Метод структурированного подсвета и новые возможности сканирования небольших объектов

Основные методы сбора данных | 3D-сканирование структурированным светом и значение цифровой метрологии | Контроль качества | Реверс-инжиниринг | Сравнение с другими технологиями | peel 2 CAD-S: сканирование мельчайших элементов | Видео: пошаговая демонстрация работы с peel 2 CAD-S

С выпуском профессионального ручного 3D-сканера peel 2 CAD-S – версии peel 2 CAD, оптимизированной для небольших объектов, – представилась отличная возможность рассказать о некоторых интересных аспектах технологии 3D-сканирования структурированным светом и ее преимуществах.

Вначале мы коснемся общих вопросов технологии, а затем рассмотрим особенности новых сканеров линейки peel 3d. В конце статьи вас ждет подробная видеоинструкция по работе со сканером – от анбоксинга до импорта в ПО САПР.

Закажите бесплатное тестовое 3D-сканирование

Технология 3D-сканирования

3D-модели становятся одним из самых универсальных и полезных видов данных в нашем цифровом мире. Их можно использовать для моделирования, визуализации, анализа, производства, документирования и множества других задач. 3D-сканер позволяет создавать виртуальную копию реального объекта – его «цифрового двойника».

Обычно процесс 3D-сканирования состоит из следующих этапов:

• Сканер собирает данные в виде точек, которые состоят из координат XYZ и, если есть такая опция, информацию о цвете.

• ПО сканера преобразует данные в облако точек.

• Программа соединяет точки, создавая полигональную сетку.

Новый портативный профессиональный 3D-сканер для реверс-инжиниринга peel 2 CAD-S дает возможность получать данные о геометрии небольших деталей с точностью до 0,1 мм

Существует четыре основных метода сбора данных.

1. Фотограмметрия. ПО объединяет множество фотографий объекта, сделанных с различных ракурсов, и определяет координаты с помощью триангуляции.

2. Лазер. Сканер излучает лазерный луч. Луч отражается от объекта и возвращается в датчик, который определяет расстояние до поверхности. Лазерные сканеры – мощный инструмент, но они, как правило, достаточно дороги.

3. КИМ. Координатно-измерительные машины используют зонд, который контактирует с поверхностью элемента, получая точные измерения.

4. Структурированный подсвет. Проектор излучает световые узоры (паттерны), которые деформируются при отражении от объекта. Затем одна или несколько камер распознают 3D-геометрию с помощью алгоритмов триангуляции.

Теперь поговорим о преимуществах сканера на основе структурированного подсвета.

3D-сканирование структурированным светом и значение цифровой метрологии

По мере цифровизации производственных и метрологических процессов 3D-сканеры на основе структурированного подсвета получают все большее распространение. Технология проекционных полос, которую они используют, идеальна для высокоточного сканирования на малых расстояниях и распознавания мелких элементов.

Широкая область проецирования позволяет таким сканерам регистрировать более 2 млн измерений в секунду с точностью до нескольких микрон, а высокое выходное разрешение трехмерной сетки – полностью воспроизвести геометрию объекта. Возможности 3D-сканирования структурированным светом во многом зависят от следующих аспектов:

• источник света (белый или синий свет; DLP, LCD или лазер);

• тип паттерна (полосы, сетки и др.);

• характеристики и конфигурация камер;

• программное обеспечение.

Разные комбинации этих факторов обеспечивают широкий спектр возможностей для решения всевозможных задач.

Итак, почему 3D-сканеры, использующие метод структурированного подсвета, так востребованы? Ответ кроется в метрологии. Метрологические процессы, связанные с контролем качества и реверс-инжинирингом на производстве, стали важнейшим аспектом технических стандартов. Десятилетиями для этих процессов использовались аналоговые прецизионные инструменты – штангенциркули, микрометры, калибры, увеличительные стекла и т.д. Но использовать такие инструменты могут только опытные специалисты, работа с ними медленна, а применить их можно к объектам далеко не любой геометрии.

При этом любое устройство, предназначенное для 3D-сканирования структурированным светом, объединяет в себе функции всех этих инструментов и создает сложную цифровую геометрию в одно мгновение, даже не касаясь детали. К тому же многие отрасли промышленности роботизируют процесс сканирования в рамках замкнутых производственных циклов.

Сферы, где 3D-сканеры этой категории наиболее востребованы:

• авиакосмическая отрасль;

• оборонно-промышленный комплекс;

• автомобилестроение;

• медицина;

• развлечения;

• археологическое документирование и исследования.

А сейчас сосредоточимся на двух основных сферах применения метрологии: контроле качества и реверс-инжиниринге.

3D-сканеры со структурированным подсветом в контроле качества

Согласно ISO 9000, контроль качества – это «часть комплекса мер по обеспечению качества, направленная на выполнение требований к качеству». Само понятие ведет свою историю с 1920-х годов. Тогда ужесточение законодательства, повышение требований к точности и конкуренция заставили производителей искать способы оптимизации процессов проверки и обеспечения повторяемости. Но сегодня ситуация еще сложнее – разработка, внедрение и поддержание современных процессов контроля качества требуют значительных временных и финансовых затрат. Существуют даже специализированные аутсорсинговые центры с современным оборудованием, которые занимаются только этой задачей.

