制造业中的结构化愿景

供应商正在提供各种传感器以满足行业用户的需求和预算。随着价格的下降和功能的增长，问题是下一个最好的应用是什么？

结构光系统通过投影条纹图案来测量表面，然后使用相机和复杂的软件将它们转换为计量数据的点云。精度可以达到数百万点的个位数微米。一些较新设备的捕获率以毫秒为单位。这些传感器的可负担性和选择范围正在增加。虽然大多数仍然是双摄像头立体设置，但有些人正在使用单摄像头设置来进行更灵活的部署，尤其是在生产线附近。更多的部署和更多的应用是这个行业的标志。

该领域的先驱之一是 GOM，该公司现在正在扩展其 ATOS 结构光系统系列的选项。 “过去，每个人都将 ATOS 传感器视为高端但昂贵的扫描仪。但现在 [GOM] 提供一整套结构光扫描仪，”ATOS 传感器增值经销商 Capture 3D Inc. 的全国销售工程经理弗兰克·斯通说。 “他们认识到，要扩大市场，您必须向各种各样的客户提供产品——并不是每个人都需要像其他人
那样严格的公差和准确性，”他说。

该公司如何提供多样性的一个很好的例子是其 ATOS Core，一个入门级系统。它
可以随着所有者的需要而增长。根据 Capture3D 的说法，逆向工程或快速原型制作等入门级应用程序需要在没有高级检测功能的情况下进行扫描。一个完整的“入门级”套件包括将点云数据转换为 STL 格式的多边形网格的软件。 Core 提供了从手动操作到半自动操作的升级路径，其中可能包括添加接触式探头和摄影测量以实现更高质量的计量检查。同样的设备也可以最终升级为全自动化的工业质量控制检测。

但GOM也没有停止改进其高端系统。其最新的是 ATOS 5 和 ATOS 5X 产品，专为工业用途和将测量集成到生产线中而设计。在恶劣环境中使用结构光的关键之一是缩短收集时间，使其对振动和噪音不太敏感。据该公司称，ATOS 5 以每秒 100 帧的速度在 0.2 秒（200 毫秒）内捕获扫描。结合 ATOS Scanbox 自动化系统，它可用于测量汽车车身封闭件、仪表板、发动机涡轮叶片或铸件。安装在定制集成的机器人上，可以测量汽车制造中常见的完整白车身。

投影源的多样性

为了进一步扩展实用性，更先进的 ATOS 5X 使用了更亮的光源。 “ATOS 5X 使用集成的激光压缩器来提供更亮的光源，从而扩大了测量范围，”Stone 解释说。 “以前我们只能测量 700 毫米，而有了这个新源，我们现在可以同时测量高达 1,000 毫米。每次扫描仅需 0.2 秒。”从技术上讲，这仍然是结构光，并且不使用激光中可用的相干性来进行干涉测量——它是一种非常明亮但仍然是标准的结构光设备。

位于罗德岛北金斯敦的 Hexagon Manufacturing Intelligence 近年来也开发了多种结构光扫描设备。它们分为两种基本技术，即使用单幻灯片投影的技术和使用多个边缘投影的技术。单滑动传感器强调速度和在恶劣条件下的使用，包括海克斯康的 WLS qFLASH、BLAZE 600 和 WLS 400。

“这些传感器强调快速图像采集，”海克斯康技术项目经理 Amir Grinboim 说。它们平均在 0.015 秒或 15 毫秒内收集数据。收集速度很重要——这使它们成为工厂车间环境中的理想选择。 “哲学是‘随心所欲’，”格林博伊姆说。

另一方面，多条纹投影技术速度较慢，但​​分辨率更高。其中包括 Hexagon 的 AICON 产品。 “当我们拍摄时，图像是由一系列投影构成的。这些投影是投影在零件上的线条，这些线条会随着图像采集过程而移动并改变方向。这是一个相对较长的过程，”Grinboim 解释说，一次收集平均需要 2 秒。 “目标不是速度，而是点云的质量。”

海克斯康还在其最新的传感器 AICON StereoScan neo 中使用了红/绿/蓝 (RGB) DLP 投影仪。该传感器还具有广泛的测量范围，从 75 mm 到 1,100 mm。这是通过改变相机镜头或底座长度来完成的。采集时间约为 2 秒，设备可配备 8 或 16 兆像素的摄像头。

RGB DLP 投影仪的理想应用是与 CAD 标称值相比，可以将测量值转换为偏差的颜色图。然后将这些投影回刚刚测量的部分。

“[这] 非常适合设计工作、工具返工以及在铸造过程中显示库存过多或库存不足的材料。工程师可以直接在零件上看到所有这些，无需参考计算机屏幕或 PDF，”Grinboim 解释道。

Hexagon 将此称为“查看您测量的内容”或 SWYM。 “这是测量和处理铸件、锻件或注塑塑料的理想选择。如果您的几何零件很大，我们的软件会自动将多个集合拼接在一起，而无需零件上的参考目标，”他说。

工业化和自动化

“[结构光扫描仪]的流行应用包括用于逆向工程和航空航天应用的传统工具。两者通常都需要更高的精度公差来满足结构光硬件的需求，”威斯康星州布鲁克菲尔德 Exact Metrology 部门经理 Greg Groth 解释说。Exact Metrology 提供合同测量和扫描服务、计量设备解决方案以及硬件和软件租赁。它提供或使用从便携式臂式 CMM 到高端 CT 扫描仪等各种计量设备。

