CERCETARI EXPERIMENTALE PRIVIND DIGITIZAREA SI PRELUCRAREA INFORMATIILOR IN SCOPUL OBTINERII MODELULUI VIRTUAL 3D SI ANALIZA PRECIZIEI ACESTUIA

Acest capitol prezinta cercetarile efectuate in scopul obtinerii informatiei primare precum si a prelucrarii acesteia realizand un model virtual 3D urmate de o analiza atenta a preciziei obtinute. Masuratorile si prelucrarile s-au efectuat pentru 2 piese de configuratii geometrice si complexitati diferite. o9n10ng
Cercetarile experimentale urmaresc utilizarea tehnologiilor optime de prelucrare a informatiilor primare, in functie de calitatiile si dimensiunile senzorilor de masurare- digitizare si elaborarea informatiilor optime necesare obtinerii modelului virtual CAD 3D. Verificarea si controlul preciziei modelului virtual CAD 3D astfel obtinut, evidentiat prin reprezentarea deviatiilor de precizie, verifica de asemenea si tehnologia operatiei de masurare adoptata.

5.1 Cercetari experimentale privind masurarea-digitizarea suprafetelor utilizand sisteme de masurat cu senzori multipli si tehnologiile de prelucrare a informatiei achizitionate in vederea obtinerii modelului virtual CAD 3D si analiza preciziei acestuia

Prima piesa pe care s-au facut masuratori in vederea obtinerii unui model virtual CAD 3D pentru a se face cercetari in vederea stabilirii preciziei sael, este o cama cu dimensiuni cunoscute.
Cama a fost masurata-digitizata cu ajutorul masinii de masurat cu senzori multiplii (Werth Video Check Ip 2250) aflata in dotarea biroului de asigurare a calitatii din incinta UTCN-ului, sub indrumarea atenta a domnului profesor Marius Bulgaru si a domnului inginel Tudor Ioanoviciu.

Sistemul Werth Video Check IP 2650
Sistemul Video Check IP al firmei Werth este o masina de masurat coordinate cu senzori multiplii. Acest sistem foloseste atat senzori de masurare optici (fig 2), cat si senzori tactili (fig.3) cu el putandu-se chiar realiza masurari cu laser.

fig.1: Sistemul Werth Video Check IP fig.2: Senzori optici fig.3 Senzori tactili

Cu ajutorul acestui sistem se pot masura o gama mare de produse pornind de la piese din materiale sintetice sau piese cu suprafete sensibile pana la garniture gume si chiar si piese cu contururi mai complexe.
Date tehnice ale masinii:
- Domeniu de masurare; pe axa X=250-400mm, pe Y=125-200mm si pe Z=200mm;
- Senzori; senzor de prelucrare a imaginii, patch-3D, senzor Laser, sisteme de masurat tactile, palpator de fibre si senzor de probat conturul;
- Domeniul de aplicare; de exemplu in constructia de masini, in industria de automobile, de materiale plastice sau in industria sticlei.

Dupa cum spuneam si anterior piesa care a fost masurata cu ajutorul acestui sistem este o cama. Contururile acesteia dar mai ales profile interioare au fost lucrurile care ne-au interesat in acest caz, iar datorita faptului ca senzorii tactili nu ofereau o precizie satisfacatoare, datorita razelor mari, pentru masurarea-digitizarea camei s-a folosit un sistem de scanare cu senzori optici.

Rezultatele acestei masurari digitizari au fost niste puncte, care apar dupa fiecare scanare a unei sectiuni a suprefetei,pana la inchiderea conturului ales spre masurat.Dupa unirea acestora s-au obtinut curbele aferente profilului piesei.

fi fig. : Punctele rezultate in urma digitizarii (unite intre ele)

Pentru ca sa putem ajunge de la aceste date primare la un model CAD 3D am folosit in continuare programul de modelare CATIA, un program foarte des utilizat alaturi de Pro Engineering, Solid Works sau Solid Edge.
Prin folosirea acestor programe se pot prelucra contururile obtinute prin operatia de masurare-digitizare in vederea creari modelului CAD 3D necesar cercetarilor noastre, deoarece doar pe acest model se poate observa problematica preciziei.
In continuare sunt prezentate etapele parcurse in vederea obtinerii modelului CAD 3D pentru cama noastra pornind de la curbele prezentate in figurile anterioare.

fig. :Extrudarea si umplerea conturuli interior
In aceasta etapa a fost extrudat conturul interior, cunoscuta fiind grosimea sa, dupa care a avut loc umplerea acestui contur.

