С развитием отраслей промышленности ужесточаются и требования к точности изготовления деталей и комплектующих.
Одновременно расширяется диапазон размеров изделий, а их формы усложняются. Как следствие, увеличивается значение контроля качества изготовления компонентов и правильность сборки готовых изделий. Обычно такой контроль требует много времени, сил и средств. Использование 3D-сканирования позволяет существенно снизить затраты – и временные, и финансовые.
Всё начинается со стандартов
Самым известным общемировым стандартом трехмерного изображения является немецкий стандарт VDI/VDE2634, состоящий из нескольких частей. Этот же стандарт взят за основу большинства методик измерений сканеров во ВНИИМС. Также для различных устройств разработаны стандарты VDI/VDE2617,
ИСО 10360 и B89. Скачать и ознакомиться с методиками поверки конкретных устройств можно, например, на публичном портале сайта ФГИС «Аршин».
При поверке ручных 3D-сканеров используются лазерные интерферометрические измерительные системы. Сканеры Scantech, например, тестировались при помощи интерферометрической системы Renishaw XL‑80.
Как всё происходит? На каретку устанавливается марка-сфера не менее 20 мм в диаметре, на поверхность стола наносятся позиционные маркеры, которые используют программное обеспечение сканера для позиционирования и сшивки собранных данных (фреймов). Каретка перемещается в несколько положений (начало, середину и конец диапазона измерений). В каждом положении производится сканирование. Далее результаты обрабатываются в программном обеспечении и заносятся в протокол. Каждое измерение проводится не менее трёх раз. Проводится расчёт абсолютной погрешности согласно формуле из методики поверки. Значение погрешности не должно превышать значения, указанного в приложении к методике поверки. Хочу привести в пример выдержку из стандарта VDI/VDE2634, его третьей части:
«Насколько это позволяет измерительная система, испытания должны проводиться с измеряемым объемом в форме кубоида, который больше, чем датчик, измеряющий объем. Если не согласовано иное, пространственная диагональ измеряемого объема должна, по меньшей мере, в два раза превышать длину измерительного объема датчика. Максимальная длина, подлежащая проверке, должна составлять не менее 2/3 длины пространственной диагонали измеряемого объема. Наименьшая длина, подлежащая проверке, не должна быть меньше, чем 2/3 самой короткой длины стороны при измерении объема. По возможности, следует избегать исследования двух сфер артефакта в одном изображении. Выделение сфер осуществляется с использованием точек измерения, распределенных как можно более равномерно по всей поверхности»
Т. к. максимальная точность устройств, как правило, достигается именно в пределах одного кадра, при сшивке нескольких кадров возрастает погрешность. «Дьявол кроется в деталях», а именно – в алгоритмах сшивки и методах расчета конечной модели, т. к. снимки сопоставляются (сшиваются) в программном обеспечении устройства. При поверке следует избегать снимков эталонных объектов, попадающих на одно изображение, и испытания для 3D-сканеров должны основываться на объёмных измерениях, отсюда и значение так называемой объёмной точности (погрешности), которую указывают производители сканеров в характеристиках своих устройств. Проще говоря, если сканер успешно проходит множественные тесты по стандарту VDI/VDE 2634, то с большей долей вероятности его можно отнести к метрологическому устройству. Стоит знать, что у 3D-сканеров также, как и у шарнирных КИМ, при измерениях различной геометрии погрешность может быть выше или ниже. Для шарнирных КИМ погрешность измерения различных величин описана в стандарте ISO 10360–12, который был опубликован в октябре 2016 года. Этот стандарт специально разработан для сертификации точности функций контактного измерения КИМ с шарнирными манипуляторами и с недавнего времени по нему проводят сертификацию мобильных (портативных) КИМ. Для ручных 3D-сканеров производителем указывается максимальная абсолютная погрешность. В некоторых случаях можно проследить, при измерении каких типов размеров сканер ошибается в плюс или, наоборот, в минус.
Также не стоит пренебрегать рекомендациями по работе с оборудованием.
Сертификация
Как правило, у каждого известного производителя все выпущенные устройства проходят сертификацию по стандарту VDI/VDE в собственной метрологической лаборатории и комплектуются сертификатом о прохождении тестов перед отправкой конечному пользователю. Я проводил тестирование ручных сканеров различных производителей от бюджетных до старших моделей. Устройства, которые позиционируются как метрологические приборы, выдают результаты со стабильной повторяемостью и воспроизводимостью.
На практике у меня не было ни одного теста, при котором устройство не укладывалось бы в значения абсолютной погрешности измерений для конкретной модели сканера. И даже более того, практически все измерения были в 2–2.5 раза точнее декларируемой производителем абсолютной погрешности измерений.
Наиболее популярное программное обеспечение для контроля: Control X, Design X, Wrap (Geomagic);
Программное обеспечение Control X
PolyWorks (InnovMetric); GOM Inspect Professional (GOM); PowerINSPECT (Delcam); Metrolog X4 (Metrologic Group); Quindos (Hexagon); MobiGage (NDI); Spatial Analyzer (New River Kinematics); Verisurf X6 (Verisurf); Calyspo, HOLOS NT (Zeiss); BuildIT (BuildITSoftware & Solutions); Inca 3D (Inspect 3D); Metrosoft CM (Wenzel Metromec).
Программное обеспечение для измерений и контроля
3D-сканеры – это только измерительный прибор в руках оператора. Все сканеры работают со своим программным обеспечением, которое, как правило, поставляется в комплекте с оборудованием. Вместе – это программно-аппаратный комплекс. Некоторые производители проводят интеграцию своих программных продуктов. Например, с недавних пор сканер ScanTech KScan20 продаётся в Европе под брендом Zeiss. В софт компании ScanTech встроена возможность прямой передачи данных в п/о GOM Inspect. Признание китайского 3D-сканера таким серьёзным производителем метрологического оборудования, как Zeiss, дорогого стоит.
Сканер ScanTech KScan20
Помимо софта, управляющего прибором (сканером), существуют мощные программные продукты для проведения измерений. Вычисления, производимые представленными программами, соответствуют стандарту ASME Y14.5. Это важный факт, который необходимо знать, поскольку в большинстве случаев пользователи не знают методы расчета, используемые программным обеспечением. Упомянутый набор правил задает универсальные методы для установления и интерпретации определения размеров, проставления допусков и связанных требований для использования в технических чертежах и связанных документах. Порой до 70% рабочего времени может отводиться на работу именно в программном обеспечении.
Внедрение 3D-сканеров и современного программного обеспечения позволяет упростить измерение сложных деталей и увеличить выборку контролируемых деталей. Программное обеспечение и его возможности действительно уникальны и в совокупности с технологиями 3D-сканирования позволяют существенно расширить инструментарий специалистов ОТК. С развитием машиностроения растут требования к точности изготовления деталей и комплектующих. Одновременно расширяется диапазон размеров изделий, а их формы усложняются. Как следствие, увеличивается значение контроля качества изготовления компонентов и правильность сборки готовых изделий. Обычно такой контроль требует много времени, сил и средств. Использование 3D-сканирования позволяет существенно снизить затраты – и временные, и финансовые.
Я.В. Бондарев, специалист по 3D-сканированию и аддитивным решениям Группы компании i3D