3D-сканеры для метрологического контроля: выбор и характеристики

Рассказываем об использовании 3D-сканирования в системах контроля качества — о возможностях метрологических 3D-сканеров, способах их применения и подходах к выбору сканера. 

Читайте статью, чтобы узнать больше

Содержание

• Введение
• Возможности 3D-сканеров
• Области применения
• Цели использования
  • Входной и выходной контроль
  • Анализ взаимного расположения элементов
  • Контроль геометрии крупногабаритных объектов
  • Контроль геометрии малоразмерных объектов
• Выбор сканера
• Примеры 3D-сканеров для метрологического контроля качества
• Описание RangeVision Pro
  • Характеристики сканера
• Использование 3D-сканера на производстве
  • Контроль качества в компании Dolsatech
  • Контроль качества в компании INKAY TECHNOLOGY
  • Контроль качества в ПАО “Завод “Красное Сормово”
• ScanTech PRINCE775
  • Применение сканера
• ScanTech KSCAN-Magic
• FreeScan UE Pro
• FreeScan UE 11
• FreeScan UE 7
• Заключение

Введение

С развитием машиностроения растут требования к точности изготовления деталей и комплектующих. Одновременно расширяется диапазон размеров изделий, а их формы усложняются. Как следствие, увеличивается значение контроля качества изготовления компонентов и правильность сборки готовых изделий. Обычно такой контроль требует много времени, сил и средств. Использование 3D-сканирования позволяет существенно снизить затраты – и временные, и финансовые. 

Возможности 3D-сканеров

Источник: solutionix.com

3Д-сканеры обеспечивают бесконтактное измерение геометрических параметров изделий. Обычно сканеры используют для измерения:

• линейных размеров;

• координат центров отверстий и их диаметров;

• углов между гранями и ребрами.

Специализированное ПО производит сверку полученных данных с чертежами и выявляет отклонения.

При использовании 3D-сканеров отпадает необходимость выбора точки отсчета, облегчаются перпендикулярные и параллельные измерения, резко возрастает точность всех измерений. ПО обеспечивает выявление любых геометрических отклонений, а также раковин, трещин, коррозии и прочих дефектов. 3D-сканирование позволяет оперативно выявлять и устранять изъяны, корректировать размеры и проводить другие мероприятия, направленные на повышение качества.

Области применения

Источник: sastrarobotics.com

3D-сканирование обладает множеством преимуществ, по сравнению с традиционными методами метрологического контроля, но организация сканирования требует существенных вложений и является экономически оправданной лишь тогда, когда имеется перспектива быстрой окупаемости:

• массовое производство, требующее сквозного входного и выходного контроля и, как следствие, большого числа измерений;

• производство уникальных изделий сложной формы, также требующее множества измерений, несмотря на небольшое число объектов.

Рынок 3D-оборудования расширяется с каждым днем. Впечатляет и география производителей, и линейка продукции. Потребителям предлагают на выбор модели разной ценовой категории. Но здесь нужно найти золотую середину: дорогой аппарат с множеством функций будет долго окупаться, если его возможности не будут востребованы в условиях существующего производственного процесса, и наоборот — бюджетное устройство может не справиться с поставленными задачами.

Необходимо провести маркетинговые исследования, сопоставить производственные проекты с функциональностью 3D-сканеров, рассчитать капитальные вложения и период окупаемости. Для неспециалиста это сложная и долгая работа. Поэтому производители заранее готовят коммерческие предложения под разные производственные задачи.

О том, как выбрать подходящую технологию 3D-сканирования, мы рассказали в этой статье.

Без 3D-сканирования не обойтись в случаях, когда использование традиционных методов затруднено или совсем невозможно:

• контроль геометрических параметров электронных компонентов, подверженных риску повреждения статическим электричеством; 

• обмер изделий из нетвёрдых материалов, деформирующихся при механическом контакте, а также изделий, отличающихся повышенной хрупкостью;

• повторные обмеры изделий, которые физически отсутствуют. В этом случае используется ранее созданные полные цифровые модели, параметры которых в любой момент можно получить еще раз.   

Цели использования

Источник: www.capture3d.com

Входной и выходной контроль

Любой производственный участок, как и предприятие в целом, осуществляет контроль качества поступающих компонентов и выходящих изделий. Если это массовое производство, контроль осуществляется выборочно, но даже в таком случае необходимо привлекать целый штат специалистов, что отражается на себестоимости. 3D-сканирование позволяет полностью автоматизировать процесс и, как следствие:

• повысить качество контроля, перейдя от выборочного контроля к сплошному;

• существенно ускорить процесс контроля;

• удешевить процесс, снизив и число работников, и требования к их квалификации.

Анализ взаимного расположения элементов

Если изделие включает несколько элементов, при изготовлении необходимо постоянно контролировать их взаимное расположение. 3D-сканер позволяет отслеживать взаимное расположение всех элементов на экране компьютера и вносить правки по мере необходимости.

