Заказать мероприятие
Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Для приобретения подписки для абонементного доступа к статьям, вам необходимо зарегистрироваться
После регистрации вы получите доступ к личному кабинету
Зарегистрироваться Войти
В июле этого года правительство Российской Федерации утвердило стратегию развития аддитивных технологий*. Стратегия рассчитана на достаточно большой срок – до 2030 года. Разбор самой стратегии – это тема для отдельной статьи, но факт ее появления говорит о том, что на сегодняшний день правительство, как и большинство компаний и производств в России (по опыту компании I3D), признает тот факт, что за аддитивными технологиями стоит не столько будущее, сколько уже настоящее. На сегодняшний день существует огромный спектр задач, которые не могут быть реализованы без привлечения аддитивных технологий. А задачи, которые выполнялись традиционными методами, могут быть выполнены в разы быстрее и качественнее
У людей, отдаленно знакомых или не знакомых вообще с таким термином, как «аддитивные технологии», наверняка возникает вопрос: что это такое и какая связь между «аддитивкой», 3D-принтерами и 3D-сканерами?
Слово «аддитивный» происходит от английского слова add, которое переводятся как «добавлять», «прибавлять». Это слово напрямую связано с технологиями 3D-печати, так как в отличие от традиционных методов изготовления деталей, в которых материал срезается с болванки на станке, принтеры работают по принципу послойного добавления материала, тем самым формируя необходимую геометрию. Логика определения вполне понятна и проста, но 3D‑сканеры ничего не «добавляют». Так почему же они тоже относятся к аддитивным технологиям? Самый простой ответ на этот вопрос – «так сложилось исторически», но только в России и странах СНГ. В Китае, странах Европы и США принтеры и сканеры никогда не объединяли одним понятием. В России же это случилось из-за появления на предприятиях директоров по инновациям, которые занимались поиском и внедрением нового оборудования и решений. Принтеры и сканеры прекрасно работают в паре: после печати объекта сложной формы быстро и точно проконтролировать его геометрию можно только сканером или же, оцифровав объект и получив его трехмерную модель, легко можно провести доработку геометрии под свои задачи и изготовить прототип с использованием принтера. Именно таким образом две абсолютно разные технологии, призванные решать разные задачи, были объединены одним понятием – «аддитивные технологии».
В этой статье мы не будем рассматривать принтеры, а сделаем упор на технологии трехмерного сканирования, в особенности методом лазерной триангуляции, и задаче контроля геометрии. Чем обусловлен выбор метода лазерной триангуляции, будет понятно чуть дальше.
На протяжении всей истории человечества существовало и существует огромное количество инструментов для снятия и контроля размеров. Когда-то длина могла измеряться и локтями, длина которых была разной у разных людей, а снятие размеров штангенциркулями и КИМами и использование калибров для контроля сложной геометрии было совершенно нормально еще пять–десять лет назад.
Так же как эволюционировал эталон длины, пройдя путь от указа «О системе Российских мер и весов», принятого в 1835 году и установившего эталоном платиновую сажень, до разработки и установления Международной системы единиц (СИ), определяющей эталоном длины метр, выраженный через скорость света, эволюционировал и подход к измерениям. Сегодня нет необходимости использовать и хранить штангенциркули, радиусомеры, резьбомеры и калибры, тратить время на несистематизированную запись полученных размеров. С помощью технологии 3D-сканирования можно создать виртуальную копию объекта, а снятие размеров проводить не в холодном цеху, а в офисном помещении за компьютером. Особенно стоит отметить, что результаты сканирования могут сохраняться в базе данных, тем самым обеспечивается доступ к геометрии детали в любое время.
На диаграмме показаны все технологии по оцифровке геометрии объектов.
Принципиально есть всего два способа оцифровки геометрии объекта – контактный и бесконтактный. Контактный способ всем хорошо известен и представляет собой определение координат точки на объекте с помощью щупа, КИМа. Бесконтактный способ осуществляется оборудованием, которое можно назвать 3D-сканером. Не всегда, но в большинстве случаев такое название будет подходящим.
Эта технология также разделяется на два разных подхода: пассивный и активный. Пассивный заключается в том, что сканер не испускает никакое излучение на объект (под излучением понимаются рентгеновское излучение, радиоволны, свет и т. д.). Активный, в свою очередь, – излучает.
В рамках статьи мы не будем рассматривать пассивную технологию, а углубимся в активную. Здесь также существует два варианта. Технология дальнометрии чем-то похожа на лазерную линейку. Такой сканер испускает лазерный луч и, замеряя время, за которое луч вернется на приемник, рассчитывает расстояние до точки. Зная вертикальный и горизонтальный углы поворота сканера и расстояние до точки, программное обеспечение определяет положение каждой точки в системе координат. За одну секунду такой сканер может собрать до миллиона точек. Эта технология прекрасно подходит для оцифровки больших пространств, от комнат до площадей, дальность сканирования может доходить до 350 метров.
Что касается лазерной триангуляции и технологии структурированного подсвета, то это два похожих по своей идее принципа оцифровки объектов с габаритом от нескольких миллиметров до десяти метров с высоким качеством и очень высокой точностью.
3D-сканеры, использующие принцип лазерной триангуляции, работают по схеме, изображенной на рисунке 1. Этот принцип работы основан на расчете расстояния от излучателя лазера до точки через соотношения треугольников с использованием известных параметров системы.
