Universitatea “Transilvania” Braşov – Facultatea de Inginerie ...

Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: „Studii doctorale pentru dezvoltare durabilă (SD-DD)” Numărul de identificare al contractului: POSDRU/6/1.5/S/6 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov

Universitatea Transilvania din Braşov

Şcoala Doctorală Interdisciplinară

Departament de cercetare: Sisteme mecatronice avansate

Ing. Cătălin Ionel COBLIŞ

Contribuţii privind măsurarea numerică 3D a suprafeţelor

complexe.

Contributions to the 3D numerical measurement of complex

surfaces

Conducător ştiinţific

Prof. univ. dr. ing. Ciprian OLTEANU

BRAŞOV, 2011

Rezumatul tezei

2

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525 RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢA Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov Nr. 4763 din 12.09.2011

PREŞEDINTE: Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU DECAN Facultatea de Inginerie Mecanică Universitatea „Transilvania” din Braşov

CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof. univ. dr.ing. Ciprian Olteanu Universitatea „Transilvania” din Braşov

REFERENŢI:

Prof. univ. dr. ing. Vistrian MĂTIEŞ, Dr. H.C Universitatea Tehnică din Cluj- Napoca Prof. univ. dr. ing. Nicolae ALEXANDRESCU Universitatea Politehinca din Bucureşti Prof. univ. dr. ing. Luciana CRISTEA Universitatea Transilvania din Braşov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 14. Oct. 2011, ora 1300, sala UII3, Aula Sergiu T. Chiriacescu (str. Iuliu Maniu nr.41A, Braşov).

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected]

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat.

Vă mulţumim.

Ionel Cătălin Cobliş Contribuţii privind măsurarea numerică 3D a suprafeţelor complexe

3

Cuprins Pg.

teză Pg. rez.

Introducere……………………………………………………………………………….. 1 7 Cap. 1. Stadiul actual al sistemelor de măsurare în coordonate……………………… 7 9

1.1. Echipamentele de măsurare în coordonate 7 9 1.1.1. Maşinile de măsurare în coordonate 7 9 1.1.2. Braţele de măsurare 12 9

1.2. Principiile de măsurare 13 9 1.2.1. Achiziţia datelor cu ajutorul sistemelor de măsurare cu contact 14 10 1.2.2. Tehnicile de digitizare cu ajutorul sistemelor de măsurare fără

contact 17 10 1.3. Măsurarea suprafeţelor utilizând scanarea cu contact 19 10

1.3.1. Tehnicile de palpare 20 11 1.3.2. Probleme şi erori întâlnite la măsurarea cu contact 21 11

1.4. Măsurarea suprafeţelor utilizând scanarea cu laser 23 11 1.4.1. Clasificarea scanerelor laser ce au ca principiu de lucru,

triangulaţia optică 23 11 1.4.2. Scanere laser de ultimă generaţie utilizate în industrie 24 12 1.4.3. Problemele întâlnite la măsurarea cu scanere laser 28 12

Cap. 2. Obiectivele şi direcţiile de cercetare ale tezei…………………………………. 33 13 Cap. 3. Influenţa geometriei suprafeţelor complexe asupra parametrilor măsurării

în coordonate……………………………………………………………………. 35 14 3.1.Introducere 35 14 3.2. Poziţionarea palpatorului maşinii de măsurare în coordonate în funcţie de

normala la suprafaţă în punctul de măsurare 36 14 3.2.1. Normala la o suprafată, definită prin ecuaţii analitice 36 14 3.2.2. Normala la o suprafaţă, definită numeric 37 15

3.3. Alegerea pasului de scanare în funcţie de curburile suprafeţelor măsurate 43 16 3.3.1. Calculul curburilor principale, a curburii medii şi totale, pentru o

suprafaţă definită analitic 43 17 3.3.2. Determinarea curburilor la o suprafaţă exprimată numeric 46 17

Cap. 4. Cercetări experimentale pe maşinile de măsurare în coordonate la măsurarea cu contact…………………………………........................................ 53 20 4.1. Obiectul şi obiectivele cercetărilor experimentale la măsurarea cu contact 53 20 4.2. Echipamentele utilizate la cercetările privind măsurarea prin contact 54 20 4.3. Programele de măsurare 61 20 4.4. Determinările experimentale 66 21

4.4.1. Măsurarea cu contact a modelului experimentale 1 66 21 4.4.2. Măsurarea cu contact a modelului experimental 2 79 23

Cap. 5. Cercetări experimentale pe maşinile de măsurare în coordonate la măsurarea fără contact cu scanere laser……………………………………… 87 26 5.1. Obiectul şi obiectivele cercetării 87 26 5.2. Echipamentele utilizate la măsurarea fără contact cu laser 87 26

Rezumatul tezei

4

5.3. Scanarea cu laser a modelului experimental 1 90 27 5.3.2. Numerizarea modelului experimental 1 91 27 5.3.3. Procesarea norului de puncte 93 28 5.3.4. Analizarea rezultatelor 96 29 5.3.5. Verificarea rezultatelor 100 30

5.4. Scanarea cu laser a modelului experimental 2 103 31 5.4.1. Numerizarea modelului experimental 2 103 31 5.4.2. Procesarea norului de puncte 104 31 5.4.3. Analizarea rezultatelor 107 32

Cap. 6. Contribuţii privind optimizarea măsurărilor suprafeţelor complexe 111 34 6.1. Studii privind optimizarea măsurărilor cu contact 111 34

6.1.1. Dezvoltarea unui program pentru scanarea automată, punct cu punct, optimizată, a unei suprafeţe fără model CAD 111 34

6.2. Studii privind optimizarea măsurărilor fără contact, cu scanere laser 115 35 6.2.1. Dezvoltarea unui program, în mediul Camio, pentru scanarea

automată a modelului experimental 1 115 35 6.2.2. Testarea influenţei culorii suprafeţei măsurate asupra preciziei

scanării 123 36 6.2.3. Testarea performanţelor scanerului laser din punct de vedere al

identificării poziţiilor optime în funcţie de precizia de măsurare 133 38 Cap. 7. Concluzii finale. Contribuţii originale. Diseminarea rezultatelor. Direcţii

viitoare de cercetare……………………………………………………………. 141 42 7.1 Concluzii finale 141 42

7.1.1 Concluziile stadiului actual al cercetării privind maşinile de măsurare în coordonate 141 42

7.1.2 Concluziile studiului teoretic privind influenţa geometriei suprafeţelor complexe asupra parametrilor măsurării în coordonate 142 42

7.1.3 Concluziile studiului experimental privind scanarea cu contact a celor două modele propuse pentru studiu 142 43

7.1.4 Concluziile studiului experimental privind scanarea fără contact a celor două modele propuse pentru studiu 143 43

7.1.5 Concluziile privind contribuţiile la optimizarea măsurărilor suprafeţelor complexe 144 44

7.2 Contribuţii originale 144 44 7.3 Diseminarea rezultatelor 148 47 7.4 Direcţii viitoare de cercetare 148 47

Bibliografie………………………………………………………………………………. 149 48 Rezumat. ………………………………………………………………………………… 207 50 Curriculum Vitae………………………………………………………………………... 208 51


5

Contents Pg.

teză Pg. rez.

Introduction…………………………………………………………………………….. 1 7 Cap. 1. State of the art for coordinate measurement systems ………………………. 7 9

1.1. Coordinate measuring equipment 7 9 1.1.1. Coordinate measuring machines 7 9 1.1.2. Measuring arms 12 9

1.2. Measurement principles 13 9 1.2.1. Data acquisition using contact measuring systems 14 10 1.2.2. Data acquisition using non-contact measuring systems 17 10

1.3. Surface measurement using contact scanning 19 10 1.3.1. Probing techniques 20 11 1.3.2. Errors and problems in contact measurement 21 11

1.4. Surface measurement using laser scanning 23 11 1.4.1. Classification of laser scanners that have optical triangulation as

working principle 23 11 1.4.2. Next-generation laser scanners used in industry 24 12 1.4.3. Problems encountered in laser scanning 28 12

Cap. 2. Objectives and research directions of the thesis ……………………………. 33 13 Cap. 3. Influence of complex surface geometry on coordinate measurement

parameters ……………………………………………………………………. 35 14 3.1. Introduction 35 14 3.2. Positioning the touch trigger probe according to surface normal on the

measuring point 36 14 3.2.1. Normal to an analytically defined surface 36 14 3.2.2. Normal to a numerically defined surface 37 15

3.3. Choosing the probing step according to surface curvature 43 16 3.3.1. Calculus of main, mean and total curvature for an analytically

defined surface 43 17 3.3.2. Calculating curvature for a numerically expressed surface 46 17

Cap. 4. Experimental measurements using touch trigger probing on coordinate measuring machines ….……………................................................................. 53 20 4.1. The purpose and objectives of measurements using touch trigger probing 53 20 4.2. Measuring equipment 54 20 4.3. Measurement software 61 20 4.4. Experimental measurements 66 21

4.4.1. Contact measurement of experimental part 1 66 21 4.4.2. Contact measurement of experimental part 2 79 23

Cap. 5. Experimental measurements using laser scanning on coordinate measuring machines……………………………………………………………………….. 87 26 5.1. Purpose and objectives 87 26 5.2. Non-contact measurement equipment 87 26 5.3. Laser Scanning of experimental part 1 90 27

Rezumatul tezei

6

5.3.1. Laser scanning process 91 27 5.3.2. Point cloud processing 93 28 5.3.3. Analysis of results 96 29 5.3.4. Verification of results 100 30

5.4. Laser Scanning of experimental part 2 103 31 5.4.1. Digitization of part 2 103 31 5.4.2. Point cloud processing 104 31 5.4.3. Analysis of results 107 32

Cap. 6. Contributions to the optimization of complex surface measurements………. 111 34 6.1. Studies on the optimization of contact measurements 111 34

6.1.1. Development of an application for automatic and optimized touch trigger scanning of an area without having the CAD model 111 34

6.2. Studies on the optimization of laser scanning 115 35 6.2.1. Development of an application in Camio software for automatic

scanning of experimental part 1 115 35 6.2.2. Testing the influence of surface color on the accuracy of laser

scanning 123 36 6.2.3. Testing the capabilities of laser scanner in terms of identifying the

optimal orientations according to the precision of measurement 133 38 Cap. 7. Conclusions. Original contributions. Dissemination of results. Future

research directions……………………………………………………………… 141 42 7.1 Conclusions 141 42

7.1.1 Conclusions regarding the state of the art 141 42 7.1.2 Conclusions regarding the theoretical study on the influence of

complex surface geometry of coordinate measuring parameters 142 42 7.1.3 Conclusions on the experimental measurements using touch trigger

probing on coordinate measuring machines 142 43 7.1.4 Conclusions on the experimental measurements using laser

scanning on coordinate measuring machines 143 43 7.1.5 Conclusions on the optimization of complex surface measurements 144 44

7.2 Original contributions 144 44 7.3 Dissemination of results 148 47 7.4 Future research directions 148 47

References……………………………………………………………………………. 149 48 Summary……………………………………………………………………………….. 207 50 Curriculum Vitae……………………………………………………………………… 208 51


7

INTRODUCERE

În raport cu o problema atât de importantă pentru industrie cum este realizarea cât mai precisă a pieselor ce sunt utilizate în sisteme performante care lucrează de multe ori în condiţii extreme, verificarea metrologică eficientă şi timpul necesar acesteia, sunt elemente care influenţează eficienţa producţiei. De aceea, măsurarea corectă a suprafeţelor este o activitate care utilizează diferite tehnici de măsurare prin contact şi fără contact implementate pe echipamente şi sisteme de măsurare performante, care să corespundă standardelor ridicate impuse de evoluţia industrială.

Pornind de la aceste consideraţii, teza doctorală intitulată „Contribuţii privind măsurarea numerică 3D a suprafeţelor complexe” îşi propune să realizeze cercetări teoretice şi experimentale în domeniul vast al măsurărilor cu contact şi fără contact. Sunt îmbinate specificul scanării utilizând tehnicile de palpare cu şi fără contact prin intermediul maşinii de măsurare în coordonate, cu specificul utilizării programelor speciale în domeniul ingineriei pentru prelucrarea de informaţii, utilizarea de ecuaţii şi programarea de algoritmi, având drept scop îmbunătăţirea procesului metrologic.

Teza de doctorat cuprinde 156 pagini, 175 de figuri, 11 tabele şi este structurată pe şapte capitole şi o introducere, dintre care patru prezintă în mod gradat problema şi rezolvarea ei, iar celelalte patru tratează introducerea, stadiul actual, obiectivele generale ale tezei doctorale, concluziile, contribuţiile originale şi respectiv modul de valorificare a rezultatelor şi direcţii viitoare de cercetare. De asemenea, teza mai cuprinde alte 5 anexe, dintre care 3 se întind pe 50 de pagini aparţinând cercetărilor experimentale iar 2, cuprinzând 3 pagini, prezintă rezumatul tezei alături de un curriculum vitae al autorului.

