Aneta Zatočilová Prezentace k obhajobě disertační práce, Ústav konstruování Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství

Transkript

1 Návrh metodiky měření přímosti osy rotačních výkovků pomocí fotogrammetrie Aneta Zatočilová, Ústav konstruování Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství

2 Úvod Výzkumný záměr vyplývá z reálných problémů s měřením výkovků v těžkém průmyslu (např. Žďas a.s.) Otevřené kování Kontrolní měření Výsledný produkt Rovnání tříbodovým ohybem na hydraulickém lisu Prezentace obhajobě disertační práce 1/22

3 Motivace V současné době kontaktní měření pomocí mechanických měrek nebo etalonů Měření výkovků s vysokou teplotou Běžné bezdotykové měřicí metody nejsou aplikovatelné Neúplná, nepřesná data pomalé, výsledky závislé na praxi pracovníka Podmínky které je nutné uvažovat při vývoji metodiky: Prostředí těžkého průmyslu Vysoká teplota Velké rozměry Vysoká rychlost měření Nerovnosti na povrchu výkovku okuje Požadavky na přesnost měření ±5mm Prezentace obhajobě disertační práce 2/22

4 Závěry vyplývající z rešerše Bezkontaktní měření výkovků s vysokou teplotou: TOF systémy Publikace: Tian at al. (2009), Tian at al. (2012) Komerční systémy: LaCam Forge, TopScan, IMEGO Skenování s xenonovým světlem Publikace: Jia at al.(2010) Liu at al. (2011) Liu at al. (2012) Pasivní fotogrammetrie Publikace: Chaudhuria at al. (2003), Dworkin and Nye. (2004) Hu at al.(2008) Tian at. al. (2009) - Dimension measurement of hot large forgings with a novel time-of-flight system Prezentace obhajobě disertační práce Liu at al. (2011) - Fast dimensional measurement method and experiment of the forgings under high temperature Ch. Hu, B. Liu, X. Song. (2008) - A novel edge detection approach used for online dimensional measurement of heavy forging 3/22

5 Závěry vyplývající z rešerše Bezkontaktní měření výkovků s vysokou teplotou: TOF systémy Publikace: Tian at al. (2009), Tian at al. (2012) Komerční systémy: LaCam Forge, TopScan, IMEGO Skenování s xenonovým světlem Publikace: Jia at al.(2010) Liu at al. (2011) Liu at al. (2012) Pasivní fotogrammetrie Publikace: Chaudhuria at al. (2003) Dworkin and Nye. (2004) Hu at al.(2008) Ověřené v praxi, flexibilní, spolehlivé Umožňují skenování celého plochy (v praxi se nepoužívá - pomalé) Nutnost otáčení s výkovkem rychlost měření v řádu minut Vysoká cena hardware Prezentace obhajobě disertační práce Liu at al. (2011) - Fast dimensional measurement method and experiment of the forgings under high temperature Ch. Hu, B. Liu, X. Song. (2008) - A novel edge detection approach used for online dimensional measurement of heavy forging 3/22

6 Závěry vyplývající z rešerše Bezkontaktní měření výkovků s vysokou teplotou: TOF systémy Publikace: Tian at. al. (2009) Komerční systémy: LaCam Forge, TopScan Skenování s xenonovým světlem Publikace: Jia at al.(2010) Liu at al. (2011) Liu at al. (2012) Pasivní fotogrammetrie Publikace: Chaudhuria at al. (2003), Dworkin and Nye. (2004) Hu at al.(2008) Ověřené v praxi, flexibilní, spolehlivé Umožňují skenování celého plochy (v praxi se nepoužívá - pomalé) Nutnost otáčení s výkovkem rychlost měření v řádu minut Vysoká cena hardware Prezentace obhajobě disertační práce Ve fázi vývoje, Nízká cena hardware Stereo systém s proužkovou projekcí - měření bodů na rozhraní výkovku a pozadí Nutnost otáčení s výkovkem rychlost měření v řádu minut Jednoduchý tvar měřených dílů Ch. Hu, B. Liu, X. Song. (2008) - A novel edge detection approach used for online dimensional measurement of heavy forging 3/22

