Háromszögelés a méréstechnikában

A méréstechnikában a pontosság és a megbízható eredmények a legfontosabbak. Ez az egyetlen mód annak garantálására, hogy az alkatrészek megfeleljenek a minőségi és a biztonsági előírásoknak egyaránt. A háromszögelés, azaz a távolságmérés háromszögek alapján történő szögszámítással, egy olyan mérési módszer, amely tárgyak felületének rögzítésére használható. Ezen az oldalon megtudja, hogyan használják a háromszögelést a méréstechnikában, és miről szól a strukturáltfény-vetítéses és a fénymetszéses módszer.

A méréstechnikában a háromszögelés módszerét a tárgyak mérésére használják egyes lézerpontok és -vonalak segítségével, vagy – mint a fenti képen – teljes fénymintázatok segítségével. Szenzorokkal ellátott egy vagy több kamera rögzíti a tárgyról visszaverődött fény szögét, vagy a fénymintázatok felületen bekövetkezett deformációját, valamint a fényerőt és a távolságot. Ily módon a fénybesugárzás és a szögmérés átfogó összképet ad a mért tárgy felületéről.

A háromszögelést Európában és Amerikában már a 17. században alkalmazták, de földmérésre. Innen származik az elv. A háromszögeléssel történő felmérés során egy területet háromszögekre osztanak fel a távolság leméréséhez. Háromszögek esetében elegendő ismerni a szögeket és az alapvonalat ahhoz, hogy a hiányzó hosszakat trigonometria segítségével kiszámítsák.

Napjainkban a háromszögelési elvet a földmérésen túl is alkalmazzák, például a fotogrammetriában vagy a 3D-s szkennelésben. A méréstechnikában a háromszögelést elsősorban alkatrészek vizsgálatára használják. Erre a célra két különböző háromszögelési módszer létezik:

• Strukturáltfény-vetítés (sávvetítés)
• Lézeres háromszögelés (háromszögelés fénymetszéses módszerekkel)

A lézeres háromszögelés egyetlen lézerponttal vagy -vonallal dolgozik, amely a mért tárgyról visszaverődik, majd szenzorokkal érzékelik. A strukturáltfény-vetítés elve szerint a mérendő tárgyra egy nagyméretű fénymintázatot vetítenek. Szenzorokkal ellátott egy vagy több kamera rögzíti a fénymintázat alakját, amely a tárgy felületén deformálódik. Mindkét módszert gyakran alkalmazzák a méréstechnikában; a mérési feladattól függően az egyik vagy a másik mérési elv a megfelelőbb. Merüljön el mélyebben a lézeres és sávvetítéses 3D-s háromszögelésben, és találja meg a projektjéhez megfelelő módszert.

A sávvetítéssel történő háromszögelés során különböző fénymintázatokat vetítenek egymás után sávok vagy pontok formájában egy vizsgált tárgyra, hogy a pontos formát 3D-s modellbe leképezzék. Ehhez egy projektort és mellette legalább egy, de általában két (szenzorokkal ellátott) kamerát irányítanak egy sík felületre. A kamerák ismerik a köztük és a felület közötti távolságot, valamint azt a szöget, amelyben a fénymintázatot a tárgyra vetítik. A strukturáltfény-vetítéssel történő mérés megkezdéséhez a vizsgált tárgyat a felületre helyezik. A fénymintázatokat a tárgyra vetítik, és azok a felület alakjának megfelelően deformálódnak. Ezeket a megváltozott pont- vagy sávmintázatokat a kamerák érzékelik, és információt adnak a látómezőben lévő felület minden egyes pontjától való távolság kiszámításához. Ennek eredménye egy úgynevezett pontfelhő (STL-háló), azaz a mért tárgy pontos képe, amely sok apró mérési pontból áll.

A sávvetítéssel történő szkenneléshez használt fény lehet kék vagy fehér. Legtöbbször azonban kék fényt használnak a fényelhajlás és a környezeti fény mérésre gyakorolt hatásának csökkentése érdekében. A felület, amelyre a céltárgyat helyezik, általában fekete, hogy elkerüljék a fényvisszaverődéseket.

