RU2821171C1 - Method of calibrating laser scanner for evaluating quality of weld surface - Google Patents
Method of calibrating laser scanner for evaluating quality of weld surface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2821171C1 RU2821171C1 RU2023130366A RU2023130366A RU2821171C1 RU 2821171 C1 RU2821171 C1 RU 2821171C1 RU 2023130366 A RU2023130366 A RU 2023130366A RU 2023130366 A RU2023130366 A RU 2023130366A RU 2821171 C1 RU2821171 C1 RU 2821171C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- standard
- convexity
- height
- sections
- width
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 36
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 15
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к калибровке лазерных измерителей, предназначенных для контроля качества поверхности сварных швов, получаемых наплавкой, пайкой или любым известным способом сварки, построенных по методу лазерной триангуляции, при котором пучки излучения направлены с двух сторон перпендикулярно к контролируемой поверхности, а принятый оптический сигнал фиксируется многоэлементным приемником.The invention relates to measuring technology, namely to the calibration of laser meters designed to control the quality of the surface of welds produced by surfacing, soldering or any known welding method, built using the laser triangulation method, in which radiation beams are directed from both sides perpendicular to the controlled surface, and the received optical signal is recorded by a multi-element receiver.
Известен способ калибровки мобильных 3D-координатных средств измерений, заключающийся в контроле прямоугольных координат в пространстве по горизонтальной и вертикальной координатам, отличающийся тем, что создают эталонную систему 3D-координат, единую с калибруемым мобильным координатным средством измерений (МКСИ), в которой с одной установки калибруемого МКСИ, с сохранением единой метрологической базы, выполняют калибровку трех сферических координат, радиуса-вектора, горизонтальных и вертикальных углов и прямоугольных координат X,Y,Z в неограниченном количестве контролируемых точек, заявленного производителем пространства измерений (Патент РФ №2710900 СПК G01С 1/00, - 14.01.2020).There is a known method for calibrating mobile 3D coordinate measuring instruments, which consists in monitoring rectangular coordinates in space along horizontal and vertical coordinates, characterized in that they create a reference system of 3D coordinates, unified with the calibrated mobile coordinate measuring instrument (MCSI), in which from one installation calibrated MCSI, while maintaining a single metrological base, calibrates three spherical coordinates, radius vector, horizontal and vertical angles and rectangular coordinates X, Y, Z in an unlimited number of controlled points declared by the manufacturer of the measurement space (RF Patent No. 2710900 SPK G01C 1/ 00, - 01/14/2020).
Недостатком этого способа является то, что в качестве эталона применяют не материальный, а виртуальный объект - «эталонную систему 3D-координат», что не позволяет установить взаимосвязь между показаниями сканеров, применяемых для контроля качества поверхности сварных швов и размерами сварного шва и определить различия между показаниями сканера и показаниями измерительного стандарта (фиксированного устройства, которое дает верные показания).The disadvantage of this method is that not a material, but a virtual object is used as a standard - a “reference system of 3D coordinates”, which does not allow establishing the relationship between the readings of scanners used to control the surface quality of welds and the dimensions of the weld and determining the differences between the readings of the scanner and the readings of the measuring standard (a fixed device that gives correct readings).
Более того, этот способ калибровки мобильных 3D-координатных средств измерений предназначен для лазерных сканеров и трекеров, которыми измеряют крупногабаритные объекты, например, осуществляют проверку точности установки агрегатов, измерение крупногабаритных креплений узлов оборудования, настройку сборочных линий и т.п. Сварные швы имеют в сечении криволинейные формы небольших размеров выпуклости: 0,5 мм-4,5 мм по высоте и 3 мм-25 мм по ширине и для них такие приборы и способ их калибровки не могут быть применены.Moreover, this method of calibrating mobile 3D coordinate measuring instruments is intended for laser scanners and trackers that are used to measure large-sized objects, for example, checking the accuracy of installation of units, measuring large-sized fastenings of equipment components, setting up assembly lines, etc. Welds have a curvilinear cross-section with small convex sizes: 0.5 mm-4.5 mm in height and 3 mm-25 mm in width, and for them such devices and the method of their calibration cannot be used.
Известен также способ калибровки и настройки системы лазерных датчиков и устройство для его осуществления, которое содержит настроечный образец. Этот образец ориентируют в трехмерном пространстве по отношению к блоку «камера - лазер» так, что свет, излучаемый лазером, виден камере. Лазеры и камеры располагают на определенном расстоянии друг от друга так, что оптические оси лазеров и камер противолежат под определенным углом, определяют свойства лазера от света, записанного камерой, и расположение лазера относительно камеры. Причем лазерные датчики объединяют в одну систему координат, располагают под каждым из видимых лучей ванночки, представляющие собой настроечные образцы соответствующей формы. В качестве заполнителя ванночек используют воду, масло или любую другую жидкость, калибровку осуществляют по поверхности жидкости, на которую падает луч лазера, образуя на поверхности жидкости видимый след. При калибровке лазерные датчики перемещают в трехмерном пространстве по высоте, по сторонам, поворачивают на определенные углы, добиваясь визуально и на мониторе одинаковых значений геометрических параметров видимого следа от лазерных лучей на жидкой поверхности по всей длине ванночки, равной ширине настроечного образца. Уровень во всех ванночках поддерживают одинаковым и горизонтальным. Технический результат - удобство эксплуатации ввиду использования устройств, которые формируют поверхности из жидкости, а не из твердотельных образцов (Патент РФ №2541704, G01B 11/02 - 20.02.2015).There is also a known method for calibrating and tuning a laser sensor system and a device for its implementation, which contains a tuning sample. This sample is oriented in three-dimensional space relative to the camera-laser unit so that the light emitted by the laser is visible to the camera. Lasers and cameras are placed at a certain distance from each other so that the optical axes of the lasers and cameras are opposite at a certain angle, determining the properties of the laser from the light recorded by the camera, and the location of the laser relative to the camera. Moreover, the laser sensors are combined into one coordinate system and trays, which are tuning samples of the appropriate shape, are placed under each of the visible beams. Water, oil or any other liquid is used as a filler for the baths; calibration is carried out on the surface of the liquid onto which the laser beam falls, forming a visible mark on the surface of the liquid. During calibration, laser sensors are moved in three-dimensional space in height, on the sides, and rotated at certain angles, achieving visually and on the monitor the same values of the geometric parameters of the visible trace from laser beams on the liquid surface along the entire length of the bath, equal to the width of the adjustment sample. The level in all baths is maintained the same and horizontal. The technical result is ease of use due to the use of devices that form surfaces from a liquid rather than from solid samples (RF Patent No. 2541704, G01B 11/02 - 20.02.2015).