7 Závěry vyplývající z rešerše Bezkontaktní měření výkovků s vysokou teplotou: TOF systémy Publikace: Tian at. al. (2009) Komerční systémy: LaCam Forge, TopScan Skenování s xenonovým světlem Publikace: Jia at al.(2010) Liu at al. (2011) Liu at al. (2012) Pasivní fotogrammetrie Publikace: Chaudhuria at al. (2003), Dworkin and Nye. (2004) Hu at al.(2008) Ověřené v praxi, flexibilní, spolehlivé Umožňují skenování celého plochy (v praxi se nepoužívá - pomalé) Nutnost otáčení s výkovkem rychlost měření v řádu minut Vysoká cena hardware Ve fázi vývoje, Nízká cena hardware Stereo systém s proužkovou projekcí - měření bodů na rozhraní výkovku a pozadí Nutnost otáčení s výkovkem rychlost měření v řádu minut Jednoduchý tvar měřených dílů Nízká cena hardware Vysoká rychlost měření sekundy Neumožňuje skenování celé plochy jednoduché, rychlé, levné Prezentace obhajobě disertační práce 3/22

8 Cíle práce Návrh vlastní metodiky bezdotykového měření přímosti osy rotačních výkovků Experimentální ověření funkčnosti navržené metodiky Popis vlivů na dosahovanou přesnost měření včetně návrhů na optimalizaci Dílčí cíle: Návrh a realizace měřící soustavy Vytvoření softwarové aplikace, která umožní testování metodiky Návrh komparační metody měření Realizace měření vzorků v zahřátém i nezahřátém stavu Primární literatura: LUHMANN, Thomas, et al. Close Range Photogrammetry: Principles,techniques and applications. Dunbeath, Caithness KW6 6EG, Scotland, UK:Whittles Publishing, Fundamental methods, p ISBN Prezentace obhajobě disertační práce 4/22

9 Přístup, metody, specifikace Navržená metodika měření založená na předpokladu, že skutečnou osu výkovku je možné rekonstruovat pomocí čtyř hran výkovku detekovaných ve dvou vzájemně kolmých obrazových rovinách Systém je navržen jako: Pasivní (nevyužívá přidané osvětlení) Založený na digitální blízké fotogrammetrii Vícesnímkový (dvoukamerový) Stacionární On-line (okamžité vyhodnocení výsledků) Prezentace obhajobě disertační práce 5/22

10 Vymezení podmínek měření, návrh měřicí aparatury Testování metody v laboratorních podmínkách: Měřené vzorky: válcové trubky o délce 0,7 m a průměru cca 4 cm v zahřátém ( C) i nezahřátém stavu Vybavení pro měření DSLR - Canon EOS 500D Rozlišení: 15,1 Mpix pixel 2 Velikost čipu (h v): 21,3x14,9 mm 2 Velikost pixelu: 4,69 4,70 μm 2 Měřicí soustava pro upnutí fotoaparátů s vertikálním posuvem Prezentace obhajobě disertační práce Měření vzorků v zahřátém stavu 6/22

11 Návrh softwaru programovací prostředí Matlab na vstupu dva snímky a soubor se souřadnicemi kruhových značek, které jsou trvale umístěny v měřené scéně uživatelská rozhraní (GUI) slouží k nastavení parametrů kalibrace a detekce Kalibrace Výpočet měřítka a prostorová orientace Detekce hran Výpočet hledaných parametrů Prezentace obhajobě disertační práce 7/22

12 Kalibrace Korekce radiálního zkreslení algoritmus od Jaap De Vries z Matlab Central Výpočet polohy značek ve snímcích segmentace a klasifikace obrazu, metoda těžiště Výpočet vnitřních a vnějších parametrů kamery metoda přímé lineární transformace Uživatel nastavuje parametry pro hledání kalibračních značek, velikost pixelu, polohu a velikost v-bloků Poloha a orientace kamer Ohnisková vzdálenost Střed snímku 8/22

