Лазерная линия и структурированный свет: в чем разница?
Лазерный сканер работает по принципу измерения расстояния до объектов путем измерения времени прохождения отраженного луча лазера обратно к приемнику (метод триангуляции). Время прохождения лазерного импульса туда-обратно фиксируется системой, используя известное расстояние до точки и углы отклонения луча относительно оси вращения зеркала, вычисляются координаты каждой точки пространства. Данные всех зарегистрированных точек собираются в облако, формируя трёхмерную модель объекта. В дальнейшем полученное облако точек обрабатывается специальными алгоритмами, преобразуется в полигональную модель для последующей визуализации и анализа.
Сканер структурированного света работает по иному принципу. Он проецирует на измеряемый объект световой шаблон, камеры фиксируют изменения структуры света, так как измеряемый объект искажает первоначальную световую сетку. Специальное программное обеспечение обрабатывает зафиксированные изображения, сравнивая деформацию шаблона на изображениях с исходным проектом и вычисляя координаты точек поверхности объекта в пространстве.
В задаче автоматического сканирования необходимо надежно и достоверно получать облако точек всех интересующих участков поверхности. В зависимости от объекта сканирования и средства измерения помешать этому могут как внешние, так и внутренние факторы. Например, на деталях штамповки необходимо различать границы элементов в материале малой толщины, элементы при этом могут иметь отражающую поверхность. Если система недостаточно надежна, то результаты сканирования таких элементов не будут повторяемы и достоверны даже с использованием оптимальных настроек. Надежность системы в этом случае складывается из ее разрешающей способности (плотности точек в облаке), точности определения положения точек в облаке, способности точно распознавать поверхности с переменными свойствами материала и корректной постобработки, фильтрации и сглаживания без искажения действительных размеров.
С учетом сказанного, для обеспечения необходимого и достаточного качества автоматического сканирования следует применять сканирующие системы с наиболее высокими эксплуатационными характеристиками: даже небольшое отклонение от них может существенно повлиять на ход процесса измерений. Сравним лазерные сканеры и сканеры структурированного света по ряду пунктов:
-
Качество интеграции в автоматическую систему
Лазерный сканер изначально создавался как ручной инструмент, в дальнейшем по необходимости адаптированный для работы в автоматической системе. Подобная адаптация имеет определенные ограничения – короткое время автономной работы без перегрева, необходимость в перекалибровке, потеря синергии с другими исполнительными органами системы.
Сканер структурированного света изначально разрабатывался как средство автоматического контроля, аппаратно и программно готовое к интеграции в автоматическую станцию и автоматическую производственную линию (если принимать во внимание высокоточные сканеры, а не бюджетные модели, которые рассчитаны на рынок ручных устройств).
- Разрешающая способность
Сканирование лазерной линией имеет принципиальное ограничение — ширина этой линии. Для надежного распознавания на поверхности детали линия должна иметь некоторую ширину: так отраженного света будет достаточно для реконструкции точек. Ширина линии служит аппаратным сглаживанием, так как сканер не может распознать изменение формы поверхности под линией по ширине — форма считывается только вдоль линии. И несмотря на заявленные точности лазерных сканеров, они не распознают мелкие детали поверхности.
Сканеры структурированного света работают иначе: они проецируют переменный по частоте и фазе световой шаблон в виде контрастных полос — светлых и темных. Проекция структурированного света динамическая, поэтому сам сканер в процессе сканирования должен оставаться неподвижным — так осуществляется переход от непрерывного сканирования в реальном времени к фотографической съемке, где вся поверхность в поле зрения сканера захватывается за один кадр. Время экспозиции одного кадра — от 0,2 сек., точность расположения всех точек в кадре — от 5 мкм, что само по себе превосходит возможности лазерных сканеров. Форма поверхности определяется за счет искривления границы контрастных полос структурированного света. Толщина границы –– это бесконечно малая величина, которую можно различить тем лучше, чем выше разрешающая способность оптического устройства. Закономерно, что качество распознавания этой границы напрямую определяет детализацию сканирования: чем больше разрешающая способность камер, тем выше детализация. Более точные системы используют камеры 12 Мп и более с объективами большой светосилы. За счет этого сканеры структурированного света позволяют сканировать с большим разрешением и захватывать мельчайшие детали поверхности с высокой точностью.