К счастью для нас, измерительные технологии развиваются невероятно быстро. Важное место в этом процессе занимают 3D-сканеры на основе структурированного подсвета, которые выполняют быстрые измерения с исключительной точностью. Но, возможно, самое большое преимущество подобных устройств в том, что компания легко может интегрировать их в цифровые рабочие процессы собственными силами.

Специализированные программные продукты позволяют анализировать и сравнивать геометрию с использованием цветовых карт. Процесс сравнения включает в себя совмещение отсканированной геометрии с номинальной CAD-моделью, а также создание числовых и визуальных представлений локальных отклонений по всей геометрии детали. Благодаря программным средствам управления данными и визуализации инженеры могут принимать быстрые и эффективные решения относительно геометрических размеров и допусков, а также легко передавать полученные данные.

Системы структурированного подсвета в реверс-инжиниринге

Сканеры, использующие эту технологию, идеально подходят не только для контроля качества, но и для обратного проектирования. В сущности, процесс реверс-инжиниринга заключается в получении конструктивных особенностей и параметров готового продукта – другими словами, нам нужно получить входные данные из выходных.

Для чего нужно обратное проектирование? Оцифровка устаревших деталей, исследование существующих конструкций для внедрения полученных данных в собственные проекты, изучение эффективности деталей и причин их неисправности – все это приносит огромную пользу инженерам.

Сравнение с другими технологиями

Чтобы лучше понять, какую часть задач 3D-сканирования может решить сканер на основе структурированного подсвета, проведем несколько сравнений.

Наземные лазерные 3D-сканеры идеально подходят для измерения крупных объектов и ландшафтов (геодезические работы, строительство и прочее). В отличие от систем структурированного подсвета, лазерные сканеры, особенно времяпролетные, могут регистрировать километровые расстояния вне помещений даже при слабом освещении. Первые работают на гораздо меньших расстояниях, однако они быстрее и точнее, доступнее по цене и больше подходят для объектов малого и среднего масштаба со сложными элементами.

Фотограмметрия может обеспечить исключительно точные результаты как в помещении, так и на улице вне зависимости от расстояния. Однако ее результаты зависят от ряда факторов, таких как разрешение камеры, вычислительные ресурсы для постобработки, освещение или текстура поверхности. Но что еще важнее – для правильного применения технологии нужны опытные и высококвалифицированные специалисты. Если вам нужна быстрая и эффективная регистрация данных в реальном времени и вы не хотите тратить много времени на освоение технологии, то, очевидно, вам подойдет 3D-сканер структурированного света.

В комплект peel 2 CAD-S входит программное обеспечение с расширенными возможностями обработки данных и экспорта в САПР

Наконец, контактные измерения. Невозможно отрицать, что координатно-измерительные машины оказали огромное влияние на современные технологии контроля качества. Эти машины невероятно точны и в высшей степени автоматизированы. Тем не менее, контактные измерения не подходят для мягких, эластичных или очень мелких элементов. Работа КИМ сильно зависит от установки детали. Также всегда присутствует риск повреждения зонда или объекта сканирования. Сканеры структурированного света, напротив, даже не касаются детали.

КИМ замеряют объекты точечно, поэтому работают долго. Структурированный свет за секунду может отсканировать целую область. В результате плотность облаков точек, полученных с помощью КИМ, намного меньше. Блестящие, гладкие, прозрачные и темные матовые поверхности в целом проблематичны для бесконтактных сканеров. Возможно, именно здесь заключается самое серьезное преимущество контактных сканеров перед бесконтактными. К счастью, эту проблему можно решить наклеиванием позиционных меток или нанесением матирующего спрея. Впрочем, портативные лазерные устройства нового поколения, такие как Creaform MetraSCAN BLACK, работают с самыми сложными поверхностями даже без меток.

peel 2 CAD-S: сканирование мельчайших элементов

peel 3D, дочерняя компания Creaform, специализируется на разработке доступных портативных 3D-сканеров для реверс-инжиниринга. Это один из немногих игроков на рынке, кто делает профессиональные сканеры доступнее. Первым детищем компании стала модель peel 1, затем появились более мощная peel 2 и ее модификация peel 2 CAD с расширенными возможностями работы с ПО. И вот недавно была выпущена линейка peel 2-S / peel CAD-S, специально предназначенная для небольших объектов с мелкими деталями.

Основные отличия peel 2 CAD и peel 2 CAD-S

Посмотрим, чем различаются эти сканеры. Ниже приводится сравнение их ключевых параметров.

Как видно из таблицы, различия кроются главным образом в габаритах объектов. peel 2 CAD может работать с изделиями размером до 3 метров, а peel 2 CAD-S способен сканировать детали от 5 см. Они очень хорошо дополняют друг друга, и есть смысл иметь в своем арсенале два сканера.

Программное обеспечение и совместимость

С помощью инструментов визуализации в реальном времени портативные сканеры peel 3d создают модели со скоростью 550 тысяч измерений в секунду. Специализированные инструменты редактирования peel 3D помогают быстро и эффективно выполнить реверс-инжиниринг после создания модели.

После редактирования модель можно экспортировать в форматы STL, OBJ, DAE, TXT, FBX и, более того, в IGES, STEP и DXF. Использование файлов твердотельных моделей IGES и STEP или файлов чертежей DXF позволяет эффективно работать в САПР, таких как SolidWorks.

Статья опубликована 15.04.2021 , обновлена 10.09.2024