13 Výpočet měřítka výpočet měřítka ve snímku: není možné použít metodu triangulace => zjednodušení konstantní měřítko pro všechny body v rovině => dochází k aproximaci jak určit polohu objektové roviny? Výška osy válce v prizmatech: => výpočet průsečíku optických os s objektovými rovinami: => počítáno individuální měřítko pro každý analyzovaný řez : 9/22

14 Detekce hran Vstupní detekce Nastavení hranic pro hlavní detekci Hlavní detekce Nalezení hranových bodů na podélných hranách Finální detekce Nalezení hranových bodů na eliptických koncích výkovků Uživatel nastavuje šířku analyzovaných řezů, prahovou hodnotu, velikost mediánových oken a polohu a šířku prizmat ve snímcích Detekované hranové body v příčných řezech Vyhlazení a interpolace 10/22

15 Detekce hran Vstupní detekce Nastavení hranic pro hlavní detekci Hlavní detekce Nalezení hranových bodů na podélných hranách Finální detekce Nalezení hranových bodů na eliptických koncích výkovků Detekované hranové body v příčných řezech Čtvercová mediánová okna pohybující se od středu snímku v horizontálním směru, limitní hodnota pro rozdíl mediánů 11/22

16 Detekce hran Vstupní detekce Nastavení hranic pro hlavní detekci Hlavní detekce Nalezení hranových bodů na podélných hranách Finální detekce Nalezení hranových bodů na eliptických koncích výkovků Detekované hranové body v příčných řezech Horizontální mediánová okna pohybující se od středu snímku ve vertikálním směru v příčných řezech, limitní hodnota pro rozdíl mediánů. 12/22

17 Detekce hran Vstupní detekce Nastavení hranic pro hlavní detekci algoritmus validace a korekce nalezených bodů Hlavní detekce Nalezení hranových bodů na podélných hranách Finální detekce Nalezení hranových bodů na eliptických koncích výkovků Detekované hranové body v příčných řezech výchozí body pro kontrolu návaznosti Validace a korekce nalezených bodů na základě hodnocení spojitosti nalezených hran. 13/22

18 Detekce hran Vstupní detekce Nastavení hranic pro hlavní detekci Hlavní detekce Nalezení hranových bodů na podélných hranách Finální detekce Nalezení hranových bodů na eliptických koncích výkovků Hledání gradientu ve vertikálních oknech návaznost na krajní body hlavní detekce. Nalezení inflexního bodu skutečný konec výkovku. Detekované hranové body v příčných řezech 14/22

19 Výpočet skutečné osy a hledaných parametrů výkovku skutečná osa výkovku zkonstruována jako křivka proložená středy kružnic referenční osa zkonstruována jako úsečka spojující krajní kružnice průhyb počítán jako vzdálenost skutečné a referenční osy 15/22

20 Hlavní uživatelské rozhraní

21 Měření a porovnání s referenčními výsledky 7 vzorků v nezahřátém stavu 3 vzorky v zahřátém stavu Celkem 70 měření každý vzorek 10 x s rozdílným natočením a umístěním v prizmatech Celkem 30 měření Referenční výsledky profesionální 3D skener Atos, Software - GOM Inspect a Tebis Referenční výsledky nebylo možné provést komparační měření Výsledky především k ověření funkčnosti a metodiky 17/22

22 Výsledky měření vzorků v nezahřátém stavu Index Velikost max. průhybu Referenční hodnoty Atos Poloha max. průhybu od konce Délka Průměr ~ # 1 ~0.3 ~ #* #* # * Výsledky - rozdíl mediánu a referenční hodnoty Velikost max. průhybu: Poloha max. průhybu Délka Průměr Sedm vzorků seřazeno dle velikosti skutečného průhybu od nejmenšího po největší # Vzorky s normálním průhybem velikost deformace odpovídá reálným výkovkům (10x menší měřítko). * Vzorky měřené v i zahřátém stavu. 18/22

