Άρθρο του Adrew Wheeler, Διοικητή του Οργανισμού Προστασίας Περιβάλλοντος των ΗΠΑ, στο engineering.com
Η ιστορία της μετρολογίας είναι συναρπαστική. Αν και κάποιοι μπορεί να συμφωνούν με το μέγιστο “ο άνθρωπος είναι το μέτρο όλων των πραγμάτων”, ως είδος που πάντα είμαστε κατασκευαστές εργαλείων. Αυτό είναι ένα αμετάβλητο και ως επί το πλείστον ανιχνεύσιμο γεγονός, αν και η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια της ιστορίας έχει αλλάξει τις κατευθύνσεις πολλές φορές.
Οι μονάδες μέτρησης εξελίχθηκαν με διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με την κουλτούρα και τη θέση του ανθρώπινου πολιτισμού σε διάφορες χρονικές περιόδους. Ο κόκκος ήταν ίσως η παλαιότερη μονάδα μέτρησης, που ελήφθη από ένα μόνο σιτάρι σιταριού ή κριθαριού. Αυτές οι μονάδες θα χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση πολύτιμων μετάλλων όπως ο χρυσός και το ασήμι. Υπάρχουν ίχνη αρχαίων μονάδων μέτρησης στις σημερινές μονάδες μέτρησης. Η λίβρα, που χρησιμοποιείται από το Ηνωμένο Βασίλειο, εξελίχθηκε από το Μινεσότα, το οποίο ήταν μια μονάδα βάρους που μπορούσε να χωριστεί σε 60 σέκελ. Μια άλλη σχετικά αμετάβλητη μονάδα μέτρησης είναι το καράτι, το οποίο χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του βάρους των πολύτιμων λίθων.
Ωστόσο, η τυποποίηση μονάδων και ο εκσυγχρονισμός της μετρολογίας συνέβησαν κατά τη διάρκεια της Γαλλικής Επανάστασης. Η επιθυμία για τυποποίηση ήταν πολιτική και οδήγησε στη δημιουργία και υιοθέτηση του δεκαδικού μετρικού συστήματος.
Ίσως μια από τις μεγαλύτερες εφευρέσεις όλων των εποχών είναι ένα εργαλείο γνωστό ως πάχος, το οποίο δημιουργήθηκε και χρησιμοποιήθηκε από πολιτισμούς που χρονολογούνται ήδη από τον 6ο αιώνα π.Χ. Οι δαγκάνες εξελίχθηκαν από σχετικά απλές μέχρι το 1851, όταν ο Αμερικανός εφευρέτης Joseph R. Brown σχεδίασε και κατασκευάστηκε το πάχος του Vernier, το οποίο ήταν ακριβές σε χιλιοστά της ίντσας. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό μετατράπηκε σε ψηφιακό πάχος.
Χρησιμοποιώντας τους δακτυλίους, οι μηχανικοί θα μπορούσαν να πάρουν ακριβείς μετρήσεις ενός αντικειμένου και να το αναπαράγουν σε δύο διαστάσεις, σε σχέση με τα σχέδια. Καθώς όλα τα φυσικά στη νεωτερικότητα έγιναν ψηφιοποιημένα, το ίδιο συνέβη και με το πάχος. Αλλά σύντομα, το ψηφιακό παχύμετρο είχε έναν νέο σύμμαχο στον υπολογισμό: σχεδιασμός με υπολογιστή (CAD). Η CAD ξεκίνησε την άνοδο της δημοτικότητας των σχεδιαστών, καλλιτεχνών και μηχανικών από τις αρχές της δεκαετίας του 1980. Χρησιμοποιώντας ακριβείς μετρήσεις που λαμβάνονται από ψηφιακούς δακτυλίους, οι σχεδιαστές προϊόντων θα μπορούσαν να εισαγάγουν καρτεσιανές συντεταγμένες των μετρήσεων σε προγράμματα όπως το AutoCAD, αναδημιουργώντας για πρώτη φορά το σχήμα ενός φυσικού αντικειμένου σε μια ψηφιακή αναπαράσταση.
