Как выбрать 3D-сканер для контроля качества

Здравствуйте! С вами Top 3D Shop и в очередном обзоре мы рассказываем о выборе 3D-сканера для контроля качества на производстве.

Источник: capture3d.com

Каковы современные технологии контроля качества в процессе производства и для готовой продукции, какое оборудование применяется и какие преимущества оно имеет — узнайте больше из этой статьи.

Содержание

• Что такое контроль качества, контроль геометрии
• Необходимость контроля качества на производстве
• Способы контроля геометрии изделий
  • Ручной обмер
  • Обмер стационарными КИМ — координатно-измерительными машинами
  • Обмер оптическим или лазерным 3D сканером
  • Обмер с помощью фотограмметрии
  • 3D-сканер с зондом
• Преимущества 3D-сканеров для контроля качества
• Программное обеспечение
  • Geomagic Control X
  • GOM Inspect Suite
• Инфографика: Как выбрать 3D-сканер для контроля качества
• Примеры применения
  • Метропоезд: 3D-сканирование в создании вагонов
  • Автопром: CFD-анализ камеры сгорания двигателя
  • Судостроение: контроль качества на «Красном Сормово»
• Заключение

Что такое контроль качества, контроль геометрии

Источник: metrology.news

В широком смысле, контроль качества (QC) – процесс, с помощью которого производитель обеспечивает сохранение или улучшение качества продукции. Контроль осуществляется путем установки контрольных показателей качества и тестирования продукции на предмет отклонений от них. Тестирование продукции и сопоставление полученных данных со спецификациями определяют необходимость каких-либо корректирующих действий в производственном процессе. Важный аспект контроля качества – использование метрологических средств измерений для стандартизации производственных процессов. 

Источник: metrology.news

Контроль геометрии – частный случай контроля качества, где с помощью технических средств проводится измерение тестируемого объекта, его размеров и формы. Применение метрологических 3D-сканеров позволяет получить облако точек исследуемой поверхности, на основе которых создается максимально точная 3D-модель детали, используемая затем для сравнения с эталонной или CAD-моделью.

Необходимость контроля качества на производстве

Источник: capture3d.com

Автоматизированные методы контроля геометрии позволяют существенно сократить затраты на контроль качества, по сравнению с традиционными способами проверки изделий. Если с помощью ручного обмера возможно, без замедления производства, контролировать качество изготовления деталей только выборочно, то с помощью современных способов можно проверять каждую деталь на конвейере.

Проведение некоторых видов контроля качества обычными методами вообще невозможно. Оценка износа деталей самолетов, турбин или какой-то иной геометрически сложной техники, работающей с высокой нагрузкой, возможна только сравнением с проектными моделями, имеющимися в распоряжении изготовителя и составляющими коммерческую тайну. Только 3D-сканирование позволяет быстро провести требуемые измерения и отправить результаты для сравнения или оценки в любую точку мира, производителю или эксперту.

Способы контроля геометрии изделий

Источник: sudonull.com

Для контроля геометрии могут использоваться различные методы и типы оборудования:

• Ручной обмер;

• Оптические 3D-сканеры;

• Лазерные 3D-сканеры;

• Наземные 3D-сканеры;

• Контрольно-измерительные машины (КИМ);

• Манипуляторы с сенсорами;

• Фотограмметрическое оборудование;

• Системы технического зрения.

Пример применения технического зрения:

Ручной обмер

Источник: mitutoyo.com

Ручной обмер по-прежнему используется для проведения единичных измерений объектов простой формы. В современном производстве этот метод контроля качества практически не применяется из-за низкой скорости и влияния человеческого фактора.

Источник: metrology.news

Получение информации об объекте с использованием ручных 3D-сканеров имеет больше преимуществ, по сравнению с ручным обмером, так как позволяет быстро и точно собирать полные данные о форме, размерах, цвете и фактуре поверхности детали, сразу обрабатывать и передавать полученные данные в цифровом виде.

