Triangulace v metrologii

V metrologii se triangulační metoda používá k měření objektů pomocí jednotlivých laserových bodů a linií nebo pomocí celých světelných obrazců jako na obrázku výše. Jedna nebo více kamer se senzory zaznamenávají úhel, pod kterým se světlo od objektu odráží, nebo deformaci světelných obrazců na povrchu, a také jas a vzdálenost. Tímto způsobem vzniká díky vyzařování světla a měření úhlu komplexní celkový obraz povrchu měřeného objektu.

Triangulace se v Evropě a Americe používala již v 17. století, ale pro vyměřování pozemků. Odtud pochází její princip. Při vyměřování pomocí triangulace se plocha rozdělí na trojúhelníky, které slouží k měření vzdálenosti. U trojúhelníků stačí znát úhly a základnu, aby bylo možné snadno vypočítat chybějící délky pomocí trigonometrie.

Princip triangulace se dnes používá i mimo zeměměřičství, např. ve fotogrammetrii nebo 3D skenování. V metrologii se triangulace využívá především ke kontrole součástí. Pro tento účel existují dvě různé triangulační metody:

• Projekce strukturovaného světla (pruhová projekce)
• Laserová triangulace (triangulace metodami světelného řezu)

Laserová triangulace pracuje s jediným laserovým bodem nebo linií, která se odráží od měřeného objektu a poté je detekována senzory. V principu strukturované světelné projekce se na měřený objekt promítá velký světelný vzor. Jedna nebo více kamer se snímači zachytí tvar tohoto světelného obrazce, který se na povrchu objektu deformuje. Obě metody se v metrologii často používají; v závislosti na měřicí úloze je vhodnější jeden nebo druhý princip měření. Seznamte se detailněji s 3D triangulací pomocí laseru a pruhové projekce a najděte tu správnou metodu pro váš projekt.

Při triangulaci s pruhovou projekcí se na kontrolovaný objekt postupně promítají různé světelné vzory ve formě proužků nebo bodů, aby bylo možné přesně zmapovat jeho tvar ve 3D modelu. Za tímto účelem se na rovný povrch namíří projektor a vedle něj alespoň jedna kamera se senzory, obvykle však dvě. Kamery znají vzdálenost mezi sebou a povrchem a také úhel, pod kterým je světelný vzor promítán na objekt. Měření s projekcí strukturovaného světla se zahájí umístěním zkušebního objektu na povrch. Světelné obrazce se promítají na objekt a deformují se na základě tvaru povrchu. Tyto změněné bodové nebo pruhové vzory jsou detekovány kamerami a poskytují informace potřebné k výpočtu vzdálenosti od každého bodu na povrchu v zorném poli. Výsledkem je tzv. mračno bodů (STL síť), tj. přesný obraz měřeného objektu složený z mnoha malých měřicích bodů.

Světlo používané pro snímání s pruhovou projekcí může být modré nebo bílé. Většinou se však používá modré světlo, aby se snížil vliv difrakce a okolního světla na měření. Povrch, na kterém je umístěn cíl, je obvykle černý, aby se zabránilo odrazům světla.

Díky vysoké rychlosti snímání, zejména při současném pořizování více měření, je projekce strukturovaného světla velmi vhodná pro průmyslové kontrolní úlohy, jako jsou:

• Kontrola tvaru, polohy a kontur
• Porovnání ploch, porovnání nominální a skutečné hodnoty
• Kompletnost
• Umístění součástí v sestavách
• Umístění řezu

Princip projekce strukturovaného světla se často používá také v kriminalistice, protože je vhodný i pro nejmenší objekty. Pruhová projekce je spíše nevhodná pro průhledné nebo silně odrazivé měřené objekty.

Výhody projekce strukturovaného světla:

• Plošné 3D informace s konstantním rozlišením
• Vysoká hustota měřicích bodů
• Vysoká rychlost měření
• Flexibilní a přenosné uspořádání měření

Nevýhody projekce strukturovaného světla

• Vyšší nároky na projekční technologii
• Průsvitné nebo reflexní povrchy mohou vyžadovat předběžnou úpravu
• Okolní světlo může ovlivnit měření
• Drsné povrchy ztěžují měření vzdálenosti pomocí laserového bodu (laserové linky nejsou ovlivněny)

Uspořádání pro měření metodou světelného řezu, která je rovněž založena na triangulaci, je podobné jako u projekce strukturovaného světla. Měřený objekt se umístí na rovnou plochu, obvykle na otočný stůl, a nad něj se umístí projektor a kamera nebo senzor. Tyto tři body tvoří triangulační trojúhelník, který lze použít k provádění výpočtů. Ve srovnání s pruhovou projekcí, kdy se na cíl promítá vzor proužků nebo bodů, se však při triangulaci laserem používá pouze jediný laserový bod nebo linie. Rozhodujícím faktorem zde také není přímá deformace světla na povrchu, ale odraz světla. Povrch měřeného objektu odráží promítanou laserovou linku nebo bod ve směru kamery. Kamera tento odraz detekuje a na základě úhlu odrazu vypočítá vzdálenost od každého bodu v zorném poli.

