HEXAGON METROLOGY

Loading...

Newsreel

Loading...

marți, 4 mai 2010

Tehnici de scanare 3D

TEHNICI DE SCANARE PENTRU PIESE INJECTATE DIN MATERIALE PLASTICE

1. Tehnici de scanare 3D
În cadrul tehnicilor de Reverse Engineering un rol aparte revine tehnicilor de scanare și a celor de prototipare rapidă chiar dacă o procedură de R.E. nu presupune obligatoriu realizarea fizică a prototipului prin R.E.În cele ce urmează se prezintă specificul și elementele esențiale ale celor două tehnici (respectiv a echipamentelor aferente) care vor fi utilizate în cadrul cercetărilor efectuate.
1.1 Digitizarea 3D
Scanarea produsului, de asemenea cunoscută ca “digitizare” sau “digitizare 3D”, este un proces care utilizează un palpator pentru a capta forma obiectelor 3D şi pentru a le recrea într-un spaţiu de lucru virtual. Datele sunt colectate sub formă de puncte şi fişierul rezultat este numit “nor de puncte”. Traseul parcurs în vederea digitizării este prezentat în figura 3.1.

Care este utilitatea digitizării
Procesul de digitizare captează geometria, curbarea suprafeţelor compuse şi caracteristicile care sunt dificil de măsurat utilizând tehnici tradiţionale de măsurare.
Care sunt limitele digitizării
Până nu demult, digitizarea era limitată de viteza de deplasare a capului de scanat. Alegerea corectă a sistemului de palpare depinde de tipul piesei ce se scanează şi de bugetul alocat pentru achiziţionarea sistemului de scanat. Cele mai des întâlnite sisteme sunt cele prin contact sau LASER.
Alte metode de colectare a datelor precum secţionarea fizică, scanarea distructivă, fotogrametria, raze X, scanarea cu tomografie computerizată şi scanarea cu rezonanţă magnetică sunt de asemenea disponibile.
Ce tipuri de materiale pot fi digitizate
Materialele tipice care pot fi digitizate includ: piatra, ceramica, sticla, metalul, lemnul, plasticul, cauciucul şi lutul.
Care sunt rezultatele comunicate
Datele care sunt colectate pot fi transformate în nor de puncte sau utilizate pentru :
1.R.E. şi pot fi oferite ca un model CAD 3D;
2.Prototipare rapidă după ce au fost pregătite într-un format STL, STEP sau IGES;
3.Inspecţie a produselor pentru a fi comparate cu un model CAD existent şi utilizate pentru a crea un grafic color al erorilor.
Tehnologia pe care este bazat procesul
1.Lumina este proiectată pe obiect (în cazul tehnologiilor ce folosesc lumina);
2.Obiectul reflectă lumina care este apoi colectată de un senzor digital;
3.Utilizând ecuaţii algebrice coordonata spaţială 3D (X, Y, Z) a punctului de pe suprafaţă este calculată;
4.Locaţia punctului în sistemul de coordonate este stocată ca parte a unui nor de puncte ce reprezintă piesa fizică;
5.Milioane de puncte sunt colectate în acest fel până când întreaga suprafaţă a piesei sau piesa a fost digitizată;
6.Datele digitale (numite generic “nor de puncte” sunt folosite pentru R.E., Rapid Prototyping sau inspecţia produsului).
Chiar dacă sunt destinate copierii sau controlului geometric, sau mai degrabă realizării modelelor geometrice virtuale sau realizării produselor, se disting 2 grupe de tehnologii : cu sau fără contact.
Contactul se referă la palpare de control sau la recopiere identică a suprafeţelor, în timp ce tehnologiile fără contact se dezvoltă din ce în ce mai mult în domenii de aplicaţii unde evoluţiile tehnice sunt rapide.[ ACQ 97]

