Mis on mõõdistus?
Mõõdistuse eesmärk on määrata reaalse objekti geomeetria, mõõtmed, asend ja kuju sellise täpsusega, mida konkreetne töö nõuab. Mõõdistus võib tähendada üksikute mõõtude kontrollimist, hoone terviklikku geomeetrilist fikseerimist, tööstuskonstruktsiooni deformatsioonide analüüsi või väikese detaili kõrgtäpset digitaliseerimist.
Tänapäevases 3D-mõõdistuses kasutatakse järjest rohkem kontaktivabu optilisi ja laserskaneerimise tehnoloogiaid. Skanner salvestab objekti pinnalt ruumilist informatsiooni ning tarkvara paigutab mõõtepunktid 3D-koordinaatsüsteemi. Saadud andmestikust saab võtta mõõte, koostada jooniseid, luua BIM- või CAD-mudeleid, teha kvaliteedikontrolli ja pöördprojekteerimist.
Kuidas mõõdistamine on arenenud?
Varasem mõõdistamine oli suuresti punktipõhine. Kasutati mõõdulinte, nihikuid, mikromeetreid, teodoliite, šabloone, malle ja hiljem total station'e ning kontaktseid CMM-seadmeid. Mõõdeti peamiselt kriitilisi punkte ning ülejäänud geomeetria tuli joonistel või mudelites nende mõõtude põhjal taastada.
3D-skaneerimise areng muutis tööpõhimõtet: üksikute punktide asemel on võimalik koguda väga suur hulk ruumilisi mõõtepunkte ning digitaliseerida terve nähtav pind. See võimaldab keerulise või deformeerunud geomeetria hiljem tarkvaras tervikuna läbi töötada.
* Täpsus sõltub alati konkreetsest seadmest, mõõtemahust, metoodikast ja töötingimustest.
Mõõdistus tuleb teha vajaduspõhiselt
Kõige olulisem on alustada lõpptulemusest. Kui eesmärk on koostada kohalikule omavalitsusele esitatav mõõdistusprojekt, tuleb töö teha vastavalt nõutavale vormile, sisule ja täpsusklassile. Kui eesmärk on mootoridetaili pöördprojekteerimine, on nõutav andmetiheduse ja täpsuse tase hoopis teine.
Ülikõrge täpsus ei ole alati parem valik. Terve hoone mõõdistamine 0,02 mm klassi metroloogiasüsteemiga oleks enamasti ebavajalik, väga aeglane ja kulukas. Samal ajal ei sobi hoonete või suuremate ruumide jaoks mõeldud skanner väikese täppisdetaili reverse engineering'u lähteandmete kogumiseks, kui detaili tolerantsid nõuavad oluliselt suuremat täpsust.
1. Hoonete 3D mõõdistus
Hoonete, ruumide, fassaadide ja suuremate ehituslike objektide mõõdistamisel kasutatakse sageli statiivil töötavaid terrestrial laser scanning (TLS) süsteeme. Selliste seadmete hulka kuuluvad näiteks Leica RTC360 ning FARO Focus seeria, sh varasem FARO Focus S70. TLS sobib suure mõõteulatuse tõttu hästi tervete ruumide ja hoonete geomeetria kiireks kogumiseks.
Pilt 1. Leica RTC360 tüüpi TLS-skanner hoonete 3D mõõdistamisel.
Pilt 2. FARO terrestrial laser scanner hoone või ruumi mõõdistamisel.
TLS-mõõdistuse tüüpiline töövoog
- Skanner paigutatakse objektil järjest erinevatesse mõõtepositsioonidesse.
- Igas positsioonis kogutakse ümbritsevast keskkonnast suur hulk 3D-mõõtepunkte.
- Eraldi skaneeringud registreeritakse ehk joondatakse ühisesse koordinaatsüsteemi.
- Punktipilv puhastatakse ja kontrollitakse.
- Lõpptulemuseks saadakse terviklik 3D punktipilv, mida kasutatakse edasise modelleerimise ja joonestamise alusena.
Töömahtu mõjutab tugevalt hoone geomeetria. Suur avatud ruum võib olla suhteliselt kiirelt mõõdistatav, kuid koridorid, eraldatud ruumid, vahekäigud, trepikojad ja nähtavust takistavad elemendid nõuavad rohkem skanneri positsioone ning suurendavad nii objektil kui ka andmetöötluses kuluvat aega.
3D skaneering ei ole automaatselt BIM- või arhitektuurimudel
TLS-skanneri peamine mõõdistusandmestik on 3D punktipilv. Punktipilv on mõõteandmestik, mitte valmis BIM-mudel, arhitektuurimudel ega mõõdistusprojekt. Punktipilve kasutatakse alusandmetena tarkvarades nagu Autodesk Revit, AutoCAD, Archicad, SketchUp ja teised projekteerimis- või modelleerimiskeskkonnad. Nendes programmides joonestatakse või modelleeritakse vajalik lõpptulemus vastavalt projekti eesmärgile.