Недостатком этого способа является то, что в качестве эталона («настроечного образца») применяют ванночки с жидкостью, которые в процессе калибровки «перемещают в трехмерном пространстве по высоте, по сторонам, поворачивают на определенные углы, добиваясь визуально и на мониторе одинаковых значений геометрических параметров видимого следа от лазерных лучей». Применение жидких эталонов сопряжено со значительным неудобством для калибровки лазерных измерителей, предназначенных для контроля качества поверхности сварных швов. Невозможность применения этого способа для нашей цели заключается в том, что форма поверхности сварных швов имеет в сечении криволинейную пространственную (объемную) форму и физически не может быть горизонтальной (линейной), что является основным условием данного способа.The disadvantage of this method is that baths with liquid are used as a standard (“tuning sample”), which during the calibration process are “moved in three-dimensional space in height, on the sides, and rotated at certain angles, achieving visually and on the monitor the same values of geometric parameters visible trace from laser beams." The use of liquid standards is associated with significant inconvenience for the calibration of laser meters intended for monitoring the surface quality of welds. The impossibility of using this method for our purpose lies in the fact that the shape of the surface of the welds has a curvilinear spatial (volumetric) shape in cross-section and physically cannot be horizontal (linear), which is the main condition of this method.
Известен также лазерный толщиномер и способ его калибровки (Патент РФ №2542633 МПК G01B 11/02, - 20.02.2015). В соответствии с этим патентом при калибровке задействованы два фотоэлектрических модуля, формирующих два узких пучка излучения, направленных соосно навстречу друг другу, которые создают на противоположных сторонах эталона световые метки, а на двух линейных оптически связанных с эталоном позиционно-чувствительных многоэлементных фотоприемниках, входящих в состав фотоэлектрических модулей изображения световых меток, фотоприемники одновременно сканируют и измеряют номера элементов, соответствующих максимальному и минимальному значению толщины эталонов, отличающийся тем, что на границе зоны измерения размещают эталон толщины, который дискретно перемещают к другой границе и для каждого положения эталона измеряют расстояния от фотоэлектрических модулей до каждой стороны эталона и соответствующие этим расстояниям номера элементов на многоэлементных фотоприемниках, а затем определяют угловые коэффициенты и смещения, калибровочных прямых для каждого фотоэлектрического модуля.A laser thickness gauge and a method for calibrating it are also known (RF Patent No. 2542633 MPK G01B 11/02, - 02/20/2015). In accordance with this patent, calibration involves two photoelectric modules that form two narrow beams of radiation directed coaxially towards each other, which create light marks on opposite sides of the standard, and on two linear optically connected to the standard position-sensitive multi-element photodetectors included in the photoelectric modules image light marks, photodetectors simultaneously scan and measure the numbers of elements corresponding to the maximum and minimum values of the thickness of the standards, characterized in that a thickness standard is placed on the boundary of the measurement zone, which is discretely moved to another boundary and for each position of the standard the distances from the photovoltaic modules are measured to each side of the standard and the corresponding numbers of elements on multi-element photodetectors corresponding to these distances, and then determine the angular coefficients and displacements of the calibration lines for each photovoltaic module.
В качестве эталона в этом способе калибровки используется плоская пластина различной толщины. Для калибровки базы толщиномера Ro используется эталон, который состоит из m секторов различной толщины. Для измерения Ro устанавливается сектор эталона tm с минимальной толщиной, который последовательно занимает L положений в зоне измерения Δ=Rmax-Rmin. Для дальнейшей калибровки Ro базы эталон разворачивается и устанавливается сектор с толщиной tm+1. По окончании L-циклов измерений по смещению эталона в зоне измерения Δ и М циклов измерений по толщинам, имеющихся эталонов база толщиномера, рассчитывается как:This calibration method uses a flat plate of varying thickness as a reference. To calibrate the base of the Ro thickness gauge, a standard is used, which consists of m sectors of different thicknesses. To measure Ro, a standard sector tm with a minimum thickness is installed, which sequentially occupies L positions in the measurement zone Δ=Rmax-Rmin. For further calibration of the Ro base, the standard is unfolded and a sector with a thickness of tm+1 is installed. At the end of L-cycles of measurements based on the displacement of the standard in the measurement zone Δ and M cycles of measurements on thicknesses of the available standards, the base of the thickness gauge is calculated as:
В этом способе калибровку лазерного толщиномера выполняют по эталону, состоящему из m секторов различной толщины, это фактически набор концевых мер длины (КМД) разной толщины, объединенные в одном изделии (эталоне), в котором калибровку выполняют по одному линейной размеру.In this method, the laser thickness gauge is calibrated against a standard consisting of m sectors of different thicknesses; this is actually a set of gauge blocks of different thicknesses, combined in one product (standard), in which calibration is performed using one linear dimension.
