12.1 Лазерное сканирование

Лазерное 3D-сканирование своеобразный метод  контроля геометрических параметров изделий. В отличие от контактных (тактильных) приборов и КИМ сканер не касается измеряемой поверхности в определенных точках, а «осматривает» контролируемую поверхность и «видит» сразу много точек поверхности, даже те которые для измерения могут быть не нужны. Такую же картинку видит контролер, работающий на микроскопе или проекторе. Но в этом случае контролер сам решает какие точки ему нужны, а сканер все делает по заложеннуму в него алгоритму и программе, в большинстве случаев независимо от контролера.

Лазерное 3D-сканирование позволяет контролировать геометрические параметры изделий сложной формы, их 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.

Лазерные сканирующие головки (лазерные сканеры)  широко применяют для линейных измерений и область их применения все время расширяется, а сами сканеры совершенствуются..

Лазерные сканеры, применяемые для линейных измерений в машиностроении условно можно разделить на три группы:

– ручные сканеры;

– сканеры для КИМ:

– сканеры для портативных КИМ типа «Рука».

3D-сканеры — это устройства для трёхмерных измерений,  используемые для получения данных о реальных объектах для их последующей обработки и анализа с применением цифровых технологий. 3D-сканеры могут применяться для полного или частичного 3D-измерения деталей и узлов из разных материалов. Большинство данных устройств генерирует точки поверхности измеряемого объекта с чрезвычайно высокой плотностью по сравнению с традиционными контактными (тактильными)  устройствами измерения, что дает значительно больше информации об измеряемом объекте. Используя эти точки, легко построить измеряемую поверхность.

Лазерная сканирующая головка (лазерный сканер) через линзу или объектив проектирует лазерный световой луч (обычно красного цвета) на поверхность измеряемого объекта. Отраженный от объекта луч захватывается объективом ПЗС-камеры, полученные с фотодиодов сигналы обрабатываются сложным набором алгоритмов, и отображаются в виде трехмерного так называемого  облака точек.

Сканер состоит из полупроводникового источника лазерного излучения небольшой мощности с линзой или объективом, ПЗС-камеры, линзы или объяктива, элементов питания,  дисплея с сенсорным управлением и электроники. Лазерный луч может быть цилиндрическим диаметром около 2 мм или ножевидным . В первом случае на измеряемом объекте видно красное пятно. Во втором – красная узкая полоса щириной 100-200 мм. Такая конструкция очень удобна при ручном сканировании больших поверхностей.

При лазерном сканировании в машиностроении  используют метод лазерной триангуляции. В этом случае, испрльзуется лазер малой мощности, безопасный для глаз, и обеспечивается высокая точность измерения.

Суть  метода лазерной триангуляции в следующем: исходящий из источника луч лазера линзой или объективом фокусируется на на измеряемую  поверхность. Часть падающего пучка отражается от этой поверхности и попадает  на линзу или объектив, которые фокусируют 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,  можно измерить угол отражения простым геометрическим построением. В итоге известно три параметра: расстояние от приемника до источника, угол между лучом лазера, и линией приемник-лазер  и угол между отраженным лучом и линией приемник-лазер. По этим трем параметрам можно восстановить все стороны и углы треугольника и, в том числе, расстояние до объекта.

Лазерный луч, испускаемый датчиком, создает видимое пятно на поверхности измеряемого объекта. В зависимости от расстояния между камерой и лазером  фотодиодная матрица, «видит» это пятно под разными углами. Зная эти углы и известное расстояние до камеры, процессор вычисляет расстояние между датчиком и измеряемым объектом.

В процессе сканирования измеряемой детали процессор сканера получает очень много сигналов от фотодиодов (точек), в некоторых моделях до 75000 в секунду. Эти точки, соответствующие координатам измеряемой поверхности, создают так называемое облако точек.

О́блако то́чек— набор вершин в трёхмерной системе координат. Эти вершины, как правило, определяются координатами X, Y и Z и предназначены для представления внешней поверхности детали.

Таким образом, облако точек представляет собой множество точек, полученных в результате 3D-сканирования. Сложные поверхности, имеющие большую кривизну, получаются более точными при более плотном облаке точек. Так же большое количество точек положительно скажется на точности определении характеристик объектов, таких как: отверстия, пазы, кромки, цилиндры и др.

