Новости в безконтактните 3D измервателни технологии

В редица индустриални приложения са налице изисквания за високопрецизни измервания на широк набор от характеристики на обекти с различни размери и тегло и неправилна форма. В автомобилната индустрия например такива измервания служат за база при проектирането, производството и асемблирането на прототипи и компоненти, при качествения контрол на готовите продукти и други етапи от производствения процес. Постоянно изменящите се изисквания на съвременния пазар в тази и множество други индустрии налагат нуждата от по-кратки цикли на проектиране, производство и пазарно лансиране на продуктите, по-висока гъвкавост и често – по-малки партиди с персонализирани компоненти и изделия. За тази цел се разработват различни методи и технологии за триизмерно безконтактно измерване на характеристиките на обекти, които да улеснят производствения процес и контрола на качеството.

Модерните безконтактни 3D измервателни системи могат бързо и прецизно да събират и обработват големи обеми от данни за обектите (както части и компоненти, така и сложни изделия и готови продукти), да ги анализират и визуализират, за да предоставят на проектантите и производителите цялата необходима информация за оптимизиране на технологичните процеси и отделните им етапи. Индустриалните триизмерни системи за безконтактно измерване на различни величини типично са със специални корпуси, високоустойчиви на различни вредни въздействия на средата, включително вибрации, химически и механични въздействия, прах, висока влажност и др.

Разпространени методи за измерване в практиката
Контактните автоматизирани техники и технологии за измерване, като координатните измервателни машини, са изместили ръчното измерване чрез различни уреди и инструменти в съвременната практика. Посредством контактни техники може да се постигне висока прецизност на измерванията, което ги прави подходящи за широк набор от приложения в индустрията. Основен техен недостатък е бавното измерване и ниската ефективност, тъй като се налага физическо преместване на обектите, чиито характеристики се измерват, от една точка до друга, най-често до специално помещение с контролирана среда, в което се помещава координатната техника. В резултат на това се събират откъслечни данни, като много критични параметри често остават непроверени. Координатните измервателни машини, които могат да измерват характеристиките на големи обекти, са големи по размери сами по себе си и правят производствения процес тромав. Решение са съвременните портативни версии на този тип оборудване, които могат да бъдат придвижвани из производствените площи, за да измерват тежките и обемисти обекти и товари на място.

Сред широко използваните безконтактни оптични методи за измерване
в индустрията са технологии, базирани на структурирана светлина и “моаре” модели, лазерни скенери, тракери и фотограметрични устройства. Чрез такива средства може да се постигне много по-голяма ефективност и бързина на измерванията, следователно повече измервания за единица време в сравнение с контактните техники. Общ недостатък е сравнително по-ниската точност на измерванията, като всеки от изброените методи има и свои специфични особености, които ограничават прилагането му.

Измервателните системи, базирани на лазерни тракери, типично се отличават с по-висока прецизност. Не е възможно обаче използването им без оператор, който да извършва измерванията. В допълнение, в зависимост от измерваната характеристика, тези устройства се нуждаят от допълнителни приставки, не са подходящи за генерирането на непрекъснат поток от данни и в крайна сметка могат да бъдат приравнени по ефективност към контактните измервателни методи.

Лазерните скенери, лазерните радари и технологиите, базирани на структурирана светлина, изискват заснемането на множество последователни кадри, за да се извърши измерването. Това ги прави подходящи за приложения, в които времето, необходимо за измерване, не е от значение, но крайно неподходящи за среди, в които са налице вибрации, каквито често са индустриалните обекти и производствените линии.

Фотограметричните системи и особено тези, при които е необходимо предварителното поставяне на специални маркери върху обектите на измерване, могат да постигнат висока прецизност, но са ограничени до специфични измервания и не са подходящи за масово приложение в практиката. Те са неподходящи за сканиране на плътни повърхности, като в много случаи се налага и намеса на оператор за калибриране по време на измерването.

Нови технологии в областта на безконтактното измерване
Най-съвременните методи в областта на безконтактното измерване комбинират възможностите за високоскоростно събиране на данни на цифровите CCD камери с висока разделителна способност, индиректната фотограметрия, при която обектите на измерване се фиксират към специален фон, и усъвършенстваните алгоритми за триизмерно реконструиране. Тази комплексна технология може прецизно да регистрира обекти и да измерва различни техни характеристики, бързо и точно да заснема двуизмерни и на тяхна база да конструира триизмерни изображения на обекта, както и ефективно да комбинира събраната информация, за да осигури адекватни резултати от измерването. Индустриалните системи от този тип са подходящи за работа с необработени, лъскави метални или пластмасови компоненти и изделия в различни работни среди, включително тежки и агресивни промишлени условия, в които са налице вибрации и т. н.

Конструиране на 3D модели от множество двуизмерни изображения
Тази технология е базирана на принципа за конструиране на триизмерни форми от множество двуизмерни изображения на даден обект чрез използването на т. нар. пинхол камери (познати и като “камера обскура”). Кореспондиращите си отличителни белези на обектите в двуизмерните изображения се наслагват, като чрез метода триангулация се възстановява местоположението на реалните триизмерни характеристики на обекта. За целта се изисква точно напасване на кореспондиращите си 2D точки.

