ALTAMI STUDIO CONTOUR
РАЗРАБОТКА ПО ALTAMI STUDIO CONTOUR ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ЗОНЫ РЕЗА И КОНТУРА ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ
Аннотация
По заказу ООО «Санкт-Петербургский завод прецизионного станкостроения» реализован проект создания специализированного программного обеспечения Altami Studio Contour для создания нового оптического профилешлифовального станка с использованием современной оптоэлектронной системы, отображающей процесс обработки на экране монитора.
Прежняя система визуализации контура обрабатываемой детали предусматривала трудоемкий ручной процесс вычерчивания контура в заданном масштабе на бумажной кальке. Далее эту кальку закрепляли на прозрачном стеклянном экране, на который, в свою очередь, проецировалось оптическое изображение рабочей зоны станка и заготовка в том же масштабе. Причём, учитывая большой масштаб увеличения, на кальке, зачастую, приходилось вычерчивать только небольшой участок рабочего контура детали, и, обработав его, снова заменять кальку на новую с другим участком контура.
Новая система визуализирует процесс обработки контура детали в реальном времени на широкоформатном мониторе обеспечивая наложение всего контура детали в форматах DXF/DWG на видеоизображение заготовки, получаемое с цифровой камеры. ПО Altami Studio Contour предназначено для работы в программно-аппаратном комплексе оптического профилешлифовального станка 3951В-ВТ.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Цель проекта
Уточнения к поставленной задаче
Требования к функционалу ПО Altami Studio Contour
Реализация проекта
Особенности реализации проекта
Состав аппаратно-программного комплекса
Эффект от внедрения проекта
Цель проекта
Разработка ПО Altami Studio Contour для:
- Визуализации на мониторе импортированного из САПР в наиболее распространённом CAD формате контура детали, видеоизображения заготовки и режущего инструмента в реальном времени и в текущем масштабе увеличения системы;
- Отображения на экране координат стола, суппортов и угла поворота импортированного контура;
- Создания алгоритмов и элементов управления импортированным контуром детали для его наложения на видеоизображение заготовки;
- Реализации механизма синхронного движения импортированного контура и стола с заготовкой;
- Внедрения ПО в состав программно-аппаратного комплекса станка 3951В-ВТ.
Уточнения к поставленной задаче
Проектная задача состояла в применении оптоэлектронной системы на основе видеокамеры с объективом и вычислительного комплекса со специализированным ПО Altami Studio Contour для визуализации и контроля процесса обработки заготовки согласно чертежу.
В основе специализированного ПО используется программный пакет Altami Studio с дополнительными модулями, разработанными для данного проекта.
Требования к функционалу ПО Altami Studio Contour
- Импорт контура из файлового хранилища в форматах DXF/DWG
- Отображение видеоизображения рабочей зоны станка в реальном времени
- Наложение импортированного контура на видеоизображение
- Изменение визуальных параметров импортированного контура
- Поддержка датчиков линейного перемещения стола станка и суппортов
- Синхронизация перемещения на экране импортированного контура с движением заготовки по данным с датчиков линейного перемещения
- Наложение на видеоизображение инструмента (шлифовального круга) контрастного растрового изображения его рабочей части, указанной оператором
- Синхронизация перемещения на экране видеоизображения инструмента и наложенного на него растрового изображения по данным с датчиков линейного перемещения при нулевом развороте суппортов
- Разработка и реализация алгоритма автоматического расчёта углов разворота суппортов, определяемых за счёт применения средств программно-аппаратного комплекса и станка с минимальными затратами времени, без применения традиционных измерительных средств.
- Ввод в расчётный модуль ПО действительных значений углов разворота суппортов для их учёта при синхронизации движения на экране видеоизображения инструмента и наложенного на него растрового изображения
- Отображение видеоизображения в контрастном чёрно-белом режиме
- Программное управление объективом системы
- Управление параметрами цифровой видеокамеры
- Проведение линейных измерений в пределах рабочего поля зрения
- Создание дополнительных виртуальных элементов в виде отображаемых/скрываемых перекрестья системы координат, наклонных линий, проходящих через начало координат под произвольно задаваемым углом, окружности произвольно задаваемого диаметра с центром в начале координат.