fig : extrudarea si umplerea conturului din exterior

Acelasi lucru s-a intamplat si pentru conturul exterior urmand ca in faza urmatoare sa se incerce umplerea golului dintre cele 2 profile.
Inainte de asta s-a construit insa inca 2 profile care insa nu reprezentau un foarte mare interes pentru noi, dar au fost facute pentru a respecta profilul geometric al piesei.

fig : Construirea profilului geometric

In ultima faza a modelarii a avut loc umplerea golului dintre cele 2 profile. Adancimea canalului a putut fi masurata si deci s-a putut realiza cu precizie forma geometrica a camei.

fig : Umplerea golului dintre profile

Aceasta ultima figura prezinta de fapt modelul CAD 3D al piesei noastre.
In etapa urmatoare a proiectului nostru a avut loc o masuratoare a camei pe baza modelului CAD 3D in vederea aflarii preciziei obtinute prin digitizarea cu senzori optici.
In primul rand piesa a fost introdusa in programul Holos. Acesta este un soft care inchide practic lantul procesului de Reverse Engineering. Holos lucreza cu formate standard de tip VDA sau IGES si furnizeaza descrieri ale suprafetii sub forma unor suprafete Bezier sau NURBS.
Cu ajutorul acestui program pot fi modificate, ascunse, rotite sau chiar inlaturate elemente ale suprafetei care nu sunt dorite, astfel incat putem face si o parte din munca de design economisind destul de mult timp. Daca insa nu vrem sa inlaturam elemente ci dimpotriva, daca avem nevoie de exemplu de o gaura suplimentara, o putem crea tot cu ajutorul acestui program. Holos dispune de seturi de comenzi relativ usor de inteles si de aplicat.
Cu ajutorul acestui program putem stabili si campul de tolerante in care am dori sa se incadreze modelul nostru CAD in raport cu piesa digitizata si putem sa si verificam acest lucru.
Tot ce trebuie sa facem e sa stabilim anumite puncte de pe suprafetele modelului CAD importat de Holos, iar dupa ce are loc masuratoarea vom afla exact precizia modelului nostru obtinut in urma prelucrarii.
Astfel am procedat si in cazul piesei noastre. In figura urmatoare este prezentat modelul camei importat in Holos.

fig. : Modelul CAD importat in Holos

Dupa ce s-au ales anumite puncte de pe suprafata camei a avult loc procesul de masurare a piesei pe baza modelului, in vederea verificarii suprafetei geometrice si aflarii preciziei cu care s-a obtinut acesta. Rezultatele obtinute sunt reprezentate in figura urmatoare

fig. : Precizia obtinuta in diferite puncte
Din pacate rezultatele obtinute nu se pot vedea prea bine insa consultand anexele de la sfarsit vom remarca ca modelul nostru se incadreaza pentru cele 49 de puncte, intr-un camp de toleranta de +/-0,1 mm desi in cele mai multe locuri el a atins o precizie de ordinul micrometrilor.

Putem spune astfel ca precizia obtinuta este una buna ceea ce inseamna ca metoda folosita pentru masurarea piesei a fost una de succes.

5.2 Cercetari experimentale privind masurarea-digitizarea suprafetelor utilizand sisteme de masurare-digitizare cu capete de masurare discontinua (tactila) si tehnologiile de prelucrare a informatiei achizitionate in vederea obtinerii modelului virtual CAD 3D si analiza preciziei acestuia

Cel de-al 2 experiment, a avut in vedere masurarea-digitizarea, pe masina ZEISS- ECLIPSE 500 aflata si ea in dotarea Universitatii Tehnice din Cluj-Napoca, a unei piese cu o geometrie, la prima vedere, mai simpla, piesa avand forma unui clopot si fiind confectionata din otel.

