Лазерное 3D-сканирование и портативные КИМ для контроля геометрических параметров и обратного проектирования

25.09.16 |
Автор: Павел Косушкин
Издание: Вектор Высоких Технологий №2 (23) 2016

Лазерное 3D-сканирование позволяет контролировать геометрические параметры крупногабаритных изделий сложной формы, линейные и угловые размеры, проводить полный анализ отклонений формы от эталонной модели, а также быстро и легко восстанавливать конструкторскую документацию на изделие в случае ее отсутствия или утраты.

3D-сканеры — это устройства для трёхмерных измерений, которые используются для получения данных о реальных объектах для их последующей обработки и анализа с использованием цифровых технологий. 3D-сканерам не требуется контактировать со сканируемым объектом, они могут применяться для полного или частичного 3D-измерения любого материального объекта. Большинство данных устройств генерирует точки чрезвычайно высокой плотности по сравнению с традиционными контактными устройствами измерения, что дает значительно больше информации об измеряемом объекте. В статье мы рассмотрим оборудование для трехмерных измерений компании Creaform, а также области его применения и преимущества перед другими системами.

Одними из самых известных моделей метрологического оборудования компании Creaform являются MetraSCAN и HandyPROBE. MetraSCAN — это лазерный 3D-сканер, предназначенный для высокоскоростного сканирования и проведения прецизионных измерений крупногабаритных объектов сложной формы. HandyPROBE — портативная координатно-измерительная машина, заменяющая традиционные измерительные руки, она позволяет измерять объекты простой формы (плоскости, конусы, цилиндры и т.д.) и сохранять результаты измерений в виде САПР-данных.

Принцип действия лазерного 3D-сканера

Принцип действия лазерного сканера построен на триангуляционном методе измерения расстояния до объекта. Суть этого метода в следующем: исходящий из источника луч лазера, отличающийся от обычного света высокой параллельностью пучка, падает на поверхность. Далее часть падающего пучка отражается от этой поверхности и попадает в приемник.

На приемнике линза фокусирует отраженный луч на ПЗС-матрице, где положение яркого пятна на матрице показывает направление входящего луча, т. е. угол между лазерным лучом и возвращенным светом.

Угол отражения лазера изменяется в зависимости от расстояния до объекта и, таким образом, изменяется положение точки лазера на приемнике. Учитывая, что источник лазерного луча и приемник фиксированы и расположены на определенном расстоянии, мы можем измерить угол отражения простым геометрическим построением.

В итоге мы знаем три параметра: расстояние от приемника до источника (AB), угол между лучом, испущенным лазером, и линией приемник-лазер (∠CAB) и угол между отраженным лучом и линией приемник-лазер (∠CBA). По этим трем параметрам можно восстановить все стороны и углы треугольника и, в том числе, расстояние до объекта.

Принцип действия системы слежения (трекер C-Track)

Для определения положения сканера MetraSCAN и беспроводного зонда HandyPROBE в пространстве применяется система слежения C-Track. На самом сканере и измерительном зонде расположены специальные светоотражающие метки, положение которых и считывается системой. C-Track представляет собой две камеры слежения, расположенные на определенном расстоянии. Камеры в каждый момент времени должны считывать не менее трех меток для оптимального отслеживания сканера (измерительного зонда). Расстояние между метками на оборудовании заранее определено.

Подтверждение точности измерений 3D-сканера и портативной КИМ

Одной из основных технических характеристик оборудования является «объемная точность». Так как мы имеем дело с данными сканирования (облаком точек), и все измерения проводятся в специальном программном обеспечении, часто возникает вопрос: что же такое объемная точность и что мы имеем в результате исследования. Исходя из классического определения точности — характеристика качества измерений, отражающая степень близости результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.

Каждая полученная точка со сканера MetraSCAN или HandyPROBE лежит в пределах сферы, центром которой является «истинная» точка и диаметр которой равен точности измерительного прибора (в нашем случае 0,085 мм).

В подтверждение точности измерений оборудования компании Creaform было произведено измерение эта лонной меры, калиброванной при помощи КИМ и представляющей собой две сферы и два конуса, расположенные на определенном расстоянии. Из Таблицы 1 видно, что погрешность результатов измерений не превышает заявленную точность оборудования 0,085 мм.

