Jakie są główne rodzaje skanowania 3D?

Technologia skanowania 3D

Technologię skanowania 3D można podzielić na metody kontaktowe, bezkontaktowe oraz niszczące. Znajduje ona szerokie zastosowanie w pomiarach, inżynierii odwrotnej, kontroli jakości oraz w powiązanych dziedzinach.

Metody pomiaru kontaktowego

Skanowanie kontaktowe: maszyny do pomiaru współrzędnych

Koordynacyjne maszyny pomiarowe (CMMs) to wydajne, precyzyjne przyrządy pomiarowe opracowane w latach 60. XX wieku. Ich powstanie wynikało z zapotrzebowania na niezawodny sprzęt pomiarowy, który wspierałby wydajną obróbkę coraz bardziej złożonych elementów na automatach i obrabiarkach typu CNC. Postępy w dziedzinie elektroniki, informatyki, sterowania numerycznego oraz obróbki precyzyjnej również stanowiły podstawę techniczną dla maszyn CMM.

W 1960 roku firma Ferranti w Wielkiej Brytanii z powodzeniem opracowała pierwszy na świecie CMM. Pod koniec lat 60. ponad 30 firm w prawie 10 krajach zajmowało się produkcją CMM, choć produkty te wciąż znajdowały się na wczesnym etapie rozwoju. Od lat 80. firmy takie jak ZEISS, Leitz, DEA, LK, Mitutoyo, Ferranti i Moore nadal wprowadzały nowe produkty, co doprowadziło do szybkiego rozwoju maszyn typu CMM. Współczesne urządzenia typu CMM mogą wykonywać złożone pomiary pod kontrolą komputera, wymieniać informacje z obrabiarkami typu CNC w celu sterowania obróbką oraz wspierać inżynierię odwrotną w oparciu o dane pomiarowe.

Obecnie urządzenia typu CMM znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym, elektronicznym, lotniczym i kosmicznym oraz w przemyśle obronnym. Stały się one nieodzownym wyposażeniem nowoczesnych procesów kontroli przemysłowej i kontroli jakości.

Elementy i zasada działania CMM

System CMM jest typowym układem mechatronicznym, składającym się głównie z układów mechanicznych i elektronicznych.

1. Układ mechaniczny: System ten składa się zazwyczaj z trzech ortogonalnych osi ruchu liniowego. W typowej konstrukcji układ prowadnic osi X jest zamontowany na stole roboczym, ruchoma belka mostowa tworzy układ prowadnic osi Y, a układ prowadnic osi Z jest zainstalowany w suwaku centralnym. Każda oś jest wyposażona w skalę do pomiaru przemieszczenia. Ręczne pokrętła i napędy silnikowe, zarówno zasilane, jak i sterowane za pomocą CNC, są zazwyczaj umieszczone w pobliżu osi. Sonda służąca do stykania się z powierzchnią sprawdzanej części jest zamontowana na końcu osi Z.
2. Układ elektroniczny: System ten zazwyczaj składa się z układu pomiarowego, interfejsu sygnału sondy oraz komputera. Pozyskuje on dane dotyczące współrzędnych punktów z mierzonej części i przetwarza te dane.

Zasada działania czujnika CMM polega na przekształceniu pomiaru cech geometrycznych w pomiar współrzędnych szeregu punktów na tych cechach. Po uzyskaniu współrzędnych punktów obliczenia matematyczne pozwalają określić wymiary i tolerancje geometryczne. Na przykład podczas pomiaru otworu cylindrycznego można zbadać kilka punktów w płaszczyźnie prostopadłej do osi otworu. Ich współrzędne przestrzenne można następnie wykorzystać do obliczenia średnicy otworu, współrzędnych środka, błędu okrągłości, błędu cylindryczności oraz położenia osi otworu względem innych elementów. Świadczy to o dużej wszechstronności i elastyczności urządzenia CMM: zasadniczo może ono mierzyć dowolną cechę geometryczną i parametr dowolnego przedmiotu obrabianego.

