概要
有時(shí),傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)測(cè)量物體難以做到快速無創(chuàng),特別是在處理帶孔或脆弱表面時(shí)。幸運(yùn)的是,隨著三維掃描技術(shù)的發(fā)展,我們可以通過改進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)和軟件功能等方式,解決這些難題。因此,這項(xiàng)技術(shù)可以開始和CMM儀媲美,應(yīng)用于各類部件的檢驗(yàn)當(dāng)中。
掃描儀類型
桌面式、手持式、遠(yuǎn)距LIDAR、專用計(jì)量套件
性能參數(shù)
精準(zhǔn)度、速度、靈活度、視角場(chǎng)
應(yīng)用場(chǎng)景
數(shù)字化、質(zhì)量控制、逆向工程、變形分析
何為三維計(jì)量
制造領(lǐng)域,質(zhì)量至上。在測(cè)量零部件是否符合要求時(shí),制造商往往傾向于對(duì)比實(shí)際尺寸與原始設(shè)計(jì)的差異。消除缺陷通常是采用三維計(jì)量解決方案的原因之一,但究竟何為三維計(jì)量?
三維計(jì)量通常指采集零件表面精準(zhǔn)三維測(cè)量值的方式。在自動(dòng)化工具出現(xiàn)之前,這些分析都需要通過千分尺、高度計(jì)等儀器手動(dòng)進(jìn)行,直到CMM儀的出現(xiàn)。這些系統(tǒng)能夠加快并簡(jiǎn)化測(cè)量流程,將觸覺或光學(xué)傳感器安裝于物體表面,邊移動(dòng)邊采集。
要點(diǎn)
CMM是曾經(jīng)三維計(jì)量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),但今日的三維掃描儀正在撼動(dòng)CMM的權(quán)威地位。
CMM能以亞微米級(jí)精度測(cè)量零件,仍被應(yīng)用于一些要求嚴(yán)格的領(lǐng)域,包括航空航天和汽車工業(yè)。于是,我們會(huì)問:計(jì)量級(jí)三維掃描儀具備哪些CMM儀不具備的能力?
許多CMM儀使用觸發(fā)式探頭,檢驗(yàn)零件時(shí),需要觸碰表面。如果要掃描高難度表面或難以觸及的產(chǎn)品,就會(huì)嚴(yán)重妨礙結(jié)果的準(zhǔn)確度,一些高難度細(xì)節(jié)就必須通過軟件后期添加。接觸零件也會(huì)增加損壞風(fēng)險(xiǎn),CMM儀造成刮痕或刮傷的情況確有發(fā)生。
安裝CMM儀時(shí),也有其他問題需要考慮,比如經(jīng)濟(jì)成本和空間限制。這些機(jī)器不僅有高昂的成本(有時(shí)價(jià)格高達(dá)25萬美元),它們還需要通風(fēng)和減震設(shè)備的支持。若考慮這些間接支出,再加上培訓(xùn)工程師使用先進(jìn)技術(shù)的費(fèi)用,CMM儀的整體成本并不低。
此外,還有準(zhǔn)備時(shí)間。CMM儀傳感器測(cè)頭的固定大小也意味著儀器一次只能采集有限數(shù)量的數(shù)據(jù)。因此,在測(cè)量大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí),操作員的工作量巨大。例如,之前大英博物館的團(tuán)隊(duì)急需采集400多個(gè)瑪雅古跡石膏模型。若使用CMM儀,每個(gè)模型需耗時(shí)一個(gè)多小時(shí),但通過Artec Eva三維掃描儀,每件模型只需不到10分鐘。
正是速度、成本、精度方面的不足,使得三維掃描在三維計(jì)量領(lǐng)域嶄露頭角,超過了CMM儀。接下來,我們將深入介紹不同類型的計(jì)量型三維掃描儀,包括各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。
計(jì)量型三維掃描儀類型
盡管似乎顯而易見,但在使用計(jì)量型三維掃描儀前,你必須先回答三個(gè)問題:“我要掃描的物體有多大?其特征有多復(fù)雜?采集精度需要多高?”