Выполнение калибровки с применением плоского эталона, имеющего в каждом секторе один линейный калиброванный размер подходит для сканеров контролирующих толщину изделий, но не корректно для сканеров, предназначенных для оценки качества сварных швов, имеющих в сечении криволинейную пространственную (объемную) форму и физически не может быть горизонтальной (линейной), что является основным условием данного способа. Данное обстоятельство и определяет основной недостаток этого способа калибровки - плоская пластина различной толщины, являющаяся эталоном, определяет только один (линейный) калиброванный размер Ro и не позволяет установить взаимосвязь между показаниями сканеров, применяемых для контроля качества поверхности пространственных (объемных) сварных швов, и формой сварных швов.Performing calibration using a flat standard that has one linear calibrated dimension in each sector is suitable for scanners that control the thickness of products, but is not correct for scanners designed to assess the quality of welds that have a curvilinear spatial (volume) shape in cross-section and physically cannot be horizontal (linear), which is the main condition of this method. This circumstance determines the main disadvantage of this calibration method - a flat plate of varying thickness, which is the standard, determines only one (linear) calibrated size Ro and does not allow establishing the relationship between the readings of scanners used to control the surface quality of spatial (volumetric) welds and the shape welds.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ калибровки лазерных сканеров по концевым мерам длины или линейный метод, опубликованный в работе «Линейная калибровка лазерного сканера». Авторы работы: Панков В.В. к.т.н., Панков С.В. к.т.н., Богородский И.Г. к.э.н., Аникин Д.А. (https://3dld.ru/?p=1536).The closest in technical essence to the claimed solution is the method of calibrating laser scanners using gauge blocks or the linear method, published in the work “Linear calibration of a laser scanner”. Authors of the work: Pankov V.V. Ph.D., Pankov S.V. Ph.D., Bogorodsky I.G. Ph.D., Anikin D.A. (https://3dld.ru/?p=1536).
По этому способу калибровка лазерного сканера состоит из сканирования концевых мер длины (КМД), определения абсолютной погрешности измерения и среднеквадратического отклонения повторных измерений от средних значений.Using this method, calibration of a laser scanner consists of scanning gauge blocks, determining the absolute measurement error and the standard deviation of repeated measurements from the average values.
После сканирования КМД и автоматического выполнения вычислительных алгоритмов, определяются и запоминаются 3D координаты точек поверхности КМД.After scanning the CMD and automatically executing computational algorithms, the 3D coordinates of the CMD surface points are determined and stored.
Линейная калибровка лазерного сканера по высоте и ширине выполняется программными средствами путем вычислений абсолютной погрешности измерения и среднеквадратического отклонения нормируемого размера КМД.Linear calibration of the laser scanner in height and width is performed by software by calculating the absolute measurement error and the standard deviation of the standardized size of the CMD.
Абсолютную погрешность измерения сканера КМД по высоте и ширине (в миллиметрах), определяют по формулам:The absolute measurement error of the CMD scanner in height and width (in millimeters) is determined by the formulas:
где - истинный размер КМД, мм;Where - true size of CMD, mm;
Неопределенность результатов измерений характеризуют среднеквадратическим отклонением повторных измерений от средних значений высоты и ширины по формулам:The uncertainty of measurement results is characterized by the standard deviation of repeated measurements from the average values of height and width according to the formulas:
Измерение высоты h и ширины w КМД сканером для целей определения погрешности измерений производят не менее 20 раз. Значения высоты h и ширины w концевой меры при каждом измерении, определяют в соответствие с разработанными авторами вычислительными алгоритмами.The height h and width w of the KMD scanner are measured at least 20 times to determine the measurement error. The values of the height h and width w of the end block for each measurement are determined in accordance with the computational algorithms developed by the authors.
Средние значения высоты и ширины, рассчитывают по формулам:Average values of height and width are calculated using the formulas:
где K - количество повторных измерений;where K is the number of repeated measurements;
k - номер измерения (k=1, …, K);k - measurement number (k=1, …, K);
hk - измеренная сканером высота КМД при k-том измерении, мм;h k is the height of the CM measured by the scanner at the kth measurement, mm;
wk - измеренная сканером ширина КМД при k-том измерении, мм.w k is the width of the CMD measured by the scanner at the kth measurement, mm.
При выполнении линейной калибровки используют КМД или их аналоги, имеющие только один калиброванный (нормированный) размер. В связи с этим калибровку выполняют последовательно: вначале сканер калибруют линейно по высоте измерения, а после поворота концевой меры длины вокруг продольной оси на 90° и повторного сканирования сканер калибруют по ширине измерения. Расчет средних значений и среднеквадратических отклонений измеряемой высоты и измеряемой ширины выполняют программой автоматически. Выбор размера КМД по ГОСТ 9038-90 или аналогов определяет калибровщик, учитывая возможности лазерного сканера, указанные в его техническом описании, в интервале нормированных значений концевых мер длины от 2 мм до 20 мм.When performing linear calibration, KMD or their analogues are used, which have only one calibrated (normalized) size. In this regard, calibration is performed sequentially: first, the scanner is calibrated linearly along the measurement height, and after rotating the gauge block around the longitudinal axis by 90° and re-scanning, the scanner is calibrated along the measurement width. The calculation of average values and standard deviations of the measured height and measured width is performed automatically by the program. The choice of gauge block size in accordance with GOST 9038-90 or analogues is determined by the calibrator, taking into account the capabilities of the laser scanner specified in its technical description, in the range of standardized values of gauge blocks from 2 mm to 20 mm.