Обмер стационарными КИМ — координатно-измерительными машинами

Источник: metrology.news

Координатно-измерительные машины перемещают контактный щуп по нескольким осям. Каждый раз, когда зонд касается проверяемой детали, измеряются координаты точки в ​​трехмерном пространстве, которые сохраняются в цифровом виде. На основании сравнения полученного облака точек с моделью CAD создается отчет о проверке качества изделия.

Для получения информации о каждой точке требуется физическое перемещение щупа к ней, что требует времени — процесс достаточно долгий. Измерение с помощью КИМ дает возможность измерять глубокие отверстия и другие труднодоступные или недоступные оптическим сканерам участки поверхности.

Главное преимущество КИМ — высокая точность измерений, главный недостаток — низкая скорость.

Обмер оптическим или лазерным 3D сканером

3D-сканеры могут получать миллионы точек за считанные секунды. КИМ собирает несколько точек и использует их для вычисления формы поверхности, 3D-сканер же создает облако точек всей детали. 

Обмер с помощью фотограмметрии

Фотограмметрия – технология получения информации об объекте на основе его фотографий, снятых с разных ракурсов — ПО для фотограмметрии автоматически анализирует большое количество цифровых изображений, для получения трехмерной реконструкции. Может потребоваться ручное вмешательство, чтобы определить положение фотографий в процессе обработки. 

Хотя фотограмметрия может использоваться как самостоятельный метод контроля качества, лучших результатов можно достичь, комбинируя ее с 3D-сканированием.

3D-сканер с зондом

Источник: 4thdimension.gr

Портативные оптические координатно-измерительными машины – гибрид 3D-сканера и КИМ, — инструмент для совмещения высокой точности и способности измерения труднодоступных участков, присущих КИМ, со скоростью работы бесконтактных оптических 3D-сканеров. 

Для этого они снабжены щупом на основном корпусе или отдельным комплектным устройством (на фото — слева), как Scantech TrackScan-P22.

Преимущества 3D-сканеров для контроля качества

Источник: 3d-scantech.com

Преимущества контроля качества с использованием 3D-сканеров:

• Более точные данные, чем в традиционных методах контроля качества;

• Больше данных — миллионы точек поверхности;

• Полученные данные могут быть напрямую использованы инженерными службами;

• Сканирование может быть автоматически повторено для других деталей той же серии.

Программное обеспечение

Geomagic Control X

Источник: 3dsystems.com

Geomagic ® Control X ™ – профессиональное программное обеспечение для трехмерного контроля качества и контроля размеров, собирающее и обрабатывающее данные с 3D-сканеров и других измерительных устройств. Программа обеспечивает контроль качества на каждом этапе, включая проектирование, производство, проверку и обслуживание, а также экспорт результатов работы для дальнейшей обработки.

GOM Inspect Suite

Источник: gom.com

GOM Inspect Suite – бесплатный пакет программного обеспечения для реверс-инжиниринга, с помощью которого можно импортировать данные CAD, создавать полигональные сетки из облаков точек, выполнять 3D-инспекции, легко компилировать результаты в отчеты. ПО поддерживает большинство существующих форматов: PMI, IGES, JT Open, STEP и др. GOM поддерживает интерфейсы для цифровой передачи контрольных характеристик.

Качественные характеристики и справочные системы, реализованные в CAD с помощью семантического дизайна, можно передавать в цифровом виде и оценивать с учетом контекста. Поскольку план измерений создается непосредственно во время импорта CAD, нет необходимости в дополнительном сложном программировании.

GOM Inspect Suite включает в себя все стандартные функции выравнивания, в том числе: выравнивание RPS, иерархическое выравнивание на основе геометрических элементов, выравнивание в локальной системе координат, использование опорных точек и различные процедуры наилучшего соответствия, такие как глобальное и локальное наилучшее соответствие. Кроме того, может выполняться индивидуальная регулировка, например — для лопаток турбины или уравновешенной балки.

