Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве
Разработана стереоскопическая система технического зрения, предназначенная для измерения пространственных координат стыков. Систему можно использовать для автоматического наведения сварочного инструмента на стык при сварке робототехническими комплексами. Stereoscopic technical vision system was deve...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2007 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99421 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве / В.А. Коляда, Е.В. Шаповалов // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 51-54. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859834040587124736 |
|---|---|
| author | Коляда, В.А. Шаповалов, Е.В. |
| author_facet | Коляда, В.А. Шаповалов, Е.В. |
| citation_txt | Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве / В.А. Коляда, Е.В. Шаповалов // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 51-54. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Разработана стереоскопическая система технического зрения, предназначенная для измерения пространственных координат стыков. Систему можно использовать для автоматического наведения сварочного инструмента на стык при сварке робототехническими комплексами.
Stereoscopic technical vision system was developed to measure spatial coordinates of welded joints. The system can be applied for automatic guidance of the welding tool to a joint in welding using robotic systems.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:33:54Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791:658.011.54
СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ
КООРДИНАТ СТЫКОВ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
В. А. КОЛЯДА, Е. В. ШАПОВАЛОВ, инженеры (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Разработана стереоскопическая система технического зрения, предназначенная для измерения пространственных
координат стыков. Систему можно использовать для автоматического наведения сварочного инструмента на стык
при сварке робототехническими комплексами.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварочное производство, автомати-
зация, объект сварки, стереоскопическое измерение, прост-
ранственные координаты, робототехнический комплекс,
эпиполярные линии, сопряженные точки
В настоящее время при автоматизации сварочного
производства наиболее часто используют оптичес-
кие датчики, основанные на методе светового се-
чения, которое позволяет за один цикл измерения
определить двухмерные координаты профиля
объекта в плоскости светового сечения. Однако,
когда перед проведением сварочной операции не-
обходимо предварительно оценить пространс-
твенную ориентацию объекта, использование оп-
тических датчиков со световым сечением
вызывает существенные затруднения.
Например, при сварке с использованием ро-
бототехнических комплексов часто возникает за-
дача, связанная с наведением сварочного инстру-
мента на стык под прямым углом к плоскости
объекта сварки, что требует определения прост-
ранственной ориентации свариваемых конструк-
ций. Для решения такой задачи при использова-
нии датчика со световым сечением необходимо
сначала выполнить многократное сканирование
разных участков поверхности объекта и затем по
результатам сканирования рассчитать пространс-
твенные координаты рельефа поверхности.
Значительно упростить процедуру определе-
ния пространственной ориентации объектов свар-
ки можно с помощью метода стереоскопического
измерения, при котором определение трехмерных
координат участка поверхности объекта выпол-
няется за один такт измерения. При этом не тре-
буется дополнительных сканирующих перемеще-
ний сенсорного блока. Известны отдельные при-
меры использования стереоскопических средств
технического зрения в сварочном производстве.
Например, американская фирма «Automatics Ro-
botic Systems» применила бинокулярную систему
для планирования траектории движения свароч-
ной горелки при приварке вкладышей в тяжелые
рамы колесных тележек бункерных вагонов во
время их ремонта [1]. Основной недостаток дан-
ной системы и всех подобных решений заклю-
чается в том, что каждая такая система ориен-
тирована на решение ограниченного круга задач
и не может быть использована для автоматизации
существующих сварочных установок.
В ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ разработана
стереоскопическая система технического зрения
для измерения пространственных координат сты-
ков, которые наиболее часто встречаются в сва-
рочном производстве. Схема сенсорного блока
системы показана на рис. 1. В качестве видео-
датчиков выступают две ПЗС-видеокамеры. Для
подсвета поверхности объекта измерения исполь-
зуется источник рассеянного света, который пред-
ставляет собой матрицу из лазерных светодиодов.
Перед объективами каждой видеокамеры установ-
лены светофильтры, полоса пропускания которых
согласована с длиной волны излучения лазерных
светодиодов. Видеосигналы от видеокамер обра-
батываются в контроллере системы с помощью
специального математического обеспечения.
