synchronicznej systemu NX

Analiza korespondencji

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Programowanie obrabiarek CNC. Nr 2. Obróbka z wykorzystaniem kompensacji promienia narzędzia

GEODEZJA WYKŁAD Pomiary kątów

Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH. Nr ćwiczenia: 1. Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn

Program szkolenia zawodowego Operator Programista Obrabiarek Sterowanych Numerycznie CNC

PL B1. Sposób prostopadłego ustawienia osi wrzeciona do kierunku ruchu posuwowego podczas frezowania. POLITECHNIKA POZNAŃSKA, Poznań, PL

Aproksymacja funkcji a regresja symboliczna

Algorytmy decyzyjne będące alternatywą dla sieci neuronowych

Semestr letni Metrologia, Grafika inżynierska Nie

Pattern Classification

Semestr zimowy Metrologia, Grafika inżynierska Tak

Oprogramowanie wspierające kalibrację kamer 3D oraz analizę głębi obrazu stereoskopowego. Piotr Perek. Łódź, 7 grudnia Politechnika Łódzka

OPERATOR OBRABIAREK SKRAWAJĄCYCH

Transkrypt:

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 52, ISSN 1896-771X URZĄDZENIE DO WIZYJNEJ INSPEKCJI PROCESÓW USTAWCZYCH I OBRÓBKOWYCH NA MASZYNIE CNC Mirosław Pajor 1a, Marek Grudziński 1b, Krzysztof Okarma 2c 1 Instytut Technologii Mechanicznej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie 2 Katedra Przetwarzania Sygnałów i Inżynierii Multimedialnej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie a miroslaw.pajor@zut.edu.pl, b marek.grudzinski@zut.edu.pl, c krzysztof.okarma@zut.edu.pl Streszczenie Pomimo wysokiego stopnia automatyzacji współczesnych obrabiarek CNC część czasochłonnych operacji przygotowawczych musi zostać wykonana manualnie, m.in: ustawienie przedmiotu obrabianego oraz kontrola wyników obróbki, szczególnie gdy konieczne jest wielokrotne przestawianie i mocowanie przedmiotu w uchwytach. Obecnie stosowane sondy stykowe, obsługiwane przez operatora, można zastąpić zmysłem widzenia maszynowego. W artykule przedstawiono wyniki prób prototypu nowatorskiego systemu wizyjnego, którego zadaniem jest szybkie bazowanie przedmiotu obrabianego. Na obrabiarce dokonano analizy dokładności pomiarów autorskiego układu do pomiarów fotogrametrycznych i do skanowania geometrii oraz przeprowadzono próby bazowania przedmiotu obrabianego. Zaproponowany system może stać się narzędziem codziennej pracy operatora, polepszającym efektywność procesów wytwórczych. Słowa kluczowe: system wizyjny, skanowanie 3D, obrabiarka CNC, bazowanie, fotogrametria, kamery VISION BASED DEVICE FOR MANUFACTURING PROCESS INSPECTION ON THE CNC MACHINES Summary Despite the high level of automation of modern CNC machine tools some of the time-consuming works have to be prepared manually, i.a. setting the position of the workpiece and quality control of machining process, especially when the workpiece need to be fixed more than once. The commonly used touch-sensors, controlled manually by the operator, can be replaced with machine seeing. In the paper the results of accuracy tests for novel 3D vision system for scanning and measuring the workpiece will be presented. The main task of the system is to determine the base coordinate system of the workpiece automatically. Furthermore the system could scan the local workspace of the CNC machine and recognize the colliding objects for machining tool. In the nearest future the proposed system may become a commonly used tool for manufacturing processes. Keywords: vision based system, 3D scanning, CNC machine tools, photogrammetry, cameras, workpiece positioning 1. WSTĘP Układy wizyjne do skanowania trójwymiarowego w ostatnich latach znajdują coraz szersze zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu i techniki do automatycznych pomiarów skomplikowanych geometrycznie przedmiotów lub kontroli procesów produkcyjnych. Szczególny nacisk położony jest na uzyskiwanie coraz większej szybkości i dokładności przy zachowaniu odporności na niekorzystne warunki, typowe dla wielu procesów przemysłowych. Najbardziej zaawansowane systemy do skanowania pełnej geometrii 178

