Ситуация: Многие предприятия считают, что достаточно установить 3D-сканер на робота — и автоматизация контроля готова. Но настоящая автоматизация означает автономную работу системы: стабильную точность, воспроизводимость результатов и интеграцию в производственную линию без участия оператора.
Вопрос: как правильно выбрать технологию 3D-сканирования для такой задачи — лазерный сканер на роботе или систему структурированного света?
В первой части нашего обзора-сравнения мы подробно рассмотрели, как происходят бесконтактные измерения с помощью лазерной линии и структурированного света, а во второй части изучим систему с лазерным сканером и систему структурированного света и подробно рассмотрим состав этих систем.
В третьей, заключительной части обзора-сравнения рассмотрим программирование систем, особенности обработки и хранения данных, а также вопросы обслуживания и возможности получения гарантии. Завершим обзор сравнительной таблицей, в которой в сжатой форме представим основные результаты сравнения систем.
Система с лазерным сканером и система структурированного света: состав оборудования и эксплуатационные характеристики
Система с лазерным сканером
имеет с своем составе сам сканер, промышленного или коллаборативного робота, отслеживающее сканер устройство (локатор), опционально оснащается поворотным столом или рельс-направляющей. Лазерный сканер устанавливается на робота и может выполнять автоматическое сканирование, если на роботе запущена соответствующая программа и сканер находится в поле зрения локатора. Сам локатор устанавливается так, чтобы обеспечить наилучший обзор сканера в процессе работы. Локатор служит точкой начала координат для облака точек в процессе сканирования.
На эксплуатационные характеристики такой системы влияет множество факторов:
Интеграция
Сканер, робота, поворотный стол и другие позиционеры, ПО для контроля геометрии требуется объединить третьим ПО, которое служит специально для создания и поддержания синхронной работы системы. Такое ПО, как правило, не универсально, неудобно в использовании и крайне требовательно к параметрам настройки подконтрольных программ. Любое нарушение последовательности инициализации системы может вызвать аварийное состояние системы и полный перезапуск.
Альтернативный вариант — это интеграция устройств в ПО для контроля сканера и реконструкции облака точек. Он предпочтительнее, так как позволяет избежать ряда пользовательских ошибок и упрощает общую архитектуру системы. В этом случае степень интеграции и возможности ПО управлять устройствами и создавать программы измерения тоже могут быть разными. В большинстве случаев такое ПО может отправлять команды на исполнение определенных программ, созданных заранее, через пульт управления роботом и позиционерами. Такой уровень интеграции является поверхностным и не позволяет напрямую контролировать позиционеры, что может привести к расхождению ожидаемых и исполняемых программ и, как следствие, к аварийной ситуации
Калибровка
На данной системе периодически должна проводиться калибровка исполнительных устройств. Калибровка требуется и сканеру, и локатору. Так как сканер установлен на роботе, калибровка может быть выполнена автоматически по вызову соответствующей команды и запуску программы на роботе. Для калибровки локатора применяется специализированный жезл, который должен быть последовательно установлен в поле зрения локатора в 20+ различных положениях. Если система не использует дополнительного робота для манипуляций с калибровочным жезлом, то эта процедура должна выполняться вручную. Размещать в поле зрения локатора дополнительного робота с жезлом чаще всего экономически нецелесообразно. Настройка обратной связи между этим роботом и локатором — отдельная сложная задача, которая тем не менее требует решения для реализации автоматической последовательности калибровки.
Визирование сканера локатором
Поле зрения локатора ограничено, и сам сканер может быть заслонен деталью, роботом, работе локатора могут мешать другие помехи, в том числе дневной солнечный свет. Решением может быть установка дополнительных локаторов для покрытия всех возможных мертвых зон. При работе с объемными деталями может потребоваться три и более локатора, которые тем не менее не позволят сканировать внутренние полости детали, так как внутри детали локатор разместить не удастся. Каждый из локаторов потребуется калибровать отдельно.
Стабильность температуры устройства
Перемена температуры сильно влияет на точность сканирования: лазерные сканеры требуется прогревать перед использованием, заявленная точность обеспечивается только в определенном диапазоне температур, а перегрев останавливает работу камер. По достижении определенного предела температуры лазерный сканер требует технического перерыва в работе для охлаждения с последующей перекалибровкой. Для ручных измерений, когда в процессе работы человек периодически останавливает работу сканера, проверяет промежуточные результаты, делает перерывы в работе и в целом следит за температурой устройства, это является нормой. Однако в автоматическом процессе в зависимости от степени интеграции устройств перегрев может привести к работе вхолостую, когда само устройство уже не выполняет сбор данных по причине перегрева, но программа продолжает исполняться роботом. Если интеграция более глубокая, система сообщит об ошибке и остановит выполнение программы, но все равно потратит время на охлаждение и перекалибровку, которые потребуется выполнить вручную. Вероятнее всего весь процесс сканирования необходимо будет начать заново. Системы активного поддержания температуры лазерные сканеры не имеют, так как устройства изначально разработаны для ручного использования, из-за чего лишний вес системы активного охлаждения просто недопустим. Соответственно, активно контролировать и предотвращать перегрев не удастся.