Использование КМД при линейной калибровке показывает малую погрешность при измерении высоты и существенную погрешность при измерении ширины КМД. Это обусловлено особенностями конструктивного исполнения КМД, имеющих фаски по краям нормируемой плоскости, и особенностями лазерных датчиков, которые не «видят» точки нормированной плоскости в непосредственной близости от вертикальных плоскостей КМД.The use of CMD for linear calibration shows a small error when measuring the height and a significant error when measuring the width of the CMD. This is due to the design features of the CMD, which have chamfers along the edges of the normalized plane, and the features of laser sensors that do not “see” the points of the normalized plane in the immediate vicinity of the vertical planes of the CMD.
Преимущество этого способа перед предыдущим заключается в том, что при последовательной калибровке определяется взаимосвязь по двум линейным параметрам, а именно по высоте h и ширине w калибра (КМД), а в предыдущем способе только по одному линейному параметру Ro.The advantage of this method over the previous one is that with sequential calibration, the relationship is determined by two linear parameters, namely the height h and width w of the caliber (CMD), and in the previous method only by one linear parameter Ro.
Недостатком этого способа является то, что измерением является линейная величина нормируемого размера между плоскопараллельными измерительными плоскостями КМД, а поверхность сварного шва является криволинейной и пространственной (объемной), поэтому последовательная калибровка сканера по ширине и по высоте КМД не позволяет, достоверно установить взаимосвязь между показаниями сканеров, применяемых для контроля качества поверхности сварных швов, и формой сварных швов.The disadvantage of this method is that the measurement is a linear value of the standardized size between the plane-parallel measuring planes of the CMD, and the surface of the weld is curved and spatial (volumetric), therefore, sequential calibration of the scanner along the width and height of the CMD does not allow reliably establishing the relationship between the scanner readings used to control the surface quality of welds, and the shape of welds.
Существенным недостатком калибровки лазерных сканеров этим способом является и то, что при сканировании эталона (КМД) триангуляционные лазерные датчики не «видят» точки нормированной плоскости в непосредственной близости от вертикальных плоскостей эталона, а измерение размеров КМД вблизи таких участков становиться не возможным, поэтому при калибровке по ширине КМД получается не вполне достоверный результат.A significant disadvantage of calibrating laser scanners using this method is that when scanning a standard (CMD), triangulation laser sensors do not “see” the points of the normalized plane in the immediate vicinity of the vertical planes of the standard, and measuring the dimensions of the CMDS near such areas becomes impossible, therefore, during calibration Based on the width of the CMD, the result is not entirely reliable.
Выше описанные способы калибровки лазерных измерителей, не позволяют определить, взаимосвязь между показаниями лазерных сканеров и формой поверхности пространственного (объемного) сварного шва. Формы эталонов в аналогах и прототипе задаются в виде или электронных схем, или горизонтальных (линейных) поверхностей жидкостей, или в виде плоских (линейных) пластин, или КМД с одним нормированным размером, не позволяют обеспечить подобие их формы - форме пространственного (объемного) сварного шва.The methods described above for calibrating laser meters do not allow us to determine the relationship between the readings of laser scanners and the shape of the surface of a spatial (volumetric) weld. The forms of standards in analogues and prototypes are specified in the form of either electronic circuits, or horizontal (linear) surfaces of liquids, or in the form of flat (linear) plates, or KMD with one standardized size, do not allow ensuring the similarity of their shape - the shape of a spatial (volumetric) weld seam
Кроме того, такие эталоны вообще не учитывают установленные нормативно технической документацией формы и геометрические размеры сварных швов, что также является существенным недостатком выше перечисленных способов.In addition, such standards do not take into account the shapes and geometric dimensions of welds established by regulatory technical documentation at all, which is also a significant drawback of the above methods.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке способа калибровки лазерного сканера, предназначенного для контроля качества поверхности сварного шва, а именно по форме выпуклости, пространственного, реального сварного шва.The objective of the present invention is to develop a method for calibrating a laser scanner designed to control the quality of the surface of a weld, namely the shape of the convexity, spatial, real weld.
Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе в качестве эталонов, необходимых для калибровки сканера, используют эталоны с пространственной (объемной) выпуклостью над горизонтальной плоскостью и имеющей в сечении форму и размеры кругового сегмента с заданными значениями высоты и длины хорды. Форма таких эталонов приближается к форме поверхности «идеальных сварных швов», прописанных в нормативно технической документации в отличие от эталонов в виде пластин.The technical result is achieved due to the fact that in the proposed method, standards with a spatial (volumetric) convexity above the horizontal plane and having in cross-section the shape and dimensions of a circular segment with given values of height and chord length are used as standards required for calibrating the scanner. The shape of such standards approaches the shape of the surface of “ideal welds” prescribed in the regulatory technical documentation, in contrast to standards in the form of plates.
Высота кругового сегмента и длина хорды задаются в соответствии с требованиями нормативно технической документации, прописывающей формы и конструктивные размеры сварных швов, а выпуклость в средней части эталона изготавливают по установленным нормативно-техническими документами значениям ширины и высоты выпуклости по формулам: Радиус окружности сечения выпуклости - по теореме Пифагора:The height of the circular segment and the length of the chord are set in accordance with the requirements of the regulatory technical documentation, which prescribes the shapes and structural dimensions of the welds, and the convexity in the middle part of the standard is made according to the values of the width and height of the convex established by the regulatory technical documents according to the formulas: Radius of the circle of the convex section - according Pythagorean theorem:
гдеWhere
R - радиус окружности сечения выпуклости;R is the radius of the circle of the convex section;
g - высота сечения выпуклости;g is the height of the convex section;
е - ширина сечения выпуклости;e is the width of the convex section;
координата центра окружности ZC:coordinate of the circle center Z C :
точки выпуклости эталона - по формуле окружности в декартовых координатах:convexity points of the standard - according to the circle formula in Cartesian coordinates:
гдеWhere
Х - координата точки выпуклости по оси X;X - coordinate of the convexity point along the X axis;
Z - координата точки выпуклости по оси Z;Z - coordinate of the convexity point along the Z axis;
Zc - координата центра окружности,Z c - coordinate of the circle center,
при этом габаритные размеры выпуклости эталона находятся в пределах:in this case, the overall dimensions of the standard convexity are within the limits:
по высоте - от 0,5 мм до 5 мм,in height - from 0.5 mm to 5 mm,
по ширине от 3 мм до 30 мм,width from 3 mm to 30 mm,
по длине от 10 мм до 100 мм.length from 10 mm to 100 mm.
