В этой статье мы опишем бесконтактный теневой метод для измерения диаметра и геометрических размеров других изделий, который использует проходящий и отраженный свет. Особое внимание также уделяется оборудованию, необходимому для осуществления этого метода измерений.
Примняемое здесь устройство использует компьютерные и оптические технологии, а также использует достижения в области технологий обработки изображений. При проведении измерений очень важен аспект точности.
В этой статье рассказно, как измерить и откалибровать камеру с помощью программы обработки изображений для выолнения измерений.
Для измерения размера объекта можно использовать различные методы. Метод измерения — это метод или совокупность методов сравнения измеряемой физической величины с ее единицами согласно реализованному принципу измерения. Метод измерения обычно определяется конструкцией измерительного оборудования. Помимо дифференциальных, нулевых, контактных и бесконтактных методов измерения существуют также методы одиночного сравнения измерений и методы прямой оценки [1].
Контактное измерение — это метод измерения, который предполагает приведение чувствительного элемента устройства в контакт с измеряемым объектом.
Бесконтактный метод измерения – Метод измерения, основанный на том, что чувствительный элемент прибора не соприкасается с измеряемым объектом [2].
Во многих случаях предпочтительнее использовать бесконтактные методы измерения, так как это позволяет избежать возможных повреждений, вызванных контактом измеряемого объекта с чувствительными элементами прибора при контактных методах измерения. Использование бесконтактных методов особенно необходимо при измерении оптических компонентов, поскольку контакт рабочей поверхности оптического компонента с чувствительным элементом может привести к ухудшению его оптических свойств.
Существуют разные методы бесконтактного измерения. Одним из них является метод теневого измерения. В этом методе измеряемый объект помещается между источником света и принимающей видеокамерой. Размеры объекта определяются как разница между границами контура тени объекта. Этот метод относительно прост в реализации и надежен в эксплуатации [3].
Основными элементами системы формирования изображений являются камера, объектив и освещение (рис. 1). Также понадобится оборудование в виде компьютера и программного обеспечения для обработки результатов измерений.
Рисунок 1. Пример измерительной установки
Цифровая камера – это устройство, основным компонентом которого является ПЗС-матрица. Камеры записывают видео, преобразуют аналоговое видео в цифровое, сжимают цифровое видео и передают видео. Объектив — это система линз, используемая для проецирования изображения объекта на светочувствительный элемент фотоаппарата.
Освещение является важнейшим компонентом системы обработки изображений. Точность измерения и позиционирования определяется выбором конкретного метода освещения. Существует два основных типа освещения. Падающий свет и проходящий свет, которые являются рассеянным и направленным соответственно (рис. 2).
Рисунок 2. Примеры разного типа освещения: а) Отраженный свет, светлое поле; б) Падающий свет, темное поле. в) Проходящий свет. г) Комбинированный проходящий и отраженный свет, светлое поле.
На точность системы могут повлиять следующие факторы:
- Наличие слишком темных или слишком светлых участков поверхности внутри детали, а также резкие переходы от темного к светлому.
- Работа с прозрачными, зеркальными или отражающими поверхностями.
- Работа с мелкими деталями, острыми углами и небольшими отверстиями.
- Расположенние поверхности под значительным углом к камере.
- Нарушение внутренних параметров системы или недостаточная первоначальная настройка, нарушение процесса калибровки – фундаментального процесса, посредством которого камера превращается в измерительный прибор.
Во время калибровки определяется положение камеры в пространстве, а также оценивается искажение, вносимое в изображение объективом. Неточности калибровки приводят к систематическим ошибкам измерений. Изменения масштаба в 0,1% трудно обнаружить невооруженным глазом, но они могут внести существенные систематические ошибки и вызвать проблемы при последующей обработке данных.
Помимо систематических ошибок могут возникать и случайные ошибки. В основном это связано с появлением шумов и искажений на изображениях, получаемых камерой. Поэтому для удаления шума во время обработки изображения можно использовать различные фильтры.
Спецально разработаное программное обеспечение используется здесь для измерительной обработки изображений объектов, получаемых камерой. Работа этой программы основана на обнаружении и анализе изменений яркости изображений. Сначала вам необходимо указать в программе область, которую вы хотите проанализировать (рис. 3). Проанализировав конкретную область изображения, программа находит контуры, разделяющие светлые и темные поля. Этот контур измеряется автоматически, а полученные данные заносятся в базу данных.
Рисунок 3. Процесс поиска границы между темным и светлым полями
При проведении измерений особое внимание следует уделять точности. Чтобы получить правильные результаты измерений, необходимо сначала откалибровать камеру. Процесс калибровки осуществляется с помощью специального калибровочного шаблона, представляющего собой набор концентрических прозрачных и непрозрачных круглых полосок (рис. 4). Радиус границы полосы измерялся с высокой точностью.
Рисунок 4. Шаблон для калибровки
При использовании этого шаблона рекомендуется калибровать в проходящем свете. После помещения шаблона в поле зрения объектива камеры и включения лампы проходящего света необходимо соответствующим образом отрегулировать настройки объектива камеры, чтобы добиться высококонтрастного изображения шаблона, получаемого камерой. Изображение отображается с помощью программы.
Таким образом, можно проводить измерение бесконтактным теневым методом геометричских размеров изделий с использованием проходящего и отраженного света.
Применение:
- Плоские детали.
- Детали сложного профиля в виде фигур вращения.
- Цилиндры и шарики подшипников.и др.