5.2.1 Descrierea masinii:
Sistemul de masurat-digitizat ZEISS ECLIPSE 500, din cadrul Universitatii noastre, este o masina de masurat-digitizat in coordonate de tip portal. Ea face parte din clasa de masini de masurat cu precizie medie, domeniul de aplicatii incluzand: piese produse in industria constructoare de masini, armaturi, matrite pentru turnarea prin injectie, piese turnate, piese din tabla, carcase si palete pentru piese.
In afara de masurarea tridimensionala a pieselor prismatice cu forme geometrice regulate cum ar fi, de exemplu: suprafete plane, alezaje, conurile si cilindrii se realizeaza si inregistrarea profilurilor, respectiv a formelor geometrice libere.
Daca masina de masurat cu senzori multiplii de la Werth putea masura doar piese de dimensiunui relativ mici, acest sistem permite digitizarea unor piese mult mai mari.

fig. : Masina ZEISS ECLIPSE si panoul sau de comanda

Dupa cum se poate observa si din figura, panoul de control este foarte simplu, cele 2 joystickuri facand manevrarea in 3 axe extrem de usor de controlat.
Acest tip de masina de masurat-digitizat in coordonateb poate fi deservit atat manual cat si in regim CNC. Toate ghidajele sunt asezate pe ghidaje pneumatice, iar faptul ca pentru elementele de ghidare a pinolei si a traversei sunt folosite materiale ceramice, confera o rigiditate si o rezistenta mult mai mare.
Masina este echipata cu mai multe tipuri de capete ATAC (realizeaza o masurare discontinua fiind conceput pentru o palpare rapida. Sistemul de masurare este condus cu ajutorul unei statii grafice HP 9000, seria 300 si un CNC.
Statia grafica inmagazineaza parametrii masurarii, strategia de masurare, datele de intrare (modelele geometrice in cazul masurarii de verificare si control, principiu materializat de comparatia “Soll-Ist”), datele de iesire, respectiv informatia necesara procesului de Reverse Engineering sau informatia necesara verificarii si controlului. Toate acestea vor fi analizate cu ajutorul software-urilor de specialitate: UMESS, HOLOS, CADLINK.
5.2.2 Parametrii de lucru:
Temperatura de lucru- Pentru masinile de masurat in coordonate care sunt stabile din punct de vedere termic sunt relevanti numai parametrii piesei. Deoarece pentru masina de masurat-digitizat ZEISS ECLIPSE 500, din cadrul universitatii noastre nu se realizeaza acest lucru, iar temperatura de 20°C reprezinta valoarea normata pentru operatiile de masurare a suprafetelor, la rezultatele obtinute la alte temperaturi decat aceasta se va efectua o conversie la valoarea de 20°C.
Aceasta conversie este realizata de software-ul masinii de masurat-digitizat in coordonate, in baza coeficientului de dilatare a piesei, de temperatura piesei si cea a masinii de masurare.
Forta de palpare- Capul de masurare utilizat, a carei operatie de inregistrare a datelor este declansata la prima atingere cu piesa, prin deschiderea unui contact mecanic este prevazut cu senzori cu semnale piezolelectrice, care au aceiasi sensibilitate indiferent de directia de palpare si care necesita forte mici de palpare.

fig. : Schema de deschidere a contactului mecanic al palpatorului
Tot ceea ce trebuie avut in vedere este pastrarea aceleiasi valori a fortei de masurare pe care am ales-o la calibrare si in timpul procesului de masurare-digitizare.
Caracteristicile informatiilor primare sunt determinate de caracteristicile sistemului de masurare, care datorita utilizarii rasterului (matrice de puncte) presetat, este de tip “nor de puncte”.
Strategia de prelucrare a informatiilor este determinata de configuratia geometrica a elementului masurat, insa se poate elabora o “strategie generala” cu urmatorii pasii:
- determinarea curbelor de contur a suprafetelor de interes;
- aproximarea initiala a suprafetelor;
- definirea parametrilor de digitizare, subdivizarea suprafetelor aproximate initial si efectuarea digitizarii automate;
- re-aproximarea suprafetelor.
Rezultatul final va fi o combinatie a 2 componente principale si anume:
- precizia dimensionala de pozitie- care defineste cat de bine se potrivesc punctele digitizate pe suprafata obtinuta;
- precizia geometrica de forma- care defineste caracteristicile suprafetelor in ceea ce priveste proprietatile de continuitate utilizat intre diferitele suprafete, precum si proprietatiile de netezire.

Masurarea piesei

Etapele care au fost urmate in vederea masurarii-digitizarii piesei sunt urmatoarele.

