Skaner 3D SCAN3D qualify i oprogramowanie Geomagic Qualify

W artykule przedstawiono zagadnienie kompleksowej kontroli jakości i pomiarów obiektów technicznych przy użyciu bezdotykowe­go skanera 3D scan3D qualify 10MPix produkcji firmy SMARTTECH oraz oprogramowania Geomagicqualify. Artykuł podkreśla znaczenie roz­dzielczości i dokładności odwzorowania skanera 3D oraz opisuje zaawansowane funkcje kontroli jakości oprogramowania GeomagicQualify. Opisuje praktyczne przypadki pomiarowe, w których niezbędna jest wysoka rozdzielczość skanowania mierzonego modelu. Zwraca również uwagę na wyższą referencyjność metrologiczną skanera 3D, którego konstrukcja umożliwia trwałą kalibrację na określoną objętość pomiarową i uzyskanie certyfikatu dokładności pomiarowej urządzenia z akredytowanego laboratorium.

Rys. 1 Skaner 3D typu scan3D BLUE produkcji firmy SMARTTECH

Skanery 3D stały się w ciągu ostatnich lat uznanym narzędziem pracy inżyniera za­równo w procesie przygotowania pro­dukcji, jak i kontroli. Bezdotykowe syste­my pomiarowe są wygodniejsze w uży­ciu i znacznie zwiększają efektywność pro­cesu inżynierii odwrotnej i kontroli jako­ści. Skanery 3D sprawnie kontrolują wy­miary produktów końcowych porównu­jąc je z założonym projektem CAD, a tak­że pozwalają na monitorowanie stopnia zużycia narzędzi. Trudności pojawiają się przy wyborze konkretnego modelu skane­ra 3D, porównaniu danych technicznych, a w szczególności zapewnieniu referencyj­ności urządzenia zarówno dla klientów, jak i na potrzeby własnego systemu kontroli jakości. Częstym problemem spotykanym w zagadnieniu systemów optycznych jest zrozumienie różnicy między dokładnością a rozdzielczością systemu pomiarowego.

Parametry bezdotykowych skanerów 3D

W bezdotykowych skanerach 3D z oświe­tleniem strukturalnym (rys. 1) głównymi źródłami błędów są nieliniowości w od­wzorowaniu funkcji intensywności, niedo­kładności odwzorowania projektowanych rastrów względem siebie, niedoskonałości zastosowanych układów optycznych oraz konfiguracja geometryczna pary projektor – detektor. Dlatego przy wyborze skanera dobrze jest znać podstawowe parametry opisujące urządzenia.

Objętość pomiarowa

Skanery wykorzy­stujące projekcje światła strukturalnego mierzą obiekty znajdujące się w stałej dla danego układu sprzętowego odległości. Oznacza to, że mierzony jest obiekt znaj­dujący się w określonej objętości od głowi­cy skanującej i tylko w wyznaczonym pro­stopadłościanie. W większości dostępnych na rynku skanerów 3D objętość może być zmieniana przez użytkownika dzięki wy­mianie obiektywów, co pozwala na opty­malizację rozdzielczości skanera w zależ­ności od zastosowania. Za wygodę użyt­kownik zapłacić musi samodzielną kalibra­cją systemu, a tym samym brakiem możli­wości certyfikacji dokładności urządzenia. Objętość pomiarowa w skanerze scan3D qualify jest stała – wybierana przez klien­ta w procesie zamówienia skanera. Dzię­ki specjalnej zamkniętej konstrukcji obu­dowy i niezmiennej geometrii skaner ten może uzyskać certyfikat potwierdzający dokładność pomiaru, a dzięki temu być referencyjnym urządzeniem pomiarowym dla klientów końcowych bądź wewnętrz­nych systemów jakości (np. ISO).

Rozdzielczość

Rozdzielczość skanera 3D można wyrazić w odstępie pomiędzy kolej­nymi punktami pomiarowymi pochodzący­mi ze skanera 3D lub w ilości punktów/mm2. Jest to parametr pozwalający na określenie jakiej wielkości detale skaner jest w stanie zarejestrować. Średnio uznaje się, że do po­prawnego odwzorowania detalu o wielkości 1 mm powinniśmy mieć punkt co 0,1 mm, czyli minimum 100 pkt/mm². Oznacza to, że skaner 3D o mniejszej rozdzielczości, pomi­mo nawet bardzo wysokiej dokładności nie odwzoruje dokładnie rysy o grubości poni­żej 1 mm przy mniejszej niż podana rozdziel­czość. Rozdzielczość skanera 3D zależy od dwóch parametrów: rozdzielczości detekto­ra oraz skalibrowanej objętości pomiarowej. Rozdzielczość skanera jest proporcjonalna do rozdzielczości detektora i odwrotnie pro­porcjonalna do objętości skanera 3D. Nale­ży pamiętać, że przy odwzorowaniu drob­nych detali rozdzielczość może być parame­trem ważniejszym od dokładności samego systemu.