23 Výsledky měření vzorků v nezahřátém stavu Index Velikost max. průhybu Referenční hodnoty Atos Poloha max. průhybu od konce Délka Průměr ~ # 1 ~0.3 ~ #* #* # * Výsledky - rozdíl mediánu a referenční hodnoty Velikost max. průhybu: Poloha max. průhybu Délka < ±10 mm Průměr , < ±0.4 mm Chyba měření rozměrových parametrů (Medián Atos): průměr: <1% (za tepla až 1,5 mm - okuje) délka: <2% (za tepla <2%) 18/22

24 Výsledky měření vzorků v nezahřátém stavu Index Velikost max. průhybu Referenční hodnoty Atos Poloha max. průhybu od konce Délka Průměr ~ # 1 ~0.3 ~ #* #* # * Výsledky - rozdíl mediánu a referenční hodnoty Velikost max. průhybu: < ±2,5 mm (< ±0,5 mm) Poloha max. průhybu < ±21 mm (< ±12 mm) Délka < ±10 mm Průměr , < ±0.4 mm Chyba měření rozměrových parametrů (Medián Atos): průměr: <1% (za tepla až 1,5 mm - okuje) Chyba měření max. průhybu osy (Medián Atos): délka: <2% (za tepla <2%) velikost: až ±2,5 mm (< ±0,5 mm) poloha: až ±21 mm (< ±12 mm) 18/22

25 max. od nom. Vzdálenost od ref. hodnoty Výsledky měření vzorků v nezahřátém stavu parametry průhybu od nominální Vzdálenost od ref. hodnoty Vzorek 1 4 Atos ~0, Výsledky: (medián-atos) Maximální MAXIMÁLNÍ průhyb PRŮHYB Vzorek 2 Vzorek 3 Vzorek 4 Vzorek 5 Vzorek 6 Vzorek Atos Atos Atos Atos Atos Atos 7,80 10,2 11,59 13,42 18,26 21, Max. průhyb: Rozptyl výsledků a chyba měření vzrůstá s rostoucí velikostí průhybu (V grafu predikovaný trend výsledků) Rostoucí chyba měření způsobená aproximací měřítka Výsledky: 248,225 (medián-atos) Poloha POLOHA MAXIMÁLNÍHO maximálního PRŮHYBU průhybu / Median 255,20 Vzorek 1 Vzorek 2 Vzorek 3 Vzorek 4 Vzorek 5 Vzorek Vzorek Atos Atos Atos Atos Atos 6 Atos Atos 334,0 326,0 251,5 369, 501,3 250,9 234,0 Poloha max. průhybu Rozptyl výsledků a chyba měření vzrůstá v případě velmi malých průhybů

26 Zhodnocení Příklad přesnosti měření skutečného výkovku navrženým systémem: Vlastnosti navrženého systému: Vysoká rychlost měření - není vyžadováno otáčení s výkovkem Přesnost měření přímosti osy odpovídá požadavkům nutné ověřit v praxi Přesnost měření rozměrových parametrů do 2% 20/22

27 Závěr Cíle práce byly splněny: Byla vytvořena první komplexní metodika měření rotačně symetrických výkovků založená na pasivní fotogrammetrii Publikace výsledků na konferenci SPIE Optical Metrolohy 2013 a 2015 (databáze Scopus) Zahájeno patentové řízení Návrhy na další vývoj: Optimalizace kalibrace Zvýšení odolnosti detekce Použití objektivů s pevným ohniskem eliminace náhodné chyb Provedení testů v reálných podmínkách 21/22