Uzupełniająca rola maszyn pomiarowych z ramieniem przegubowym

Maszyna pomiarowa z ramieniem przegubowym jest również urządzeniem pomiarowym stykowym. W odróżnieniu od modelu CMM nie wykorzystuje ona precyzyjnego stołu roboczego, kolumny ani prowadnic. Zamiast tego wykorzystuje ramię przegubowe o wielu stopniach swobody i może pełnić funkcję elastycznej maszyny współrzędnościowej.

Na końcu ramienia można zamontować czujnik. Enkodery obrotowe rejestrują kąt obrotu każdego przegubu, a współrzędne czujnika w przestrzeni są obliczane na podstawie zasad kinematyki. Podczas użytkowania operator trzyma ramię pomiarowe i przykłada sondę do badanej powierzchni. Naciśnięcie przycisku powoduje zarejestrowanie współrzędnych oraz kierunku uchwytu sondy, które są następnie przesyłane kablem szeregowym do oprogramowania pomiarowego. Urządzenie tego typu nie ma praktycznie żadnych ograniczeń kierunkowych i może wykonywać pomiary w dowolnej orientacji w obrębie swojej przestrzeni roboczej. Jest ona zazwyczaj wykorzystywana do pomiarów w ramach inżynierii odwrotnej dużych matryc do blach, w tym ramion ręcznych firm CIM-CORE i FARO.

W porównaniu z modelami CMM maszyny pomiarowe z ramieniem przegubowym charakteryzują się nieco mniejszą dokładnością, ale mają większy zakres pomiarowy i mniej ograniczeń związanych z rozmiarem i kształtem obrabianego elementu. Są kompaktowe, elastyczne w zastosowaniu i nadają się do pomiarów międzyoperacyjnych. Pod pozostałymi względami są podobne do modeli CMM.

Metody bezkontaktowe

W pomiarach bezkontaktowych do pozyskiwania danych wykorzystuje się głównie zasady optyki. Do typowych metod należą: pomiar odległości za pomocą lasera, triangulacja laserowa, światło strukturalne, analiza obrazu oraz pomiary interferometryczne. Optyczne urządzenia pomiarowe charakteryzują się dużą szybkością pomiaru i wysokim stopniem automatyzacji. Ponieważ nie występuje w nich nacisk ani tarcie, można uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych odkształceniem elementu pod wpływem siły, co sprawia, że doskonale nadają się one do szybkiego pozyskiwania danych na dużą skalę z złożonych modeli.

Podstawową zasadą pomiaru optycznego jest przekształcenie fizycznej wielkości analogowej w dane współrzędnych powierzchni elementu za pomocą odpowiednich algorytmów.

Pomiar odległości za pomocą lasera

W pomiarze odległości laserowej odległość między punktem pomiarowym a płaszczyzną odniesienia oblicza się na podstawie czasu przelotu wiązki laserowej, prędkości światła oraz współczynnika załamania światła w atmosferze. Ponieważ bezpośredni pomiar czasu jest trudny, w dalmierzach fazowych powszechnie stosuje się pomiar fazy fali ciągłej. Metoda ta pozwala mierzyć odległości rzędu kilkuset metrów z typową dokładnością rzędu milimetrów.

Triangulacja laserowa

Triangulacja laserowa wykorzystuje położenie i kąt między źródłem światła a czujnikiem obrazowym, takim jak kamera, do obliczania współrzędnych przestrzennych punktów. Można ją stosować do pomiaru punktów, linii lub powierzchni.

