Каковы основные виды 3D-сканирования?

Технология 3D-сканирования

Технологии 3D-сканирования можно разделить на контактные, бесконтактные и разрушающие методы. Они широко применяются в области измерений, реверс-инжиниринга, контроля качества и других смежных областях.

Контактные методы измерения

Контактное сканирование: координатно-измерительные машины

Координатно-измерительные машины (CMMs) — это эффективные высокоточные измерительные приборы, разработанные в 1960-х годах. Их появление было обусловлено потребностью в надёжном измерительном оборудовании, необходимом для эффективной обработки всё более сложных деталей на автоматических и CNC станках. Достижения в области электроники, вычислительной техники, числового программного управления и прецизионной обработки также заложили техническую основу для создания CMMs.

В 1960 году британская компания Ferranti успешно разработала первый в мире CMM. К концу 1960-х годов более 30 компаний почти в 10 странах занимались производством CMM, хотя эти продукты все еще находились на ранней стадии развития. Начиная с 1980-х годов такие компании, как ZEISS, Leitz, DEA, LK, Mitutoyo, Ferranti и Moore, продолжали выпускать новые модели, что привело к стремительному развитию координатно-измерительных машин. Современные приборы CMM способны выполнять сложные измерения под управлением компьютера, обмениваться информацией со станками CNC для управления процессом обработки и обеспечивать реверс-инжиниринг на основе данных измерений.

Сегодня приборы CMM широко используются в машиностроении, автомобилестроении, электронике, аэрокосмической и оборонной отраслях. Они стали незаменимым оборудованием для современного промышленного контроля и обеспечения качества.

Компоненты и принцип действия CMM

Система CMM представляет собой типичную мехатронную систему, состоящую в основном из механических и электронных подсистем.

1. Механическая система: Эта система, как правило, состоит из трёх ортогональных осей линейного перемещения. В типичной конструкции система направляющих оси X устанавливается на рабочем столе, подвижная балка моста образует систему направляющих оси Y, а система направляющих оси Z устанавливается на центральном суппорте. Каждая ось оснащена шкалой для измерения перемещения. Ручные маховики и моторные приводы, как с автономным питанием, так и с управлением CNC, как правило, располагаются рядом с осями. Датчик, используемый для контакта с поверхностью проверяемой детали, установлен на конце оси Z.
2. Электронная система: Эта система, как правило, состоит из системы подсчета шкалы, интерфейса для подключения датчика и компьютера. Она получает данные о координатах точек из измеряемой детали и обрабатывает эти данные.

Принцип работы прибора CMM заключается в преобразовании измерений геометрических элементов в измерения координат ряда точек на этих элементах. После получения координат точек с помощью математических вычислений определяются размеры и геометрические допуски. Например, при измерении цилиндрического отверстия можно измерить несколько точек в плоскости, перпендикулярной оси отверстия. Затем их пространственные координаты можно использовать для расчёта диаметра отверстия, координат центра, погрешности округлости, погрешности цилиндричности и положения оси отверстия. Это демонстрирует высокую универсальность и гибкость прибора CMM: в принципе, он может измерять любые геометрические элементы и параметры любой заготовки.

Вспомогательная роль координатно-измерительных машин со шарнирным манипулятором

Измерительная машина с шарнирно-сочлененным рычагом также относится к контактным измерительным приборам. В отличие от модели CMM, в ней не используются прецизионный рабочий стол, колонна или направляющие. Вместо этого в ней применяется шарнирно-сочлененный рычаг с несколькими степенями свободы, благодаря чему она может использоваться в качестве универсальной координатно-измерительной машины.

На конце манипулятора может быть установлен датчик. Ротационные энкодеры фиксируют угол поворота каждого шарнира, а координаты датчика в пространстве рассчитываются с использованием принципов кинематики. Во время работы оператор держит измерительный манипулятор и прижимает щуп к проверяемой поверхности. Нажатие кнопки фиксирует координаты и направление движения рукоятки щупа, которые затем передаются по последовательному кабелю в измерительное программное обеспечение. Работа такого типа оборудования практически не ограничена направлением и позволяет производить измерения в любой ориентации в пределах рабочей зоны. Обычно он используется для измерений в целях реверс-инжиниринга крупных штампов для листового металла, в том числе с ручными манипуляторами от CIM-CORE и FARO.