3D-сканеры, использующие принцип структурированного подсвета, работают по схеме, изображенной на рисунке 2. Этот принцип работы похож на принцип работы человеческих глаз. Линии света изгибаются на объекте, а две камеры смотрят на линии под двумя известными углами. Зная параметры системы, программное обеспечение рассчитывает положение точек.
Независимо от типа 3D-сканера и технологии, по которой он работает, результат сканирования всегда будет представлять собой облако точек в некой системе координат. Часто для более удобной работы с результатом сканирования облако точек триангулируется. Таким образом улучшается визуальное восприятие модели.
На рынке технология лазерного сканирования представлена в основном ручными лазерными сканерами, а структурированный подсвет – стационарными оптическими. Конечно, ручные оптические сканеры также имеют место, но для решения инженерных задач они подходят редко, так как их главной задачей в основном является визуализация объектов. Такие сканеры имеют возможность сканирования с цветом.
Важно отметить, что сканирование на оптику может проводиться как с метками, так и без меток. Лазерные сканеры, в свою очередь, работают только по меткам. Это связано с принципом, по которому результаты сканирования располагаются в единой системе координат. Оптика за один кадр оцифровывает сразу целый участок объекта. После съемки второго кадра с новой геометрией оба кадра совмещаются друг с другом по их общей геометрии или же по меткам. Таким образом из кадров формируется полная геометрия.
Лазерный сканер оцифровывает только те точки, на которые попадают линии лазера. Таким образом, сканер не видит общую геометрию и ориентироваться по ней не может. Для определения позиционирования сканера относительно объекта используются метки либо трекер, следящий за сканером в определенном объеме пространства.
В таблице указаны некоторые характеристики, а также преимущества и недостатки ручных лазерных и оптических стационарных сканеров. Проанализировав таблицу, можно сделать вывод о задачах, решаемых тем или иным оборудованием.
Задачи лазерного сканирования – сканирование средне- и крупногабаритных объектов без напыления с высокой скоростью и точностью для последующего контроля геометрии или реверс-инжиниринга.
Задачи оптического сканирования – нечастое сканирование маленьких и среднегабаритных объектов с высоким разрешением и точностью.
А существуют ли решения для оцифровки геометрии, например, пятидесяти объектов в день? Как оказалось, такие системы есть. Идея работы подобных систем заключается в том, что сканер, оптический или лазерный, закрепляется на роботе-манипуляторе. Таким образом, движение сканера относительно объекта осуществляется роботом согласно управляющей программе, что в разы увеличивает скорость сканирования. Например, с помощью автоматизированной системы оцифровать лопатку с габаритом 250 мм и получить отчет о контроле геометрии можно всего за четыре минуты! Рассмотрим принцип такой системы на примере ScanTech AutoScan-T42, которая изображена на рисунке 3.
Работа с системой AutoScan-T42 состоит из этапов:
Если говорить о производительности такой системы, в день можно проконтролировать геометрию более 70 небольших объектов с габаритами 20–30 см или несколько объектов с габаритами 1–2 м.
Максимальный размер контролируемых изделий ограничен размерами робота и объемом пространства, которое отслеживает трекер (до 18 м³).
Ранее упоминалось, что похожую систему по автоматическому контролю геометрии можно собрать и с использованием оптического сканера. Так каковы же преимущества системы, собранной на основе системы TrackScan?
Самое очевидное преимущество – это возможность сканирования без напыления. При большом количестве блестящих изделий, которые необходимо контролировать, затраты времени на нанесение напыления могут быть равны или даже превосходить время самого сканирования. Таким образом, производительность оптической системы в некоторых случаях в два или более раз меньше, чем у лазерной.
Второе преимущество – возможность сканирования крупногабаритных объектов с высокой точностью без использования фотограмметрии. У оптических систем автоматизированного сканирования есть возможность использования системы фотограмметрии для сохранения точности сканирования. Без использования системы фотограмметрии оптический сканер непредсказуемо теряет в точности на объектах, в два и более раз превышающих по габаритам его зону сканирования. В системе TrackScan точность будет всегда постоянна, независимо от габаритов объекта, и будет определяться трекером, а если точности трекера не хватает, можно ее поднять с помощью системы фотограмметрии.
Третье преимущество по счету, но не по значимости – цена. Стоимость ScanTech AutoScan-T42 в два раза ниже аналогичных систем, построенных на базе оптических сканеров GOM или AICON.
Кроме преимуществ, у системы, безусловно, есть недостатки. Поскольку используется лазерный сканер, по разрешению уступающий оптике, качественно оцифровать очень мелко детализированные объекты, скорее всего, не получится.
На сегодняшний день в России пока что не установлена ни одна система AutoScan-T42, так как ее производство началось всего около полугода назад. Процесс внесения системы в реестр СИ уже начался, испытания пройдены успешно.
В стране, где находится производитель, Китае, система уже сейчас прекрасно себя проявляет в задачах автоматизированного контроля геометрии (см рис. 5 и 6).
1. Стратегия развития аддитивных технологий в Российской Федерации до 2030 года (http://static.government.ru/media/files/ogvdrJAzZEx7roHJAZwVEGZw6yTxBaJu.pdf).
2. Техническая документация Scantech (Hangzhou) Co., Ltd., Китай.
3. Gerardo Antonio Idrobo-Pizo, José Maurício S. T. Motta, Renato Coral Sampaio. A Calibration Method for a Laser Triangulation Scanner Mounted on a Robot Arm for Surface Mapping, 2019. 20 p. DOI: https://doi.org/10.3390/s19081783.
448
Подписка
Всероссийская организация качества