-
Процесс сбора данных
Лазерный сканер проецирует сетку линий неподвижно относительно самого себя, и процесс сканирования требует контролируемого перемещения сканера по траектории сканирования: необходимо «закрашивать» поверхность, многократно проходя один и тот же участок. Если это не является большой проблемой в ручных измерениях, то при переходе к роботизированным системам это значительно снижает эксплуатационные характеристики.
Сканер структурированного света выполняет фотографическую съемку и позволяет пользоваться способом программирования робота «от точки до точки» — PTP (point to point). Это облегчает программирование и контроль качества сбора данных.
-
Потребность в маркерах
Лазерный сканер может работать только с маркерами или в поле зрения отслеживающего устройства. При работе с маркерами автоматизированная станция вообще перестает быть таковой, требуя постоянного размещения маркеров на детали и последующего их удаления. Автоматизировать такой процесс — отдельная задача, для многих деталей она вообще не может быть решена адекватными средствами. Размещение маркеров на оснастке тоже есть, но приводит к аналогичному результату — значительно снижает автономность системы. Только в редких случаях возможно разместить оснастку без помех для крепления и сканирования детали.
-
Потребность в локаторе
При работе с отслеживающим устройством, имеющим собственную погрешность определения расположения сканера, погрешность расположения накладывается на погрешность сканирования и в результате показывает совокупное отклонение порядка десятых долей миллиметра –– при условии, что само отслеживающее устройство не испытывает никаких внешних воздействий, чего в реальном рабочем пространстве избежать невозможно. Как следствие, погрешность возрастает еще больше. В критических ситуациях может произойти ошибка сшивки, которую потребуется устранять вручную. При работе с отслеживающим устройством нельзя допускать потери визирования сканера этим устройством, поверхности в слепой зоне отсканировать не удастся. Это является дополнительным осложняющим фактором программирования такой системы.
Далее в качестве лазерных систем будет рассмотрен только вариант системы с лазерным сканером в поле зрения отслеживающего устройства, вариант сканирования с маркерами рассмотрен не будет, так как он едва ли может претендовать на роль автоматического решения.
Сканеры структурированного света в общем случае тоже работают по маркерам, потому что не имеют фиксированной точки начала координат в измерительном пространстве системы. Однако, INTEGRA Scala имеет уникальное решение для автоматической работы — создание матрицы преобразования снимков. Это данные о пространственном положении каждого кадра, полученные при помощи сшивки по маркерам на одной детали, но воспроизводимые посредством высокоточных позиционеров — робота, рельс-направляющей и поворотного стола. Началом координат служит первый снимок в серии. После создания матрицы преобразования снимков не требуется нанесение маркеров на последующие детали, а необходимая повторяемость установки детали составляет порядка нескольких миллиметров, что может быть выполнено даже от руки. Это дает системе возможность бескомпромиссно работать в автоматизированных линиях.
Система с лазерным сканером и система структурированного света: состав оборудования и эксплуатационные характеристики
Система с лазерным сканером имеет с своем составе сам сканер, промышленного или коллаборативного робота, отслеживающее сканер устройство (локатор), опционально оснащается поворотным столом или рельс-направляющей. Лазерный сканер устанавливается на робота и может выполнять автоматическое сканирование, если на роботе запущена соответствующая программа и сканер находится в поле зрения локатора. Сам локатор устанавливается так, чтобы обеспечить наилучший обзор сканера в процессе работы. Локатор служит точкой начала координат для облака точек в процессе сканирования.
