1. 3D-skaneering kui inseneritöö lähteandmestik
Detailide täppismõõdistamisel ei ole 3D-skaneerimise eesmärk lihtsalt objektist visuaalselt sarnase 3D-mudeli loomine. Kui skaneeritud andmeid kasutatakse pöördprojekteerimiseks, CAD-modelleerimiseks, kvaliteedikontrolliks või uue toote projekteerimiseks, muutub skaneering inseneritöö lähteandmestikuks.
Sellisel juhul ei ole oluline ainult see, kas 3D-mudel näeb ekraanil terviklik ja korrektne välja. Oluline on, kas mõõdetud geomeetria paikneb 3D-andmestikus seal, kus see paikneb ka tegelikul objektil. Ava, serv, kinnituspunkt või tasapind võib olla lokaalselt hästi skaneeritud, kuid kui selle asukoht ülejäänud objekti suhtes on vale, on lähteandmestik inseneritöö seisukohalt vale.
2. Kuidas töötab triangulatsioonil põhinev 3D-laserskänner?
Detailide täppismõõdistamisel kasutatakse tööstuslikke 3D-laserskännereid, mille mõõtepõhimõte põhineb optilisel triangulatsioonil. Skänner projitseerib objekti pinnale laserjooni või laserimustri ning skänneri kaamerad registreerivad laserkiire asukoha ja muutuse objekti pinnal. Kuna laserallika ja kaamerate omavaheline geomeetria on kalibreeritud ja teada, arvutab mõõtesüsteem triangulatsiooni abil mõõdetud pinna punktidele X-, Y- ja Z-koordinaadid.
Operaator liigutab käsiskännerit üle objekti pinna ning ühe mõõtepunkti asemel kogutakse väga suur hulk 3D-koordinaate. Nendest moodustub punktipilv ja selle põhjal trianguleeritud 3D-mesh, mis kirjeldab mõõdetud objekti geomeetriat.
Sama tehnoloogiaga saab mõõta väga erineva suurusega objekte: väikestest detailidest kuni sõidukite, masinadetailide, aluskonstruktsioonide ja teiste suurte tööstusobjektideni. Objekti suurenedes muutub aga järjest olulisemaks see, kuidas määratakse skänneri täpne asukoht kogu mõõtmise vältel.
3. Ainult pinna mõõtmisest ei piisa
Täppismõõdistamisel ei ole piisav, et järgmine skaneeritud ala lihtsalt sobituks visuaalselt eelmisega. Süsteem peab säilitama mõõdetud geomeetria õige asukoha kogu objekti suhtes.
Professionaalsetes metroloogiaklassi süsteemides kasutatakse selleks kontrollitud referentse. Sõltuvalt mõõtesüsteemist võivad nendeks olla näiteks objektil või selle ümbruses paiknevad optilised markerid või väline laser tracker, mis määrab skänneri asukoha sõltumatult objekti loomulikust geomeetriast. Tracker-põhises süsteemis saab käsiskänneri mõõteandmed siduda välise referentssüsteemiga ka väga suure mõõtemahu ulatuses.
Markerite olemasolu ei garanteeri veel õiget skaneeringut
Marker on ainult referents. Skänneri tarkvara peab markerid usaldusväärselt tuvastama, nende omavahelise geomeetria korrektselt säilitama ning iga järgmise mõõtekaadri õigesse 3D-asendisse registreerima.
Kui süsteem kaotab tracking'u, tuvastab markerid ebastabiilselt või seob uue mõõtekaadri vale referentsiga, võib skänner hakata täiesti korrektset lokaalset geomeetriat kirjutama 3D-mudelis valesse kohta. Sellisel juhul võib skaneeritud pind ise olla detailne, kuid selle asukoht kogu objekti suhtes on vale.
Praktiline näide on neljakandiline laud või konstruktsioon, mille nurgad ja küljed on omavahel sarnased. Operaator skaneerib esimese nurga, liigub teise ja seejärel kolmanda nurga juurde. Kui tracking ei ole piisavalt usaldusväärne, võib süsteem tõlgendada kolmanda nurga geomeetriat ekslikult esimese nurga jätkuna ning kirjutada uue mõõteinfo juba skaneeritud piirkonna asukohta. Ekraanil võib tulemus näida usutav, kuid ruumiliselt on geomeetria vale.