Fig.2 Tehnologii de digitizare 3D
1.2 Impactul tehnologiei scanării 3D asupra dezvoltării produsului
Pentru a îndeplini cerinţele actuale ale producţiei globale, companiile se concentrează asupra metodelor lor, adoptând noi tehnici şi căutând noi metode de a-şi eficientiza producţia şi costurile. Printre recentele descoperiri tehnologice, există un real interes în scanarea laser, care este şi rapidă şi uşor disponibilă.
Companiile caută tehnica de scanare ca un potenţial instrument pentru creşterea productivităţii şi pentru rezolvarea unor chestiuni în legătură cu nevoia de a crea un fişier 3D digital pentru un obiect acolo unde acesta nu a existat înainte. Scanând o piesa 3D şi trimiţând această scanare unor programe de software sau prototyping oferă nu numai avantajul reducerii timpului necesar acestei sarcini, dar şi economii. Reproducerea unui obiect prin proiectarea traditională CAD şi apoi introducerea în calculator este dificilă, şi de obicei, rezultatul nu se potriveşte cu originalul. Mai mult de ¾ din companii depind de sistemele vizuale pentru a-i ajuta să-şi realizeze designul produselor. Această nouă tehnologie, îngăduie firmelor mari şi mici să-şi realizeze anumite probleme legate de computerizare, probleme care sunt extrem de importante în ceea ce priveşte latura lor competitivă. Scanarea laser poate oferi o diferenţă măsurabilă, pentru o calitate mărită şi pentru accelerarea timpului necesar producerii lor, în timp ce costurile noilor produse se reduc considerabil. Scanarea laser este realizată utilizând un dispozitiv laser care colectează un şir de date.
Cea mai comună metodă pentru achiziţia unui şir de date este triangulaţia optică. Şirul de date este produs prin plasarea unei valori pe o reţea regulată provenită de pe o suprafaţă a obiectului. Apoi prin conectarea elementelor triangulare cu cei mai apropiaţi vecini este creată o imagine. În general senzori 1D sau 2D sunt mişcaţi liniar de-a lungul obiectului sau circular în jurul său.
Cum aceştia nu dau suficiente informaţii pentru a reconstrui întregul obiect ce trebuie scanat, trebuiesc făcute mai multe treceri din orientări diferite. Sunt necesari algoritmi speciali pentru a transforma un şir de imagini multiple într-o singură descriere a suprafeţei. Deşi această tehnologie a fost folosită de peste 20 de ani, recenta descoperire a senzorilor de imagine stabili, precum CCD şi fotodiodele cu efect lateral, au mărit viteza şi precizia sa.
Există diferite tipuri de scanere care realizează acest lucru: diferenţele primare se găsesc în structura iluminatului, dimensiunea senzorului (un aranjament liniar de CCD), şi metodele de scanare (mutarea obiectului sau mutarea scanerului). Unul dintre beneficiile cele mai importante ale scanării 3D este mărirea vitezei cu care poate fi reprodus un prototip. Metodele tradiţionale (măsurare cu şubler, micrometru), cer ca obiectul să fie măsurat şi redesenat într-un program CAD. Acest lucru ia mult timp, formele organice fiind aproape imposibil de modelat prin utilizarea acestei metode. Scanarea laser este cea mai bună atunci când avem de-a face cu asemenea forme. Adesea, timpul necesar până la vinderea produselor poate decide evoluţia noului produs. Este mult mai uşor de a prezice viitorul când acesta este la câteva săptămâni distanţă decât la câteva luni. În multe cazuri timpul rezultat poate permite unui proiect de fabricare să înceapă mai târziu. Aceasta înseamnă că companiile au timpul necesar de a lucra cu clienţii lor mai mult timp în procesul de concepţie. Detaliile pot fi bine cercetate şi necesităţile clientului înţelese înainte de etapa de producţie. Procesul de scanare şi posteditare poate avea loc în doar 4-5 ore. Acest tip de economisire a timpului presupune că companiile au abilitatea de a răspunde rapid schimbărilor pe piaţă. Şi pentru că tehnologia laser de scanare este relativ rapidă ea este în general mai ieftină decât alte tipuri de scanare. S-au dezvoltat scanere care digitizează rapid corpul uman. Un alt avantaj pentru producători, constă in faptul că în multe cazuri codul G poate fi creat pentru frezarea CNC direct din date scanate sau dintr-un fişier STL fără a include etapa producerii unui model cu suprafeţe NURB. Aceasta înseamnă că un prototip poate fi făcut şi aprobat, scanat, urmat apoi de realizarea matriţei care poate fi făcută uşor şi rapid, toate acestea într-o singură zi. Datele scanate pot fi translatate oricăror formate de fişier : DXF, OBJ, 3D Studio Max, IGES, ASCII şi STL.
