Sviluppo di campioni e procedure per la verifica ... di laurea... · -Basato su triangolazione laser-Emettitore laser + 2 sensori CCD-3 assi di movimentazione Laser ... Development

University of PaduaSimone Carmignato

Coordinate measurements for prosthesis wear evaluation CIRP Jan. 2010 - STC P# 1

FACOLTFACOLTÀÀ DI INGEGNERIADI INGEGNERIADipartimentoDipartimento didi InnovazioneInnovazione MeccanicaMeccanica e e GestionaleGestionale

TESI DI LAUREA SPECIALISTICA IN TESI DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA MECCANICAINGEGNERIA MECCANICA

SVILUPPO DI CAMPIONI E PROCEDURE PER LA SVILUPPO DI CAMPIONI E PROCEDURE PER LA VERIFICA METROLOGICA DI UNO SCANNER LASER 3DVERIFICA METROLOGICA DI UNO SCANNER LASER 3D

IngIng. Alessandro . Alessandro VoltanVoltanIngIng. Simone Carmignato. Simone CarmignatoCorrelatoriCorrelatori::Prof. Prof. EnricoEnrico SavioSavioRelatoreRelatore::

LaureandaLaureanda: : RaffaellaRaffaella NovelloNovello

ANNO ACCADEMICO 2007ANNO ACCADEMICO 2007--20082008

Università di PadovaRaffaella Novello Sviluppo di campioni e procedure per la verifica metrologica di Sviluppo di campioni e procedure per la verifica metrologica di uno scanner laser 3Duno scanner laser 3D # 2

AMBITOAMBITO

Partners:-3Shape

-IPU

-Devitech

-COS

-NPL

-DIMEG

-DME

-3 end-users

Progetto europeo OP3MET“Automated in-line metrology for quality assurance in the

manufacturing industry”

Scanner hardware e software

Sensori CCD

Laser

Verifica prestazioni

Test industriali e prototipazione rapida

COSNPL

JDEUS

SINTEROMDME

ASKOLLDIMEG

3SHAPEDEVITECHIPU


SCANNER LASERSCANNER LASER-Progettato per la scansione di calchi dentali e impronte orecchio esterno

Impronta originale

Nuvola di punti scansionati

Modello 3D-Basato su triangolazione laser

-Emettitore laser + 2 sensori CCD

-3 assi di movimentazione

Laser

Camera (CCD detector) Camera (CCD detector)Rotazione z

Traslazione x

Swing x

x

y

z


DESIGN OF SCANNER HEADDESIGN OF SCANNER HEAD

Camera 2Camera 1

Camera 1Camera 1

Camera 2Camera 2

LaserLaser


Parte 1 - Sviluppo di campioni

Parte 2 - Sviluppo e applicazione di procedure

ARTICOLAZIONE DEL LAVOROARTICOLAZIONE DEL LAVORO

A - Studio proprietà ottiche di diverse superfici

B - Test su diverse sfere

A - Verifica tavola rotante

B - Verifica prestazioni metrologiche scanner

C - Calcolo incertezza di misura

OBIETTIVOOBIETTIVOSviluppo di campioni e procedure per la verifica metrologica

di uno scanner laser 3D


Lambertian surface

α

1 1 -- SVILUPPO CAMPIONISVILUPPO CAMPIONI


Rivestimento Cromo Superficie bianca Alluminio sandblasted Alluminio Rivestimento TiN

Acciaio Acciaio trattato con acido

Parametri analizzati:-Tracking mean (TM)

-Standard deviation (SD)

Intensità media dei pixels colpiti

Deviazione standard intensità luminosain direzione trasversale al raggio

Superficie ideale: - TM elevato- SD ridotto- Comportamento lambertiano


1 1 -- SVILUPPO CAMPIONISVILUPPO CAMPIONI

white / swing -49°

50

100

150

200

250

0 15 30 45

height [mm]

TM

camera 0camera 1average

acid etched steel / swing -49°

50

100

150

200

250

0 15 30 45height [mm]

