It-strojar.sk
1
3D SKENOVANIE A MERANIE 3D MERACÍMI ZARIADENIAMI
Ing. Michal Dúbravčík, PhD., Ing. Štefan Kender, PhD.
Department of technology and materials, Mechanical Engineering Faculty,
Technical University of Kosice, Letná 9, 042 00 Košice, tel. 055/602 3587 e-mail: [email protected],
[email protected]
ABSTRACT
Products quality, precision and short innovation times are the main factors of good and growing production. For constantly
improving of these features can us the exact measurement equipment to help. Utilization of these technologies supports main
activities at reverse engineering and testing. Connection of 3D laser ScanArm and measurement equipment increase efficiency of this
group of proceedings. This article approach the main possibilities of these proceedings.
Keywords: Faro, 3D digitizing, contact, reverse engineering, measuring
1. ÚVOD
Krátke inovačné cykly, nárast komplexnosti
produktov,
znižovanie
vývojových
nákladov,
charakterizujú súčasný vývoj. Konkurencieschopné
produkty musia byť inovatívne, lacné, lepšie a cenovo
výhodnejšie ako konkurenčné a predovšetkým musia byť
uvedené na trh rýchlejšie ako produkty konkurencie.
Moderné počítačové technológie umožňujú vyvinúť
nový, komplexný výrobok ako napríklad automobil už za
18 mesiacov, pričom doposiaľ táto doba trvala 4 roky.
Tento dôležitý posun v dobe vývoja nového automobilu
ovplyvnil nielen automobilový priemysel ale aj strojársky
priemysel ako taký.
digitalizácie pomocou laserového skenera sme previedli
na pracovisku oddelenia automobilovej výroby, ktoré
disponuje pracoviskom digitalizácie. Jeho základnou
časťou je mechanické 3D meracie zariadenie FARO
Platinum Arm, vybavené laserovým 3D skenerom.
Princíp meracieho ramena spočíva v tom, že meraný
objekt fyzicky „ohmatáme" hrotom, ktorý je umiestnený
na mechanickom ramene. Rameno má v každom kĺbe
senzor zaznamenávajúci natočenie ramena v danom kĺbe a
teplotné senzory zabezpečujúce teplotné kompenzácie.
Poloha skenovaného bodu sa získa vyhodnotením údajov
zo všetkých kĺbov ramena.
Dôležitým aspektom je možnosť čo najrýchlejšej
výroby, úprav a meraní prototypov. Tu dostáva, okrem
iných inovatívnych činností, jasný význam výpočtovo
technické spracovanie zachytenia údajov vonkajších
tvarov modelu – 3D digitalizácia a možnosti 3D meracích
zariadení pre presné merania a porovnávania CAD
modelov
s reálnym
prototypom.
Problematika
digitalizácie nadobudla význam predovšetkým po
zavedení technológií rapid prototypingu (RP) a s tým
súvisiacim disponovaním fyzickými modelmi.
Počet nasnímaných bodov je závislí od zložitosti
telesa, od použitej metódy a od požadovanej presnosti.
Výstupom z týchto zariadení je enormné množstvo bodov
definovaných 3D súradnicami (x,y,z). 3D skenovanie
pomocou laserového zariadenia nám umožňuje skenovať
objekt bezdotykovo, čo je oproti dotykovej metóde
skenovania výhoda najmä pri skenovaní objektov, ktorých
povrch je poddajný, alebo majú sklon k poškodeniu.
Dotyková metóda je naviac časovo náročná. Laserovým
skenerom je možné zosnímať rádovo 100000 bodov
v priebehu niekoľkých sekúnd, kým pri dotykovej metóde
hovoríme len o niekoľkých desiatkach.
2. 3D DIGITALIZÁCIA
2.2 3D skenovacie a meracie zariadenia
Všeobecne môžeme digitalizáciu popísať ako proces,
pri ktorom prevádzame reálny objekty do digitálnej
podoby. V rámci odvetvia strojárskeho priemyslu zohráva
významnú úlohu digitalizácia existujúcich výrobkov,
alebo digitalizácia výkresovej dokumentácie. Veľkou
výhodou takto spracovaných údajov je prehľadnosť
archivovania
údajov
v
počítači,
minimalizácia
skladovacích priestorov pre dokumentáciu v papierovej
podobe, skrátenie času inovačných výkonov, prípadne
možnosť získania neexistujúcej dokumentácie k výrobku.