A nagy letapogatási sebességnek köszönhetően, különösen több mérés egyidejű rögzítése esetén, a strukturáltfény-vetítés kiválóan alkalmazható olyan ipari vizsgálati feladatokhoz, mint például:

• Alak-, helyzet- és kontúrellenőrzés
• Terület-összehasonlítás, cél/tényleges összehasonlítása
• Hiánytalanság
• Alkatrészek helyzete szerelvényekben
• Vágás pozicionálása

A strukturáltfény-vetítés elvét a kriminalisztikában is gyakran alkalmazzák, mivel még a legkisebb tárgyakhoz is megfelelő. A sávvetítés kevésbé alkalmazható akkor, amikor a mérendő tárgyak átlátszóak vagy erősen visszaverik a fényt.

A strukturáltfény-vetítés előnyei:

• Területi 3D információ állandó felbontással
• Nagy mérésipont-sűrűség
• Nagy mérési sebesség
• Rugalmas és hordozható mérési elrendezés

A strukturáltfény-vetítés hátrányai:

• Magasabb követelmények a vetítési technológiával szemben
• Az áttetsző vagy fényvisszaverő felületek előkezelést igényelhetnek
• A környezeti fény befolyásolhatja a méréseket
• A durva felületek megnehezítik a lézerponttal történő távolságmérést (a lézervonalakat ez nem érinti)

A szintén háromszögelésen alapuló fénymetszéses módszerrel végzett mérés beállítása hasonlít a strukturáltfény-vetítéséhez. A mérendő tárgyat sík felületre, általában egy forgóasztalra helyezik, majd fölé projektort és kamerát vagy szenzort helyeznek. Ez a három pont alakítja ki a háromszögelés háromszögét, amely a számítások elvégzéséhez használható. A sávvetítéssel összehasonlítva azonban, ahol a célpontra sávokból vagy pontokból álló mintázatot vetítenek, a lézerrel történő háromszögelés csak egyetlen lézerpontot vagy -vonalat alkalmaz. A döntő tényező itt sem a fény felületen történő közvetlen deformálódása, hanem a fény visszaverődése. A mért tárgy felülete a kamera irányába visszaveri a vetített lézervonalat vagy -pontot. A kamera érzékeli a visszaverődést, és a visszaverődési szög alapján kiszámítja a látómező egyes pontjaitól mért távolságot.

Mivel a lézervonal vagy -pont a tárgynak csak egy részét, és nem a teljes felületet rögzíti egyetlen letapogatással, mint a strukturáltfény-vetítésnél, ezért vagy a mérendő tárgyat vagy a szenzorokat kell mozgatni. Ezért a fénymetszéses módszerrel végzett háromszögelés esetében a mérés nagy pontosságának biztosítása érdekében elengedhetetlen a stabil mérőberendezés.

A lézeres háromszögelés mérési elvével a legkisebb mikrométeres tartományokban is nagyon pontos mérések végezhetők. De a fénymetszéses háromszögelési módszerrel még a nagyobb távolságok sem jelentenek problémát. Ezért ez a fajta háromszögelés népszerű mérési módszer az ipari gyártási folyamatokban. Használható minőség-ellenőrzésre, profil- és kontúrmérésre, valamint anyagvastagság, rezgések és távolságok meghatározására. A lézeres optikai háromszögeléssel a hibás tárgyak korán felismerhetők, és javítás vagy újrahasznosítás céljából eltávolíthatók a gyártási folyamatokból. Csillogó fémek esetében a lézeres háromszögeléssel végzett mérés általában jobb, mint a sávvetítéssel végzett. A fényvisszaverődés hibás jeleket adhat a sávmintázatokkal végzett mérési elv esetében, míg a lézeres módszer pontosan ezzel a fényvisszaverődéssel dolgozik. A túl fényes felületek még mindig problémákat okozhatnak a háromszögeléssel történő mérés során. A lézeres háromszögelés elvét gyakran alkalmazzák a csomagoló- és faipari ágazatokban, a logisztikában, az orvostechnikában és az elektronikai gyártásban is.