Sama risk tekib suurel siledal või korduva geomeetriaga pinnal. Näiteks pika seina, sõiduki külje, suure paneeli või muu väheste unikaalsete tunnustega objekti puhul võib skänner füüsiliselt liikuda juba objekti teise otsa, kuid nõrk tracking võib uue pinnaosa siduda ekslikult varasema, sarnase piirkonnaga. Probleem ei ole selles, kas skänner suudab pinda näha. Probleem on selles, kas süsteem teab täpselt, kuhu see mõõdetud pind 3D-ruumis kuulub.
4. Mõõtemetoodika on sama oluline kui skänner ise
Täppismõõdistamisel ei määra lõpptulemuse kvaliteeti ainult skänneri tehnilistes andmetes toodud punktitäpsus või resolutsioon. Tulemust mõjutab kogu mõõteahel: skänneri tehnoloogia, tracking'u meetod, referentside kvaliteet, objekti materjal ja värvus, pinna peegelduvus, operaatori liikumiskiirus, skaneerimiskaugus, andmete registreerimine ning hilisem järeltöötlus.
Seetõttu ei saa professionaalset 3D-mõõdistust hinnata ainult selle järgi, kui tihe on punktipilv või kui ilus näeb lõplik mesh ekraanil välja. Tähtis on, kas mõõdetud geomeetria on mõõtude, kuju ja asukoha mõttes kasutatav järgmises inseneritöö etapis.
Peamised kvaliteedinäitajad täppismõõdistuses
5. Mürane mesh ja servade kvaliteet raskendavad pöördprojekteerimist
Pöördprojekteerimisel ei kasutata skaneeringut ainult visuaalse mudelina. Meshist võetakse läbilõikeid, otsitakse tasapindu, silindreid, servasid, ava keskkohti ja muid geomeetrilisi referentse, mille järgi ehitatakse CAD- või Solid-mudel.
Kui skaneeritud mesh on mürane, muutub ka läbilõige ebaühtlaseks. Tasane pind võib skaneeringus olla säbruline, terav serv võib olla ümar või ebaselge ning ava piir võib olla katkendlik. Sellisel juhul peab insener hakkama tõlgendama, kus tegelik pind või serv tõenäoliselt asus. See lisab tööaega ning suurendab riski, et lõplik CAD-mudel ehitatakse ebatäpse lähteandmestiku põhjal.
Eriti oluline on see siis, kui loodav mudel peab sobituma olemasoleva detaili, sõiduki, konstruktsiooni või tootmiskeskkonnaga. Kui mesh ei anna piisavalt selget infot kriitiliste pindade ja servade kohta, ei ole probleem enam CAD-modelleerimises. Probleem asub juba mõõteandmetes.
6. Odavam skänner ei pruugi tähendada odavamat mõõdistust
Odavama hobi- või prosumer-klassi skänneri puhul võib esmapilgul tunduda, et sama töö on võimalik teha madalama kuluga. Praktikas võib aga suuremate ja keerukamate objektide puhul tekkida vastupidine olukord.
Skaneeringu mahu kasvades võib süsteem muutuda aeglasemaks, andmete kogumise ja registreerimise kvaliteet võib halveneda ning suureneda võib vajadus alasid eemaldada, uuesti skaneerida ja hiljem mesh-andmeid parandada. Seda mõjutavad skänneri tehnoloogia, tarkvara optimeeritus, arvuti RAM, videomälu, protsessor, salvestuskiirus, objekti pind, operaatori liikumine ja tracking'u stabiilsus.
Kui süsteem ei suuda kasvava andmemahu juures stabiilselt töötada, ei ole tegemist ainult mugavusprobleemiga. Aeglustumine, tracking'u kaotus, ebastabiilne registreerimine ja hilisem parandamine pikendavad tööaega ning võivad suurendada mõõteriski. Seetõttu võib odavam seade tähendada kokkuvõttes pikemat tööprotsessi ja suuremat vastutust kliendi ees.
7. Odava skaneeringu tegelik hind võib selguda alles tootmises
3D-skaneerimise puhul ei ole kõige ohtlikum viga see, mille operaator skaneerimise ajal avastab. Kõige suurema riskiga on mõõteviga, mida ei märgata ja mis liigub skaneeringust edasi järgmisesse projekteerimis- ja tootmisetappi.