Mirosław Pajor, Marek Grudziński, Krzysztof Okarma stosowane są np. przy inżynierii odwrotnej lub kontroli jakości produkcji, jednak zwykle są to urządzenia samodzielne, pracujące we własnej przestrzeni roboczej. Z kolei nowoczesne centra obróbkowe, pomimo zaawansowanej technologii sterowania, wciąż wymagają manualnej ingerencji operatora obrabiarki, gdy konieczne jest np. ustawienie i przyjęcie baz obróbkowych nowego przedmiotu obrabianego. Stosowane są w tym celu sondy stykowe prowadzone przez operatora za pomocą pulpitu sterowniczego. Ryzyko uszkodzenia takiej sondy jest stosunkowo duże, a zestaw danych geometrycznych ogranicza się do kilku wybranych punktów na powierzchni przedmiotu obrabianego. Przy takim podejściu maszyna nie widzi, gdzie znajdują się przedmioty stwarzające ryzyko kolizji z narzędziem. W Centrum Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie opracowano prototyp nowoczesnego i niespotykanego dotąd w przemyśle obrabiarkowym narzędzia do trójwymiarowego optycznego skanowania przedmiotu obrabianego. Urządzenie to umożliwia automatyczny wybór bazy obróbkowej na podstawie danych geometrycznych z procesu skanowania. 2. OPTYCZNE TECHNIKI POMIAROWE W PRZESTRZENI 3D Pomiary optyczne w przestrzeni trójwymiarowej są stosunkowo nową gałęzią metrologii i coraz skuteczniej wypierają tradycyjne metody pomiarowe, np. na maszynach współrzędnościowych. Niewątpliwą ich zaletą jest krótki czas pomiaru i przetwarzania danych o pełnej geometrii, duża dokładność i możliwość pomiaru struktur o dowolnej twardości. Zastosowanie technik wizyjnych wymaga jednak odpowiedniego przygotowania mierzonego detalu poprzez zmatowienie powierzchni refleksyjnych i transparentnych, w celu poprawy ich widoczności i zredukowania niepożądanych zjawisk odbicia światła. Do uzyskania danych geometrycznych niezbędna jest obserwacja danego przedmiotu z przynajmniej dwóch odmiennych pozycji w przestrzeni, np. za pomocą dwóch kamer, których pola widzenia mają pewną część wspólną. Układ taki umożliwia widzenie stereoskopowe [6]. Rys. 2. Głowica skanująca, w której skład wchodzą dwie kamery C1, C2 i projektor światła strukturalnego P. Parametry optyczne wyznacza się względem wzorca do kalibracji T Rys. 1. Stanowisko badawcze złożone z głowicy do skanowania ustawionej przy frezarce AVIA VC70 Organizmy żywe (np. ludzie) do oceny odległości w przestrzeni stosują zmienną geometrię osi optycznych oczu i zmianę ogniskowania obrazu, jednak wymaga to długotrwałego procesu uczenia i adaptacji sieci neuronowych, a wyniki oceny są często dalekie od rzeczywistości. W przeciwieństwie do organizmów żywych, od pomiarowych układów stereowizyjnych wymaga się dużej dokładności pomiarów, co jest możliwe jedynie dzięki znajomości położenia przynajmniej dwóch kamer oraz parametrów opisujących przebieg promieni światła przez układy soczewek w obiektywach. Procedury kalibracji [2] umożliwiają poznanie takich parametrów jak: orientacja i położenie kamery w przestrzeni, ogniskowa, współczynniki dystorsji obiektywu czy błędy geometrii osi optycznej i położenia sensora kamery. Obserwowany punkt musi zostać zidentyfikowany przez system wizyjny, co często bywa problemem w przypadku Urządzenie może zostać zamocowane na dowolnej obrabiarce CNC, a dzięki dedykowanym procedurom kalibracji może zostać z nią powiązane we wspólnej przestrzeni roboczej. Rozwiązanie może zastąpić obecnie powszechnie stosowaną stykową sondę pomiarową, znacznie skracając czas przestoju maszyny, dzięki czemu zwiększyć można efektywność jej pracy. Prezentowane urządzenie, dzięki znajomości położenia i pełnej geometrii przedmiotu obrabianego oraz elementów układu mocowania, może zapobiegać kolizjom narzędzia podczas ruchów ustawczych i obróbkowych, zwiększając bezpieczeństwo pracy maszyny CNC oraz jej operatora. Projekt jest częścią przedsięwzięcia, realizowanego przez Centrum Mechatroniki ZUT, mającego na celu stworzenie tzw. obrabiarki inteligentnej [1]. 179