На эксплуатационные характеристики такой системы влияет множество факторов:
-
Интеграция
Сканер, робота, поворотный стол и другие позиционеры, ПО для контроля геометрии требуется объединить третьим ПО, которое служит специально для создания и поддержания синхронной работы системы. Такое ПО, как правило, не универсально, неудобно в использовании и крайне требовательно к параметрам настройки подконтрольных программ. Любое нарушение последовательности инициализации системы может вызвать аварийное состояние системы и полный перезапуск.
Альтернативный вариант — это интеграция устройств в ПО для контроля сканера и реконструкции облака точек. Он предпочтительнее, так как позволяет избежать ряда пользовательских ошибок и упрощает общую архитектуру системы. В этом случае степень интеграции и возможности ПО управлять устройствами и создавать программы измерения тоже могут быть разными. В большинстве случаев такое ПО может отправлять команды на исполнение определенных программ, созданных заранее, через пульт управления роботом и позиционерами. Такой уровень интеграции является поверхностным и не позволяет напрямую контролировать позиционеры, что может привести к расхождению ожидаемых и исполняемых программ и, как следствие, к аварийной ситуации
-
Калибровка
На данной системе периодически должна проводиться калибровка исполнительных устройств. Калибровка требуется и сканеру, и локатору. Так как сканер установлен на роботе, калибровка может быть выполнена автоматически по вызову соответствующей команды и запуску программы на роботе. Для калибровки локатора применяется специализированный жезл, который должен быть последовательно установлен в поле зрения локатора в 20+ различных положениях. Если система не использует дополнительного робота для манипуляций с калибровочным жезлом, то эта процедура должна выполняться вручную. Размещать в поле зрения локатора дополнительного робота с жезлом чаще всего экономически нецелесообразно. Настройка обратной связи между этим роботом и локатором — отдельная сложная задача, которая тем не менее требует решения для реализации автоматической последовательности калибровки.
-
Визирование сканера локатором
Поле зрения локатора ограничено, и сам сканер может быть заслонен деталью, роботом, работе локатора могут мешать другие помехи, в том числе дневной солнечный свет. Решением может быть установка дополнительных локаторов для покрытия всех возможных мертвых зон. При работе с объемными деталями может потребоваться три и более локатора, которые тем не менее не позволят сканировать внутренние полости детали, так как внутри детали локатор разместить не удастся. Каждый из локаторов потребуется калибровать отдельно.
-
Стабильность температуры устройства
Перемена температуры сильно влияет на точность сканирования: лазерные сканеры требуется прогревать перед использованием, заявленная точность обеспечивается только в определенном диапазоне температур, а перегрев останавливает работу камер. По достижении определенного предела температуры лазерный сканер требует технического перерыва в работе для охлаждения с последующей перекалибровкой. Для ручных измерений, когда в процессе работы человек периодически останавливает работу сканера, проверяет промежуточные результаты, делает перерывы в работе и в целом следит за температурой устройства, это является нормой. Однако в автоматическом процессе в зависимости от степени интеграции устройств перегрев может привести к работе вхолостую, когда само устройство уже не выполняет сбор данных по причине перегрева, но программа продолжает исполняться роботом. Если интеграция более глубокая, система сообщит об ошибке и остановит выполнение программы, но все равно потратит время на охлаждение и перекалибровку, которые потребуется выполнить вручную. Вероятнее всего весь процесс сканирования необходимо будет начать заново. Системы активного поддержания температуры лазерные сканеры не имеют, так как устройства изначально разработаны для ручного использования, из-за чего лишний вес системы активного охлаждения просто недопустим. Соответственно, активно контролировать и предотвращать перегрев не удастся.