Воздействие вибрации на стационарно смонтированный комплекс
Защита от вибраций — необходимая мера для измерительных систем с точностью порядка 0,1 мм, так как амплитуда вибраций в промышленных условиях может легко достигать этих величин. В системе «сканер-локатор» локатор теоретически считается неподвижным, и расчет облака точек происходит исходя из этого допущения. Однако при наличии вибрации это допущение некорректно, поскольку за счет амплитуды вибрации локатор меняет свое местоположение в непредсказуемом направлении. Это приводит к дополнительной составляющей погрешности, которую невозможно рассчитать и скорректировать никакими калибровками. Должны быть разработаны меры противодействия вибрации для снижения ее влияния до пренебрежимо малого. Такими мерами могут быть виброизолированный фундамент или виброзащищенное основание, и система (не только локатор!) должна быть размещена на них. Локатор должен быть смонтирован отдельно на специализированную жесткую опору, предотвращающую развитие вибраций. Вопреки многим проектным решениям, которые демонстрируют поставщики, крепление локатора на защитном периметре станции, на стенах помещения и просто на треноге не обеспечивает достаточной жесткости и виброизоляции для соблюдения метрологических условий работы систем.
Надежность сбора данных
Скорость сканирования лазерной системы может достигать нескольких миллионов точек в секунду, но в процессе сканирования необходимо ограничить скорость движения робота, чтобы не допустить потерю данных и обеспечить требуемую плотность точек в результирующем облаке. Подбор скорости прохождения траектории тоже вносит осложнения в процесс программирования.
Автоматизированная станция на базе сканера структурированного света
имеет в составе сам сканер, промышленного или коллаборативного робота, поворотный стол или рельс-направляющую, но не имеет локатора для определения положения сканера. Сшивка снимков происходит за счет маркеров, для этого в состав системы может включаться устройство фотограмметрии. Однако есть уникальное решение, реализованное в системе INTEGRA Scala AutoBox: после выполнения одного цикла сканирования детали по маркерам этот цикл может быть многократно воспроизведен без маркеров за счет использования режима сканирования по матрице преобразования снимков. Это снимает любые ограничения по отслеживанию устройства локаторами, так как положение каждого кадра рассчитано и воспроизводится точными позиционерами (роботы KUKA, промышленные поворотные столы и т.д.). Если рассмотреть те же факторы, что влияют на работу системы с лазерным сканером и локатором, то для системы структурированного света многие из факторов теряют свою значимость.
Интеграция
ПО интегрирует в себе управление сканированием и реконструкцией облака точек, контроль положения позиционеров, работу системы безопасности, взаимодействие с высшими уровнями управления и MES-системами. При создании измерительных программ работа проходит исключительно в интерфейсе этого ПО и не требуется создавать независимые программы для робота и позиционеров, которые управляющее ПО должно исполнять впоследствии. Помимо интеграции сами положения всех снимков могут быть подобраны по 3D-модели изделия заранее, сводя работу оператора к минимуму.
Калибровка
Сканер структурированного света — единственное устройство в системе, требующее периодической калибровки. Состояние сканера может быть автоматически проверено системой, в случае неудовлетворительного результата выполняется перекалибровка. На необходимость калибровки в значительной степени влияет температура окружающей среды, поэтому, когда температура в рабочем помещении стабилизирована, калибровка может не требоваться продолжительное время. Это возможно благодаря в том числе активной системе охлаждения.
Визирование сканера локатором
Не требуется обеспечивать линию визирования и отслеживать положение сканера сторонними устройствами. Положение сканера обеспечивается позиционерами (робот, рельс-направляющая, поворотный стол и т.д.), а для сшивки снимков используется матрица преобразования снимков.
Стабильность температуры устройства
Сканеры структурированного света ввиду их применения на штативах и роботах оснащены системой активного охлаждения и CMOS-системой стабилизации температуры. Это позволяет устройству поддерживать оптимальную рабочую температуру, не перегреваясь и не теряя точности в процессе долгосрочной автоматической работы. Активная система охлаждения обдувает внешний контур охлаждающих радиаторов, таким образом не допускается попадание пыли и взвесей из рабочей среды внутрь системы.
Воздействие вибрации на стационарно смонтированный комплекс
Любая метрологическая система требует защиты от вибраций. Для систем структурированного света, в особенности автоматических, в случае превышения допустимой величины вибрации также должны быть разработаны требования к виброизолированному фундаменту. При размещении на таком фундаменте обеспечивается изолированная связка «сканер-изделие», и даже в случае наличия остаточных вибраций они воздействует на всю систему в целом более равномерно и сглаженно, деструктивное влияние на совокупную точность измерений снижается. С исключением еще одного элемента системы — локатора — исключается и неопределенность в измерении, связанная с воздействием вибраций на него.
Надежность сбора данных
Скорость сканирования сканеров структурированного света достигает 0,2 сек. за кадр, в процессе сканирования устройство неподвижно, есть функция адаптивной и мультиэкспозиции, которые обеспечивают наилучшее качество сбора данных. При этом перемещение между точками сканирования может происходить насколько угодно быстро, потому что в процессе перемещения между точками сканер не выполняет сбор данных.
В третьей части мы рассмотрим программирование систем, особенности обработки и хранения данных, а также вопросы обслуживания и возможности получения гарантии. Завершим наш обзор сравнительной таблицей, в которой в сжатой форме отобразим основные результаты сравнения систем.части нашего обзора-сравнения мы продолжим изучать систему с лазерным сканером и систему структурированного света и подробно рассмотрим состав этих систем.
Если перед вами стоит задача внедрения автоматического 3D-контроля, важно заранее оценить, какая технология сканирования действительно сможет обеспечить необходимую точность, повторяемость и стабильность процесса на производстве.
Команда МС Метролоджи более 25 лет помогает предприятиям внедрять высокоточные измерительные системы и интегрировать их в производственные линии.
Оставьте заявку, и мы разберём ваши производственные задачи и подберём оптимальное решение.
Подробнее о промышленных автоматизированных измерительных системах Integra Scala AutoBox — на нашем сайте.