Η τεχνολογία τρισδιάστατης σάρωσης αναπτύχθηκε σε μεγάλο βαθμό κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960 για να συλλάβει την ακριβή γεωμετρία της επιφάνειας αντικειμένων. Αφού καταγράφηκε η γεωμετρία ενός αντικειμένου, οι μηχανικοί και οι ερευνητές ελπίζουν ότι θα μπορούσαν να βρουν αποτελεσματικούς τρόπους για να αναδημιουργήσουν το σχήμα αυτών των επιφανειών με αυξημένη ταχύτητα και ακρίβεια. Οι πρώιμοι σαρωτές 3D χρησιμοποίησαν στοιχεία όπως κάμερες, φώτα και προβολείς για να επιτύχουν τα πρώτα 3D σαρωμένα μοντέλα. Το πρόβλημα 
τότε ήταν ότι οι τεχνικές και ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για την τρισδιάστατη σάρωση δημιούργησαν ένα τεράστιο όγκο δεδομένων που ήταν υπερβολικά δυσκίνητο για μονάδες αποθήκευσης σκληρών δίσκων. Η διαδικασία ήταν επίσης απίστευτα χρονοβόρα. Στη δεκαετία του 1980, η ανάπτυξη της οπτικής τεχνολογίας λέιζερ και η μετέπειτα ενσωμάτωσή της στην τεχνολογία τρισδιάστατης σάρωσης έθεσαν τα θεμέλια για σύγχρονους τρισδιάστατους σαρωτές.
Οι σύγχρονοι τρισδιάστατοι σαρωτές εμπίπτουν σε δύο τύπους: επαφή και μη επαφή. Κάτω από τη μη επαφή, υπάρχουν δύο υποκατηγορίες: ενεργητικές χωρίς επαφή και μη επαφές παθητικές.
Οι μηχανές μέτρησης συντεταγμένων (CMMs) χρησιμοποιούν συνδυασμό τεχνολογίας μετατροπέα και αισθητήρα μέτρησης επαφών για τη μέτρηση σημείων και γεωμετρίας συμπεριλαμβανομένων, μεταξύ άλλων, κυλίνδρων, κώνων, σφαιρών, επιπέδων, γραμμών και κύκλων. Υπάρχουν δύο τύποι CMM: άμεσος έλεγχος υπολογιστή (DCC) και ελεύθερος πλωτός (χειροκίνητος). Η διαφορά στην επιθεώρηση εν μέρει μεταξύ των δύο τύπων μηχανών είναι σημαντική, διότι τα ελεύθερα-κυμαινόμενα CMM βασίζονται σε έναν ανθρώπινο χειριστή, ενώ τα DCM CMMs είναι αυτοματοποιημένα.
Η ενεργή τεχνολογία 3D σάρωσης με λέιζερ λειτουργεί χρησιμοποιώντας δύο τεχνικές μεθοδολογίες: time-of-flight και triangulation. Ένας ανιχνευτής λέιζερ χρονικού διαστήματος καταγράφει κάθε καρτεσιανή συντεταγμένη (x, y, z) μετρώντας την πορεία επιστροφής ενός λέιζερ σε ένα δεδομένο σημείο και πίσω. Η τριγωνοποίηση λειτουργεί με παρόμοια αποστολή ενός σημείου λέιζερ, εκτός από τη μέθοδο αυτή χρησιμοποιείται μια κάμερα για να βρει το σημείο στο οπτικό της πεδίο. Το σημείο λέιζερ, η κάμερα και ο εκπομπός λέιζερ σχηματίζουν ένα τρίγωνο και λαμβάνουν τη μέτρηση του σημείου σε σχέση με τη συνολική σαρωμένη περιοχή.
