Общая характеристика

Классическими измерительными системами являются механические контактные измерительные машины, позволяющие определять координаты точек с точностью до нескольких единиц и десятков микрон. Однако применение этих машин ограничено по следующим причинам:
• условиями, близкими к лабораторным (как правило, эти машины являются стационарными и требуют стабильности окружающих условий: отдельное помещение со своим внутренним микроклиматом, тяжелая гранитная плита, подвешенная на пневматической подушке, служащая основой измерений и т.д.)
• габаритами замеряемого объекта (какова должна быть машина при измерении 10-20 метрового объекта?)
• стоимостью (цена измерительных машин может превышать $1000000)
• необходимостью прямого контакта (к примеру, замеряется очень «мягкий» объект — пластилиновый макет автомобиля, корпус самолета и т.д.)
• необходимостью перемещать объект к измерительной машине, а не наоборот.

При требуемых точностях в несколько сотых долей миллиметра в последние десятилетия все большее применение находят измерительные системы, основанные на других принципах. Наибольшее распространение при этом получили теодолитные измерительные системы (например, Axyz MTM-STM), интерферометрические (например, Axyz LTD), фотограмметрические (например, V-STARS). Существуют и другие, более экзотические методы бесконтактного определения координат (например: основанный на лазерно-акустической эмиссии).

Leica Geosystems AG является признанным лидером в производстве подобных систем в мире. Составляющими успеха фирмы являются три фактора: общий подход и «ноу-хау» от Leitz, программное обеспечение и комплектующие от Kern и приборная база от Wild. Все три фирмы раньше были независимыми, но в 1990 году было принято решение об объединении под общей торговой маркой Leica.

Специально для системы Axyz Leica Geosystems начала выпускать теодолиты (для системы Axyz MTM), тахеометры (для системы Axyz STM), лазерные интерферометры (для системы Axyz LTM). Все системы имеют единую программную оболочку, поэтому при необходимости перейти от одной системы к другой (например, более мощной), то не возникает надобность в изучении нового программного обеспечения. Таким образом, под системой Axyz понимается скорее не набор отдельных инструментов, а общий подход, заложенные «ноу хау», тщательно проверенное, продуманное и организованное программное обеспечение и поддержка (в том числе и аппаратная) разнообразных приборов, методика выполнения работ.

Общая часть системы включает в себя cледующие функции управления системой и работы с данными :
• импорт/экспорт данных различных форматов (например, проектных данных или данных от предыдущих измерений);
• создание отчета о работе;
• доступ в базу данных выполненных работ;
• редактор базы данных;
• задание параметров различных инструментов;
• определение измеряемых объектов (их может быть несколько в одной работе);
• задание допустимых погрешностей (этот пункт исключительно важен для гарантированного получения правильного измерения);
• защита от перезаписи и удаления данных;
• подключение различных приборов;
• доступ к внешнему монитору окружающей среды;
• выбор различных координатных систем — декартовых, сферических, цилиндрических с различной ориентацией в пространстве;
• выбор начала координатных систем (привязанных к различным объектам);
• изменение координатной системы путем поворота, переноса и изменения масштаба;
• привязка к другим осям, задаваемым точками;
• привязка к координатной системе объекта по набору отдельных координат отдельных точек;
• привязка к координатной системе объекта по геометрии объекта (плоскость, цилиндр, конус, параболоид и т.д.).