Capitolul 1 intitulat „Stadiul actual al sistemelor de măsurare în coordonate” realizează o scurtă trecere în revistă a metodelor de digitizare pe maşinile de măsurare în coordonate cât şi a problemelor care pot interveni la folosirea acestora în cadrul procesului metrologic.

Capitolul 2 este intitulat „Obiectivele şi direcţiile de cercetare ale tezei de doctorat” şi tratează următoarele: studiul teoretic al tehnicilor de numerizare şi al problemelor ce pot apărea la măsurarea pe maşinile de măsurare în coordonate, studiul teoretic privind influenţa geometriei suprafeţelor complexe asupra măsurării cu contact, măsurări experimentale a unor piese cu geometrii complexe, optimizarea scanării cu contact şi fără contact a unei suprafeţe.

Capitolul 3 intitulat „Influenţa geometriei suprafeţelor complexe asupra parametrilor măsurării în coordonate” prezintă algoritmii prin care se determină într-un mod analitic iar apoi într-unul numeric, normala rezultată la o suprafaţă şi pasul de măsurare în funcţie de curbura unei suprafeţe.

Capitolul 4 se numeşte „Cercetări experimentale pe maşinile de măsurare în coordonate la măsurarea cu contact” şi este dedicat, după cum îi spune şi numele, tratării pe larg a metodelor de măsurare ce folosesc scanarea cu contact a două modele experimentale în funcţie de existenţa sau nu a modelului CAD.

Rezumatul tezei

8

Capitolul 5 intitulat „Cercetări experimentale pe maşinile de măsurare în coordonate la măsurarea fără contact, cu scanere laser”, prezintă metodele de măsurare a celor două modele experimentale din prisma mai multor situaţii de scanare.

Capitolul 6 se intitulează „Contribuţii privind optimizarea măsurării suprafeţelor complexe” şi prezintă diferite metode de optimizare şi testare ce au ca scop final creşterea eficienţei procesului de măsurare. Pe parcursul acestuia se remarcă dezvoltarea unor aplicaţii în programele Camio şi Matlab alături de două proceduri de testare a performanţelor scanerelor laser cu ajutorul cărora să se

Capitolul 7 este intitulat „Concluzii finale. Contribuţii originale. Diseminarea rezultatelor. Direcţii viitoare de cercetare” şi prezintă concluziile generale ale rezultatelor obţinute în urma desfăşurării experimentelor ţinând cont de toate cunoştinţele noi introduse în această teză, elementele de originalitate, contribuţiile aduse de către autor, valorificarea rezultatelor şi direcţiile viitoare de cercetare. Teza se încheie cu referinţele bibliografice şi 5 anexe, dintre care 3 sunt corespunzătoare cercetărilor experimentale efectuate de către autor.

Teza de doctorat reprezintă rezultatul cercetărilor întreprinse de către autor pe parcursul a trei ani, cu sprijinul ştiinţific şi logistic al unui număr important de persoane şi instituţii, cărora le datorez toată recunoştinţa mea şi cărora doresc să le mulţumesc. O mare parte din cercetările experimentale ale tezei au fost posibile datorită accesului asigurat pentru doctorand în cadrul Bazei de Cercetare Multidisciplinară din Catedra de Mecanică Fină şi Mecatronică, Facultatea de Inginerie Mecanică, Universitatea Transilvania din Braşov. De asemenea, cercetările experimentale în care se utilizează scanerele laser au fost realizate pe parcursul a două stagii de cercetare de câte 3 luni, efectuate în Belgia, la universitatea Khatolieke Universiteit Leuven, în cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică, Divizia de Inginerie de Producţie, Design de Maşini şi Automatizări.

Mulţumesc în mod deosebit referenţilor care, cu răbdare şi îngăduiţă, au analizat prezenta lucrare şi m-au sfătuit astfel încât, teza de doctorat să prezinte un nivel ştiinţific ridicat.

Doresc să mulţumesc în mod deosebit conducătorului ştiinţific, domnul Prof. Dr. Ing. Ciprian OLTEANU, pentru contribuţia la formarea mea pe plan ştiinţific şi personal.

Mulţumesc conducerii Catedrei de Mecanică Fină şi Mecatronică, Decanatului Facultăţii de Inginerie Mecanică şi Rectoratului Universităţii Transilvania din Braşov pentru sprijinul acordat pe parcursul celor 3 ani de cercetare.

Mulţumesc tuturor colegilor din cadrul Catedrei de Mecanică Fină şi Mecatronică şi în special doamnei Prof. Dr. Ing. Ileana Constanţa ROŞCA, domnului Prof. Dr. Ing. Sorin ZAMFIRA şi doamnei Prof. Dr. Ing. Luciana CRISTEA pentru sprijinul acordat în diferitele etape de pregătire ale tezei de doctorat.

Nu în ultimul rând, doresc să mulţumesc în mod deosebit familiei mele pentru sprijinul moral şi material acordat pe parcursul anilor de facultate, masterat şi în special pe durata activităţii doctorale.

Octombrie, 2011 Autorul


9

CAPITOLUL 1

STADIUL ACTUAL AL SISTEMELOR DE MĂSURARE ÎN COORDONATE

1.1. ECHIPAMENTELE DE MĂSURARE ÎN COORDONATE

Toate domeniile din cadrul industriei au nevoie de o multitudine de echipamente cu ajutorul cărora să se poată realiza verificarea calitativă a produselor rezultate în urma procesului de producţie. Echipamentele cele mai des întâlnite în cadrul operaţiilor de control a pieselor de mare complexitate la care sunt necesare precizii de ordinul micrometrilor, sunt maşinile de măsurare în coordonate (MMC) despre care se poate spune că au devenit o obişnuinţă în laboratoarele de metrologie. Mai nou, echipamente precum braţele de măsurare devin tot mai des utilizate datorită volumului mare de lucru pe care îl pot acoperii precum şi a mobilităţii ridicate.

1.1.1. Maşinile de măsurare în coordonate

MMC-ul este un sistem de măsurare fiabil şi precis, compus din traductoare electronice, de un program de achiziţie a datelor, şi de un sistem informatic. Principiul de funcţionare a unei MMC este de a înregistra punctele de contact dintre palpator si piesă. Aceste puncte sunt localizate şi înregistrate de sistemul referenţial al maşinii. Sunt folosiţi diferiţi algoritmi pentru calculul datelor în scopul determinării poziţiei şi amplasării caracteristicilor geometrice ale piesei [B1].

1.1.2. Braţele de măsurare

Braţele de măsurare portabile au schimbat metodele de măsurare 3D, făcând această operaţie mai uşoară şi mai rapidă iar ca rezultat, creşte productivitatea şi se reduce timpul necesar procesului de măsurare. În cazurile în care metodele tradiţionale de măsurare sunt impracticabile sau imposibile, producătorii se bazează pe braţele de măsurare pentru a obţine cât mai rapid informaţiile esenţiale. Avantajul braţelor de măsurare este acela că oferă mobilitate maximă în cadrul operaţiilor din metrologia industrială [R9] [F3].

1.2. PRINCIPIILE DE MĂSURARE

Există numeroase metode pentru achiziţia informaţiei cu privire la forma piesei, ele bazându-se pe tehnologii diferite. Cele mai întâlnite metode utilizează, pentru digitizarea unei suprafeţe, capete de măsurare pe care sunt montate palpatoare cu contact şi fără contact. Scanarea 3D este o metoda prin care măsurătorile fizice ale unui obiect sunt transformate în format digital, într-un mod organizat, rezultând ceea ce se numeşte de obicei date 3D de scanare sau nor de puncte. Odată ce datele de scanare pot fi accesate în format digital, pot fi determinate toate dimensiunile obiectului fizic [P3], [C4].

Rezumatul tezei

10

1.2.1. Achiziţia datelor cu ajutorul sistemelor de măsurare cu contact

Scanarea cu contact a unei suprafeţe este un procedeu realizat pe maşinile de măsurare în coordonate prin intermediul căruia, cu ajutorul palpatoarelor cu contact, se digitizează suprafaţa fizică a piesei de măsurat. Scanarea unei suprafeţe prin contact cu declanşare, este cea mai întâlnită metodă de digitizare a suprafeţelor, prin contact mecanic. În figura 1.1 se poate observa ansamblul de măsurare constituit dintr-un cap de măsurare, un palpator în continuarea căruia se află vârful de palpare care este format dintr-o tijă metalică ce are în capăt o bilă de rubin cu un diametru bine determinat [R8]. Palparea unui punct constă în atingerea piesei cu bila din capătul vârfului de palpare, menţinând o viteză de înaintare constantă. Contactul între bilă si piesă generează un semnal electric ce provoacă citirea şi înregistrarea poziţiei axelor maşinii ce ne permite să aflăm coordonatele punctului măsurat [D2].

Fig. 1.1 Ansamblu de măsurare cu contact discret: 1 – cap de măsurare; 2 – element de adaptare a

palpatorului; 3 – palpatorul; 4 – vârful de măsurare; 5 – bila de rubin;

Scanarea cu contact continuu a unei suprafeţe se realizează cu ajutorul unui palpator activ, prin intermediul căruia se asigură achiziţia punctelor în mod continuu deoarece vârful de palpare rămâne în contact cu suprafaţa pe tot parcursul procesului de scanare [R10].

1.2.2. Tehnicile de digitizare cu ajutorul sistemelor de măsurare fără contact

Principalele tehnici de măsurare fără contact utilizate pentru digitizarea unei suprafeţe sunt următoarele: triangulaţia optică, fotogrametria, tehnicile radar. Cele mai des întâlnite sunt sistemele de scanare ce folosesc tehnica triangulaţiei şi care sunt formate dintr-o cameră CCD şi o sursă de lumină (laser). Principiul fundamental al triangulaţiei constă în proiectarea pe un obiect a unui fascicol luminos punctiform sau liniar, iar în funcţie de intersecţia celor două şi cunoscând poziţia sursei luminoase în raport cu camera CCD putem calcula coordonatele punctelor baleiate [H1].

1.3. MĂSURAREA SUPRAFEŢELOR UTILIZÂND SCANAREA CU CONTACT

La măsurarea suprafeţelor utilizând metodele de scanare prin contact, punct cu punct, lucrul cel mai important care poate influenţa precizia, constă în folosirea metodelor corespunzătoare pentru palparea suprafeţei.

5 3

2

4

1


11

1.3.1. Tehnicile de palpare

Maşinile de măsurare în coordonate achiziţionează datele în urma atingerii piesei cu un palpator ce poate să măsoare prin contact continuu sau prin declanşare.

La măsurarea unei piese, în cazul în care se folosesc tehnici eficiente de palpare, pot fi eliminate multe din cauzele uzuale ce generează apariţia erorilor. În cadrul măsurărilor metrologice, mai ales în cazul în care nu dispunem de modelul CAD al piesei, palparea ar trebui realizată perpendicular pe suprafaţa de măsurat, urmând direcţia normalei la punctul ce urmează a fi numerizat. Ideal, deviaţia de la direcţia optimă cu care palparea poate fi realizată în condiţii acceptabile, ar trebui să fie de maxim 20o.

1.3.2. Probleme şi erori întâlnite la măsurarea cu contact

În cadrul măsurării se întâlnesc situaţii în care avem nevoie de precizia maximă oferită de palpator în combinaţie cu maşina de masurare şi este important de ştiut care sunt direcţiile optime de palpare pentru respectarea exigenţelor procesului metrologic. Digitizarea punctelor pe direcţii perpendiculare pe axa vârfului de palpare, are cea mai bună repetabilitate în comparaţie cu digitizarea pe alte direcţii raportate la axa vârfului de palpare (Fig 1.2) [B8].

a) b) c) d) Fig. 1.2 Direcţiile întâlnite la palpare: a) măsurarea pe direcţie perpendiculară pe axa vârfului de

palpare (recomandată); b), c), d)măsurarea pe alte direcţii raportat la axa vârfului de palpare (nerecomandată)

1.4. MĂSURAREA SUPRAFEŢELOR UTILIZÂND SCANAREA CU LASER

În cadrul măsurărilor pentru controlul dimensional al pieselor, scanerele cele mai des întâlnite sunt cele care au ca principiu de lucru triangulaţia optică. Măsurătorile realizate cu aceste echipamente nu sunt la fel de precise precum cele care utilizează pentru numerizarea palparea cu contact. Acest lucru se datorează aspectelor ce ţin atât de natura fizică a piesei, de mediul în care au loc măsurările cât si de limitele constructive ale acestor echipamente. În ultima perioadă tehnologiile au evoluat atât de mult încât problemele de natură constructivă ce influenţează performanţele scanerelor sunt mult diminuate.

1.4.1. Clasificarea scanerelor laser ce au ca principiu de lucru, triangulaţia optică

Scanerele laser ce folosesc tehnica triangulatiei optice pot fi clasificate în funcţie de tipul fascicolului laser cu care acesta baleiază suprafaţa de măsurat ca fiind cu proiectie punctiformă,

Rezumatul tezei

12

adică proiecţia fascicolului laser pe obiect este un punct iar la fiecare achiziţie este numerizat doar un singur punct de pe suprafaţa obiectului şi cu proiecţie liniară, unde fascicolul punctiform este înlocuit de o linie luminoasă iar la fiecare achiziţie este numerizat un număr mult mai mare de puncte.

