Структурированное видение в производстве

Поставщики поставляют различные датчики, соответствующие потребностям и бюджетам отраслевых пользователей. По мере того как цены падают, а возможности растут, возникает вопрос:какое приложение будет лучшим?

Системы структурированного освещения измеряют поверхности, проецируя рисунок полос, а затем используя камеры и сложное программное обеспечение для преобразования их в облака точек метрологических данных. Точность может достигать одноразрядных микрон в миллионах точек. Скорость захвата на некоторых более новых устройствах измеряется в миллисекундах. Среди этих датчиков растет доступность и выбор. В то время как большинство из них остаются стереофоническими установками с двумя камерами, некоторые используют установки с одной камерой для более гибкого развертывания, особенно вблизи производственных линий. Больше развертываний и больше приложений — отличительные черты отрасли.

Одним из пионеров в этой области была GOM, компания, которая сейчас расширяет возможности своей линейки систем структурированного освещения ATOS. «Раньше все смотрели на датчики ATOS как на высокотехнологичный, но дорогой сканер. Но теперь [GOM] предлагает целую линейку сканеров со структурированным светом», — сказал Фрэнк Стоун, национальный менеджер по продажам компании Capture 3D Inc., Санта-Ана, Калифорния, реселлера датчиков ATOS с добавленной стоимостью. «Они осознали, что для расширения рынка необходимо предоставлять услуги широкому кругу клиентов — не всем нужны такие жесткие допуски и точность, как другим
», — сказал он.

Хорошим примером того, как компания предлагает разнообразие, является ее ATOS Core, система начального уровня. Его возможности
могут расширяться вместе с потребностями владельца. Приложения начального уровня, такие как обратный инжиниринг или быстрое прототипирование, согласно Capture3D, нуждаются в сканировании без расширенных функций проверки. Полный комплект «начального уровня» включает программное обеспечение, которое преобразует данные облака точек в полигональные сетки в формате STL. Core предлагает путь модернизации от ручного управления до полуавтоматического, что может включать добавление сенсорных датчиков и фотограмметрии для более качественных метрологических проверок. Это же устройство может быть полностью автоматизировано для промышленного контроля качества.

Но GOM также не прекращает совершенствовать свои высокотехнологичные системы. Его последними предложениями являются ATOS 5 и ATOS 5X, предназначенные для промышленного использования и интеграции измерений в производственные линии. Одним из ключей к использованию структурированного света в суровых условиях является сокращение времени сбора данных, что делает его менее чувствительным к вибрации и шуму. По данным компании, ATOS 5 захватывает сканирование за 0,2 секунды (200 миллисекунд) со скоростью 100 кадров в секунду. В сочетании с системой автоматизации ATOS Scanbox его можно использовать для измерения крышек автомобильных кузовов, приборных панелей, лопаток турбины двигателя или литых деталей. Установленный на роботах в индивидуальной интеграции, он может измерять полные кузова в белом, что является обычным явлением в автомобилестроении.

Разнообразие источников проекции

Чтобы еще больше расширить возможности, более продвинутый ATOS 5X использует гораздо более яркий источник света. «В ATOS 5X используется встроенный компрессор лазерного излучения для обеспечения более яркого источника света, который расширяет объем измерений», — пояснил Стоун. «Там, где раньше мы могли измерять только 700 мм, теперь с этим новым источником мы можем измерять до 1000 мм за то же время. На сканирование уходит всего 0,2 секунды». Технически это по-прежнему структурированный свет, и для интерферометрии не используется когерентность, доступная в лазере — это очень яркое, но все же стандартное структурированное световое устройство.

Hexagon Manufacturing Intelligence, Северный Кингстаун, Род-Айленд, также разработала в последние годы широкий спектр устройств сканирования структурированного света. Они сгруппированы по двум основным технологиям:те, которые используют проекции одного слайда, и те, которые используют несколько краевых проекций. Датчики с одним слайдом подчеркивают скорость и использование в суровых условиях и включают Hexagon WLS qFLASH, BLAZE 600 и WLS 400.

«Эти датчики делают упор на быстрое получение изображений, — сказал Амир Гринбойм, руководитель технической программы Hexagon. Они собирают данные в среднем за 0,015 секунды или 15 миллисекунд. Скорость сбора важна — это то, что делает их идеальными в заводских цехах. «Философия такова:«измеряй, где хочешь», — сказал Гринбойм.