Реализация проекта
При выполнении проекта команда Альтами столкнулась с необходимостью адаптации разрабатываемого ПО к оборудованию и функционалу станка, в том числе в части характеристик датчиков, суппортов, стола, режущего инструмента, объектива, осветителей. Было выполнено несколько этапов разработки ПО Altami Studio Contour, реализованных в виде следующих программных модулей к пакету Altami Studio:
1. Модуль обработки данных с платы системы индикации перемещений на шине PCI.
Разработан модуль расширения ПО, который считывает данные о величине перемещений суппортов и стола с платы системы индикации, установленной в разъём PCI материнской платы компьютера, выводит значения координат на экран и вводит их в расчётный модуль перемещения контура на экране монитора.
2. Модуль преобразования формата DWG/DXF в векторный формат Altami Studio.
Разработан модуль конвертера форматов файлов, позволяющий преобразовать чертеж в формате DWG/DXF во внутренний векторный формат программы Altami Studio. Программное обеспечение станка позволяет импортировать чертёж контура детали в форматах DWG/DXF и совмещать преобразованный во внутренний векторный формат программы контур детали с видеоизображением заготовки.
3. Модуль перемещения контура на мониторе.
Разработан программный модуль, позволяющий производить расчет положения изображения контура, импортированного из файла DWG/DXF, на мониторе по показаниям датчиков линейного перемещения.
4. Модуль управления объективом.
Разработан модуль программного управления объективом, имеющим несколько сменяемых по команде оптических увеличений. С его помощью оператор может управлять рабочим увеличением, используя виртуальные кнопки и компьютерную мышь.
5. Модуль автоматической корректировки смещения оптической оси объектива.
Выполнена разработка модуля компенсации смещения оптической оси объектива при смене рабочего увеличения.
6. Модуль автоматической калибровки увеличения системы.
Этот программный модуль с высокой точностью рассчитывает коэффициент калибровки увеличения, анализируя видеоизображение с камеры и показания датчиков перемещения (расчет коэффициента масштаба «объект — изображение»).
7. Модуль формирования наложенного на видеоизображение инструмента его растрового контура.
Разработан программный модуль, позволяющий получить на экране монитора четкий контур кромки инструмента (шлифовального круга) и производить его перемещение по данным датчиков перемещения суппортов станка. Это решает проблему размытия контура круга на мониторе вследствие осциллирования (колебательных движений) шлифовального круга вдоль оптической оси объектива. Данный модуль, также, позволяет измерять и учитывать углы разворота суппортов для синхронизации движения на экране видеоизображения инструмента и его растрового изображения.
8. Разработка модуля автоматической калибровки бинаризации.
Модуль предназначен для калибровки встроенной в ПО функции бинаризации. Калибровка позволяет отобразить на экране бинарное (только чёрный и белый цвета), высококонтрастное видеоизображение объектов, так, чтобы их линейные размеры точно соответствовали действительному увеличению системы. Запускаемый алгоритм калибровки автоматически рассчитывает положение границ эталонного объекта в зависимости от настроек видеокамеры и яркости нижней подсветки. Этот модуль позволяет свести к минимуму время калибровки бинарного изображения при настройке оптической системы станка.
Особенности реализации проекта
При реализации проекта по разработке ПО Altami Studio Contour была проделана большая аналитическая работа по изучению особенностей предметной области, факторов, влияющих на обеспечение точности обработки деталей на оптических профилешлифовальных станках.
Отдельно отмечаем сложности, возникшие при реализации проекта, и способы их решения командой Альтами:
1. Смещение оптической оси объектива.
При каждой смене увеличения объектива, оптическая ось смещается на небольшое расстояние. Был разработан программный алгоритм измерения величины систематической погрешности положения оси объектива на каждом увеличении. В результате величина этой погрешности автоматически учитывается ПО при выводе изображения на экран.
2. Калибровка изображения.
Было выяснено, что при использовании паспортных данных значений увеличения объектива размер видеоизображения образцовой детали и размер соответствующего ей импортированного контура не совпадали. Для устранения этой погрешности разработан программный алгоритм калибровки каждого увеличения объектива с использованием существующих технических средств станка (датчиков линейного перемещения).