Výskumnú činnosť na oddelení automobilovej výrobe
prevádzame pomocou meracieho zariadenia FARO
Platinum Arm vybaveného laserovou 3D skenovacou
hlavou a dotykovým 3D skenovacím zariadením
Microscribe G2.
2.1. Metódy 3D digitalizácie
V tomto príspevku sa budeme zaoberať možnosťami
laserového 3D skenovacieho zariadenia a možnosťami
využitia dotykových 3D meracích zariadení. Proces
Meracie zariadenie FARO Platinum Arm + laserová
skenovacia hlava
Tento merací a skenovací systém sa skladá z dvoch
základných častí – sedemosého meracieho ramena FARO
Platinum Arm a skenovacieho zariadenia . V uvádzanom
prípade sa jedná o bezdotykové skenovacie zariadenie
Laser Scanner. Systém funguje v spolupráci s obslužným
softwarom Polyworks, ktorý je možné rôzne modifikovať.
ISSN 1338-0761
It-strojar.sk
2
výkonnou CCD kamerou (obr.2). Keďže veľkosť
snímanej plocha telesa je závislí na aktuálnej geometrii
telesa, prebieha samotný proces skenovania v niekoľkých
krokoch.
Obr.1 3D meracie zaradenie FARO
Zostava umožňuje plnohodnotné meranie a
porovnávanie nameraných hodnôt s CAD modelom a má
maximálne možnosti pre tvorbu počítačových modelov zo
získaných (naskenovaných) údajov. Zariadenie sa
vyznačuje jedinečnými vlastnosťami, vďaka ktorým sa
stala spoločnosť FARO bezkonkurenčne najväčším
výrobcom mobilných meracích zariadení. Vybrané
vlastnosti:
-
-
-
-
zariadenie má sedem stupňov voľnosti, čo mu
umožňuje dokonalý pohyb a jednoduché a presné
skenovanie objektov
ramená od spoločnosti FARO majú vstavané
vyvažovacie zariadenie, vďaka ktorému je možné
prevádzať skenovanie len jednou rukou
ramená FARO majú malé nároky na priestor, najmä
v upevňovacej časti
vstavané senzory kompenzujú v reálnom čase
tepelnú roztiažnosť materiálnu z ktorého je rameno
zhotovené a tým predchádzajú odchýlkam v meraní
systém má vstavanú batériu ktorá dovoľuje až osem
hodín práce bez prívodu elektrickej energie povrchu.
3. SKENOVACIE A MERACIE PROCESY
Pre popis skenovacích a meracích procesov
vykonávaných pomocou zariadenia FARO uvádzame dva
príklady použitia:
-
Obr.2 Skenovanie telesa laserovým 3D skenerom
Jednotlivé kroky skenovania sú ukladané v prostredí
softvéru v podobe samostatných častí – dráh skenovania,
ktoré softvér pre lepšiu orientáciu automaticky dočasne
znázorňuje ako samostatné plochy, ktoré sú farebne
odlíšené (obr.3).
Obr.3 Naskenované teleso – „surový“ neorezaný sken
Takto naskenované teleso je potrebné orezať –
odstrániť body, ktoré boli nevhodne naskenované, alebo
nepatria skenovanému telesu. Sú to napríklad body ležiace
na podložke, alebo body polohovacích častí. Orezaný sken
(obr.4) obsahuje radovo tisíce bodov, ktoré tvoria tzv.
mrak bodov.
3D skenovanie objemového telesa
Porovnávanie naskenovaných dát
3.1. 3D skenovanie objemového telesa
Proces 3D skenovania objemového telesa popíšem na
príklade skenovania prototypu uchytenia reproduktora
v A-stĺpiku osobného automobilu. Vzhľadom na zložitosť
týchto procesov sa pri popise budem snažiť priblížiť
základné kroky skenovania.
