RU2271514C2

RU2271514C2 - Mode of contactless scanning of the form of outer contour of curved surface

Info

Publication number: RU2271514C2
Application number: RU2000128904/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Тучнолобов (RU); Александр Владимирович Тучнолобов
Original assignee: Александр Владимирович Тучнолобов
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2006-03-10

Abstract

FIELD: the invention refers to using of a laser emitter for scanning curved surfaces.

SUBSTANCE: a light of beam from a laser emitter is directed on the scanned surface. The forming of conical light surface is made by rotating of laser emitter for making on the scanned surface an image in the shape of a ring and the form of the surfaces is determined by shifting the ring along the surface with interpolation of points' height which are determined according to stated correlation.

EFFECT: scanning of long-length and large dimension surfaces.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области сканирования формы поверхностей, а именно криволинейных поверхностей, используемых для создания форм в авиастроении, судостроении, автомобилестроении и т.п.The invention relates to the field of scanning the shape of surfaces, namely curved surfaces used to create shapes in aircraft, shipbuilding, automotive, etc.

Известен способ, заключающийся в том, что на стекло направляют пучок света и по смещению прошедшего через стекло пучка света определяют толщину стекла, отличающийся тем, что пучок света формируют в виде конической поверхности, дополнительно направляют на стекло второй, аналогичный пучок света соосно с первым, с углом схождения, отличным от первого, образующий с первым сходящийся гомоцентрический пучок света, по диаметрам световых колец, образующихся в плоскости регистрации, расположенной в точке схождения пучков перпендикулярно их оси, определяют толщину и коэффициент преломления, по смещению оси пучков определяют клиновидность стекла, по локальным искажениям регистрируемых колец оценивают отклонения поверхности от плоскости. Заявка на изобретение 98101184/28, 6 G 01 B 21/08 от 09.01.1998. Однако данный способ невозможно использовать для измерения непрозрачных объектов.A known method is that a light beam is directed to the glass and the thickness of the glass is determined by the displacement of the light beam passing through the glass, characterized in that the light beam is formed in the form of a conical surface, an additional second, similar light beam is directed coaxially with the first, with a convergence angle different from the first one, forming a converging homocentric beam of light with the first one, by the diameters of the light rings formed in the registration plane located at the point of convergence of the beams perpendicular to their axis, predelyayut thickness and refractive index, the displacement axis beams define glass wedge, local distortions of the recorded surface is evaluated rings deviations from a plane. Application for invention 98101184/28, 6 G 01 B 21/08 from 01/09/1998. However, this method cannot be used to measure opaque objects.

Известен способ измерения, заключающийся в том, что световой пучок лазерного излучателя, проходя через светоделительную призму, делится на два луча, один из которых, проходя без отклонений дальше, попадает на грань вращающейся с постоянной угловой скоростью зеркальной призмы и разворачивается в горизонтальной плоскости по экрану юстируемого двухщелевого импульсного фотодатчика горизонтальных перемещений. Второй луч, отраженный под углом 90° по отношению к первому, проходя через поворотные призмы, также направляется на грань зеркальной призмы и разворачивается в вертикальной плоскости по экрану юстируемого двухщелевого импульсного фотодатчика вертикальных перемещений. При прохождении луча через датчики с частотой ω₀ формируется периодическая последовательность токовых импульсов. Положение этих импульсов во времени однозначно связано с пространственным положением краевых и щелевых фотодатчиков и расстоянием между ними. Измеряя временные интервалы между импульсами, можно получить информацию о смещенииA known measurement method is that the light beam of a laser emitter passing through a beam-splitting prism is divided into two beams, one of which, passing without further deviations, falls on a face of a mirror prism rotating at a constant angular velocity and rotates in a horizontal plane on the screen adjustable double-slit pulse photosensor of horizontal displacements. The second beam, reflected at an angle of 90 ° with respect to the first, passing through the rotary prisms, is also directed to the edge of the mirror prism and rotates in the vertical plane along the screen of the adjustable double-slit pulse photosensor of vertical displacements. When the beam passes through the sensors with a frequency of ω ₀ , a periodic sequence of current pulses is formed. The position of these pulses in time is uniquely related to the spatial position of the edge and gap photocells and the distance between them. By measuring the time intervals between pulses, you can get information about the offset