Контроль геометрии крупногабаритных объектов

Многие крупногабаритные объекты, такие как суда, самолеты или строительная техника, нуждаются в метрологическом анализе геометрии корпусов. Эта процедура требует привлечения высококвалифицированных специалистов и больших временных затрат. Обеспечивая высокий класс точности и не имея ограничений по размеру исследуемого объекта, 3D-сканеры могут полностью заменить классические средства контроля и существенно снизить затраты времени и денег. 

Примеры сканирования крупногабаритных объектов приведены в одной из статей нашего блога. Переходите по ссылке, чтобы ознакомиться с материалом.

Контроль геометрии малоразмерных объектов

Иногда контролировать параметры мелких изделий сложнее, чем крупных, поскольку классические способы измерений не обеспечивают достаточной точности или оказываются вообще неприменимы. Однако, для 3D-сканера размер значения не имеет: на экране компьютера трёхмерная модель изделия воспроизводится с точностью до нескольких микрон. Любые отклонения от заданных параметров сразу же выделяются цветом, что радикально облегчает их обнаружение.

Выбор сканера

Источник: tool-maker.net

Выбор сканера для метрологического контроля качества производится по множеству параметров. И задачи, которые ставятся перед сканерами, и сами сканеры столь многочисленны и разнообразны, что можно представить лишь самые общие соображения относительно выбора необходимого оборудования.

1. Точность измерений

Избыточная точность в измерениях означает пустую трату денег и времени, недостаточная вовсе не позволит использовать сканер. Например, для судостроения приемлемой является точность в десятые доли миллиметра, а для оптики или прецизионной механики необходима точность в десятые доли микрона. 

2. Область сканирования

Чем больше габариты объектов, которые предстоит сканировать, тем больше должна быть область сканирования и, соответственно, наоборот. Следует иметь в виду, что величина области сканирования обычно обратно пропорциональна разрешению — приобретя сканер с избыточной областью сканирования, потребитель может столкнуться с нехваткой разрешения и точности. 

3. Быстрота сканирования

Требования к времени калибровки и сканирования определяются способом использования сканера. Для “штучного” производства, требующего 2-3 измерения в час, длительность сканирования в несколько минут вполне приемлема. Для конвейера, требующего десятки измерений в минуту, требования в десятки раз выше.

4. Программное обеспечение

Следует делать выбор в пользу устройств, располагающих специализированным ПО (наиболее наглядный пример – сканеры для стоматологии). Если специализированного ПО нет, необходимо уделить повышенное внимание удобству использования устройства и соответствию форматов предоставляемых им данных требованиям используемых предприятием АСУ. 

5. Стоимость

При выборе сканера, необходимо оценивать перспективы его окупаемости. Приобретение чрезмерно дорогого устройства способно оказать длительное негативное влияние на себестоимость продукции. 

Примеры 3D-сканеров для метрологического контроля качества

Рассмотрим использование 3D-сканеров для контроля качества на примере RangeVision Pro. Это первый российский 3D-сканер, утверждённый Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии как тип средства измерения.

Описание RangeVision Pro

Источник: top3dshop.ru 

Основные характеристики сканера, обеспечивающие высочайшую детализацию и точность 3D-моделей, – это технология структурированного подсвета, камеры разрешением 6Мп и оригинальные алгоритмы обработки данных. Возможность настройки сканеров на три различные области сканирования позволяет с неизменно высоким разрешением оцифровать как миниатюрные (менее 3 см), так и крупные (более 1 м) объекты. Благодаря сменным объективам и изменяемым зонам сканирования, 3D-сканер RangeVision PRO подходит для сканирования и ювелирных изделий, и кузовных элементов автомобиля, решая задачи от визуализации до контроля качества.

Программное обеспечение RangeVision разработано специально для быстрой обработки результатов сканирования, в нём можно проводить базовые функции измерений и контроля геометрии. Оно позволяет оптимизировать получившуюся 3D-модель с помощью автоматизированных функций сшивки фрагментов, заполнения пустот и выравнивания изображений. 

Выходной формат данных STL подходит для обработки 3D-моделей во всех популярных CAD/CAM программах: Solidworks, Autocad и прочих, а также средах виртуального моделирования: 3Ds Max, Maya, Rhinoceros. Все обновления программного обеспечения бесплатны.

Узнайте больше о 3D-сканере RangeVision PRO.

Характеристики сканера

Использование 3D-сканера на производстве

Контроль качества в компании Dolsatech

Источник: rangevision.com 

Компания “Dolsatech”, партнер Iveco и Porsche в Италии, нуждалась в повышении эффективности контроля качества литых деталей, поступающих из Китая. Классическая система контроля обладала недостаточной пропускной способностью и испытывала затруднения при работе с объектами сложной формы. 

