Dispozitive de scanare cu laser

Noua generaţie de dispozitive de scanare, purtând numele de scanare non-contact, se află în continuă expansiune. Această categorie cuprinde atât dispozitive de scanare punct cu punct, cât şi cu scanare liniară. Dispozitivele optice de scanare sunt mult mai eficiente decât cele mai avansate dispozitive cu palpare, fiind capabile să creeze seturi mari de date, ce poartă numele de „nor de puncte”.

Acest procedeu poate fi utilizat nu numai pentru a verifica dimensiunea şi poziţia elementelor constitutive ale piesei, dar şi pentru a crea o imagine 3D completă a piesei, datorită densităţii mari de puncte ce pot fi acumulate. Dispozitivele optice de scanare sunt cele mai potrivite pentru piese cu geometrie complexă.

1.       Aplicaţiile de bază includ:

• Inspecţie / Validare

În această aplicaţie, măsurarea caracteristicilor cuprinse în norul de puncte poate fi realizată în scopul inspecţiei dimensionale, sau, dacă modelul CAD este disponibil, comparând rezultatele măsurării cu valorile nominale. Acest ultim pas poate fi realizat utilizând procesul de palpare convenţional, dar, pentru piese mari, ale căror toleranţe pot ajunge până la 0,5 mm, procedeul de scanare optică este dezirabil, fiind mult mai rapid.

În plus, datorită densităţii mari a informaţiilor cuprinse în norul de puncte, întregul model generat prin scanare poate fi comparat cu modelul CAD al piesei, proces ce oferă o reprezentare intuitivă, ce evidenţiază cromatic abaterile pe întreaga suprafaţă.  Acest proces este extrem de relevant pentru o primă inspecţie.

De obicei, instrumentul va fi utilizat doar pentru măsurarea pieselor, dar în multe cazuri maşina ce a prelucrat piesa poate fi, de asemenea, inspectată.

• Reverse Engineering (relevare)

Reverse engineering-ul reprezintă procesul de realizare a modelului CAD, plecând de la măsurarea dimensiunilor unei piese reale (model). Este, adesea, folosit în cazurile în care procesul de concepţie implică preponderent şi operaţia  de măsurare manuală a unor caracteristici ale piesei (ansamblului). Chiar dacă progresul software-urilor CAD este uimitor, multe desene tehnice sunt generate plecând de la un model fizic, datele fiind, ulterior, convertite în format electronic. De asemenea, în cazul unor piese mai vechi, pentru care desenele tehnice nu mai sunt disponibile, este necesară scanarea în scopul generării modelului CAD pentru a determina procesul optim prin care se pot realiza piese de schimb.

În ambele cazuri, norul de puncte poate fi procesat şi transferat către un software CAD în care este creat un model 3D complet.

2.       Principiile de funcţionare ale scanării optice

• Triangulaţia cu punctual focalizat al laserului

Dispozitivul de scanare optică punct cu punct utilizează lumina laser pentru a măsura distanţe prin intermediul triangulaţiei. Raza laser este proiectată pe subiect şi se utilizează un senzor liniar 1D pentru a detecta poziţia punctului laser. În funcţie de distanţa la care raza laser atinge suprafaţa, punctul va apărea în diverse locuri în câmpul de vizualizare al camerei. Această tehnică se numeşte triangulaţie, deoarece punctul în care laserul „atinge” (palpează) suprafaţa subiect, camera şi sursa laser formează un triunghi.

În timp ce dispozitivele de scanare cu punctul focalizat al laserului pot măsura o gamă largă de suprafeţe rapid, în multe cazuri, diferenţa de rapiditate faţă de procesul de palpare nu este foarte mare, dispozitivele de scanare tinzând să rămână preferate pentru aplicaţiile în care caracteristicile de măsurat sunt sensibile (de exemplu măsurarea cu mijloace de măsurare mecanice poate produce deformare asupra feţei) sau greu de accesat utilizând sisteme de palpare de acelaşi tip.

• Triangulaţia liniei laser

Pentru a obţine o creştere semnificativă a vitezei procesului de măsurare, utilizarea dispozitivului de scanare cu punctul focalizat al laserului poate fi extinsă la un sistem de scanare cu linie laser, prin schimbarea senzorului dintr-unul liniar (1D) într-unul zonal (2D) şi a laserului punct într-unul linie. Acest proces măreşte viteza de măsurare de 1000 de ori.