1.4.2. Scanere laser de ultimă generaţie utilizate în industrie

Datorită preciziei înalte de care dau dovadă, unele dintre cele mai utilizate scanere în laboratoarele de metrologie din industrie şi cercetare sunt următoarele: scanerul laser Kreon Zephyr KZ 25 (Fig. 1.3), scanerul laser CMS 106, scanerul laser CMS 106, scanerul laser Nikon XC65D, scanerul laser Nikon LC 15, scanerele laser Nikon LC 50 şi Nikon LC 60 DX.

Fig. 1.3 Scanerul Kreon Zephyr KZ 25

1.4.3. Problemele întâlnite la măsurarea cu scanere laser

Pentru sistemele optice de triangulaţie, exactitatea datelor rezultate în urma măsurării depinde de interpretarea adecvata a imaginii produse de lumina reflectată de obiect pe camera CCD. Perturbările de formă a luminii reflectate se produc atunci când se schimbă reflexivitatea suprafeţei; suprafaţa are un grad înalt de reflexivitate; geometria suprafeţei are discontinuităţi; fascicolul luminos este parţial obturat (Fig. 1.4); apare fenomenul de granularitate [P1], [P2].

Fig. 1.4 Fenomenul de umbră şi de ocluziune

Scaner laser Scaner laser

Piesa Piesa

Fascicol laser

Câmpul de vedere al camerei

Suprafaţa este în câmpul vizual al camerei dar laserul nu o baleiază în întregime

Suprafaţa este baleiată de fascicolul laser dar camera nu o vede


13

CAPITOLUL 2

OBIECTIVELE ŞI DIRECŢIILE DE CERCETARE ALE TEZEI DE DOCTORAT

Iniţierea prezentei teze de doctorat se datorează importanţei pe care o are, în domeniul metrologiei, măsurarea precisă a suprafeţelor cu geometrii complexe. În industrie, datorită evoluţiei foarte rapide a tehnologiei şi implicit a productivităţii, în cadrul proceselor de verificare metrologică este o nevoie crescută de sisteme care să reducă cât mai mult timpii necesari pentru realizarea diferitor operaţii de verificare şi care să asigure o precizie corespunzătoare a măsurării. Cercetarea dezvoltată pe parcursul acestei lucrări are ca scop dezvoltarea de proceduri şi algoritmi care, prin implementarea lor, să optimizeze realizarea procesului metrologic prin reducerea timpului necesar măsurării dar totodată să asigure obţinera unei precizii ridicate.

Ţinând cont de aceste aspecte, s-au conturat obiectivele generale şi cele punctuale ale tezei de doctorat, după cum urmează:

1. Pornind de la materialul bibliografic existent, să se realizeze un studiu complex privind stadiul actual al cercetării în domeniul sistemelor de măsurare 3D prin identificarea principiilor, metodelor şi preciziilor de măsurare a echipamentelor montate pe maşinile de măsurare în coordonate;

2. Efectuarea unui studiu privind influenţa geometriei suprafeţelor complexe asupra parametrilor măsurării în coordonate ce folosesc palpatoarele prin contact;

3. Dezvoltarea de cercetări şi măsurări experimentale pe maşina de măsurare în coordonate folosind sistemele de numerizare cu şi fără contact, care să se concentreze pe numerizarea 3D a suprafeţelor ce compun piese cu geometrie complexă;

4. Implementarea unei aplicaţii care să realizeze comunicarea între un program de măsurare cu un altul special destinat operaţiilor de calcul şi programare avansată, aşa încât prin combinarea capabilităţilor celor două, să rezulte o aplicaţie ce optimizează măsurarea cu contact prin scanarea automată, punct cu punct, a unei suprafeţe în funcţie de un număr de puncte definit de utilizator;

5. În urma concluziilor reieşite din al 4-lea obiectiv, să se implementeze o aplicaţie cu ajutorul căreia să se optimizeze procesul de scanare al unui model experimental aşa încât să se obţină un timp de măsurare scăzut iar prin generalizare ei să se poată utilizată pentru scanarea optimizată a unui număr mai mare de piese;

6. Definirea şi generalizarea unor proceduri de testare a performanţelor scanerelor laser din punctul de vedere al influenţei aspectelor legate de culoarea unei suprafeţe asupra preciziei măsurării şi identificarea poziţiilor optime ale scanerului pentru măsurarea parametrilor geometrici ai unei suprafeţe;

7. Să se enunţe concluziile finale.

Rezumatul tezei

14

CAPITOLUL 3

INFLUENŢA GEOMETRIEI SUPRAFEŢELOR COMPLEXE ASUPRA PARAMETRILOR MĂSURĂRII ÎN COORDONATE

3.1. INTRODUCERE

Având în vedere definiţia analitică a unei suprafeţe şi luând în considerare şi exprimarea numerică, s-a dezvoltat în cele ce urmează un studiu privind influenţa geometriei suprafeţelor complexe asupra parametrilor măsurătorilor în coordonate (poziţionarea palpatorului după normala în punctul de măsurare şi alegerea pasului de măsurare în funcţie de curburile suprafeţelor complexe).

3.2. POZIŢIONAREA PALPATORULUI MAŞINII DE MĂSURARE ÎN COORDONATE ÎN FUNCŢIE DE NORMALA LA SUPRAFAŢĂ ÎN PUNCTUL DE MĂSURARE

Precizia la măsurarea în coordonate a suprafeţelor complexe depinde şi de poziţia palpatorului în raport cu această suprafaţă deoarece, direcţia de numerizare trebuie să fie cât mai aproape de normala dusă la momentul respectiv în punctul de măsurare [B8], [R4]. De aceea este necesar să definim o metodă de determinare a normalei atât în cazul exprimării analitice a suprafeţelor cât şi în cazul în care aceasta este definită numeric.

3.2.1. Normala la o suprafată, definită prin ecuaţii analitice

Având în vedere ecuaţiile ce definesc analitic o suprafaţă, ecuaţiile normalei la aceasta vor fi următoarele [E4]:

Pentru suprafaţa exprimată prin ecuaţia implicită:

(3.1)

Pentru suprafaţa exprimată prin ecuaţia explicită:

(3.2)

Pentru suprafaţa exprimată prin ecuaţiile parametrice:

(3.3)

Pentru suprafaţa exprimată prin ecuaţia vectorială:

(3.4)


15

3.2.2. Normala la o suprafaţă, definită numeric

Determinarea normalei la o suprafaţă definită numeric s-a făcut prin intermediul unor subrutine ce compun o aplicaţie dezvoltată în programul Matlab. Suprafaţa care s-a luat în calcul, este intradosul unei pale de la modelul experimental 1, definit în subcapitolul 4.1. Această suprafaţă a fost reprodusă numeric printr-un nor de puncte rezultat în urma scanării ei, cu ajutorul unei maşini de măsurare în coordonte şi a unui palpator cu contact.

După operaţiile de filtrare şi editare a datelor, norul de puncte se va încărca în program, care prin intermediul subrutinelor dezvoltate le va prelucra efectiv. Procesarea completă a datelor ce conţin norii de puncte pentru definirea unor suprafeţe cu geometrie complicată, necesită dezvoltarea unor algoritmi puternici care să realizeze corect triangulaţia corectora.

După citirea norului de puncte, ca o primă etapă, subrutina generează efectiv pe ecran punctele care îl compun, după cum se vede în figura 3.1 a). Triangularea eficientă a unui nor de puncte ce redă o suprafaţă neregulată, este un procedeu în care trebuie ţinut cont de aspecte privind triunghiurile marginale, muchiile comune, puncte de extrem, succesiunea punctelor, unghiul dintre două triunghiuri, alături de alte variabile importante iar rezultatul final al acestei triangulaţii este prezentat în figura 3.1 b) unde se poate observa reprezentarea completă a tuturor triunghiurilor [A6]. De asemenea, aplicaţia dezvoltată redă suprafaţa triangulată dar la care s-au şters toate laturile triunghiurilor, având astfel o imagine clară a acesteia (Fig. 3.1 c)).

a) b) c)

Fig. 3.1 Suprafaţa rezultată în urma triangulării norului de puncte: a) norul de puncte; b) triangulaţia norului de puncte; c) suprafaţa aferentă norului de puncte

Partea a doua a aplicaţiei dezvoltate are rolul de a reprezenta fiecare etapă efectuată pentru calcularea şi determinarea normalelor. Ţinând cont de geometria complicată a suprafeţei, pentru a realiza o scanare cât mai corectă pe direcţii aproape identice cu normala, s-a recurs la un proces de segmentare a triangulaţiei obţinute. Procedeul duce la împărţirea suprafeţei rezultate, în 3 zone determinate aproximativ în funcţie de complexitatea acesteia. După această operaţie, după cum este prezentat în figura 3.2, se vor calcula şi afişa vectorii ce definesc normalele pentru toate triunghiurile conţinute de fiecare zonă în parte [M7].

Rezumatul tezei

16

a) b) c)

Fig. 3.2 Segmentarea triangulaţiei şi calcularea normalelor pentru: a) zona superioară; b) zona mediană; c) zona inferioară;

Următoarea etapă a aplicaţiei constă în calcularea normalei rezultante a fiecărei zone în parte, în funcţie de normalele triunghiurilor conţinute de fiecare dintre acestea. Normala rezultantă s-a determinat prin calcularea unei medii a tuturor normalelor ce aparţin unei zone. Astfel calculate, sunt apoi generate şi reprezentate grafic, după cum se poate vedea în figura 3.3.

Fig. 3.3 Reprezentarea normalelor rezultante

Având aproximarea normalelor în funţie de fiecare segment al suprafeţei în parte, valorile i, j, k ce definesc direcţiile acestora pot fi citite de către programul de măsurare iar pe baza lor se realizează palparea optimă, urmărind direcţia normalelor.

3.3. ALEGEREA PASULUI DE SCANARE ÎN FUNCŢIE DE CURBURILE SUPRAFEŢELOR MĂSURATE

Una din problemele importante ce apare la procesul de scanare cu maşinile de măsurare în coordonate este găsirea pasului de scanare optim cu influenţe benefice asupra preciziei măsurătorilor cât şi a timpului de scanare. Deoarece mărimea pasului de scanare depinde, în afara altor mărimi ale procesului de măsurare, şi de curburile suprafeţelor măsurate, în cele ce urmează sunt prezentate modurile de determinare a curburilor pentru diverse feluri de exprimare a suprafeţelor.


17

3.3.1. Calculul curburilor principale, a curburii medii şi totale, pentru o suprafaţă definită analitic

La o suprafaţă S, curburile principale k1 şi k2 într-un punct P є S, sunt rădăcinile ecuaţiei în k [E4]:

(3.5)

unde E, F şi G sunt expresiile primei forme fundamentale iar L, M şi N sunt expresiile celei de a doua forme fundamentale.

Curbura totală K şi curbura medie H vor fi exprimate cu relaţiile [E4]:

(3.6)

(3.7)

iar razele de curbură principale vor fi [E4]:

(3.8)

După calcularea curburii totale, curburii medii şi a razelor de curbură principale, în funcţie de acestea se trece la dezvoltarea unui algoritm pentru calculul pasului de măsurare optim, utilizat la scanarea cu contact a unei suprafeţe cu geometrie complexă, a cărui expresie finală este:

(3.9)

unde δ este raportul dintre curbura medie maximă şi curbura medie minimă iar Pmed este pasul mediu introdus de către utilizator la începutul măsurării.

3.3.2. Determinarea curburilor la o suprafaţă exprimată numeric

La numerizarea prin contact a unei suprafeţe, pasul de măsurare poate avea un rol important în determinarea eficientă a abaterilor dimensionale doarece, cu cât este mai mică distanţa dintre punctele palpate pe o anumită supafaţă a piesei, cu atât creşte eficienţa algoritmului ce realizează comparaţia între acestea şi modelul CAD. De asemenea la scanarea prin contact, punct cu punct, a unei suprafeţe pentru procesul de inginerie inversă, distanţa dintre punctele palpate influenţează reconstrucţia fidelă, într-un program CAD, a suprafeţei respective [P3], [R10].

În cele ce urmează se va prezenta felul în care s-au determinat curburile medii aparţinând suprafeţei exprimată prin norul de puncte rezultat în urma scanării. Pentru a realiza acest obiectiv, s-a apelat la programarea, dezvoltarea şi combinarea de subrutine în programul Matlab. Pentru suprafeţele exprimate în mod numeric, algoritmul de calcul al pasului optim de scanare se bazează pe intersecţia suprafeţei triangulate cu un plan, rotirea acestuia cu un increment unghiular, calcularea intersecţiilor şi interpolarea unor cercuri pentru care va fi calculată ulterior

Rezumatul tezei

18

curbura. Având astfel informaţiile despre valoarea curburii, se poate determina cu aproximaţie, pasul de măsurare optim necesar numerizărilor pentru diferite suprafeţe ale pieselor.

