Fusion of High Density Low Precision and Low Density High Precision Data in Coordinate Metrology

Dans les techniques de mesures tridimensionnelles, les dimensions et la géométrie des éléments sont déterminées sur la base des coordonnées de points. Ces points peuvent être recueillis à partir de méthodes avec ou sans contact. Malheureusement, toutes ces méthodes possèdent aussi bien des avantages que des inconvénients. Les données issues de mesures sans contact comme la triangulation laser ou les techniques de projection de franges lumineuses se caractérisent par une précision faible, mais une forte densité de points. Les mesures avec contact, quant à elles, produisent des points de faible densité, mais avec une plus grande précision. Ainsi, il est souhaitable de développer un procédé qui permet la fusion de deux ensembles de données, tout en conservant les avantages et en minimisant les inconvénients. Cette thèse présente une méthode de fusion, insensible à les caractéristiques des données d'entrée, en particulier dans le cas de mesure sans contact où les propriétés des points recueillis dépendent à la fois de la méthode de mesure et de la stratégie choisie. Ce procédé est applicable pour les surfaces à forme libre. Dans les méthodes présentées, deux ensembles de données, issues d'une surface, sont recueillis. Un premier ensemble provient de mesure sans contact et fournit des informations complètes sur l'objet mesuré. Le deuxième ensemble résulte de mesures avec contact et représente des points caractéristiques utilisés pour corriger le premier ensemble. Deux méthodes de détermination des points caractéristiques sont proposées, appelées marqueurs matériels et virtuels. En ce qui concerne les marqueurs matériels, des éléments spéciaux, faits en billes en céramique, sont conçus, fabriqués et montés magnétiquement sur la surface où il est permis. Les centres de ces billes, déterminés à l'aide des données de mesures avec et sans contact, sont des paires de points caractéristiques correspondants, utilisés pour la fusion. Quant aux marqueurs virtuels, les points correspondants sont déterminés à partir de mesure sans contact, sur la base de points recueillis directement sur la surface mesurée, en utilisant la méthode de contact. Ces deux méthodes sont testées sur des pièces industrielles réelles. Pour les marqueurs matériels d'un plan, une aube de turbine et un couvercle de moteur ont été utilisés. En plus, pour les marqueurs virtuels un réservoir de carburant d'un avion a été utilisé.

Abstract

In coordinate measuring techniques dimensions and geometry of elements are determined on the basis of coordinates of points. These points can be collected using contact and non-contact methods. Unfortunately every method apart from its advantages has also disadvantages. Data from non-contact measurements like laser triangulation or structured-light projection techniques is characterized by a low precision but high density of points. Contact measurements derive low density of points but with higher precision. It is desirable to develop a method which allows merging two sets of data, maintaining the advantages and minimizing disadvantages. This thesis presents a method of data fusion insensitive to the characteristics of the input data, especially in case of non-contact measurements, where the properties of gathered points depend both on the measuring method and chosen strategy. The method is applicable for freeform surfaces. In the presented method two sets of data from a surface are gathered. One set comes from non-contact measurements and provides complete information about the measured object. The second set comes from contact measurements and represents characteristic points used to correct the first set. Two methods of characteristic points' determination were proposed called material and virtual markers. In material markers special features made of ceramic balls in magnetic mount were designed and manufactured. The centres of these balls were determined using data from non-contact measurements and contact measurements forming pairs of corresponding characteristic points used for fusion. For virtual markers corresponding points from non-contact measurements were determined based on points gathered directly from the measured surface using contact method. Both methods were tested on real parts from the industry. For material markers a plane, a turbine blade and an engine cover were used. For virtual markers additionally a fuel tank of a plane was used. Results from virtual markers are similar to results from computer simulation. Better results were obtained when the distance between characteristic points was lower. Uncertainty of the measurement was decreased by more than 40 %.