Niezmienność parametrów i niezawod­ność

Gwarancją niezmienności parame­trów może być jedynie trwała geometria całego systemu gwarantująca niezmien­ność całego układu w czasie i laboratoryj­nie wykonana kalibracja systemu pomia­rowego. Jednak większość producentów pozostawia kalibrację systemu użytkow­nikowi końcowemu, tym samym uzależ­niając parametry od czynnika ludzkiego, co w przypadku kontroli jakości w prze­myśle jest nieakceptowalne. Odpowie­dzią na zapotrzebowanie na urządzenia pomiarowe, które spełniają warunek refe­rencyjności jest certyfikacja dokładności odwzorowania skanerem 3D w akredyto­wanym laboratorium pomiarowym. Może być ona wykonana jedynie przy założe­niu niezmienności całego układu w cza­sie, w tym również podczas transportu. Z tego powodu SMARTTECH wszystkie swoje skanery oferuje jako systemy kali­browane na produkcji z możliwością wy­konania akredytowanej certyfikacji.

Rozdzielczość skanera 3D a jakość odwzorowania detalu

Podejmując decyzję o zakupie skanera 3D należy rozumieć różnicę między dokładnością a rozdzielczością systemu pomiarowego, które w przypadku syste­mów optycznych są danymi kluczowymi. Znajomość tych dwóch parametrów pozwala na optymalny wybór urządzenia do zaplanowanego przez nas zastoso­wania. W celu zobrazowania znaczenia rozdzielczości skanowania w pomiarach 3D poniżej zaprezentowano trzy pomiary wykonane w tej samej dokładności ska­nowania 0,04 mm z różną rozdzielczością detektora (2/5/10 MPix) przy zachowaniu tej samej objętości pomiarowej.

Rys. 2 Skan odlewu dekoru w kształcie liścia zeskanowany skanerem 3D scan3D qualify z różnymi detektorami: a) 2 MPix, punkt co 1 mm; b) 5 Mpix, punkt co 0,2 mm; c) 10 MPix, punkt co 0,1 mm

Pomimo tej samej dokładności odwzorowa­nia obiektów na obrazach wyraźnie widać różnice w jakości odwzorowywanych szcze­gółów skanowanego obiektu. Przy mniejszej rozdzielczości ilość punktów odwzorowują­cych powierzchnie jest nie wystarczająca.

Efektywna kontrola jakości na podstawie danych z pomiaru skanerem 3D scan3D qualify GEOMAGIC QUALIFY

Połączenie skanera scan3D qualify z opro­gramowaniem GeomagicQualify stano­wi kompleksowe rozwiązanie pozwalają­ce na efektywną kontrolę jakości dowol­nego obiektu 3D. Dzięki dużej rozdzielczo­ści skanera 3D użytkownik może odwzo­rować dowolny detal obiektu mierzone­go, a za pomocą oprogramowania wycią­gnąć wszelkie informacje dotyczące mie­rzonych wartości. Jako przykład posłuży zawór hydrauliczny o średnicy ok. 190 mm i wysokości 200 mm (rys. 3).

Rys. 3 Skan zaworu hydraulicznego wykonany skanerem Scan3D qualify. Chmura punktów składa się z 14 skanów i ma rozdzielczość od 0,5 mm do 1 mm

Porównanie z modelem wzorcowym

Wyczyszczone z szumów i połączone chmury punktów stanowią model, który wczytujemy do oprogramowania Geoma­gicQualify, a następnie importujemy plik CAD mierzonego zaworu. Jak widać poni­żej oba obiekty są rozsunięte (różne układy odniesienia) i należy je wyrównać.

Aplikacja ma szereg metod wyrównywa­nia obiektów, ale najbardziej miarodajną jest metoda bazująca na cechach geome­trycznych, takich jak płaszczyzny, walce, sfery, linie, punkty. Znając warunki pracy badanego obiektu możliwe jest wytypo­wanie takich obszarów na skanie, które w minimalnym stopniu uległy zużyciu podczas pracy urządzenia. Znalezienie ta­kich obszarów zagwarantuje prawidłowe wyrównanie skanu i modelu CAD.

Na rysunku 4 widoczne są takie cechy geo­metryczne jak: powierzchnie i walce. Użyt­kownik wskazuje na modelu CAD położenie danej cechy, która automatycznie jest ge­nerowana na skanie. W ten sposób możliwe jest szybkie wyrównanie obiektów.