Verificarea produselor este un alt exemplu al beneficiilor scanării. După ce un produs a fost realizat, el poate fi scanat şi datele rezultate comparate cu modelele geometrice CAD. Deviaţiile faţă de modelul geometric iniţial pot fi determinate precis.
O alta utilizare pentru scanare, este inspecţia periodică a unor piese, pentru a analiza cât de apropiat este produsul faţă de original. Aceasta îngăduie un control al calităţii îmbunătăţit şi ajută la detectarea greşelilor din procesul de fabricare.
Un alt avantaj care nu este atât de evident, dar care poate avea un mare efect asupra unei companii, este că odată ce obiectul se află în calculator ideile complexe pot fi aplicate uşor şi precis. În ziua de azi procesele de fabricaţie se desfăşoară în mai multe filiale a unei companii din diferite locaţii de pe glob. Clientul şi procesul de design se pot afla într-un loc în timp ce fabricarea se desfăşoară în altul. Efectul sinergetic de a avea mai mulţi oameni colaborând la dezvoltarea unei idei ajută la realizarea scopului designerului şi procesului de fabricare. Odată ce un prototip a fost scanat, ingineria, analiza, controlul calităţii şi alte funcţii care de obicei aveau loc consecutiv pot avea loc în mod concurent înainte de a trimite respectivul produs spre fabricare.
Toate părţile implicate în proiect pot lucra din acelaşi fişier digital. Rezultatul este un ciclu de dezvoltare micşorat care îmbunătăţeşte performanţele produsului şi o mai mare flexibilitate la fiecare nivel.
În ceea ce priveşte această tehnologie, pentru utilizarea ei în industria de consum, este important de ştiut modul în care este adunată informaţia şi care sunt avantajele şi limitele ei. Există mai multe variabile care afectează laserul şi implicit calitatea informaţiei. Reflectanţa suprafeţei, culoarea obiectului, degajările, deschiderile înguste şi muchiile ascuţite pot fi dificil de scanat.
Alte lucruri de luat în considerare, sunt plasarea obiectului în relaţie cu scanerul şi experienţa operatorului. Aceste consideraţii trebuie luate în seamă împreună cu echipamentul adecvat şi experienţa operatorului. Experienţa operatorului este un factor critic la scanarea cu laser.
Operatorul trebuie sa urmărească anumite etape şi să aibă capacitatea de a prezice cum va reacţiona laserul. Scanările individuale trebuiesc făcute cu grijă înainte de obţinerea unor date acceptabile şi de înlăturare a datelor neacceptabile. Şi operatorul trebuie să aibă o idee clară despre felul în care funcţionează laserul. Distanţa de la obiect la scaner şi culoarea obiectului pot afecta laserul.
De mai bine de 20 de ani termenul de „digitizare 3D” a arătat lumii posibilităţile de concepţie virtuală, simulare sau reverse engineering. Numeroşi cercetători au avansat, mai mult sau mai puţin spre inteligenta artificială, permiţându-ne astfel regăsirea „reflexelor umane” pe instrumentele noastre, acum familiare, care sunt sistemele informatice. Pe acest teren numeroase tehnologii cu o mai mare sau mai scăzută precizie, flexibilitate sau rapiditate converg spre un singur obiectiv : achiziţia şi modelarea 3D.
O definiţie simplificată precizează că achiziţia se realizează printr-o interfaţă materială, cu ajutorul palpatoarelor cu senzori, şi modelarea printr-o interfaţă „soft” cu ajutorul algoritmilor.
Digitizarea sau numerizarea 3D consta în recuperarea dintr-un mediu informatic a unei imagini numerice a unui obiect. În aceste zile, 5 mari familii de aplicaţii se disting în procedeele de digitizare-numerizare :
- reverse-engineering, destinată micşorării timpilor de concepţie asupra sistemelor CAD când se folosesc machete; în acest caz, prelucrarea norului de puncte obţinut trebuie integrat într-o fază de reconstrucţie a suprafeţelor prin intermediul unor softuri speciale;
- metrologie-control-calitate, pentru măsurarea precisă a pieselor omogene cu forme complexe cu dimensiuni foarte variabile: controlul pe linia de fabricaţie, în scopul selectării sau stăpânirii statistice a unui proces, pentru corelarea anumitor parametrii a lanţului de fabricaţie .fig 3.