TM


steel / swing -49°

50

100

150

200

250

0 15 30 45height [mm]

TM


Osservazioni:- La superficie migliore, con comportamento lambertiano, è quella bianca

- L’acciaio trattato acquisisce proprietà ottiche più adatteal laser

TM=134,44

SD=70,05

TM=194,71

SD=31,23

TM=175,33

SD=47,62

Ball bar con sferebianche o in acciaio trattato



1 1 -- SVILUPPO CAMPIONISVILUPPO CAMPIONIB - Test su diverse sfere

Sfera in zirconio Sfera in acciaioinox trattato con

acido

Sfera in acciaioinox

Sfera in acciaiosandblasted

Sfera in allumina

Confronto misure diametro ed errore di forma con scanner laser e CMM

0,031-0,093allumina

3,234-0,574inox

0,054-0,040inox acid-etched

0,116-0,143zirconio

Form errorDiameterSphere

Deviation scanner – CMM [mm]

Osservazioni:

-Lo zirconio assorbe il raggio laser (diametro -0.14 mm)

-L’acciaio trattato con acido ha eccellenti proprietàottiche

-L’allumina ha il miglior comportamento in termini dierrore di forma ma assorbe parte del raggio luminoso(diametro -0.09 mm)


1 1 -- SVILUPPO CAMPIONISVILUPPO CAMPIONIB - Test su diverse sfere

Acciaio inoxAcciaio inox acid-etched Allumina

Scostamento dei punti scansionati dalla sfera ideale

0

+

-

Campioni per la verifica delleprestazioni:-Campione con sfere in acciaio inox trattato (I)

-Ball bar con sfere in allumina (II)

I II


2 A 2 A -- VERIFICA TAVOLA ROTANTEVERIFICA TAVOLA ROTANTE

Campione:-Due sfere in acciaio inox trattato (diametro = 22,22 mm)

Procedura:-Scansione superficie sfere in 29 posizioni angolari-Calcolo coordinate centri-Errori = variazioni picco-picco delle coordinate nelle 3 direzioni: radiale (FR), tangenziale (FT), assiale (FA)

Sistema di riferimento ISO 10360-3

Y

X

ZSfera A

Sfera B

15 posizioni angolari

Problematiche:-Proprietà ottiche e materiale campione non definiti -Diversa cinematica del sistema

Procedura ispirata a ISO 10360-3:2000

FRA [mm] FTA [mm] FAA [mm] FRB [mm] FTB [mm] FAB [mm]

0,011 0,011 0,011 0,015 0,030 0,029

Validazione:-3Shape


2 B 2 B -- VERIFICA DELLE PRESTAZIONIVERIFICA DELLE PRESTAZIONI•Errore di tastatura: PF=RMAX-RMIN

Campione:-Ball bar con 6 sfere in allumina (diametro = 10 mm)

Procedura:-Scansione in 3 posizioni angolari * 3 posizioni di swing (fisse e variabili)

-Elaborazione della nuvola di punti con sfere di fitting

-Calcolo scostamento massimo dei punti dalla sfera ideale Scostamento punti da sfera ideale

Procedura ispirata a ISO 10360-2:2001VDI/VDE 2617 6.2:2005

Problematiche:-Campione non appropriato per sistemi laser -Diversa cinematica del sistema (non cartesiano)-Scansione nuvola di punti

123456

Sistema di riferimento di taratura

X

Z

Y


Osservazioni:-Errore di tastatura influenzato dagli outliers

-Formato .stl filtra la nuvola di punti

•Errore di tastatura: PF=RMAX-RMIN

outliers

Nuvola di punti grezza

.stl

2 B 2 B -- VERIFICA DELLE PRESTAZIONIVERIFICA DELLE PRESTAZIONI

Validazione:-3Shape

Probing error(Rotation 0 deg Swing -49 deg / stl)

0.0400

0.0600

0.0800

0.1000

0.1200

0.1400

0.1600

1 2 3 4 5 6Sphere n.