Процесът на съчетаване на двуизмерните изображения е затруднен от типично комплексната геометрията на обекта. За по-прецизно 3D конструиране се използват различни фотометрични принципи, като моделиране на базата на разпределението на яркостта в различните двуизмерни изображения на обекта. Положението на камерата в пространството при заснемане на отделните ъгли се определя от две групи параметри – вградените параметри на камерата и външните параметри, включително ротацията и транслацията в триизмерното пространство спрямо координатна система. Често се използва наслагване на 2D точките на съвпадение към предварително генериран CAD модел на обекта или друга координатна система, използвана от производителя. Предимство на технологията е, че е приложима дори в индустриални среди с наличие на вибрации.

Особености на технологията
Описаната по-горе технология за безконтактно 3D измерване е подходяща за конструиране на триизмерни изображения на обекти с различни размери, произволна форма и изработени от широк набор от материали. Дигитализираните данни, снети чрез двуизмерно заснемане, прецизно се обработват за конструирането на комплексен триизмерен модел с точност от порядъка на до 20 микрона. Измерванията се осъществяват чрез анализ на готовите 3D изображения на обекта и неговата плътност, ръбове, повърхностни особености, напречен разрез, специфични белези като дупки или отвори и др. Посредством смяна на обектива на камерата е възможно с една и съща измервателна платформа да се постига различна прецизност на изображенията.
Индустриалните системи за безконтактно 3D измерване, базирани на тази технология, се отличават със значителна процесорна мощ и памет за съхранение, възможности за високоскоростно заснемане и обработка, както и устойчиви индустриални корпуси, подходящи за приложение в тежки промишлени среди.

Типично тези системи са оборудвани с висококачествени осветителни системи, които позволяват заснемане на обектите и при влошено осветление на помещението, както и заснемане на обекти с хомогенни повърхности без текстура (например боядисаните части от автомобилно купе преди асемблиране) достатъчно прецизно за конструирането на точен 3D модел.

3D измерване със свободно движещо се оптично устройство
3D измерването със свободно движеща се оптична глава, като алтернатива на заснемането с една или множество статични цифрови камери, е сравнително лесен за осъществяване метод, който позволява заснемане на обекта от всички желани ъгли. Този етап се допълва отново от напасване на отделните двуизмерни изображения спрямо дадена координатна система. Оптичното устройство типично е ръчна камера за фотограметрично картиране (картографиране) с висока разделителна способност, проектирана за картиране на особеностите на фиксиран обект максимално прецизно, за да е възможно лесно и точно напасване на двуизмерните точки на съвпадение в 3D модел. За база отново се използват множество 2D изображения на обекта от различни ъгли, като обработката им се извършва от специален софтуер, подобно на обработката при измервателните платформи, базирани на цифрови камери. Координатните системи, на чиято база се моделира триизмерното изображение на обектите, в технологичните производствени линии се комбинират в персонализирана координатна рамка, чрез която могат да бъдат прецизно измервани характеристиките на произвежданите, обработвани или асемблирани изделия.

Индустриалните безконтактни 3D измервателни системи със свободно движещо се оптично устройство са устойчиви на различни смущения, свързани с работната среда, включително високи или ниски температури, влага, вибрации, влошено осветление и др. Вградените в тези платформи температурни сензори автоматично идентифицират нуждата от калибриране при високи колебания в температурата на околната среда, ако такава е налице. Калибрирането се извършва автоматично, а заснемането на единично двуизмерно изображение на обекта отнема само секунда. Всички тези предимства на технологията я правят подходяща за различни индустриални приложения, включително асемблиране в автомобилостроенето, качествен контрол на изделия от листов материал, производство на щанци и пресформи, сканиране и проверка на дизайна на прототипи в реален размер и др.

Непрекъснато безконтактно 3D измерване
Този нов подход към безконтактното 3D измерване е подходящ за високоскоростни производствени и технологични линии и редица индустриални приложения в сферата на масовото производство. Той включва интегрирането на система за машинно зрение с висока разделителна способност в технологичната линия, която извършва непрекъснати измервания на различни характеристики на изделията и регистриране на дефекти с цел прецизен качествен контрол. Тези системи осигуряват непрекъснат поток от данни към софтуерната платформа за обработка, който позволява проследяване на тенденции по отношение на качеството във времето, идентифициране и извеждане на цели дефектни партиди, локализиране на грешки в настройките на оборудването в производствената линия и др. Отново на базата на двуизмерно заснемане на обектите се генерират точни триизмерни модели. След това образът на реалното изделие се наслагва върху предварително изготвения CAD модел и се регистрират несъответствията.

Разработени специално за промишлени приложения, индустриалните системи за безконтактно 3D измерване са оборудвани със специални компоненти по индустриален стандарт – оптични кабели, индустриални корпуси с висок клас на защита и др. Тъй като тези системи са предназначени за интегриране в дадена технологична линия и се нуждаят от персонализирани спрямо конкретните изисквания компоненти, цената им типично е по-висока от стандартните решения, които обаче невинаги осигуряват необходимата прецизност на измерванията.

Предимства на метода
Сред преимуществата на интегрираните системи за непрекъснато безконтактно 3D измерване в индустрията са възможността за максимално пространствено доближаване до измервания обект, едновременно заснемане на обекта от различни ъгли, измерване на особености по цялата му повърхност, висока прецизност, сравнима с тази на координатните измервателни машини, високи скорости на събиране и обработка на данни и др. Внедряването на такава технология в производството води до по-малко бракувани изделия и партиди, цялостно повишаване на качеството и оптимизиране на контрола му, по-ефективно процесно управление, намаляване на оперативните разходи, както и генериране на достатъчно информация за обратна връзка с продуктовите инженери.