Содержание к диссертации
Введение
Глава 1- Анализ современных методов контроля, диагностики и визуализации геометрических параметров элементов кузова автомобиля 7
1.1. Факторы, влияющие на технологическую и эксплуатационную геометрическую точность элементов кузова автомобиля 7
1,2.Известные методы и способы контроля геометрических параметров элементов кузова автомобиля 12
1.3.Визуализация и обработка информации на ЭВМ 32
Глава 2, Кодирование трехмерных объектов и их распознавание при цифровой стереофотосъемке 35
2.1 . Математическая модель стереоскопической системы .,. 35
2.2.Распознование элементов кузова автомобиля, с помощью решетчатых структур 58
2.3-Оценка геометрических характеристик объектов на изображениях 65
2.4. Требования к точности позиционирования объектов 77
Выводы по 2 главе 8 5
Глава 3. Исследование влияния автоматизированной системы на базе ЭВМ на качество контроля геометрических параметров кузова автомобиля 8 6
3-1 - Обоснование применения процесса контроля геометрических параметров, как объекта автоматизации 8 6
3.2. Разработка автоматизированной системы для контроля геометрических параметров 91
3.3. Методология измерений АС 99
Выводы по 3 главе ИЗ
Глава 4. Техническое оснащение бесконтактного оптического метода контроля геометрических параметров кузова (ГПК) автомобиля, Результаты и их анализ 115
4 .1 Технические требования, предъявляемые к автоматизированной системе для контроля геометрических параметров кузова автомобиля 115
4,2.Измерительный стенд для контроля геометрических параметров кузова автомобиля 116
4 3 .Геометрическая калибровка камер 119
4.4.Результаты оценки точности измерений АС контролируемых ГПК автомобиля 124
4.5.Вопросы теории вероятности для оценки результатов измерений ГПК автомобиля 12 5
Выводы по 4 главе 12 9
Заключение 13 0
Список использованных источников 132
- Факторы, влияющие на технологическую и эксплуатационную геометрическую точность элементов кузова автомобиля
- Математическая модель стереоскопической системы
- Обоснование применения процесса контроля геометрических параметров, как объекта автоматизации
- Технические требования, предъявляемые к автоматизированной системе для контроля геометрических параметров кузова автомобиля
Введение к работе
По мере повышения требований к качеству выпускаемых кузовов автомобилей резко возрастают требования к контролю как элементов кузова, так и кузова автомобиля в целом. Рост объемов производства и необходимость обеспечения конкурентоспособности выпускаемых изделий ставит проблему организации контроля в ряд наиболее актуальных для автомобилестроения.
Неавтоматизированный визуальный контроль, который до сих пор используется на многих предприятиях, обладает рядом недостатков, препятствующих его применению в современных условиях- Основными отрицательными сторонами в этом случае являются субъективность и низкая достоверность, а также малая производительность на сложных изделиях. Контроль сложных изделий с применением простейших оптических приспособлений, по словам операторов, очень сильно утомляет зрение, что, несомненно, представляет опасность для их здоровья.
Проблема автоматизации оптического контроля традиционно решается применением сложных программно-аппаратных комплексов, относящихся к классу систем технического зрения, разработка которых ведется в ряде стран мира. На сегодняшний день промышленно вьшускаемых отечественных установок контроля нет, а зарубежные, к примеру, продукция фирм Leica, V-Stars, Axyz чрезвычайно дороги: их стоимость составляет порядка сотен тысяч долларов США. Это приводит к тому, что на большинстве российских предприятий неавтоматизированный визуальный
б контроль является единственным способом отбраковки дефектных изделий.
В этом свете создание автоматизированной системы (АС) контроля геометрических параметров кузова автомобиля и его элементов, направленная на повышение качества контроля в условиях реального производства является актуальной научной задачей _
Реализация такой системы, содержащей цифровой стерео -модуль, интерфейсный блок, ЭВМ и соответствующее математическое и программное обеспечение, помимо удешевления контрольной станции на порядок, по сравнению с аналогами, обеспечивает лучшую интеграцию с технологическим процессом за счет гибкости и универсальности применяемой аппаратной базы,
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Обший объем работы составляет 14 3 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 33 рисунка и 4 таблицы- Библиография включает 110 источников.
