Устройство для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов. Устройство реализует принцип "структурированной подсветки", который используют в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности. Устройство содержит источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант и дополнительный объектив, с помощью которого формируется структурированная подсветка объекта системой полос, основной объектив, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, цифровой электронный блок, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины высот профиля поверхности по измеренной величине искривления полос. Устройство дополнительно снабжено вторым объективом с большой глубиной резко передаваемого изображения, вторым электронным цифровым блоком - компаратором, в памяти которого хранится цифровое изображение периодической по одной координате линейчатой структуры, а транспарант выполнен в виде слайда с линейчатой структурой, периодической вдоль двух координат, т.е. в виде решетки. Таким образом устраняются высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности, присущие известным устройствам, в результате повышается точность и достоверность контроля. 5 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов.

Известны устройства, реализующие принцип "структурированной подсветки", которые используются в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности. Известен способ и устройство, его реализующее, для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов. Способ заключается в том, что последовательно сканируют отдельные контуры поверхности светящейся полосой и судят о контролируемых размерах по степени искажения изображения полосы и местоположению полосы в декартовой системе координат. Устройство, реализующее способ, содержит лазер, сканер, объектив, фоторегистратор и блок обработки информации (см., например, описание изобретения к патенту РСТ WO 98/27514 от 25.06.98, заявка РСТ /IB 97/ 01649 от 15.12.96).

Недостатком известного устройства является низкая точность и длительное время контроля, связанные с наличием операции и блока сканирования.

Известен способ и устройство, его реализующее, для контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в том, что на объект проецируется система разноцветных периодических полос. В результате в одном кадре регистрируется целиком вся попадающая в поле зрения камеры часть поверхности и судят о контролируемых размерах по степени искажений изображения множества полос и местоположению полос в декартовой системе координат. Устройство, реализующее способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, выполненный в виде слайда с изображением радужных полос, объектив, проецирующий изображение возникающей на поверхности контролируемого объекта искаженной рельефом поверхности картины радужных полос, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое и цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины высот рельефа (см., например, описание изобретения к патенту РСТ WO 00/70303, РСТ /US 99/ 70303, кл. G 01 B 11/24, 23.11.2000).

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная неоднозначным отражением подсвечивающего пучка от поверхности цветного объекта, и отсутствие в отраженной картине информации о сквозных отверстиях.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранное в качестве прототипа координат контролируемой поверхности по формуле: устройство, реализующее способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, выполненный в виде слайда с изображением периодической линейчатой структуры, объектив, проецирующий изображение возникающей на поверхности контролируемого объекта искаженной рельефом поверхности картины периодической линейчатой структуры, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, и цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины где Z - значение высоты профиля поверхности в точке с координатами X, Y, пересекаемой какой-либо полосой линейчатой структуры, ΔY - величина искривления полосы в этой точке, α - угол межу направлением излучения от источника оптического изображения и оптической осью объектива (см., например, описание изобретения к патенту РСТ WO 99/58930, PCT/US 99/106777, кл. G 01 B 11/24 1999 г. ) Недостатками известного устройства является высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта оптического изучения, промодулированного транспарантом вдоль одной координаты, возникает изображение с линейчатой структурой и искажения картины, вызванные глубокими впадинами, высокими выпуклостями и, тем более, сквозными отверстиями, невозможно идентифицировать из-за разрывов в изображении линий. Поскольку высота рельефа определяется по величине искажений линий, отсутствие в изображении собственно линий не позволяет распознать отверстия на контролируемой поверхности. Ограниченные функциональные возможности обусловлены необходимостью ориентировать контролируемый объект на определенном расстоянии от источника излучения.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в повышении точности контроля линейных размеров трехмерных объектов и расширении возможностей при проведении контроля, поскольку контролируемый объект может располагаться без жесткого позиционирования.

Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом.

Новизна предложенного устройства усматривается в том, что оно дополнительно снабжено вторым объективом для проецирования изображения транспаранта на контролируемую поверхность, установленным за транспарантом на расстоянии, равном проекционному, выполненным с глубиной резко передаваемого изображения, равной глубине резко передаваемого изображения первого объектива, вторым электронным цифровым блоком, соединенным своим входом с выходом фоторегистратора, а выходом - со входом первого электронного блока, выполненным в виде компаратора двух цифровых изображений, в памяти которого хранится цифровое изображение периодической по одной координате линейчатой структуры, транспарант выполнен в виде слайда с линейчатой структурой, периодической вдоль двух координат.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники.