URZĄDZENIE DO WIZYJNEJ INSPEKCJI PROCESÓW USTAWCZYCH I OBRÓBKOWYCH skomplikowanych scen. W tym celu stosuje się odpowiednio zaprojektowane znaczniki (markery), zawierające układy regularnych kształtów, nie występujących w otoczeniu [6]. W doświadczeniach przeprowadzonych przez autorów wykorzystano markery złożone z kontrastowych okręgów koncentrycznych, łatwych do zidentyfikowania metodą wspólnych środków ciężkości. Rys. 3. Prawidłowe markery wykryte na dwóch widokach tablicy wzorcowej, oznaczone jasnym białym krzyżykami. Algorytm zaznacza, ale odrzuca markery spełniające tylko część kryteriów (ciemne krzyżyki na wycinku zdjęcia po prawej) Zgodnie z rys. 6 podstawą do wyznaczenia współrzędnych określonych punktów P(x,y,z), oznaczonych markerami, jest znajomość współrzędnych projekcji (u,v) oraz (m,n) punktu odpowiednio na matrycy CCD1 oraz CCD2, z dokładnością subpikselową. Następnie stosuje się tzw. projekcję wsteczną tych punktów z matrycy do przestrzeni [2] i otrzymuje się zestawy zaczepionych wektorów projekcji, które zgodnie z przewidywaniami powinny przecinać się dokładnie w punktach P oznaczonych markerami. Dla dużej liczby markerów konieczne jest odnalezienie tzw. markerów korespondujących dla osobnych widoków. Znajomość położenia kamer (parametrów zewnętrznych [2]) pozwala na obliczenie punktów przecięcia wektorów projekcji w przestrzeni. W praktyce okazuje się, że dwa wektory dla każdego z punktów są skośne, a założony najmniejszy dystans je dzielący jest podstawą kwalifikacji, czy dana para wektorów projekcji wskazuje na ten sam punkt w przestrzeni. W trakcie badań eksperymentalnych założono dozwolony dystans dzielący wektory skośne, wynoszący co najwyżej 0,2 mm. Rys. 4. Uproszczony algorytm wykrywania punktów korespondujących, spełniający kryterium minimalnego dystansu dwóch wektorów skośnych. Rys. 5. Wektor g Vcr opisuje najkrótszy dystans między wektorami projekcji g1 V1 i g2 V2, gdy jest do nich prostopadły. Środek wektora g Vcr to poszukiwany środek markera. Wykazano, że przy prawidłowo skalibrowanym układzie dwóch kamer średni dystans pomiędzy wektorami skośnymi wynosi 0,02 mm, dla zakresu odległości od kamery 0,7-0,8 m. Oznacza to, że można bezbłędnie określić korespondencję dwóch punktów, jeżeli ich odległość na skanowanej powierzchni wynosi przynajmniej 0,4 mm. Rozdzielczość pomiarów zależna jest również od wielkości naniesionych na powierzchnię markerów. Rys. 6. Schemat wielozadaniowej głowicy do pomiarów fotogrametrycznych i skanowania za pomocą światła strukturalnego. Osobnym zagadnieniem jest szybka detekcja markerów na zarejestrowanych obrazach. W badaniach wykorzystano powszechnie stosowane markery kołowe, nieoznaczone dodatkowym kodem binarnym. Zaproponowana przez autorów metoda bazuje w głównej mierze na operacjach binarnych, między innymi poszukiwaniu sekcji obrazów o podobnych cechach (np: jednolite pole centralne i obwiednia markera), filtracji medianowej szumów, a także na poszukiwaniu elementów o wspólnych środkach ciężkości. Zaprojektowane markery posiadają cechy ułatwiające ich wykrywanie nawet w skomplikowanych otoczeniu, jednak warunkiem jest odpowiedni kontrast między markerem a powierzchnią obiektu. Metoda wspólnych środków ciężkości okazała się bardzo skuteczna, zwłaszcza przy wykorzystaniu zaimplementowanych algorytmów dodatkowej klasyfikacji markerów pod względem ich średnicy. W praktyce przemysłowej mierzenie całych powierzchni technikami stereowizyjnymi z zastosowaniem markerów jest niespotykane, gdyż trudne i czasochłonne 180

