Применение 3D-сканеров в производстве.

 

 

Оцифровка объектов реального мира имеет большое значение в различных областях применения. Очень активно 3D-сканирование используется в промышленности для обеспечения качества продукции, например, для измерения точности изготовления. В основном, все промышленные процессы, такие как сборка, являются довольно сложными, они также имеют высокую степень автоматизации и обычно основаны на CAD (автоматизированное проектирование данных). Проблема в том, что для обеспечения качества требуется такая же степень автоматизации. Ярким примером является автоматизированная сборка современных автомобилей, поскольку они состоят из множества частей, которые должны точно совпадать друг с другом. Системы обеспечения качества гарантируют оптимальный уровень производительности. Металлические детали требуют специальной проверки, потому что они должны иметь нужный размер, подходить друг к другу для обеспечения надежной работы. В высокоавтоматизированных процессах результаты геометрических измерений переносятся на машины, которые создают соответствующие объекты. Из-за трения и других механических процессов, цифровая модель может немного отличаться от реального объекта. Чтобы автоматически записывать и оценивать эти отклонения, произведенные детали должны быть повторно сканированы. Для этого используются 3D-сканеры, которые создают модель-образец, с которой сравниваются полученные данные. Процесс сравнения 3D-данных и CAD-модели называют CAD-сравнением, и может быть полезным методом для определения уровня износа станков и пресс-форм, точности окончательной сборки, анализа разрывов, а также объемной поверхности разобранной детали. В настоящее время лазерные триангуляционные сканеры, устройства, использующие структурированный свет и сканирование контактов являются ведущими технологиями, которые используются в промышленных целях. Контактные методы сканирования, являются самым медленным, но наиболее точным вариантом. Технология 3D-сканирования применяется в следующих промышленных областях: машиностроение (на этапе проектирования, для создания трехмерных моделей, мастер-моделей; для создания модели изделия и проведения последующих аэродинамических испытаний; для хранения цифровых копий изделий, инструмента и оснастки для обеспечения возможности их изменения, ремонта или повторного воспроизведения; в производстве, для контроля точности изделий, проведения измерений геометрических параметров инструмента и последующей коррекции инструмента); горная промышленность (для 3D-моделирования открытых карьеров и подземных выработок, строительства и проектирования объектов обустройства месторождений, определения объемов выработок и складов, маркшейдерского сопровождения буровзрывных работ); нефтегазовая промышленность (для 3D-моделирования месторождений, продуктопроводов, проектирования объектов обустройства месторождений, геометрического контроля резервуаров); строительство и архитектура (для создания трехмерных моделей зданий, улиц, рельефа, контроля состояния сооружений в период эксплуатации, монтажных работ); энергетика (для создания 3D-моделей монтажных работ, контроля состояния объекта, сканирования кабелей, опорных конструкций).

 

Индустрия развлечений.

 

 

3D-сканеры активно используются в индустрии развлечений для создания цифровых 3D-моделей в кинематографе и видеоиграх. Довольно часто создается физическая модель, которая затем сканируется для получения цифрового эквивалента, вместо того, чтобы создавать такую модель на компьютере. Если у создаваемая модель имеет аналог в реальном мире, то сканирование позволит создать трехмерную модель гораздо быстрее, чем разработка той же модели с помощью моделирования.

 

1.3.3 Обратная разработка (реверс-инжиниринг).

 

 

Обратное проектирование механических компонентов требует очень точной цифровой модели объектов, которые необходимо воссоздать. Это хорошая альтернатива тому, чтобы множество точек цифровой модели преобразовать в полигональную сетку, использовать набор плоских и кривых поверхностей или же, что идеально для механических компонентов, создавать объемную 3D модель. 3D-сканер можно использовать переноса цифровой модели объектов в цифровую модель. Также, как и призматическую конфигурацию, которую создают, используя координатно-измерительную машину. Призматическая конфигурация позволит определить простые размеры модели. Эти данные дополнительно обрабатываются специальными программами для обратной инженерии.

 

Культурное наследие.

 

 

Существует множество исследовательских проектов, которые были проведены с использованием трехмерного сканирования исторических объектов и артефактов для их документации и последующего анализа. В 1999 году две разных исследовательских группы начали сканировать статуи Микеланджело. Стэндфордский университет вместе, использовал обычный лазерный триангуляционный сканер, созданный компанией Cyberware специально для сканирования статуи Микеланджело во Флоренции. В частности, знаменитый Давид, «Рабы» и ещё четыре статуи из часовни Медичи. Сканирование производится с плотностью точек равной 0,25 мм, достаточной для того, чтобы увидеть следы от долота Микеланджело. Такое детальное сканирование предполагает получения огромного количества данных (около 32 гигабайт). Для их обработки потребовалось около 5 месяцев. Примерно в это же время работала исследовательская группа от компании IBM. Перед ними стояла задача сканирования скульптуры «Флорентийская пьета», чтобы получить не только геометрические данные, но и информацию о цвете. Цифровая модель, полученная сканирования Стэндфордским университетом, была полностью использована в 2004 году для дальнейшего восстановления статуи. Совместное использование 3D-сканирования и 3D-печати позволяет копировать реальные объекты, не используя технологии традиционного гипсового слепка, которые во многих случаях могут повредить ценный артефакт культурного наследия. Скульптура фигурки (рисунок 1.13.1) была оцифрована с помощью 3D-сканера, а полученные данные преобразовывали в программе MeshLab. Полученная цифровая 3D-модель была напечатана с помощью 3D-принтера, который позволяет создавать реальную копию исходного объекта.