Таблица 1 Результаты измерений эталонной меры, калиброванной при помощи КИМ

Параметр Расстояние между сферами (MetraSCAN), мм Расстояние между конусами (HandyPROBE), мм Диаметр сферы 1, мм Диаметр сферы 2, мм
Эталонное значение 647,719 520,666 38,112 38,110
Измеренное значение 647,730 520,658 38,119 38,121
Отклонение 0,011 0,008 0,007 0,011

Применение

В использовании 3D-сканеров можно выделить два направления:

  • воссоздание САПР-данных для обратного проектирования и быстрого прототипирования;
  • измерение объекта для контроля его геометрических параметров (для таких вариантов применения, как, например, выборочный контроль и анализ для автоматизированной подготовки производства).

Контроль геометрии

Независимо от отрасли и сферы деятельности каждая компания нуждается в оценке качества изготовленной продукции, чтобы оставаться конкурентоспособной и поддерживать свою репутацию на рынке.

Оборудование компании Creaform позволяет предприятиям улучшать свои производственные процессы и решать различные технические задачи: измерение линейных и угловых размеров, анализ отклонений формы. Эти измерения можно применить для производственных задач:

  • контроля оснастки;
  • контроля первого изделия;
  • контроля в сборочных операциях;
  • контроля качества продукции поставщиков;
  • анализа деформации и износа;
  • анализа сопрягаемости деталей;
  • виртуальной сборки;
  • контроля прототипа.

Обратное проектирование

Обратное проектирование (реверс-инжиниринг) — это создание виртуальной 3D-модели существующего физического объекта. Например, когда нужно изменить дизайн изделия, но соответствующая документация на него отсутствует; или в случае изношенных и поврежденных деталей, по которым нет доступа к документации.

Реверс-инжиниринг решает следующие виды задач:

  • разработка запасных частей;
  • создание исполнительной документации на детали/оснастку;
  • проектирование матриц, пресс-форм, стапелей, зажимных приспособлений и шаблонов;
  • конкурентный анализ продукта;
  • измерение среды эксплуатации или сопрягаемых деталей;
  • измерение существующих деталей для вторичного рынка или изготавливаемого на заказ оборудования;
  • внесение конструктивных изменений прототипа в файл САПР;
  • изучение формы, прототипа для подтверждения правильности концепции;
  • изучение прототипов для проверки эргономичности.

Цифровое копирование

Цифровое копирование также является созданием точной цифровой копии реального физического объекта с возможностью редактирования и изменения данных сканирования. Может использоваться в сфере искусств, для музейных ценных экспонатов, а также для последующей 3D-печати.

Сегодня метрологи используют тактильные КИМ, имеющие большой вес из-за гранитного основания, их требуется устанавливать в специально оборудованных метрологических комнатах. Поэтому при портативных измерениях возникают серьезные проблемы в реальных производственных условиях.

Оборудование компании Creaform имеет ряд преимуществ, который отличает его от всех сканеров и контрольно-измерительных машин в области сканирования и метрологии:

  • динамическое отслеживание;
  • портативность;
  • сканирование без расположения меток на объекте;
  • измерение крупногабаритных деталей сложной формы;
  • высокая скорость сканирования и измерений;
  • простота использования.

ДИНАМИЧЕСКОЕ СЛЕЖЕНИЕ

Оптическая система C-Track осуществляет привязку системы координат к объекту за счет определения размещенных на нем отражателей, что дает возможность свободно перемещать трекер, сканер и сам объект в пространстве в процессе сканирования. Это позволяет получить заявленную точность измерений в условиях повышенных вибраций.

Для демонстрации преимущества C-Track в цеховых условиях был проведен эксперимент с измерительной рукой и портативной КИМ HandyPROBE. Для оценки влияния вибраций использовался робот, запрограммированный на генерацию небольших и быстрых сдвигов.