Погрешность измерений лазерного сканера вычисляют по отношению суммарной площади отклонений измеренных сечений выпуклости эталона, к фактической площади сечений выпуклости эталона по формуле:The measurement error of a laser scanner is calculated by the ratio of the total area of deviations of the measured cross-sections of the standard convexity to the actual cross-sectional area of the standard convexity using the formula:
гдеWhere
S - суммарная площадь отклонений измеренных сечений выпуклости эталона,S is the total area of deviations of the measured sections of the standard convexity,
гдеWhere
- истинная высота выпуклости в измеренных сечениях эталона; - true height of the convexity in the measured sections of the standard;
- измеренная высота выпуклости в измеренных сечениях эталона; - measured height of the convexity in the measured sections of the standard;
- абсолютная погрешность измерения высоты выпуклости в измеренных сечениях эталона - absolute error in measuring the height of the convexity in the measured sections of the standard
- общая, фактическая площадь всех М сечений выпуклостей эталона: - total, actual area of all M sections of the standard convexities:
гдеWhere
i=1, …, М - номера сечений выпуклости эталона;i=1, …, M - numbers of sections of the convexity of the standard;
j=1, …, N - номера точек в сечении выпуклости эталона;j=1, …, N - numbers of points in the cross section of the standard convexity;
D - расстояние между точками сканирования в сечении выпуклости эталона (шаг по N).D is the distance between scanning points in the cross section of the standard convexity (step in N).
Внешний вид эталонов приведен на Фиг. 1.The appearance of the standards is shown in Fig. 1.
Для, определения координат точек эталонов, прописанных в нормативно технической документации на размеры сварных швов, использовали расчетную схему. Расчетная схема для определения формы и размеров выпуклости эталона приведена на Фиг. 2.To determine the coordinates of the reference points specified in the normative technical documentation for the dimensions of welds, a calculation scheme was used. The calculation diagram for determining the shape and dimensions of the standard convexity is shown in Fig. 2.
Форма выпуклости в средней части эталона, с целью еще большего приближения к форме выпуклости реального сварного шва может быть изготовлена по установленным нормативно-техническими документами значениям ширины и высоты выпуклости по формулам:The shape of the convexity in the middle part of the standard, in order to bring it even closer to the shape of the convexity of the real weld, can be made according to the values of the width and height of the convexity established by the regulatory and technical documents using the formulas:
гдеWhere
- кривая, при заданных значениях а к, е, g, ϕ определяет форму эталона - a curve, for given values of a k , e, g, ϕ, determines the shape of the standard
а к - капиллярная постоянная расплавленной стали или сплава задается в пределах = 4,0-6,0 мм; and k - the capillary constant of molten steel or alloy is set in the range = 4.0-6.0 mm;
g -ысота сечения выпуклости. Устанавливается нормативно-техническими документами;g is the height of the convex section. Established by regulatory and technical documents;
е - ширина сечения выпуклости. Устанавливается нормативно-техническими документами;e is the width of the convex section. Established by regulatory and technical documents;
ϕ - угол между плоскостью, перпендикулярной оси эталона в системе координат Z0X, и линией горизонта;ϕ is the angle between the plane perpendicular to the reference axis in the Z0X coordinate system and the horizon line;
R0 - радиус кривизны кривой в точке х, равной 0;R 0 - radius of curvature of the curve at point x equal to 0;
Интегрированием кривой в интервале значений от х больше или равно 0 до х меньше или равно е рассчитывали площадь сечения выпуклости одного эталона:Integration of the curve in the range of values from x greater than or equal to 0 to x less than or equal to e, the cross-sectional area of the convexity of one standard was calculated:
Общая, фактическая площадь всех М сечений выпуклостей эталона:The total, actual area of all M sections of the standard convexities:
Применение таких форм пространственного эталона при калибровке лазерного сканера позволяет обеспечить максимальное приближение предлагаемого способа калибровки к реальным условиям оценки качества сварных соединений и получить результат недостижимый с использованием известных способов калибровки.The use of such forms of spatial standard when calibrating a laser scanner allows us to ensure maximum approximation of the proposed calibration method to real conditions for assessing the quality of welded joints and to obtain a result unattainable using known calibration methods.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.The invention is illustrated by the following example.
ПримерExample
Для калибровки сканера устройства для оценки качества сварного шва (патент РФ №2550673) были спроектированы эталоны с выпуклостью в средней части. Эталоны изготавливали из стали на высокоточном станке электроэрозионной резки Acctex A1600-SA с размерами ширины и высоты выпуклости, установленными нормативно-техническими документами для сварных швов (ГОСТ 16037-80, ГОСТ 1154-80). Эталоны 1 и 2 с выпуклостью по формулам:To calibrate the scanner of a device for assessing the quality of a weld seam (RF patent No. 2550673), standards with a convexity in the middle part were designed. The standards were made of steel on a high-precision electroerosive cutting machine Acctex A1600-SA with the dimensions of the width and height of the convexity established by the regulatory and technical documents for welds (GOST 16037-80, GOST 1154-80). Standards 1 and 2 with convexity according to the formulas:
Радиус окружности сечения выпуклости вычисляли по теореме Пифагора:The radius of the circle of the convex section was calculated using the Pythagorean theorem:
гдеWhere
R - радиус окружности сечения выпуклости;R is the radius of the circle of the convex section;
g - высота сечения выпуклости;g is the height of the convex section;
е - ширина сечения выпуклости;e is the width of the convex section;
координату центра окружности ZC:coordinate of the circle center Z C :
точки выпуклости эталона - по формуле окружности в декартовых координатах:convexity points of the standard - according to the circle formula in Cartesian coordinates:
гдеWhere
Х - координата точки выпуклости по оси X;X - coordinate of the convexity point along the X axis;
Z - координата точки выпуклости по оси Z;Z - coordinate of the convexity point along the Z axis;
ZC - координата центра окружности.Z C - coordinate of the circle center.