桌面式三維掃描儀
需要高效采集小型復(fù)雜物體?桌面式計(jì)量系統(tǒng)或許是理想的選擇。桌面式設(shè)備專門用于生成高精度微型模型,身材小巧但性能強(qiáng)勁,能捕獲表面微小的細(xì)節(jié)。
一般而言,這些物體不能超過一拳大小,尺寸過大或許會(huì)超出桌面系統(tǒng)的能力范圍??紤]到這點(diǎn),身材緊湊的三維掃描儀無疑是捕獲微型復(fù)雜物體的理想之選,還能一并測(cè)量反光表面。這些設(shè)備通常被用于逆向工程或精密工業(yè)部件質(zhì)量檢驗(yàn),包括軸承、葉輪和閥門,無論它們是塑料注塑成型還是三維打印完成。
桌面式三維掃描儀的應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)不止于此,還涉及小件珠寶、牙科配件的數(shù)字化,因此應(yīng)用范圍不僅限于工業(yè)案例。
手持式三維掃描儀
正在尋找一款便攜式計(jì)量型三維掃描解決方案,能不受束縛,做到真正行動(dòng)自如?那手持式三維計(jì)量型設(shè)備或許就是你要的答案??焖賿呙璐笾行臀矬w時(shí),這類設(shè)備給予用戶靈活度。若是一款無線三維掃描儀,那優(yōu)勢(shì)就更為明顯,因?yàn)殪`活度越大,掃描高難度表面和復(fù)雜特征時(shí)就會(huì)變得更容易。
手持式三維掃描儀之所以更具吸引力,另一個(gè)重要因素就是普及度高,容易上手。通常,三維掃描儀成本更低,更易使用。例如Artec Leo,你還可以使用其內(nèi)置彩色攝像頭和三維攝像頭在屏幕上實(shí)時(shí)追蹤掃描進(jìn)度。因此,手持式白光三維掃描也意味著擁有一段遠(yuǎn)離電線、無拘無束采集數(shù)據(jù)的全新體驗(yàn)。
工業(yè)制造領(lǐng)域的用戶也能通過手持式三維掃描完成流程自動(dòng)化,應(yīng)用于零件檢驗(yàn)場(chǎng)景。這類設(shè)備通常被安裝在機(jī)械臂上,由AI控制,通過理想掃描路線測(cè)量零件批次,提升采集速度,展現(xiàn)精度優(yōu)勢(shì)。此外,人工投入降至很低,錯(cuò)誤率也被降至很低。因此,三維掃描自動(dòng)化可以助您實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。
要點(diǎn)
手持式三維掃描儀在速度、精度、掃描規(guī)模上都有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。此外,此類設(shè)備往往入門成本較低,因此也成為了廣受歡迎的選擇!
機(jī)械臂三維掃描儀
提到人工,我們就不得不介紹安裝于機(jī)械臂的掃描解決方案。盡管這不屬于獨(dú)立的三維激光掃描儀類型,但此種裝置依然呈現(xiàn)了技術(shù)應(yīng)用自動(dòng)化的一種有趣方式。機(jī)械臂掃描的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)就是可以減少三維計(jì)量過程中的人際互動(dòng),因此,產(chǎn)品測(cè)量錯(cuò)誤的概率就更低。若應(yīng)用于生產(chǎn)線,這類解決方案十分善于快速多線程處理,可在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)分析零件質(zhì)量。
因此,裝置三維掃描儀的機(jī)械臂解決了傳統(tǒng)CMM儀進(jìn)行大量質(zhì)保時(shí)任務(wù)時(shí)可能出現(xiàn)的難題。但是,將三維計(jì)量設(shè)備固定在一個(gè)基底上,也就意味著設(shè)備只能在預(yù)定區(qū)域內(nèi)工作。因此,這些裝置需事先做好大量規(guī)劃,我們不建議將這種方式用于靈活度要求較高的案例中。
固定位三維掃描儀
現(xiàn)在,采用一些特定型號(hào)的三維激光掃描儀,完全可以搞定一些規(guī)模龐大的物體,包括海上風(fēng)力渦輪機(jī)、整個(gè)建筑、開闊戶外環(huán)境。
這種時(shí)候,很多人會(huì)選擇光探測(cè)和測(cè)距(LIDAR)三維計(jì)量設(shè)備,且理由充分。這些三維掃描儀專門設(shè)計(jì)成固定點(diǎn)位,可設(shè)置好后自行掃描,無需人工干預(yù)。
該技術(shù)的不足之處在于,處理小規(guī)模項(xiàng)目時(shí),往往手持式掃描儀更合適。此外,進(jìn)入門檻較高,特別是在數(shù)據(jù)使用方面。因此,建議在使用前,先積累有關(guān)專業(yè)知識(shí)。
還有些結(jié)構(gòu)光和紅外掃描解決方案,可固定在三腳架上。盡管它們可以被置于不同高度和距離處采集數(shù)據(jù),但固定位也就意味著它們?nèi)鄙倭耸殖质讲杉O(shè)備靈活自如的一大優(yōu)勢(shì)。
要點(diǎn)
購置計(jì)量級(jí)三維掃描儀前,需先考慮尺寸和規(guī)模——目標(biāo)物體多大?需要掃描幾件?
