Продвинутые решения структурированного зрения для точного производства

Поставщики доставляют разнообразные сенсоры для соответствия потребностям и бюджетам промышленных пользователей. По мере снижения цен и роста возможностей, вопрос в том, какое следующее лучшее приложение?

Системы структурированного света измеряют поверхности, проецируя паттерн полос, затем используя камеры и изощренное ПО для конвертации их в облака точек метрологических данных. Точность может достигать однозначных микрон на миллионах точек. Скорости захвата на некоторых более новых оборудованиях измеряются в миллисекундах. Доступность и выбор растут среди этих сенсоров. Пока большинство остаются двухкамерными стерео-настройками, некоторые используют одно-камерные настройки для более гибкого развертывания, особенно рядом с производственными линиями. Больше развертываний и больше приложений — знаки индустрии.

Один из пионеров в области был GOM, компания, теперь расширяющая опции в своей линейке ATOS систем структурированного света. «В прошлом все смотрели на сенсоры ATOS как на высококонечные, но дорогие сканеры. Но теперь [GOM] предлагает всю линейку сканеров структурированного света», — сказал Фрэнк Стоун, национальный менеджер по инженерии продаж для Capture 3D Inc., Санта-Ана, штат Калифорния, добавленного ценности реселлер сенсоров ATOS. «Они поняли, что для расширения рынка нужно доставлять широкой разновидности клиентов — не всем нужны такие жесткие допуски и точности, как другим», — сказал он.

Хороший пример того, как компания предлагает разнообразие — ее ATOS Core, начальная система. Она может расти в способности вместе с потребностями владельца. Начальные приложения такие как реверс-инжиниринг или быстрый прототипинг, по словам Capture3D, нуждаются в сканировании без продвинутой инспекционной функциональности. Полный «начальный уровень» комплект включает ПО, конвертирующее данные облака точек в STL-форматированные полигональные сетки. Core предлагает путь обновления от ручной операции к полуавтоматизированной, которая может включать добавление тактильных зондов и фотограмметрии для более высококачественных метрологических инспекций. То же устройство также может быть в конечном счете обновлено до полной автоматизации для промышленных инспекций качества.

Но GOM не остановилась на улучшении своих высококонечных систем. Ее последние — предложения ATOS 5 и ATOS 5X, спроектированные для промышленного использования и интеграции измерений в производственные линии. Один из ключей к использованию структурированного света в суровых средах — сокращение времени сбора, делая его менее чувствительным к вибрации и шуму. По словам компании, ATOS 5 захватывает сканы за 0,2 секунды (200 миллисекунд) при 100 кадрах в секунду. В комбинации с системой автоматизации ATOS Scanbox, он может использоваться для измерения автомобильных кузовных замыканий, приборных панелей, лопаток турбинных двигателей или литых деталей. Установленный на роботах в кастомных интеграциях, он может измерять полные body-in-white, которые обычны в автопроизводстве.

Разнообразие источников проекции

Для еще большего расширения утилитарности, более продвинутый ATOS 5X использует гораздо более яркий источник света. «ATOS 5X использует интегрированный лазерный компрессор света для обеспечения этого более яркого источника, который расширяет объем измерения», — объяснил Стоун. «Где раньше мы могли измерять только 700 мм, с этим новым источником мы теперь можем измерять до 1000 мм за то же время. Это занимает только 0,2 секунды на скан». Технически, это все еще структурированный свет и не использует когерентность, доступную в лазере, для интерферометрии — это очень яркое, но все еще стандартное устройство структурированного света.

Hexagon Manufacturing Intelligence, Норт Кингстаун, штат Род-Айленд, также разработала в последние годы широкий спектр устройств сканирования структурированного света. Они сгруппированы в две базовые технологии, те, что используют одиночные слайд-проекции, и те, что используют множественные фринге-проекции. Одиночные слайд-сенсоры enfatизируют скорость и использование в суровых условиях и включают WLS qFLASH, BLAZE 600 и WLS 400 от Hexagon.

«Эти сенсоры enfatизируют быстрый захват изображения», — сказал Амир Гринбойм, технический менеджер программы для Hexagon. Эти собирают данные в среднем за 0,015 секунд, или 15 миллисекунд. Скорость сбора важна — это то, что делает их идеальными для заводских полов. «Философия — "измеряй где хочешь"», — сказал Гринбойм.