Mirosław Pajor, Marek Grudziński, Krzysztof Okarma jest oznaczenie markerami całego, skomplikowanego geometrycznie detalu. Dużą gęstość punktów reprezentujących powierzchnię można uzyskać, stosując projekcję wzorca strukturalnego (najpowszechniej stosowany jest kod Graya i prążki sinusoidalne, ang. phase shifting method), który indeksuje specjalnym kodem każdy punkt w przestrzeni, znajdujący się w polu widzenia kamery. W wyniku analizy i syntezy obrazów tak oświetlonego przedmiotu uzyskuje się tzw. mapę przesunięcia fazowego oraz wartość fazy dla każdego piksela indywidualnie [5]. 3. KALIBRACJA SKANERA NA OBRABIARCE CNC Według zamysłu autorów, skaner 3D powinien generować wyniki w odniesieniu do przestrzeni roboczej obrabiarki. Istotnym zagadnieniem jest więc kalibracja głowicy skanującej na obrabiarce CNC w celu powiązania przestrzeni roboczych obu urządzeń. Zaproponowana metoda polega na kalibracji głowicy przy pomocy wzorca kalibracyjnego, umieszczonego w otoczeniu obrabiarki tak, aby wszystkie kamery i projektor mogły obserwować i oświetlać wzorzec. Parametry zewnętrzne określone są względem środka i zarazem płaszczyzny wzorca kalibracyjnego. W praktyce wystarczy położyć wzorzec na stole maszyny CNC. Rys. 7. Detal oznaczony markerami, oświetlony jednym z kodów binarnych Graya oraz prążkami sinusoidalnymi. Przestrzeń zostaje podzielona na sekcje o tej samej wartości fazy, które można przedstawić jako punkty wspólne. Możliwe jest śledzenie każdej sekcji nawet gdy powierzchnia jest nieciągła. Dzięki informacjom z mapy przesunięcia fazowego można jednoznacznie określić, którym fragmentem rastra został oświetlony dany fragment sceny. Znajomość wzorca światła i jego zniekształceń [4] na skanowanej powierzchni, przy skalibrowanych parametrach zewnętrznych kamer i projektora, pozwala na utworzenie mapy głębokości i odtworzenie geometrii mierzonego detalu. Markery stosuje się wówczas jedynie jako punkty odniesienia wykorzystywane do łączenia fragmentów zeskanowanych powierzchni lub do utworzenia siatki referencyjnej (węzłów) pomocnych przy skanowaniu przedmiotów dużych gabarytowo. Jest to przydatne rozwiązanie, zważywszy na ograniczone pole skanowania. Techniki te, w różnych odmianach, stosowane są obecnie w komercyjnych systemach pomiarowych czołowych producentów skanerów 3D. Rys. 9. Samodzielna głowica skanująca, umieszczona przy obrabiarce, obserwująca kierunki ruchu stołu w celu kalibracji W następnym kroku należy znaleźć relację tak wyznaczonego układu współrzędnych głowicy do układu maszynowego obrabiarki. W tym celu zaproponowano stereowizyjną obserwację położenia pojedynczego markera, umieszczonego na stole obrabiarki w ściśle znanym położeniu. Wystarczające są dwa ruchy stołu zgodne z kierunkami osi X oraz osi Y. Ruch obserwowanego markera wyznacza kierunki wektorów wszystkich osi układu maszynowego, a jego pozycje są rejestrowane przez układ stereowizyjny. Następnie, stosując metodę rozkładu względem wartości szczególnych dla macierzy rotacji (algorytm SVD), określa się relację, tj. rotację i translację [R,t] wektorów do osi układu skanującego. Najlepszym rozwiązaniem wydaje się wyfrezowanie przez samą obrabiarkę niewielkiego otworu, np. w środku stołu. Otwór taki można stosunkowo łatwo odnaleźć na obrazie i wyznaczyć jego środek z dokładnością subpikselową. Dzięki otrzymanej relacji układu skanera i układu maszynowego można każdy zeskanowany punkt wyrazić względem maszynowego układu obrabiarki. Tym samym wiadome staje się, gdzie jest ulokowana na stole maszyny np. zeskanowana przygotówka. Rys. 8. Każdy piksel obrazu, poza wartością jasności, otrzymuje dodatkowe parametry: wartość przesunięcia fazowego i wyznaczone na jego podstawie współrzędne, liczone względem optycznego układu współrzędnych kamery. 181