PF [m

mPF

[mm

]

Probing error(Rotation 0 deg Swing -49 deg / stl)

0.0400

0.0600

0.0800

0.1000

0.1200

0.1400

0.1600

1 2 3 4 5 6Sphere n.

PF [m

mPF

[mm

]

Probing error(Rotation 0 deg Swing -49 deg)

0.0400

0.0600

0.0800

0.1000

0.1200

0.1400

0.1600

1 2 3 4 5 6Sphere n.

PF [m

mPF

[mm

]

Probing error(Rotation 0 deg Swing -49 deg)

0.0400

0.0600

0.0800

0.1000

0.1200

0.1400

0.1600

1 2 3 4 5 6Sphere n.

PF [m

mPF

[mm

]

PF medio=0,113 mm PF medio=0,088 mm>


•Errore di distanza delle sfere: SDE=Lka-LkrProcedura:-Scansionare in 3 posizioni angolari * 3 posizioni di swing (fisse e variabili)

-In ogni posizione ripetere per 3 volte la misura delle 5 distanze delle sfere dall’origine (180 misure)

-Calcolare la differenza fra distanza misurata Lka e distanza tarata Lkr

>

Errore di distanza = Errore di indicazione

Misura unidirezionale

Misura mediata su molti punti Non comparabile con misure di blocchetti


Sphere distance error(Rotation 45 deg Swing -4 deg)

-0.015-0.01

-0.0050

0.0050.01

0.015

0 10 20 30 40 50 60 70 80L [mm]

E [m

mSD

E [m

m]

Sphere distance error(Rotation 45 deg Swing -4 deg)

-0.015-0.01

-0.0050

0.0050.01

0.015

0 10 20 30 40 50 60 70 80L [mm]

E [m

mSD

E [m

m]

Sphere distance error(Rotation 45 deg Variable swing)

-0.015-0.01

-0.0050

0.0050.01

0.015

0 10 20 30 40 50 60 70 80L [mm]

E [m

mSD

E [m

m]

Sphere distance error(Rotation 45 deg Variable swing)

-0.015-0.01

-0.0050

0.0050.01

0.015

0 10 20 30 40 50 60 70 80L [mm]

E [m

mSD

E [m

m]


•Errore di indicazione: E=SDE+EE Blocchetto pianparalleloattaccato con acido

Procedura:-Tarare il blocchetto con CMM

-Scansionare 5 volte con scanner

-Calcolare la differenza fra distanza misurata e distanza tarata (EE)


Lmeasured [mm] Lcalibrated [mm] EE [mm]

AVERAGE 20,0081 20,0012 0.0069

Error of indication(Rotation 45 deg Variable swing)

-0.0150-0.0100-0.00500.00000.00500.01000.0150

0 10 20 30 40 50 60 70 80L [mm]

E [m

mE

[mm

]

Error of indication(Rotation 45 deg Variable swing)

-0.0150-0.0100-0.00500.00000.00500.01000.0150

0 10 20 30 40 50 60 70 80L [mm]

E [m

mE

[mm

]


2 C 2 C -- STIMA DELLSTIMA DELL’’INCERTEZZAINCERTEZZA•Metodo di sostituzione (ISO 15530-3)Oggetto:-Componente metallico scelto come esempio

Procedura:-Tarare con CMM

-Scansionare 20 volte con scanner

-Calcolare l’incertezza di misura

Diametri e errori di forma di 2 cilindri

Cylinder B

Cylinder A

0,06790,00720,06100,0072U

Form error [mm]

Diameter [mm]

Form error [mm]

Diameter [mm]

Cylinder BCylinder A


2 Sviluppo procedure (ispirate a linee guida internazionali):A – Verifica tavola rotante-Campione: 2 sfere in acciaio inox trattato-Procedura appropriata a cinematica scanner

-Errori attuali < 0,03 mm

-Validazione 3Shape

CONCLUSIONICONCLUSIONI1 Sviluppo campioni:-Il campione adatto per i test di verifica è una ball bar