(УДК 681.518.3.001.24(UDC 681.518.3.001.24

681.586. Автореферат диссертации на соискание ученой степени681.586. Abstract of dissertation for the degree

621.397. доктора технических наук "Разработка и исследование средств технического контроля на основе лучевых сканирующих систем". Патент РФ RU 2054626 С1, / МКИ 6 G 01 В 21/00, - №5050230/28). Однако данный способ имеет недостатки, т.к. его использование подразумевает наличие контакта с измеряемой поверхностью, что для некоторых поверхностей и методов обработки не представляется возможным или нежелательно.621.397. Doctor of Technical Sciences "Development and research of technical control tools based on beam scanning systems." RF patent RU 2054626 C1, / MKI 6 G 01 B 21/00, - No. 5050230/28). However, this method has disadvantages, because its use implies contact with the measured surface, which for some surfaces and processing methods is not possible or undesirable.

Известен способ, заключающийся в том, что на сканируемую поверхность проецируется опорный лазерный луч, отличающийся тем, что отраженный свет собирается объективом с кольцевым оптическим сенсором. Отраженный свет собирается на поверхности в виде окружности, радиус которой увеличивается при увеличении расстояния до сканируемой поверхности. Триангуляционный расчет по усредненному радиусу окружности позволяет определить расстояние до измеряемой точки и в конечном итоге оцифровать сканируемую поверхность (САПР и Графика от 04. 2000 г. "Модельщик 2000 Системы 3D - сканирования II"), принятый за прототип. Однако в описании отсутствует информация, раскрывающая математическую сущность способа, необходимая для понимания процесса сканирования. Также не указано, каким образом можно применить данный способ для сканирования панелей и обшивок.A known method is that a reference laser beam is projected onto the scanned surface, characterized in that the reflected light is collected by a lens with an annular optical sensor. Reflected light is collected on the surface in the form of a circle, the radius of which increases with increasing distance to the scanned surface. Triangulation calculation by the average radius of the circle allows you to determine the distance to the measured point and ultimately digitize the scanned surface (CAD and Graphics from 04. 2000 "Model 2000 System 3D - Scan II"), adopted as a prototype. However, in the description there is no information revealing the mathematical essence of the method necessary for understanding the scanning process. It is also not indicated how this method can be used to scan panels and skins.

Целью настоящего изобретения является расширение возможностей способа сканирования, математическое описание процесса, адаптация способа для сканирования длинномерных и крупногабаритных поверхностей. Цель достигается тем, что в известный способ вводится устройство вращения лазера вокруг продольной оси под углом с образованием конусообразной поверхности, вследствие чего датчик образа снимает неотраженный образ луча в виде кольца, а непосредственно кольцо, что повышает точность измерения. Следовательно, предлагаемый способ соответствует критерию "новизна".The aim of the present invention is to expand the capabilities of the scanning method, a mathematical description of the process, the adaptation of the method for scanning long and oversized surfaces. The goal is achieved by the fact that a device for rotating the laser around a longitudinal axis at an angle with the formation of a cone-shaped surface is introduced into the known method, as a result of which the image sensor captures the unreflected image of the beam in the form of a ring, and directly the ring, which increases the measurement accuracy. Therefore, the proposed method meets the criterion of "novelty."

