Systém ATOS výukový modul
Popis ATOS je mobilní bezdotykový optický 3D skener firmy GOM určený pro nejrůznější aplikace. Využití nachází v oblastech CAD, CAM a FEM kde je vyžadováno měření reálných objektů a jejich následné srovnání s teoretickým modelem. Pomocí digitalizačního systému ATOS (Advanced Topometric Sensor), mohou být objekty změřeny rychle a s vysokou přesností. Systém ATOS je založen na triangulačním principu: jednotka senzoru promítá na měřený objekt různé vzory proužků, které jsou snímány dvěma kamerami. Každý záběr je snímán s rozlišením 800 000 bodů. Pro kompletní digitalizaci objektu je třeba provést několik záběrů z různých úhlů. Na základě referenčních bodů (kruhové značky), které jsou aplikovány přímo na objekt, měřící desku nebo rámeček, ATOS transformuje tyto jednotlivé záběry plně automaticky do společného globálního souřadného systému. Nasnímaná data jsou poté uživatelem upravena v ATOS software. Výstupy je možné exportovat ve formátu mraku bodů, řezů nebo STL. ATOS sytém je samostatný systém, který se skládá ze senzoru zahrnujícího dvě kamery a projektor, kontrolní jednotky hlavy senzoru a vysokovýkonného PC s operačním systémem GOM linux. Jako příslušenství je zakoupen robustní stativ umožňující pohyb senzoru v pěti osách, který zajišťuje stabilitu senzoru při skenovaní. K dispozici jsou dva měřící objemy dle velikosti snímaného objektu. 1
Parametry Typ: ATOS I 350 Rozlišení: 1032x776, přibližně 800 000 bodů Projektor proužků Držák kamer Objektiv levé kamery Objektiv projektoru Objektiv pravé kamery Měřící vzdálenost Úhel kamer Šířka (měřícího objemu) Výška (měřícího objemu) Střed měřícího objemu Délka (měřícího objemu) Měřící objem 250x200x200 mm 500x400x400 mm Velikost ref. bodů 3mm 5mm Vzdálenost měřených bodů 0.25mm 0.5mm Úhel kamer 30 30 Měřící vzdálenost 650mm 650mm Možnosti využití: Bezkontaktní a materiálově nezávislá 3D digitalizace libovolných objektů jako jsou součásti, modely a formy. Generování STL nebo CAD dat Převod modifikací modelu do CAD Porovnání jmenovitých/aktuálních hodnot mezi měřeným objektem a CAD daty (CAD model, mrak bodů nebo STL data) Kontrola kvality, např. měření deformací, výrobních defektů, odpružení Ověření smontovatelnosti jednotlivých komponentů pomocí virtuální sestavy v softwaru. Vytvoření kontrolních dat (na základě volných ploch nebo mnohostěnů) pro výrobu nebo kopírování výrobku na NC výrobních strojích (frézka) a systémech Rapid Prototypingu. 2
Práce s měřícím systémem ATOS Způsob práce: Senzor ATOS jednoduše namíříte na volně umístěný objekt. Pro měření je na objekt ze senzoru promítnut vzor proužků který je zaznamenáván dvěma kamerami. Během několika sekund software s vysokou přesností vypočítá souřadnice 800 000 bodů pro jednotlivé měření. Pro celkové zachycení složitějších objektů je několik jednotlivých záběru spojeno dohromady. Použitím referenčních bodů systém automaticky zjistí aktuální polohu senzoru a transformuje jednotlivé záběry do společného souřadného systému měřeného objektu. Uživatel může neustále sledovat digitalizační proces na obrazovce. V průběhu každého měření je automaticky kontrolována kalibrace systému, pohyb senzoru nebo objektu, a vliv vnějšího osvětlení, aby byla zajištěna přesnost a rychlost měření i v případě horších provozních podmínek. Postup práce při digitalizaci: 1. Příprava měřeného objektu 2. Kontrola zařízení 3. Kalibrace zařízení 4. Vlastní měření 5. Úprava a export naměřených dat 1) Příprava měřeného objektu Pokud hodláme digitalizovat tvarově složitější nebo rozměrnější objekt nebo jeho část je nutné na jeho povrch umístit tzv. referenční body. Toto není nutné pouze v případě, že budeme chtít realizovat měření pouze na jeden záběr. Velikost referenčních bodů zvolíme z tabulky parametrů podle měřícího objemu. Referenční body je nutné umisťovat pouze na rovné nebo velice málo zakřivené plochy. 3