Înaintea importării în Matlab a norului de puncte, acesta suferă o serie de operaţii de prelucrare, în urma cărora se poate încărca în program fişierul care conţine datele 3D corespunzătoare tuturor punctelor. În acest subcapitol este folosit şi norul de puncte corespunzător unei sfere, scanate în vederea verificării finale a programului. După triangularea unui nor de puncte şi obţinerea suprafeţei formate dintr-o reţea de triunghiuri, elementul de bază de la care se începe calcularea curburii, este definirea unui plan care v-a intersecta suprafaţa triangulată în zona mediană a acesteia, raportat la axa Z.

După definirea planului se trece la calcularea punctelor de intersecţie dintre aceste două suprafeţe. Metoda de calcul presupune găsirea triunghiurilor cu care se intersectează planul şi determinarea punctului comun al planului cu muchiile intersectate. În figura 3.4 este prezentată intersecţia celor două suprafeţe, punctele fiind unite printr-o linie pentru creşterea vizibilităţii.

Fig. 3.4 Calcularea punctelor de intersecţie şi interpolarea unui cerc prin acestea

Determinarea curburii se face prin calcularea inversului razei cercului interpolat prin punctele de intersecţie (Fig. 3.4). Metoda se bazează pe unul dintre algoritmii lui Newton, folosind toate punctele de intersecţie pentru interpolarea cercului [C9]. Următorul pas constă în rotirea planului, cu un anumit increment unghiular (Fig. 3.5) şi de un anumit număr de ori, în jurul unei axe, având ca origine centrul suprafeţei triangulate [M10].

Fig. 3.5 Unghiul de rotaţie al planului în determinarea curburii şi punctele de intersecţie rezultate

Increment unghiular


19

Axa de rotaţie se defineşte de către operator în funcţie de forma şi orientarea suprafeţei triangulate, în timp ce originea este calculată automat de către subrutinele aplicaţiei dezvoltate.

Pentru fiecare rotaţie în parte se calculează curbura medie iar la şfârşitul executării subrutinelor, se afişează curbura medie totală ca media aritmetică a curburilor calculate anterior. În urma unei analize s-a observat faptul că, un increment unghiular de 4o duce la un număr de 45 de deplasări unghiulare a planului şi astfel valoarea curburii se stabilizează la aproximativ 0,0197 m-1. Algoritmul a fost testat pentru suprafaţa triangulată a unei sfere de calibrare pentru scanerele laser şi făcând calculul s-a observat că algoritmul dezvoltat este suficient de exact. Având valoarea finală a curburii, conform relaţiei (3.9), se trece la calcularea efectivă a pasului optim de scanare aferent direcţiei principale şi secundare de scanare în cadrul numerizării unei suprafeţe oarecare.

Pentru a generaliza acest program, aşa încât să poată fi folosit cu uşurinţă de către orice utilizator, s-a realizat o interfaţă (Fig. 3.6) prin intermediul căreia sunt introduse datele de intare şi sunt vizualizaţi paşii cei mai importanţi ai acestuia alături de rezultatele finale.

Fig. 3.6 Interfaţa aplicaţiei create în programul Matlab

O altă îmbunătăţire adusă acestei aplicaţii deja generalizate a fost salvarea ei ca program executabil aşa încât să poată fi apelată şi folosită în orice program de măsurare. Interfaţa beneficiază de o serie de opţiuni cu ajutorul cărora se pot pot manevra şi vizualiza în timp real imaginile din figuri. Integrarea acestei aplicaţii în programele de măsurare poate genera o operaţiune eficientă care facilitează şi optimizează procesul de scanare cu contact prin alegerea optimă a pasului de măsurare fără intervenţia majoră a utilizatorului în programul de măsurare.

Rezumatul tezei

20

CAPITOLUL 4

CERCETĂRI EXPERIMENTALE PE MAŞINILE DE MĂSURARE ÎN COORDONATE LA MĂSURAREA

CU CONTACT

4.1. OBIECTUL ŞI OBIECTIVELE CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE LA MĂSURAREA CU CONTACT

Cercetările experimentale în cadrul măsurărilor cu contact s-au axat pe numerizarea 3D a suprafeţelor ce compun piese cu geometrie complexă. În industrie şi cercetare, piesele cu geometrie complexă sunt des întâlnite acestea necesitând un control dimensional riguros întrucât fac parte din sisteme care funcţionează în condiţii de precizie, temperatura, viteză şi uzură extreme (unul sau mai mulţi din aceşti parametrii). De aceea ca obiect al acestei cercetări s-au ales două piese din care una este o turbină, ce provine de la turbosuflanta unui motor cu ardere internă şi cealaltă, executată după un model CAD, are ca destinaţie exclusiv cercetarea. Cele 2 elemente de cercetare menţionate anterior vor fi menţionate şi identificate în text, cu model experimental 1 pentru turbină şi model experimental 2 pentru piesa realizată după modelul CAD. Scopul cercetării experimentale a fost analizarea procesului de măsurare prin contact a pieselor de studiu prin determinarea elementelor care face dificil controlul dimensional. Aceste elemente apar destul de des, ele fiind în legătură directă cu limitările şi dezavantajele acestui tip de determinări.

4.2. ECHIPAMENTELE UTILIZATE LA CERCETĂRILE PRIVIND MĂSURAREA PRIN CONTACT

Pentru realizarea cercetărilor experimentale s-au utilizat o serie de echipamente de sine stătătoare sau interconectate. Echipamentele din dotarea laboratoarelor (din cadrul universităţii Transilvania din Braşov şi cel al universităţii Khatolieke Universiteit Leuven din Leuven, Belgia), folosite pentru această cercetare, au un grad înalt de performanţă, multe de acest gen regăsindu-se şi în majoritatea laboratoarelor din cadrul companiilor de renume din industrie [R8]. Astfel, la numerizarea 3D prin contact a turbinei au fost folosite următoarele echipamente: maşina de măsurare în coordonate DEA Global Performance, COORD3 MC 16, Metris C3 V, capul de măsurare PH 10 M, palpatorul TP 20, extensii şi vâfuri de palpare.

4.3. PROGRAMELE DE MĂSURARE

Realizarea măsurătorilor este un proces foarte complex iar pentru a se obţine eficienţă maximă, este necesară utilizarea unui program de măsurare care să realizeze legătura şi comunicarea între utilizator şi măsurarea în coordonate. În timpul cercetării experimentale, pentru efectuarea determinărilor şi analizarea acestora, s-au utilizat trei programe de măsurare diferite şi anume programul PC-DMIS pentru maşina de măsurare în coordonate DEA Global Performnce, programul CAMIO pentru maşina de măsurare în coordonate COORD 3 MC16 şi


21

programul Focus Inspection pentru prelucrarea norilor de puncte, realizarea comparaţiilor şi scanarea cu laser.

4.4. DETERMINĂRILE EXPERIMENTALE

Determinările experimentale au fost realizate pe parcursul a două etape în cadrul cărora s-a avut în vedere într-o primă fază măsurarea numerică cu contact a modelului experimental 1 (măsurare fără existenţa modelului CAD) iar în cea de a doua fază, măsurarea cu contact a modelului experimental 2 (măsurare pe baza modelului CAD).

4.4.1. Măsurarea cu contact a modelului experimental 1

Măsurarea va fi îndreptată cu preponderenţă înspre zona palelor, ele fiind elementele cele mai importante, a căror geometrie influenţează direct performanţa şi comportamentul optim al turbinei. Inspecţia unei pale constă în scanarea cu contact a celor 2 feţe, extradosul şi intradosul (Fig. 4.1). Fiind un model cu un grad înalt de complexitate, numerizarea a necesitat multă atenţie, rezultând astfel un proces care a necesitat un timp îndelungat. Determinările s-au efectuat în condiţii optime, valorile parametrilor ambientali încadrânduse între limitele impuse în manualul de utilizare al maşinii [C5].

Turbina aleasă pentru cercetările experimentale provine de la un motor cu ardere internă. Partea scanată este rotorul, adică zona de evacuare a gazelor arse şi care conţine un număr de 13 pale.

Fig. 4.1 Modelul experimental 1 şi zonele de interes ale acestuia

În cadrul măsurării, piesa trebuie sa fie poziţionată şi orientată optim pentru a facilita realizarea determinărilor şi a reduce cât mai mult timpul necesar realizării verificării. În acest scop, aspectele care trebuie luate în considerare la orientarea şi poziţionarea modelului experimental 1, ţin de accesul palpatorului în zonele dinte pale, posibilitatea definirii orientării palpatorului astfel încât să poată palpa o anumită zonă greu de atins, numărul de orientări ale palpatorului şi volumul de lucru al maşinii.

Pentru determinările realizate în cadrul cercetărilor experimentale cu contact s-a selectat vârful de palpare cu lungimea de 20 mm având o bila de rubin de diametru 2 mm. Pentru a face posibilă palparea zonelor dintre palele turbinei, s-a optat pentru introducerea unui element intermediar între vârful de palpare şi palpator, care constă într-o tijă de alungire de 20 mm lungime.

Extradosul Intradosul

Rezumatul tezei

22

După definirea sculei de măsurare, urmată de calibrarea orientărilor necesare palpatorului, s-a trecut la identificarea poziţiei piesei pe masa de măsurare şi realizarea unei alinieri a acesteia în raport cu sistemul global de coordonate al maşinii. În cadrul scanării cu contact s-au numerizat patru pale ale turbinei şi anume cele numerotate cu 1, 4, 7 şi 10. Scanarea extradosului şi intradosului unei pale este un procedeu care necesită atenţie în poziţionarea palpatorului având în vedere zonele greu accesibile şi distanţa mică dintre pale. Scanarea acestor feţe ale palei s-a realizat eşantionat, suprafeţele fiind împărţite în 3 zone în funcţie de o aproximare a gradului de dificultate. Ca rezultat final al palpării celor două feţe (Fig. 4.2 a)) s-a obţinut norul de puncte ce se poate observa în figura 4.2 b), la care punctele palpate au fost unite printr-o linie, în ordinea realizării lor. De asemenea, se pot vedea în figura 4.2 c) toate cele 4 pale scanate. Timpul necesar numerizării unei pale a fost de aproximativ 3 ore.

a) b) c)

Fig. 4.2 Scanarea modelului experimental 1: a) palparea punct cu punct a feţelor; b) norul de puncte al unei pale; c) norul de puncte al celor 4 pale scanate

După finalizarea scanării punct cu punct a palelor, norul de puncte a fost importat în programul Catia pentru a realiza triangularea punctelor şi obţinerea unei suprafeţe. S-au putut identifica deviaţii mari ale unor porţiuni din norul de puncte, observabile în figura. 4.3 a) şi b), iar după procesul de triangulaţie, în figura. 4.3 c), acestea sunt vizibile mai clar.

a) b) c)

Fig. 4.3 Analizarea norului de puncte în programul Catia: a), b) norul de puncte în dferite ipostaze, c) triangulaţia norului de puncte

Astfel se poate vedea că măsurarea unei anumite zone, cu orientări diferite ale palpatorului, în lipsa modelului CAD şi cu compensarea automată a razei bilei vârfului de palpare, generează


23

practic nori de puncte cu poziţii diferite. Datorită acestor deviaţii apărute, s-a recurs la o rescanare a palelor folosind doar o singură orientare a palpatorului pentru scanarea punct cu punct a unei feţe de pală.

4.4.2. Măsurarea cu contact a modelului experimental 2

În figura 4.4 putem vedea cea de a doua piesă pe care s-au realizat masurători şi pe care am numit-o modelul experimental 2. Aceasta a fost realizată pe baza unui model CAD, dintr-un material denumit Ureol [P5], obţinut prin frezarea pe o maşină în 5 axe şi având ca scop cercetările şi testările principiilor de măsurare (existenţa modelului CAD).

Fig. 4.4 Modelul experimental 2

De obicei în procesele metrologice care utilizează maşinile de măsurare în coordonate, majoritatea determinărilor, se fac pe baza modelului CAD deoarece acesta facilitează procesul de inspecţie datorită mai multor aspecte printre care vizualizarea în timp real a rezultatelor şi furnizarea rapidă a informaţiilor despre dimensiunile geometrice şi toleranţele acestora [H1]. În cazul analizat, experimentele nu se vor axa pe accesarea informaţiilor despre toleranţe şi dimensiuni ci vor avea ca obiectiv analizarea performanţelor şi a procesului de măsurare efectiv.

După pornirea maşinii de măsurare şi realizarea iniţializării acesteia, se importă formatul „iges” al modelului CAD în programul de măsurare după care se trece la poziţionarea piesei pe masa de măsurare astfel încât orientarea şi aşezarea ei să faciliteze cât mai mult procesul de inspecţie. Spre deosebire de măsurările modelului experimental 1 pe maşina DEA Global Performance, scanarea cu contact a modelului experimental 2 nu prezintă nici o problemă din punctul de vedere al spaţiului de lucru.