Kõik järgnevad etapid tuginevad eelnevale. Kui skaneeritud lähteandmestikus paikneb näiteks ava, kinnituspunkt või funktsionaalne pind tegelikkusega võrreldes vales asukohas, ei ole võimalik seda viga CAD-modelleerimise käigus automaatselt tuvastada. Insener võib konstrueerida matemaatiliselt korrektse ja kvaliteetse CAD-mudeli, kuid mudel jääb ikkagi korrektselt modelleeritud valede lähteandmete põhjal.
Võtame näiteks auto pagasiruumi mõõdistamise. Pagasiruumis võivad asuda avad, kinnituskohad, lukustid, konksud ja muud funktsionaalsed elemendid, mille järgi projekteeritakse uus toode. Kui ühe kinnitusava geomeetria skaneeritakse uuesti, võib ava enda kuju ja läbimõõt olla hästi jäädvustatud, kuid registreerimisvea tõttu võib ava keskpunkt paikneda lõplikus 3D-mudelis tegelikkusega võrreldes mõne millimeetri võrra vales kohas.
Visuaalselt võib mudel endiselt korrektne tunduda. Insener kasutab seda skaneeringut CAD-mudeli konstrueerimiseks ning paigutab uue toote kinnituspunkti täpselt sinna, kus see skaneeringu järgi asub. CAD-mudel võib olla tehniliselt korrektne, kuid probleem on selles, et CAD-mudeli lähteandmed olid valed.
Kui viga avastatakse prototüübi etapis, on kahju tavaliselt piiratud. Kui aga prototüüpimise ja kontrolli etapp jäetakse vahele ning tootmisse saadetakse näiteks 200 detaili, võib sama väike mõõdistusviga muutuda oluliseks majanduslikuks kahjuks. Kaotsi võivad minna materjal, masina tööaeg, inseneritunnid ja logistika. Lisaks võivad tekkida tootmise viivitused, reklamatsioonid ja probleemid lõppkliendiga.
8. Vertz 3D lähtub täppismõõdistamisel mõõteandmete kvaliteedist ja usaldusväärsusest
Vertz 3D on valinud detailide täppismõõdistuseks professionaalsed mõõteseadmed ja metoodikad, lähtudes eelkõige mõõteandmete kvaliteedist, korratavusest ja usaldusväärsusest. Oluline ei ole ainult see, millises failiformaadis andmed kliendile üle antakse, vaid millise kvaliteediga mõõteinfo see fail tegelikult sisaldab – kui täpne ja stabiilne on trianguleeritud mesh-andmestik, kui hästi on säilinud servad ja funktsionaalsed elemendid ning kas geomeetria paikneb 3D-ruumis mõõtmeliselt õiges asukohas.
Vertz 3D jaoks ei ole aktsepteeritav olukord, kus kokkuhoid mõõtetehnikalt suurendaks kliendi riski hilisemas projekteerimises või tootmises. Seetõttu kasutatakse detailide täppismõõdistamisel professionaalseid triangulatsioonil põhinevaid 3D-laserskaneerimise süsteeme ja mõõtmetoodikaid, mille eesmärk on tagada inseneritööks vajalik mõõteandmete usaldusväärsus.
Vertz 3D praktiline kogemus erineva hinnaklassi ja erineva tehnoloogiaga 3D-skänneritega on näidanud, et odavama hobi- ja prosumer-klassi seadmete puhul võivad suuremate ja keerukamate objektide skaneerimisel probleemiks muutuda tracking'u stabiilsus, mõõtemüra, mesh-andmete kvaliteet ning süsteemi jõudlus kasvava andmemahu juures. Kui skaneeritud alasid tuleb korduvalt eemaldada ja uuesti mõõta, suureneb nii tööaeg kui ka vale registreerimise risk.
Vertz 3D jaoks on oluline kogu mõõteahel: õige mõõtetehnoloogia valik, sobiv skaneerimismetoodika, kontrollitud referentsid, korrektne andmete registreerimine, 3D-andmete järeltöötlus ning kliendile üleantava faili kvaliteet. Eesmärk ei ole lihtsalt objekt ära skaneerida, vaid anda kliendile kvaliteetne ja usaldusväärne 3D-lähteandmestik, mida saab kasutada edasises inseneritöös.
Kui 3D-skaneeringust saab pöördprojekteerimise, tootearenduse või tootmise lähteandmestik, peab mõõdistusmetoodika olema valitud vastavalt sellele vastutusele. Täppismõõdistamise väärtus ei seisne selles, kui odavalt saab objekti digitaliseerida, vaid selles, kui kindlalt saab klient saadud mõõteandmete põhjal edasi projekteerida ja toota.