1. Urządzenie charakteryzuje się dużym zasięgiem pomiarowym i może mierzyć przedmiot nawet wtedy, gdy znajduje się stosunkowo daleko od jego powierzchni.
2. Urządzenie charakteryzuje się szerokim zakresem pomiarowym. Błędy nieliniowe wynikające z szerokiego zakresu pomiarowego można skalibrować i skorygować za pomocą oprogramowania.
3. Sonda nie styka się z mierzonym obiektem, dzięki czemu może skutecznie zbierać dane z powierzchni wykonanych z miękkich materiałów oraz mierzyć ostre krawędzie, zagłębienia i inne skomplikowane kontury.
4. Pozyskiwanie danych przebiega szybko. W przypadku dużych powierzchni dane można szybko zebrać na obrabiarkach typu CMM lub CNC bez konieczności kompensacji sondy.
5. Jest to metoda stosunkowo kosztowna, a niepożądane odbicia oraz cechy powierzchni, takie jak pionowe ściany, mogą wpływać na dokładność pomiarów.
6. Jest wrażliwy na rodzaj mierzonego materiału, chropowatość powierzchni i współczynnik odbicia, a jego dokładność jest zazwyczaj nieco niższa niż w przypadku modelu CMM.

Technologia światła strukturalnego i kodu Greya

Metody wykorzystujące światło strukturalne polegają na rzutowaniu określonego wzoru świetlnego, takiego jak paski lub siatki, na powierzchnię obiektu. Trójwymiarowe współrzędne powierzchni oblicza się na podstawie rejestracji sposobu, w jaki zakrzywiona powierzchnia zniekształca odbity wzór. Typowym podejściem jest stosowanie rzutowanych siatek, które pozwalają uzyskać informacje o wysokości na podstawie zniekształcenia pasków siatki spowodowanego zmianami wysokości powierzchni.

W przeciwieństwie do pasywnej analizy obrazu technologia światła strukturalnego wymaga aktywnej projekcji sztucznego źródła światła. Pasywna wizja stereo wykorzystuje jedną lub więcej kamer do fotografowania obiektu pod różnymi kątami i oblicza głębię na podstawie dysparacji obrazu. Binokularne systemy światła strukturalnego łączą zalety obu tych metod i mogą jeszcze bardziej zwiększyć wydajność pomiarów.

Pomiar za pomocą binokularowego systemu światła strukturalnego pozwala na zebranie dużej ilości danych w ramach jednej operacji i nadaje się do wydajnego pomiaru złożonych powierzchni. Na wyniki mają jednak wpływ właściwości optyczne powierzchni obiektu, co sprawia, że pomiar powierzchni przezroczystych lub czarnych jest trudniejszy. Dokładność jest zazwyczaj nieco niższa niż w przypadku pomiaru kontaktowego.

Skaner optyczny ATOS firmy GOM z Niemiec jest typowym systemem pomiarowym wykorzystującym światło strukturalne. Projektuje on paski siatki na powierzchnię obiektu, wykorzystuje dwie kamery o wysokiej rozdzielczości do rejestrowania obrazów zniekształconych pasków oraz oblicza trójwymiarowe współrzędne powierzchni. Urządzenie to pozwala na pozyskanie kompletnych danych chmury punktów dla złożonych struktur w bardzo krótkim czasie. ATOS II ma obszar pojedynczego pomiaru wynoszący około 280 mm na 350 mm, może zarejestrować do 1,3 miliona punktów skanowania i osiąga dokładność pojedynczego pomiaru na poziomie plus minus 0,03 mm. W przypadku większych obiektów można tworzyć kompletne modele poprzez połączenie pomiarów wykonanych pod różnymi kątami, uzyskując dokładność montażu wynoszącą około 0,1 mm/m.

Kod Graya w połączeniu z sinusoidalnym przesunięciem fazowym stanowi powszechnie stosowaną metodę kodowania w technologii światła strukturalnego. Kod Graya najpierw dzieli przestrzeń pomiarową na obszary w celu określenia przybliżonego położenia każdego punktu. Następnie stosuje się przesunięcie fazowe w celu precyzyjnego pozycjonowania w obrębie każdego obszaru.