URZĄDZENIE DO WIZYJNEJ INSPEKCJI PROCESÓW USTAWCZYCH I OBRÓBKOWYCH Rys. 10. Rozpoznawanie kierunków osi głównego układu maszynowego obrabiarki CNC poprzez śledzenie pozycji markera za pomocą głowicy skanującej. Pozycja wyjściowa markera na stole maszyny musi być znana. markera, przemieszczającego się iteracyjnie o zadany dystans wzdłuż poszczególnych osi obrabiarki. Wyniki wykazały dużą dokładność, szczególnie w centralnej części obrazu (błąd rzędu 2 m) i nieco mniejszą na krawędziach obrazów (błąd rzędu 10 m). Zgodnie z charakterystykami na rys. 13 obserwowano niedostateczną korekcję dystorsji obiektywów kamer oraz nieznaczne nachylenie płaszczyzny stołu (0,5%). Są to błędy wskazujące na słabe punkty metod kalibracji, bądź nieprawidłowo wykonaną procedurę kalibracji i wymagają dalszych badań. Rys. 11. Odnaleziona relacja układu odniesienia skanera 3D i obrabiarki umożliwia śledzenie i zwizualizowanie położenia obiektów (np. przygotówki) na stole maszyny. Widoczny czarny kontur wskazuje położenie wzorca do kalibracji względem maszyny CNC. Pierwotny początkowy układ odniesienia T głowicy skanującej, związany z wzorcem kalibracyjnym, wyrażono w nowym układzie odniesienia, związanym z osiami obrabiarki Rys. 13. Stereowizyjny pomiar położenia markera poruszającego się wzdłuż osi Y obrabiarki, w celu sprawdzenia błędów kalibracji. Osie układu skanującego zostały przetransformowane do osi obrabiarki. Według ustaleń autorów główną przyczynę nieprawidłowości kalibracji stanowi wzorzec kalibracyjny w postaci regularnej kwadratowej szachownicy, który nigdy nie pokrywa całego pola widzenia kamery. W efekcie model dystorsji nie może być wyznaczony prawidłowo. Rys. 12. Funkcja RigidT() zwraca wzajemną rotację i translację dwóch układów współrzędnych, opisanych znormalizowanymi wektorami kierunkowymi. 4. WYNIKI EKSPERYMENTÓW Wykonano szereg eksperymentów potwierdzających słuszność idei wyznaczania układu bazowego metodami optycznymi. Przede wszystkim eksperymentalnie określono dokładność, z jaką układ stereowizyjny odtwarza ruchy stołu obrabiarki. W tym celu sprawdzano współrzędne 182

Mirosław Pajor, Marek Grudziński, Krzysztof Okarma Rys. 14. Wyniki pomiaru osi X skanera w zgodności z osią X obrabiarki. Na pierwszym wykresie widoczne największe błędy odpowiadające granicom pola widzenia kamery W dalszych eksperymentach wykorzystany zostanie nowy, aktualnie opracowywany, wzorzec z rastrem punktowym, którego proporcje będą zbliżone do proporcji rejestrowanego przez kamerę obrazu. Wzorzec taki pokryje zawsze całe pole widzenia, dzięki czemu model dystorsji będzie wyznaczany z mniejszym błędem. Dużą trudność stanowić może dopasowanie siatki rastra do modelu dystorsji, gdy liczba oraz kombinacja zarejestrowanych przez kamerę punktów będzie za każdym razem inna. Kolejny z eksperymentów polegał na zeskanowaniu detalu wzorcowego i odnalezieniu położenia jego bazowego układu odniesienia względem obrabiarki. Zeskanowany techniką światła strukturalnego detal, wraz z fragmentami otoczenia, został przedstawiony jako chmura punktów 3D. Każdemu pikselowi obrazu została dodatkowa wartość opisująca głębię obrazu względem kamery. Dzięki wynikom kalibracji dane w postaci współrzędnych 3D zostały następnie przetransformowane do układu maszynowego obrabiarki i zwizualizowane. Rys. 16. Zasada powiązywania układów współrzędnych skanera, obrabiarki i bazy do obróbki Zgodnie z założeniami projektu wyznaczanie układu bazowego miało się odbywać poprzez wskazanie zestawu sześciu punktów referencyjnych, które określają jednoznacznie położenie i kierunek bazowego układu przedmiotowego. Operator obrabiarki ma do dyspozycji zestaw zdjęć wykonanych przez skaner, które powiązane są z mapami głębokości i wyłącznie od jego decyzji zależy, które płaszczyzny będą płaszczyznami bazowymi. Wskazanie punktów odbywa się analogicznie jak dla maszyny współrzędnościowej lub klasycznej sondy stykowej na obrabiarce, jednak bez fizycznego udziału sondy. Operator wybiera punkty bezpośrednio na mapach głębokości, powiązanych z obrazami uzyskanymi z kamer. Współrzędne wskazanych punktów są automatycznie przeliczane i wyrażone w układzie obrabiarki. Podejście takie jest intuicyjne, pozwala na dużą dowolność przy wybieraniu punktów i eliminuje konieczność stosowania sondy stykowej. Rys. 17. Wizualizacja 3D zeskanowanej przygotówki oraz wyznaczona relacja bazy do obróbki względem układu maszynowego. Rys. 15. Zaznaczanie punktów wirtualną sondą stykową, analogicznie jak dla maszyny współrzędnościowej Wyznaczony układ bazowy, w postaci trzech kierunkowych wektorów zaczepionych w określonym punkcie, przesyłany jest do układu sterowania obrabiarką CNC, gdzie zostaje przetworzony na lokalny język programowania obrabiarki (np. popularny G-code). 183

