Разработка автоматизированного рабочего места оператора 3D-сканера
|
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 4
Глава 1. Общие сведения............................................................................................ 7
1.1 3D-сканеры: основные возможности и области применения........................ 7
1.2 Технологии 3D-сканирования........................................................................... 8
1.2.1 Контактные 3D-сканеры............................................................................. 8
1.2.2 Активные бесконтактные сканеры.......................................................... 10
1.2.3 Пассивные бесконтактные сканеры ........................................................ 14
1.3Преимущества и недостатки различных типов сканеров ............................. 15
Глава 2. Описание аппаратной части АРМ ............................................................ 17
2.1 Микроконтроллер: описание и технические характеристики..................... 17
2.2 Шаговый двигатель: принцип работы и технические характеристики...... 19
2.2.1 Принципы управления шаговым двигателем......................................... 22
2.3Элементы отображения и считывания визуальных параметров
сканируемого объекта............................................................................................ 24
2.4 Элементы конструкции и крепления разрабатываемого устройства ......... 27
Глава 3. Описание программной части АРМ ......................................................... 32
3.1 Начало работы с устройством......................................................................... 32
3.2 Калибровка устройства.................................................................................... 36
3.2.1 Настройка расстояний и углов................................................................. 37
3.2.2 Настройка и проверка отображения лазерного луча ............................. 38
3.2.3 Коррекция матрицы .................................................................................. 39
3.3 Интерфейс программного обеспечения........................................................ 41
3.4 Сканирование различных объектов и анализ результатов ......................... 43
3.5 Возможные варианты модернизации устройства........................................ 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................... 47
Глава 1. Общие сведения............................................................................................ 7
1.1 3D-сканеры: основные возможности и области применения........................ 7
1.2 Технологии 3D-сканирования........................................................................... 8
1.2.1 Контактные 3D-сканеры............................................................................. 8
1.2.2 Активные бесконтактные сканеры.......................................................... 10
1.2.3 Пассивные бесконтактные сканеры ........................................................ 14
1.3Преимущества и недостатки различных типов сканеров ............................. 15
Глава 2. Описание аппаратной части АРМ ............................................................ 17
2.1 Микроконтроллер: описание и технические характеристики..................... 17
2.2 Шаговый двигатель: принцип работы и технические характеристики...... 19
2.2.1 Принципы управления шаговым двигателем......................................... 22
2.3Элементы отображения и считывания визуальных параметров
сканируемого объекта............................................................................................ 24
2.4 Элементы конструкции и крепления разрабатываемого устройства ......... 27
Глава 3. Описание программной части АРМ ......................................................... 32
3.1 Начало работы с устройством......................................................................... 32
3.2 Калибровка устройства.................................................................................... 36
3.2.1 Настройка расстояний и углов................................................................. 37
3.2.2 Настройка и проверка отображения лазерного луча ............................. 38
3.2.3 Коррекция матрицы .................................................................................. 39
3.3 Интерфейс программного обеспечения........................................................ 41
3.4 Сканирование различных объектов и анализ результатов ......................... 43
3.5 Возможные варианты модернизации устройства........................................ 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................... 47
В современном информационном обществе значительная часть
процессов, связанных с созданием и получением трехмерных (3D (от англ. 3
Dimensions — «3 измерения»)) моделей различных объектов и структур,
напрямую относится к такой области трехмерной графики, как 3Dмоделирование.
Основная задача, которая решается в процессе 3D-моделирования —
разработка и создание визуального объемного образа объекта. С помощью
трѐхмерной графики можно как создать точную копию конкретного предмета,
так и разработать новое, даже нереальное представление ранее не
существовавшего объекта. В наше время трѐхмерная графика активно
применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа
печатной продукции в науке и промышленности, например, в системах
автоматизированного проектирования (САПР; для создания моделей различных
объектов: зданий, деталей машин, механизмов), архитектурной визуализации, в
современных системах визуализации в медицине.
Среди относительно новых способов получения цифровой трехмерной
модели реального объекта можно выделить такой способ, как 3D-сканирование.