Το SMARTTECH3D χρησιμοποιεί έναν διαφορετικό τύπο ενεργητικής τρισδιάστατης σάρωσης χωρίς επαφή, που ονομάζεται 3D δομημένη σάρωση. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιεί μία ή περισσότερες κάμερες που τοποθετούνται μέσω γεωμετρίας μέρους ή μέσω στόχευσης εκτός σύνδεσης. Με μία μόνο κάμερα, η θέση του προβολέα φωτός σε σχέση με την κάμερα πρέπει να καθοριστεί μπροστά από τη χρήση της. Όταν οι τρισδιάστατοι σαρωτές δομημένου φωτός έχουν δύο κάμερες, η βαθμονόμηση πρέπει να γίνεται ταυτόχρονα μεταξύ του ζεύγους. Ορισμένοι σαρωτές με δομημένο φωτισμό χρησιμοποιούν σάρωση με μπλε φως, αλλά το SMARTTECH3D αξίζει να ξεχωρίζει σε σχέση με τη μετρολογία και την υπεροχή του τρόπου με τον οποίο τα προϊόντα της μετρούν την γεωμετρία επιφάνειας ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας σάρωση με δομημένο φωτισμό πράσινου φωτός πάνω σε ψηφιακές κλίνες και CMM.
Στην πραγματικότητα, το SMARTTECH3D έλαβε πιστοποιητικό ακρίβειας από το Εργαστήριο Συντονισμένης Μετρολογίας αφού υποβλήθηκε σε δύσκολες και έντονες κρίσεις ανεξάρτητων δοκιμών. Εκτός από το σχεδιασμό του προϊόντος, η δομημένη σάρωση πράσινου φωτός λειτουργεί πολύ καλά για την κατασκευή και την επιθεώρηση. Στη μεταποίηση, ο ποιοτικός έλεγχος απαιτεί απόλυτη ακρίβεια.
Πώς γίνεται η σάρωση δομημένου φωτός SMARTTECH3D με τα σημερινά CMM;
Οι μηχανές μέτρησης συντεταγμένων είναι υλικά επεμβατικές και ακριβές
Το πρώτο πράγμα που πρέπει να θυμόμαστε είναι ότι η ποιότητα των σημερινών μηχανών μέτρησης συντεταγμένων (CMM) εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποιότητα του λογισμικού που εκτελεί τα μηχανικά τους συστήματα. Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν την τεχνολογία μετατροπέα και έναν ανιχνευτή μέτρησης επαφής, ο οποίος μπορεί να λάβει άμεσα στιγμιότυπα καρτεσιανών συντεταγμένων ή να χρησιμοποιήσει συνεχή ανίχνευση επαφής με αρθρώσεις μέσα σε συγκεκριμένο φάκελο μέτρησης. Υπάρχουν CMM που διατίθενται για μεγάλης κλίμακας προϊόντα στην αυτοκινητοβιομηχανία και την αεροδιαστημική βιομηχανία λόγω περιορισμών σε σχέση με την ογκομετρική ακρίβεια. Έτσι, κατά κανόνα, όσο μεγαλύτερο είναι το σύστημα CMM, τόσο λιγότερο ακριβές γίνεται. Εξαιρετικά ακριβείς CMM για την επιθεώρηση βασισμένη σε μοντέλο CAD μεγάλης κλίμακας υπάρχουν, αλλά είναι εξαιρετικά ακριβά.
Η δομημένη σάρωση φωτός είναι καλύτερη για τη βιομηχανία και την επιθεώρηση
Ο υψηλότερος βαθμός ακρίβειας που διαπιστώθηκε στους σαρωτές 3D-SMARTTECH3D Green-Light 3D διευκολύνει την επιθεώρηση των εξαρτημάτων και ενισχύει την αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας ελέγχου ποιότητας. Ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους τρισδιάστατης σάρωσης χωρίς επαφή είναι η δομημένη σάρωση του φωτός.
Όπως και οι μηχανισμοί CMM, οι σαρωτές δομημένου φωτός διαθέτουν φακέλους μέτρησης που κυμαίνονται από τα πολύ μικρά (για την επιθεώρηση των μικρομηχανικών εξαρτημάτων) μέχρι τα πολύ μεγάλα (για χρήση στην αυτοκινητοβιομηχανία, στην αντίστροφη μηχανική, στον ποιοτικό έλεγχο και στην επιθεώρηση εξαρτημάτων). Αλλά οι σαρωτές δομημένου φωτός διαφέρουν πολύ από τους CMM, επειδή δεν αγγίζουν το υλικό που σαρώθηκε, το οποίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε περιπτώσεις όπως η σάρωση και η ψηφιακή αντιγραφή ιστορικών αντικειμένων). Όταν πρόκειται για τη λήψη πολύπλοκων γεωμετρικών στοιχείων, η σάρωση δομημένου φωτός είναι πολύ ανώτερη των CMMs.