- biomedical, pentru adaptarea protezelor înaintea intervenţiilor sau în cadrul tratamentelor estetice, dar totodată şi pentru caracterizarea volumică a organelor plecând de la ecografie, scanare,etc;
- digitizarea, înainte sau după prototiparea rapidă a sistemelor de copiere prin prelucrare pe maşini-unelte cu comandă numerică;
- cinematografie şi animaţie video (imagini virtuale).
1.4 Tipuri de palpatoare
Pe plan tehnic, majoritatea instrumentele de digitizare a formelor folosesc principii elementare de trigonometrie, triangulaţie pentru determinarea coordonatelor unui punct în spaţiu.
Astăzi, pentru achiziţionarea punctelor de pe o suprafaţă, există mai multe tipuri de palpatori de digitizare.
Palpatorii se împart în două categorii:
- palpatori cu contact;
- palpatori fără contact.
1.4.1 Structura şi principiul de funcţionare al unui palpator cu contact
Palpatorul este constituit dintr-o parte fixă legată de carterul palpatorului, o parte mobilă şi un arc, aşa cum se arată şi în figura 3.4. Partea fixă cuprinde o bucşă în care sunt trei perechi de bile poziţionate la 1200 şi legate printr-un circuit electric.
Partea mobilă cuprinde un palpator montat pe un tripod ale cărui braţe sunt cilindrii. Cum aceşti cilindrii sunt aşezaţi pe perechile de bile, legătura dintre partea mobilă şi cea fixă este o legătură încastrată izostatic. Ea este menţinută de către arc. Motivul izostatismului acestei legături constă în faptul că dacă un efort de contact se exercită asupra bilei de palpare, eforturile rezistente pe cele 6 puncte de sprijin variază rapid până la desprinderea unuia dintre punctele de sprijin.
Circuitul electric trecând prin 6 puncte de sprijin montate în serie este astfel deschis şi interfaţa este capabilă să detecteze această deschidere printr-o creştere a impedanţei circuitului electric (fig.3.4).
Atunci când efortul de contact dintre bilă şi suprafaţa palpată este suprimat, repunerea în poziţie a parţii mobile în raport cu partea fixă beneficiază de o repetabilitate excelentă a cărei eroare indusă este neglijabilă vis a vis de alte cauze ce produc erori.
Acest lucru este adevărat atunci când palpatorul este în stare bună, adică atunci când suprafeţele de contact sferă-cilindru nu au fost deteriorate datorită unui şoc.
Palpatori cu contact :
- palpator mecanic punct cu punct;
- palpator mecanic analogic.
Senzorii cu contact sunt standard pe maşinile de măsurat tipice. În ceea ce priveşte abilitatea de a măsura caracteristici geometrice 3D pentru localizare, mărime şi formă, tehnologia cu senzor cu contact este dovedită viabilă de-a lungul unui număr mare de aplicaţii metrologice. Multe fabricări sunt mai confortabile cu tehnologia cu senzori cu contact deoarece este foarte asemănătoare măsurării. Şi abilităţile măsurării cu contact avansează continuu.
Palpatori fără contact:
- palpator laser;
- palpator optic.
Senzorii cu laser noncontact şi cei vizuali s-au dezvoltat ca şi alternativă pentru înlocuirea celor cu contact, unde contactul fizic nu este posibil în cazul suprafeţelor fine sau finisate delicat, superfinisate sau cu asperităţi mari şi cele cu muchii ascuţite.
Senzorii cu laser au de asemenea posibilitatea de a măsura suprafeţe finisate. Sistemele cu camera video sunt folosite în cazurile în care ceilalţi senzori nu pot fi folosiţi, precum măsurarea razelor microscopice cum ar fi găurile cu diametre mai mici de 1 mm care pot fi uşor deformate elastic sau au caracteristici moi.
