Контроль качества выпускаемой продукции является одним из ключевых факторов повышения ее конкурентоспособности, особенно в машиностроении. Долгое время наиболее востребованным средством измерения изделий небольших и средних габаритов, наравне с ручным инструментом, была координатно-измерительная машина (КИМ). И когда первый вариант обеспечивал оперативный, но зависящий от многих факторов, в особенности от навыков оператора, контроль геометрии, то второй, пусть и с временными потерями, позволял получить наиболее комплексную и достоверную информацию об объекте измерений.

Появление новых технологий производства, развитие приборостроения, повышение спроса на обратное проектирование и увеличение мощностей вычислительных систем дало толчок к распространению новых средств измерений. Они сочетают в себе мобильность, высокую скорость, простоту в эксплуатации, целостность и точность получаемых данных, а также универсальность применения. Всеми перечисленными качествами обладают герои статьи - ручные 3D-сканеры метрологического класса.

Ручной 3D-сканер - портативное устройство, предназначенное для создания цифровой копии реального объекта в масштабе 1:1 с небольшой погрешностью.

Принцип работы заключается в сборе данных промышленными камерами о проекциях излучаемого источником света изображения на объект, будь-то лазерные линии или структурированный свет, а также в преобразовании полученных данных в облако точек [Патент US10309770B2][Патент US8032327B2].

Мобильность
Позволяет проводить измерения непосредственно на объекте без фиксированного крепления. Ручные 3D-сканеры просты в транспортировке, не требуют штативов, имеют высокую, по сравнению с другими высокоточными средствами измерений, устойчивость к внешним факторам, что позволяет применять их вне лабораторий.

Высокая точность
Обеспечение промышленными камерами последнего поколения, синими лазерными линиями, использованием маркеров с высокой степенью отражаемости, а также (в некоторых моделях) внедрением вычислительных блоков прямо внутрь устройства, позволяет выделить отдельный класс метрологического оборудования среди 3D-сканеров.

Высокая скорость сбора большого объема данных
Это ключевая особенность 3D-сканирования, отличающая ее от всех привычных методов измерения. Дает возможность за короткий промежуток времени получить не просто набор единичных точек или “сухие” цифры замеров, а полноценную цифровую копию объекта, со всеми геометрическими характеристиками оригинала.

Работа по позиционным маркерам
Все метрологические 3D-сканеры работают по светоотражающим позиционным маркерам (меткам). Поскольку геометрия маркеров определена, то по структуре меточного каркаса сканер с высокой точностью способен определять свое положение в пространстве.

Фотограмметрия
Большинство моделей современных метрологических 3D-сканеров могут работать в паре с системами фотограмметрии. Такие системы с широким полем зрения и специальными эталонами (линейками), предназначенные для сбора меточного каркаса, уменьшают набегающую погрешность, что положительно сказывается на точности итоговых получаемых данных при сканировании крупногабаритных объектов. Некоторые сканеры также имеют встроенную фотограмметрию или видеофотограмметрию. Подробнее о технологии читайте ниже.

При выборе 3D-сканера под задачи контроля стоит исходить из особенностей объекта измерений, таких как: габариты, допуски, поверхность. Далее подбирать прибор, технические характеристики которого смогут обеспечить наиболее подходящее решение. В метрологии, как в частном случае применения 3D-сканера, стоит обратить внимание на точность (она же предельная ошибка измерений), набегающую погрешность, источник света, а также на наличие прибора в реестре СИ.

Приоритетность тех или иных характеристик 3D-сканера также варьируется в зависимости от области применения. Так например, в промышленном дизайне на первое место встает точность и универсальность оборудования, а простота использования считается менее значимой.

Ключевая характеристика любого измерительного оборудования, которая показывает предельную ошибку измерения геометрических величин. Важно правильно читать технические характеристики и отличать точность заявленную производителем от реальной погрешности измерений прибором.

Первая обычно пишется как “до ХХ мм” и подразумевает, что измерения могут содержать ошибку от нуля до указанного значения, не гарантируя того, что погрешность не превысит его.

Более правильное представление о возможностях прибора дает максимально допустимая погрешность (MPE-Maximum Permitional Error), она же объемная точность, которая состоит из двух чисел и обычно записывается как “ХХ мм + NN мм/м).

Где ХХ - погрешность ручного сканера без учета перемещений, а NN - набегающая погрешность, которая растет при движении сканера относительно объекта сканирования во время захвата новых маркеров.