Множественная фринге-проекционная технология, с другой стороны, медленнее, но с лучшим разрешением. Эти включают предложения AICON от Hexagon. «Когда мы делаем снимок, изображение строится из последовательности проекций. И те проекции — линии, проецируемые на деталь, и те линии двигаются и меняют ориентацию вместе с процессом захвата изображения. Это относительно долгий процесс», — объяснил Гринбойм, занимая в среднем 2 секунды для одиночного сбора. «Цель — не скорость, а качество облака точек».

Hexagon также использует Red/Green/Blue (RGB) DLP проектор в своем новейшем сенсоре, AICON StereoScan neo. Сенсор также имеет широкий спектр измерительных полей, от 75 мм до 1100 мм. Это делается через смену объективов камер или базовой длины. Время захвата около 2 секунд и устройство может быть оснащено либо 8-, либо 16-мегапиксельной камерой.

Для чего идеален RGB DLP проектор — для приложений, где измерения могут быть конвертированы в цветовую карту отклонений при сравнении с CAD-номиналами. Эти затем проецируются обратно на деталь, которая только что измерена.

«[Это] идеально для дизайнерской работы, переработки для инструментов, и показа переизбытка или недолива материала в литье. Все это может быть видно инженеру прямо на детали, без ссылки на компьютерный экран или PDF», — объяснил Гринбойм.

Hexagon называет это See What You Measure, или SWYM. «Это идеально в измерении и работе с литьем, ковкой или вплавлением пластиков. Если у вас деталь большой геометрии, наше ПО автоматически сшивает множественные сборы вместе без необходимости референс-таргетов на детали», — сказал он.

Индустриализация и автоматизация

«Популярные приложения [для сканеров структурированного света] включают наследие инструментов для реверс-инжиниринга и авиакосмические приложения. Оба обычно требуют более высоких точечных допусков, которые подходят под аппаратное обеспечение структурированного света», — объяснил Грег Грот, менеджер дивизиона для Exact Metrology, Брукфилд, штат Висконсин. Exact Metrology предлагает контрактные измерения и сканирующие сервисы, решения метрологического оборудования, а также аренду железа и ПО. Оно предлагает или использует метрологические устройства от Портативных Arm CMM до высококонечных CT-сканеров.

Компания также использует системы структурированного света GOM ATOS. Эти включают ATOS II Triple Scan и ATOS III Triple scan, которые Exact использует в своей контрактной работе. Exact также дистрибутирует AICON PrimeScan от Hexagon Manufacturing Intelligence.

Автоматизация становится основным использованием устройств структурированного света. «В настоящее время мир автоматизации принимает [технологию структурированного света]. По мере того как робототехнические ячейки становятся безопаснее и более рентабельными параллельно с удешевлением железа, популярность встроенной автоматизации растет», — сказал Грот. «По мере увеличения скоростей захвата до субсекундных, открывается новый мир эффективностей пропускной способности».

Он также считает, что текущие промышленные буззворды — такие как AI, Интернет вещей и Большие Данные Аналитика — влияют на принятие систем структурированного света. «Одно большое изменение — динамическая обратная связь, или зацикленная система. Например, сканирование компонента, сравнение с CAD-данными проектного замысла, возврат этих расхождений в производственный процесс, и внесение адаптивных изменений в инструментальное оснащение для изготовления правильных деталей», — сказал он.

Иан Скрибнер, менеджер по продажам портативного 3D-сканирования для Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Брайтон, штат Мичиган, подхвалил этот фокус на автоматизации в своих наблюдениях. «[Автоматизация] — где большинство фокуса было за последние пару лет в улучшении [нашего] ПО для автоматизации железа», — объяснил он.

История систем структурированного света, которые предлагает Zeiss, также прослеживает свои корни к одному из ранних основателей области, компании Steinbichler. Zeiss приобрела компанию и ее технологию несколько лет назад. Линейка Zeiss COMET систем структурированного света идет из этого наследия, но теперь показывает некоторые улучшения, уникальные для Zeiss. Один пример — система Zeiss ABIS II, используемая для обнаружения поверхностных дефектов. Она особенно полезна в измерении класс-A кузовных поверхностей в автопроизводстве — снова спроектированная для использования на или рядом с производственной линией.

Еще одно из недавних предложений Zeiss — COMET Pro AE. Устройство используется в предварительно упакованных решениях автоматизации компании, AIBox и AIBox flex системах. Оно также иллюстрирует другой тренд, преобладающий в системах структурированного света у всех провайдеров — комбинирование разных метрологических технологий для улучшения автоматизации и точности.