2. Konstruktsioonide 3D mõõdistus
Metallkonstruktsioonide, rakiste, mahutite, laevaelementide, torustike, masinaehituse koostude ja teiste tööstusobjektide puhul muutub oluliseks mitte ainult detailide nähtavus, vaid ka mõõtetäpsus kogu objekti ulatuses. Kõrget täpsust nõudvate suuremate konstruktsioonide puhul on eelistatud lahenduseks sageli tracker-põhine optiline metroloogiasüsteem.
Tracker jälgib käsiskanneri asukohta reaalajas ning aitab säilitada kontrollitud ruumilist positsioneerimist suuremas mõõtemahus. Sellist lähenemist kasutatakse näiteks suurte masinaelementide, alusraamide, laevakonstruktsioonide ja muude geomeetriliselt keerukate tööstusobjektide digitaliseerimisel.
Pilt 3. Tracker-põhine metroloogiline 3D-skaneerimissüsteem konstruktsiooni mõõdistamisel.
Pilt 4. Suure tööstuskonstruktsiooni või alusraami kõrgtäpne 3D mõõdistus.
Markeripõhine käsiskaneerimine konstruktsioonidel
Sõltuvalt objekti suurusest ja nõutavast täpsusest kasutatakse konstruktsioonide mõõdistamisel ka markeripõhiseid metroloogiaklassi käsiskannereid. Objektile paigaldatud optilised markerid annavad skannerile ruumilise referentsi ning aitavad vältida geomeetria põhjal jälgimisega seotud joondumisvigu.
Pilt 5. Markeripõhine käsiskaneerimine konstruktsiooni 3D mõõdistamisel.
Konstruktsioonide mõõdistuse väljund
Metroloogiaklassi käsiskannerite puhul kasutatakse edasises inseneritöös sageli trianguleeritud polügonaalset pinnamudelit ehk polygon mesh'i. Sõltuvalt süsteemist ja tarkvarast saab kasutada ka punktipilve. Mesh kujutab skaneeritud pinna geomeetriat kolmnurkadest moodustatud pinnana ning sobib hästi CAD-võrdluseks, kvaliteedikontrolliks ja reverse engineering'u lähteandmestikuks.
Andmestikku saab edasi töödelda näiteks SOLIDWORKSis, Siemens NX-is, Geomagic Design X-is, PolyWorksis ja teistes inseneri- või metroloogiatarkvarades. Skaneeritud mesh ei ole automaatselt parametriline solid-CAD-mudel: parametriline mudel luuakse skaneeringu alusel eraldi pöördprojekteerimise töövoos.
Millal võib konstruktsioonil kasutada TLS-i?
TLS võib olla sobiv ka konstruktsioonide puhul, kui objekti mõõtmed, nõutav tolerants ja projekti eesmärk seda võimaldavad. Näiteks suurema laeva- või ehituskonstruktsiooni üldise asendi ja geomeetria kontrollimisel ei pruugi alati olla vajalik metroloogiaklassi käsiskanneri täpsus. Meetod tuleb valida nõutava lõpptulemuse, mitte ainult objekti nimetuse järgi.
3. Detailide 3D täppismõõdistus
Väiksemate detailide, masinaosade ja keeruka geomeetriaga komponentide puhul kasutatakse metroloogiaklassi käsiskannereid, struktureeritud valguse süsteeme, CMM-seadmeid ning vajadusel kontaktset probing'ut. Siin on määravaks detaili tolerants, vajalik resolutsioon ning see, milleks mõõteandmeid hiljem kasutatakse.
Markeripõhised käsiskannerid, näiteks SIMSCAN-tüüpi süsteemid, võimaldavad koguda detaili pinnalt väga tihedat 3D-informatsiooni. Selliste süsteemide väljundiks on tavaliselt punktipilv ja/või trianguleeritud mesh, mida saab kasutada mõõtmete kontrolliks, CAD-võrdluseks ja pöördprojekteerimiseks.
Pilt 6. Metroloogiaklassi käsiskanner detailide 3D täppismõõdistamisel.
Pilt 7. Detaili markeripõhine kõrgtäpne 3D skaneerimine.
Probing ehk kontaktmõõtmine
Kõiki mõõteülesandeid ei ole vaja lahendada ainult pinnaskaneerimisega. Probing tähendab valitud punktide kontaktset mõõtmist mõõtesondiga. See on kasulik näiteks aukude keskpunktide, servade, tasapindade, referentspunktide või raskesti skaneeritavate geomeetriliste tunnuste määramisel. Optiline 3D-skaneerimine ja probing võivad ühes mõõdistusprojektis teineteist täiendada.