Deşi sunt uşor de implementat, aceste procese de triangulaţie cu linie laser 2D au şi anumite inconveniente. Pot exista reflexii secundare de pe suprafaţa obiectelor puternic reflectante precum piesele prelucrate, punctele fiind interpretate fals de către senzorul de imagine 2D şi stocate în norul de puncte ca fiind adevărate. De asemenea, puterea laserului este disipată pe toată linia, ceea ce înseamnă că trebuie utilizat un laser mai puternic, ceea ce necesită condiţii de siguranţă suplimentare.

În general, aceste sisteme au nevoie de ajustarea mai multor parametri, în funcţie de obiectul ce se măsoară, iar dacă acesta este schimbat, este necesară reconfigurarea, proces ce se dovedeşte a fi consumator de timp.

3.       Dispozitivele de scanare cu laser HP-L

Dispozitivele de scanare cu laser HP-L oferă soluţii de scanare mult mai sofisticate prin metoda triangulaţiei cu punctul focalizat al laserului. Măsurarea este efectuată prin parcurgerea planului de triangulaţie al senzorului cu un singur punct laser descris mai sus, utilizând o oglindă montată pe un motor oscilator. Aceste dispozitive mai sunt numite şi scanere ale liniei laser, doarece examinează o linie laser, chiar dacă punctele cuprinse în linie sunt captate mai degrabă secvenţial decât simultan.

Aceste scanere au, de asemenea, o modulaţie unică a puterii laserului, asigurată de un detector optic, independent de sistem, ce se deplasează cu o viteză mult mai mare decât senzorul liniar CCD (Dispozitiv cu cuplaj de sarcină). Aceasta permite reglarea puterii laserului chiar şi în timpul procesului de măsurare.

Este un dispozitiv de mare precizie, putând fi utilizat şi la Maşinile pentru Măsurat în Coordonate (MMC) staţionare şi portabile (Braţe Poliarticulate).

Caracteristicile ce se dovedesc a fi dificil de măsurat sau iluminarea ambientală prea intensă nu influenţează precizia de măsurare a dispozitivului  de scanare cu laser HP-L. Senzorii opticiani hilează reflexiile de pe suprafaţele pieselor de măsurat, reflexii care pot altera în registrarea datelor.

Dispozitivul HP-L generează o linie laser, constând din mai multe puncte, cu ajutorul căreia se pot scana suprafeţe. Lăţimea şi intensitatea liniei laser sunt ajustate pentru a fi potrivite aplicaţiei sau condiţiilor de iluminare. Prin urmare, factorii de interferenţă nu au efect asupra acurateţii măsurărilor.

Intensitatea laserului este optimizată  automat, în timp real, pentru fiecare punct, permiţând captarea punctelor pe aproape orice material, la un unghi de până la ±60°, în timp ce lăţimea liniei laser poate fi de 25mm, 60mm sau 120mm, cu până la 2001 puncte laser înregistrate pe o singură linie, asigurând o gamă optimă de acoperire pentru toate caracteristicile piesei.

• Dispozitive de scanare cu laser destinate MMC staţionare

HP-L oferă posibilitatea unei măsurări rapide şi precise, fără contact (mai corect este să se spună „cu palpare optică”), a suprafeţelor cu formă neregulată, liberă (free forms) şi a pieselor metalice subţiri. Este ideal pentru procesul de relevare, unde acurateţea şi integritatea datelor colectate este de mare importanţă.

• Dispozitive de scanare cu laser destinate MMC portabile (Braţe Poliarticulate)

Dispozitivul HP-L-20.8 reprezintă o soluţie completă şi rapidă pentru achiziţia datelor ,,norului de puncte” pentru gama Braţele Poliarticulate ROMER Absolute Arm SE. Lăţimea liniei laser este reglabilă şi poate avea o dimensiune de până la 220 mm, dispozitivul fiind capabil să capteze până la 150 000 de puncte pe secundă. HP-L-20.8 este disponibil pentru cea mai nouă gamă de Braţe de măsură Poliarticulate ROMER Absolute SE.

Cătălin Apostol este inginer MICRO-TOP Consulting Engineering & Service