Prípravné práce pred samotným procesom skenovania
spočívajú v nakalibrovaní skenovacieho zariadenia
a vhodného zapolohovania súčiastky. To je potrebné
vhodne zvoliť vo vzťahu ku skenovaniu celého povrchu
telesa. Pre účely príkladovej štúdie volím jednoduché
jednostranné skenovanie povrchu súčiastky.
Obr.4 Orezaný sken telesa
Keďže sa dráhy jednotlivých skenovaní prekrývajú,
vznikajú duplicitné, prípadne nepotrebné body v miestach
prekrytia týchto čiastkových skenov. Pre eliminovanie
týchto negatívnych oblastí, je potrebné vykonať redukciu
prekrytia skenov. Táto akcia nám zredukuje nepotrebné
body nachádzajúce sa v oblastiach prekrytia skenov
(obr.5). Atribúty tohto procesu je možné upraviť podľa
požiadaviek na presnosť a pod.
Princíp skenovania pomocou laserového skenovacieho
zariadenia, je založený na snímaní optického lúča
ISSN 1338-0761
It-strojar.sk
3
CAD modelom. Výsledkom je porovnávacia mapa
s možnosťou ďalšieho výstupu v podobe protokolu.
Obr.5 Prekrytie čiastkových skenov po redukcii prekrytia
Po tomto kroku dostávame zredukovaný a vyladený
mrak bodov (obr.6), ktorý môžeme následne použiť
niekoľkými spôsobmi:
-
Vytvorenie polygonálneho modelu, napríklad pre
potreby rapid prototypingu (*.stl formát)
Vytvorenie CAD modelu
Využitie pre potreby inšpekcie (porovnávanie,
meranie)
Samotný proces skenovania súčiastky bol popísaný
v predošlej časti článku. Skenovaná bola len časť telesa
pántu. Naskenovaný povrch bol ovplyvnený nevhodnou
farbou povrchu plastového prototypu. Ten spôsoboval
problém optickému systému, čo malo za následok zjavne
nedokonalé výsledky skenovania, avšak pre účely
priblíženia procesu a výsledkov porovnania som túto
skutočnosť ignoroval, dokonca sa javila ako prospešná
z pohľadu
lepšieho
pochopenia
a znázornenia
porovnávania.
Budeme sa preto venovať prednostne postupom
porovnávania. To prevádzame v module IMinspect, ktorý
je špecializovaný pre meranie, porovnávanie a vytváranie
protokolov.
Prvým krokom je import dátových objektov – v tomto
prípade naskenovaných dát (obr.8) a referenčných dát –
CAD modelu, ktorý bol vytvorený v prostredí CATIE
a exportovaný vo formáte iges.
Obr.6 Výsledný mrak bodov
Obr.8 Naskenovaná časť meraného telesa
Nasleduje vyrovnanie týchto dvoch objektov. Na
vyrovnanie existuje niekoľko rôznych metód. Tie
najzložitejšie objekty je potrebné vyrovnávať pomocou
súradnicových systémov, tie jednoduchšie, ako napríklad
príkladový pánt dverí, je možné vyrovnať pomocou 6
bodov. Tie vyberieme na telese referenčného CAD
modelu a podobne aj na naskenovanom objekte.
Vyrovnanie, alebo aj „best-fit“ sa vykonáva automaticky,
softvérovo. Výber vyrovnávacích 6-tich bodov je potrebné
dôkladne zvážiť, aby bol výsledok vyrovnania dokonalý.
Po vyrovnaní (obr.9) môžeme pristúpiť k samotnému
porovnaniu.
Obr.7 Detail mraku bodov
3.2. Porovnávanie naskenovaných dát
Základným postupom pri meraní výrobkov a pri ich
porovnávaní je naskenovanie celého, alebo časti telesa
a následné porovnanie voči referencii, ktorou môže byť
napríklad CAD model meraného telesa.
Postupov a možností je samozrejme viac. Pre účel
príkladu priblížim porovnanie relatívne jednoduchej
súčiastky – pántu dverí automobilu.