По сравнению с CMM измерительные машины с шарнирным манипулятором обладают несколько меньшей точностью, но при этом имеют больший диапазон измерения и меньше ограничений, связанных с размерами и формой заготовки. Они компактны, универсальны в использовании и подходят для измерений в процессе производства. В остальном они аналогичны CMM.

Бесконтактные методы

Бесконтактные измерения в основном используют оптические принципы для сбора данных. К распространенным методам относятся лазерная дальнометрия, лазерная триангуляция, метод структурированного света, анализ изображений и интерферометрические измерения. Оптическое измерительное оборудование обеспечивает высокую скорость измерения и высокую степень автоматизации. Поскольку при этом отсутствуют контактное давление и трение, удается избежать погрешностей измерения, вызванных деформацией детали под действием силы, что делает его идеальным решением для быстрого и масштабного сбора данных со сложных моделей.

Основной принцип оптического измерения заключается в преобразовании физической аналоговой величины в координатные данные поверхности детали с помощью соответствующих алгоритмов.

Лазерная дальнометрия

В лазерной дальнометрии расстояние между измеряемой точкой и опорной плоскостью рассчитывается на основе времени прохождения лазерного луча, скорости света и показателя преломления атмосферы. Поскольку прямое измерение времени затруднительно, в фазовых дальномерах обычно используется измерение фазы непрерывного излучения. Этот метод позволяет измерять расстояния в несколько сотен метров с типичной точностью на уровне миллиметров.

Лазерная триангуляция

Лазерная триангуляция использует положение и угол между источником света и датчиком изображения, например камерой, для вычисления пространственных координат точек. Её можно использовать для измерения точек, линий или поверхностей.

1. Он имеет большое рабочее расстояние и способен измерять заготовку даже при относительно большом удалении от поверхности детали.
2. Он имеет широкий диапазон измерения. Нелинейные погрешности, вызванные широким диапазоном, можно откалибровать и скорректировать с помощью программного обеспечения.
3. Датчик не соприкасается с измеряемым объектом, поэтому он может собирать данные с поверхностей из мягких материалов и эффективно измерять острые кромки, углубления и другие сложные контуры.
4. Сбор данных происходит быстро. В случае больших поверхностей данные можно быстро собрать на станке CMM или CNC без компенсации датчика.
5. Он относительно дорог, а побочные отражения и особенности поверхности, такие как вертикальные стены, могут повлиять на точность сбора данных.
6. Он чувствителен к измеряемому материалу, шероховатости поверхности и коэффициенту отражения, и его точность, как правило, несколько ниже, чем у прибора CMM.

Технологии структурированного света и кода Грея

Методы структурированного света предполагают проецирование на поверхность объекта определённого светового узора, например полос или сетки. Трехмерные координаты поверхности вычисляются на основе анализа того, как отражённый узор деформируется под действием кривой поверхности. Типичным подходом является использование проецируемых решеток, при котором информация о высоте получается на основе деформации полос решетки, вызванной изменениями высоты поверхности.

В отличие от пассивного анализа изображений, метод структурированного света требует активной проекции искусственного источника света. Пассивное стереозрение использует одну или несколько камер для съемки объекта под разными углами и вычисляет глубину на основе диспаритета изображений. Бинокулярные системы структурированного света сочетают в себе преимущества обоих подходов и позволяют еще больше повысить эффективность измерений.

Бинокулярное измерение с использованием структурированного света позволяет собирать большой объем данных за один проход и подходит для эффективного измерения сложных поверхностей. Однако на результаты влияют оптические свойства поверхности объекта, что затрудняет измерение прозрачных или черных поверхностей. Точность, как правило, несколько ниже, чем при контактном измерении.