如果你想不走尋常路,找一條不同于上述方案的方法,可考慮攝影測(cè)量技術(shù)。Artec計(jì)量套件等系統(tǒng)的測(cè)量精度高達(dá)2微米,十分驚艷,能在保持很少誤差的情況下,完成質(zhì)量檢驗(yàn)和變形分析。也就是說,可以在實(shí)操中完成車輛和儲(chǔ)罐等部件幾何變化的高精測(cè)量,并分析它們?cè)谪?fù)載下的材料變形情況。
套件可單獨(dú)使用,也能集成至更大的工業(yè)流程中,也可作為參照工具,實(shí)現(xiàn)更高的三維遠(yuǎn)距掃描精度。Artec Studio也配備計(jì)量套件插件,用戶可以直接在軟件內(nèi)完成整個(gè)攝影測(cè)量和三維掃描流程。
2023年度優(yōu)質(zhì)計(jì)量型三維掃描儀
我們大致總結(jié)了不同類型的計(jì)量型三維掃描儀。但具體該選擇哪一型號(hào)呢?下面,我們來了解一下三維計(jì)量解決方案的優(yōu)勢(shì)。
Artec Ray II
首先,我們介紹埃太科遠(yuǎn)距三維掃描儀Artec Ray II。這款設(shè)備支持高達(dá)130米的遠(yuǎn)距掃描,且精度很高。Ray II能生成清晰準(zhǔn)確、細(xì)節(jié)豐富的掃描,其捕獲速度高達(dá)每秒200萬點(diǎn)。也就是說,在實(shí)際操作中,用戶可以為螺旋槳葉或整個(gè)工廠等大規(guī)模物體和場(chǎng)景完成數(shù)字化和測(cè)量,降低數(shù)據(jù)捕獲的時(shí)間,提高投資回報(bào)率。
Ray II的速度得到了視覺慣性系的加持,該系統(tǒng)利用特征追蹤和先進(jìn)算法,能輕松解析設(shè)備所處的三維空間,并完成掃描預(yù)配準(zhǔn)。加上設(shè)備的內(nèi)置顯示屏,用戶可通過數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)實(shí)時(shí)追蹤掃描進(jìn)度。因此,這也降低了因遺漏而需返工的可能性。
如有需要,Artec Ray II也可通過平板或智能手機(jī)操控,如此一來,就成了可遠(yuǎn)程操控的便攜設(shè)備。如需掃描船舶外部,也可將設(shè)備安裝在船舶的高處,操作員站在地面進(jìn)行操作,無需將電纜接到電腦顯示器,即可追蹤掃描進(jìn)度。
Artec Micro
Artec Micro與前幾種設(shè)備不同,其掃描精度高達(dá)10微米。在實(shí)際應(yīng)用中,這款掃描儀非常適合逆向工程或?qū)υO(shè)計(jì)復(fù)雜的小型物體進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn),例如微小的工業(yè)支架、齒輪和軸承。此外,也可用于精美珠寶和牙科模型。設(shè)備自動(dòng)化程度高,身材小巧,可直接置于普通桌面,也可以輕松集成至現(xiàn)有工作空間。
要點(diǎn)
無論掃描物體大小如何,總能在諸多三維掃描解決方案中找到一款精準(zhǔn)符合您需求的設(shè)備。
Artec Space Spider