Na základe CAD modelu bol vyrobený pomocou
metódy rapid prototyping model pántu z plastu. Časť tohto
prototypu bola naskenovaná a porovnaná s originálnym
Obr.9 Vyrovnané objekty porovnania (sivá farba – referenčný
CAD model, zelená farba – naskenované dáta)
ISSN 1338-0761
It-strojar.sk
4
Proces porovnanie nám ponúka tiež niekoľko
možností. Medzi základné možnosti porovnania patria
napríklad:
-
porovnanie všetkých bodov – dáta voči referencii
porovnanie vybraných naskenovaných bodov
voči referencii
porovnanie naskenovaných dát voči referencii
v reze telesa
a ďalšie
Pre názornú ukážku som vybral porovnanie všetkých
dátových bodov voči referencii a porovnanie vybraných
bodov.
Výsledky porovnania sú znázornené pomocou farebnej
mapy. Parametre porovnanie ako napríklad povolená,
alebo meraná odchýlka, je možné individuálne editovať
podľa potrieb. Na obrázku obr.10 je znázornené
porovnanie v rozsahu ±0,5mm.
obsiahnutých
v protokole
je
možné
a prispôsobovať požiadavkám zadávateľa.
upravovať
4. ZÁVER
Využívanie popísaných metód v strojárskom priemysle
prináša do inovačného procesu nové prístupy a inovatívne
možnosti spracovania a vyhodnocovania údajov.
3D skenovanie nám dáva možnosti prenosu 3D dát
akéhokoľvek objemového telesa do digitálnej podoby, čo
dokážeme naplno využiť v konštrukcii, ale aj vo výrobe.
Meracie schopnosti týchto zariadení nám umožňujú
rýchlejšie a hlavne presnejšie meranie referencií, alebo
dokonalé a účinné porovnávanie dát s referenciami pre
jednoduchšiu kontrolu výroby ako aj kvality.
Postupy a metódy, ktoré meracie zariadenia ponúkajú
sa dajú aplikovať na väčšinu výrobkov a akomkoľvek
odvetví. Vhodne zvolený technológia a postup nám ušetria
čas, náklady a umožnia vyrábať a dodávať na trh lepšie
a kvalitnejšie produkty.
REFERENCES
[1] DÚBRAVČÍK, Michal: Digitalizácia súčiastok pri
inováciách výrobkov : Metódy a techniky
digitalizácie súčiastok v reverznom inžinierstve,
Košice 2008. Počet strán - 147
Obr.10 Porovnanie naskenovaných dát voči referencii vo
farebnej škále
[2] DÚBRAVČÍK, Michal: Zavádzanie digitalizácie do
procesov výroby. In: Transfer inovácií, 11/2008.
Košice: Inovačné centrum automobilovej výroby SjF
TU v Košiciach, 2008, s. 62 – 63. ISSN 1337-70-94
Z porovnania je dobre vidieť nekvalitu skenovaných
dát. Pre účely priblíženia výsledkov porovnania nám táto
situácia vyhovuje. Ideálny stav by bol, ak by sme mali
v porovnaní len zelenú farbu, čo by podľa legendy
znamenalo rozsah max ±0,15mm.
[3] KENDER, Štefan: Metódy a techniky pri tvorbe
automobilu a výrobe prototypov automobilových
komponentov, Košice 2010. Počet strán 147
Pre účely podrobnejšieho porovnania je možné vybrať
zvolené body zo skenovaných dát a tieto porovnať
jednotlivo,
respektíve
ich
výsledky
znázorniť
podrobnejšie (obr.11)
[4] FARO Scan Arm; dostupné na internete:
http://measuring-arms.faro.com/scanarm/ 25.11.2011
Tento článok bol vytvorený realizáciou projektu "Centrum
výskumu riadenia technických, environmentálnych a
humánnych rizík pre trvalý rozvoj produkcie a výrobkov v
strojárstve" (ITMS: 26220120060), na základe podpory
operačného programu Výskum a vývoj financovaného z
Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
Obr.11 Výber bodov pre podrobnejšie porovnanie
Výsledky porovnanie je možné uverejniť pomocou
protokolov, ktoré môžu byť vytvorené na základe
vytvorenia
porovnaní.
Samotný
obsah
údajov
ISSN 1338-0761
Download

3d skenovanie a meranie 3d meracími zariadeniami - it