С другой стороны, технология проецирования множественных полос работает медленнее, но с лучшим разрешением. К ним относятся предложения AICON от Hexagon. «Когда мы делаем снимок, изображение строится из последовательности проекций. И эти проекции представляют собой линии, которые проецируются на деталь, и эти линии перемещаются и меняют ориентацию в процессе получения изображения. Это относительно долгий процесс», — объяснил Гринбойм, в среднем на один сбор уходит 2 секунды. «Цель не в скорости, а в качестве облака точек».

Hexagon также использует красный/зеленый/синий (RGB) DLP-проектор в своем новейшем датчике AICON StereoScan neo. Датчик также имеет широкий диапазон полей измерения от 75 мм до 1100 мм. Это делается за счет смены объективов камеры или базовой длины. Время сбора данных составляет около 2 секунд, а устройство может быть оснащено 8- или 16-мегапиксельной камерой.

Проектор RGB DLP идеально подходит для приложений, в которых измерения могут быть преобразованы в цветовую карту отклонений по сравнению с номиналами САПР. Затем они проецируются обратно на только что измеренную деталь.

«[Это] идеально подходит для проектных работ, доработки инструментов и демонстрации избыточного или недостаточного запаса материала при отливке. Все это может быть видно инженеру прямо на детали, без привязки к экрану компьютера или PDF», — пояснил Гринбойм.

Hexagon называет это See What You Measure или SWYM. «Это идеально подходит для измерения и работы с отливками, поковками или литьевыми пластмассами. Если у вас есть крупная геометрическая деталь, наше программное обеспечение автоматически соединит несколько коллекций вместе, не требуя эталонных целей на детали», — сказал он.

Индустриализация и автоматизация

«Популярные приложения [для сканеров структурированного света] включают устаревшие инструменты для обратного проектирования и аэрокосмических приложений. Оба обычно требуют более высоких допусков точности, которые подходят для структурированного светового оборудования», — пояснил Грег Грот, руководитель подразделения Exact Metrology, Брукфилд, штат Висконсин. Exact Metrology предлагает контрактные услуги по измерению и сканированию, решения для метрологического оборудования, а также аренду аппаратного и программного обеспечения. Он предлагает или использует метрологические устройства, начиная от портативных КИМ и заканчивая высокопроизводительными компьютерными томографами.

Компания также использует системы структурированного освещения GOM ATOS. К ним относятся тройное сканирование ATOS II и тройное сканирование ATOS III, которые Exact использует в своей контрактной работе. Exact также распространяет AICON PrimeScan от Hexagon Manufacturing Intelligence.

Автоматизация становится основным использованием структурированных световых устройств. «В настоящее время мир автоматизации внедряет технологию [структурированного света]. По мере того, как роботизированные ячейки становятся более безопасными и экономичными, а аппаратное обеспечение становится все дешевле, популярность встроенной автоматизации растет», — сказал Грот. «Поскольку скорость сбора данных увеличивается до доли секунды, это открывает новый мир эффективности пропускной способности».

Он также считает, что современные промышленные модные словечки, такие как ИИ, Интернет вещей и аналитика больших данных, влияют на внедрение систем структурированного освещения. «Одно большое изменение — это динамическая обратная связь или закольцованная система. Например, сканируя компонент, сравнивая его с проектными данными САПР, возвращая эти несоответствия в производственный процесс и внося адаптивные изменения в инструменты для изготовления правильных деталей», — сказал он.

Ян Скрибнер, менеджер по продажам портативных устройств для 3D-сканирования компании Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Брайтон, штат Мичиган, повторил в своих наблюдениях этот акцент на автоматизации. «За последние пару лет основное внимание уделялось [автоматизации] усовершенствованию [нашего] программного обеспечения для автоматизации аппаратного обеспечения», — пояснил он.

История структурированных световых систем, предлагаемых Zeiss, также восходит к одному из первых основателей отрасли, компании Steinbichler. Zeiss приобрела компанию и ее технологии несколько лет назад. Линия систем структурированного освещения Zeiss COMET восходит к этому наследию, но теперь демонстрирует некоторые улучшения, уникальные для Zeiss. Одним из примеров является система Zeiss ABIS II, используемая для обнаружения поверхностных дефектов. Он особенно полезен при измерении поверхностей кузова класса А в автомобилестроении — он также предназначен для использования на производственной линии или рядом с ней.

Еще одним из недавних предложений Zeiss является COMET Pro AE. Устройство используется в готовых решениях компании по автоматизации, системах AIBox и AIBox flex. Это также иллюстрирует другую тенденцию, преобладающую в системах структурированного освещения всеми поставщиками, — объединение различных метрологических технологий для повышения автоматизации и точности.