На эталонах 3 и 4 форму выпуклости в средней части эталона изготавливали по установленным нормативно-техническими документами значениям ширины и высоты выпуклости по формулам:For standards 3 and 4, the shape of the convexity in the middle part of the standard was made according to the values of the width and height of the convexity established by the regulatory and technical documents according to the formulas:
гдеWhere
- кривая, при заданных значениях а к, e, g, ϕ определяет форму эталона - a curve, for given values of a k , e, g, ϕ, determines the shape of the standard
а к - капиллярная постоянная расплавленной стали или сплава задается в пределах = 4,0-6,0 мм; and k - the capillary constant of molten steel or alloy is set in the range = 4.0-6.0 mm;
g - высота сечения выпуклости. Устанавливается нормативно-техническими документами;g is the height of the convex section. Established by regulatory and technical documents;
е - ширина сечения выпуклости. Устанавливается нормативно-техническими документами;e is the width of the convex section. Established by regulatory and technical documents;
ϕ - угол между плоскостью, перпендикулярной оси эталона в системе координат Z0X, и линией горизонта;ϕ is the angle between the plane perpendicular to the reference axis in the Z0X coordinate system and the horizon line;
R0 - радиус кривизны кривой в точке х, равной 0;R 0 - radius of curvature of the curve at point x equal to 0;
Интегрированием кривой в интервале значений от х больше или равно 0 до x; меньше или равно е рассчитывали площадь сечения выпуклости одного эталона:Integration of the curve in the range of values from x greater than or equal to 0 to x; less than or equal to e, the cross-sectional area of the convexity of one standard was calculated:
Общая, фактическая площадь всех М сечений выпуклостей эталона:The total, actual area of all M sections of the standard convexities:
Измерения изготовленных эталонов выполняли на трехкоординатноизмерительной машине (КИМ) GLOBAL модификации PERFOMANCE имеющей пределы допускаемой основной погрешности пространственных измерений с головкой PH10MQ-TP200=±1,7 мкм, пределы допускаемой основной абсолютной погрешности с головкой PH10MQ-TP200=1,9 мкм. Разрешающая способность измерительной системы = 0,039 мкм.Measurements of the manufactured standards were carried out on a three-coordinate measuring machine (CMM) GLOBAL modification PERFOMANCE having limits of permissible basic error of spatial measurements with a head PH10MQ-TP200=±1.7 microns, limits of permissible basic absolute error with head PH10MQ-TP200=1.9 microns. Resolution of the measuring system = 0.039 µm.
Измерения показали, что абсолютная погрешность отклонений координат 50 высот профилей сечений от расчетных значений, в пяти фиксированных сечениях, составляет ничтожно малую величину = 0,05 мм. Данные результатов измерений свидетельствуют, что изготовленные эталоны в каждом поперечном сечении имеют профиль идентичный расчетному, а координаты высот в каждом сечении равны расчетным значениям в этих же точках.Measurements have shown that the absolute error in deviations of the coordinates of 50 heights of section profiles from the calculated values, in five fixed sections, is a negligible value = 0.05 mm. The data from the measurement results indicate that the manufactured standards in each cross section have a profile identical to the calculated one, and the coordinates of the heights in each section are equal to the calculated values at the same points.
Калибровка лазерного сканера состояла в сопоставлении формы сечений изготовленных эталонов (10×3 мм и 20×4 мм) с результатами измеренных (отсканированных) лазерным сканером форм сечений, выраженных в цифровом значении, равном отношению суммарной площади отклонений отсканированных сечений эталона от их истинных значений по абсолютной величине к их общей площади.Calibration of the laser scanner consisted of comparing the cross-sectional shapes of the manufactured standards (10×3 mm and 20×4 mm) with the results of the cross-sectional shapes measured (scanned) by the laser scanner, expressed in a digital value equal to the ratio of the total area of deviations of the scanned cross-sections of the standard from their true values by absolute value to their total area.
Расчетные формулы, используемые при калибровке лазерного сканера приведены ниже по тексту; М - количество сечений эталона;The calculation formulas used to calibrate the laser scanner are given below in the text; M is the number of sections of the standard;
N - количество точек в каждом сечении эталона;N is the number of points in each section of the standard;
- истинная высота выпуклости в точках сечения эталона; - true height of the convexity at the cross-sectional points of the standard;
- измеренная высота выпуклости в точках сечения эталона, где - measured height of the convexity at the cross-sectional points of the standard, where
i=1, …М - номера сечений эталона;i=1, ...M - numbers of sections of the standard;
j=1, …N - номера точек в сечении эталона;j=1, …N - numbers of points in the cross-section of the standard;
D - расстояние между точками в сечении эталона (шаг по N).D is the distance between points in the cross-section of the standard (step in N).
Общая площадь всех М сечений истинной площади выпуклости эталона:The total area of all M sections of the true convex area of the standard:
При калибровке сканер измерял высоты выпуклости в тех же точках Ztj, которые приведены в технической документации на изготовленные эталоны.During calibration, the scanner measured the heights of the convexity at the same points Z t j that are given in the technical documentation for the manufactured standards.