URZĄDZENIE DO WIZYJNEJ INSPEKCJI PROCESÓW USTAWCZYCH I OBRÓBKOWYCH Wstępna weryfikacja działania systemu polegała na wykonaniu najazdu końcówką narzędzia na punkt bazowy i wykonaniu podstawowych ruchów obrabiarką w kierunkach osi układu bazowego. Rys. 19. Wyniki obserwacji zmian położenia układu bazowego do obróbki. Widoczny błąd trajektorii (powiększony 100-krotnie) wskazuje nieprawidłowości kalibracji skanera względem obrabiarki. Rys. 18. Próbny najazd końcówki narzędzia na wyznaczony optycznie punkt bazowy przygotówki. Wyniki były w pełni zadowalające, jednak dokładną weryfikację można przeprowadzić dopiero po uruchomieniu obróbki detalu wzorcowego i wyfrezowaniu np. kilku otworów we wskazanych położeniach względem układu bazowego. Błędy położenia otworów zmierzyć należy na maszynie współrzędnościowej. Czas potrzebny na skanowanie i ustalenie położenia nowego detalu oscyluje w granicach 30 sekund, w cyklu manualnym. Badania przeprowadzono na zmodyfikowanej obrabiarce AVIA VC70, wyposażonej we własny otwarty układ sterowania O.C.E.A.N [3] autorstwa naukowców z Centrum Mechatroniki ZUT. Przedstawiona metoda wykorzystana została do dalszych eksperymentów, polegających na śledzeniu położenia układu bazowego detalu, który przemieszczany był w sposób skoordynowany po zadanej trajektorii za pomocą obrabiarki. Wyniki zostały przetworzone do postaci umożliwiającej odczyt średniokwadratowego błędu położenia punktu bazowego względem trajektorii idealnej. Odchylenie od trajektorii okazało się mieć związek z jakością przeprowadzonej procedury kalibracji i wyraźna była tendencja układu do zaniżania odległości wraz ze zbliżaniem się obiektu do krawędzi obrazu. Potwierdziło to konieczność dokładniejszego określenia modelu zniekształcenia obrazu powodowanego dystorsją obiektywu. Dane zbliżone do płaszczyzny XY zostały automatycznie rozpoznane i odseparowane jako element powierzchni stołu. Stosując dodatkowe markery umieszczone na uchwytach, można wykonać pomiar ich sekwencji przestrzennej i na tej podstawie zidentyfikować orientację i rodzaj zastosowanego uchwytu obróbkowego. Uchwyty mogą być zeskanowane wcześniej i zapisane w osobnej bazie modelu trójwymiarowego, a następnie w sposób automatyczny mogą zostać odjęte od chmury punktów. Tym samym można określić bezpieczną przestrzeń, w której może poruszać się narzędzie obrabiarki. W przypadku nieprawidłowo napisanego kodu wykonawczego lub źle zamocowanego detalu operator zostanie poinformowany o możliwości wystąpienia kolizji, ze wskazaniem jej miejsca. Podczas prowadzenia eksperymentów zaobserwowano zjawisko dekalibracji systemu powodowane nagrzewaniem się stanowiska. Źródłem ciepła był projektor światła strukturalnego, oparty na klasycznej technologii halogenowej. Komercyjne systemy zakładają znajomość odkształceń termicznych konstrukcji nośnej głowicy, najczęściej wykonanej z aluminium, w celu kompensacji błędu. Podczas kalibracji głowica, jak i wzorzec kalibracyjny, muszą być stabilne termicznie w celu uzyskania powtarzalnej dokładności pomiarowej rzędu 2-3 µm. 184