В качестве инструмента для решения данной задачи был выбран 3D-сканер RangeVision PRO. В отличие от классических средств измерения, которые располагаются в специально оборудованных лабораториях, куда необходимо транспортировать все детали для контроля, 3D-сканер RangeVision мобилен. Начав использовать его, компания смогла проводить сканирования на своей территории и сократила затраты на логистику. 

Источник: rangevision.com

3D-cканер с легкостью размещается как в производственных, так и в складских помещениях. Для минимизации временных затрат детали сканируются в оптимальном, с точки зрения логистики, месте. 3D-сканер RangeVision позволяет подобрать оптимальную зону сканирования и получить качественную финальную 3D-модель объекта любого размера. В данном случае, для сканирования крупной детали размером 1,70х0,72 м использовалась зона сканирования размером 300x225x225 мм. Перед началом сканирования на деталь наносились маркеры, за счет которых сшивка отдельных сканов происходила в полностью автоматическом режиме, что значительно упростило и ускорило выполнение задачи. Весь процесс создания 3D-модели происходил в программном обеспечении ScanCenter, входящем в комплект поставки сканеров RangeVision. 

Контроль качества в компании INKAY TECHNOLOGY

Источник: rangevision.com

Итальянской компании INKAY TECHNOLOGY SRL потребовалось оценить соответствие отлитой корпусной детали, полученной от поставщика, исходному CAD-файлу и принять решение о необходимости доработки формы под литье, в случае выявления отклонений. Объект имел сложную форму, вследствие чего измерить его обычными методами было затруднительно. Для решения поставленной задачи использовался 3D-сканер RangeVision.

На первом этапе сканировалась внешняя часть корпуса. Для удобства работы использовались маркеры: за счет их грамотного распределения объект сканирования можно было размещать перед сканером любой стороной, а сшивка сканов происходила в автоматическом режиме. На втором этапе, для сканирования внутренней части, корпус коробки передач был разделен на две части с помощью высокоточной фрезы. Каждая половина сканировалась отдельно. На третьем этапе совмещались все отсканированные части. При этом сшивка групп сканов внутренней части происходила по геометрии внешней стороны той же детали, отсканированной на первом этапе.

Источник: rangevision.com

Полученная модель подверглась прямому сравнению с исходным CAD-файлом, по результатам которого была создана цветовая карта отклонений. Такой способ сравнения нагляден, позволяет с легкостью интерпретировать результаты измерений и оперативно использовать их для доработки литьевой формы или оптимизации процесса литья. В результате проделанной работы литьевая форма была доработана в соответствии с требованиями заказчика и в производство были запущены детали с соблюдением всех допусков.

Контроль качества в ПАО “Завод “Красное Сормово”

Источник: rangevision.com

3D-сканирование часто оказывается эффективным не только при массовом производстве, но и при изготовлении единичных изделий. Многие комплектующие для судового машиностроения, изготавливаемые методом литья, имеют сложную пространственную конфигурацию. Их контроль механическими средствами затруднен и обычно осуществляется только после обтачивания в цеху механической обработки или даже на стапеле, часто через месяцы после получения изделий из литейного цеха. Поэтому для контроля качества изготовления подобных деталей всё шире применяется 3D-сканирование.

На судостроительном заводе «Красное Сормово» было принято решение использовать сканированием для контроля качества изготовления ступицы винта регулируемого шага, так как только этот метод дает представление о геометрии всего изделия. Без оцифровки службе контроля качества пришлось бы работать только с отдельными размерами или сечениями.

Наружный диаметр изделия составлял 800 мм, а высота – 700 мм. Технологи литейного цеха задали минимальные припуски на ее посадочных диаметрах, для уменьшения заливочной массы и сокращения затрат на мехобработку. Кроме того, впервые в практике изготовления таких деталей, часть внутренних поверхностей выполнили начисто. Поэтому требования к качеству модельной оснастки и сборке формы существенно возросли.

Источник: rangevision.com

На ступицу наклеили маркеры для автоматического совмещения сканов, а затем перемещали 3D-сканер RangeVision PRO вокруг нее, собирая данные со всех ракурсов. Сто отдельных кадров образовали единую 3D-модель. Файл в формате стереолитографии (stl) экспортировали в GOM Inspect для сравнения с исходной математической моделью и формирования отчета по сечениям. Всего через несколько часов технологи имели полное представление о том, насколько готовое изделие соответствует чертежам – обо всех отклонениях, неровностях, сколах и прочих дефектах.

ScanTech PRINCE775

Фото: www.3d-scantech.com

Ручной 3D-сканер ScanTech PRINCE 775 состоит из двух камер с LED-подсветкой и имеет два режима работы: RED и BLUE, которые используют, соответственно, красный и синий лазеры. Красный лазер применяется для достижения высокой скорости сканирования, синий – для высокой детализации.