Факторы, влияющие на технологическую и эксплуатационную геометрическую точность элементов кузова автомобиля
Кузов автомобиля состоит из сотен самых разнообразных плоских и пространственных элементов. Которые условно можно разбить на: «лицевые» элементы - наружная панель двери, передние и задние крылья, наружные панели капота и багажника; «внутренние» элементы - внутренние панели (каркасы) дверей, багажника, капота, и т.д.; «несущие» элементы - панели пола, лонжероны, силовые элементы.
При изготовлении данных элементов кузова, детали подвергаются различным технологическим операциям, таким как формоизменяющие операции и последующая сборка деталей.
Так как элементы кузова изготавливаются в основном из листового металла, рассмотрим технологические процессы листовой штамповки которые включают в себя операции, поочередное применение которых позволяет придать исходной плоской заготовке заданную форму и размеры детали. Все операции листовой штамповки можно объединить в две группы: разделительные и формоизменяющие. Для успешного выполнения этих операций стремятся к максимальной локализации зоны, в которой имеют место пластические деформации. При выполнении формоизменяющих операций не должно происходить разрушения заготовки _ При этом обычно стремятся к созданию условий, при которых может быть получено наибольшее формоизменение заготовки без ее разрушения Из разделительных операций отметим следующие: отрезка, вырубка, пробивка, надрезка, обрезка, зачистка-Во всех операциях, за исключением зачистки, очаг пластической деформации охватывает всю толщину заготовки и имеет ограниченную, по возможности минимальную протяженность в плоскости заготовки (в направлении, перпендикулярном к поверхности раздела) _ В зачистных операциях очаг деформации еще более локализован вблизи режущей кромки и охватывает лишь долю толщины заготовки; удаление припуска осуществляется срезанием стружки, аналогично тому как это имеет место при обработке резанием.
Из формоизменяющих операций отметим следующие: - гибка — изменение кривизны срединной поверхности заготовки без существенного изменения ее линейных размеров. Очаг деформации охватывает всю толщину заготовки и имеет значительную протяженность в поперечных направлениях, причем поле напряжений и деформаций переменно по толщине заготовки; - вытяжка без утонения стенки — превращение плоской заготовки в полое изделие или увеличение высоты полого полуфабриката путем протягивания через матрицу с уменьшением поперечных размеров заготовки, но без принудительного ее утонения. Очаг пластической деформации охватывает периферийные участки заготовки (фланец), схема напряженного состояния в очаге деформации близка к плоской разноименной с меридиональными растягивающими напряжениями; вытяжка с утонением стенки — увеличение высоты полого полуфабриката за счет уменьшения толщины его стенки. Очаг деформации обычно охватывает часть заготовки, которая находится в зазоре между пуансоном и матрицей и одновременно контактирует с поверхностями пуансона и матрицы. Схема напряженного состояния в очаге деформации объемная разноименная с меридиональными растягивающими напряжениями; обжим — уменьшение поперечного сечения краевой части полого полуфабриката путем заталкивания его в сужающуюся рабочую полость матрицы. Очаг деформации контактирует только с рабочей полостью матрицы, а схема напряженного состояния близка к плоской одноименной схеме сжатия; - отбортовка — образование горловин путем вдавливания в матрицу части заготовкиг противостоящей отверстию матрицы, с одновременным увеличением периметра отверстия, предварительно пробитого в этой части заготовки, Очаг деформации охватывает часть заготовки, находящуюся напротив отверстия матрицы, а схема напряженного состояния в нем близка к плоской одноименной схеме растяжения; - раздача — увеличение поперечных размеров краевой части полого полуфабриката путем внедрения в него пуансона с постепенно увеличивающимися размерами поперечного сечения, Очаг деформации контактирует только с рабочей поверхностью пуансона, а схема напряженного состояния близка к плоской разноименной, с меридиональными сжимающими напряжениями при опоре заготовки на торец; -формовка — образование местных выпуклостей за счет уменьшения толщины заготовки при неизменных ее наружных размерах. Очаг деформации обычно охватывает часть заготовки, расположенную напротив отверстия матрицы, а схема напряженного состояния близка к плоской одноименной схеме растяжения.