Având astfel poziţia piesei pe masa maşinii, se definesc şi se calibrează orientările palpatorului cu care se vor putea identifica suprafeţele piesei ce contribuie la determinarea alinierii pentru definirea noului sistem de coordonate al piesei în raport cu cel global. Definirea noului sistem de coordonate se face în funcţie de 3 plane alese de pe piesă cu ajutorul cărora acesta este precis poziţonat (Fig. 4.5).

Rezumatul tezei

24

Fig. 4.5 Planurile utilizate pentru definirea sistemului local de coordonate

Procedura pentru definirea suprafeţelor de măsurat în cazul în care dispunem de modelul CAD este diferită de cea în care nu avem această informaţie. Elementul care subliniază această diferenţă, este felul în care definim suprafaţa şi anume, prin selectarea acesteia direct de pe modelul CAD. Astfel, în figura 4.6, vedem cum cu o singură manevră a mose-ului se defineşte suprafaţa care se doreşte a fi analizată, aceasta schimbându-si culoarea în galben pentru o identificare mai facilă.

Fig. 4.6 Ipostaze ale măsurării în care sunt identificate suprafeţele

Odată ce s-a stabilit suprafaţa de măsurare, punctele ce urmează să fie palpate se definesc prin intermediul unei reţele (Fig. 4.6), în cadrul căreia distanţa dintre 2 puncte succesive reprezintă pasul de măsurare, modul de realizarea a măsurării fiind complet automat în toate etapele. Norul de puncte rezultat în urma numerizării fiecărei suprafeţe, este salvat şi exportat pentru a fi analizat cu un alt program dedicat procesării norilor de puncte. Măsurările realizate acoperă aproximativ 75% din suprafaţa piesei iar timpul consumat este de aproximativ 8 ore.

Exportarea datelor din programul Camio s-a făcut în formatul „csv” care, se aseamănă cu formatul „xls” al aplicaţiilor Microsoft Office Excel. Datorită acestuia, putem avea uşor acces la conţinutul unei celule întrucât este nevoie de o trunchiere a datelor înainte de importarea în programul de analizare al norilor de puncte. Este important de ştiut că în cazul respectiv, la scanarea cu contact punct cu punct, pentru fiecare suprafaţă numerizată s-a obţinut un set de date independent, rezultând astfel un număr de 21 nori de puncte.

Pentru această ultimă fază a procesului de inspecţie, s-a utilizat programul Focus Inspection în care norul de puncte rezultat din măsurarea cu contact punct cu punct a modelului experimental 2, a fost suprapus şi comparat cu modelul CAD. După importarea în program a norilor de puncte în format optim, are loc îmbinarea lor deoarece pentru operaţiile ulterioare, aceştia trebuie să se comporte ca o singură entitate (Fig. 4.7 a)). Norul de puncte rezultat este apoi supus operaţiei de triangulaţie fiind astfel transformat într-o suprafaţă (Fig. 4.7 b)) ce va fi utilizată în realizeazarea comparaţiei.


25

a) b) c)

Fig. 4.7 Prelucrarea norului de puncte în programul Focus Inspection: a) norul de puncte rezultat; b) triangulaţia norului de puncte; c) modelul CAD

Etapa următoare a procesului o constituie importarea modelului CAD al piesei de măsurat (Fig 4.7 c)). Pe baza acestor două entităţi, nor de puncte triangulat şi model CAD, se realizează alinierea în vederea comparaţiei finale. Operaţia de aliniere constă în suprapunerea suprafeţei rezultate în urma triangulării norului de puncte peste modelul CAD al piesei scanate. În final, pe baza comparaţiei şi a raportului de măsurare rezultat (Fig 4.8), s-a realizat analiza diferenţelor dintre cele două. Practic, fiecare punct din suprafaţa triangulată a măsurandului, se compară cu modelul CAD iar în funcţie de valoarea distanţei, se încadrează într-o scară de deviaţii definită anterior şi căreia i s-a atribuit automat o grilă de culori.

Fig. 4.8 Raportul generat în urma comparaţiei suprafeţelor

Analizând raportul de măsurare, se poate observa că zonele unde apare culoarea roşie şi culoarea albastră, sunt cele în care deviaţiile dintre măsurand şi etalon sunt cele mai mari. Astfel, zonele cu roşu şi cu albastru reprezintă deviaţii pozitive şi respectiv negative, ceea ce înseamnă că partea respectivă a piesei, depăşeşte ca dimensiuni modelul CAD. Motivul pentru care deviaţiile sunt aşa mari în aceste zone se datorează procesului de prelucrare al piesei, mai exact, fiind modul de fixare al blocului brut de material în timpul prelucrării şi posibilitatea deformării elastice la prelucrare.

Rezumatul tezei

26

CAPITOLUL 5

CERCETĂRI EXPERIMENTALE PE MAŞINILE DE MĂSURARE ÎN COORDONATE LA MĂSURAREA FĂRĂ

CONTACT, CU SCANERE LASER

5.1. OBIECTUL ŞI OBIECTIVELE CERCETĂRII

Cercetările experimentale privind măsurarea fără contact au avut ca obiectiv numerizarea suprafeţelor celor două modele experimentale alături de analizarea şi compararea acestor procese. Pentru a obţine o analiză cât mai complexă a numerizării cu laser pentru o geometrie complicată cum este cea a turbinei, s-au realizat 3 scanări în urma cărora norii de puncte obţinuţi au fost prelucraţi iar apoi supuşi unor comparaţii dimensionale. Modelul experimental 2, a fost scanat cu o singură sursă laser, deoarece s-a urmărit în special comparaţia cu un model CAD. Pe parcursul capitolului se studiază probleme privind poziţionarea şi orientarea piesei de măsurat, distanţele de scanare, procesarea norului de puncte, realizarea comparaţiilor şi analizarea operaţiei de scanare.

5.2. ECHIPAMENTELE UTILIZATE LA MĂSURAREA FĂRĂ CONTACT, CU SCANERE LASER

Echipamentele cu sursă laser utilizate, se încadrează în toate standardele şi respectă toate cerinţele existente la momentul actual, pentru scanarea fără contact, cu laser, având verificările metrologice făcute la zi. Turbina utilizată pentru studiu a fost scanată în două moduri (Fig 5.1 a), b)), una în starea naturală iar cealaltă în stare şpreiată, situaţie în care s-a pulverizat pe suprafaţa acesteia, un strat subţire de pulbere albă, des întâlnit la optimizarea scanării pieselor de culoare neagră, strălucitoare sau cu geometrii foarte complexe [G3].

a) b) c)

Fig. 5.1 Situaţiile de măsurare: a) modelul experimental 1 în stare naturală; b) modelul experimental 1 în stare şpreiată; c) modelul experimental 2 în stare naturală

Modelul experimental 2 a fost scanat cu laser în starea naturală (Fig. 5.1 c)), deoarece datorită aspectului suprafeţei, şpreierea nu influenţează această măsurare.

Echipamentele folosite la numerizare sunt scanerele laser LC 50 şi LC 60 DX, prezentate în figura 5.2, produse de către compania Nikon Metrology.


27

a) b) c)

Fig. 5.2 Capetele de măsurare cu laser: a) scanerul LC 50; b), c) 2 versiuni ale scanerului LC 60 DX

În cadrul cercetărilor, scanerele au fost montate pe maşinile de măsurare în coordonate COORD3 MC 16 şi respectiv Metris C3V. Manipularea scanerului, procesarea norilor de puncte, operaţiile cu suprafeţe, alinierile, comparaţiile şi generarea rapoartelor, s-au făcut prin utilizarea programului Focus Inspection.

5.3. SCANAREA CU LASER A MODELULUI EXPERIMENTAL 1

Elementele cercetării ce ţin de determinările experimentale în care s-au folosit echipamentele de numerizare cu laser, s-au realizat în cadrul stagiului de cercetare extern la universitatea Katholieke Universiteit din Leuven, Belgia, la departamentul de Inginerie Mecanică, divizia PMA. În cadrul procesului de scanare a turbinei, au fost realizate un numar de 3 numerizări în condiţii diferite de stare a suprafeţei şi performanţe ale scanerului laser. Fiecărui procedeu şi implicit norului de puncte rezultat i s-a atribuit o prescurtare după cum urmează: scanarea turbinei în stare naturală cu scanerul LC 50 primeşte prescurtarea (T50 - N); scanării turbinei în stare şpreiată cu scanerul LC 50, i se atribuie (T50 - S); scanarea turbinei în stare naturală cu scanerul LC 60 DX este identificată cu (T60 - N).

5.3.1. Numerizarea modelului experimental 1

Înainte de realizarea scanării s-au calibrat orientările necesare, ele fiind definite în funcţie de unghiurile de rotaţie A şi B a capului de măsurare, procedeu similar orientării papatorului cu contact. Ca un ultim pas înaintea scanării, a fost ajustată intensitatea fascicolului laser pentru a digitiza cât mai multe puncte într-un interval cât mai scurt de timp, operaţie foarte importantă deoarece poate influenţa acurateţea şi timpul necesar scanării. Astfel la o distanţă oarecare, intensitatea ridicată a laserului poate crea o vizibilitate mult mai bună a suprafeţelor baleiate având ca rezultat achiziţia unui număr mai mare de puncte. Pe parcursul unei singure baleieri liniare, geometria turbinei duce la schimbări rapide ale distanţei de scanare şi pot astfel apărea probleme de acurateţe chiar şi pe o lungime mică a direcţiei de scanare.

Scanarea propriuzisă a fost partea care a consumat cel mai mult timp din cadrul întregului proces. După cum se vede în tabelul 5.1, au fost necesare multe unghiuri de orientare a scanerului pentru a capta pe deplin întreaga suprafaţă a măsurandului.

Rezumatul tezei

28

Tabelul 5.1 Orientările unghiulare pentru cele 3 scanări

Analizând tabelul de mai sus se poate observa că scanarea turbinei în culoare naturală cu

scanerul LC 50 (T50-N) este mai problematică decât celelalte două situaţii. Bineînţeles, după cum se aştepta, scanarea turbinei cu scanerul LC 60 DX (T60-N), este mult mai rapidă datorită vitezei de achiziţie sporite a acestuia, fiind necesare doar 3 ore pentru numerizarea completă. La captarea punctelor au fost utilizate de asemenea şi distanţe de scanare diferite, aşa încât camera CCD din interiorul echipamentului de scanare să poată vedea linia laser chiar şi în zonele ascunse şi întunecate dintre pale. Datorită influenţei şpreierii, diferenţa de 2 ore dintre T50-N şi T50-S, este justificată de un număr mai mare de distanţe de scanare utilizate la numerizarea T50-N.

5.3.2. Procesarea norului de puncte

Primul pas în procesarea norilor de puncte este operaţia de fuzionare a acestora deoarece pentru n operaţii de baleiere rezultă n nori de puncte (Fig. 5.3 a)).

a) b) c)

Fig. 5.3 Prelucrarea norului de puncte: a) fuzionarea; b) discretizarea; c) netezirea

Unghiurile pentru scanarea turbinei în stare

naturală cu scanerul LC 50

Unghiurile pentru scanarea turbinei

şpreiate cu scanerul LC 50

Unghiurile pentru scanarea turbinei în stare

naturală cu scanerul LC 60 DX

Unghiul de rotaţie A

Unghiul de rotaţie B

Nr. orientărilor


Nr. orientărilor


Nr. orientărilor

0o 0o; 90o 2 0o; 90o 2 0o; 90o 2

45o -180o to 180o, incr. 45o 8 -180o to 180o,

incr. 90o 4 -180o to 180o, incr. 90o 4

90o -180o to 180o, incr. 15o 24 -180o to 180o,

incr. 30o 12 -180o to 180o, incr. 30o 12

105o -180o to 180o, incr. 45o 8 -180o to 180o,

incr. 90o 4 -180o to 180o, incr. 90o 4

Timpul necesar 7 h 42 5 h 22 3 h 22


29

Prin triangulaţie, norul de puncte este discretizat în mai multe suprafeţe, care în cadrul programului Focus Inspection sunt vizualizate ca o singură entitate (Fig. 5.3 b)). Astfel, se va obţine prima imagine a formei scanate sub formă de suprafaţă virtuală. Pentru a elimina micile bavuri care apar pe suprafaţa discretizată, se foloseşte procedeul de netezire (Fig. 5.3 c)), care după cum sugerează numele, are rolul de a armoniza suprafaţa eliminând punctele de extrem şi generând mai multe triunghiuri de dimensiuni mici.

Alinierea suprafeţelor scanate (Fig. 5.4 a)) este o operaţie în care măsurandul se suprapune peste etalon şi prin realizarea ei, are rolul de a pregăti comparaţia finală. În cazul acesta de aliniere, suprafaţa de referinţă nu este un model CAD, ci o scanare aleasă dintre cele 3 existente.

a) b)

Fig. 5.4 Etapele finale ale prelucrării: a) realizarea alinierii; b) comparaţia;

După aceste etape, este realizată comparaţia globală între cele 2 entităţi iar apoi poate fi generat raportul (Fig. 5.4 b)). Pe baza raportului, cu ajutorul scalei gradate în care sunt integrate intervalele de culoare, pot fi analizate cu uşurinţă datele cu privire la poziţia punctelor măsurandului în raport cu etalonul.