-
Воздействие вибрации на стационарно смонтированный комплекс
Защита от вибраций — необходимая мера для измерительных систем с точностью порядка 0,1 мм, так как амплитуда вибраций в промышленных условиях может легко достигать этих величин. В системе «сканер-локатор» локатор теоретически считается неподвижным, и расчет облака точек происходит исходя из этого допущения. Однако при наличии вибрации это допущение некорректно, поскольку за счет амплитуды вибрации локатор меняет свое местоположение в непредсказуемом направлении. Это приводит к дополнительной составляющей погрешности, которую невозможно рассчитать и скорректировать никакими калибровками. Должны быть разработаны меры противодействия вибрации для снижения ее влияния до пренебрежимо малого. Такими мерами могут быть виброизолированный фундамент или виброзащищенное основание, и система (не только локатор!) должна быть размещена на них. Локатор должен быть смонтирован отдельно на специализированную жесткую опору, предотвращающую развитие вибраций. Вопреки многим проектным решениям, которые демонстрируют поставщики, крепление локатора на защитном периметре станции, на стенах помещения и просто на треноге не обеспечивает достаточной жесткости и виброизоляции для соблюдения метрологических условий работы систем.
-
Надежность сбора данных
Скорость сканирования лазерной системы может достигать нескольких миллионов точек в секунду, но в процессе сканирования необходимо ограничить скорость движения робота, чтобы не допустить потерю данных и обеспечить требуемую плотность точек в результирующем облаке. Подбор скорости прохождения траектории тоже вносит осложнения в процесс программирования.
Автоматизированная станция на базе сканера структурированного света имеет в составе сам сканер, промышленного или коллаборативного робота, поворотный стол или рельс-направляющую, но не имеет локатора для определения положения сканера. Сшивка снимков происходит за счет маркеров, для этого в состав системы может включаться устройство фотограмметрии. Однако есть уникальное решение, реализованное в системе INTEGRA Scala AutoBox: после выполнения одного цикла сканирования детали по маркерам этот цикл может быть многократно воспроизведен без маркеров за счет использования режима сканирования по матрице преобразования снимков. Это снимает любые ограничения по отслеживанию устройства локаторами, так как положение каждого кадра рассчитано и воспроизводится точными позиционерами (роботы KUKA, промышленные поворотные столы и т.д.). Если рассмотреть те же факторы, что влияют на работу системы с лазерным сканером и локатором, то для системы структурированного света многие из факторов теряют свою значимость.
-
Интеграция
ПО интегрирует в себе управление сканированием и реконструкцией облака точек, контроль положения позиционеров, работу системы безопасности, взаимодействие с высшими уровнями управления и MES-системами. При создании измерительных программ работа проходит исключительно в интерфейсе этого ПО и не требуется создавать независимые программы для робота и позиционеров, которые управляющее ПО должно исполнять впоследствии. Помимо интеграции сами положения всех снимков могут быть подобраны по 3D-модели изделия заранее, сводя работу оператора к минимуму.
-
Калибровка
Сканер структурированного света — единственное устройство в системе, требующее периодической калибровки. Состояние сканера может быть автоматически проверено системой, в случае неудовлетворительного результата выполняется перекалибровка. На необходимость калибровки в значительной степени влияет температура окружающей среды, поэтому, когда температура в рабочем помещении стабилизирована, калибровка может не требоваться продолжительное время. Это возможно благодаря в том числе активной системе охлаждения.
-
Визирование сканера локатором
Не требуется обеспечивать линию визирования и отслеживать положение сканера сторонними устройствами. Положение сканера обеспечивается позиционерами (робот, рельс-направляющая, поворотный стол и т.д.), а для сшивки снимков используется матрица преобразования снимков.
-
Стабильность температуры устройства
Сканеры структурированного света ввиду их применения на штативах и роботах оснащены системой активного охлаждения и CMOS-системой стабилизации температуры. Это позволяет устройству поддерживать оптимальную рабочую температуру, не перегреваясь и не теряя точности в процессе долгосрочной автоматической работы. Активная система охлаждения обдувает внешний контур охлаждающих радиаторов, таким образом не допускается попадание пыли и взвесей из рабочей среды внутрь системы.