Обычно принято учитывать первый метр перемещения в независимости от реального пройденного прибором расстояния. Таким образом если подтвержденная объемная точность сканера составляет 0,040 мм + 0,060 мм/м, и при сканировании, например, негабаритного объекта сканер практически не двигался из начального положения, то принято считать, что данные получены с погрешностью до 0,100 мм.

Когда мы говорим о реальной предельно допустимой погрешности, то нужно установить критерий этой самой реальности. Им служит аккредитация того или иного средства измерений в метрологической лаборатории по стандартам признанным в мире, например: ISO17025, VDI/VDE 2634 часть 3, ISO 10360, ISO 10360-13 . А например, в РФ присутствует аналогичный стандарт ГОСТ Р ИСО 10360-3—2017.

Признание 3D-сканера средством измерения позволяет производителю указывать это в технических характеристиках, оборудованию проходить поверку, которая прописываться в метрологических отчетах, как сертифицированное средство измерений. Тем самым пользователь может быть уверен в используемом приборе и в получаемых данных.

Как правило точность 3D-сканера, выявленная по результатам метрологических испытаний при внесении в реестр, указывается, согласно закону трех сигм, в доверительном интервале один, два или три сигма, или же 68,2%, 95,5%, 99,7% соответственно.

Доверительный интервал, таким образом, служит маркером повторяемости измерений. Например, если подтвержденная по результатам поверки предельная погрешность измерений прибора составила 0,040 мм + 0,060 мм/м - два сигма, то при проведении испытаний хотя бы 95,5% измерений попали в указанный интервал.

Как уже было сказано выше. Высокая точность метрологических 3D-сканеров достигается в том числе благодаря использованию светоотражающих маркеров. Как правило метки разных производителей не отличаются друг от друга по форме. С ручными сканерами обычно используются 10/6 и 6/3 мм. Но может различаться покрытие и, как следствие, отражающая способность меток. Так при ее недостаточности может ухудшиться или быть невозможным определение положения маркера в пространстве, что либо скажется на точности получаемых данных, либо сделает работу трудновыполнимой. Поэтому мы рекомендуем использовать при работе со сканером метки от того же производителя.

Фотограмметрия, то есть сбор меточного каркаса с повышенной точностью с помощью широкоугольной камеры, эталонных линеек и, иногда, специальных закодированных маркеров используется при работе с крупногабаритными объектами (от 1,5м), и может быть реализована в 3D-сканировании следующими способами:

• Отдельная фотограмметрическая система

Поставляется в виде набора из широкоугольной камеры, эталонных линеек и специальных закодированных маркеров. Принцип работы заключается в расставлении линеек (хотя бы двух), расклейке закодированных маркеров вперемешку со стандартными метками и последующем сборе меточного каркаса, путем фотографирования. Стоит отдельно сказать, что процесс этот довольно трудоемкий, так как требуется делать большое количество снимков под разными углами на разном расстоянии. Далее данные передаются в программное обеспечение сканера, после чего можно будет приступать к сканированию объекта.

• Встроенная фотограмметрия

Единственное отличие от отдельной системы заключается в том, что широкоугольная камера уже встроена в прибор, что позволяет самому сканеру собирать данные о меточном каркасе сразу в программное обеспечение. Как и первый вариант, встроенная фотограмметрия негативно сказывается на скорости работы, но положительно на точности получаемых данных.

• Видеофотограмметрия(VPG)

Наиболее удобный вариант реализации технологии. Как и встроенная фотограмметрия работает за счет широкоугольной камеры 3D-сканера и эталонных линеек и собирает данные прямо в программное обеспечение, но важным отличием является работа со стандартными маркерами. Именно это отличие и позволяет выделить эту технологию, поскольку оно дает значительный прирост как в точности, так и в скорости сбора данных о меточном каркасе.

3D-сканеры со встроенной фотограмметрией или видеофотограмметрией могут выступать в роли отдельной системы сбора меток для работы в паре со сканерами того же производителя, не поддерживающими эти технологии.

Настраиваемый параметр, который влияет на детализацию получаемой модели. При сканировании оператором задается расстояние между собираемыми точками, из которых в последствии будет построена полигональная модель, со средней длиной ребра треугольника (полигона) близкого к заданному разрешению.

Таким образом сканирование в высоком разрешении требуется для негабаритных изделий, а также объектов с маленькими деталями.