В результате процесса трёхмерного сканирования облака точек используются для многих целей, в том числе для создания трёхмерной CAD-модели (математической моделью) измеряемых деталей , для контроля размеров, и анализа геометрических характеристик и допусков. Оно также может быть использовано для проверки геометрических параметров без математической модели детали с помощью функции размерного контроля.

Хотя облака точек могут быть непосредственно визуализированы и проверены, они, как правило, не используются прямо и конвертируются в полигональную сетку или CAD-модель при помощи процесса, известного как «реконструкция поверхности».

Облако точек, полученное в результате трёхмерного сканирования изделия, может быть приведено в соответствие с CAD-моделью этого изделия и в результате сравнения можно обнаружить отличия между проектными и фактическими параметрами. Эти различия могут отображаться в виде цветных карт, на которых места и участки отклонений между фактической и формальной моделью могут быть автоматически выделенными определённым индикатором. Геометрические размеры и допуски также могут быть непосредственно получены из облака точек.

3D-сканер при сканировании реальных объектов работает по принципу максимально подробного повторения того что «видит». Результат сканирования это дискретное представление сканируемого объекта – большой набор 3D точек лежащих на его поверхности, соединённых в треугольники. На выходе получается файл с треугольниками.  На дисплее дискретная модель измеренного изделия (рис. 1)

lazer_scan_кронштейн

Рис.1  Отсканированная деталь в виде облака точек

различных участков

выглядит нервной, помятой, какой она и является на самом деле. Но для некоторых применений дискретного представления вполне достаточно.    Для других операций дискретного представления не достаточно и тогда ее переводят в векторный формат.

Характерной чертой векторных форматов является математическая правильность контуров при любом масштабировании и разрешении.     При переводе в векторный вид  объекта становится математически правильной формы. Отрезки становятся идеально ровными, скругления описываются частью окружности, эллипса или гладкими математическими кривыми. Устраняются случайные неровности, заусенцы и  т.д. То же самое происходит и при переводе дискретного формата в любой векторный CAD формат. Объект из миллионов треугольников превращается в набор цилиндров, плоскостей, гладких поверхностей и т.д. (рис. 2).

lazer_scan_кронштейн 2

Рис. 2 Векторный САД формат сканированной детали

Полноценный перевод в CAD обычно требуется в задаче обратного инжиниринга, где ставится цель именно получить чертежи.   Перевод в CAD модель ведет, как правило, к потере  точности.
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

Также реверс-инжиниринг позволяет проектировать матрицы, пресс-формы, зажимные приспособления,  шаблоны и запасные части, производить измерение сопрягаемых деталей.

Изготовление детали на станке с ЧПУ непосредственно по полученному сканированием облаку точек производится с  помощью так называемых CAM -программ. предназначенных для чтения облака точек и создания управляющей программы для станка с ЧПУ. Обычно это совмещенная система CAD/CAM, которая подготавливает техническую документацию и управляющие команды для станка.

На точность сканирования влияет много факторов

По-видимому, наибольшая погрешность возникает от самого метода получениизображения контролируемой детали путем сложных алгоритмов и вычислительных программ, полученых сканером облака точек. Причем эту погрешность трудно анализировать.

Другая составляющая возникает от самого лазерного луча, который подвержен влиянию внешних условий – температуры, влажности, освещенности, материала детали и др. (раздел 12.4).

Очень неопределенная составляющая погрешности возникает от самого процесса сканирования.    При ручном сканировании эта погрещность больше. Если сканер установлен на КИМ и перемещается по направляющим – погрешность меньше.

Вообщем, измерение геометрических размеров машиностроительных деталей путем лазерного сканирования имеет достаточно большие погрешности и применяется для контроля отливок, штамповок, пластмассовых деталей, гнутых труб и т.п. Но при этом следует иметь в виду, что это дорогой прибор с развитым и сложным программным обеспечением, его эксплуатация доступна только квалифицированным и обученным специалистам, а ремонт возможен только представителям фирмы-изготовителя.

Фирмы, выпускающие лазерные сканеры и устанавливающие их на мультисенсорные КИМ утверждают, что пространственная погрешность лазерного сканера (на КИМ) MPEe согласно ISO 10360-5 составляет 9 мкм.

Современные сканеры поставляются с заводской калибровкой. Чтобы гарантировать оптимальную и высокоточную работу с течением времени, сканер можно легко перекалибровать на месте по керамической калибровочной сфере диаметром 30 мм