-
Воздействие вибрации на стационарно смонтированный комплекс
Любая метрологическая система требует защиты от вибраций. Для систем структурированного света, в особенности автоматических, в случае превышения допустимой величины вибрации также должны быть разработаны требования к виброизолированному фундаменту. При размещении на таком фундаменте обеспечивается изолированная связка «сканер-изделие», и даже в случае наличия остаточных вибраций они воздействует на всю систему в целом более равномерно и сглаженно, деструктивное влияние на совокупную точность измерений снижается. С исключением еще одного элемента системы — локатора — исключается и неопределенность в измерении, связанная с воздействием вибраций на него.
-
Надежность сбора данных
Скорость сканирования сканеров структурированного света достигает 0,2 сек. за кадр, в процессе сканирования устройство неподвижно, есть функция адаптивной и мультиэкспозиции, которые обеспечивают наилучшее качество сбора данных. При этом перемещение между точками сканирования может происходить насколько угодно быстро, потому что в процессе перемещения между точками сканер не выполняет сбор данных.
Программирование систем
Метод сбора данных лазерным сканером требует «закрашивать» поверхность сканирования, перемещая вдоль нее сканер. Для этого нужно большое количество движений робота. Запрограммировать траекторию сканирования робота по непрерывному пути — один из наиболее трудоемких способов программирования. Программист должен вручную выполнить подбор траектории, оценка качества захвата поверхности требует многократных прогонов по этой траектории, каждый прогон должен быть выполнен в контексте всей программы, и любые изменения в траектории могут привести к потере данных, потому что последующие участки пути не будут скорректированы соответственно.
В дополнение к форме траектории большую роль играет скорость перемещения сканера. Эта скорость не может превышать определенной величины, при которой будет надежно обеспечен захват поверхности сеткой лазерных линий. Производители лазерных сканеров заявляют скорость сканирования в формате количества точек в секунду, что плохо коррелирует со скоростью перемещения сканера. Поиск подходящей скорости перемещения робота по траектории сканирования ложится на оператора при программировании станции и занимает несколько полных прогонов — это необходимо, чтобы определить оптимум с точки зрения пропускной способности станции и качества сбора данных.
При наличии такого количества вводных программирование станции становится трудоемкой задачей, занимающей значительное время, при этом возможность допустить ошибку достаточно велика.
При работе со сканером структурированного света фотографическая съемка значительно упрощает программирование и оценку качества сбора данных поверхности. Так как сканер выполняет фотографическую съемку, достаточно разместить его в точке визирования участка поверхности, съемка произойдет за счет динамической проекции структурированного света. Результат сканирования в определенной точке сразу виден на мониторе оператора. Положение сканера корректируется с пульта управления роботом до достижения положительного результата сканирования. При положительном результате точка сохраняется в программу и можно перейти к следующей. Такой способ перемещения робота называется «от точки до точки» (PTP, point to point) и представляет собой самый простой и гибкий способ программирования, где каждая точка программы независима и не влечет за собой коррекцию целой траектории. Эти точки визирования могут быть подобраны вручную или сгенерированы в сканирующем ПО, которое обеспечивает расчет положений сканера для достижения максимального покрытия поверхности за минимальное количество кадров, выполняя оптимизацию траектории еще до начала ее реального построения. В процессе сканирования скорость перемещения робота между точками не играет роли, так как сбор данных осуществляется в точке визирования при неподвижном положении сканера. Это дает возможность пользоваться максимальной скоростью перемещения робота между точками. Снимок занимает от 0,2 сек., поэтому пропускная способность системы структурированного света будет выше, чем системы с лазерным сканером.
С точки зрения программирования такая система намного удобнее и оставляет меньше возможностей для ошибок, таким образом снижается влияние человеческого фактора не только в процессе сканирования, но и в программировании.
Обработка и хранение данных
Лазерные сканеры работают непрерывно, постоянно собирая данные с определенной (60-120 Гц) частотой кадров. Плотность сбора данных в режиме реального времени не может быть адаптирована под кривизну поверхности и форму сканируемых элементов, потому что за один раз сканер обрабатывает только форму лазерных линий в каждом отдельном кадре. Сканирование происходит с одинаковой плотностью вне зависимости от степени кривизны поверхности, постоянно собираются избыточные данные. Анализ и фильтрацию можно провести только после завершения сканирования изделия и первичной постобработки облака точек, которая занимает тем больше времени, чем больше измеряемый объект. В процессе постобработки дополнительно будет потрачено время на обработку избыточных данных, которые система не может отфильтровать до выполнения этой обработки.