采用藍(lán)光技術(shù)的手持式Artec Space Spider和Artec Micro一樣,同樣是為精準(zhǔn)三維掃描而生,但它便攜易帶,意味著應(yīng)用場(chǎng)景更為多樣。例如,Space Spider能捕獲Micro難以處理的龐然大物,同時(shí),藍(lán)光技術(shù)也能采集到更多精密細(xì)節(jié),分辨率高達(dá)0.1毫米,效果驚人。
Artec計(jì)量套件
如需制作高精掃描,進(jìn)行工業(yè)測(cè)量,另一個(gè)選擇就是Artec計(jì)量套件。該系統(tǒng)采用光學(xué)攝影測(cè)量技術(shù),而非結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù),單點(diǎn)測(cè)量精度高達(dá)2微米,十分優(yōu)秀。此外,該套件兼容度很高,精度達(dá)計(jì)量級(jí)水準(zhǔn),是變形分析和大型物體(如渦輪葉片、飛機(jī)部件)質(zhì)檢的理想選擇。
要點(diǎn)
三維掃描可以配合攝影測(cè)量,完成大型物體的高精度測(cè)量。
套件既可以作為獨(dú)立方案使用,也可以用作手持式三維掃描儀的參照工具,提高遠(yuǎn)距掃描的捕獲精度,特別是在處理大型物體的案例中。事實(shí)上,結(jié)合Artec攝影測(cè)量和三維掃描儀,可以在15米范圍內(nèi)將精度提升14倍,物體尺寸越大,這種搭配的優(yōu)勢(shì)就會(huì)被進(jìn)一步放大。
如何選擇計(jì)量型三維掃描儀
如你所見,現(xiàn)在有很多不同的計(jì)量型三維儀可供選擇。這就需要我們回答一個(gè)問題:我們?cè)撊绾芜x擇?市面上并沒有一款萬能的攝影測(cè)量、結(jié)構(gòu)光或激光掃描解決方案,所以購買產(chǎn)品之前,需要考慮以下幾個(gè)方面。
精度
在上述對(duì)2023年度優(yōu)質(zhì)計(jì)量型三維掃描儀的詳細(xì)介紹中,我們重點(diǎn)關(guān)注了幾款精度高的解決方案。這是有原因的。采集物體主要特征的數(shù)據(jù)點(diǎn),是完成高效測(cè)量的關(guān)鍵。
那選擇掃描儀的過程中該如何考量這一點(diǎn)呢?大多數(shù)設(shè)備都在宣傳中提到其精度達(dá)到一定毫米以內(nèi)。該數(shù)據(jù)告訴我們掃描儀的測(cè)量可以多么接近于物體的真實(shí)尺寸。當(dāng)然,模型不同精度水平會(huì)有所不同,但人們普遍認(rèn)為單次掃描精度(相對(duì)于體積精度)達(dá)到0.1毫米以內(nèi),才能有效測(cè)量或創(chuàng)建物體數(shù)字副本。
至于三維計(jì)量,誤差范圍越大,設(shè)備的效果就會(huì)越差。在零件檢驗(yàn)等場(chǎng)景下,數(shù)據(jù)完整度是確保產(chǎn)品與設(shè)計(jì)一致的重要因素。
分辨率
考慮購買一臺(tái)三維計(jì)量型掃描儀時(shí),你還需考慮預(yù)期的細(xì)節(jié)程度。掃描帶有深色或反光表面、孔洞或下沉式表面的復(fù)雜部件,難度往往高于造型獨(dú)特且密度較高的物體。但只要確保你添置的掃描儀符合一定規(guī)格,就能輕松應(yīng)對(duì)這些難題。
其中很重要的一項(xiàng)參數(shù)就是三維分辨率。和掃描圖像分辨率不同,這項(xiàng)參數(shù)指的是三維網(wǎng)格上的兩點(diǎn)間距。若想捕獲全彩紋理,還需關(guān)注“每像素比特?cái)?shù)”,該值越高,彩色捕獲能力就越高。