3. Расчет углов разворота суппортов.
Согласно ТЗ предполагалось, что точный расчет углов разворота суппортов станка будет производится с помощью стандартных измерительных средств, применяемых в машиностроении (индикаторных головок со штативами, плоскопараллельных плит и т. п.). Применение этого способа показало большую трудоёмкость измерительных операций и высокие требования к квалификации оператора, от которого требуется понимание тригонометрии для корректного ввода измеренных значений в ПО.
Для устранения этой проблемы был реализован способ, позволяющий измерять и учитывать углы разворота суппортов для синхронизации движения на экране видеоизображения инструмента и его растрового изображения. При реализации способа использованы программные средства обработки изображения. Предложенный способ показал хорошую точность — угол определяется с погрешностью несколько угловых минут.
4. Алгоритм автоматической калибровки бинаризации.
Для вывода на экран монитора предельно контрастного двухцветного изображения (чёрное – белое) алгоритм бинаризации определяет расположение действительной границы объекта по полутоновому изображению. Определение этим алгоритмом положения действительной границы объекта зависит от настроек видеокамеры, яркости подсветки и других параметров, связанных с программной обработкой изображения. Подбор программных параметров обработки изображения при заданных настройках видеокамеры и фиксированной яркости подсветки – трудоёмкая задача с многими последовательными приближениями и замерами. Разработанный способ автоматической калибровки бинаризации минимизирует трудозатраты и время проведения этой операции, позволяет с высокой точностью выводить изображение на экран монитора.
Состав программно-аппаратного комплекса
- Компьютер на базе высокопроизводительных процессоров Intel или AMD.
- Опционально — сетевой адаптер Ethernet или Wi-Fi.
- Устройство отображения — монитор с диагональю 21,5” или больший.
- Программное обеспечение Windows 8, Altami Studio Contour.
- Оптико-электронный аппаратный комплекс станка, включающий видеокамеру с объективом, имеющим несколько фиксированных оптических увеличений, датчики линейного перемещения, плату системы индикации перемещений на шине PCI, нижний и верхний направленные осветители станка.
Эффект от внедрения проекта
На рисунке ниже изображён фрагмент экрана с включённой бинаризацией, совмещённым с заготовкой импортированным контуром детали (голубая линия) и наложенным на видеоизображение круга растровым изображением его рабочей части (зелёное поле с красной границей). В центре экрана – пересекающиеся, отключаемые или включаемые при необходимости, красные вертикальная и горизонтальная линии.
Разработанный и внедрённый «Альтами» совместно с ООО «СПб ЗПС» программно-аппаратный комплекс с применением ПО Altami Studio Contour, позволил полностью заменить старую оптическую систему оптического профилешлифовального станка и создать новый станок — 3951В-ВТ.
- Обработка деталей на этом станке осуществляется по контуру, импортируемому непосредственно из системы САПР. Это позволяет избежать вычерчивания вручную множества фрагментов контура в разных увеличениях или, в лучшем случае, распечатывания этих фрагментов на дорогостоящем плоттере. Т. е снижает затраты на подготовку производства, требования к квалификации и количеству персонала.
- Применение элементов дополненной реальности – виртуального импортированного контура детали и виртуального изображения рабочей части круга, совмещённых соответственно с видеоизображением заготовки и видеоизображением круга – позволяют производить обработку с высокой точностью, снизить утомляемость глаз оператора станка.
- Использование современной чувствительной видеокамеры позволило снизить мощность верхнего и нижнего осветителей в несколько раз и применить светодиодные осветители, разработанные ООО «СПб ЗПС».
Реализованные в программе Altami Studio Contour дополнительные сервисные функции, позволяют:
- Производить обработку отдельных элементов простых контуров без применения импортированных файлов.
- Отображать величину припуска на последующую чистовую операцию.
- Упрощать настройку и калибровку при настройке станка и при его ремонте.
За дополнительной информацией по разработке систем машинного зрения в промышленности, пожалуйста, обращайтесь в компанию «Альтами».