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

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

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

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.