该公司还使用 GOM ATOS 结构光系统。其中包括 Exact 在其合同工作中使用的 ATOS II Triple Scan 和 ATOS III Triple Scan。 Exact 还分发 Hexagon Manufacturing Intelligence 的 AICON PrimeScan。

自动化正在成为结构光设备的主流用途。 “目前，自动化世界正在采用[结构光]技术。随着机器人单元变得更安全、更具成本效益，同时硬件变得更便宜，在线自动化越来越受欢迎，”格罗斯说。 “随着采集速度提高到亚秒级，这就开启了吞吐量效率的新世界。”

他还认为，当前的工业流行语——如人工智能、物联网和大数据分析——正在对结构光系统的采用产生影响。 “一个很大的变化是动态反馈或循环系统。例如，扫描组件，与设计意图 CAD 数据进行比较，将这些差异反馈到制造过程，并对工具进行自适应更改以制造正确的零件，”他说。

密歇根州布莱顿 Carl Zeiss Industrial Metrology LLC 的便携式 3D 扫描产品销售经理 Ian Scribner 在他的观察中回应了对自动化的关注。 “[自动化是] 在过去几年中，大部分重点都集中在增强 [我们的] 软件以实现硬件自动化，”他解释道。

蔡司提供的结构光系统的历史也可以追溯到该领域的早期创始人之一 Steinbichler 公司。蔡司几年前收购了该公司及其技术。蔡司 COMET 系列结构光系统源自这一传统，但现​​在展示了蔡司独有的一些改进。一个例子是用于检测表面缺陷的蔡司 ABIS II 系统。它特别适用于测量汽车制造中的 A 级车身表面——同样设计用于在生产线处或附近使用。

蔡司最近推出的另一款产品是 COMET Pro AE。该设备用于公司的预包装自动化解决方案 AIBox 和 AIBox flex 系统。它还说明了所有供应商在结构光系统中普遍存在的另一个趋势——结合不同的计量技术来提高自动化和准确性。

“COMET Pro AE 严格致力于自动化。它还有一些额外的功能——包括摄影测量，”斯克里布纳说。 “这有助于更快、更准确地捕获更大的组件。它还具有光环，使用户能够扫描钣金，并在钣金的孔或钢索或切口上提供更好的特征细节。”

COMET Pro AE 的收集时间取决于零件的大小。例如，钣金车身需要几分钟。根据 Scribner 的说法，结果是 25 到 35 µm 精度下的数千万个点。事实上，他在近期历史上最大的成功案例就是钣金零件的自动化测量。

虽然 COMET Pro AE 作为“在线”设备提供，可用于样品批量检测，但蔡司还通过其 AIMax Inline 和 BestFit 产品提供用于在线检测的结构光解决方案。该公司宣传这些产品有利于质量保证、位置识别和生产控制工作，包括机器人引导。

该设备还可以输出转换为 STL 格式表面的扫描点。 “通常，COMET AIMax 被编程为寻找用于在线测量的特定功能，”他说。由于它是可编程的，因此它以越来越实惠的价格避免了硬测量的陷阱。

“每年我们都看到结构光系统作为一个整体价格下降，性能上升，从而开辟了新的应用，”斯克里布纳说。 BestFit 的紧凑尺寸得益于其单摄像头技术。此外，鉴于它们设计用于恶劣的环境，这两种传感器都通过主动补偿表现出高温稳定性。

负担能力和应用

南卡罗来纳州罗克希尔 3D Systems Inc. 的软件总监 Scott Green 表示，视觉系统市场正在发生巨大变化。“高分辨率结构光系统市场将发生巨大转变，”他说。

该公司提供范围广泛的产品，从 3D 打印机到触觉力反馈
设备，包括一系列结构光计量系统。 Green 表示，即使在质量和扫描覆盖范围增加的情况下，设备价格也会下降，从而导致结构光系统的转变。

“这些 [系统] 可以很快用信用卡购买。即使是今天，也有非常低成本、高质量的结构光传感器，售价不到 10,000 美元，”他说，这与最初引入市场的 100,000 美元以上的系统相去甚远。 3D Systems 提供所谓的工业级扫描仪——Capture 和更小的版本 Capture Mini。另一种手持设备也使用结构光对小件物品进行快速测量。

这怎么可能？这些系统需要高质量和精确的光源和精确的投影模式。相机需要捕捉尺寸高达 16 兆像素的清晰图像。有非常复杂的软件和数学可以从这些组件中获取数据。数十年的改进使软件和算法更加复杂。然而，他认为这些系统本质上是……简单的。 “结构光系统基本上是两个摄像头和一个投影仪，”他说，并配有一台计算机和软件。

一般消费市场正在推动这些组件的成本和质量曲线。这个级别的计算几乎是免费的。批量生产的智能手机和消费级相机意味着数码相机和光源正在迅速发展。

“功能组件，构建结构光传感器的实际组件变得越来越便宜，”格林说。 “因此，您会看到这种高质量结构光的拥有成本下降，因为其中的组件变得更容易获得且更便宜。”

他表示，一旦硬件成本下降，配套软件的价格压力就会增加。 Green 表示，随着总拥有成本的降低，可以在专用用途中使用现在便宜的结构光系统。想想在汽车白车身中测量间隙和齐平，或者通过单个传感器对加工单元中的单个特征进行 100% 检测。

“对于正确的应用，我们将拥有更智能的传感器，离生产地更近，”他说。 “这些应用程序在桌面软件中的角色将更像是一个信息聚合器。”