5.3.3. Analizarea rezultatelor

În urma cercetărilor, s-au realizat comparaţii şi analize, în primul rând, pentru a vedea care zone ale turbinei sunt cele mai problematice pentru scanare iar în al 2-lea rând, pentru a avea o imagine clară asupra eficienţei scanării din prisma unor situaţii de măsurare diferite.

Au fost comparate toate cele trei situaţii de scanare, după cum urmează: turbina în culoare naturală scanată cu LC 60 DX, cu turbina în culoare naturală scanată cu LC 50 (T60N vs T50N); turbina în culoare naturală scanată cu LC 60 DX, cu turbina şpreiată scanată cu LC 50 (T60N vs T50S); turbina în culoare naturală scanată cu LC50, cu turbina şpreiată scanată cu LC50 (T50N vs T50S). Pentru fiecare comparaţie în parte sunt prezentate informaţii referitoare la încadrarea procentuală a punctelor de pe suprafaţa măsurandului în intervalul pozitiv sau negativ al deviaţiilor.

Din graficul comparaţiei generale, prezentat în figura 5.5 precum şi din tabelul 5.2, se poate observa că pentru ambele comparaţii T60N – T50N şi T60N – T50S, majoritatea punctelor se încadrează în intervalul pozitiv în timp ce pentru cazul T50N – T50S, majoritatea sunt în intervalul negativ. Linia notată cu zero în cadrul diagramei are rolul de a face vizibilă diferenţa dintre deviaţiile negative şi cele pozitive. Situaţia aceasta este considerată normală, luând în

Rezumatul tezei

30

considerare acurateţea crescută a scanerului laser LC 60 DX. Neaşteptată, a fost situaţia din comparaţia T50N vs T50S unde, scanarea în stare şpreiată a turbinei adică măsurandul, are majoritatea punctelor sub valoarea de zero, rezultând astfel că dimensiunile sunt mai mici decât cele ale formei scanate în stare naturală. În mod normal, şpreierea creşte dimensiunile piesei scanate cu aproximativ 20 μm [G3] şi astfel forma scanată ar trebui să aibă majoritatea punctelor încadrate în deviaţiile pozitive.

Fig. 5.5 Reprezentarea grafică liniară a tuturor comparaţiilor

Tabelul 5.2 Situaţia generală a punctelor

Deviaţii

Comparaţia Negative Pozitive

T60N vs T50N 37% 67% T60N vs T50S 44% 56% T50N vs T50S 55% 45%

5.3.4. Verificarea rezultatelor

Din cauza acestor rezultate considerate neaşteptate în cazul T50N vs T50S s-a trecut la analiza factorilor care ar putea influenţa valoarea acestora. Astfel, s-a constatat că aceşti factori pot proveni datorită unor eventuale erori din cadrul procesului de prelucrare a punctelor în programul Focus Inspection. În scopul clarificării problemelor legate de influenţa acestor factori de program asupra rezultatelor, s-a recurs la: refacerea filtrării, discretizării şi a netezirii folosind aceiaşi parametri pentru fiecare entitate în parte; refacerea alinierii în Focus Inspection având alte elemente de referinţă decât în primul caz. Analizând rezultatele se poate spune că niciuna din cele două presupuse cauze, nu influenţează rezultatele comparaţiei.


31

5.4. SCANAREA CU LASER A MODELULUI EXPERIMENTAL 2

Diferenţa între procesele de scanare a modelului experimental 1 şi a modelului experimental 2 este că, norul de puncte obţinut va fi comparat cu modelul CAD existent al piesei scanate. În cadrul comparaţiei, etalonul va fi considerat modelul CAD.

Pe parcursul acestor determinări se vor urmări aspecte ale procesului de scanare şi în final, la realizarea comparaţiei, se vor analiza erorile apărute. Această piesă se va scana într-o singură stare, în culoare naturală, doar cu scanerul LC 60 DX pentru că natura materialului şi a suprafeţei nu prezintă probleme la scanarea cu laser şi astfel nu este necesară realizarea mai multor stări de măsurare.

5.4.1. Numerizarea modelului experimental 2

Volumul mare a spaţiului de lucru, face ca amplasarea modelului experimental 2 să nu ridice probleme deosebite. În cadrul acestor determinări acesta s-a poziţionat pe un suport aşezat în partea frontală a mesei de lucru. După determinarea şi calibrarea orientărilor necesare scanării s-a putut trece la numerizarea propriuzisă a piesei (Fig. 5.6). Numerizarea cu laser a modelului experimental 2, a durat aproximativ o oră.

a) b)

Fig. 5.6 Scanarea modelului experimenatal 2: a) imagine de pe maşina de măsurare; b) ipostază din cadrul programului de măsurare

5.4.2. Procesarea norului de puncte

Norul de puncte obţinut în urma scanării este procesat urmând aceleaşi proceduri ca la modelul experimental 1. În cazul acestei scanări, datorită faptului că suprafaţa piesei are caracteristici bune pentru digitizarea cu laser, nu au existat puncte reziduale sau de extrem care să aibă deviaţii mari, vizibile cu ochiul liber pentru curăţirea manuală. Norii de puncte sunt transformaţi într-o singură entitate (Fig. 5.7 a)) care ulterior este discretizată iar în urma netezirii se obţine forma finală, prezentată în figura 5.7 b), pe baza căreia se vor alege elementele de aliniere (Fig. 5.7).

Rezumatul tezei

32

a) b) c)

Fig. 5.7 Procesarea norului de puncte aferent modelului experimental 2: a) fuzionarea; b) discretizarea şi netezirea; c) identificarea planelor de aliniere

Procesul de aliniere a constat în suprapunerea celor două entităţi existenţa modelului CAD permiţând definirea planelor de referinţă ale etalonului (modelul CAD) doar prin selectarea suprafeţelor cu ajutorul mose-ului.

Rezultatul alinierii este prezentat în figura 5.8 a) şi se poate observa înainte de realizarea comparaţiei, faptul că între modelul CAD şi suprafaţa discretizată există diferenţe geometrice. Comparaţia globală realizată (Fig. 5.8 b)) scoate în evidenţă deviaţiile dintre modelul CAD (etalon) şi suprafaţa discretizată a norului de puncte (măsurand).

a) b)

Fig. 5.8 Etapele finale ale procedurii: a) alinierea; b) comparaţia finală

5.4.3. Analizarea rezultatelor

Scara gradată folosită în comparaţia dintre suprafaţa discretizată şi modelul CAD al modelului experimental 2, are incrementul de 0,05 mm iar limita maximă şi minimă de 0,350 mm şi respectiv -0,350 mm.

Pe baza analizei, se poate observa că zona centrală a piesei este preponderent colorată în albastru, lucru care evidenţiază deviaţiile negative dintre etalon şi măsurand. Albastrul închis, cu care sunt reprezentate extremităţile laterale ale comparaţiei arată faptul că acolo, abaterile dimensionale sunt sub valoarea de -0,350 mm ceea ce înseamnă că zonele respective sunt mult sub valorile nominale. Felul în care sunt reprezentate culorile în comparaţie, de la galben sau verde în extremităţile verticale la albastru în zona mediană, sugerează faptul că piesa este fabricată cu erori. După interpretarea pe graficului generat de comparaţia globală (Fig. 5.9) se


33

observă că, abaterile dimensionale care se încadrează sub valoarea de - 0,350 mm ocupă o proporţie mai mare în comparaţie cu cele încadrate peste valoarea de 0,350 mm.

Fig. 5.9 Procentajul punctelor în cadrul comparaţiei pentru modelul experimental 2

Aceste rezultate procentuale scot în evidenţă că 82% din numărul punctelor sunt în zona abaterilor negative, iar astfel majoritatea abaterilor este negativă şi se înţelege că piesa a fost realizată cu erori mari de prelucrare. Aceste erori provin din modul de fixare a semifabricatului şi din forţele generate de sculele aşchietoare pe parcursul procesului de prelucrare. Aceste tipuri de erori s-au constatat şi la măsurarea mai precisă, realizată cu palpatorul prin contact în cadrul capitolului 4.

Rezumatul tezei

34

CAPITOLUL 6

CONTRIBUŢII PRIVIND OPTIMIZAREA MĂSURĂRILOR SUPRAFEŢELOR COMPLEXE

6.1. STUDII PRIVIND OPTIMIZAREA MĂSURĂRILOR CU CONTACT

Numerizarea la scanarea prin contact cu maşinile de măsurare în coordonate este una dintre cele mai exacte procedee de măsurare, şi de asemenea cu costuri reduse deoarece chiar cu ajutorul palpatoarelor clasice de măsurare cu declanşare, se pot realiza operaţii complexe de scanare prin contact punct cu punct, reducând astfel costurile în cadrul operaţiilor unde nu este neaparat nevoie de un timp redus pentru realizarea procesului metrologic [C4].

La scanarea automată, prin contact punct cu punct, a unei suprafeţe fără prezenţa modelului CAD, anumite programe întâmpină dificultăţi, întrucât ele fie nu sunt suficient dezvoltate pentru realizarea rapidă, fie utilizatorul trebuie să îşi dezvolte propriul program şi algoritm de măsurare [N4]. În cazul aplicaţiilor de scanare prin contact, punct cu punct, la anumite programe de măsurare, utilizatorul poate defini doar pasul de scanare [P4]. Dacă se doreşte numerizarea unui număr exact de puncte pe o suprafaţă, utilizatorul trebuie să calculeze pasul de scanare în funcţie de numărul de puncte şi dimensiunile zonei respective.

6.1.1. Dezvoltarea unui program pentru scanarea automată, punct cu punct, optimizată, a unei suprafeţe fără model CAD

Datorită dificultăţilor programelor de măsurare, pentru a optimiza procesul de scanare prin contact a unei suprafeţe pentru care nu deţinem modelul CAD, folosind codul DMIS, s-a dezvoltat un program în mediul de măsurare Camio, cu ajutorul căruia se poate realiza numerizarea acesteia în funcţie de un anumit număr de puncte de palpare sau în funcţie de un pas de scanare dat. Programul Camio integrează un subprogram ce a fost dezvoltat în mediul Matlab şi salvat în format executabil cu rolul de a calcula poziţia punctelor ce urmează a fi palpate, în funcţie de numărul lor şi dimensiunile suprafeţei, şi de asemenea de a genera codul de măsurare pe care îl va comunica programului Camio în funcţie de care maşina de măsurare realizează numerizarea.

Algoritmul programului executabil ce calculează poziţia punctelor din cadrul scanării, în funcţie de numărul lor, funcţionează pe baza următoarelor etape: citirea numărului de puncte pentru scanare, citirea poziţiei şi a dimensiunii suprafeţei, calculul divizorilor numărului de puncte, condiţiile pentru omogenizarea distribuţiei punctelor şi alegerea divizorilor, calculul poziţiei punctelor în funcţie de dimensiunile suprafeţei şi divizorii aleşi, generarea codului de măsurare şi salvarea acestuia într-un fişier tip „txt”.

Acest subprogram are rol de optimizare deoarece caută să facă o distribuţie omogenă a punctelor pe suprafaţa de măsurat aşa încât să acopere cât mai mult din aceasta. Omogenizarea poziţionării se face pentru orice număr de puncte de scanare introdus de către utilizator, fie el par, impar, pătrat perfect sau prim.


35

6.2. STUDII PRIVIND OPTIMIZAREA MĂSURĂRILOR FĂRĂ CONTACT, CU SCANER LASER

6.2.1. Dezvoltarea unui program, în mediul Camio, pentru scanarea automată a modelului experimental 1

Scanarea cu laser a modelului experimental 1 şi 2, deşi mult mai rapidă decât scanarea cu contact, necesită totuşi un timp de 3 ore pentru numerizare. Acest fapt este cauzat de repoziţionarea manuală, pe diferite distanţe de scanare, a senzorului laser pentru fiecare măsurare în parte aşa încât să poată fi realizată numerizarea tuturor suprafeţelor piesei ce trebuie verificată metrologic. Limitele programelor de măsurare au dus la dezvoltarea unei aplicaţii cu rol de a optimiza scanarea unor piese cu geometrii complexe din punctul de vedere al reducerii timpului necesar realizării acestei activităţi. Programul de scanare dezvoltat în mediul Camio are ca scop numerizarea turbinei fără intervenţia operatorului în poziţionarea scanerului. Intervenţia umană este totuşi prezentă pe parcursul procesului, aceasta neinfluenţând semnificativ timpul de scanare deoarece utilizatorul intervine doar la localizarea poziţiei sferelor de calibrare, în definirea sistemului de coordonate local al piesei şi în schimbarea senzorilor între ei.