28 Publikace ZATOČILOVÁ, A. ; PALOUŠEK, D.; BRANDEJS, J.: Development of a photogrammetry system for the measurement of rotationally symmetric forgings, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection X, In: Proc. SPIE: SPIE Optical Metrology 2015, Munich, ZATOČILOVÁ, A.; POLIŠČUK, R.; PALOUŠEK, D.; BRANDEJS, J.: Photogrammetry based system for the measurement of cylindrical forgings axis straightness, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VIII, pp.87881l l-10, ISBN , (2013), In: Proc. SPIE: SPIE Optical Metrology 2013, Munich, ZATOČILOVÁ, A.; POLIŠČUK, R.; PALOUŠEK, D.; BRANDEJS, J. An approach to the shape deviation measurement of cylindrical forgings. In 53rd International Conference of Mechine Desing Departments. 1. Brno University of Technology, Antonínská 548/1, Brno , Czech Republic: Brno University of Technology, s ISBN: ZIKMUND, T.; BRADA, M.; ZATOČILOVÁ, A.; PETRILAK, M.; KAISER, J.: Kontrola rozměrů redukce objektivu a kamery pomocí rentgenové počítačové tomografie, Jemná mechanika a optika, Vol.59, (2014), No.6-7, pp , ISSN ZATOČILOVÁ, A.; KOUTNÝ, D.; PALOUŠEK, D.; BRANDEJS, J. Experimental verification of deformation behavior of towing hitch by optical measurement method. In Book of Proceedings of 54th International Conference of Machine Design Departments. 1. Liberec: Technická univerzita v Liberci, s ISBN: KOUTNÝ, D.; PALOUŠEK, D.; KOUTECKÝ, T.; ZATOČILOVÁ, A.; JANDA, M.: 3D Digitalization Of The Human Body For Use In Orthotics And Prosthetics, An international Journal of Science, Engineering and Technology World Academy of Science Engineering and Technology, Vol.2012, (2012). ZATOČILOVÁ, A.; PALOUŠEK, D.; BRANDEJS, J. Využití 3D optických technologií měření a reverzního inženýrství při výrobě formy pro ultra lehké letadlo. In Sborník referátů. 52. konference kateder, částí a mechanismů strojů s mezinárodní účastí. Ostrava: Vysoká škola báňská, s ISBN: /22

29 Děkuji za pozornost Aneta Zatočilová, Ústav konstruování Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství

30 Otázky oponenta: Akým spôsobom by ste riešila zvýšenie odolnosti vstupné detekcie a predspracovanie snímok tak, aby bola intenzita osvetlenia rovnomerná.

31 Otázky oponenta: Zkoušela jste detekovat umístění výkovku v obraze nějakou segmentační metodou? Obrázky uvedené v práci naznačují, že by mohlo postačit jednoduché prahování, případně odečtení známého pozadí pořízeného před umístěním měřeného objektu. Pak by metoda byla nezávislá na předpokladu centrálního umístění tyče v obraze a nalezení konců by fungovalo vždy.

32 Otázky oponenta: Při výpočtech mediánu hodnot v klouzavých oknech se v Matlabu používá for cyklus. Toto je velmi neefektivní a výhodnější by bylo spočítat hodnoty mediánu předem pro všechny sloupce, resp. řádky, zvlášť když umístění oken je předem známo. 1.část algoritmu hlavní detekce na horní hraně viz příloha P6 for i=lim_l:cuts:lim_p % 1* Nalezeno=false; j=y0; while and((nalezeno==false),(j>=3)) % 2* rr=1; for k= i-(med_wide/2):i+(med_wide/2) % 3* MedArray_begin_top(rr)=Img_B(j+1,k); MedArray_top(rr)=Img_B(j,k); rr=rr+1; end begin_hodnota_top=double(median(medarray_begin_top));%4* hodnota_top=double(median(medarray_top)); if abs(hodnota_top-begin_hodnota_top)>tresh % 5* qq=1; for ij=j-3:j+3 % 6* Hodnota_begin=double(Img_B(ij+1,k)); Hodnota=double(Img_B(ij,k)); Residual(qq,1)=abs(hodnota-begin_hodnota); Residual(qq,2)=ij; qq=qq+1; end Residual=sortrows(Residual,-1); % 7* hranice_top(i-lim_l+1,1)=residual(1,2); hranice_top(i-lim_l+1,2)=i-lim_l; Nalezeno=true; end j=j-1; end hranice_top(i-lim_l+1,3)=i; end

33 Otázky oponenta: Zkoušela jste pro hledání hran výkovku model geodetických aktivních křivek? Realizovaný např. hledáním minimálního řezu v grafu? Hrany na přiložených obrázcích jsou poměrně výrazné a tento model by mohl velmi spolehlivě fungovat.