Оценка параметров объекта :
• наилучшее расположение прямой, плоскости, окружности, сферы, цилиндра, параболоида или конуса по набору точек с минимальным средне-квадратическим отклонением от идеального;
• сравнение наборов точек и проверка отклонений их координат от номинала;
• взаимное расположение различных элементов;
• пересечение двух элементов;
• контроль за перпендикулярностью и параллельностью элементов;
• симметричное разбиение;
• определение скрытой точки;
• определение расстояний, угла и дуги;
• управление измерением углов и расстояний (в том числе и управление с ПК);
• показ измеренных координат в различных системах координат с указанием погрешности измерения;
• режим выноса (разметки объекта) и проверки (сравнение с заложенными данными) особенно эффективен при использовании моторизованных приборов, которые автоматически наводятся на выбранную точку чертежа;
• режим непрерывного обновления (без записи) координат точек — удобная функция слежения;
• замер скрытых точек с помощью специально разработанных жезлов;
• возможно подключение дополнительного модуля Axyz VIEW/CAD для анализа объекта в режиме реального времени.

Области применения промышленных систем

Трудно назвать отрасль промышленности, требующую проведения подобных замеров и обходящуюся без измерительных систем Leica Geosystems AG. Назовем основные из них — авиастроение (только на заводах BOEING их более 500 таких систем), космическая отрасль, автомобиле- и вагоностроение, энергетика (в особенности ядерная), судостроение, бумажная промышленность, энергетическое и точное машиностроение (проверка станков, монтаж оборудования, входной и выходной контроль), научные исследования (антенны в астрономии, ускорители и термоядерные реакторы в ядерной физике), металлургия (контроль заготовок и настройка оборудования).

Распространению подобной техники в России мешает определенная инерционность (в СССР измерительные системы не поставлялись из-за ограничений на поставку высоких технологий по КОНКОМ), сравнительно высокая стоимость (начальный уровень от $100000), низкая культура производства. Однако, все чаще российские предприятия (в особенности, стремящиеся к плодотворному сотрудничеству с ведущими западными фирмами) изыскивают средства на закупку приборов или заказывают работы с использованием подобной техники.

Заказчиками работ являются различные предприятия и организации:
• OKБ им Ильюшина + ВАПО (Воронежское авиационное производственное объединение) + Pratt&Witney (США) — работы над проектом ИЛ-96, контроль станков;
• АО «Северсталь» (Череповец) — выставка роликового полотна машины для литья заготовок во время ремонтов, проверка станков и щаблонов;
• ТЭЦ и АЭС России, Украины, Финляндии — различные работы;
• РАН — проверка элементов радиотелескопа РАТАН600;
• Ленинградский Металлический Завод — проверка шаблонов, колес, гидротурбин, лопастей, контроль элементов турбоагрегата;
• ГП «Севмашпредприятие» (Северодвинск) — кораблестроительные измерения.

Теодолитная измерительная система Axyz MTM (STM)

Наиболее универсальной (недорогой и наиболее распространенной) является система Axyz MTM (STM), позволяющая конфигурировать измерительную систему на базе лучших теодолитов и тахеометров серий TPS1000 (1700,1800), TPS5000 или TC(A)2003.

Общий состав и характеристики этой системы:
• теодолиты (тахеометры), измерительный жезл (длина ~1м), интерфейсный блок (вес ~2кг);
• ноутбук, штативы;
• лазерная насадка DL2 на теодолит для визуализации измеряемой точки, соединительные провода;
• количество одновременно подсоединяемых приборов к одному компьютеру — до 8-и;
• количество одновременно обсчитываемых приборов — до 99-и (при условии подключения нескольких компьютеров через локальную сеть);
• максимальная точность — 0.02мм;
• скорость снятия координат 1-3 точки в минуту;
• обслуживающий персонал — по 1-му человеку на теодолит (тахеометр).

Стандартная схема измерений:
• приборы ориентируются относительно друг друга;
• определяются координаты базовых точек объекта;
• осуществляется переход в систему координат объекта (по отдельным точкам или геометрии объекта);
• определяется положение объекта или взаиморасположение его частей;
• выполняется коррекция элементов объекта или смещение его точек в необходимые проектные положения (при этом очень удобно пользоваться моторизованными теодолитами, которые автоматически разворачиваются в нужную точку пространства, отмечаемую лазерным лучом);
• переизмерение точек;
• создание отчета.