© В. А. Коляда, Е. В. Шаповалов, 2007
Рис. 1. Схема сенсорного блока: 1 — объект измерения; 2,
5 — светофильтр 1 и 2; 3, 4 — соответственно видеокамера 1
и 2; 6 — источник рассеянного света
6/2007 51
Математическое обеспечение разработанной
стереоскопической системы предназначено для
предварительной обработки цифровых изображе-
ний; поиска сопряженных точек и определения
пространственных координат точек по их изоб-
ражениям.
На этапе предварительной обработки изобра-
жений выполняется выделение некоторых харак-
терных участков на двух изображениях для их
последующего отождествления. Для решения дан-
ной задачи используется нормализация и масоч-
ная фильтрация изображений. Нормализация
изображений, т. е. повышение уровня их похо-
жести, осуществляется с помощью аппаратных
средств устройства видеозахвата путем изменения
яркости и контрастности входных видеосигналов.
Масочная фильтрация в данном случае выполня-
ется программно и позволяет существенно сни-
зить уровень белого шума и подчеркнуть харак-
терные элементы на изображениях объекта.
Поиск сопряженных точек является централь-
ной проблемой стереозрения. Задача автоматизи-
рованного поиска сопряженных точек состоит в
следующем: на одном из изображений выбрана
точка m′, являющаяся проекцией некоторой точки
M трехмерного пространства. На втором изобра-
жении необходимо найти точку m′′ — проекцию
той же точки. Корреляционные методы поиска
сопряженных точек, которые наиболее часто ис-
пользуются на практике, для обработки изобра-
жений стыков являются малоэффективными, пос-
кольку в общем случае изображение стыка имеет
однородную структуру и выбранная область стыка
на одном изображении может коррелироваться с
несколькими областями второго изображения. По-
этому в данном случае для отождествления точек
используют метод, связанный с нахождением эпи-
полярных линий, физический смысл которых
можно сформулировать следующим образом. Ес-
ли одна видеокамера «видит» точку, то можно счи-
тать, что она «смотрит» в «торец» прямой линии
в пространстве. Тогда вторая видеокамера, распо-
ложенная под некоторым углом к первой, будет
«видеть» прямую линию, которая содержит сопря-
женную точку. При известных положениях и углах
наблюдения видеокамер для каждой точки на пер-
вом изображении несложно вычислить эпиполяр-
ную линию на втором изображении, что сущест-
венно снижает зону поиска сопряженных точек.
Идентификация собственных и установочных
параметров видеокамер сенсорного блока осущес-
твляется независимо для каждого видеоканала с
помощью методики, представленной в работе [2].
Результатом идентификации являются две матри-
цы A1 и A2 размером 4 4, описывающие прост-
ранственное положение и ориентацию видеокамер
относительно опорной системы координат. Если
положение точки в опорной системе координат
задано вектором r0, а положения той же точки
в системах координат видеокамер — векторами
r1 и r2, то справедливы следующие соотношения:
r0
T = A1r1
T , r0
T = A2r2
T. (1)
Для перехода от систем координат видеокамер
к системам координат соответствующих изобра-
жений служит преобразование перспективы:
xk
и =
xk
zk
⁄ dk
+ W2 , yk
и =
yk
zk
⁄ dk
+ H2 , k = 1, 2, (2)
где xk
и, yk
и — координаты сопряженных точек на
изображениях; xk, yk, zk — координаты сопряжен-
ных точек в системах координат видеокамер; dk —
расстояние от точек переднего фокуса видеокамер
до начала координат опорной системы; W, H —
ширина и высота изображений в пикселях; k —
номер камеры.