Инфографика: Как выбрать 3D-сканер для контроля качества

Открыть в полном размере

Прежде всего, необходимо определиться с размерами сканируемых объектов – это влияет на выбор технологии сканирования и форм-фактора сканера (стационарный настольный, ручной или напольный/наземный):

• Для объектов размерами более 10 м по любой из осей координат не подойдут ручные 3D-сканеры с привычными технологиями лазерной триангуляции или структурированного света. Сканирование таких объектов займет немало времени, а из-за растущей погрешности снижается точность сбора данных, эта проблема частично решается фотограмметрией. Для сканирования очень крупных объектов, таких как самолеты, корабли и здания, эффективнее всего использовать времяпролетные сканеры.

• Портативные КИМ будут полезны, если у объектов много неровностей и отверстий под детали и крепления, если нужна микронная точность измерений, а также если достаточно проверки базовой геометрии по нескольким точкам.

• Для объектов от 10 до 50 см лучше всего подходят стационарные (настольные или напольные на треноге) 3D-сканеры, лазерные и оптические, в комплекте с автоматическим поворотным столом. Оптические настольные и напольные сканеры дешевле и доступнее лазерных. Для задач, требующих высокой скорости сканирования, можно использовать некоторые ручные лазерные сканеры.

• Для мелких объектов лучше всего подойдут настольные высокоточные сканеры с мультиосевым столом. Сканеры такого типа можно разделить на 2 группы: стоматологические и универсальные. Стоматологические сканеры, созданные для сканирования слепков зубов, имеют очень высокую точность, высокое разрешение и встроенные в конструкцию поворотные столы, с возможностью крепления окклюдатора и подставок для слепков. Эти сканеры обычно оборудованы мультиосевым поворотным столом. Такая конструкция позволяет автономно отсканировать большую часть поверхности объекта. Преимущество таких сканеров — хорошая глубина сканирования, позволяющая правильно передавать все углубления, их размер и форму.

Для объектов размерами 10-50 см лучше всего подойдут лазерные ручные сканеры, если соблюдается хотя бы одно из условий:

• 3D-сканирование планируется использовать очень часто;

• объект сканирования невозможно транспортировать в студию, например, это несъемная деталь массивного механизма, или транспортировка невозможна по другим причинам;

• если нет достаточно места для размещения стационарного сканера;

• поверхность объекта сложна для сканирования оптикой – черная или сильно бликующая.

Определившись с размерами сканируемых объектов, важно понять — какая требуется точность сканирования, погрешность измерений, и необходима ли метрологическая сертификация 3D-сканера.

Примеры применения

Метропоезд: 3D-сканирование в создании вагонов

Благодаря экологичности, эффективности и удобству, метро — самый популярный вид городского транспорта в мегаполисах. В том числе потому, что безопасно, а безопасность гарантируют высокие стандарты проектирования и производства поездов. 

Производство головного вагона-локомотива метропоезда разделено на несколько этапов, от проектирования до сборки, и Scantech использовался для сканирования деревянной формы обтекателя головной части поезда, чтобы сравнить полученные данные с исходным проектом и внести исправления при необходимости.

Обычно используются фотограмметрические сканеры, но их применение связано с рядом проблем:

1. Они не портативны, а процесс сканирования средних и крупных объектов сложен и требует много времени.

2. Части с высокими требованиями к детализации необходимо сначала опрыскать спреем или посыпать матирующим порошком, что трудоемко и отнимает много времени, а эффективность работы низкая.

Качество такого сканирования зависит от различных факторов, таких как освещение и свойства самой детали, и не может удовлетворить требования заказчика к проверке. Эффективность сканирования фотограмметрическими 3D-сканерами и 3D-сканерами с шарнирно-сочлененной рамой низкая, они не гарантируют точность сканирования крупных деталей.

Для контроля качества китайским заводом был применен 3D-сканер Scantech HSCAN771.