Оптический сканер ATOS от немецкой компании GOM представляет собой типичную измерительную систему на основе структурированного света. Он проецирует полосы решетки на поверхность объекта, использует две камеры высокого разрешения для съемки изображений деформированных полос и вычисляет трехмерные координаты поверхности. Он способен за очень короткое время собирать полные данные облака точек для сложных конструкций. ATOS II имеет зону одиночного измерения размером примерно 280 мм на 350 мм, способен регистрировать до 1,3 миллиона точек сканирования и обеспечивает точность одиночного измерения плюс-минус 0,03 мм. Для более крупных объектов можно создавать полные модели путем объединения измерений, выполненных под разными углами, с точностью сборки примерно 0,1 мм/м.

Код Грея в сочетании с синусоидальным фазовым сдвигом является широко используемым методом кодирования в технологии структурированного света. Сначала с помощью кода Грея пространство измерения делится на области, что позволяет определить приблизительное положение каждой точки. Затем для точного позиционирования внутри каждой области используется фазовый сдвиг.

Основная особенность кода Грея заключается в том, что соседние коды различаются лишь одним битом. Это позволяет избежать ошибок, которые могут возникать при одновременном изменении нескольких битов, обеспечивая высокую надёжность и низкую частоту ошибок декодирования при измерениях в широком диапазоне. К его основным характеристикам относятся:

1. Надежное кодирование с низкой частотой ошибок.
2. Это взвешенный код. Различные коды Грея нельзя сравнивать напрямую; для обработки их сначала необходимо преобразовать в двоичный код.
3. По количеству единиц в кодовом слове можно определить, является ли соответствующее значение чётным или нечётным.

Технология многочастотного гетеродинного фазового решетки использует DLP-проектор для проецирования сгенерированных компьютером цифровых решеток на поверхность объекта. Две камеры синхронно фиксируют деформированные полосы, а затем на основе расчетов фаз формируются трехмерные данные в виде облака точек, характеризующие поверхность объекта. Такой подход позволяет гибко регулировать частоту решетки при сохранении высокой точности проецирования.

Анализ изображений

При анализе изображений используется относительное положение одной и той же точки на нескольких изображениях для вычисления расстояния по диспаритету и, таким образом, определения пространственных координат этой точки. Кроме того, этот метод часто сочетается с другими оптическими методами для повышения эффективности и расширения сферы применения измерений.

Деструктивные методы

Границы применения разрушающего сканирования

Сканер с автоматическим послойным разрезанием сочетает послойное удаление материала с послойным сканированием для получения данных о внутренних и внешних контурах модели. Сначала измеряемая деталь полностью инкапсулируется в специальный полимерный материал, наполненный графитовым порошком или пигментом. После отверждения полимера деталь закрепляется на фрезерном станке и подвергается обработке с очень малой глубиной резания для получения поперечного среза, содержащего как саму деталь, так и полимер. Затем срез перемещается под цифровую CCD-камеру для цифровой съемки. Поскольку между герметизирующим материалом и деталью существует чёткая граница, методы цифровой обработки изображений, такие как фильтрация, выделение краёв, анализ текстуры и бинаризация, позволяют извлечь контур границы и получить координаты контура. Резка и анализ повторяются до тех пор, пока не будут получены координатные данные для всех сечений модели.

По сравнению с промышленной компьютерной томографией сканеры с автоматическим серийным срезанием отличаются более низкими затратами на оборудование и эксплуатацию. Поскольку их работа основана на извлечении пикселей, они также позволяют получать большой объем данных в каждом слое. Их явным недостатком является то, что они разрушают измеряемый объект. Одним из относительно зрелых моделей автоматических сканеров для серийного срезания, представленных на рынке, является RE1000 от компании CGI (США).

Промышленная компьютерная томография

Промышленная компьютерная томография (ИКТ) представляет собой неразрушающий цифровой томографический метод, позволяющий воспроизводить сложные внутренние и внешние структуры, а также формы материалов. После томографического сканирования физического образца ИКТ генерирует серию поперечных срезов изображений и соответствующих данных. Эти срезы и данные содержат полную информацию о контурах поперечного сечения заготовки и её внутренней структуре.

ИКТ позволяют расширить сферу успешного применения медицинской компьютерной томографии на промышленность. Эта технология может использоваться для обратного моделирования и контроля качества мелких, средних и крупных формованных деталей со сложной структурой, а также для технического анализа, неразрушающей диагностики неисправностей и оценки надежности продукции, а также для анализа конструкций сборочных узлов.