Выражения (2) можно переписать в виде:
xk = ck
x zk, yk = ck
x zk, k = 1, 2, (3)
где ck
x =
xk
и – (W ⁄ 2)
dk
; ck
x =
yk
и – (H ⁄ 2)
dk
. Отсюда век-
торы, характеризующие положение точки в сис-
темах координат видеокамер, можно записать сле-
дующим образом:
r1 = [c1
xz1, c1
yz1, z1, 1]T, r2 = [c2
xz2, c2
yz2, z2, 1]T. (4)
Выражения (1) можно записать в виде системы
линейных уравнений (в матричной форме):
A1r1
T = A2r2
T. (5)
Система (5) является переопределенной. Решив
систему с помощью приближенного метода наи-
меньших квадратов, получим вектор z = [z1, z2,
e]T, где e — значение невязки. Тогда на основании
выражения (4) рассчитываются значения осталь-
ных компонентов векторов r1, r2 и с помощью
одного из соотношений (1) вычисляется вектор
r0, определяющий координаты точки в опорной
системе координат. Таким образом, если известны
координаты сопряженных точек на двух изобра-
жениях (х1
и, y1
и), (х2
и, y2
и) и матрицы A1, A2, то на
основании рассмотренных выше соотношений
несложно определить пространственные коорди-
наты исследуемой точки (x0, y0, z0).
Процесс поиска сопряженных точек проиллюс-
трирован на рис. 2 для случая стыка с зазором,
близким к нулю.
На начальном этапе проводится распознавание
линий стыка на изображениях, полученных от сен-
сорного блока, с помощью метода, описанного в
52 6/2007
работе [3]. На линии стыка, распознанной на пер-
вом изображении, выбирается точка 1, для кото-
рой на втором изображении строится эпиполярная
линия. Далее определяется точка 2, которая яв-
ляется результатом пересечения распознанной
линии стыка на втором изображении с найденной
эпиполярной линией. Точки 1 и 2 представляют
собой пару сопряженных точек. Аналогично оп-
ределяются остальные пары сопряженных точек,
причем количество пар зависит от требуемой точ-
ности определения линии стыка.
Для каждой пары сопряженных точек форми-
руется система линейных уравнений (5) и на ос-
новании выражений (4), (1) вычисляются коор-
динаты пространственной точки в опорной сис-
теме координат. По найденным пространствен-
ным точкам в трехмерной системе координат
строится линия стыка, которая в дальнейшем мо-
жет быть использована для планирования траек-
тории движения сварочного инструмента. На
рис. 3, а показан результат определения прост-
ранственного положения стыка для случая стыка
с зазором, близким к нулю. В данном случае за
один такт измерения получена ориентация линии
стыка с приблизительной протяженностью 50 мм,
т. е. измерение координат стыка необходимо вы-
полнять с небольшой частотой даже при макси-
мальных скоростях сварки, что значительно сни-
жает требования к вычислительной мощности
контроллера стереоскопической системы.
Разработанные алгоритмы также позволяют
определять пространственные координаты стыков
с v-образной разделкой. Для этого на каждом
изображении выполняется распознавание трех ли-
ний, которые соответствуют двум кромкам и кор-
ню разделки стыка. После определения простран-
ственной ориентации каждой линии формируется
общая геометрия стыка в опорной системе коор-
динат. На рис. 3, б показан результат стереоско-
пического измерения пространственных коорди-
нат стыка с v-образной разделкой. По двум ли-
ниям кромок разделки несложно построить плос-
кость, определяющую ориентацию свариваемых
конструкций, что может служить основой для на-
ведения сварочного инструмента на стык под пря-
мым углом к плоскости объекта сварки при ис-
пользовании робототехнических комплексов.
Разработанная стереоскопическая система име-
ет несколько ограниченную область применения.
Например, при разделке со скосом только одной
Рис. 2. Поиск сопряженных точек
Рис. 3. Результаты стереоскопического измерения пространственных координат стыков: а — для стыка с зазором, близким к
нулю; б — для стыка с v-образной разделкой кромок
6/2007 53
кромки одна из видеокамер не сможет «увидеть»
корень разделки, что не позволит определить ко-
ординаты такого стыка. Но вместе с тем разра-
ботка стереоскопических средств технического
зрения представляет собой перспективное направ-
ление в области автоматизации сварочных про-
цессов, поскольку стереоскопические системы
позволяют получать наибольший объем инфор-
мации об объекте за один такт измерения.
1. Мошкин В. И., Петров А. А., Титов В. С., Якушенков
Ю. Г. Техническое зрение роботов / Под общ. ред. Ю. Г.