Портативный сканер HSCAN771 с фотограмметрической системой MSCAN сканирует быстро, с высокой точностью и оптимизирован для контроля средних и крупных деталей, он полностью отвечает требованиям клиентов.

Плюсы применения:

1. Целевая точка позиционируется автоматически и не требует отслеживания с помощью дополнительной роботизированной руки или другого устройства;

2. Устройство легкое и удобное, гибкое в эксплуатации и значительно повышает эффективность работы при работе с глобальной фотограмметрической системой при сканировании крупных объектов;

3. HSCAN771 может сканировать в ограниченном пространстве, одновременно могут работать несколько сканирующих устройств, все данные находятся в одной системе координат, нет необходимости в последующей сшивке; полученные при сканировании данные сравниваются с цифровой моделью головного вагона метро, ПО выявляет отклонения.

Выявленные несоответствия устраняются, после повторного сканирования выявления полного соответствия детали цифровой модели она к производству.

Автопром: CFD-анализ камеры сгорания двигателя

CFD расшифровывается как Computational Fluid Dynamics и представляет собой метод анализа и решения проблем с помощью компьютерной симуляции гидродинамических процессов. Компьютер выполняет расчеты, необходимые для моделирования взаимодействия жидкостей и газов с поверхностями. 3D-сканирование позволяет получить высокоточные структурные объемные данные, которые облегчат и ускорят анализ CFD.

Полигональная модель в формате stl

В этом примере 3D-сканер Scantech PRINCE775 использовался для сканирования крышки цилиндра двигателя, проверки ее геометрии и качества обработки поверхности.

При изготовлении крышки цилиндра заказчик обнаружил, что внутренняя структура камеры сгорания изменилась, и надеялся получить сканированием значения отклонений.

Ранее для этой цели использовались контактные методы измерения и фотограмметрия, которые вызывали некоторые затруднения, а именно:

1. Контактные и фотограмметрические методы измерения с трудом фиксируют некоторые части при сложной геометрии детали, эффективность низкая;

2. Детали ключевых элементов очень маленькие и требуют чрезвычайно высокого разрешения, обычным 3D-сканерам сложно передать высокую детализацию.

3D-сканер PRINCE775 имеет два режима сканирования — можно регулировать разрешение в соответствии с требованиями к деталям, контролировать объем файловых данных, сохраняя скорость измерения и детализацию, что обеспечивает высокую эффективность и удобство измерений.

Детализация после сканирования в режиме синего лазера

Камера с высоким разрешением и частотой 120 кадров в секунду в режиме синего цвета обеспечивает высокую детализацию данных, а режим однолучевого лазерного сканирования гарантирует, что с мертвого угла глубокого отверстия можно также получить 3D-данные.

Результаты сравнения

Сравнение отклонений

Время 3D-сканирования

• Расстановка маркеров — 2 минуты.

• Сканирование объекта — 10 минут.

• Постобработка данных — 10 минут.

Всего 22 минуты.

Судостроение: контроль качества на «Красном Сормово»

Источник: rangevision.com

В Нижнем Новгороде, на судостроительном заводе «Красное Сормово», инженеры и руководство завода решили, что изготовление штучных литых деталей станет точнее и эффективнее с контролем качества с применением 3D-сканирования. Метод дает не только большую точность, в сравнении со старой технологией — с предварительным созданием сложных в изготовлении приспособлений и проверки с их помощью, — но и увеличивает скорость и снижает стоимость процесса.

Источник: rangevision.com

Пример: контроль высокоточного литья, а именно — величины припусков посадочных диаметров, деталь — ступица винта высотой 700 мм и диаметром 800 мм.

Заключение

Источник: faro.com

Традиционные методы контроля качества были эффективны на протяжении десятилетий, но современные технологии дают более точный и информативный результат. Что немаловажно в условиях нарастающего темпа производства — происходит это намного быстрее.

3D-сканирование для контроля качества, как в процессе производства так и в готовой продукции, обеспечивает сокращение производственного цикла, ускорение производства и повышение качества готового продукта.