Nevýhodou optického systému je, že při promítání vzoru proužků na těleso dochází na lesklých plochách odrazu, kamera nevidí povrch a chybí zde data. Aby takováto hluchá místa při skenování nevznikala je nutné takovéto plochy přestříkat křídovým sprejem. Po takovémto ošetření ploch již odlesky nevznikají, a přitom je lze přesně naskenovat. 2) Kontrola zařízení Nejprve je vhodné zkontrolovat stabilitu stativu a upevnění samotného senzoru na stativu. Vzhledem k ceně zařízení je opatrnost na místě. Před vlastním zapnutím skeneru ATOS je dobré zkontrolovat zda jsou připojeny všechny konektory mezi senzorem a jednotkou senzoru a ovládacím PC. Pokud by některý z kabelů nebyl zapojen a mělo by dojít k jeho dodatečnému zapojení při běhu přístroje mohlo by dojít i k poškození samotného zařízení. Před zapnutím jednotky senzoru je nutné sejmout kryty čoček z objektivů senzoru a projektoru, jinak může při zapnutí zdroje světla dojít k jejich zničení. 3) Kalibrace zařízení Pokud bylo před započetím měření zařízení transportováno, nebo došlo na senzoru k výměně měřícího objemu, je nutné zařízení zkalibrovat. Před vlastní kalibrací je vhodné nechat hlavu senzoru zahřát po dobu 5ti až 10 min, aby kalibrace byla prováděna za provozních podmínek. Pro kalibraci se používají dva typy kalibračních objektů (panel a kříž) dle použitého objemu. Pro kalibraci je nutné spustit ovládací software skeneru ATOS 6.0.5. V roletovém menu pak vybereme Project Mode. V prostředí Project Mode potom horním menu vybereme příkaz sensor/calibration. 4
Ze zadávacího okna v levé části obrazovky vybereme typ kalibračního objektu a zadáme ohniskovou vzdálenost použitého měřícího objemu a okolní teplotu. Nyní jsou zadány všechny potřebné hodnoty a můžeme začít se samotnou kalibrací. Umístíme kalibrační desku před senzor podle pokynů v levé části obrazovky. Pod těmito pokyny je umístěno ovládací tlačítko projektoru, který v průběhu nastavování kalibrační desky a polohy senzoru můžeme dle potřeby vypnout. V hlavní části obrazovky dole vidíme vždy aktuální obraz levé i pravé skenovací kamery. Nad nimi jsou vždy po měření zobrazeny sejmutá data z těchto kamer. Lze na nich vidět již barevně odlišené referenční značky. Pokud máme kalibrační desku nastavenou do správné polohy a ve správné vzdálenosti od senzoru můžeme sejmout obraz tlačítkem Snap nebo stisknutím mezerníku. 5
Po sejmutí obrazu změníme polohu kalibrační desky dle požadavků v levé části obrazovky a opět sejmeme obraz tlačítkem Snap. 6
Tento postup opakujeme dokud kalibrace není ukončena a nezobrazí se souhrnné výsledky. Po správně provedené kalibraci by měla kalibrační úchylka Calibration deviation být mezi hodnotami 0,01 až 0,04 pixelů. Mimoto pro kalibrační objekt by nemělo být měřítko úchylky Scale deviation příliš velké (méně než 0,005%). Vysoké měřítko úchylky ukazuje na špatný kalibrační objekt. 4) Vlastní měření Pro vlastní měření je nutné v ATOS softwaru založit nový projekt. Z horního roletového menu vybereme File/New Project. 7
Zadáme nejprve název našeho nového projektu.dále můžeme zadat podrobnější informace o místě a datu měření, kdo měření prováděl a pro jakou společnost, označení měřené součásti atd. Tyto informace nejsou povinné, ale z hlediska budoucí dobré orientace v již existujících projektech je to vhodné. Dále je nutné zadat parametry ovlivňující samotné měření a vyhodnocování skenů. Tyto nastavení jsou odbornější a budou popsány jinde. Pro základní orientaci je důležitá pouze první záložka Ref Points kde vybereme velikost a typ referenčních bodů, které jsme na měřený objekt použili. V našem případě typ bílý bod na černém pozadí White on black a velikost 5mm. Nyní umístíme skenovaný objekt na vhodnou podložku a senzor nastavíme do vhodné polohy pro skenování. Ujistíme se, že jsme přepnutí do Project mode (v levém horním rohu). Pokud ano můžeme aktivovat mód měření Measurement mode. Project mode Measurement mode Před vlastním měřením je nutné nastavit parametry intenzity osvětlení skenovaného modelu projektorem proužků, aby nedocházelo k odleskům na objektu nebo na reflexních bodech. Zároveň se tímto nastavuje práh citlivosti skeneru. 8