Этот процесс значительно упрощает и облегает решение многих задач из
различных областей человеческой деятельности, таких, как промышленность,
наука, искусство, медицина и пр. Несмотря на то, что первые устройства из
этой области появились более, чем 20 лет назад, термин "3D-сканирование"
(наряду с термином "3D-печать")до сих пор у многих людей ассоциируется с
футуристическим и не совсем понятным процессом. Слабая
распространенность информации о возможностях этой технологии в нашей
стране вкупе с большим разнообразием подходов к реализации как аппаратной,
так и программной частей устройств, выполняющих 3D-сканирование,
позволяет сделать вывод о достаточно высокой актуальности исследований и
разработок различной направленности в рамках данного раздела.
Цель данного дипломного проекта: позволить оператору осуществлять
конвертацию определенных реальных объектов и форм для получения
трехмерной модели в электронном виде средствами разработанной АРМ.
Для достижения основной цели дипломного проекта были определены и
сформированы следующие задачи:
обобщить теоретические сведения об основных методах,
используемых в трехмерном сканировании;
выявить основной функционал будущего АРМ;
разработать аппаратную часть АРМ;
разработать программную часть АРМ.
Полученные методом сканирования 3D-модели в дальнейшем могут быть
обработаны различными пакетами 3D-моделирования либо средствами САПР и
могут использоваться для разработки технологического процесса (технологии)
изготовления какого-либо изделия, инженерных расчѐтов и других нужд.
В проектируемом АРМ должны быть реализованы следующие функции:
возможность предварительной настройки и калибровки устройства
программными и аппаратными средствами;
функционал для непосредственно самого процесса получения 3Dмодели сканируемого объекта (сканирование, построение 3D-модели,
обработка и экспорт модели в файл);
Аппаратная часть АРМ будет представлять собой готовое устройство
(3D-сканер), состоящее из:
лазерных модулей, осуществляющих проецирование линий на
сканируемый объект;
устройства захвата изображения объекта (Web-камера);
площадки для размещения сканируемого объекта с функцией
поворотного стола;
шагового двигателя и драйвера для обеспечения вращения
поворотного стола на требуемый угол;
платы-контроллера шагового двигателя;
направляющих и креплений для всех вышеперечисленных
компонентов конструкции устройства.
Программное обеспечение для управления устройством будет
представлять собой x86-совместимое приложение, работающее в среде
семейства ОС MicrosoftWindows, написанное на языке программирования C#.
Основная цель, поставленная в ходе разработки АРМ — реализация
наиболее наглядного, простого для понимания и эффективного способа
трехмерного сканирования, с наименьшими затратами на построение
аппаратной части устройства без существенного ущерба для качества итогового
результата (трехмерной модели). Ввиду достаточно большого разнообразия
методов и подходов к реализации данной технологии, после анализа
особенностей, преимуществ и недостатков основных из них, было принято
решение при создании и проектировании АРМ использовать технологию
лазерного 3D-сканирования.
процессов, связанных с созданием и получением трехмерных (3D (от англ. 3
Dimensions — «3 измерения»)) моделей различных объектов и структур,
напрямую относится к такой области трехмерной графики, как 3Dмоделирование.
Основная задача, которая решается в процессе 3D-моделирования —
разработка и создание визуального объемного образа объекта. С помощью
трѐхмерной графики можно как создать точную копию конкретного предмета,
так и разработать новое, даже нереальное представление ранее не
существовавшего объекта. В наше время трѐхмерная графика активно
применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа
печатной продукции в науке и промышленности, например, в системах
автоматизированного проектирования (САПР; для создания моделей различных
объектов: зданий, деталей машин, механизмов), архитектурной визуализации, в
современных системах визуализации в медицине.
Среди относительно новых способов получения цифровой трехмерной
модели реального объекта можно выделить такой способ, как 3D-сканирование.
Этот процесс значительно упрощает и облегает решение многих задач из
различных областей человеческой деятельности, таких, как промышленность,
наука, искусство, медицина и пр. Несмотря на то, что первые устройства из
этой области появились более, чем 20 лет назад, термин "3D-сканирование"
(наряду с термином "3D-печать")до сих пор у многих людей ассоциируется с
футуристическим и не совсем понятным процессом. Слабая
распространенность информации о возможностях этой технологии в нашей
стране вкупе с большим разнообразием подходов к реализации как аппаратной,
так и программной частей устройств, выполняющих 3D-сканирование,
позволяет сделать вывод о достаточно высокой актуальности исследований и
разработок различной направленности в рамках данного раздела.