«COMET Pro AE предназначен исключительно для автоматизации. У него есть пара дополнительных функций, включая фотограмметрию», — сказал Скрибнер. «Это помогает захватывать более крупные компоненты быстрее и с большей точностью. Он также имеет световые кольца, которые позволяют пользователям сканировать листовой металл и обеспечивать более подробную информацию об отверстиях, стропах или вырезах в листовом металле».

Время сбора COMET Pro AE зависит от размера детали. Кузов автомобиля из листового металла, например, занимает несколько минут. По словам Скрибнера, в результате получаются десятки миллионов точек с точностью от 25 до 35 мкм. Фактически, его самые большие успехи в новейшей истории связаны с автоматизацией измерения деталей из листового металла.

В то время как COMET Pro AE предлагается как устройство «на линии», полезное для контроля партии образцов, Zeiss также предлагает структурированное световое решение для контроля на линии с помощью своих предложений AIMax Inline и BestFit. Компания рекламирует их как подходящие для обеспечения качества, распознавания местоположения и управления производством, включая управление роботами.

Устройство также может выводить точки сканирования, преобразованные в поверхности в формате STL. «Часто COMET AIMax запрограммирован на поиск конкретных функций для проведения встроенных измерений», — сказал он. Поскольку он программируемый, он позволяет избежать ошибок, связанных с жесткой калибровкой, по все более доступной цене.

«Каждый год мы наблюдаем, как группы систем структурированного освещения снижаются в цене и растут в возможностях, открывая новые области применения», — сказал Скрибнер. Компактный размер BestFit обеспечивается технологией с одной камерой. Кроме того, учитывая суровые условия эксплуатации, для которых они предназначены, оба датчика демонстрируют устойчивость к высоким температурам за счет активной компенсации.

Доступность и применение

По словам Скотта Грина, директора по программному обеспечению компании 3D Systems Inc., Рок-Хилл, Южная Каролина, на рынке систем машинного зрения грядут большие перемены. сказал.

Компания предлагает широкий ассортимент продукции, от 3D-принтеров до устройств с тактильной силовой обратной связью, включая линейку структурированных световых метрологических систем. По словам Грина, сдвиг в системах структурированного освещения произойдет из-за снижения цен на устройства при одновременном увеличении качества и охвата сканирования.

«Это [системы], которые вскоре можно будет купить по кредитной карте. Сегодня даже существуют очень недорогие высококачественные датчики структурированного света, которые продаются менее чем за 10 000 долларов», — сказал он, что далеко от первоначальных систем стоимостью более 100 000 долларов, первоначально представленных на рынке. Компания 3D Systems предлагает то, что она называет сканером промышленного уровня — Capture и уменьшенную версию Capture Mini. Еще одно ручное устройство также использует структурированный свет для быстрого измерения мелких предметов.

Как это возможно? Этим системам нужны высококачественные и точные источники света и точные схемы проецирования. Камеры должны снимать четкие изображения размером до 16 мегапикселей. Существует очень сложное программное обеспечение и математика, которые используются для получения данных из этих компонентов. Десятилетия усовершенствований делают программное обеспечение и алгоритмы более сложными. Тем не менее, он утверждает, что системы в сущности… просты. «Система структурированного освещения — это, по сути, две камеры и проектор, — сказал он, — а также компьютер и программное обеспечение.

Общий потребительский рынок определяет кривую стоимости и качества этих компонентов. Вычисления на этом уровне становятся почти бесплатными. Массовое производство смартфонов и камер потребительского уровня означает быстрое развитие цифровых камер и источников света.

«Функциональные компоненты, фактические компоненты построения структурированного датчика освещенности, становятся гораздо более доступными», — сказал Грин. «Таким образом, вы видите снижение стоимости владения такого рода высококачественным структурированным освещением, поскольку компоненты внутри него становятся более доступными и дешевыми».

По его словам, как только стоимость оборудования снизится, ценовое давление на сопутствующее программное обеспечение усилится. По словам Грина, при снижении общей стоимости владения это открывает возможности для использования недорогих систем структурированного освещения в специальных целях. Представьте себе измерение зазора и заподлицо в кузове автомобиля в белом цвете или 100-процентный контроль отдельных элементов в ячейке обработки с помощью отдельных датчиков.

«Для нужных приложений у нас будут гораздо более умные датчики, расположенные намного ближе к месту производства», — сказал он. «Роль программного обеспечения для настольных ПК для этих приложений будет больше похожа на агрегатор информации».