-I materiali candidati sono l’allumina e l’acciaio trattato con acido

C - Calcolo incertezza di misura:-Incertezza di misura di diametro = 0,007 mm-Incertezza di misura di forma = 0,068 mm

B – Verifica prestazioni-Campioni: ball bar con 6 sfere in allumina + blocchetto pianparallelo trattato con acido-Procedura appropriata a cinematica scanner (indicazioni swing + filtraggio)

-E=SDE+EE


SVILUPPI SUCCESSIVISVILUPPI SUCCESSIVISviluppo e verifica del software di pre-processing-software innovativo per la simulazione e programmazione della movimentazione dello scanner sulla base del modello CAD

-ripetizione automatica della scansione in caso di aree non completamente rilevate (ottimizzazione del percorso del laser)

Il sistema assicura una ricostruzione automatizzata e completa del modello 3D del campione scansionato.

VeloceVersatileEconomicoFacile da usareMetrologicamente riferibile

Camera 1 Camera 2

In verde: punti visti da entrambe le camereIn blu: punti visti da una sola camera

[Carmignato S.; De Chiffre L; Fisker R; Hollenbeck K; Savio E (2008). Development of an innovative laser scanner for geometrical verification of metallic and plastic parts. 18th IMEKO TC2 Int. Symp. on Photonics in Measurements. Prague, 25 26 August 2008]


Sviluppo e verifica del software di post-processing-software innovativo per il confronto del modello CAD 3D con la nuvola di punti scansionata

-estrazione, associazione e altre operazioni con le features

-interfaccia semplice e immediata

-ispezione automatica di tolleranze geometriche e dimensionali

-controllo qualità automatizzato in linea nel processo produttivo veloce e metrologicamente riferibile

SVILUPPI SUCCESSIVISVILUPPI SUCCESSIVI

[Carmignato S.; De Chiffre L; Fisker R; Hollenbeck K; Savio E (2008). Development of an innovative laser scanner for geometricalverification of metallic and plastic parts. 18th IMEKO TC2 Int. Symp. on Photonics in Measurements. Prague, 25 26 August 2008]


SVILUPPI SUCCESSIVISVILUPPI SUCCESSIVIErrore di tastatura PF:Influenzato da:-massimo angolo α (calotta sferica scansionata)

-algoritmi e metodi di filtraggio per l’elaborazione dati-necessità di operazioni di filtraggio per eliminare il rumore di misura (outliers) e valutare la forma-mancanza di standardizzazione nei metodi di filtraggio

0.085 mm60 deg.

0.082 mm45 deg.

0.078 mm30 deg.

0.073 mm15 deg.

Probing error, PFAngle α

Massimo angolo α (60-80°) dipende dai parametri di misura e dalle superfici da scansionare

Scansione di 25 punti in posizioni predefinite.Per esempio quelle specificate dalle normative dei sistemi a contatto tenendo conto delle limitazioni dei sistemi ottici

[Carmignato S.; Savio E. (2010). "Metrological performance verification of coordinate measuring systems with optical distance sensors". Int. J. Precision Technology. In Press.


2290920.50.015E855340.30.018D22550.10.021C25100.040B

9619--0.085A

Total number

of points

Points in one

neighbourhood

Neighbourhood

radius, in mm

Probing error of

form (PF), in mm

Points extraction

method

A seconda del metodo utilizzato si ottengono valori che differiscono anche di un ordine di grandezza

SVILUPPI SUCCESSIVISVILUPPI SUCCESSIVIUna evoluzione consiste nel mediare i valori in un intorno dei punti di riferimento- per ridurre l’influenza degli outliers- per evitare l’utilizzo di metodi di filtraggio che non sono controllabili e conosciuti

Diversi metodi a confronto:-25 punti basati sulla media di un intorno di raggio variabile con il metodo-sfera di regressione -calcolo dell’errore di tastatura

[Carmignato S.; Savio E. (2010). "Metrological performance verification of coordinate measuring systems with optical distance sensors". Int. J. Precision Technology. In Press.


Grazie per lGrazie per l’’attenzioneattenzione

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