Якушенкова. — М.: Машиностроение, 1990. — 272 с.
2. Киселевский Ф. Н., Коляда В. А. Калибровка триангуля-
ционных оптических сенсоров. // Автомат. сварка. —
2005. — № 5. — С. 57–58.
3. Оптический сенсор для слежения за стыком при разме-
рах зазора, близких к нулю / Ф. Н. Киселевский, Г. А.
Бутаков, В. В. Долиненко, Е. В. Шаповалов // Там же. —
2003. — № 2. — С. 51–52.
Stereoscopic technical vision system was developed to measure spatial coordinates of welded joints. The system can be
applied for automatic guidance of the welding tool to a joint in welding using robotic systems.
Поступила в редакцию 07.12.2006
КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
СВАРНОПАЯНЫХ РАБОЧИХ КОЛЕС
ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ
Центробежные компрессоры находят ши-
рокое применение в энергетике, химичес-
кой, нефтяной, металлургической и других
отраслях промышленности. Основным эле-
ментом проточной части центробежного ком-
прессора являются рабочие колеса. Надеж-
ность и долговечность центробежного комп-
рессора во многом зависит от сопро-
тивления знакопеременным нагрузкам и
уровня усталостной прочности материала и
соединений рабочего колеса. Такое колесо
состоит из двух дисков – основного, обычно
с цельнофрезерованными лопатками, и пок-
рывающего.
Разработана технология изго-
товления рабочих колес из высо-
копрочной нержавеющей и средне-
легированной стали. Крепление пок-
рывающего диска к лопаткам осу-
ществляется наложением прорезных
швов электронно-лучевой сваркой.
Непроваренные участки лопаток
соединяются с покрывающим дис-
ком посредством вакуумной пайки.
При этом перед пайкой форми-
руются галтели из металлического порошка, который затем пропитывается припоем.
По разработанной технологии изготавливаются рабочие колеса наружным диаметром от
360 до 850 мм из сталей 07Х16Н6 или 13ХГМРБ. После балансировки колеса подвергают
разгонным испытаниям при скорости вращения на 10...15 % выше скорости вращения ротора
компрессора.
Контакты: Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины,
03680, Украина, Киев-150, ул. Боженко, 11, отд. № 7.
Тел.: (38044) 287 44 06
Факс: (38044) 287 12 83; 287 46 30
54 6/2007
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99421 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:33:54Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Коляда, В.А. Шаповалов, Е.В. 2016-04-28T15:57:52Z 2016-04-28T15:57:52Z 2007 Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве / В.А. Коляда, Е.В. Шаповалов // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 51-54. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99421 621.791:658.011.54 Разработана стереоскопическая система технического зрения, предназначенная для измерения пространственных координат стыков. Систему можно использовать для автоматического наведения сварочного инструмента на стык при сварке робототехническими комплексами. Stereoscopic technical vision system was developed to measure spatial coordinates of welded joints. The system can be applied for automatic guidance of the welding tool to a joint in welding using robotic systems. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве Stereoscopic measurement of spatial coordinates of weld butts in welding manufacturing Article published earlier |
| spellingShingle | Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве Коляда, В.А. Шаповалов, Е.В. Производственный раздел |
| title | Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве |
| title_alt | Stereoscopic measurement of spatial coordinates of weld butts in welding manufacturing |
| title_full | Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве |
| title_fullStr | Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве |
| title_full_unstemmed | Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве |
| title_short | Стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве |
| title_sort | стереоскопическое измерение пространственных координат стыков в сварочном производстве |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99421 |
| work_keys_str_mv | AT kolâdava stereoskopičeskoeizmerenieprostranstvennyhkoordinatstykovvsvaročnomproizvodstve AT šapovalovev stereoskopičeskoeizmerenieprostranstvennyhkoordinatstykovvsvaročnomproizvodstve AT kolâdava stereoscopicmeasurementofspatialcoordinatesofweldbuttsinweldingmanufacturing AT šapovalovev stereoscopicmeasurementofspatialcoordinatesofweldbuttsinweldingmanufacturing |