بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این مقاله، تحلیل تئوری و طراحی دستگاهی برای استخراج پروفیل سطوح سهبعدی بهصورت غیرتماسی و به کمک منبع نور ساختاریافته میباشد. اساس کار این روش، تاباندن نور لیزر بهصورت صفحهای به جسم و اندازهگیری انحرافات آن بهصورت نقطه به نقطه میباشد که از تبدیلهای ریاضی مناسب میتوان ابر نقاط مربوطه را بهدست آورد و سرانجام با اسکن کل سطح - قابل مشاهده از جسم توسط ناظر - ، امکان مدلسازی و استخراج پوستهای از سطح خارجی جسم بهصورت سه-بعدی فراهم میگردد.
این سامانه از طراحی و ساخت ارزان و الگوریتم سادهای سود میبرد و از مزایای این روش، میتوان به سرعت بالای اسکن لیزری سهبعدی و امکان مقایسه هندسی و ابعادی قطعه مورد نظر با نقشههای سهبعدی از جسم و بهدست آوردن خطاهای ساخت اشاره نمود.
مقدمه
در اینباره تاکنون تحقیقات فراوانی بهعمل آمده است اما طراحان و مهندسان در زمینه عملی کردن طرحهای تئوری خود با مشکلاتی مواجه بودهاند ، این طرح درواقع این مشکلات را حل نموده است و به کمک آن میتوان به مختصات نقطه به نقطه قطعههای مختلف دستیافت و طرح اولیه ای از قطعه را در نرمافزارهای طراحی مانند کتیا و ... ایجاد نمود.
در این زمینه کارهای بسیاری انجام شده که میتوان به آنها اشاره کرد :
در سال 1986 ، Livingston وRioux بر روی روش غیرتماسی اسکن لیزری جهت اسکن کردن سطوح مختلف و برطرف کردن مشکلاتی که این روش داشت ، تحقیقاتی انجام دادند.
در سال 1992 و 1993 ، Vickers و Radley عمل دیجیتایز کردن را توسط درایورهای CNC انجام دادند و به وسیله
درون یابی و مش بندی مستطیلی، سطح را مدلسازی کردند ولی روی خطوط اسکن یک روش محاوره ای جهت تعیین تعداد و محل نقاط کنترل، ارایه دادند ولی بهینه سازی نقاط کنترل سخت بود.
در سال 1994، Huang و Motavalli با استفاده از دوربین CCD دار که روی ماشین CNC نصب شده بود، سطح را اسکن و آن را مدلسازی نمودند. Smith و Zheng توانستند روش مدلسازی نوری را بهینه سازی کنند.
در سال 1998، Lin و Chang توانستند با استفاده از منطق فازی سطح را به خوبی اسکن کرده وتوسط درونیابی NURBS مدلسازی سطح را انجام دهند. اما همواره جای یک ایده در این بین خالی بود که بتوان دستگاهی را طراحی کرد و ساخت که مختصات دقیق همه نقاط قطعات حتی نقاطی که تیز و غیرقابل دسترسی هستند را یافته وبه کمک این مختصات بتوان طرح اولیه ای از آن را در نرم افزارهای طراحی ایجاد کرد که به لطف این دستگاه این کارممکن شده است.
اصول کار
روش مدلهای نوری به شکلهای گوناگونی استفاده میشود و یکی از روشهای دقیق صنعتی برای اسکنهای غیر تماسی میباشد. اصول کاری ماشینهایی که دارای بینایی سه بعدی بوده به صورت مذکور می باشد و از این روش علاوه بر اسکن کردن قطعات برای تعیین موقعیت یک جسم در فضا نیز استفاده میشود مانند استفاده در خطوط مونتاژ و فرآیندهای کنترل همچون خطوط مونتاژ بردهای کامپیوتر.
در این روش، شیوههای مختلفی وجود دارد که از طریق آن میتوان به مختصات سهبعدی تعدادی از نقاط تشکیل دهنده سطح رسید. یکی از روشهایی که به کمک آن میتوان این کار را انجام داد و درواقع اساس کار دستگاه ساخته شده است ، الگوبرداری از دوربین عکاسی و ایجاد تصویر در آن است . نمونه ابتدایی دوربین عکاسی امروزی وسیلهای بود بهنام اتاقک تاریک، که ابتداییترین شکل آن فقط یک اتاقک تاریک بود و روزنهای در یکی از دیوارههای آن قرار داشت.