5.2.3 Calibrarea senzorului de masurare (a palpatorului)
Dimensiunile si pozitia configuratiei trebuie cunoscuta si memorata de catre programul de masurare. Prin realizarea acestei operatii a fost memorata lungimea palpatorului, marimea razei sferei de rubin precum si pozitia centrului acesteia.

fig. : Calibrarea palpatorului
In acest scop s-a utilizat un etalon de calibare construit dintr-o bila sferica foarte precis prelucrata, fixata intr-un suport astfel incat sa poata fi palpata din toate directiile. Acest etalon a fost alocat masinii de masurare de catre furnizor. Pasii urmariti in aceasta etapa au fost:
Masurarea de orienatare, care a definit pozitia exacta a etalonului de calibrare pe masa masinii. Calibrarea s-a facut cu ajutorul ”palpatorului de referinta” ale carei dimensiuni normalizate se gasesc in memoria calculatorului. Acest palpator care are in capat o sfera de rubin de 8 mm, este utilizat doar pentru determinarea pozitiei etalonului.
Masurarea de referinta, realizata prin verificarea caracteristiciilor palpatorului de referinta, astfel incat coordonatele centrului etalonului Xm, Ym, Zm sa fie 0 (sau o valoare cuprinsa in campul de toleranta), raza bilei de rubin sa aiba valoarea de 4 mm, iar valoarea abaterii standard nu trebuie sa depaseasca valoarea de 0,001 mm.

5.2.4 Alegerea sistemului de coordonate
Aceasta etapa se desfasoara deja cu piesa fixata pe masa masinii si se realizeaza prin alegerea sistemului de masurare folosindu-ne de elementele geometrice ale piesei de masurat.

fig. : Alegerea sistemului de coordonate

Dupa cum se poate observa si din figura s-a ales un sistem de coordonate avand centrul coincicent cu centrul piesei.

5.2.5 Alegerea planului de siguranta
In cadrul acestei etape se va alege un plan de siguranta pentru sistemul de masurat, un sistem in care sa fie continuta bininteles piesa de masurat-digitizat.

fig. : Alegerea planului de siguranta

In aceasta figura se poate observa foarte bine inca o data sistemul de coordonate ales anterior. Trebuie avut in vedere la alegerea acestui plan de siguranta ca masina nu va efectua masuratori in afara acestuia, asa ca el trebuie ales cu grija.

5.2.6 Alegerea strategiei de masurare-digitizare si masurarea-digitizarea efectiva a piesei
Strategia de masurare-digitizare s-a determinat in functie de caracteristicile geometrice ale piesei. Deoarece scopul urmarit este digitizarea piesei, informatia obtinuta fiind utilizata pentru editarea datelor folosite de sistemele CAD, toate elementele geometrice ale piesei au fost inregistrate prin palparea discontinua cu senzorul de masurare. Determinarea elementelor geometrice individuale din cadrul punctelor de palpare, adica din cadrul asa zisului ’’nor de puncte’’ a reprezentat o aplicatie esentiala a tehnicii de masurare in coordonate.
Dupa ce toate aceste etape au fost finalizate s-a trecut la masurarea propriu-zisa a piesei. Chiar daca de regula metoda tactila este mai lunga ca durata de timp, datorita faptului ca gradul de complexitate al conturului geometric al piesei noastre nu este foarte mare, operatia de digitizare a fost reltiv scurta. Rezultatele obtinute au fost salvate si dupa o scurta trecere a lor prin programul Pro Engineer unde a avut transformarea lor in date de tip IGES s-a trecut la prelucrarea lor cu ajutorul programului de modelare CATIA in vederea obtinerii modelului CAD 3D.
Prima curba de la care s-a pornit a fost una destul de simpla iar faptul ca piesa noastra este o piesa de revolutie, a dus la o modelara mai usoara.

fig. : Datele obtinute in urma masurarii unei partii a conturului

Pornind de la aceste date primare si folosind facilitatiile programului de modelat s-a trecut la refacerea conturului piesei noastre.

fig. :Construirea modelului CAD 3D
Dupa cum se poate observa si din figurile anterioare masurarea-digitizarea a avut loc practic pe 3 tronsoane. Prin urmare am obtinut si noi tot 3 curbe care rand pe rand au trebuit reconstruite pana am unit toate cele 3 curbe printr-o operatie de revolutie (de 360°) una din facilitatile multor programe de modelare.

fig. : Obtinerea celei de-a 3-a suprafete

Dupa cum se poate observa in partea de sus a modelului a ramas un gol (un cerc) care poate fi insa foarte usor umplut cu ajutorul comenzii FILL din cadrul meniului programului mai sus mentionat. Pentru a respecta insa profilul geometric al piesei s-a realizat in ultima etapa a obtinerii modelului CAD 3D si o taiere de material sub forma de patrat, cu ajutorul comenzii TRIMM.

fig. : Ultimele etape ale obtinerii modelului CAD 3D