Rys. 4 Wyrównywanie wzorca i obiektu mierzonego na podstawie wybranych cech geometrycznych

Ostatnim krokiem jest porównanie obu modeli i wygenerowanie przestrzennego modelu z naniesionymi odchyłkami. Tak stworzona kolorystyczna mapa odchy­łek pozwala na szybka ocenę dokładno­ści odwzorowania modelu referencyjne­go i wskazanie miejsc potencjalnych błę­dów wykonania.

Tworzenie dokumentacji kontrolno-wy­miarowej

Przy pomiarach poszczegól­nych elementów obiektu jak np. otwory niezwykle pomocna jest funkcja oprogra­mowania GeomagicQualify pozwalająca na szybkie wyciągnięcie z chmury punk­tów poszukiwanych wartości pomiaro­wych (tu średnice i rozłożenie otworów).

Rys. 5 Porównanie obiektu wzorcowego i skanowanego: wyrównanie modeli (z lewej) przy zadanej przez użytkownika płaszczyźnie bazowej, kolorowa mapa odchyłek obiektu od wzorca (z prawej)

Skanery optyczne są w stanie dać znacz­nie więcej informacji pomiarowych od standardowych maszyn współrzędnościo­wych – pod warunkiem odpowiedniego doboru rozdzielczości skanowania. Dlate­go pełne wykorzystanie możliwości tych urządzeń możliwe jest przy użyciu detek­torów o dużych rozdzielczościach, co ła­two zauważymy na przykładzie pomiaru gwintu M33. Pomiar wykonano skanerem Scan3D qualify o objętości pomiarowej 600 x 400 x 250 mm, który ma dwa tryby skanowania: FAST o rozdzielczości 0,23 mm i PRECISE 0,11 mm. Do wykonania popraw­nej analizy drobnych detali danego obiek­tu, wymagana jest wysoka rozdzielczość skanu. Jak pokazują poniższe rysunki, mała rozdzielczość uniemożliwia wiarygodne sprawdzenie wymiarów gwintu, gdyż po­bieranie wymiarów z jednego lub dwóch punktów nie pozwala poprawnie dopaso­wać linii wymiarowych.

Rys. 6 Chmura punktów pochodząca ze skanera scan3D qualify wykonana w różnych trybach pomiarowych: Precise (od lewej) i Fast (po prawej)

Na rysunkach poniżej pokazane są dwa skany gwintu zaworu hydraulicznego. Po prawej wykonany w trybie FAST, po lewej PRECISE.

Rys. 7 Widok przekroju poprzecznego detalu z rys. 6 w celu zwymiarowania gwintu. Pomiary pochodzących ze skanów wykonanych w różnej rozdzielczości. Po lewej skan z rozdzielczością 0,1 mm, po prawej z rozdzielczością 0,2 mm

Automatyzacja kontroli wymiarowej i tworzenie raportów

Niewątpliwą za­letą oprogramowania Geomagic jest moż­liwość tworzenia schematów pomiaro­wych na podstawie raz przeprowadzone­go procesu kontroli. Oznacza to zwiększe­nie efektywności kontroli jakości i wielo­krotne skrócenie procesu tworzenia ko­lejnych raportów pomiarowych.

Jednocześnie oprogramowanie daje wła­ściwie nieskończone możliwości tworzenia własnych raportów pomiarowych dosto­sowanych do potrzeb użytkownika. W ra­portach oprócz tabel, określania max. tole­rancji, tradycyjnego wymiarowania, prze­kroi czy map odchyłek znajdziemy również takie formaty jak pdf3D, które znacznie ułatwiają komunikację pomiędzy działem kontroli jakości a innymi działami firmy jak np. zarząd, klient zewnętrzny.

Podsumowanie

Skaner optyczny typu scan3D qualify firmy SMARTTECH w połączeniu z oprogramo­waniem GeomagicQualify stanowi kom­pleksowe narzędzie do zaawansowanej kontroli jakości wymiarów geometrycz­nych produktów. Dzięki połączeniu wy­sokiej rozdzielczości skanera i zamknię­tej obudowy (pozwalającej na certyfika­cję dokładności urządzenia) oraz zaawan­sowanych funkcji oprogramowania Geo­magic znacznie wzrasta efektywność prze­prowadzanych procesów kontroli, a uzy­skane wyniki mogą być uznane za referen­cyjne zarówno na potrzeby odbiorców ze­wnętrznych, jak i systemów zapewnienia jakości typu ISO. Rozwiązanie to, dzięki in­tuicyjnej obsłudze i możliwości automaty­zacji procesu pozwala na znaczne obniże­nie kosztów kontroli jakości.

Anna Gębarska, Dariusz Jasiński
SMARTTECH