Сканер структурированного света сканирует участок поверхности за один кадр. Каждый кадр в процессе сканирования проходит локальную постобработку прямо в процессе сбора данных, в результате каждый снимок поступает в систему предварительно отфильтрованным по указанному критерию и интенсивности и уже не содержит избыточных данных. В дальнейшей обработке финального облака точек избыточные данные не участвуют, что приводит к значительному сокращению расчетного времени и объема обрабатываемых данных и в результате к более эффективному использованию машинных ресурсов. Это может показаться незначительным в краткосрочной перспективе, но в перспективе независимой работы автоматической системы на протяжении месяцев эта экономия позволит выполнять больший объем работ или предоставить больше времени для техобслуживания и технических перерывов, которые необходимы любому оборудованию. Время на их выполнение лучше обеспечивать за счет упреждающей работы, чем нагонять производственные планы после техобслуживания.
Обслуживание и гарантии
Поставщики сканирующих систем могут выполнять поставку оборудования и подключение исполнительных устройств для совместной работы. Как правило, такие поставщики берут на себя гарантийные и сервисные обязательства только в части сканирующего оборудования. Остальное оборудование — робот, поворотный стол, периметр безопасности, сетевое и электрооборудование — имеет гарантийную поддержку непосредственного производителя. Это приводит к тому, что при наступлении гарантийного случая необходимо обращаться за поддержкой к каждому из производителей в отдельности. С большой долей вероятности производитель находится в другой стране и в принципе не сможет рассмотреть обращение, так как оборудование было продано другому лицу и ввозилось по параллельному импорту.
Так как сканеры структурированного света разработаны для работы в составе автоматизированных станций, производитель сканеров поставляет автоматизированные решения под ключ, используя надежные проверенные компоненты, которые бесшовно интегрируются в систему и гарантированно обеспечивают достаточный технический уровень для решения практических задач. У таких поставщиков, как правило, выработаны методы проверки оборудования по определенным критериям и существует перечень подходящих исполнительных узлов и механизмов, которые им удовлетворяют. В этом случае гарантийные обязательства несет одно лицо — поставщик системы. Такие системы заслуживают бóльшего доверия не только в части соответствия заявленным характеристикам, но и в части эксплуатации, гарантийного и постгарантийного обслуживания.
Кратко результаты сравнения систем с лазерным сканером и систем структурированного света представлены в таблице:
В результате анализа двух решений, преобладающих в области автоматического бесконтактного контроля, нетрудно сделать вывод, что системы на основе сканеров структурированного света выигрывают по ряду точностных, технических и эксплуатационных характеристик. Закономерно, что такие системы будут в среднем обходиться дороже, чем лазерные сканеры, адаптированные к работе на роботе, но такая разница оправдана более совершенной технологией, используемой в оборудовании и ПО, а также теми плюсами, которые дает внедрение автоматизированных линий контроля в целом. Согласно мировой практике внедрение автоматизации обеспечивает прирост производительности в среднем в 25%, значительно сокращает влияние человеческого фактора, снижает брак. Уменьшается фонд оплаты труда — сокращается объем необходимых для производства человеко-часов, снижаются требования к квалификации персонала, замена даже одного человека на робота дает экономию в более чем миллион рублей в год с учетом социальных отчислений. Кажущиеся большими на старте вложения в автоматизацию окупаются, по опыту интеграторов различных отраслей, уже через 2-3 года. Автоматизированная линия контроля на основе сканеров структурированного света — это решение, которое действительно будет работать на производство и обеспечивать качество и не превратится в «памятник автоматизации», который просто закроет галочку в очередном отчете.