Pomiary przy użyciu skanerów

Jak dokonywane są pomiary przy użyciu skanerów 3D bezdotykowych?

Na rynkach przemysłowych na całym świecie wykorzystywane są różnego rodzaju urządzenia pomiarowe w celu kontrolowania jakości wytwarzanych wyrobów. Jednym z nich są bezdotykowe skanery 3D, które są wygodne w użytkowaniu, ale przede wszystkim bardzo funkcjonalne. Powoli wypierają one z rynku maszyny współrzędnościowe, głównie z uwagi na łatwość i szybkość wykonania skanu 3D, realizacji pomiarów porównawczych i zadań z zakresu kontroli jakości. Sprawdźmy, jak działają bezdotykowe urządzenia pomiarowe takie jak skanery 3D.

Jak dokonywany jest pomiar?

Skanery bezdotykowe, nazywane również skanerami bezstykowymi 3D, są urządzeniami metrologicznymi, które bez konieczności uzyskiwania bezpośredniego, fizycznego kontaktu z danym obiektem, dokonują pomiaru jego powierzchni. Następnie zapisują ją w postaci uporządkowanych w przestrzeni punktów, których może być wiele milionów. Stąd też mówi się o generowaniu przez skaner 3D chmury punktów, z których powstaje model trójwymiarowy obiektu w programie komputerowym.

Pod względem technicznym zasada działania skanera 3D jest w miarę prosta. Polega ona na oświetleniu, układem projekcyjnym skanowanego przedmiotu i za pomocą detektora na zebraniu serii zdjęć (fotogrametria). Tak powstają fotografie, które poddawane są komputerowej analizie i wykorzystuje się je do obliczenia przestrzennej chmury punktów. Skanery 3D mają kilka podstawowych parametrów, jak dokładność skanowania, rozdzielczość chmury punktów, objętość pomiarowa oraz czas pomiaru.

Charakterystyczne błędy dla skanerów bezdotykowych

Zdarza się, że urządzenie pomiarowe, jakim jest skaner 3D, okazuje się nieprawidłowo skalibrowane i wówczas mogą wystąpić błędy w prezentowaniu zdigitalizowanego obrazu badanej rzeczy. Istnieje jednak niemiecka norma, która określa sposób sprawdzania dokładności pomiarowej w skanerach bezdotykowych. To norma VDI/VDE 2634, która ujmuje parametry:
· Błąd wskazania długości – wykonywany z wykorzystaniem wzorca „ball bar”.
· Błąd układu głowicy optycznej – wykonywany na pojedynczej kuli.
· Błąd płaskości – wykonywany na płaskiej płytce.

Żeby mieć pewność, że skaner 3D działa niezawodnie, a jego pomiary są prawidłowe, trzeba sprawdzać skalibrowanie systemu. Należy określić błąd układu głowicy optycznej, charakterystyczny dla optycznych systemów pomiarowych 3D. Dla jego wskazania skanuje się odległość między środkiem sfery wyznaczonej z zastosowaniem metody najmniejszych kwadratów – kryterium Gaussa, będącej elementem skojarzonym, opartym na skończonej liczbie punktów pomiarowych, skorygowanym na tym samym kulistym wzorcu materialnym wymiaru, a punktem pomiarowym skorygowanym na tym samym obiekcie. Wzorcem jest kula o średnicy 79,9994 mm, gdzie błąd kształtu to 0,0023 mm, a niepewność pomiaru 0,0016 mm. Procedura wskazania ewentualnego błędu polega na pomiarze kuli w co najmniej 10 różnych ustawieniach, w całej przestrzeni pomiarowej. Następnie stosuje się funkcję „best fit”, wyznacza się promień kuli oraz oblicza różnicę między rzeczywistym promieniem skalibrowanej kuli, a uzyskanym wynikiem.

Sprawdza się również błąd wskazania długości, który określany jest wzorcem „ball bar”, obejmującym dwie kule wykonane z odpowiedniego materiału. Parametr ten służy do weryfikacji prawidłowości, z jaką odtwarzana jest długość przedmiotu przez skaner 3D.

Z kolei błąd płaskości powierzchni to zakres odległości punktów zmierzonych od płaszczyzny skonstruowanej metodą najmniejszych kwadratów. Wzorzec jest wykonany z materiału o niskiej refleksyjności, a jego szerokość nie powinna być mniejsza niż 50 mm, zaś długość powinna wynosić od 50 proc. przekątnej bryły opisującej zakres pomiarowy. Dla oznaczenia błędu płaskości wykonuje się pomiary w 6 różnych pozycjach, a następnie poprzez opcję „best fit” wyznacza się próg niepewności dla wszystkich pozycji. Pozostaje już tylko obliczenie różnicy pomiędzy wartościami wzorcowymi i otrzymaną dla każdej z pozycji wzorca. Błąd płaskości nie może być w skanerach 3D większy niż 1/5 mierzonej charakterystyki.

Dzięki takim pomiarom można zapewnić odpowiednie działanie skanera 3D przy odzwierciedlaniu cyfrowym rzeczywistych obiektów.