規(guī)模
三維掃描技術(shù)用戶首先需要考慮他們掃描或測(cè)量的物體體積多大,這點(diǎn)似乎顯而易見。例如,利用手持設(shè)備,你可以采集各類大中型物體。在埃太科三維,正是因?yàn)楦叨褥`活的特點(diǎn),無線Artec Leo能讓操作員自由走動(dòng),無拘無束,因而一直以來大受歡迎。但是,如果要掃描微型物體或超大型物體、結(jié)構(gòu),如飛機(jī)和樓宇,那就要考慮其他設(shè)備。
那么,我們?nèi)绾闻袛嘁慌_(tái)三維掃描儀的掃描能力?設(shè)備的工作距離會(huì)告訴你距離捕獲物體應(yīng)相距多遠(yuǎn)。究竟是遠(yuǎn)好還是近好,一定程度上取決于你的應(yīng)用場(chǎng)景。如果打算從遠(yuǎn)處采集景觀或基礎(chǔ)設(shè)施,那遠(yuǎn)距LIDAR激光掃描儀會(huì)是不錯(cuò)的選擇。相反,如果你需要在擁擠狹小的空間內(nèi)工作,工作距離較短的手持式掃描儀更為理想。
速度
根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景,我們可以對(duì)小零件進(jìn)行大批量三維掃描,也可以對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行少量掃描。下面,我們來探討一下,在生產(chǎn)線等高吞吐量的場(chǎng)景下進(jìn)行質(zhì)保工作時(shí),需要考慮哪些三維掃描的有關(guān)參數(shù)。
設(shè)備的數(shù)據(jù)采集速度是需要權(quán)衡的幾大指標(biāo)之一。該參數(shù)通常以“每秒點(diǎn)數(shù)”體現(xiàn),數(shù)值越高,設(shè)備采集物體表面點(diǎn)數(shù)的速度就越快。
三維掃描儀的視角場(chǎng),即設(shè)備在給定距離能捕獲的區(qū)域,也會(huì)影響你的掃描速度。例如,精度優(yōu)化的Space Spider擅長(zhǎng)在180 x 140毫米范圍掃描,Artec Leo為838 × 488毫米,范圍更廣。也就是說,雖然兩臺(tái)設(shè)備都能捕獲整體尺寸相同的物體,但前者要比后者花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間。
此外,設(shè)備易用性也會(huì)影響產(chǎn)出速度,操控三維掃描儀所需的時(shí)間越長(zhǎng),生產(chǎn)率就容易下滑。有一臺(tái)靈活的手持設(shè)備,就能輕松繞過你和掃描物體間的障礙物,不影響測(cè)量結(jié)果。
移動(dòng)性
需要關(guān)注的問題是“我需要固定式還是手持式三維掃描儀?”盡管前者更適合大批量的三維掃描或大型物體捕獲(例如大型飛機(jī)部件和工廠),但后者也可以通過一些改造來實(shí)現(xiàn)。
理論上,成本較低的手持式掃描儀自由度更高,操作人員可以從任何角度采集目標(biāo)物體。但這些設(shè)備可能帶有電纜,實(shí)際操作中難以做到完全自如。因此,使用這些設(shè)備時(shí),我們需要考慮附近有無電源,以及待掃描物體的位置。
在汽車行業(yè),一些用戶需要在裝配車間掃描車輛內(nèi)部,那么這些電線能否繞開座椅和其他障礙物?