Математическая модель стереоскопической системы
В данной главе рассмотрена математическая модель формирования изображений, соотношения между координатами точек сцены и их изображениями и методы оценивания параметров системы регистрации и трехмерной структуры сцены,
Различные точки пространства предметов отображаются оптической системой камеры в пространстве изображений на различных расстояниях от фокальной плоскости. Однако, если расстояние между камерой и наблюдаемой сценой значительно превышает фокусное расстояние оптической системы, можно считать, что изображение строится в ее фокальной плоскости. В этом случае можно использовать проективную модель камеры, в которой изображение трехмерного объекта получается проектированием его в фокальную плоскость (плоскость изображения) через единственную точку, называемую оптическим центром. Прямая линия, перпендикулярная плоскости изображения и проходящая через эту точку, называется оптической осью камеры, а точка пересечения оптической оси с плоскостью изображения главной точкой.
Определим в трехмерном пространстве ортогональную правую систему координат OXYZ, начало которой совпадает с оптическим центром, ось OZ — с оптической осью камеры. Такая система называется стандартной системой координат камеры. Пусть плоскость изображения находится на расстоянии / от оптического центра. В этой плоскости зададим систему координат оху с началом в главной точке и осями ох и оу , параллельными осям ОХ и 0Y соответственно (рис. 2.1) . Легко убедиться, что в стандартной системе координат проекцией точки трехмерного пространства М с координатами (X,Y fZ) является точка т в плоскости изображения с координатами (xfy), причем.
Для полного описания камеры следует учесть, что для регистрации изображения в плоскости изображения камеры имеется какой-либо фотоприемник, В фотокамере это фотопластинка или фотопленка, в видеокамере это видикон или фотоприемная полупроводниковая матрица, в некоторых специальных камерах — электромеханический сканер, В общем случае координаты в фотоприемнике измеряют в единицах, отличных от единиц, задающих координаты в стандартной системе,
Для последующего изложения введем трехмерный вектор М = (X,SZ)T, соответствующий точке М, и двумерный вектор т = (х,у)Т, соответствующий точке /я . Определим также вектор однородных внутренних координат камеры v-(w,v,l)r „ Используя эти обозначения, соотношения (2.1) можно представить в компактной векторно-матричнои записи: Zw = AM (2-2 где А f/w 0 щ О fth v0 О 0 здесь А - матрица, известная под названием матрицы внутренних параметров камеры, поскольку она содержит только параметры оптической системы и фотоприемника камеры СВЯЗЬ МЕЖДУ РАЗЛИЧНЫМИ СИСТЕМАМИ КООРДИНАТ. В общем случае трехмерные координаты точки могут быть заданы в системеf не совпадающей со стандартной системой координат камеры (назовем ее глобальной). Пусть OXYZ— глобальная система координат, а О Х УТ, — стандартная система координат камеры. Переход от системы OXYZ к системе O XYI можно осуществить поворотом координатных осей к системе ОХрУ7.н УІ последующим смещением начала координат. Тогда связь между координатами точки М в глобальной и стандартной системах может быть представлена как M = RM + t (2-3) где М и М — векторы пространственных координат точки М в глобальной и стандартной системах соответственно; R — матрица размером 3x3, описывающая поворот стандартной системы координат относительно глобальной; компонентами матрицы являются направляющие косинусы осей глобальной системы в стандартной системе координат; Ї—трехмерный вектор смещения начала координат глобальной системы относительно начала координат стандартной.
Рассмотрим ситуацию, когда две камеры, находящиеся в разных точках, регистрируют одну и ту же сцену, Пара изображений, получаемых при этом, называется стереопарой. Обратимся сначала к простейшему случаю. Пусть одинаковые камеры расположены так, что их оптические оси параллельны, а прямая, проходящая через оптические центры, перпендикулярна оптическим осям (эта прямая называется базовой линией, а ее отрезок, заключенный между оптическими центрами, — базой). Положим длину базы равной Ь - Выберем такую глобальную систему координат, начнтго— киторои О расположено на базовой линии посередине между оптическими центрами камер, ось 0Z параллельна оптическим осям, а ось ОХ направлена вдоль базовой линии (рис. 2,3), Пусть начала координат в плоскостях изображений камер совпадают с главными точками (щ =v0 -0), а единицы измерения координат глобальной системе и в плоскостях изображения камер одинаковы (w = h = 1).
Обоснование применения процесса контроля геометрических параметров, как объекта автоматизации
Для устранения имеющихся трудностей в использовании моделей они были проанализированы с точки зрения информативности и границ применения, а также рассмотрены некоторые возможные пути их совершенствования.
Вышеуказанные проблемы рассматривались согласно следующей предлагаемой трехуровневой системы классификации.
