Модельщик 2000: системы 3D-сканирования — II

Андрей Макачев Александр Чайкин

Оцифровка с помощью трехкоординатной тактильной измерительной головки

Оцифровка с помощью лазерной измерительной головки с линейной триангуляцией

Оцифровка с помощью лазерной измерительной головки с круговой триангуляцией

В предыдущей статье («САПР и графика» № 1’2000) было рассказано о концепции проекта «Модельщик 2000» известного итальянского производителя фрезерно-гравировальных станков — фирмы CIELLE и о ее системе электронного механического 3D-сканирования тактильного типа с однокоординатной головкой. Данная статья продолжает эту тему и посвящена новейшим трехкоординатным тактильным и лазерным системам. Редакторы статьи напоминают читателям, что описываемые системы предназначены для работы в составе фрезерно-гравировальных станков CIELLE.

Оцифровка с помощью трехкоординатной тактильной измерительной головки

Трехкоординатная тактильная измерительная головка, так же как и однокоординатная, перемещается вместе с рабочей головкой станка, к которой она крепится, и позволяет сканировать трехмерные объекты с помощью механического щупа. В отличие от однокоординатной тактильной головки, которая измеряет перемещение наконечника щупа вдоль оси Z, эта головка позволяет считать координаты его наконечника также и по осям X и Y.

Получение исчерпывающей информации о положении наконечника по трем осям гарантирует более высокую точность, в частности в случае сканирования вертикальных поверхностей, при измерении которых однокоординатный пробник вообще может быть сломан.

По сравнению с бесконтактными лазерными системами, описываемыми ниже, главным достоинством такой тактильной головки является возможность измерения высоких вертикальных поверхностей. Кроме того, отпадает необходимость в постпроцессоре фильтрации шума считывания, возникающего при лазерных измерениях, а в случае бликующих поверхностей не нужно производить их окрашивание перед измерениями.

Эта головка, как и все другие типы механических измерительных систем, не может применяться для сканирования моделей из пластичных материалов.

Оцифровка с помощью лазерной измерительной головки с линейной триангуляцией

Эта головка представляет собой электронно-оптическое устройство, прикрепляемое к рабочей головке станка (фрезерной или гравировальной). Устройство перемещается по координатам X, Y и Z с помощью механизма станка, и это позволяет считать рельеф сканируемой поверхности модели.

Получение этой информации достигается следующим образом. На сканируемую поверхность проецируется опорный лазерный луч, а отраженный свет собирается объективом линейного оптического сенсора, расположенного в той же измерительной головке. Простой триангуляционный расчет дает расстояние между измерительной головкой и сканируемой точкой поверхности, которое легко пересчитывается в значение Z-координаты этой точки поверхности. Следовательно, этот тип лазерного измерения применяет принцип линейной триангуляции. При этом используется только небольшая часть отраженного света, попадающего на единственный оптический сенсор, расположенный на головке. Такой способ обеспечивает высококачественное сканирование большого количества типов поверхностей.

Физические особенности лазерных измерений не требуют контакта измерительной головки со сканируемой поверхностью и позволяют использовать этот метод для сканирования нежестких изделий, изготовленных, например, из пластилина или воска. Таким образом, бесконтактный лазерный метод сканирования — это неразрушающий метод.

Тот факт, что сканируемый объект не требует жесткого закрепления на рабочем столе, так как во время измерений не смещается от воздействия измерительной головки, гарантирует более высокую скорость сканирования вследствие уменьшения продолжительности подготовительных операций. Кроме того, и сами измерения могут производиться быстрее, поскольку измерительный инструмент не подвергается риску разрушения благодаря отсутствию механического контакта со сканируемой моделью.

Однако в отличие от тактильного способа этот тип лазерных измерений не позволяет сканировать поверхности с крутыми и глубокими ступеньками. При попытке их сканирования отраженный от поверхности свет опорного луча лазера может не достичь оптического сенсора, поскольку его оптическая ось перекрывается самой ступенькой сканируемого рельефа.

И наконец, если поверхность сканируемой модели слишком хорошо отражает падающий свет (например, бликует. — Прим. ред.), то ее перед сканированием необходимо покрыть матовой краской. После сканирования также потребуется произвести (двухмерную. — Прим. ред.) фильтрацию считанного рельефа специальным программным обеспечением для подавления шума считывания. Шум считывания имеет для лазеров «врожденное» происхождение и проявляется в виде дополнительной шероховатости. Вместе с лазерной измерительной головкой CIELLE поставляет программное обеспечение собственной разработки для фильтрации шума считывания, которое обеспечивает отличное качество оцифровки рельефа.

Оцифровка с помощью лазерной измерительной головки с круговой триангуляцией

Эта головка представляет собой электронно-оптическое устройство, которое так же, как и головка с линейной триангуляцией, прикрепляется к рабочей головке станка. Опорный лазерный луч точно так же проецируется на поверхность сканируемой модели.

Отличие заключается в том, что она оснащена кольцевым оптическим сенсором. Отраженный поверхностью свет собирается на поверхности сенсора в виде окружности, радиус которой увеличивается при увеличении расстояния до сканируемой поверхности.

Триангуляционный расчет по усредненному радиусу окружности позволяет определить расстояние до измеряемой точки и в конечном итоге оцифровать сканируемую поверхность.

Достоинства круговой триангуляции, по сравнению с линейной, заключаются в следующем:

• Обеспечивается более высокая достоверность измерений, поскольку используется информация от множества ячеек сенсора, засвечиваемых окружностью света, отраженного единственной площадкой, освещенной опорным лучом.
• Уменьшается шум считывания, так как при измерениях производится усреднение по большому числу значений, формируемых множеством ячеек сенсора.
• Увеличивается диапазон рабочих углов уклона сканируемых поверхностей, поскольку всегда засвечивается хотя бы часть сенсора, что позволяет произвести необходимые вычисления.
• Имеется возможность установки дополнительной фокусирующей системы для повышения пространственного разрешения в меньшем рабочем поле.

Достоинства лазерных измерительных систем с круговой триангуляцией, как и у лазерных систем других типов, в отличие от механических систем, базируются на самом принципе бесконтактных измерений. Они также обеспечивают более высокую скорость сканирования и не повреждают поверхность сканируемых моделей.

В зависимости от своих требований пользователь может выбрать любую из нескольких моделей измерительных головок, различающихся глубиной рабочего поля, лежащей в пределах от 10 до 50 мм, и рабочим отрезком (расстоянием от головки до поверхности) в пределах от 43 до 140 мм.

По материалам фирмы CIELLE, опубликованным в «CAD master».

«САПР и графика» 4'2000