В ходе сканирования формируется облако точек, составляющих образ поверхности объекта. Оригинальные алгоритмы компании ScanTech обеспечивают быструю обработку данных, получаемых в ходе сканирования, и их выведение на экран в режиме реального времени.

Фото: www.3d-scantech.com

Узнайте больше о 3D-сканере ScanTech PRINCE 775.

Применение сканера

Иногда ScanTech PRINCE 775 применяют для сканирования малых объектов, таких как монеты и ювелирные изделия, однако это – исключение. Обычно сканер используют для работы с крупными объектами, такими как детали самолетов, автомобилей, энергетических установок и т.д. Кроме того, сканеры серии PRINCE нашли широкое применение в промышленном дизайне, реверс-инжиниринге, контроле качества на производствах, оцифровке музейных экспонатов, создании 3D-фильмов, 3D-игр и VR/AR-контента. 

Фото: www.3d-scantech.com

3D-сканирование вертолета для инженерной лаборатории университета. Для сканирования использовался портативный 3D-сканер PRINCE, обладающий высокой детализацией, в паре с  MSCAN, применяемым для измерений большого объема, благодаря функции фотограмметрии.

Фото: www.3d-scantech.com

Сканирование корпуса Airbus A350 с использованием такого же набора: 3D-сканер PRINCE в паре с MSCAN. Такое применение обеспечивает быстрое и точное выполнение задач контроля качества и обратного инжиниринга. 

Фото: www.3d-scantech.com

Пример сканирования крыльчатки для обратного проектирования. Обратное проектирование используется для создания проекта на основе готового изделия, когда нельзя получить необходимую производственную информацию другим путем. 

ScanTech KSCAN-Magic

Фото: top3dshop.ru

ScanTech KSCAN-Magic — аппарат из серии гибридных 3D-сканеров с технологией «инфракрасный лазер + синий лазер», способный работать в пяти стандартных рабочих режимах. Устройство используется для сканирования проблемных объектов, обладающих сложной геометрической формой. Допускается сканирование черных или блестящих поверхностей без применения матирующих спреев.

Особенностями 3D-сканера являются встроенная фотограмметрическая система и способность работать в режиме ИК-лазера, синего лазера и синих лазерных перекрестий.

Это универсальное и точное устройство, работающее с высокой скоростью, применяется в разных областях промышленности для реинжжиниринга, прототипирования, цифрового моделирования, фотограмметрии, 3D-визуализации и выполнения других комплексных задач.

Фото: top3dshop.ru

Узнайте больше о 3D-сканере ScanTech KSCAN-Magic.

FreeScan UE Pro

Фото: shining3d.ru

FreeScan UE Pro — высокоточный 3D-сканер из линейки новейших высокопроизводительных ручных устройств. С его помощью получаются точные детализированные трехмерные изображения разных объектов, в том числе крупногабаритных, с глубокими отверстиями и узкими областями. Разработчики конструкторского бюро Shining3D предложили сканер, совмещающий технологии лазерного 3D-сканирования и фотограмметрии. Файл с изображением можно импортировать в ПО для проектирования и контроля геометрии.

Фото: shining3d.ru

Узнайте больше о 3D-сканере FreeScan UE Pro.

FreeScan UE 11

Фото: shining3d.ru

3D-сканер FreeScan UE 11 — портативное устройство для выполнения измерений с метрологической точностью. Благодаря синему лазерному подсвету, образующему сетку из 22 лазерных линий, удалось добиться высокой степени точности сканирования — 20 мкм. Есть возможность сканировать детали с темной и блестящей поверхностью без дополнительной обработки матирующим порошком. Высокая скорость съемки и широкая область захвата позволяют работать с крупногабаритными деталями. Сканер FreeScan UE 11 может применяться в разных областях индустрии: энергетической, машиностроительной, авиастроении и прочих.

Фото: shining3d.ru

FreeScan UE 7

Фото: top3dshop.ru 

Ручной лазерный 3D сканер FreeScan UE7 — устройство из линейки высокоточных метрологических сканеров: точность сканирования до 0,02 мм. Есть возможность оцифровки объектов с черной и отражающей поверхностью, что значительно расширяет сферу применения сканера. Freescan UE7 рекомендуется для проведения высокоточных метрологических контрольных измерений в производстве комплектующих на предприятиях автомобилестроения, аэрокосмической отрасли, для контроля литья и пр.

Фото: top3dshop.ru 

Узнайте больше о 3D-сканере FreeScan UE 7.  

Заключение

Использование 3D-сканеров в процессах метрологического контроля способствует повышению качества выпускаемой продукции, а также снижению временных и материальных затрат. Таким образом, применение 3D-сканирования становится важным фактором роста эффективности производства и повышения конкурентоспособности предприятия в целом.