 

Рисунок 1.13.1 – Пример копирования реального объекта с использованием технологий 3D-сканирования и 3D-печати

 

Выбор 3D сканера

 

 

Для дипломного проекта выбран 3D-сканер Ciclop. Этот тип сканера использует лазерную триангуляционную технологию сканирования. Внешний вид 3D-сканера представлен на рисунке 1.4.1.

Рисунок 1.4.1 – Лазерный 3D сканер Ciclop

 

 Он позволяет сканировать объект и получать его цифровую модель, которую можно будет редактировать и использовать для 3D печати. Объект помещается на вращающуюся платформу. При вращении платформы, два линейных лазера освещают объект с двух противоположных углов. Затем камера сканирует освещаемый объект. Данные камеры используются для построения 3D облака точек объекта.

Краткая характеристика 3D сканера представлена в таблице 1.4.1.

 

Таблица 1.4.1 – характеристика 3D сканера Ciclop

Наименование сканера	Область сканирования	Точность сканирования	Стоимость
BQ Ciclop	205 мм	0.5-5 мм от размеров детали	-

 

По сравнению с промышленными сканерами, стоимость 3D сканера не высокая и является одним из доступных для приобретения. Такой сканер предназначен для сканирования не больших объектов, например, художественных фигурок или небольших деталей, для последующей печати на 3D принтере или получения 3D модели для использования при проектировании.

 

Используемые компоненты

 

 

а) Контроллер Arduino Nano

б) Веб камера Logitech C270

в) Два лазера 650nm 5mW Red Laser Line Module (12х36 мм)

г) Драйвер шагового двигателя A4988

д) Шаговый двигатель Nema 17 (1.7А 1,8 град/шаг) не длинее 40 мм

е) Конденсатор 100 Мкф 35В

ж) Резистор 10К

з) Блок питания 12В 1,5А

и) Шариковый подшипник 16014

к) Ø200 x 8 мм круглая база. Может напечатать из трёх частей?

л) Ø200 мм нескользящее покрытие

м) Шпильки М8

н) Гайки М8

о) Шайбы М8

п) Винты и гайки М3

р) Набор пластиковых деталей

с) Прямоугольный шахматный паттерн

 

Подбор комплектующих

Подбор шагового двигателя

 

 

Двигатели разработаны для применения в механизмах, где детали поворачиваются точно на требуемый угол. Вращение вала шагового двигателя состоит из малых перемещений – шагов. Шаговый двигатель NEMA 17 имеет плиту размером 1.7 x 1.7 дюйма (рисунок 1.6.1), он имеет больший крутящий момент по сравнению с другими аналогичными шаговыми двигателями меньшего размера, например, NEMA 14. Данный двигатель имеет 6 подводящих проводов и работает от напряжения 12 В. Он может работать и от напряжения меньшей величины, однако при этом соответствующим образом будет уменьшаться и его крутящий момент.

Рисунок 1.6.1 – Шаговый двигатель NEMA 17

При каждом шаге ось двигателя NEMA17 поворачивается на угол, равный 1.8 градуса. Схема расположения подводящих проводов двигателя NEMA17 представлена на рисунке 1.6.2.

Рисунок 1.6.2 Схема расположения подводящих проводов

Шаговый двигатель NEMA17 имеет униполярное расположение 6 проводов. Эти провода подсоединены к двум раздельным обмоткам. Черный, желтый и зеленый провода подключены к первой обмотке, а красный, белый, и синий провода – к другой обмотке. В обычном режиме центральные провода обмоток (черный и белый) оставляют неподключенными.

Число шагов за оборот для двигателя NEMA17. Число шагов за полный оборот (Steps per Revolution) для каждого определенного шагового двигателя рассчитывается с помощью угла, на который поворачивается шаговый двигатель за один шаг (step angle). Для двигателя NEMA17 этот шаг равен 1.8 градуса:

Steps per Revolution = 360/ step angle
360/1.8 = 200 Steps Per Revolution

Технические характеристики двигателя Nema 17:

1) рабочее напряжение: 12V DC (12В постоянного тока);

2) угол за один шаг (Step Angle): 1.8 градуса;

3) 200 шагов за один полный оборот;

4) число фаз: 4;

5) длина двигателя: 1.54 дюйма;

6) диапазон рабочих температур: от -10 до 40 °C;

7) удерживающий крутящий момент: 22.2 oz-in.