Главная
Мои статьи
Мои контакты


3D-сканер в машиностроении. Опыт практической работы.
Есть ли смысл от его использования?






Что такое 3D-сканер. Какие виды 3D-сканеров существуют.

Существуют 2 основных типа 3D-сканера: безконтактный (оптический, лазерный) и непосредственного взаимодействия (анализ поверхности по средствам датчика и измерительной руки ).

Мне пришлось работать с оптическим фотограмметрическим сканером ATOS, именно на такой тип оборудования я проходил обучение. Так же я имею опыт работы с лазерным сканером и небольшой опыт (скорее поверхностное знакомство) с "контактным" сканером.


Оптический фотограмметрический 3D-сканер ATOS.


Я не буду расписывать в данной статье подробные принцыпы работы каждого устройства, думаю более правильно будет описать общий принцип и последовательность действий, а если кого то заинтересуют подробности, можете мне написать или поискать дополнительную информацию на других страницах интернет.

И так принцип работы оптического фотограмметрического сканера: есть 2 камеры расположенные под углом друг к другу, между ними расположен проектор, который проецирует сетку на поверхность детали. Обе камеры одновременно делают 2 снимка, т.к. они расположены под определенным углом? то и соответственно снимки разные, и именно по этой разнице и определённой форме картинки (проекции сетки) вычисляются поверхностные 3-х мерные координаты. Процесс съемки напоминает обклеивание фигурки из попьемаше. Последовательно из кусочков получается вся поверхность детали.
Конечно то, что я описал, ООООчень упрощённая модель, но для понимания ёё достаточно.

Лазерный сканер работает почти также, с тем только отличием, что пространственные координаты снимаются с учетом измерительной руки к которой он крепиться.

Контактный сканер - это шарик который вы водите по поверхности детали и опять же, при помощи измерительной руки вы снимаете координаты.

Для правильной работы любого сканера необходима предварительная калибровка прибора и подготовка самой детали.

Так какой же сканер лучше? Ответ на этот вопрос будет зависить от нескольких параметров выбора.

Оптический сканер довольно сложен в эксплуатации, боиться пыли, не терпит вибраций (в момент съема), большой и тяжелый. НО он позволяет выполнять съёмы больших объектов (от наперстка до самолета) и при этом обеспечивает большую точность.

Лазерный сканер лишон всех описанных недостатков, к тому же он намного дешевле, но он обычно не может снимать большие объемы. Главное ограничение тут накладывает даже не сама лазерная измерительная головка, а измерительная рука, я не слышал об объёмах больше 600х600х600 мм. (хотя время идет...).

"Контактный" сканер - это фактически тоже самое что и лазерный, только на измерительную руку крепят не лазерную головку, а измерительный контактный датчик (шарик - которым вы водите по поверхности детали). Про его плюсы могу сказать только то, что это самый дешовый сканер. Более подробную информацию вам прейдется поискать самостоятельно.

Хочу еще раз обратить ваше внимание на то, что я не ставлю перед собой задачу описать все имеющиеся 3D-сканеры, я описываю свой опыт работы, и данная статья может послужить скорее "как информация к размышлению", но не как ни истинна в последней инстанции.



Общий принцип сканирования. Почему 3D-сканер не дает на выходе 3D-модель?

Первое и самое главное, что нужно понять при работе с любым 3D-сканером, это устройство не позволяет непосредственно (сразу же) получить на выходе 3D-модель детали. Тут уместна аналогия с обычным планшетным сканером, также как из страницы печатного текста невозможно (сразуже после сканирования) получить текстовый документ, так же и отсканировав деталь вы не получите 3D-модель, а уж тем более 3D-модель с деревом построения. Ниже я привожу кртинку реальной детали (отливка), для которой необходимо выполнить контроль геометрических параметров.


Исходная деталь, для выполнения контроля.


После сканирования детали вы получите облако точек, на которое натягивается сетка треугольников, с заданной долей погрешности (это на самом деле одно и тоже, разница такая же как у столбиков диаграммы и линией графика построенной по центрам этих столбиков). Опять же приведу аналогию с обычным сканером, после сканирования вы получаете картинку, которую вам нужно предварительно обработать, сохранить в нужном формате (bmp, jpg и т.д.) и только потом в специальной программе, (обычно это FineReader), перевести в формат текста (txt, doc и т.д. ). Конечно вы мне можете возразить, что сейчас все это происходит в одной программе (опять же FineReader), на это я вам отвечу , в одной то, это да, но действия происходять как раз в описанной последовательности. И так после того как вы получите облако точек, его нужно будет предварительно обработать, выровнить (провести апроксимацию), закрыть отверстия (остаються обычно от маркеров или от прижымов, а так же в тех областях где невозможно провести замер). После того как все будет сделано вы получите файл формата STL (возможны и другие аналогичные, но я работал именно с этим). Обращаю еще раз ваше внимание на то что файл формата STEP, X_T, а уж тем более форматы PRT, SLDPRT вы не получите.

Далее с файлом STL вы уже будете проводить те операции которые вам позволят либо получить 3D-модель (задача реверсинжиниринга), либо файл карты отклонений (задача контроля деталей).