نوری که از روزنه وارد میشد تصویر معکوسی از منظره روشن بیرون را بر روی یک پرده داخلی میانداخت. با نشاندن یک صفحه حساس به نور به جای پرده دید، اتاقک تاریک بهصورت آنچه امروزه دوربین خوانده میشود، درمیآید. دوربین روزنهای بدون عدسی تا حدود زیادی سادهترین وسیله برای عکاسی است. از تفاوتهای دوربین عدسی دار با اتاقک تاریک، فاصله کم صفحه تصویر نسبت به عدسی در دوربین عدسی دار، سرعت عکسبرداری خیلی بیشتر در دوربین عدسی دار به علت تمرکز نور، اعوجاج تصویر در دوربینهای عدسی دار میباشد.
در این پروژه از یک وبکم1 استفاده شده است که این وبکم ها را میتوان یک دوربین دیجیتال در نظر گرفت که دارای تصویرساز دیجیتالی 2CCD است که این تصویر سازها به پارامترهایی مانند رنگ جسم ، جنس ، مقدار انعکاس و صافی سطح حساس هستند .
رزولوشن این وبکم 640*480 پیکسل میباشد که باید روی یک پایه ، دقیق نصب شود و همچنین از یک پایه دورانی جهت چرخش لیزر استفاده شده است که در داخل آن یک موتور پله ای قرار داشته که این موتور از طریق یک برد الکتریکی از کامپیوتر فرمان گرفته و لیزر را میچرخاند . در این دستگاه لازم است نور لیزری که به صورت یک منحنی روی سطح قطعه میافتد تشخیص داده شود و از این، یک لبه تیز به عرض یک پیکسل به دست آورده میشود. الگوریتمهای متعددی برای تشخیص لبه یک منحنی در تصویر وجود دارد که در این پروژه یکی از سادهترین این الگوریتمها مورد استفاده قرار گرفته است و در انجام پردازش تصویر از نرمافزار مطلب استفاده شده است.
نرمافزار مطلب دارای این قابلیت میباشد که یک عکس دیجیتالی را به یک ماتریس سهبعدی تبدیل کند. در اینجا برای یافتن منحنی لیزر از روش تفریق استفاده شده است بهطوری که از صحنه تصویر یک عکس قبل از افتادن لیزر و یک عکس بعد از از اینکه اشعه لیزر روی سطح قطعه میافتد تهیه میشود، سپس ماتریس تصویر عکس بدون لیزر از ماتریس تصویر عکس با لیزر کم شده و آنچه که در ماتریس حاصل باقی میماند منحنی لیزر به همراه یکسری نویز می باشد که باید از روی منحنی تیز لیزر بهدست آمده، نویزها حذف یا اصلاح شوند.
نحوه کار این دستگاه بدینصورت می باشد که ابتدا قطعه و وبکم و چرخاننده لیزر در یک موقعیت مکانی و زاویه ای مناسب نسبت به یکدیگر به نحوی قرار داده میشوند که کل سطح مورد نظر جهت اسکن در داخل تصویر قرار گیرد تا در پایان کل سطح جلوی قطعه اسکن شود. سپس با قرار دادن مقادیر لازم در الگوریتم ابتدا نور لیزر دستگاه را خاموش کرده، سپس با اجرای الگوریتم یک عکس از قطعه گرفته میشود و سپس برنامخ از اپراتور میخواهد که لیزر را روشن کرده و با فشردن یک کلید برنامه از قطعه درحالی که خط لیزر روی آن افتاده است یک عکس میگیرد و پس از پردازش تصویر عکس گرفته شده، یک خط لیزر به عرض یک پیکسل تشخیص داده میشود.
درادامه با تبدیل مختصات سهبعدی هر پیکسل مربوط به خط لیزر به مختصات جهانی با استفاده از روابط ریاضی و هندسی، این مختصات دریک ماتریس ذخیره می گردد. سپس برنامه به موتور پلهای دستور میدهد به میزان کوچکی دوران کند و دوباره مراحل قبلی را انجام دهد و همینطور این کار ادامه مییابد تا تعداد مراحلی که جهت اسکن قطعه تعیین گردیده است، خاتمه یابد. درپایان، برنامه ابرنقاط به دست آمده را در محیط نرم افزار مطلب ارائه میدهد و همچنین ماتریس ابرنقاط از جسم را در یک فایل متنی ذخیره میکند تا درصورت تحلیل و نمایش بهتر ابر نقاط و همچنین گذراندن سطح از آن ، بتوان آن را در نرم افزارهایی مثل نرمافزار کتیا بازکرد.
بحث و نتیجهگیری
برای افزایش دقت محاسبه مختصات سهبعدی نقاط بهدست آمده از سطح جسم نکات زیر قابل بیان میباشد:
- استفاده از لیزر با نور خطی نازکتر
- استفاده از سرو موتور و افزایش تعداد مراحل اسکن