К моделям первого уровня, описывающим процесс контроля, были отнесены модели, которые содержат графические или аналитические зависимости между параметрами процесса, получаемые в результате экспериментальных исследований на конкретной установке или приборе [11,13/51].
Это наиболее широкий класс моделей, как правило, он представляет дискретный набор значений параметров (таблица или точки на графике), которые в дальнейшем подвергаются математической обработке для получения аналитической зависимости между этими параметрами. В результате такого подхода обрабатываемая среда не находит отражения в модели процесса контроля, так как отсутствует аналитическая взаимосвязь между параметрами процесса расчета оценки с точки зрения законов физики, механики, химии, биохимии или др. Обрабатываемая среда присутствует в модели процесса лишь косвенно.
Значимость этой модели в описании процесса невелика, т.к. с помощью статистического или регрессионного анализа никакой новой информации о процессе, кроме той, которая уже имеется в экспериментальных значениях параметров, получить нельзя. Следовательно, математический аппарат только помогает представить полученную информацию, но не отвечает за ее достоверность [44,45]. За это отвечает сам исследователь, который проводит измерения параметров вручную, автоматически, непрерывно или дискретно. В этой ситуации правильность измерений и их число могут оказаться более важными, чем используемый математический аппарат. Таким образом, был сделан вывод, что для моделей первого уровня характерно: отсутствие причинно-следственной связи между параметрами; область применения - только исследуемый объект или его точные копии.
Отсутствие причинно-следственной связи между параметрами у моделей не позволяет ответить на вопрос, почему так, а не иначе изменяются параметры. Кроме того, модель не учитывает временного влияния на изменение зависимости между параметрами. Известно, что в процессе эксплуатации оборудования параметры систем изменяются. Следовательно, изменяется и взаимная зависимость между параметрами, т.е. модель со временем перестает соответствовать [53,56,61,62].
Таким образом, модели первого уровня являются малоинформативными и узконаправленными. Их можно считать только первой ступенью в познании объекта исследования. Усовершенствовать данные модели можно за счет улучшения методов и технических средств измерений, выбора необходимого и достаточного числа измерений, построения модели второго уровня. Последнее особенно важно, так как измерение параметров проводится в соответствии с принимаемой моделью процесса даже тогда, когда эта модель чисто умозрительная и пока нет ее достаточно полного и достоверного аналитического описания.
К моделям второго уровня, описывающим процесс расчета оценки, отнесены модели, которые представляются в виде уже хорошо известных и изученных процессов и их моделей, но с введенными в них соответствующими экспериментальными или аналитическими поправочными коэффициентами.
Это более узкий, чем предыдущий, класс моделей. Получаются они путем замены неизвестного исследуемого процесса другим, более простым и хорошо известным. При таком подходе тоже необходимо проводить измерения как реологических констант контролируемых объектов, так и других параметров процесса расчета.
Принципиальным отличием проводимых на этом уровне измерений является то, что они осуществляются в точном соответствии с принятой математической моделью. Результаты измерений обрабатываются по принятой приближенной модели, получая при этом модель процесса контроля. Данная модель обладает более высокой информативностью, которая позволяет ответить на ряд вопросов [3,7,17,54] .
Таким образом, появляется возможность оценить параметры объекта и достаточно глубоко их проанализировать, чего в принципе не обеспечивает модель первого уровня. Область применения модели второго уровня такая же, как и первого, т.е. только в объеме проводимых измерений. Модели второго уровня имеют меньшее распространение из-за высокой трудоемкости их получения [29] . Однако возможности моделей второго уровня гораздо выше, нежели первого.
Возможные пути улучшения модели второго уровня: совершенствование методов и технических средств измерений; выбор оптимального числа измерений; уточнение самой модели путем вычисления поправочных коэффициентов, входящих в фундаментальные законы, связывающие параметры процесса; построение модели третьего уровня.
Модели третьего уровня. К моделям третьего уровня, описывающим процесс контроля геометрических параметров исследуемого элемента, были отнесены модели, в которых параметры процесса связаны известными законами механики, физики и др. Это уже более узкий класс моделей. Получаются они путем глубоких теоретико-экспериментальных исследований и отражают уровень современных представлений о конкретном процессе и входящей в него обрабатываемой среде либо обрабатываемом объекте. Информативность данной модели намного выше предыдущих.
