Автоматизированное измерение геометрических параметров различных изделий, И.О.Котовщиков, к.т.н., ведущий инженер разработчик

Изготовление подавляющего большинства изделий и деталей из самых различных отраслей предполагает требования к их форме и/или размерам (т.е. геометрическим параметрам). Особенно важны требования к геометрическим параметрам изделий, чьи эксплуатационные свойства зависят от данных параметров (как например авиационные лопасти, турбинные лопатки, обтекатели, и т.д.). Кроме того, любые детали и сборочные единицы, являющиеся частью готового изделия, должны обладать заданными геометрическими параметрами (т.е. габаритными размерами, посадочными размерами, диаметрами отверстий и т.д.), чтобы их сборка могла быть успешной. Более того, контроль соответствия формы является актуальным как при производстве, так и при эксплуатации – с целью обнаружения деградаций поверхности любой природы: деформация, истирание, коррозия и т.д. 

Под контролем формы будет подразумеваться качественная оценка соответствия трёхмерного цифрового образа объекта его номинальной 3D модели. Под контролем геометрических параметров изделия будет подразумеваться измерение геометрических параметров объекта и сравнение измеренного значения с диапазоном допустимых значений. Данное деление весьма условное, так как даже качественное сравнение цифровых объектов связано со сравнением некоторых численных значений. Главным отличием данных подходов является то, что для контроля геометрических параметров изделия не всегда требуется трёхмерный образ изделия, кроме того, данный вид контроля можно осуществлять инструментально без цифровой аппаратуры. 

Используемые на сегодняшний день средства контроля соответствия формы можно разделить по физическому принципу действия и степени автоматизации как показано на рисунке ниже. Приведённые в первой строке средства контроля можно назвать «ручными», так как для их корректного позиционирования необходим специалист. В то время как автоматизированные системы не требуют манипуляций при контроле однотипных изделий. Здесь можно выделить так называемые мобильные координатно-измерительные машины, которые требуют ручного позиционирования щупа на каждом контролируемом объекте контроля, после чего параметры обычно рассчитываются автоматически.

Наиболее распространённый метод бесконтактного измерения геометрических параметров – это лазерная триангуляция и её комбинация с фотограмметрией. В дальнейшем под бесконтактным измерением геометрических параметров будет подразумеваться процедура, основанная на лазерном 2D сканировании и методе триангуляции.

Оптическая лазерная триангуляция – один из самых точных и быстрых способов получения цифровых трехмерных моделей реальных объектов. Данный метод основан на освещении объекта лазерным лучом и регистрации дифузионно отраженного от объекта лазерного излучения с помощью ПЗС-матрицы или иного регистрирующего оборудования.

Принцип действия системы оптической лазерной триангуляции состоит в следующем. Источник лазерного излучения под определенным углом освещает объект лазерным лучом. Изображение объекта с лазерным лучом на его поверхности регистрируется цифровой видеокамерой. Путем анализа данного цифрового изображения вычисляются трехмерные координаты точек его поверхности, на которых присутствует лазерный луч.

Разумеется, выбор средства контроля соответствия формы определяется множеством факторов, однако автоматизированный контроль обладает рядом неоспоримых преимуществ 

Известно, что бесконтактные автоматизированные системы используются уже сегодня на авиационных предприятиях для контроля геометрии композитных лопастей, на предприятиях ж/д отрасли для контроля геометрии колёс и на трубных заводах для контроля многочисленных геометрических параметров труб нефтегазовой отрасли.

Не смотря на свои неоспоримые преимущества, системы бесконтактного автоматизированного контроля, существует ряд препятствий на пути их повсеместного внедрения. Очевидно, что стоимость автоматизированной системы существенно выше, чем ручных приборов. Второй момент – это методика контроля или измерения с помощью автоматизированных систем. Разумеется, внедрение новых технологий контроля требует разработки новых методик контроля (в нашем случае – измерения). Методики контроля геометрии на основе ручных приборов чаще всего невозможно применить к автоматизированным системам, а собственными силами разработать методику контроля производственные предприятия чаще всего не могут. Разработка методического обеспечения осложняется также тем, что стандарты, требующие контроля геометрических параметров, в лучшем случае ориентированы на ручные приборы и инструменты, а иногда и вовсе не содержат пояснений к тому, как осуществлять требуемые измерения. Например, в многочисленных стандартах на изготовление труб можно найти допустимые значения параметров, но не допустимую погрешность их измерения – а зависимость погрешности измерения от величины допуска не регламентируется нигде. 

Резюмируя всё вышесказанное, хочется отметить следующие основные тезисы:

1. Измерение геометрических параметров осуществляется во всех отраслях промышленности, но на сегодняшний день на российских производственных предприятиях данный вид контроля чаще всего осуществляется ручными приборами или с низкой степенью автоматизации. Особенно важен контроль геометрии для изделий, чьи эксплуатационные свойства существенно зависят от геометрии и для сопрягаемых деталей.
2. Автоматизированный бесконтактный контроль геометрии изделий обладает рядом неоспоримых преимуществ перед ручными и контактными инструментами. Главные из которых: высокие оперативность, повторяемость и достоверность контроля, а также, универсальность. Особенно актуальными становятся данные преимущества в свете сложившейся в последний год тенденции к росту объёмов производства в нашей стране.
3. Не смотря на данные преимущества автоматизированных систем, их широкому распространению препятствуют такие факторы, как недостаточность нормативной базы и отставание развития программного обеспечения от запросов современной промышленности. Требуется простое и универсальное ПО для измерения геометрических параметров любых изделий.
4. На рынке ПО наблюдается недостаток программ для анализа результатов лазерного сканирования, и, самое главное – для автоматизации процедуры измерения геометрических параметров. 
5. Компания «Локус» уже более 6 лет успешно ведет  разработки в области измерений геометрических параметров различных изделий. Созданы высокочувствительные и высокопроизводительные программно-аппаратные комплексы, позволяющие измерять геометрические параметры на основе анализа двухмерных объектов, и ведутся разработки для перехода к анализу трёхмерных объектов.

Контроль геометрических параметров вертолетной лопасти

Контроль геометрических параметров труб

Список источников:

https://3dcontrol.ru/articles/control-geometrii-ramy-zhd-transporta
https://izhkalibr.ru/vsyo-o-kalibrax/ 
https://www.expertnk.ru/catalog/visual-optical-control/sets/ushs-4.html
https://www.vivtech.ru/production/kim_faro/faro_arm/ 
https://habr.com/ru/companies/top3dshop/articles/511964/
https://iqb.ru/catalog/3dscanners/zg-atlascan/