Абсолютная погрешность при измерении высоты в каждой точке равна а суммарная площадь отклонений отсканированных сечений от суммарных истинных площадей сечений эталона, по абсолютной величине равна:The absolute error when measuring height at each point is equal to and the total area of deviations of the scanned sections from the total true areas of the standard sections, in absolute value, is equal to:
Общую погрешность измерений при калибровке, определяли по отношению суммарной площади отклонений отсканированных сечений эталона по абсолютной величине к истинной площади сечений эталона, указанной в технической документации на изготовленный эталон. Выраженная в процентах общая погрешность измерения составляет:The overall measurement error during calibration was determined by the ratio of the total area of deviations of the scanned sections of the standard in absolute value to the true cross-sectional area of the standard specified in the technical documentation for the manufactured standard. The total measurement error expressed as a percentage is:
Для сравнения с предлагаемым способом была выполнена калибровка по прототипу с эталоном в виде «мер длины концевых плоскопараллельных» по ГОСТ 9038-90 (КМД).For comparison with the proposed method, calibration was performed using a prototype with a standard in the form of “end plane-parallel length measures” according to GOST 9038-90 (KMD).
Размеры эталонов приведены в табл. 1.The dimensions of the standards are given in table. 1.
Калибровку выполняли следующим образом:Calibration was performed as follows:
Устанавливали лазерный сканер LSP-U, (технические характеристики см. https://3dld.ru/wp-content/uploads/2023/03/Tech-inf-LSP-U.pdf) на горизонтальную поверхность.We installed the LSP-U laser scanner (for technical specifications, see https://3dld.ru/wp-content/uploads/2023/03/Tech-inf-LSP-U.pdf) on a horizontal surface.
Подготавливали лазерный сканер LSP-U к работе в соответствии с инструкцией пользователя и загружали программный интерфейс. На плоскости стола появлялась отчетливо видная яркая красная линия от лазерного датчика.We prepared the LSP-U laser scanner for operation in accordance with the user instructions and loaded the software interface. A clearly visible bright red line from the laser sensor appeared on the surface of the table.
Эталон или КМД, в случае калибровки по прототипу, помещали таким образом, чтобы линия лазерного луча находилась на его поверхности и полностью его охватывала.The standard or KMD, in the case of calibration according to the prototype, was placed so that the line of the laser beam was on its surface and completely covered it.
В окне программного интерфейса задавали длину сканирования и количество измерений.In the software interface window, the scan length and number of measurements were specified.
Сканирование выполняли нажатием виртуальных клавиш стрелок: «вправо» или «влево», отображаемых на экране программным интерфейсом. Лазерный сканер LSP-U осуществлял перемещение относительно эталона и выполнял сканирование.Scanning was performed by pressing the virtual arrow keys: “right” or “left”, displayed on the screen by the software interface. The LSP-U laser scanner moved relative to the standard and performed scanning.
После этой процедуры на экране ПК отображалась 3D реплика (изображение) эталона.After this procedure, a 3D replica (image) of the standard was displayed on the PC screen.
Погрешность измерений лазерного сканера LSP-U вычислялась автоматически с помощью программных средств по отношению суммарной площади отклонений измеренных сечений выпуклости эталонов, к фактической площади сечений выпуклости эталонов по формуле:The measurement error of the LSP-U laser scanner was calculated automatically using software based on the ratio of the total area of deviations of the measured cross-sections of the convexity of the standards to the actual cross-sectional area of the convexity of the standards using the formula:
гдеWhere
S - суммарная площадь отклонений измеренных сечений выпуклости эталона,S is the total area of deviations of the measured sections of the standard convexity,
гдеWhere
- истинная высота выпуклости в измеренных сечениях эталона; - true height of the convexity in the measured sections of the standard;
- измеренная высота выпуклости в измеренных сечениях эталона; - measured height of the convexity in the measured sections of the standard;
- абсолютная погрешность измерения высоты выпуклости в измеренных сечениях эталона - absolute error in measuring the height of the convexity in the measured sections of the standard
S0 - общая, фактическая площадь всех М сечений выпуклостей эталона:S 0 - total, actual area of all M sections of the standard convexities:
гдеWhere
r=1, …, М - номера сечений выпуклости эталона;r=1, …, M - numbers of sections of the convexity of the standard;
j=1, …, N - номера точек в сечении выпуклости эталона;j=1, …, N - numbers of points in the cross section of the standard convexity;
D - расстояние между точками сканирования в сечении выпуклости эталона (шаг по N);D is the distance between scanning points in the cross section of the standard convexity (step in N);
При сканировании по прототипу КМД по ГОСТ 9038-90 или аналогов, имеющих только один калиброванный размер h0, для оценки абсолютной погрешности и среднеквадратического отклонения лазерного сканера LSP-U по ширине КМД, необходимо было повернуть КМД вокруг оси по длине на 90°. После чего вновь выполняли сканирование КМД для оценки абсолютной погрешности и среднеквадратического отклонения лазерного сканера LSP-U при измерении по ширине КМД. В результате на экране компьютера отражались результаты заданного количества измерений КМД, их средние значения, и среднеквадратическое отклонение КМД.When scanning a prototype CMD in accordance with GOST 9038-90 or analogues that have only one calibrated size h 0 , to estimate the absolute error and standard deviation of the LSP-U laser scanner along the width of the CMD, it was necessary to rotate the CMD around its length axis by 90°. After that, the CMD scan was performed again to assess the absolute error and standard deviation of the LSP-U laser scanner when measuring along the width of the CMD. As a result, the results of a specified number of CMD measurements, their average values, and the standard deviation of CMD were displayed on the computer screen.