Технические требования, предъявляемые к автоматизированной системе для контроля геометрических параметров кузова автомобиля
На основе аналитических исследований и решения ряда теоретических вопросов в вышеуказанных главах настоящей работы был разработан новый метод контроля и диагностики качества кузова автомобиля.
Для экспериментального исследования и промышленного внедрения была спроектирована промышленная установка. При разработке установки к ней предъявлялись следующие требования: быть максимально простой в эксплуатации и обслуживании; обладать динамическими параметрами, предъявляемыми к ней системой автоматического управления; работать в реальном масштабе времени; выдавать результаты оценки в удобном для оператора виде; вести собственную базу данных результатов измерений с датой снятия показаний,
В основу работы данной установки была заложена возможность контроля геометрии кузова в целом и его элементов после различных операций технологического процесса.
Известно, что в процессе изготовления кузова автомобиля его элементы подвергаются различным операциям изготовления (штамповка) и сборка (сварка, склеивание, крепления винтами и саморезами). В результате данных операций возникают остаточные напряжения, погрешности при сборке, которые в свою очередь приводят к искажению требуемых геометрических параметров.
Поэтому возникла необходимость контроля качества геометрических параметров кузова автомобиля.
На практике существует способ контроля качества - Он заключается в следующем: к измеряемой поверхности элемента кузова в различных точках прикладывается щуп или калибр и регистрируется значение отклонения в данной области, Однако этот способ дает оценку только на базе исследований нескольких точек, что не может дать полной оценки качества по всей поверхности кузова автомобиля. Б результате проведения теоретических исследований был найден способ контроля геометрических параметров кузова автомобиля по всей поверхности. Была реализована следующая оптическая схема (рис. 4.1) .
Поток света, исходящий от генератора излучения (лампа, лазер) проходя через решетку с регулярной двумерной структурой, освещает кузов автомобиля. При этом на поверхности объемного тела формируется контрастный узор, вид которого однозначно связан с кривизной поверхности объекта, углом, под которым он освещается, и ракурсом его наблюдения.
Полученное изображение передается на ПЭВМ. Изображение представляет собой стереофотоснимок с чередование темных и светлых областей полученные путем модуляции сетки на поверхность кузова - Стереофотоснимок обрабатывается на программном уровне, затем информация выводится на монитор или принтер и позволяет нам оценить и проконтролировать отклонения геометрических параметров кузова автомобиля.
Конструктивно Б состав установки входят: 1 _ Оптико-цифровой стерео-модуль 2. Генератор излучения (решетка) 3 . Поворотный стол. 4. ПЭВМ и программное обеспечение.
Рассмотрим функциональное назначение устройств, входящих в систему по функциональной схеме, приведенной выше Основным элементом оптико-цифрового модуля являются цифровые фотокамеры- Цифровые фотокамеры установлены на штативах таким образом, чтобы был обеспечен минимальный сектор для получения стереобазы, а генератор излучения модулирует на контролируемые поверхности решетку с регулярной двумерной структурой, С фотокамеры изображение через контроллер USB-порта передается на ПЭВМ. Изображение контролируемой поверхности (поверхностей), введенное в процессе контроля, обрабатывается в ПЭВМ по алгоритму обработки изображения для обнаружения отклонений геометрических параметров кузова автомобиля. При обнаружении отклонений от геометрии происходит их классификация. Результаты контроля выводятся на принтер и сохраняются в файле результатов контроля_
Поворотный стол позволяет устанавливать кузова автомобилей любого типоразмера, а так же изделия любой формы и конфигурации. Поворотный стол при необходимости позволяет изменить положение контролируемого объекта для контроля поднутрений на поверхности кузова.
Описание алгоритма работы системы и алгоритма обнаружения и классификации дефектов приведены в предыдущих главах настоящей работы
Общий вид установки представлен на рис. 4.2.
Несущие элементы конструкции установки устанавливаются на бетонную поверхность измерительного участка, с целью исключения искажений при замерах.
Геометрическая калибровка камер включает в себя: оценку внутренних и внешних параметров, при которых среднеквадратическое отклонение наблюдаемых элементов изображения от теоретических минимально; линейный и нелинейный подходы; учет радиального искажения.
Основные расчеты калибровки камер приведены [59], в данной работе при калибровке камер использовался комбинированный подход основанный на фотограммитрии, который учитывает все важные условия. При этом внутренние параметры камеры определяют - ее внутреннюю ориентацию, а внешние параметры - ее внешнюю ориентацию.
