W erze Przemysłu 4.0, gdzie precyzja i czas mają kluczowe znaczenie, tradycyjne metody pomiarów dotykowych często okazują się niewystarczające w przypadku złożonych geometrii. W tym miejscu do akcji wkraczają nowoczesne technologie bezkontaktowe, a na czele tej rewolucji stoi technologia Światła strukturalnego. Aby w pełni zrozumieć potęgę tego narzędzia, warto przyjrzeć się jego działaniu na przykładzie zaawansowanych urządzeń opracowanych przez polską markę evixscan 3D, znaną na całym świecie z mikrometrycznej dokładności i powtarzalności pomiarów.

Sekret projekcji prążków: jak skaner widzi w 3D
Zasada działania skanerów światła strukturalnego jest genialna pod względem fizycznym, choć do funkcjonowania wymaga bardzo zaawansowanego oprogramowania matematycznego. Sprzęt ten zazwyczaj składa się z projektora i dwóch precyzyjnych kamer stereoskopowych. Projekcja tzw. „pasm interferencyjnych” stanowi absolutny rdzeń tej metody pomiarowej, znanej pod techniczną nazwą profilometrii z projekcją pasm interferencyjnych z przesunięciem fazowym.

Projektor rzuca na mierzony obiekt wzór świetlny w postaci szeregu równoległych linii. Gdy światło pada na trójwymiarową, nieregularną powierzchnię, idealnie proste linie świetlne ulegają zniekształceniu i zakrzywiają się wokół jej grzbietów, wypukłości i wgłębień – podobnie jak cienie żaluzji, które wyginają się wzdłuż konturów twarzy. W ułamku sekundy skaner wyświetla kilka takich wzorów, za każdym razem nieznacznie je przesuwając, podczas gdy kamery ustawione pod precyzyjnym kątem rejestrują, w jaki sposób cienie i światło przesuwają się po części. Wykorzystując matematyczną zasadę triangulacji, procesor urządzenia przekształca zniekształcenie każdej fringi na współrzędne przestrzenne z niezwykłą precyzją, generując gęstą chmurę milionów punktów pomiarowych.

Zalety światła niebieskiego w architekturze przemysłowej
Wdrożenie technologii światła strukturalnego w zastosowaniach czysto przemysłowych wymaga pokonania kilku wyzwań związanych z warunkami otoczenia. W swoich urządzeniach firma evixscan 3D w znacznym stopniu opiera się na technologii niebieskich diod LED. Światło to ma znacznie krótszą długość fali niż światło białe, co pozwala uzyskać znacznie ostrzejsze krawędzie na wyświetlanych prążkach. Co ważniejsze, obiektywy kamer wykorzystują wąskopasmowe filtry optyczne, dzięki czemu czujnik rejestruje wyłącznie niebieskie światło odbite od projektora. Eliminuje to wpływ zakłóceń otoczenia, takich jak światło słoneczne wpadające przez świetliki lub zmienne oświetlenie sztuczne hali produkcyjnej.

Jednak warunki panujące w przemyśle rzadko przypominają sterylne laboratorium metrologiczne. Nowoczesne skanery muszą być odporne na kurz, wibracje i wahania temperatury. Dlatego skanery 3D evixscan są wyposażone w zamknięte, wzmocnione i uszczelnione obudowy. Kluczowe znaczenie ma zachowanie absolutnej sztywności układu optycznego; nawet mikroskopijne przesunięcie kamer względem projektora spowodowane odkształceniem termicznym obudowy nieodwracalnie zniweczyłoby kalibrację i precyzję zebranych danych.

Liczby mówią same za siebie: precyzja potwierdzona certyfikatem zgodności z normami (model Quadro+)
Dla inżyniera ds. zapewnienia jakości obietnice „wysokiej precyzji” niewiele znaczą, dopóki nie zostaną poparte certyfikowanymi parametrami. Doskonałym przykładem zastosowania fizyki światła strukturalnego w praktyce, przekładającym się na rzeczywiste wyniki pomiarowe, jest flagowy model producenta – evixscan 3D Quadro+. Urządzenie to oferuje dwa niezależne zakresy skanowania, a jego dokładność jest ściśle certyfikowana zgodnie z rygorystyczną niemiecką normą metrologiczną VDI/VDE 2634 część 2.

W wewnętrznym zakresie skanowania, przeznaczonym do mniejszych i wymagających wysokiej precyzji detali, o objętości skanowania wynoszącej 220 x 160 x 85 mm, urządzenie osiąga maksymalny błąd pomiaru (dokładność) na poziomie zaledwie 0,008 mm (8 mikrometrów). Po przełączeniu na zewnętrzny zakres skanowania, przeznaczony dla większych elementów o objętości pomiarowej 450 x 225 x 180 mm (co oznacza szerszy kąt widzenia kamery i pole projekcji), maksymalny błąd nadal utrzymuje się na fenomenalnym poziomie 0,013 mm. Osiągnięcie powtarzalnego maksymalnego błędu poniżej jednej setnej milimetra pokazuje, dlaczego nowoczesne systemy wizyjne stały się pełnoprawną alternatywą dla tradycyjnych maszyn współrzędnościowych (CMM).

Wyzwania metrologiczne a realia produkcyjne
Oczywiście każda technologia ma swoje ograniczenia. Systemy światła strukturalnego, jako optyczne metody pomiarowe, podlegają zjawisku okluzji – skaner nie zmierzy głębokiego otworu gwintowanego, jeśli pasmo świetlne nie będzie w stanie do niego dotrzeć lub kamera nie będzie w stanie go uchwycić. Powierzchnie czarne jak smoła, które pochłaniają światło, oraz wysoce wypolerowane, lustrzane detale, które odbijają światło projektora, również mogą stanowić prawdziwe wyzwania inżynieryjne. Chociaż wydajne czujniki o wysokim zakresie dynamicznym (HDR) stosowane w produktach evixscan 3D radzą sobie wyjątkowo dobrze z wieloma trudnymi elementami, metrolodzy mogą nadal stosować bezpieczne dla części spraye matujące na wyjątkowo wymagających powierzchniach, aby zapewnić idealne pokrycie skanowania.

W końcu skanery 3D oparte na Światle strukturalnym całkowicie zrewolucjonizowały codzienne procesy inżynieryjne. W inżynierii odwrotnej umożliwiają one odtworzenie dokumentacji CAD zużytych części. W kontroli jakości pozwalają na szybkie nałożenie cyfrowej siatki trójkątów na oryginalny projekt, zapewniając natychmiastową mapę odchyleń kolorystycznych. Wdrożenie tej technologii przez firmy takie jak Evatronix, łączące precyzję z solidną architekturą przemysłową, dowodzi, że zaawansowana metrologia optyczna opuściła laboratoria i na stałe zintegrowała się z liniami produkcyjnymi, optymalizując czas i obniżając koszty w nowoczesnym środowisku Przemysłu 4.0.

Chcesz zobaczyć, jak działa Quadro+?
Dowiedz się, jak może zoptymalizować Twoje procesy pomiarowe. Skontaktuj się z nami już dziś, aby umówić się na prezentację na żywo lub poprosić o indywidualną wycenę dla Twojej linii produkcyjnej!