Неточное измерение исключено из-за постоянной проверки сходимости линий визирования приборов в режиме реального времени.

Работа лазерного трекера (Axyz LTD),или следящей системы, основана на использовании в качестве измерителя лазерной интерферометрии. Следящая головка помимо измерителя расстояния снабжена видеокамерой. Подобная система имеет уникальные возможности отслеживания любых перемещений одной точки в пространстве. Скорость получения данных — до 1000 измерений в секунду. Можно установить способ записи точек — например, по расстоянию (через 0.1мм), или по времени (через 0.01сек.). Исключительно удобным становится и исследование динамических процессов – например, движение руки манипулятора (отслеживаются движения со скоростями до 100 километров в час). Пользователю достаточно при помощи встроенной видеокамеры (по изображению на экране компьютера) направить головку на визирную цель (щелкнув по цели мышкой) и процесс измерения начнется. В процессе измерения ведется постоянное слежение за состоянием атмосферы встроенными датчиками. Все изменения температуры и влажности, влияющие на точность измерений, тут же вносятся в виде поправок в измерения.

Видеограмметрическая система V-STARS

V-STARS использует CCD камеры с различными объективами. Эти камеры имеют матрицы с большим количеством элементов (пикселов). Каждый элемент преобразует свет в электрический сигнал, который затем передается в компьютер со своим значением: от 0 (черный) до 255 (белый). С матрицей цифровой камеры, применяемой в системе V-STARS, получается изображение, состоящие до 6 миллионов пикселов (2000х3000). Человеческий глаз практически не различает разницу между обыкновенной фотографией и цифровым изображением.

Методика измерений основана на фотограмметрической обработке двух и более снимков одного объекта, сделанных под разным углом к объекту. После оцифровки изображение обрабатывается мощным программным обеспечением с фотограмметрическим уравниванием фототриангуляции по способу связок и статистическим анализом измерений каждой измеряемой точки с трехмерными координатами. Используя дополнительное программное обеспечение можно очень быстро оценить отклонения номинальных значений формы от геометрического образа объекта съемки.

Особенности системы:
• высокая точность: до 1:100 000 расстояния до объекта (напр. 0,1мм на расстоянии 10м);
• быстрое получение результатов: минуты с помощью постобработки и секунды с помощью обработки в реальном режиме времени;
• портативность: все системы портативны, так как они управляются с помощью портативного компьютера;
• защита от вибрации: V-STARS имеет устойчивую защиту при работе в условиях вибрации;
• мощное программное обеспечение: программы разработаны для применения в среде и по стандарту Windows95/NT и очень удобны для пользователя;
• анализ объекта: программный интерфейс с различными пакетами для CAD-анализа — Axyz CAD от Leica, CADmess от CATS, MicroStation от Bentley;
• малая стоимость обучения: также как и другие подобные системы от Leica, V-STARS использует хорошо известную программу Axyz для анализа данных.

Концепция постобработки: марки устанавливаются на или в непосредственной близости от объекта съемки. Затем делаются фотографии объекта с двух или более различных точек съемки. Камера может быть непосредственно подключена к компьютеру через разъем Ethernet или изображения записываются на заменяемые карточки PCMCIA с жесткими накопителями для передачи в дальнейшем на компьютер. В любом случае обработка начинается только после того как сделаны все фотографии объекта. Концепция реального режима времени: объект одновременно фотографируется двумя или более камерами с различных углов зрения. Цифровые снимки обрабатываются сразу же после их ввода в компьютер. Полный процесс обработки при непосредственном подключении видеокамер к компьютеру составляет секунды. Есть возможность применения переносной марки для определения поверхности или отдельных точек объекта. Это очень удобно при условиях невозможности маркирования самого объекта. Также режим реального времени очень хорошо применим при необходимости наблюдения за движущимся или деформируемым объектом.

В заключение приведем краткую сводку свойств промышленных измерительных систем фирмы Leica Geosystems.