O maşină de măsurat cu cameră video poate creşte semnificativ viteza măsurării unor repere care în alte condiţii ar necesita consum de timp, poziţionare precisă, sau în cazurile caracteristicilor multiple şi mici sau ansamblurilor mici care pot fi vizualizate în acelaşi timp.
Într-o lume perfectă, sau într-un mediu de producţie integrat, sistemele metrologice ar fi capabile să măsoare toţi parametri necesari într-o singură etapă, fără erori, şi să redea rezultatele în acelaşi fel către reţelele de fabricare dotate cu calculatoare, în formate folositoare pentru controlul maşinilor şi managementul proceselor.
Un aspect al acestei viziuni utopice este abilitatea unui instrument automat de a măsura o piesă, sau o familie de piese într-o singură etapă. Această viziune este ceea ce a condus la creşterea folosirii maşinilor de măsurat în coordonate, şi acum, din ce în ce mai mult spre folosirea maşinilor de măsurat cu mai mulţi senzori.
Maşinile de măsurat cu mai mulţi senzori pot fi numitorul comun în aceasta ecuaţie. Maşinile de măsurat pot combina mai mulţi senzori, inclusiv palpatori cu contact şi fără contact, care conduc la entităţi 3D prin achiziţie de puncte şi senzori vizuali ce sunt capabili să facă măsurări de toate tipurile.
Maşina de măsurat are abilitatea de a lucra în proximitatea procesului de fabricaţie. Daca maşinile de măsurat sunt deja în uz, acţionarea capacităţii multisenzor poate fi mai uşoară, mai ieftină şi să ofere mai multă funcţionalitate decât s-ar crede.
Daca profilul aplicaţiei o justifică, şi configuraţia maşinii de măsurat o îngăduie, senzorul şi pachetul de soft, de azi poate fi înlocuit cu abilităţile multisenzor.
În industrie, achiziţia de forme se adresează reverse engineering-ului sau reconcepţiei, care permite crearea unui model numeric al unui obiect în scopul realizării unui prototip sau a unei scule de fabricare (exportul datelor achiziţionate spre un soft CAD).
Nu se poate ignora importanţa instrumentelor de achiziţie care sunt senzorii cu laser, optici, ultrasonici sau video.
Intervenţiile în lanţul de achiziţie (senzori, sisteme integrate sau autonome) sunt într-o evoluţie constantă încă de la apariţia universului tridimensional virtual. Fiabilitatea, precizia, uşurinţa integrării şi costurile sunt factorii importanţi care necesită ameliorare şi suport „soft”, din ce în ce mai inteligent permiţând o automatizare a calcului şi expresiei rezultatelor în termeni imediat utilizabili (nori de puncte, reconstrucţia suprafeţelor poligonale, export direct spre instrumente de CFAC sau maşini de prototipare).
Înainte de a obţine un rezultat optim cu o tehnologie particulară, este primordial a se asigura că „senzorul de achiziţie” corespunde cu aplicaţia. Trebuiesc să se ia în considerare criterii de precizie, de rezoluţie, de rapiditate a achiziţiei, de rapiditate a măsurării, de gradele de libertate sau de configuraţia adecvată şi de repetabilitatea procesului.
Precizia globală a unui sistem de achiziţie 3D depinde înainte de toate de precizia senzorului şi de dispozitivul de achiziţie (achiziţie cu contact) sau structura de achiziţie (achiziţie fără contact). Această precizie poate varia de la micron la milimetru şi mărimea achiziţiei de la câteva puncte la câteva mii de puncte pe secundă.

Niciun comentariu:

Trimiteţi un comentariu