Kolonkou Minimum nastavujeme minimální osvětlení modelu, hodnoty měníme tak, aby se v levém obrazu kamery nevyskytovaly červené plochy. V kolonce maximum naopak nastavujeme maximální osvětlení, a zde by se při správném nastavení neměly objevovat žádné fialové plochy. Kolonkou Reference points lighting regulujeme odlesky referenčních bodů, nastavíme hodnotu tak aby referenční body měly bílou barvu a na žádném z nich nebyla barva červená. Při regulaci minima a referenčních bodů přepneme levou kameru do černobílého módu (stiskem klávesy o po výběru levé kamery), při regulaci maxima je nutné přepnout kameru do barevného módu (klávesa c ). 9
Po nastavení těchto hodnot můžeme přistoupit k vlastnímu skenování objektu. To provedeme stiskem tlačítka Scan nebo mezerníkem. V průběhu skenování nepohybujeme skenerem ani skenovaným objektem. Po ukončení skenu si v horní polovině obrazovky můžeme prohlédnout co skener zaznamenal včetně znázornění polohy snímače vůči měřenému objektu. Nyní nastavíme měřený objekt vůči senzoru tak, aby bylo možné zaznamenat další tvarové prvky objektu. Při polohování můžeme pohybovat jak měřeným objektem tak i samotným senzorem skeneru. Ve spodní části obrazovky můžeme online sledovat budoucí záběr obou kamer skeneru. Pro to aby budoucí sken byl úspěšně sjednocen s již neskenovanými daty a ustaven do společného souřadného systému, je nutné aby byly v záběru nejméně tři aktivní referenční body. Aktivní bod poznáme podle zeleného křížku. Bod je aktivní pouze pokud je v záběru obou kamer zároveň. 10
Opakovaným polohováním objektu a skenováním se snažíme zachytit všechny potřebné tvarové prvky objektu. Při polohování je dobré občas kontrolovat vzdálenost senzoru od objektu. Ta by měla být okolo 650mm. Pokud se nám u některých referenčních bodů objevuje nápis OUT je to právě nesprávně nastavenou vzdáleností senzoru. Pokud máme naskenovány všechny potřebné záběry můžeme stiskem tlačítka Measurement mode opustit měřící mód, vypnout jednotku senzoru a věnovat se úpravám dat. 11
5) Úprava a export naměřených dat Po kompletním nasnímání měřeného objektu je nutné jednotlivé skeny optimalizačním procesem usadit přesně na sebe, odstranit duplicitní body a vytvořit jednu společnou síť popisující daný objekt. K tomuto slouží funkce Align a Polygonize. Nejprve příkazem Align ustavíme jednotlivé skeny na sebe. Pravým tlačítkem klikeme do hlavního okna a příkazem vybereme vše. Z roletového menu pak vybereme Project/Align Project. Příkazem Compute Parameter necháme softwarem navrhnout parametry ustavení a výběrem Align jej necháme provést. 12
Software provede optimalizaci ustavení jednotlivých skenů na sebe a po ukončení práce zobrazí barevnou mapu odchylek bodů pro vypočtené ustavení. Pokud jsou zobrazené hodnoty odchylky sítě Mesh deviation a referenčních bodů Ref. Point deviation pro naše měření dostačující můžeme vypočtené ustavení přijmout Use. V opačném případě se můžeme pokusit provést ustavení s jinými parametry. Nyní pomocí příkazu Project/Polygonize Project necháme odstranit duplicitní body skenů a vytvořit z nich síť trojúhelníků. Podobně jako v předchozím případě necháme navrhnout parametry optimalizace, popřípadě je nastavíme dle zkušeností. Také zvolíme zda mají být referenční body ze sítě pouze vyříznuty Cut only nebo zda chceme na jejich místech provést automatické zaplnění Cut and fill. Po nastavení všech parametrů necháme polygonizaci provést Polygonize. 13
Po provedení výpočtu si v hlavní části obrazovky můžeme prohlédnout výslednou síť. Posléze se můžeme přepnout do vyhodnocovacího módu Evaluation mode, ve kterém můžeme vytvořenou síť upravovat, odstranit nežádoucí části a provádět inspekci a porovnání s CAD daty. Evaluation mode 14