Предложенное устройство является промышленно применимым существующими средствами, так как его реализация не требует создания новых элементов, материалов и технологий, и соответствует критерию "изобретательский уровень", так как оно явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо элементов и связей между элементами, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, направленных на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит источник 1 излучения, транспарант 2, дополнительный объектив 3, установленный за транспарантом 2 на расстоянии, равном проекционному, объектив 4, фоторегистратор 5, установленный в плоскости изображения объектива 4, дополнительный цифровой электронный блок 6 - компаратор цифровых изображений, вход которого соединен с выходом фоторегистратора 5, основной цифровой электронный блок 7, вход которого соединен с выходом цифрового электронного блока 6 - компаратора, в памяти которого хранится цифровое изображение периодической по одной координате линейчатой структуры. На фиг.2 изображен слайд, реализующий функцию пропускания транспаранта 2. На фиг.3 приведено цифровое изображение линейчатой структуры, хранящееся в памяти дополнительного цифрового блока 6 - компаратора. На фиг.4а приведено цифровое (бинарное) изображение линейчатой структуры, периодической вдоль двух координат, возникающей на поверхности контролируемого объекта при ее искажениях рельефом поверхности. На фиг. 4б приведено цифровое (бинарное) изображение линейчатой структуры, возникающее после обработки в дополнительном цифровом блоке 6 - компараторе.

Устройство работает следующим образом. Изображение управляемого транспаранта 2 с помощью дополнительного объектива 3 проецируется на поверхность контролируемого объекта, рельеф которой однозначным образом искажает изображение транспаранта 2. Объектив 4 проецирует возникающую на поверхности картину искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структурированной подсветки на чувствительную площадку фоторегистратора 5 (см. фиг.4а). Дополнительный цифровой электронный блок 6 - компаратор преобразует сигнал с выхода фоторегистратора 5 путем вычитания из цифрового изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структурированной подсветки цифрового изображения линейчатой структуры, хранящееся в памяти дополнительного цифрового блока 6 - компаратора. В электронный цифровой блок 7 поступает сигнал, кодирующий цифровое изображение искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структурированной подсветки, в котором областям с отрицательным значением освещенности соответствуют области сквозных отверстий (см. фиг.4б). Таким образом, при вычислении в электронном цифровом блоке значений высоты рельефа и соответствующей пары координат зоны с отрицательными значениями освещенности однозначно интерпретируются как области, соответствующие сквозным отверстиям. В результате повышается точность и достоверность контроля.

Данное предложение может с успехом использоваться в технологических процессах формообразования объектов сложной формы (лопатки турбин и т.п). Кроме того, оно может использоваться в различных приложениях компьютерной трехмерной графики.

Литература: Техническое зрение роботов. - Под. ред. Пью А.; пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1987, с. 56-57.

Формула изобретения

Устройство, реализующее способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, выполненный в виде слайда с изображением периодической линейчатой структуры, объектив, проецирующий изображение возникающей по поверхности контролируемого объекта искаженной рельефом поверхности картины периодической линейчатой структуры, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое и цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины координат контролируемой поверхности по формуле где Z - значение высоты профиля поверхности в точке с координатами Х, Y, пересекаемой какой-либо полосой линейчатой структуры; ΔY - величина искривления полосы в этой точке; α - угол между направлением излучения от источника оптического изображения и оптической осью объектива, отличающееся тем, что оно снабжено вторым объективом для проецирования изображения транспаранта на контролируемую поверхность, установленным за транспарантом на расстоянии, равном проекционному, выполненным с глубиной резко передаваемого изображения, равной глубине резко передаваемого изображения первого объектива, вторым электронным цифровым блоком, соединенным своим входом с выходом фоторегистратора, а выходом - со входом первого электронного блока, выполненным в виде компаратора двух цифровых изображений, в памяти которого хранится цифровое изображение периодической вдоль одной из координат линейчатой структуры, транспарант выполнен в виде слайда с линейчатой структурой, периодической вдоль двух координат.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.09.2004        БИ: 26/2004