Δεν είναι έκπληξη το γεγονός ότι μια προβαλλόμενη σειρά παράλληλων γραμμών από το πράσινο φως συλλαμβάνει περίπλοκες παραμορφώσεις από διαφορετικές γωνίες πολύ καλύτερα από έναν αισθητήρα μέτρησης επαφής από ένα CMM. Η κάμερα ή οι κάμερες καταγράφουν αυτές τις περίπλοκες παραμορφώσεις με τριγωνισμό και μετατροπή σε καρτεσιανές (x, y, z) συντεταγμένες πολύ πιο γρήγορα και πυκνά από τις CMM. Εάν το υλικό που αποτελεί το μέρος, αντικείμενο ή στοιχείο δεν είναι άκαμπτο, οι CMMs δεν θα είναι ακόμη πιο κοντά σε τόσο ακριβείς όσο οι σαρωτές δομημένου φωτός. Για παράδειγμα, ένα CMM που χρησιμοποιείται σε μέρη από μαλακό καουτσούκ ή σιλικόνη θα παρήγαγε ανακριβείς γεωμετρικές αναγνώσεις του πρώτου υλικού και πιθανώς θα έβλαπτε ή θα έσπαζε το τελευταίο.
Με την επεξεργασία των δεδομένων σάρωσης δομημένου φωτός, η οποία είναι πολύ πιο πυκνή από τα δεδομένα από ένα CMM, δημιουργείται πολύ πιο ακριβές 3D πλέγμα από ισχυρό λογισμικό όπως το Geomagic, το οποίο συνδυάζει πολλαπλές σαρώσεις. Αυτό το 3D μοντέλο πλέγματος μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση εργασιών διαστασιολογικής επιθεώρησης και αντίστροφης μηχανικής. Αλλά το λογισμικό όπως το Geomagic Control X μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για επαλήθευση μέρους όσο και για επικύρωση.
Έλεγχος, επαλήθευση και επικύρωση με Geomagic Control
Το Geomagic Control είναι ένα λογισμικό μετρολογίας που χρησιμοποιείται για την εκτέλεση πολλών διαφορετικών λειτουργιών στις ροές εργασίας διαχείρισης ποιότητας. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα από τον τρισδιάστατο σαρωτή δομημένου φωτός, το Geomagic Control επιτρέπει στους χρήστες να κατανοούν τόσο τον κύκλο ζωής του σχεδιασμού της διαδικασίας όσο και του προϊόντος. Οι χρήστες μπορούν να αξιολογήσουν τις συνθήκες ανεκτικότητας χρησιμοποιώντας χαρακτηριστικά ανάλυσης.
Τα αποτελέσματα των επιθεωρήσεων είναι διαθέσιμα για κοινή χρήση μέσω μιας έκθεσης PDF πλήρους με ενσωματωμένα μοντέλα 3D, αριθμητικά δεδομένα επιθεώρησης, πολλαπλές προβολές και πλήρη χαρτογράφηση χρωμάτων 3D απόκλισης.
Συμπέρασμα
Η τοποθέτηση διαφανών σαρωτών 3D δομημένου φωτισμού, θα συμβάλει στην εξοικονόμηση χρόνου και τη μείωση του κόστους στο σχεδιασμό προϊόντων και στη ροή εργασιών παραγωγής και θα επιτρέψει τον καλύτερο ποιοτικό έλεγχο. Κάθε εταιρεία, ομάδα ή άτομο μπορεί να αγοράσει ένα τρισδιάστατο σαρωτή και λογισμικό Geomagic Control ή να χρησιμοποιήσει τις υπηρεσίες τρισδιάστατης σάρωσης προς όφελός τους.