Цель данного дипломного проекта: позволить оператору осуществлять
конвертацию определенных реальных объектов и форм для получения
трехмерной модели в электронном виде средствами разработанной АРМ.
Для достижения основной цели дипломного проекта были определены и
сформированы следующие задачи:
обобщить теоретические сведения об основных методах,
используемых в трехмерном сканировании;
выявить основной функционал будущего АРМ;
разработать аппаратную часть АРМ;
разработать программную часть АРМ.
Полученные методом сканирования 3D-модели в дальнейшем могут быть
обработаны различными пакетами 3D-моделирования либо средствами САПР и
могут использоваться для разработки технологического процесса (технологии)
изготовления какого-либо изделия, инженерных расчѐтов и других нужд.
В проектируемом АРМ должны быть реализованы следующие функции:
возможность предварительной настройки и калибровки устройства
программными и аппаратными средствами;
функционал для непосредственно самого процесса получения 3Dмодели сканируемого объекта (сканирование, построение 3D-модели,
обработка и экспорт модели в файл);
Аппаратная часть АРМ будет представлять собой готовое устройство
(3D-сканер), состоящее из:
лазерных модулей, осуществляющих проецирование линий на
сканируемый объект;
устройства захвата изображения объекта (Web-камера);
площадки для размещения сканируемого объекта с функцией
поворотного стола;
шагового двигателя и драйвера для обеспечения вращения
поворотного стола на требуемый угол;
платы-контроллера шагового двигателя;
направляющих и креплений для всех вышеперечисленных
компонентов конструкции устройства.
Программное обеспечение для управления устройством будет
представлять собой x86-совместимое приложение, работающее в среде
семейства ОС MicrosoftWindows, написанное на языке программирования C#.
Основная цель, поставленная в ходе разработки АРМ — реализация
наиболее наглядного, простого для понимания и эффективного способа
трехмерного сканирования, с наименьшими затратами на построение
аппаратной части устройства без существенного ущерба для качества итогового
результата (трехмерной модели). Ввиду достаточно большого разнообразия
методов и подходов к реализации данной технологии, после анализа
особенностей, преимуществ и недостатков основных из них, было принято
решение при создании и проектировании АРМ использовать технологию
лазерного 3D-сканирования.
По итогам данной выпускной квалификационной работы были
спроектированы и разработаны программная и аппаратная частиустройства
класса «лазерный 3D-сканер», позволяющего автоматизировать процесс
получения трехмерных моделей физических объектов. Устройство может быть
использовано не только в качестве хорошей базы для приобретения навыков
проектирования электронных устройств с элементами числового программного
управления, но и как основа для дальнейших модернизаций устройства для
реализации конкурентоспособного продукта на рынке устройств подобного
класса и предназначения.
Пользовательский интерфейс программной части устройства понятен и
прост в обращении, а также наглядно демонстрирует все основные этапы
работы с устройством.
В ходе работы с устройством протестированы и выявлены все основные
тонкости работы устройства подобного класса, проведен анализ возможных
вариантов его модернизации. Анализдальнейших путей
развитияавтоматизированного рабочего места оператора3D-сканера позволил
определить два основных пути дальнейшего развития аппаратной и
программной части устройства в зависимости от поставленных требований
относительно качества получаемых трехмерных моделей сканируемых
объектов.
спроектированы и разработаны программная и аппаратная частиустройства
класса «лазерный 3D-сканер», позволяющего автоматизировать процесс
получения трехмерных моделей физических объектов. Устройство может быть
использовано не только в качестве хорошей базы для приобретения навыков
проектирования электронных устройств с элементами числового программного
управления, но и как основа для дальнейших модернизаций устройства для
реализации конкурентоспособного продукта на рынке устройств подобного
класса и предназначения.
Пользовательский интерфейс программной части устройства понятен и
прост в обращении, а также наглядно демонстрирует все основные этапы
работы с устройством.
В ходе работы с устройством протестированы и выявлены все основные
тонкости работы устройства подобного класса, проведен анализ возможных
вариантов его модернизации. Анализдальнейших путей
развитияавтоматизированного рабочего места оператора3D-сканера позволил
определить два основных пути дальнейшего развития аппаратной и
программной части устройства в зависимости от поставленных требований
относительно качества получаемых трехмерных моделей сканируемых
объектов.