Jelikož laserová linka nebo bod zachytí pouze část objektu, a ne celý povrch v jednom snímku jako při projekci strukturovaným světlem, je nutné přemístit buď měřený objekt, nebo senzory. Pro triangulaci metodou světelného řezu je proto nezbytné stabilní měřicí instalace, aby byla zajištěna vysoká přesnost měření.

Výhody laserových skenerů:

• Nezávislost na okolních světelných podmínkách
• Vysoká přesnost měření
• Vysoká rychlost měření
• Hlavu senzoru lze namontovat na stávající měřicí systémy, např. na souřadnicový měřicí stroj
• Lesklé kovy lze měřit

Nevýhody laserových skenerů:

• Ztráta rozlišení možná v důsledku laserové granulace a pohybu
• Žádná spolehlivost procesu, protože měření jsou závislá na teplotě
• Velmi lesklé nebo průsvitné předměty se měří obtížně

S triangulačními senzory ATOS můžete provádět mimořádně přesná měření a získat spolehlivé výsledky. Dvě kamery a projektor umožňují měření metodami strukturovaného světla a světelného řezu.

3D digitalizátory ATOS nabízejí velmi zvláštní detail: Pravý a levý triangulační senzor lze v kombinaci s projektorem používat samostatně. To znamená, že jedním snímáním lze zachytit tři různé pohledy na měřený objekt. Může to ušetřit mnoho času, protože se výrazně sníží počet jednotlivých skenů, a to i u složitých součástí.

Další výhodou této metody trojitého skenování Triple Scan je nadměrné určení. Díky snímání součásti dvěma kamerami současně je získáno více informací, než by bylo potřeba pro mapování 3D modelu. Více dat znamená vyšší přesnost. Zjišťuje se pohyb senzoru a cíle i změny prostředí, kontroluje se přesnost transformace a živě se sleduje poloha 3D senzoru. To umožňuje provádět měření s maximální přesností a zvyšuje spolehlivost procesu. Následující graf znázorňuje proces Triple Scan s nadměrným určením prostřednictvím senzorů ATOS.

Při projekci se strukturovaným světlem pracují triangulační senzory ATOS s technologií Blue Light: úzkopásmové modré světlo z projekční jednotky umožňuje skeneru provádět přesná měření bez ohledu na okolní světelné podmínky dokonce i na lesklých površích. Díky komplexnímu fungování triangulačních senzorů vzniká přesný obraz objektu.

Při měření pomocí pruhové projekce se na měřený objekt promítá strukturovaný pruhový obrazec. Kódovaný pruhový vzor se během snímání rychle mění a je pro lidské oko sotva viditelný. Zde se uplatní funkčnost senzorů pro pruhovou projekci. Zde se uplatní funkčnost senzorů pro pruhovou projekci. Dva triangulační senzory detekují měnící se pruhy a používají je k výpočtu 3D souřadnic pro každý pixel kamery pomocí rovnic optické transformace. Miliony měřicích bodů s nejjemnějšími detaily jsou tak bezkontaktně zachyceny během několika sekund. Software senzoru automaticky vytvoří mračno bodů s vysokým rozlišením, které představuje přesný obraz měřeného objektu.

Díky výkonné kombinaci senzorů ATOS a fotogrammetrického měřicího systému TRITOP není problémem ani kontrola velkých a složitých objektů. TRITOP se používá k měření referenčních bodů na součásti, zatímco ATOS využívá referenční body k automatické transformaci jednotlivých měření. Výsledkem je velmi vysoká přesnost a překrývající se měření lze z velké části vynechat. Tato vynikající kombinace je užitečná zejména pro kontrolu prvních vzorků, výrobu nástrojů a automobilových karoserií. Využijte i vy výkonnou kombinaci systémů ATOS a TRITOP pro vaše komplexní měřicí procesy.