A lézeres háromszögelés kék vagy vörös lézerfénnyel működik. A vörös fény behatol a célponton, míg a kék lézer éles pontot vagy vonalat képez a felületen. Ezenkívül a kék lézer pontos eredményeket képes szolgáltatni izzó tárgyakon, míg a vörös szenzorokra hatással vannak a vörösen izzó fémek, és hamis jeleket adnak. Sötét felületek esetében a vörös lézerek előnyösebbek, mivel nagyobb fényintenzitást biztosítanak. A durva felületek mérése szintén vörös lézerrel, háromszögeléssel történik, a kék fény sima felületek mérésére megfelelőbb.

A lézerszkennerek előnyei:

• Független a környezeti fényviszonyoktól
• Nagy pontosságú mérések
• Nagy mérési sebesség
• A szenzorfej meglévő mérőrendszerekre, pl. koordináta-mérőgépre felszerelhető.
• A csillogó fémek mérhetők

A lézerszkennerek hátrányai:

• Előfordulhat felbontásvesztés a lézerszóródás és mozgás miatt
• Nincs folyamatbiztonság, mivel a mérések hőmérsékletfüggők
• A nagyon fényes vagy áttetsző tárgyakat nehéz mérni

Az ATOS háromszögelő szenzorokkal rendkívül pontos méréseket végezhet, és megbízható eredményeket kaphat. Két kamera és egy projektor teszi lehetővé a strukturáltfény-vetítés és a fénymetszés módszerével végzett méréseket.

Az ATOS 3D-s digitalizálók egy nagyon különleges megoldást kínálnak: A jobb és bal oldali háromszögelő szenzorok külön-külön is használhatók, a projektorral kombinálva. Ez azt jelenti, hogy a mért tárgy három különböző nézete rögzíthető egyetlen letapogatással. Ez sok időt takaríthat meg, mivel az egyes szkennelések száma jelentősen lecsökken, még az összetett alkatrészek esetében is.

A Triple Scan módszer másik előnye a túlhatározottság. Azáltal, hogy az alkatrészt egyszerre két kamerával rögzítik, több információt gyűjtenek be, mint amennyire a 3D-s modell leképezéséhez szükség lenne. A több adat nagyobb pontosságot jelent. A szenzor és a célpont mozgását, valamint a környezeti változásokat érzékeli a rendszer, ellenőrzi a transzformáció pontosságát, és élőben követi a 3D-szenzor pozícióját. Ez lehetővé teszi, hogy a méréseket maximális pontossággal vegyék fel, és növeli a folyamat megbízhatóságát. Az alábbi ábra a Triple Scan folyamatot mutatja be, az ATOS szenzorok által elért túlhatározottsággal.

A strukturáltfény-vetítésben az ATOS háromszögelő szenzorok kékfény-technológiával működnek: a vetítőegység keskeny sávú kék fénye lehetővé teszi, hogy a szkenner a környezeti fényviszonyoktól függetlenül, még fényes felületeken is pontos méréseket végezzen. A háromszögelő szenzorok átfogó működésének köszönhetően létrejön a tárgy pontos képe.

A sávvetítéssel végzett mérésekhez egy strukturált sávmintázatot vetítenek a mérendő tárgyra. A kódolt sávmintázat gyorsan változik a letapogatás során, és emberi szemmel alig látható. Itt kap szerepet a sávfényszkennerek működése. A két háromszögelő szenzor érzékeli a változó sávokat, és ezek alapján optikai transzformációs egyenletek segítségével kiszámítja az egyes kamerapixelek 3D-koordinátáit. Így a legapróbb részleteket tartalmazó mérési pontok milliói érintés nélkül, néhány másodperc alatt rögzítésre kerülnek. A szenzor szoftvere automatikusan létrehoz egy nagy felbontású pontfelhőt, amely a mérendő tárgy pontos képét adja.

Az ATOS szenzorok és a TRITOP fotogrammetriai mérőrendszer hatékony kombinációjával még a nagy és összetett objektumok vizsgálata sem jelent problémát. A TRITOP az alkatrészen lévő referenciapontok mérésére szolgál, míg az ATOS a referenciapontokat használja az egyes mérések automatikus átalakításához. Ez kimagasló pontosságot eredményez, és az egymást átfedő mérések nagyrészt elhagyhatók. Ez a verhetetlen kombináció különösen hasznos az első darab vizsgálatok, a szerszámkészítés és az autóipari karosszéria-alapok esetében. Ön is használhatja az ATOS és a TRITOP hatékony kombinációját összetett mérési folyamataihoz.