Mirosław Pajor, Marek Grudziński, Krzysztof Okarma 5. PODSUMOWANIE Uzyskane wyniki potwierdzają koncepcję weryfikowaną w ramach projektu badawczego, stanowiącą, iż system taki w najbliższej przyszłości mógłby stać się narzędziem wspomagania operatora w najbardziej czasochłonnych etapach procesu obróbki. Dodanie do układu sterowania obrabiarki zmysłu widzenia maszynowego, niespotykanego obecnie w tej postaci w produkcji przemysłowej, umożliwiłoby efektywne skanowanie trójwymiarowe przestrzeni roboczej obrabiarki, rozpoznawanie geometrii i położenia obiektów w niej umieszczonych i przygotowanie maszyny do obróbki dla dowolnie zamocowanego przedmiotu. Dodatkowo w przypadku detali częściowo obrobionych możliwe będzie, po przestawieniu detalu w uchwytach, powtórzenie procedur skanowania i wyznaczania bazy do obróbki, w celu obrobienia miejsc np. zasłoniętych wcześniej przez uchwyty obróbkowe. Końcowym etapem byłaby analiza poprawności wykonania detalu bezpośrednio na obrabiarce po zakończeniu obróbki. Najistotniejsze z punktu widzenia dokładności pomiarów jest opracowanie procedur do precyzyjnej kalibracji i zastosowanie układów optycznych charakteryzujących się małymi błędami wykonania elementów optycznych, a także eliminacja wpływu zmian temperatury na geometrię głowicy skanującej Efektem upowszechnienia tego typu systemów byłoby niewątpliwie zwiększenie wydajności produkcji, wzrost innowacyjności i poszerzenie wachlarza usług, a tym samym rozwój, wzrost znaczenia i konkurencyjności różnej skali zakładów produkcyjnych. Duże znaczenie ma niewielki koszt urządzeń potrzebnych do utworzenia takiego systemu, zwiększenie bezpieczeństwa pracy maszyny CNC oraz jej operatora, a także łatwa i intuicyjna obsługa. Artykuł powstał częściowo dzięki wsparciu w ramach grantu badawczego MNiSW nr N502 147238, zatytułowanego: Wykorzystanie technik wizyjnych do pozycjonowania przedmiotów obrabianych na obrabiarkach CNC. Literatura 1. Pajor M., Marchelek K.: Aspekty tworzenia koncepcji obrabiarki inteligentnej. Inżynieria Maszyn 2011, R.16, z.1-2, s. 7-39. 2. Domek S., Dworak P., Grudziński M., Okarma K.: Calibration of cameras and fringe pattern projectors in the vision system for positioning of workpieces on the CNC machines. Solid State Phenomena 2013, Vol.199, p. 229-234. 3. Domek S., Pajor M., Pietrusewicz K., Urbański Ł.: Eksperymentalny system O.C.E.A.N. otwartego sterowania napędami liniowymi. Inżynieria Maszyn 2011, R. 16, z. 1-2, s.40-49. 4. Okarma K., Grudziński M.: Korekcja nieliniowości projektorów w wizyjnym systemie pozycjonowania przedmiotów obrabianych na obrabiarkach sterowanych numerycznie. Pomiary Automatyka Robotyka 2013, R.17 nr 1, s.147-152. 5. Zhang S.: High-resolution, real-time 3-D shape measurement. PhD thesis, Stony Brook University, 2005. 6. Luhmann T., Robson S., Kyle S., Harley I.: Close range photogrammetry principles, methods and applications. Whittles Publishing 2009. 185