Podstawową cechą kodu Graya jest to, że sąsiednie kody różnią się jedynie jednym bitem. Pozwala to uniknąć błędów, które mogą wystąpić w przypadku jednoczesnej zmiany wielu bitów, zapewniając wysoką niezawodność i niski wskaźnik błędów dekodowania przy pomiarach w szerokim zakresie. Do jego głównych cech należą:

1. Niezawodne kodowanie o niskim wskaźniku błędów.
2. Jest to kod ważony. Różnych kodów Graya nie można porównywać bezpośrednio; przed przetworzeniem należy je najpierw przekształcić na kod binarny.
3. Liczba jedynek w słowie kodowym pozwala ustalić, czy odpowiadająca mu wartość jest nieparzysta, czy parzysta.

Technologia wieloczęstotliwościowej heterodyny z siatką fazową wykorzystuje projektor DLP do wyświetlania generowanych komputerowo siatek cyfrowych na powierzchni obiektu. Dwie kamery synchronicznie rejestrują zniekształcone paski, a obliczenia fazowe pozwalają następnie uzyskać trójwymiarowe dane chmury punktów dla powierzchni obiektu. Takie podejście umożliwia elastyczną regulację częstotliwości siatki przy zachowaniu wysokiej dokładności projekcji.

Analiza obrazu

Analiza obrazu wykorzystuje względne położenie tego samego punktu na wielu obrazach do obliczenia odległości na podstawie dysparności, a tym samym do uzyskania współrzędnych przestrzennych tego punktu. Często łączy się ją również z innymi metodami optycznymi w celu poprawy wydajności pomiarów i rozszerzenia zakresu zastosowań.

Metody niszczące

Zakres zastosowania skanowania niszczącego

Automatyczny skaner do cięcia warstwowego łączy usuwanie materiału warstwa po warstwie ze skanowaniem warstwa po warstwie w celu uzyskania danych dotyczących wewnętrznych i zewnętrznych konturów modelu. Najpierw mierzony element jest całkowicie otoczony specjalną żywicą wypełnioną proszkiem grafitowym lub pigmentem. Po utwardzeniu żywicy element mocuje się do frezarki i poddaje obróbce z bardzo małą głębokością skrawania, aby uzyskać przekrój zawierający zarówno element, jak i żywicę. Następnie przekrój przesuwa się pod cyfrową kamerę CCD w celu wykonania cyfrowego pomiaru. Ponieważ między materiałem otaczającym a częścią istnieje wyraźna granica, techniki cyfrowego przetwarzania obrazu, takie jak filtrowanie, wykrywanie krawędzi, analiza tekstury i binaryzacja, pozwalają wyodrębnić kontur granicy i uzyskać wartości współrzędnych konturu. Cięcie i analiza są powtarzane do momentu uzyskania danych współrzędnych dla wszystkich przekrojów modelu.

W porównaniu z przemysłową tomografią komputerową automatyczne skanery do seryjnego wycinania przekrojów charakteryzują się niższymi kosztami sprzętu i eksploatacji. Ponieważ działają one w oparciu o ekstrakcję pikseli, mogą również pozyskiwać duże ilości danych w każdej warstwie. Ich wyraźną wadą jest to, że niszczą badany obiekt. Stosunkowo dojrzałym modelem automatycznego skanera do cięcia seryjnego dostępnym na rynku jest RE1000 firmy CGI z USA.

Przemysłowa tomografia komputerowa

Przemysłowa tomografia komputerowa (ICT) stanowi nieniszczącą, cyfrową metodę tomograficzną służącą do odtwarzania złożonych struktur wewnętrznych i zewnętrznych oraz kształtów materiałów. Po przeprowadzeniu skanowania tomograficznego fizycznej próbki ICT generuje serię przekrojowych obrazów i danych. Obrazy te oraz dane zawierają kompletne informacje na temat konturów przekroju poprzecznego przedmiotu obrabianego oraz jego struktury wewnętrznej.

Technologie informacyjno-komunikacyjne (ICT) rozszerzają zakres skutecznego zastosowania medycznej tomografii komputerowej na przemysł. Mogą one służyć do modelowania odwrotnego i kontroli jakości małych, średnich i dużych elementów formowanych o złożonej budowie, a także do analizy technicznej, nieniszczącej diagnostyki usterek produktów i oceny ich niezawodności oraz analizy konstrukcji zespołów montażowych.