Результаты калибровки по 20 измерениям приведены в табл. 2The calibration results for 20 measurements are given in table. 2
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения необходимой совокупности условий:Thus, the above information indicates that the required set of conditions is met when using the claimed invention:
Способ, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, позволяет количественно выполнить калибровку сканера по криволинейным выпуклым эталонам;The method embodying the claimed invention when implemented allows quantitative calibration of the scanner using curvilinear convex standards;
Для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;For the claimed invention in the form as it is characterized in the claims, the possibility of its implementation has been confirmed using the means and methods described above in the application or known before the priority date;
Средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.The means embodying the claimed invention, when implemented, is capable of achieving the technical result envisaged by the applicant.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.Consequently, the claimed invention meets the requirement of “industrial applicability” under current legislation.
Claims (51)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2821171C1 true RU2821171C1 (en) | 2024-06-17 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2550673C2 (en) * | 2013-03-25 | 2015-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХМАШСЕРВИС" | Device to assess quality of welded joint |
| US20150317786A1 (en) * | 2014-05-05 | 2015-11-05 | Alcoa Inc. | Apparatus and methods for weld measurement |
| CN109764807A (en) * | 2019-01-14 | 2019-05-17 | 广东原点智能技术有限公司 | The 2D visible detection method and detection system of engine cylinder body location position |
| CN111854628A (en) * | 2019-12-20 | 2020-10-30 | 武汉新耐视智能科技有限责任公司 | Three-dimensional imaging device for weld surface appearance |
| RU2748861C1 (en) * | 2020-10-23 | 2021-06-01 | Закрытое Акционерное Общество "Чебоксарское Предприятие "Сеспель" (ЗАО "Чебоксарское Предприятие "Сеспель") | Method for visual and measuring non-destructive quality control of welded joint, mainly obtained by friction-mixing welding method, and device for its implementation |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2550673C2 (en) * | 2013-03-25 | 2015-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХМАШСЕРВИС" | Device to assess quality of welded joint |
| US20150317786A1 (en) * | 2014-05-05 | 2015-11-05 | Alcoa Inc. | Apparatus and methods for weld measurement |
| CN109764807A (en) * | 2019-01-14 | 2019-05-17 | 广东原点智能技术有限公司 | The 2D visible detection method and detection system of engine cylinder body location position |
| CN111854628A (en) * | 2019-12-20 | 2020-10-30 | 武汉新耐视智能科技有限责任公司 | Three-dimensional imaging device for weld surface appearance |
| RU2748861C1 (en) * | 2020-10-23 | 2021-06-01 | Закрытое Акционерное Общество "Чебоксарское Предприятие "Сеспель" (ЗАО "Чебоксарское Предприятие "Сеспель") | Method for visual and measuring non-destructive quality control of welded joint, mainly obtained by friction-mixing welding method, and device for its implementation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Hultgren G. et al. Digital scanning of welds and influence of sampling resolution on the predicted fatigue performance: modelling, experiment and simulation //Metals. - 2021. - Т. 11. - N. 5. - С. 822. Huang W., Kovacevic R. A laser-based vision system for weld quality inspection //Sensors. - 2011. - Т. 11. - N. 1. - С. 506-521. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Muralikrishnan | Performance evaluation of terrestrial laser scanners—A review | |
| Feng et al. | Analysis of digitizing errors of a laser scanning system | |
| Van Gestel et al. | A performance evaluation test for laser line scanners on CMMs | |
| CN101526336B (en) | Calibration method of line structured light 3D vision sensor based on gauge block | |
| CN105423946B (en) | Axle journal axle center measuring device based on laser displacement sensor and measurement scaling method | |
| Tóth et al. | A comparison of the outputs of 3D scanners | |
| CN104697467B (en) | Weld appearance shape based on line laser scanning and surface defect detection method | |
| CN102435138B (en) | Determine the gap of the body part of motor vehicles and/or the method for flushing property and measurement mechanism | |
| Santolaria et al. | A one-step intrinsic and extrinsic calibration method for laser line scanner operation in coordinate measuring machines | |
| KR101857601B1 (en) | Field Standard Calibration System and Methods For Non Contact Type Water Level Gauges Based On IoT | |
| CN114674249A (en) | Visual measurement guiding device, method and system for barrel nesting assembly centering | |
| Abu-Nabah et al. | Simple laser vision sensor calibration for surface profiling applications | |
| CN111883271B (en) | Method and system for accurately positioning automatic detection platform of nuclear reactor pressure vessel | |
| US6618689B2 (en) | Method for the non-destructive inspection of wall strength | |
| Schwenke et al. | Future challenges in co-ordinate metrology: addressing metrological problems for very small and very large parts | |
| JP5483554B2 (en) | Tool coordinate system calibration apparatus and calibration method | |
| Kohut et al. | A structure's deflection measurement and monitoring system supported by a vision system | |
| Marani et al. | A 3D vision system for high resolution surface reconstruction | |
| Tong et al. | A novel laser-based system for measuring internal thread parameters | |
| RU2821171C1 (en) | Method of calibrating laser scanner for evaluating quality of weld surface | |
| Zexiao et al. | Modeling and calibration of a structured-light-sensor-based five-axis scanning system | |
| Zapico et al. | Extrinsic calibration of a conoscopic holography system integrated in a CMM | |
| Ekkel et al. | Precise laser-based optical 3D measurement of welding seams under water | |
| JP2013148375A (en) | Calibration method, calibrator and program for use in three-dimensional shape measuring apparatus, and three-dimensional shape measuring apparatus | |
| Harris et al. | Geometric and quasi-static thermal error compensation for a laser digitizer equipped coordinate measuring machine |