«COMET Pro AE строго посвящен автоматизации. У него есть пара дополнительных особенностей — включая фотограмметрию», — сказал Скрибнер. «Это помогает захватывать более крупные компоненты быстрее и с лучшей точностью. У него также есть световые кольца, которые позволяют пользователям сканировать листовой металл и обеспечивать лучшую детализацию особенностей на отверстиях или выемках или вырезах листового металла».

Время сбора COMET Pro AE зависит от размера детали. Кузов автомобиля из листового металла, например, занимает несколько минут. Результат — десятки миллионов точек при точности 25-35 мкм, по словам Скрибнера. Фактически, его крупнейшие истории успеха в недавней истории были в автоматизации измерения листового металла.

Пока COMET Pro AE предлагается как «at-line» устройство, полезное для инспекций выборки партий, Zeiss также предлагает решение структурированного света для встроенной инспекции с его предложениями AIMax Inline и BestFit. Компания рекламирует их как хорошие для обеспечения качества, распознавания локации и производственно-контрольных заданий, включая робототехническое руководство.

Устройство также может выводить точки сканирования, конвертированные в STL-форматированные поверхности. «Часто COMET AIMax программируется искать специфические особенности для встроенного гажирования», — сказал он. Поскольку оно программируемо, оно избегает подводных камней жесткого гажирования, по все более доступной цене.

«Каждый год мы видели системы структурированного света как группу снижаться в цене и расти в способности, открывая новые приложения», — сказал Скрибнер. Компактный размер BestFit возможен благодаря его одно-камерной технологии. Также, признавая суровую среду, для которой они спроектированы, оба сенсора демонстрируют высокую температурную стабильность через активную компенсацию.

Доступность и приложения

Большие изменения приходят на рынок систем зрения, по словам Скотта Грина, директора по ПО для 3D Systems Inc., Рок Хилл, штат Южная Каролина. «Будет огромный сдвиг на рынке для высокоразрешающих систем структурированного света», — сказал он.

Компания предлагает широкий спектр продуктов, от 3D-принтеров до гаптических устройств обратной связи силы, включая линейку метрологических систем структурированного света. Сдвиг в системах структурированного света произойдет из-за снижения цен на устройства даже при росте качества и охвата сканирования, по словам Грина.

«Это [системы], которые скоро можно будет купить по кредитной карте. Сегодня даже есть очень низкокостные, высококачественные сенсоры структурированного света, которые продаются за менее 10 000 долларов», — сказал он — далеко от оригинальных систем за 100 000+ долларов, изначально введенных на рынок. 3D Systems предлагает то, что оно называет промышленным сканером — Capture и меньшую версию, Capture Mini. Другое ручное устройство также использует структурированный свет для быстрых измерений мелких предметов.

Как это возможно? Эти системы нуждаются в высококачественных и точных источниках света и точных проекционных паттернах. Камеры должны захватывать резкие изображения до 16 мегапикселей в размере. Есть много изощренного ПО и математики, идущей в получение данных из тех компонентов. Десятилетия уточнения делают ПО и алгоритмы более изощренными. Однако он утверждает, что системы по сути... просты. «Система структурированного света — это в основном две камеры и проектор», — сказал он, с компьютером и ПО.

Общий потребительский рынок движет кривую стоимости и качества в тех компонентах. Вычисления на этом уровне становятся почти бесплатными. Массово произведенные смартфоны и потребительские камеры означают, что цифровые камеры и источники света быстро продвигаются.

«Функциональные компоненты, актуальные компоненты построения сенсора структурированного света становятся гораздо более доступными», — сказал Грин. «Так что вы видите нисходящий сдвиг в стоимости владения тем видом высококачественного структурированного света, как компоненты внутри него становятся более легко доступными и дешевыми».

Как только стоимость железа снижается, сказал он, давление на цены на сопровождающее ПО увеличится. С снижением полной стоимости владения, это открывает использование теперь недорогих систем структурированного света в выделенных использованиях, по словам Грина. Подумайте об измерении зазоров и флешей в автокузовах body-in-white или 100% инспекции индивидуальных особенностей в фрезерной ячейке индивидуальными сенсорами.

«Для правильных приложений, у нас будет гораздо более умные сенсоры, которые гораздо ближе к месту производства», — сказал он. «Роль в десктопном ПО для тех приложений будет гораздо больше похожа на агрегатор информации».