Pilt 8. Probing ehk valitud geomeetriliste punktide kontaktmõõtmine.
Miks ei sobi üks skanner kõikideks töödeks?
„3D skaneering“ on üldnimetus. Selle alla kuuluvad väga erineva tööpõhimõtte, mõõteulatuse, täpsuse ja väljundiga seadmed. Hoonete mõõdistamiseks mõeldud TLS, kiireks ruumikaardistuseks kasutatav SLAM, metroloogiaklassi markeripõhine käsiskanner, tracker-põhine süsteem ja CMM ei ole omavahel üks-ühele asendatavad.
Näiteks SLAM-seadme või hoonete TLS-skanneri punktipilve võib tehniliselt teisendada mesh'iks, kuid faili teisendamine ei suurenda algandmete mõõtetäpsust. Kui lähteandmed ei vasta detaili tolerantsile, ei muuda teistsugune failiformaat neid metroloogiaklassi mõõteandmeteks.
Mõõdistusandmed ei ole alati samaväärsed
Mõõdistuse täpsus ja töömaht
Täpsus tuleb määrata projekti vajaduse järgi. Liiga madal täpsus võib muuta andmed kasutuskõlbmatuks, kuid põhjendamatult kõrge täpsus võib suurendada tööaega ja maksumust ilma lõpptulemusele väärtust lisamata.
Töömahtu mõjutavad muu hulgas objekti suurus, geomeetriline keerukus, ligipääsetavus, nähtavus, pinna omadused, vajalike skaneerimispositsioonide arv, nõutav resolutsioon, andmetöötluse maht ning soovitud lõppväljund.
3D mõõdistuse tüüpilised väljundid
- 3D punktipilv – suur hulk ruumilisi X, Y, Z mõõtepunkte.
- Trianguleeritud polygon mesh – kolmnurkadest moodustatud digitaalne pinnamudel.
- 2D mõõdistusjoonised ja plaanid.
- Mõõdistusprojekt.
- BIM- või arhitektuurimudel, mis modelleeritakse mõõteandmete põhjal.
- CAD / solid-mudel, mis luuakse reverse engineering'u töövoos.
- Kontrollraportid, CAD-võrdlused, värvikaardid ja GD&T analüüs.
Praktilised projektinäited
Õige mõõdistusmeetodi valikut on kõige lihtsam mõista päris projektide kaudu. Suure ehitus- või laevakonstruktsiooni üldgeomeetria võib sobida TLS-mõõdistuseks, kõrget täpsust nõudev detail markeripõhiseks käsiskaneerimiseks ning suur kõrgtäpne tööstuskonstruktsioon tracker-põhiseks mõõdistuseks.
Pilt 9. Näide TLS-tehnoloogia kasutamisest suure konstruktsiooni mõõdistamisel.
Pilt 10. Näide metroloogiaklassi käsiskanneri kasutamisest kõrget täpsust nõudval objektil.
Pilt 11. Näide tracker-põhisest 3D mõõdistusest suurel tööstuskonstruktsioonil.
Millist 3D mõõdistust valida?
Mõõdistust ei tule valida selle järgi, milline skanner on parasjagu kättesaadav, vaid selle järgi, mida mõõteandmetega hiljem teha soovitakse. Hoonete mõõdistamisel on tavaliselt oluline terviklik ruumiline geomeetria ja efektiivne suurte alade katmine. Konstruktsioonide puhul võib määravaks saada volumetriline täpsus ja CAD-võrdlus. Detailide täppismõõdistuses on keskne väga hea lokaalne täpsus, kõrge resolutsioon ja usaldusväärne geomeetria.
Kokkuvõte
Mõõdistuse areng on liikunud üksikute punktide käsitsi mõõtmisest tervikliku 3D-geomeetria digitaalse kogumiseni. See ei tähenda, et üks tehnoloogia oleks kõik teised asendanud. Vastupidi: tänapäevase professionaalse mõõdistuse keskne oskus on valida konkreetse ülesande jaoks õige mõõtevahend, õige täpsusklass ja õige andmetöötluse töövoog.
3D-skaneerimine annab mõõteandmed. Nende andmete tegelik väärtus sõltub sellest, kas need on kogutud projekti nõuetele vastava tehnoloogiaga ning kas neid töödeldakse õigesti edasi punktipilveks, mesh'iks, mõõdistusprojektiks, BIM- või CAD-mudeliks.
SEO / veebilehe tööversioon – Vertz 3D