Configuraţia sistemului este prezentată în figura 6.1 unde putem observa sferele de calibrare, piesa de scanat şi capul de măsurare pe care se montează palpatorul cu contact şi ulterior scanerul laser LC 60 DX.

Fig. 6.1 Poziţia elementelor în cadrul procesului de scanare automată

Etapele parcurse în timpul rulării algoritmului pentru scanarea automată a modelului experimental 1 sunt următoarele: montarea capului de măsurare prin contact, identificarea poziţiei sferelor de calibrare, etalonarea sferelor de calibrare, calibrarea orientării palpatorului cu contact, definirea sistemului de coordonate pe partea superioară a turbinei, schimbarea palpatorului cu contact cu scannerul laser, definirea orientărilor scanerului laser şi a distanţei orizontale şi verticale de scanare, poziţionarea senzorului deasupra sferei de calibrare a laserului, calibrarea orientărilor laserului, poziţionarea acestuia deasupra turbinei, scanarea automată a turbinei.

În figura 6.2 sunt prezentate două exemple de nori de puncte importaţi în programul Focus Inspection, care au rezultat în urma scanării automate cu orientările A45 şi A90, având diferite incremete pentru unghiul orizontal.

Rezumatul tezei

36

a) b) Fig. 6.2 Nori de puncte rezultaţi în urma scanării automate: a) orientările folosite sunt A 45 şi A90 cu

un increment pentru unghiul B de 90o; b) orientările folosite sunt A 45 şi A90 cu un increment pentru unghiul B de 30o

Pentru a scana automat o varietate mare de piese s-a realizat generalizarea programului din punctul de vedere al numerizării pe mai multe distanţe şi înălţimi de scanare alături de implementarea unei modalităţi de orientare automată în funcţie de anumite valori unghiulare introduse de către utilizator. Aceste elemente suplimentare au rolul de a oferii flexibilitate programului. În urma scanării modelului experimental 1 cu ajutorul programului generalizat, după cum se poate observa în tabelul 6.1, s-au obţinut timpi de scanare reduşi cu aproximativ 50% faţă de scanarea cu acelaşi scaner LC 60 DX în programul Focus Inspection.

Tabelul 6.1 Timpii obţinuţi la scanarea automată a modelului experimental 1

Orientările unghiului A

Incrementul unghiului B

Timpul necesar

calibrării

Nr. înălţimilor de scanare

Nr. distanţelor de scanare

Timpul necesar scanării

Timpul total

A45 45o 4 min 1 2 2 X 6 min 16

A90 15o 16 min 2 2 4 X 6 min 40

A105 15o 17 min 1 2 2 X 6 min 29

1 h 26min

6.2.2. Testarea influenţei culorii suprafeţei măsurate asupra preciziei scanării

Datorită rezultatelor obţinute în cadrul comparaţiei T50N vs T50S (capitolul 5), s-a trecut la testarea felului în care influenţează o suprafaţă de culoare neagră precizia de măsurare. Cercetarea este extinsă asupra influenţei unei suprafeţe multicolore asupra preciziei. Pentru a realiza aceste teste, s-a folosit o piesă de formă paralelipipedică, dintr-un aliaj de aluminiu (Fig. 6.3), a cărei feţe au fost prelucrate prin electroeroziune pentru a rezulta o suprafaţă mată aşa încât să nu se genereze reflexii secundare.

Pentru a simula diferite situaţii de scanare în care se întâlnesc mai multe culori, pe suprafaţa piesei se aplică 4 fâşii de bandă adezivă, fiecare colorată omogen în albastru, roşu, alb, negru şi


37

una colorată în verde combinat cu galben cu rol ajutător în delimitarea şi prelucrarea ulterioară a norilor de puncte în programul Focus Inspection.

Fig. 6.3 Ansamblu în care este fixată piesa prelucrată prin electroeroziune,

pe care se fac testele

Testele au fost realizate în programul Camio, folosind scanerul LC 60 DX montat pe maşina de măsurare în coordonate Coord3 MC 16. Strategia de măsurare folosită constă în scanarea cu contact prin palparea a 1000 de puncte pe suprafaţa piesei urmând ca apoi, aceeaşi zonă să fie scanată cu laser pentru a putea suprapune cele 2 entităţi. La realizarea comparaţiei, se consideră ca etalon scanarea cu contact deoarece aici se obţin preciziile cele mai bune iar scanarea cu laser se va considera ca fiind măsurand.

După realizarea scanării cu contact, se înlocuieşte palpatorul cu scanerul laser şi se trece la numerizarea întregii suprafeţe, prin două metode diferite, definindu-se situaţiile de scanare în felul următor: scanarea transversală, unde linia laser baleiază o singură culoare la un moment dat, deplasânduse perpendicular pe banda adezivă (Fig. 6.4); scanarea longitudinală, unde linia laser baleiază mai multe culori odată şi se deplasează practic dea lungul benzii adezive (Fig. 6.5).

Fig. 6.4 Scanarea transversală

Procesarea şi compararea norilor de puncte se face în programul Focus Inspection deoarece permite o gamă mai largă de operaţii asupra acestora. Rezultatele sunt analizate pe baza graficelor generate folosind datele statistice generate de program în urma comparaţiei norilor de puncte rezultaţi la scanarea cu contact şi cu laser.

Linia laser

Direcţia de baleiere

Rezumatul tezei

38

Fig. 6.5 Scanarea longitudinală

Analizând rezultatele obţinute se observă că graficele pentru fiecare câmp al datelor statistice au aceeaşi tendinţă pentru ambele situaţii de scanare. Datorită acestui lucru, se poate spune că atât în cazul scanării unei singure culori odată cât şi în cazul scanării mai multora în acelaşi timp, precizia îşi menţine acceaşi tendinţă pentru fiecare culoare în parte.

Clasamentul culorilor în funcţie de precizia scanării, plasează pe primul loc culoarea albă, apoi culoarea roşie, urmată de culoarea albastră iar pe ultimul loc se află culoarea neagră. Astfel se poate concluziona că la scanarea unei suprafeţe colorate în alb, măsurarea este cea mai precisă, pe când la scanarea unei suprafeţe de culoare neagră măsurarea are precizia cea mai scăzută.

6.2.3. Testarea performanţelor scanerului laser din punct de vedere al identificării poziţiilor optime în funcţie de precizia de măsurare

Deoarece la pregătirea unor măsurări, s-au întâlnit dificultăţi în cadrul calibrării orietărilor, s-a hotărât testarea performanţelor scanerului laser şi găsirea poziţiilor optime pentru care se poate obţine precizia maximă în cadrul măsurării. Pe tot parcursul testelor, în cadrul laboratorului de metrologie, temperatura a fost menţinută constantă şi iluminarea a fost omogenă în sensul că toată reţeaua de iluminare a funcţionat la aceeaşi parametrii.

Elementele principale de testare vor fi două sfere de calibrare pentru scanerul laser, pentru care se cunosc exact dimensiunile (Fig. 6.6). Sfera de calibrare metalică are rolul de a calibra palpatorul cu contact cu ajutorul căruia se identifică si se măsoară cele două sfere ceramice de calibrare.

Testele constau în realizarea unor scanări cu laser a celor două sfere de calibrare ceramice, folosind mai multe orientări unghiulare ale scanerului urmate de asemenea şi de o scanare cu contact a acestora. Pentru interpretare, se generează în programul Focus Inspection câte o sferă prin fiecare nor de puncte, se calculează distanţa dintre centrele lor şi se compară între ele.

Linia laser

Direcţia de baleiere


39

Fig. 6.6 Configuraţia sistemului de testare: 1 – sfera ceramică 1 de calibrare;

2 – sfera ceramică 2 de calibrare; 3 – sfera metalică de calibrare

Prima etapă efectuată în cazul testării poziţiilor optime ale scanerului (Fig. 6.6) a constat în identificarea şi măsurarea celor două sfere ceramice folosind palpatorul cu contact ce a fost calibrat anterior pe sfera metalică. Pentru a avea rezultate cât mai relevante, fiecare sferă în parte a fost măsurată cu contact prin intermediul a 20 de puncte luate pe întreaga suprafaţă.

După înlocuirea palpatorului cu contact cu scanerul laser, în urma calibrării orientărilor acestuia pe sfera 1, se stabileşte direcţia de scanare care porneşte înainte de sfera 1 şi se termină după sfera 2 (Fig. 6.7 ). Astfel, rezultatele măsurării vor fi analizate în urma unei singure baleieri continue, cu o anumită orientare, a celor două sfere.

Fig. 6.7 Stabilirea direcţiei de scanare

Sferele sunt poziţionate la înălţimi diferite, sfera 1 mai sus decât sfera 2, dar fără a depăşi câmpul de vedere al laserului, aşa încât să rezulte mai multe situaţii în determinarea poziţiilor optime de scanare. S-au folosit pentru testare o serie de orientări ale scanerului laser, toate în planul vertical, unde unghiul director A porneşte de la 0o şi este generat cu un increment de 30o până ajunge la valoarea de 90o. Unghiul director B ia doar două valori unghiulare şi anume 90o şi -90o ajungânduse astfel, din combinarea celor două unghiuri directoare, la un număr de 7 orientări prezentate în figura 6.8.

Sfera 1 Sfera 2

1

2 3

Rezumatul tezei

40

Fig. 6.8 Orientările unghiulare utilizate în cadrul testelor

Pentru a realiza un număr mai mare de situaţii de măsurare aşa încât să obţinem o analiză complexă, s-a optat pentru numerizarea sferelor folosind 3 distanţe de scanare (Fig. 6.9). Combinănd astfel cele 7 orientări ale scanerului cu cele 3 distanţe de scanare rezultă un număr de 21 determinări în urma cărora, în funcţie de anumiţi parametrii, se pot analiza performanţele laserului.

Fig. 6.9 Distanţele de scanare

A 90 B -90 A 90 B 90

A 30 B 90 A 30 B -90

A 60 B 90 A 60 B -90

A 0 B 90

Sfera

Dist 2

Dist 1

Dist 3

Sfera

Scaner laser


41

Unele dintre aspectele cele mai importante care se vor studia în cazul testelor, ţin de distanţele dintre centrele sferelor pe cele 3 axe şi totodată poziţiile acestora raportate la fiecare axă în parte. Pentru aflarea poziţiei centrului se recurge la interpolarea unei sfere, cu ajutorul programului, prin norul de puncte iar apoi are loc exportarea în format txt a datelor obţinute pentru fiecare sferă generată în parte.

Analizând rezultatele din punct de vedere al abaterii standard pentru ambele sfere, pe baza diferenţelor dintre valorile obţinute pentru prima şi a doua sferă, putem spune că, cu cât scanerul baleiază mai mult din suprafaţa de măsurat, cu atât norul de puncte este mai amplu iar măsurările pot fi mai precise. Astfel, indiferent de orientarea scanerului, la digitizarea unei suprafeţe, lucrul cel mai important pentru obţinerea unei precizii adecvate este baleierea unui porţiuni cât mai mari menţinând distanţa de scanare în limitele câmpului de vedere al scanerului.

Urmărind graficele privind poziţia centrelor sferelor raportat la cele 3 axe, se poate concluziona că orientările pentru care s-au obţinut cele mai mari deviaţii raportat la scanarea cu contact sunt A90_B90 şi A60_B-90. Această modaliate de testare poate fi generalizată şi utilizată ca procedură standard de testare în cadrul oricărui proces de măsurare cu scanner laser, atunci când avem nevoie de precizii mari pentru suprafeţele pieselor complexe şi dorim ca orientarea aleasă pentru scanerul laser să fie cea optimă.

Rezumatul tezei

42

CAPITOLUL 7

CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE. DISEMINAREA REZULTATELOR. DIRECŢII VIITOARE DE

CERCETARE

7.1. CONCLUZII FINALE

Studiul asupra măsurării numerice 3D a suprafeţelor complexe, care a făcut obiectul prezentei teze de doctorat, a avut drept bază importanţa pe care o are realizarea cât mai rapidă şi eficientă a procesului de măsurare în industrie şi cercetare. Deşi aparent destul de bine cunoscută, problema măsurărilor în coordonate, ca multe alte probleme din domeniul metrologiei, oferă spre investigare o multitudine de aspecte, nebănuite la prima vedere. Abordarea studiului în ceea ce priveşte optimizarea măsurătorilor 3D a suprafeţelor complexe s-a făcut pe patru direcţii principale: stadiul actual al cercetărilor şi al nivelului de dezvoltare în domeniul construcţiei şi măsurătorilor pe maşinile de măsurare în coordonate, studiul teoretic, privind influenţa geometriei suprafeţelor complexe asupra parametrilor măsurării în coordonate, studiul experimental, privind diferite situaţii de măsurare cu contact şi fără contact a două modele experimentale şi studiul privind optimizarea masurării suprafeţelor complexe.

Scopul final al tezei de doctorat a fost dezvoltarea de proceduri şi algoritmi care, prin implementarea lor, să eficientizeze procesul metrologic prin reducerea timpului necesar măsurării totodată asigurând o precizie ridicată. Materializarea lui atestă faptul că această teză de doctorat este o lucrare interdisciplinară, aflată la frontiera dintre metrologie şi informatică.