В Таблице 2 представлены результаты измерений эталонной меры без внешних вибраций и с вибрациями, полученными для обоих устройств в течение определенного времени. Синим цветом выделены отклонения измерений, полученных с помощью HandyPROBE. Красным выделены отклонения измерений, полученных с помощью измерительной руки. Результаты ясно показывают преимущество динамического отслеживания, так как не выявлено снижения точности для оптической КИМ.

Таблица 2 Результаты измерений эталонной меры без внешних вибраций и с вибрациями

Средство измерения Среднеквадратичное отклонение (RMS) без вибраций Среднеквадратичное отклонение (RMS) с вибрациями Максимальная ошибка без вибраций Максимальная ошибка с вибрациями
Измерительная рука 0,018 мм 0,039 мм 0,041 мм 0,103 мм
HandyPROBE 0,011 мм 0,013 мм 0,031 мм 0,037 мм

Динамическое отслеживание обеспечивает высокую точность измерений в цеховых условиях и активно способствует снижению ошибок оператора.

ПОРТАТИВНОСТЬ HANDYPROBE

Абсолютная портативность HandyPROBE позволяет проинспектировать крупногабаритные детали сложной формы, отдельные части или комплексные сборки. Отсутствие проводов и легкий вес измерительного зонда значительно облегчают задачу измерений, что является выгодной заменой традиционным измерительным рукам.

3D-СКАНИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОК

Для традиционных сканеров необходимо наличие специальных меток на самом объекте. Эти метки наклеиваются на объект для его позиционирования относительно сканера в пространстве и получения корректных данных сканирования. MetraSCAN может выполнять сканирование объекта без использования светоотражательных меток на самом объекте. Данные метки уже расположены на самом сканере, и отслеживание происходит при помощи системы C-Track. Это значительно упрощает задачу. Например, если объект очень большой (от 4 до 10 метров), процесс нанесения меток может занять длительное время, что нецелесообразно. Или если на объект в принципе нельзя наклеить метки — на ценные экспонаты, объекты искусства или песчаные формы — для традиционных сканеров задача становится невыполнимой.

Лазерное 3D-сканирование — перспективный метод контроля качества геометрии крупногабаритных деталей сложной формы в условиях промышленного производства. Данный метод находит все большее применение в авиационной, машиностроительной и нефтегазовой отраслях. Оборудование MetraSCAN и HandyPROBE обладает рядом неоспоримых преимуществ при использовании в цеховых условиях, благодаря простоте управления, портативности и высокой точности измерений.

Лазерное 3D-сканирование и портативные КИМ для контроля геометрических параметров и обратного проектирования 0.56 Mb

Запросить информацию

* Фамилия
* Имя
Отчество
* Организация
* E-mail
* Уточните категорию вашего запроса
Текст вопроса

Запросить информацию

* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
Город
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран
Текст вопроса

Записаться в демозал

* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
Город
* E-mail
* Уточните категорию вашего запроса
Текст вопроса

Запрос на услугу

Выберите интересующие вас услуги:
Приложите файл/фото:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail

Запрос на услугу

Материал изделия, сплав
Количество изделий
Технические требования
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Выберите услугу:
Материал изделия
Максимальные габариты (ДхШхВ или Диаметр х Высота)
Вес изделия
Количество изделий
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Краткое ТЗ
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Тематика обучения:
Другая тематика обучения
Количество обучаемых
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Выберите услугу:
Материал изделия (сплав)
Масса оптимизированного изделия (в кг или % от массы исходной модели)
Функциональное назначение изделий
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Выберите услугу:
Функциональное назначение изделий
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на решение

Выберите интересующий Вас тип решения или услуги для связи с профильным специалистом: Неразрушающий контроль Системы 3D-печати металлом Программное обеспечение Услуги Центра Развития Технологий
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Неразрушающий контроль Минимальный размер дефекта Количество изделий в смену (8 часов)
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Минимальный размер дефекта Количество изделий в смену (8 часов)
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Минимальный размер дефекта Количество изделий в смену (8 часов)
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Укажите необходимые опции
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Укажите необходимые опции
Материал изделий (сплав)
Функциональное назначение изделий
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО:
Количество лицензий
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail

Запросить материалы

* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail