Współczesne skanery 3D mogą wykorzystywać różne źródła światła i tryby pracy. W używanym przez nas systemie dostępne są zarówno tryby wykorzystujące niebieskie linie laserowe, jak i tryb skanowania w podczerwieni, oparty na źródle VCSEL.
Rozwiązania te nie konkurują ze sobą bezpośrednio, lecz odpowiadają na różne potrzeby pomiarowe. Tryb podczerwony umożliwia szybkie pozyskiwanie danych bez rozmieszczania markerów, natomiast tryby niebieskich linii laserowych pozwalają dostosować pomiar do dużych powierzchni, drobnych szczegółów oraz trudno dostępnych fragmentów geometrii.
Wybór trybu powinien zależeć przede wszystkim od wielkości i kształtu obiektu, właściwości jego powierzchni, wymaganej dokładności oraz sposobu późniejszego wykorzystania danych.
Dlaczego źródło światła ma znaczenie?
Skaner 3D musi odpowiednio zarejestrować światło odbite lub rozproszone przez powierzchnię mierzonego obiektu. Na podstawie zarejestrowanego obrazu system określa położenie punktów w przestrzeni.
Problem polega na tym, że różne powierzchnie zachowują się w różny sposób.
Inaczej światło odbija matowy odlew, inaczej polerowany metal, a jeszcze inaczej powierzchnia bardzo ciemna, błyszcząca lub przezroczysta.
Rodzaj źródła światła wpływa na sposób rejestrowania powierzchni, ale należy rozpatrywać go razem z konstrukcją układu optycznego, parametrami kamer, sposobem śledzenia oraz algorytmami przetwarzania danych.
Cały system decyduje m.in. o:
- możliwości rejestrowania powierzchni o różnych właściwościach;
- szybkości pozyskiwania danych;
- poziomie odwzorowywanych szczegółów;
- stabilności śledzenia;
- odporności na warunki oświetleniowe;
- dokładności i kompletności wyniku.
Dlatego samego źródła światła nie należy traktować jako samodzielnego wskaźnika możliwości skanera.
Czym jest technologia VCSEL?
VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) jest rodzajem lasera półprzewodnikowego emitującego światło prostopadle do powierzchni struktury. Nazwa ta opisuje konstrukcję źródła, a nie kompletną metodę pomiarową.
W skanerach 3D układ VCSEL może emitować światło podczerwone wykorzystywane do projekcji wzoru na powierzchnię obiektu. Kamery rejestrują jego obraz, a oprogramowanie wyznacza na tej podstawie geometrię.
W wykorzystywanym przez nas systemie tryb podczerwony umożliwia skanowanie bez markerów referencyjnych. Położenie skanera jest wtedy określane na podstawie charakterystycznych cech obiektu. Rozwiązanie może skrócić przygotowanie pomiaru, ale wymaga geometrii zapewniającej stabilne śledzenie.
Czym wyróżnia się niebieski laser?
W przemysłowych skanerach 3D niebieski laser jest często wykorzystywany do projekcji linii na powierzchnię obiektu. Kamery rejestrują ich położenie, a współrzędne punktów są wyznaczane na podstawie geometrii układu pomiarowego.
O dokładności i szczegółowości nie decyduje sam kolor światła, lecz konstrukcja całego systemu: optyka, parametry kamer, geometria układu, kalibracja, algorytmy oraz sposób prowadzenia pomiaru.
W naszym systemie dostępne są różne układy niebieskich linii laserowych przeznaczone do sprawnego skanowania większych powierzchni, szczegółowego odwzorowywania lokalnej geometrii oraz pomiaru głębokich otworów i kieszeni.
Światło podczerwone VCSEL czy niebieski laser – co jest lepsze?
| KRYTERIUM | TRYB PODCZERWONY VCSEL | NIEBIESKIE LINIE LASEROWE |
|---|---|---|
| GŁÓWNA FUNKCJA | Szybkie skanowanie bez markerów | Dokładne skanowanie przemysłowe |
| SPOSÓB ŚLEDZENIA | Na podstawie cech geometrii | Z wykorzystaniem markerów referencyjnych |
| PRZYGOTOWANIE OBIEKTU | Krótsze, bez rozmieszczania markerów | Może wymagać rozmieszczenia markerów |
| TYPOWE ZASTOSOWANIE | Sprawne pozyskiwanie danych z obiektów o zróżnicowanej geometrii | Kontrola jakości, inżynieria odwrotna i dokładne odwzorowanie części |
| DROBNE SZCZEGÓŁY | Zależnie od parametrów trybu i geometrii | Specjalny układ linii do szczegółowego skanowania |
| GŁĘBOKIE OTWORY I KIESZENIE | Ograniczone dostępem optycznym | Możliwość wykorzystania pojedynczej linii |
| OGRANICZENIA | Trudniejsze śledzenie powierzchni płaskich, jednolitych lub powtarzalnych | Dłuższe przygotowanie przy skanowaniu z markerami |
| DOKŁADNOŚĆ | Zależna od parametrów trybu i warunków pomiaru | Tryby przeznaczone do zastosowań metrologicznych |
Porównanie odnosi się do trybów dostępnych w wykorzystywanym przez nas systemie. W innych skanerach sposób działania, śledzenia i parametry poszczególnych trybów mogą być odmienne.
Jak technologia radzi sobie z różnymi powierzchniami?
Jednym z najważniejszych praktycznych aspektów jest rodzaj mierzonej powierzchni.
Problematyczne mogą być m.in.:
- powierzchnie bardzo błyszczące,
- chromowane elementy,
- polerowane metale,
- powierzchnie bardzo ciemne,
- materiały przezroczyste.
W takich przypadkach odpowiednie przygotowanie obiektu może być konieczne niezależnie od zastosowanej technologii.
W przypadku wymagających powierzchni można zastosować preparat matujący, który ogranicza odbicia i poprawia warunki rejestracji. Przy pomiarach o małych tolerancjach należy jednak uwzględnić grubość nanoszonej warstwy, ponieważ zmienia ona powierzchnię podlegającą skanowaniu.
Nie należy zakładać, że wybór niebieskich linii laserowych lub trybu podczerwonego automatycznie rozwiąże każdy problem związany z kolorem, połyskiem lub przezroczystością materiału. Ostateczny sposób przygotowania powierzchni powinien wynikać z próby pomiarowej i wymagań projektu.
Właściwości powierzchni mają bezpośredni wpływ na sposób prowadzenia pomiaru. Więcej na ten temat przeczytasz w artykule „Jak przygotować obiekt do skanowania 3D?”, w którym omawiamy przygotowanie powierzchni błyszczących, ciemnych i innych problematycznych optycznie.
Czy niebieski laser oznacza większą dokładność?
Nie. Kolor ani długość fali nie określają samodzielnie dokładności skanera. Decydują o niej parametry całego systemu, jego kalibracja, geometria pomiaru, zastosowany tryb, warunki oraz sposób prowadzenia skanowania.
W wykorzystywanym przez nas systemie tryby niebieskich linii laserowych są przeznaczone do zadań wymagających dokładnych danych pomiarowych. Nie oznacza to jednak, że każdy skaner wykorzystujący niebieski laser będzie dokładniejszy od każdego urządzenia pracującego w podczerwieni.
Dlatego należy porównywać parametry przypisane do konkretnego systemu i trybu pracy, a nie wyłącznie rodzaj źródła światła.
W praktyce znacznie ważniejsze jest więc pytanie:
Czy konkretny skaner zapewnia wymaganą dokładność dla danego zadania?
Kiedy warto wykorzystać tryb podczerwony bez markerów?
Tryb podczerwony może skrócić przygotowanie pomiaru, ponieważ nie wymaga rozmieszczania markerów referencyjnych. Jest szczególnie przydatny podczas sprawnego pozyskiwania danych z większych powierzchni i obiektów zawierających charakterystyczne cechy geometryczne.
Brak markerów wiąże się jednak z koniecznością stabilnego śledzenia kształtu obiektu. Powierzchnie płaskie, jednolite albo zawierające wiele powtarzalnych elementów mogą być trudniejsze do prawidłowej rejestracji.
Wybór tego trybu powinien więc wynikać z geometrii obiektu, oczekiwanego poziomu szczegółowości i przeznaczenia danych, a nie wyłącznie z krótszego czasu przygotowania.
Na wynik pomiaru wpływa nie tylko technologia zastosowana w skanerze, ale również przygotowanie obiektu, warunki pomiaru, strategia skanowania i opracowanie danych. Sprawdź „Jak osiągnąć wysoką dokładność skanowania 3D? Od przygotowania obiektu do opracowania danych”
Kiedy warto wykorzystać niebieskie linie laserowe?
Niebieski laser jest szeroko stosowany w systemach przeznaczonych do dokładnego odwzorowania geometrii Tryby niebieskich linii laserowych wykorzystujemy wtedy, gdy priorytetem jest dokładność pomiaru, stabilne śledzenie z użyciem markerów albo odwzorowanie określonych cech geometrii.
W zależności od zadania sposób projekcji linii można dostosować do:
- sprawnego skanowania większych powierzchni;
- szczegółowego odwzorowania lokalnej geometrii;
- pomiaru głębokich otworów, kieszeni i wąskich fragmentów;
- kontroli części przemysłowych, odlewów i komponentów maszyn;
- pozyskiwania danych do inżynierii odwrotnej.
Dobór trybu powinien uwzględniać wielkość obiektu, dostęp optyczny, wymaganą szczegółowość oraz tolerancje projektu.
Co wybrać do inżynierii odwrotnej?
Jeżeli celem jest przygotowanie modelu CAD na podstawie istniejącego elementu, nie należy wybierać skanera wyłącznie na podstawie rodzaju źródła światła.
Najważniejsze jest uzyskanie danych odpowiedniej jakości i kompletności.
Przykładowy przebieg projektu może wyglądać następująco:
istniejąca część → pomiar i kontrola danych → opracowanie siatki trójkątów → rekonstrukcja geometrii → model CAD → weryfikacja modelu
Nie każdy projekt obejmuje wszystkie etapy. W niektórych zastosowaniach wystarczającym rezultatem jest chmura punktów lub siatka trójkątów.
Źródło światła wpływa na sposób pozyskania danych, ale nie przesądza o jakości rekonstrukcji. Znaczenie mają również kompletność pomiaru, geometria obiektu, sposób opracowania danych i zakres pracy konstruktorskiej.
Nie zawsze trzeba wybierać jedną technologię dla całego elementu. W przypadku złożonego korpusu podczerwień VCSEL może posłużyć do szybkiego odwzorowania jego ogólnej geometrii, natomiast niebieski laser – do dokładniejszego zeskanowania wybranych gniazd, krawędzi i powierzchni współpracujących.
Taki podział nie jest uniwersalną procedurą. Zakres wykorzystania poszczególnych technologii dobiera się do geometrii elementu, właściwości jego powierzchni, wymaganej szczegółowości oraz późniejszego zastosowania danych.
Co wybrać do kontroli jakości?
W kontroli jakości ważne jest przede wszystkim uzyskanie wiarygodnego odwzorowania rzeczywistej geometrii.
Zmierzoną geometrię można porównać z modelem nominalnym, a wynik przedstawić m.in. w formie mapy odchyłek. Interpretacja takiej mapy zależy jednak również od sposobu bazowania danych, przyjętego układu odniesienia, tolerancji oraz niepewności procesu pomiarowego.
Przy wyborze trybu pracy należy uwzględnić:
- dokładność i powtarzalność systemu;
- wymaganą rozdzielczość i odstęp między punktami;
- właściwości mierzonej powierzchni;
- sposób śledzenia położenia skanera;
- możliwość odwzorowania kontrolowanych cech;
- sposób bazowania i weryfikacji danych.
Rodzaj źródła światła jest jednym z elementów tej oceny, ale nie powinien być jedynym kryterium.
Jak wybrać odpowiednią technologię?
Najlepiej rozpocząć od określenia celu pomiaru.
Jeżeli skanowane będą duże konstrukcje bezpośrednio na stanowisku pracy, duże znaczenie może mieć mobilność i szybkość systemu.
Jeżeli najważniejsza jest szczegółowość i dokładność odwzorowania niewielkich elementów, istotniejsze mogą być parametry optyczne, rozdzielczość oraz charakterystyka konkretnego systemu.
Przed wyborem warto odpowiedzieć na kilka pytań:
- Jak duży jest mierzony obiekt?
- Jakie właściwości ma jego powierzchnia?
- Jakie cechy będą kontrolowane i jakie tolerancje mają być oceniane?
- Czy geometria obiektu umożliwia stabilne śledzenie bez markerów?
- Czy pomiar będzie wykonywany w kontrolowanym środowisku, czy bezpośrednio przy obiekcie?
- Czy dane będą wykorzystane do kontroli jakości, inżynierii odwrotnej, dokumentacji czy modelowania CAD?
- Czy priorytetem jest szczegółowe odwzorowanie lokalnych cech, czy sprawne pozyskanie danych z dużej powierzchni?
- Czy obiekt zawiera głębokie otwory, kieszenie lub inne trudno dostępne fragmenty?
Dopiero wtedy można ocenić, która konfiguracja systemu będzie najlepiej odpowiadała konkretnemu zadaniu.
Jak wybrać technologię pomiarową do konkretnego zadania? Czasami najlepszym rozwiązaniem będzie skaner 3D, innym razem CMM lub klasyczny przyrząd pomiarowy. Więcej na ten temat przeczytasz w artykule „Skanowanie 3D a tradycyjne metody pomiarowe – co wybrać?”.
Dobór trybu pracy skanera jako część strategii pomiarowej
Wybór źródła światła i trybu pracy jest jednym z elementów planowania pomiaru. Równie istotne są przygotowanie obiektu, sposób śledzenia, strategia skanowania, bieżąca kontrola danych i ich późniejsze opracowanie.
W jednym projekcie można również wykorzystać kilka trybów – na przykład sprawnie odwzorować główną powierzchnię, a następnie uzupełnić pomiar w miejscach wymagających większej szczegółowości lub lepszego dostępu optycznego.
Właściwy tryb to nie ten, który ma najbardziej atrakcyjną specyfikację, lecz ten, który pozwala uzyskać dane odpowiadające wymaganiom konkretnego projektu.
Podczerwony VCSEL czy niebieskie linie laserowe – co wybrać?
W wykorzystywanym przez nas systemie tryb podczerwony sprawdza się wtedy, gdy istotne jest szybkie skanowanie bez markerów, a geometria obiektu umożliwia stabilne śledzenie. Tryby niebieskich linii laserowych wykorzystujemy natomiast w zadaniach wymagających dokładnych danych, odwzorowania drobnych szczegółów lub pomiaru trudno dostępnych fragmentów.
Nie zawsze trzeba wybierać tylko jedno rozwiązanie. W ramach tego samego projektu można łączyć dostępne tryby, dostosowując sposób pomiaru do różnych części obiektu.
Ostateczna decyzja powinna uwzględniać wielkość i geometrię elementu, właściwości jego powierzchni, wymagane tolerancje, dostępność poszczególnych fragmentów oraz planowane wykorzystanie danych.
Nie wiesz, który tryb skanowania będzie odpowiedni dla Twojego elementu?
Prześlij informacje o wymiarach, geometrii i powierzchni obiektu oraz planowanym zastosowaniu danych. Dobierzemy tryb lub połączenie trybów pozwalające uzyskać rezultat odpowiadający wymaganiom projektu.
Opisz swój element – zaproponujemy odpowiednią strategię pomiarową.