Известен способ, в котором используется сечение сканируемой поверхности лазерным лучом, основанный на триангуляции лазерной линии, где на сканируемую поверхность проецируется линия, оптический образ которой снимается под некоторым углом датчиком. Тем самым, высотные изменения поверхности превращаются в изменение формы линии оптического образа (Губанов А.В., "Разработка основ объемного лазерного сканирования для программирования обработки на оборудовании с ЧПУ"; автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, кафедра электронного машиностроения Уральского государственного технического университета, г. Екатеринбург), но не указано, как этот способ использовать для сканирования крупногабаритных поверхностей, и он не обладает универсальными свойствами. Следовательно, предлагаемый способ соответствует критерию "существенные отличия" и критерию "изобретательский уровень".A known method in which a section of a scanned surface is used by a laser beam is based on the triangulation of a laser line, where a line is projected onto the scanned surface, the optical image of which is taken at a certain angle by the sensor. Thus, altitudinal changes in the surface turn into a change in the shape of the line of the optical image (Gubanov A.V., “Development of the fundamentals of volumetric laser scanning for programming processing on CNC equipment”; abstract of the dissertation for the degree of candidate of technical sciences, Department of Electronic Engineering of the Ural State Technical University, Yekaterinburg), but it is not indicated how to use this method for scanning large surfaces, and it does not have universal properties you. Therefore, the proposed method meets the criterion of "significant differences" and the criterion of "inventive step".

Предлагаемый способ поясняется фигурой 1. На сканируемую поверхность 8 направляется луч 4 лазерного излучателя 2, при вращении которого вокруг оси 5 под углом 6 с угловой скоростью 3 на сканируемой поверхности 8 создается кольцо 7. Полученное кольцо снимает датчик образа 1, расположенный перпендикулярно к нормали поверхности 8, на оси вращения 5 лазерного излучателя 2. Изменение формы поверхности приведет к изменению радиуса кольца в соответствующем квадранте.The proposed method is illustrated by figure 1. A beam 4 of a laser emitter 2 is sent to the scanned surface 8, when rotating around the axis 5 at an angle 6 with an angular speed 3, a ring 7 is created on the scanned surface 8. The resulting ring removes the image sensor 1 located perpendicular to the normal to the surface 8, on the axis of rotation 5 of the laser emitter 2. Changing the shape of the surface will lead to a change in the radius of the ring in the corresponding quadrant.

Математическое описание предлагаемого способа представлено на фигуре 2. Определение формы поверхности в i-ой точке основано на определении высоты i-ой точки над базовой плоскостью. Лазерный излучатель 2 (фиг.1), вращаясь под углом α/2, создает на базовой плоскости 1 кольцо с радиусом R. Сканируемая деталь 2 находится на базовой плоскости 1, следовательно, на датчик образа 1 (фиг.1) приходит спроецированное на сканируемую поверхность искаженное кольцо с радиусом в направлении заданного квадранта r. Высота измеряемой точки H_i определяется по формулеA mathematical description of the proposed method is presented in figure 2. The determination of the surface shape at the i-th point is based on determining the height of the i-th point above the base plane. The laser emitter 2 (Fig. 1), rotating at an angle α / 2, creates a ring with a radius R on the base plane 1. The scanned item 2 is on the base plane 1, therefore, the image sensor 1 (Fig. 1) comes projected onto the scanned surface is a distorted ring with a radius in the direction of a given quadrant r. The height of the measured point H _i is determined by the formula

,

где Hi - высота измеряемой точки; R - радиус кольца на базовой поверхности в 1-ой точке; r_i - радиус искаженного кольца на сканируемой поверхности в i-ой точке; α/2 - угол наклона лазерного излучателя 2 (фиг.1).where Hi is the height of the measured point; R is the radius of the ring on the base surface at the 1st point; r _i is the radius of the distorted ring on the scanned surface at the i-th point; α / 2 - the angle of inclination of the laser emitter 2 (figure 1).

Claims

A method for scanning the shape of curved surfaces, namely, that a beam of light from a laser emitter is directed onto the scanned surface, characterized in that, in order to expand the capabilities of the known method, a conical light surface is formed by rotating the laser emitter to create an image in the form of a ring on the scanned surface , and the shape of the surface is determined by moving the ring along the scanned surface with interpolation of the heights of the i-points, which are determined by the ratio

where H _i is the height of the measured point;

R is the radius of the ring on the base surface at the i-th point;

r _i is the radius of the distorted ring on the scanned surface at the i-th point;

α / 2 - the angle of the laser emitter.