像Leo這樣的三維計(jì)量解決方案就解決了這一困擾。全無線式設(shè)計(jì),加上內(nèi)置屏幕,用戶可以專注于數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集,不用在兩個(gè)顯示屏間來回切換關(guān)注掃描進(jìn)展。
三維計(jì)量的使用場(chǎng)景
質(zhì)量保證
計(jì)量三維掃描常見的應(yīng)用之一就是零件檢驗(yàn)。在工業(yè)環(huán)境中,制造商使用這項(xiàng)技術(shù)來驗(yàn)證終端部件是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范。該流程對(duì)于質(zhì)保(或確保銷售產(chǎn)品的客戶滿意度)十分關(guān)鍵,同時(shí)避免出現(xiàn)制造錯(cuò)誤,而浪費(fèi)更多的時(shí)間和金錢成本。
在航空航天這類監(jiān)管嚴(yán)格的行業(yè),零部件往往需要滿足嚴(yán)格的耐熱、承重和耐化學(xué)性標(biāo)準(zhǔn)。因此,尺寸不一致可能意味著機(jī)器失靈。有了三維掃描,就能避免此類情況的發(fā)生,確保部件符合規(guī)格要求。
逆向工程
利用三維計(jì)量解決方案獲得的測(cè)量,也能用于逆向工程、數(shù)字化以及部件參數(shù)的調(diào)整,以提升性能。如需一些老舊部件,那么用這樣的數(shù)字化過程就會(huì)特別方便,因?yàn)檫@些部件或許因停產(chǎn)而變得價(jià)格不菲,有時(shí)甚至完全找不到。這時(shí),三維掃描技術(shù)就給制造商帶來了高性價(jià)比維修手段,而不用直接淘汰整個(gè)設(shè)備。
注意,深色或反光表面以及帶有有機(jī)外形的物體,通常來說掃描難度都會(huì)更高。但像Artec Studio這樣的軟件包可以自動(dòng)對(duì)齊掃描,還能為用戶提供手動(dòng)以及自動(dòng)表面處理工具,因此,這類掃描難題都能輕松化解。
在其他領(lǐng)域,計(jì)量三維掃描也能幫助制造商進(jìn)行故障分析。如果一件產(chǎn)品持續(xù)發(fā)生故障,那有可能是設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的。為糾正這些缺陷,可能需要使用三維掃描儀為故障產(chǎn)品制作數(shù)字副本,然后修正出現(xiàn)問題的地方。
變形分析
和航空結(jié)構(gòu)一樣,汽車行業(yè)的許多設(shè)計(jì)會(huì)在負(fù)載下發(fā)生劇烈變形。出于安全考慮,汽車制造商必須分析汽車在連續(xù)使用后的性能變化。但他們?nèi)绾尾拍茉诖_保計(jì)量級(jí)精度的前提下,快速完成這項(xiàng)任務(wù)呢?
現(xiàn)在許多人使用三維掃描來評(píng)估原型設(shè)計(jì)的性能狀況,或評(píng)估儲(chǔ)罐等部件在使用一段時(shí)間后,如何受到不同駕駛條件的影響。和CMM儀不同,這項(xiàng)設(shè)備可以快速裝置完畢。因此,掃描儀可以被安裝在工作的生產(chǎn)線上,分析汽車底盤上的焊接螺柱等部件位置。
此外,在法醫(yī)鑒定領(lǐng)域,三維計(jì)量掃描儀能幫助重建交通事故現(xiàn)場(chǎng),因此也有一席之地。利用這項(xiàng)技術(shù),Origin Forensics等調(diào)查公司就能創(chuàng)建汽車殘骸的完整三維數(shù)字副本,并用于確定撞擊的方向和程度,以及汽車的安全系統(tǒng)是否達(dá)到了預(yù)期效果。
結(jié)論
計(jì)量型三維掃描的應(yīng)用范圍可能相當(dāng)廣泛,我們無法全部列舉。但可以確定的是,這項(xiàng)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提升而言,大有裨益。該技術(shù)主要通過收集精準(zhǔn)三維測(cè)量,讓制造商更好地了解終端零件的性能,以及不同表現(xiàn)背后的原因。
在實(shí)操中,這些信息不僅能幫助三維掃描用戶加快產(chǎn)品的入市時(shí)間,還提供了逆向工程的一種手段以制作停產(chǎn)零部件。
相比于過去的CMM儀等傳統(tǒng)測(cè)量方法,速度、規(guī)模、靈活度讓三維掃描技術(shù)輕松勝出,對(duì)檢驗(yàn)與逆向工程領(lǐng)域而言,尤為如此。