3D-сканеры: методы и технологии 3D-сканирования

July 29, 2022

Share on facebook
Share on twitter

Многие стратегии цифрового инжиниринга, обеспечивающие будущее разработки, производства, контроля качества и выпуска продукции, начинаются с 3D-сканирования. 3D-сканеры работают с передовыми технологиями и специализированным программным обеспечением, создавая инструмент, который позволяет добиться революционных результатов. Для тех, кто все еще работает с механическими инструментами и традиционной технологией координатно-измерительных машин (КИМ), 3D-сканеры служат легкими воротами в передовые производственные и инженерные стратегии.

Читайте ниже, чтобы узнать больше о том, как работают 3D-сканеры и на что способна эта технология, чтобы вы могли начать пользоваться ее преимуществами уже сейчас.

Что такое 3D-сканеры?

3D-сканер работает путем захвата данных с поверхности физического объекта для описания его формы в точном цифровом трехмерном формате. В отличие от данных измерений на КИМ, высококачественные данные 3D-сканирования используются не только для контроля и анализа размеров. Полученные бесконтактным измерением данные позволяют быстрее и доступнее проводить цифровой анализ и инспекцию с помощью визуального, углубленного метода исследования.
3D-сканеры также используются для репликации деталей при обратном проектировании, проверки посадки, формы и функционирования компонентов в удаленных местах, проверки CAD-моделей 3D-печатных деталей. 3D-принтеры могут использовать данные 3D-сканирования для создания физических объектов.

Что такое 3D-сканирование?

3D-сканирование – это процесс сбора данных о поверхности объекта в цифровом формате для определения его формы, что позволяет пользователям либо воспроизвести деталь путем обратного проектирования, либо проверить ее путем анализа размеров.

Для этого операторы используют сканеры, которые с помощью лазеров, света или датчиков определяют поверхность сканируемого объекта и присваивают этой поверхности точки данных. Эти точки данных в конечном итоге воссоздают объект . В зависимости от типа используемого лазера, света или датчика, уровень детализации и эффективность сканирования могут различаться.

фото2

Технологии 3D-сканирования

Фотограмметрия

Возникшая из фотографии, фотограмметрия является невероятно полезной технологией в различных областях. Эта технология позволяет получить несколько изображений, сделанных в разных позициях, и триангулировать точки на этих изображениях, чтобы определить их расположение в трехмерном пространстве. 

Например, картографы используют эту технологию при составлении карт. Когда речь идет о труднодоступных местах, таких как горы, геодезисты могут использовать фотограмметрию для проведения измерений.

фото3

Многие современные технологии используют фотограмметрию, при этом основным фактором, определяющим точность, является качество снимков. Если изображения некачественные, в сетке будут дыры. Чем больше изображений вы сможете получить, тем выше будет точность сканирования.

Компания Shining 3D предлагает решение – Фотограмметрическая система DigiMetric.

Читайте также пример использования DigiMetric “Сканирование с помощью фотограмметрической системы «Digimetric» и ручного лазерного 3D-сканера FreeScan

Структурированный свет

Эта технология создается путем нанесения геометрических узоров на объект при одновременной съемке изображения камерой. При этом камера регистрирует отклонение изображения. 

На основе этого смещения шаблона можно определить местоположение всех существующих точек. Необходимо провести множество сканирований с разных позиций, а затем объединить их, пока сетка не будет завершена на 100%. Компьютерные программы автоматически объединяют все снимки для формирования полной сетки.

Метод лазерного 3D-сканирования

Сбор данных с помощью трехмерного лазерного сканирования

Процесс лазерного 3D-сканирования

Объект, подлежащий лазерному сканированию, помещается на платформу сканера. Специализированное программное обеспечение направляет лазерный зонд над поверхностью объекта. Лазерный зонд проецирует линию лазерного излучения на поверхность, а 2 сенсорные камеры непрерывно регистрируют изменение расстояния и формы лазерной линии в трех измерениях (XYZ) по мере того, как она проходит вдоль объекта.

Полученные данные

Форма объекта отображается в виде миллионов точек, называемых “облаком точек”, на мониторе компьютера по мере того, как лазер движется вокруг, захватывая всю форму поверхности объекта. Процесс очень быстрый и лазерное сканирование точнее, чем инфракрасное.

Данные облака точек для инспекции

Если данные будут использоваться для инспекции, отсканированный объект можно сравнить с номинальными данными САПР проектировщика. Результат такого сравнения предоставляется в виде “отчета об отклонении цветовой карты” в формате PDF, который наглядно описывает различия между данными сканирования и данными САПР.

Модель CAD для обратного проектирования

Лазерное сканирование – это самый быстрый, точный и автоматизированный способ получения цифровых 3D-данных для обратного проектирования. Опять же, с помощью специализированного программного обеспечения данные облака точек используются для создания трехмерной модели CAD геометрии детали. 