При этом важно учитывать, что разрешение напрямую не влияет на точность получаемых данных, но низкое значение этого параметра может искажать геометрию, в особенности на углах, что приведет к косвенному ухудшению точности .

Некоторые 3D-сканеры с ограниченным разрешением камеры имеют специальные алгоритмы математической интерполяции для компенсации недостаточной детализации исходных данных — добавления одной или нескольких рассчитанных точек между двумя фактически отсканированными точками.

Чем выше детализация требуется, тем больше данных нужно будет собрать при сканировании, что повлияет на скорость процесса. Также высокодетализированные модели занимают много места на диске, а для работы с ними в различных ПО как для контроля, так и для обратного проектирования потребуется высокопроизводительная рабочая станция.

Актуальные системные требования к рабочей станции для работы с современными метрологическими 3D-сканерами на момент написания данной статьи приведены ниже, но нужно учитывать, что технологии не стоят на месте и лучше рассматривать конфигурации с запасом производительности на будущее:

• ОС: Windows 10/11 актуальной версии (64-bit)
• Процессор: 13th Gen Intel® Core™ i7-13700H или выше
• Графическая карта: NVIDIA GeForce RTX 4060 Laptop GPU или выше Видеопамять: 8 Гб или выше
• Оперативная память: 64 Гб или выше, двухканальная DDR5;
• Интерфейс подключения: USB 3.0/Type-C

Для упрощения и ускорения работы с данными сканирования рекомендуем проводить оптимизацию сетки. Данная операция может быть проведена в программном обеспечении сканера и необходима для уменьшения веса модели методом увеличения размера полигонов на плоских участках.

Непосредственно влияет на производительность сканера, то есть на время которое потребуется для сканирования изделия. Как правило выражается в точках в секунду и зависит от используемых в приборе источника света и камер.

В лазерном сканировании важны: количество лазерных линий, которое влияет на число точек, “подсвеченных” в одном кадре и частота камеры, которая влияет на периодичность сбора этих точек.

В сканировании структурированным светом, будь-то инфракрасный VSCEL, или белый свет, поле точек гораздо больше, что позволяет данным приборам сканировать быстрее, а также работать без маркеров. Но данная технология мало применима в метрологических задачах из-за невысокой точности приборов.

Площадь, которую охватывают камеры, находясь в фокусном расстоянии от объекта. Обычно записывается как NN х NN мм. Главным образом влияет на плотность нанесения маркеров. У большинства метрологических ручных 3D-сканеров она примерно одинакова и равна размеру листа А3. Исключение составляют:

• Сканеры со встроенной видеофотограмметрией, которые ввиду наличия широкоугольной камеры имеют увеличенную область сканирования, но только в режиме сбора меток.
• Сканеры со встроенным инфракрасным режимом, благодаря которому возможен быстрый сбор данных с пониженной точностью.
• Сканеры со встроенной фотограмметрией и инфракрасным режимом (инфракрасными линиями), в которых за счет увеличенной области сканирования и уменьшенного количества линий, скорость сбора данных немного снижается, но работать с крупногабаритными объектами становится удобнее.
• Сканеры для крупногабаритных объектов. Редкий, ввиду ограничения возможностей применения, тип метрологических ручных лазерных сканеров. Данные приборы отличаются большой областью сканирования, высокой скоростью, но сравнительно низкой точностью.

В отрыве от вышеописанных случаев, данная характеристика не влияет ни на точность сканирования, ни на скорость.

При написании данной статьи рассматривались “классические” ручные 3D сканеры. Ввиду объема изложенного материала и нюансов оборудования, системы, состоящие из ручного 3D-сканера, оптического трекера и, иногда, щупа будут рассмотрены в следующих материалах. Не пропустите!

При анализе технических характеристик 3D-сканеров, представленных на официальных сайтах производителей и в сопроводительной документации, рекомендуем обращать особое внимание на параметры, которые описаны в данной статье.

Однако при выборе профессионального метрологического решения рекомендуем, также обращать внимание на следующую информацию:

1. Наличие международных сертификаций и стандартов качества;
2. Функциональность и удобство программного обеспечения;
3. Репутацию производителя на рынке 3D-сканирования;
4. Качество технической поддержки и сервисного обслуживания;

Наши специалисты помогут разобраться в технических характеристиках и подобрать решение, которое будет полностью соответствовать вашим требованиям как с точки зрения функциональности, так и экономической целесообразности.