Файл формата STL. Все необходимые действия выполнены.
Если вы посмотрите внимательно, то увидите, что вся пов-ть детали
выполнена из мелких треугольников, а не гладких поверхностей.


Соответственно от поставленной задачи будет зависить и выбор совта (ПО). Сейчас на рынке существует много различных программных продуктов, я работас с Geomagic Qualify (задача контроля и частично реверс инжиниринга), и SolidWork (задача реверс инжиниринга)


Контроль деталей с помошью 3D-сканера.

И так, после того как вы отсканировали деталь и получили и предварительно подготовили файл облака точек (или сетки формат STL), вы сможете выполнить операцию контроля детали, конечно при условии, что у вас есть исходный файл 3D-модели (формат STEP, X_T или аналогичный).

Контроль детали - это по сути процесс создания катры отклонений, т.е. трехмерной цветной диаграммы или нескольких сечений в который будет одной линией отображена "идеальная" линия сечения детали и вокруг нее линия реальной (отсканированной) детали, эта линия может быть выполнена в виде векторов или цветных точек, в соответствии с заданной цветовой схемой.

Для правильного выполнения контроля необходимо выполнить несколько условий.
1. Первое это без условно наличие исходной 3D- модели детали выполненой В СЕРЕДИНЕ ПОЛЕЙ ДОПУСКОВ!!!! Обычно про это забывают. Вероятно из за того, что в литье допуски идет ± и 3D- модели в номинале и в середине поля допуска совпадают.
2. Файл сетки отклонений выполнен в системе координат отличной от файла исходной 3D-модели, поэтому Вам прейдется выбрать базовые поверхности или оси и уже по ним выставить сетку отклонений (STL файл) относительно исходного файла 3D- модели. Обращаю ваше внимание на данный вопрос, это основное действие при выполнении контроля, от правильности его выполнения зависит и правильность выполнения операции контроля.
3. Подготовка отчета, т.е. создание карт отклонений и сечений детали (обычно по видам чертежа). Этот процесс тоже довольно длительный и требует наличия знаний конструктора. Скажу проще если человек не может начертить грамотный чертеж детали, то и отчет он сделать не сможет.





Пример карты отклонений. Тут на исходный файл 3D-модели, "натягивается" файл сетки отклонений и отклонения
отображаются в виде цветовой схемы. Каждый оттенок соответствует своему допуску.


Оправдано ли применение "Контроль деталей с помошью 3D-сканера", я для себя сделал такой вывод - оправдано только в случаях 3D-поверхностей , т.е. для которых применяют шаблоны, обычно это штампы, сложные 3-х мерные поверхности. Для небольшого, точнее сказать для единичного производства, там где каждая новая деталь существенно отличается, как по размерам так и по форме от предыдущей.
Для обычных деталей выгоднее применять стандартные средства измерения или измерительные машыны, особенно при массовом производстве.


Задача реверс инжиниринга.

Это еще один большой вопрос на котором следует остановиться отдельно.

Главное что нужно понять в задаче реверс инженеринига - это то, что с помощью измерений вы получите только лишь геометрию, допуски, материал и тех. процесс Вам прейдется придумать самому. Т.е. любой чертеж полученный после обмера детали будет являть прототипом (отправной точкой), для конструктора и технолога которые должны будут спроектировать и изготовить деталь.
И 3D-сканер тут позволит лишь обмерить сложные детали, и/или более точно подогнать ваш прототип под исходную геометрию.

Итак, кратко опишу процесс подготовки чертежа из готовой детали, этот процесс очень похож на процесс контроля детали, с тем отличием, что тут выполняются только сечения и нет исходной геометрии. Для более или менее точного изготовления чертежа нужно измерить минимум 3 детали, лучше 5, но не более 7 (далее смысл теряется). Оптимально 3-5, в зависимости от конечной точности.

Будет полученя 3-5 отчетов с интересующими вас сечениями, по ним конструктор построит 3D-модель, её вы используете, как исходную геометрию и попытаетесь добиться максимального соответствия с деталями. У меня это получалось после 2-3 корректировки 3D-модели. После этого можно будет выполнить чертеж и составить тех. процесс изготовления пробной партии деталей.

Есть еще одна задача реверс инженеринга, "тупо скопировать" деталь, обычно одну или несколько. Тоже что сделать ксерокопию документа.
Меня просили скопировать деталь из алюминия и выполнить ее декоративную копию из пластика (выростить на 3D-принтере). Тут все намного проще, достаточно получить STL файл, если нужно его отмаштабировать и просто "распечатать" его на 3D-принтере. Все сложности тут заключаются в процессе печати, но об этом я расскажу в следующей статье.


Вывод.

3D-сканер это всего лишь измерительный инструмент, он позволит Вам вывести производство на новый технологический уровень, но не заменить существующее. Для работы с подобным оборудоваем необходимы высококласные (а значит и высокооплачиваемые) специалисты. Постоянная практика работы, высокие затраты на содержание обородования в порядке.

В общем перед преобретением данного аппарата нужно взвесить все "за" и "против". Оптимально несколько задач выполнить "на стороне", так сказать пилотный проект, и уже по результатам принимать решения.