Модель CAD позволяет точно воспроизвести отсканированный объект, или объект может быть изменен в модели CAD для исправления недостатков.

фото4

Виды 3D-сканеров

Активные сканеры испускают некоторое излучение или свет. Сканер обнаруживает отражение, чтобы собрать информацию об объекте. Ниже рассмотрим активные виды 3D-сканеров.

Лазерные 3D-сканеры

Лазерные 3D-сканеры используют процесс, называемый тригонометрической триангуляцией, для точного отображения 3D-формы в виде миллионов точек. Лазерные сканеры работают путем проецирования лазерной линии или нескольких линий на объект и последующего захвата его отражения с помощью одного или нескольких датчиков. 

Датчики располагаются на известном расстоянии от источника лазерного излучения. Точные точечные измерения могут быть выполнены путем вычисления угла отражения лазерного излучения.

Лазерные сканеры очень популярны и имеют множество конструкций. Они включают ручные портативные устройства, основанные на манипуляторах, на базе КИМ, трекеры дальнего действия и одноточечные трекеры дальнего действия.

Преимущества лазерных 3D-сканеров:

  • Возможность сканирования сложных поверхностей, таких как блестящие или темные поверхности.
  • Менее чувствительны к изменению условий освещенности и окружающему свету.
  • Полученные данные точнее, доступно для инспекции.

Узнать о возможностях лазерного 3D-сканера FreeScan UE, характеристиках, особенностях и преимуществах моделей.

Ознакомиться с примером использования FreeScan UE и фотограмметрии можно на странице нашего блога – 3D-инспекция больших деталей.

А также статья Возрождение икон исторического автоспорта.

3D-сканеры с проецируемым или структурированным светом

Исторически известные как 3D-сканеры “белого света”, большинство 3D-сканеров со структурированным светом сегодня используют синий или белый светодиоды проецируемые свет. Эти 3D-сканеры проецируют на объект световой рисунок, состоящий из полос, блоков или других форм. 3D-сканер имеет один или несколько датчиков, которые смотрят на края этих узоров или структурных форм, чтобы определить у объекта 3D форму. 

Используя тот же метод тригонометрической триангуляции, что и в лазерных сканерах, таким образом расстояние от датчиков до источника света известно. Сканеры со структурированным светом могут быть установлены на штативе или держаться в руках.

Преимущества 3D-сканеров со структурированным светом:

  • Очень быстрое время сканирования – всего 2 секунды на сканирование.
  • Универсальность – несколько объективов для сканирования мелких и крупных деталей в одной системе.
  • Портативность – ручные системы очень мобильны.
  • Безопасно для глаз при 3D сканировании людей и животных.
  • Возможность получения цветных 3D-сканов.
  • Различные ценовые категории от недорогих до дорогих в зависимости от разрешения и точности.

фото7

Отличным решением 3D-сканеров с структурированным светом, являются модели:

 

Примеры сканирования с помощью ручных 3D-сканеров EinScan:

 

Координатно-измерительная машина (КИМ)

Координатно-измерительная машина (КИМ) используется в основном для контроля деталей. Машина может управляться вручную или через автономное управление с помощью программного обеспечения и компьютеров. Измерения определяются путем присоединения датчика к машине. Датчик обычно имеет маленький шарик на конце вала известного диаметра. Затем КИМ программируется на контакт с деталью. Когда машина чувствует контакт с наконечником датчика, измеряется значение в пространстве XYZ. Наиболее распространенным типом КИМ является мостовой тип, который имеет 3 оси X, Y и Z. Присоединенная система датчиков может вращаться, обеспечивая дополнительные 3 оси XYZ, что дает в общей сложности 6 степеней свободы (DOF).
Для очень точного измерения деталей с точностью до нескольких микрон КИМ обычно устанавливаются в контролируемом помещении.
Помещение включает в себя армированный пол, контролируемую влажность и температуру, а также изоляцию от вибрации и других сил, которые могут повлиять на точность.
Кроме того, большинство КИМ имеют большую поверхность гранитного стола, который идеально ровный. Детали закрепляются на гранитном столе таким образом, чтобы исключить их перемещение в процессе измерения.
Преимущества КИМ:

  • Один из самых точных способов измерения объекта
  • С помощью соответствующей машины можно измерять как мелкие, так и крупные детали
  • Существуют промышленные стандарты и сертификаты для измерений и программного обеспечения

 

Решения, которые предлогает компания Shining 3D – Портативная беспроводная система сканирования КИМ FreeScan Trak.

Пример использования – Мобильные испытания точности для самых высоких требований.

Практическое использование трехмерного сканирования – это уже реальность сегодняшнего дня. Принцип действия 3D-сканеров основывается на точном измерении расстояний до характерных точек исследуемого объекта, что позволяет определить их координаты в пространстве и построить цифровую объемную модель. В дальнейшем ее можно вывести на экран компьютера или сформировать на 3D-принтере

Последние новости