7.1.1. Concluziile stadiului actual al cercetării privind maşinile de măsurare în coordonate

Prima parte a lucrării, face o introducere în cadrul sistemelor de măsurare şi anume maşinile de măsurare în coordonate şi braţele de măsurare, echipamente care la ora actuală sunt din ce în ce mai utilizate în laboratoarele de metrologie pentru control dimensional. De asemenea, în cadrul acestui capitol sunt prezentate pe larg aspecte referitoare la principiile de scanare pe maşinile de măsurare în coordonate folosind sisteme de digitizare cu contact şi fără contact. De asemenea, studiul critic realizat în domeniul scanării cu laser scoate în evidenţă tipurile de scanere ce au ca principiu de lucru triangulaţia optică şi totodată problemele şi situaţiile ce trebuie evitate datorită posibilităţii ridicate de apariţie a erorilor de măsurare.

7.1.2. Concluziile studiului teoretic privind influenţa geometriei suprafeţelor complexe asupra parametrilor măsurării în coordonate

A doua parte tezei de doctorat este dedicată prezentării metodelor şi algoritmilor de obţinere a poziţiilor ideale ale palpatorului la măsurarea unei suprafeţe cu geometrie complexă, alături de calcularea pasului de scanare optim în funcţie de curbura suprafeţei respective. Algoritmul


43

dezvoltat în cadrul poziţionării ideale a palpatorului, aduce un aport important în optimizarea măsurărilor prin contact, punct cu punct, a suprafeţelor complexe deoarece segmentează suprafaţa de măsurat şi calculează normalele la entităţile rezultate. Aplicaţia dezvoltată poate comunica apoi datele, referitoare la direcţia şi poziţia normalelor, spre programul de măsurare care modifică orientarea palpatorului în funcţie de valorile acestora. Modalitatea de calcul a curburii pentru o suprafaţă definită în mod numeric aduce o abordare originală în care sunt implicaţi o serie de algoritmi. Valoarea curburii aproximate este apoi folosită pentru calculul pasului de scanare, prin care se obţin valorile acestuia pentru ambele direcţii de scanare şi care pot fi citite de către programul de măsurare.

7.1.3. Concluziile studiului experimental privind scanarea cu contact a celor două modele propuse pentru studiu

Cele mai importante concluzii sunt:

La scanarea cu contact a modelului experimental 1 putem concluziona că întreg procesul e foarte lent, pentru numerizarea unei singure pale, fiind nevoie de aproximativ 3 ore;

Este foarte important ca în funcţie de curbura fiecărei zone în parte, la numerizarea cu contact a unei suprafeţe fără existenţa modelului CAD, să se utilizeze o singură orientare a palpatorului iar direcţia de palpare să fie cât mai aproape de normala la punctul care urmează a fi palpat;

Compensarea automată a razei bilei de rubin din vârful palpatorului nu este indicată în lipsa modelului CAD decât dacă pentru fiecare punct în parte, se poate calcula normala. Totuşi, o excepţie sunt suprafeţele plane;

Prezenţa modelului CAD reduce erorile de măsurare deoarece, cunoscându-se practic poziţiile şi normalele pentru toate punctele de pe suprafaţa acestuia, nu apar probleme cauzate de direcţia de palpare sau compensarea automată a razei de curbură pentru bila din vârful palpatorului.

7.1.4. Concluziile studiului experimental privind scanarea fără contact a celor două modele propuse pentru studiu

Se remarcă următoarele concluzii:

Analiza scanării pentru modelul experimental 1 evidenţiază faptul că suprafaţa rezultată din scanarea în culoare naturală depăşeşte valoarea dimensională a celei rezultate din scanarea în stare şpreiată, în condiţiile de utilizare a scanerului LC 50;

Factorii ce duc la obţinerea acestui rezultat, sunt influenţa negativă a suprafeţelor închise la culoare asupra scanării cu laser şi variaţia mare pe o arie relativ mică a înălţimii suprafeţei, lucru ce duce la erori datorită diferenţelor create în interiorul câmpului de vedere al scanerului;

În cazul suprafeţelor de culoare închisă, la scanarea cu LC 50, şpreierea are o influenţă pozitivă datorită faptului că reduce cu aproximativ o treime timpul de scanare. De asemenea, la utilizarea scanerului LC 50 pentru numerizarea unei

Rezumatul tezei

44

suprafeţe de culoare închisă, se poate spune că şpreierea influenţează în mod pozitiv eficienţa procesului întrucât abaterile pozitive sunt diminuate cu aproximativ 15%.;

Faptul că etalonul este de fapt modelul CAD, spre deosebire de scanarea modelului experimental 1, oferă un grad maxim de credibilitate asupra eficienţei comparaţiei;

Cu cât piesa are mai multe zone ascunse, unghiuri ascuţite, suprafeţe de culoare neagră sau diferenţe mari de înălţime pe o arie relativ mică, cu atât procesul de scanare va necesita mai mult timp pentru realizare.

7.1.5. Concluziile privind contribuţiile la optimizarea măsurărilor suprafeţelor complexe

Cele mai importante concluzii sunt:

Prin intermediul algoritmului dezvoltat şi implementat în programul de măsurare automată, punct cu punct, a unei suprafeţe fără model CAD, punctele în funcţie de care se realizează măsurarea, sunt distribuite omogen pe întreaga suprafaţă;

Autorul reuşeşte să lege două medii de programare, Camio şi Matlab, integrând cu succes în primul, un alt subprogram dezvoltat şi salvat ca executabil în cel de al doilea;

Programul dezvoltat în mediul Camio contribuie substanţial, prin eliminarea masivă a intervenţiei utilizatorului în procesul de măsurare, la reducerea timpului de scanare cu aproximativ 50%. Optimizarea acestui program a dus la generalizarea lui, putând fi utilizat în scanarea unei varietăţi mari de piese cu geometrie complexă;

Felul în care sunt alese situaţiile de măsurare, la testarea influenţei unei suprafeţe colorate asupra preciziei de măsurare, generează o serie de încercări în care o suprafaţă în mai multe culori, este scanată transversal şi longitudinal raportat la poziţia acestora;

S-a constatat că suprafaţa în alb generează rezultatele cele mai precise iar cea colorată în negru aduce dificultăţi scanării. Totodată, scanarea simultană a culorilor nu generează precizii mai scăzute faţă de cazul scanării independente a acestora, decât în cazul culorii negre;

În urma analizării a mai multor de situaţii de măsurare, generate din combinarea distanţelor de scanare cu orientările scanerului laser a dus la identificare orientărilor optime ale palpatorului în funcţie de precizia de măsurare.

7.2. CONTRIBUŢII ORIGINALE

Teza de doctorat „Contribuţii privind măsurarea numerică 3D a suprafeţelor complexe” îmbină specificul scanării utilizând tehnicile de palpare cu şi fără contact prin intermediul maşinii de măsurare în coordonate, cu specificul utilizării programelor speciale în domeniul ingineriei pentru prelucrarea de informaţii, utilizarea de ecuaţii şi programarea de algoritmi, având drept scop îmbunătăţirea procesului metrologic, adică dezvoltarea unor aplicaţii care să optimizeze scanarea cu contact şi cu scanner laser din punct de vedere al reducerii timpului de măsurare în condiţiile asigurării unei precizii adecvate. Contribuţia autorului constă atât în utilizarea şi combinarea celor mai noi echipamente şi programe din domeniul proceselor metrologice pe maşinile de măsurare în coordonate, cât şi în introducerea unor soluţii noi,


45

originale, viabile, concretizate în proceduri, algoritmi şi tehnici ce duc la optimizarea măsurărilor pentru anumite situaţii întâlnite în industrie şi cercetare.

Capitolul 3 se intitulează „Influenţa geometriei suprafeţelor complexe asupra parametrilor măsurării în coordonate” şi prezintă algoritmii prin care se determină într-un mod analitic iar apoi într-unul numeric, normala rezultată la o suprafaţă şi pasul de măsurare în funcţie de curbura unei suprafeţe. Contribuţiile originale ale autorului la acest capitol au constat în:

Dezvoltarea unui program pentru segmentarea unei suprafeţe şi determinarea numerică a normalei la segmentele rezultate;

Folosind programul pentru triangularea unui nor de puncte, alături de alte aplicaţii precum intersectarea a două suprafeţe în spaţiu, identificarea zonei şi calcularea punctelor de intersecţie, interpolarea unui cerc printr-o mulţime de puncte şi calculul curburii medii, s-a dezvoltat un algoritm pentru determinarea pasului de scanare pentru cele două direcţii de palpare, în funcţie de curbura unei suprafeţe.

Capitolul 4 se intitulează „Cercetări experimentale pe maşinile de măsurare în coordonate la măsurarea cu contact” şi tratează pe larg metodele de măsurare a două modele experimentale în funcţie de existenţa modelului CAD. Contribuţiile originale ale autorului la acest capitol au constat în:

Modalitatea de analiză a rezultatelor obţinute în urma măsurării cu contact prin compararea procedeelor la scanarea unei suprafeţe fără model CAD cu cel pentru scanarea unei suprafeţe pentru care dispunem de acesta;

Realizarea unor măsurători preliminare prin care se verifică influenţa compensării automate a razei bilei de rubin şi de asemenea să se poate observa mai bine efectul pe care îl are măsurarea pe o direcţie necorespunzătoare a suprafeţei, aspecte în urma cărora s-au ales orientările şi direcţiile optime de palpare.

Capitolul 5 intitulat „Cercetări experimentale pe maşinile de măsurare în coordonate la măsurarea fără contact, cu scanere laser” prezintă, în funcţie de precizia şi timpul necesar procesului, metodele de măsurare a celor două modele experimentale din prisma mai multor situaţii de scanare. Contribuţiile originale ale autorului la acest capitol au constat în:

Definirea unei strategii de măsurare conturată prin identificarea a trei situaţii de scanare alese în funcţie de performanţele scanerelor laser utilizate şi în funcţie de stările fizice (stare naturală şi stare şpreiată) în care s-au numerizat modelele experimentale;

Găsirea unei metode de analizarea a datelor experimentale, astfel încât să reiese timpii de măsurare obţinuţi şi abaterile dimensionale rezultate pentru fiecare situaţie în parte;

Capitolul 6 se intitulează „Contribuţii privind optimizarea măsurării suprafeţelor complexe” şi pe parcursul lui s-au studiat diferite metode de optimizare şi testare ce au ca scop final creşterea eficienţei procesului de măsurare. Contribuţiile originale ale autorului la acest capitol au constat în:

Dezvoltarea unui program în mediul Camio pentru scanarea automată cu contact, optimizată, a unei suprafeţe pentru care nu dispunem de modelul CAD, măsurare

Rezumatul tezei

46

care se face în funcţie de un număr de puncte dat la începutul procesului de către utilizator. În cadrul programului, autorul are următoarele contribuţii originale:

- implementarea unui algoritm în programul Matlab, care distribuie punctele omogen pe întreaga suprafaţă şi calculează poziţiile acestora în funcţie de dimensiunile suprafeţei şi de numărul introdus iniţial,

- optimizarea programului Matlab din punctul de vedere al generării automate a codului de măsurare pe care îl transmite apoi programului Camio, implementând şi opţiunea funcţionării ca o aplicaţie independentă;

Elaborarea unei aplicaţii în programul Camio cu rol de a optimiza scanarea cu laser a modelului experimental 1, activitate în care autorul are următoarele contribuţii originale: - generalizarea aplicaţiei prin implementarea posibilităţii de numerizare folosind

multiple distanţe şi înălţimi de scanare;

Dezvoltarea unui studiu şi a unui experiment privind testarea influenţei aspectelor legate de culoarea unei suprafeţe asupra preciziei scanării în scopul definirii unei proceduri generale ce poate fi utilizată pentru testarea capabilitaţilor oricărui scanner laser montat pe maşinile de măsurare în coordonate. În cadrul acestui studiu şi experiment autorul are următoarele contribuţii originale:

- definirea strategiilor de măsurare, aspect concretizat prin două modalităţi de baleiere a măsurandului, una longitudinală iar cealaltă transversală adică perpendicular pe lungimea benzii,

- modalitatea de analiză a rezultatelor care a scos în evidenţă felul în care culorile influenţează precizia de măsurare;

Dezvoltarea unui experiment privind testarea performanţelor scanerului laser din punct de vedere al identificarii poziţiilor optime în funcţie de precizia de măsurare. Pentru această activitate, contribuţia originală a autorului este: - stabilirea configuraţiei de măsurare la care sunt utilizate două sfere ceramice de

calibrare pentru scanerul laser care au dus la generarea, prin combinarea distanţelor de scanare cu orientările scanerului laser, unui număr de determinări,

- găsirea unei metode adecvate de analiză a datelor experimentale aşa încât să se concluzioneze rezultate asupra poziţiilor optime ale scanerului laser raportat la fiecare axă a sistemului de coordonate.

Contribuţiile personale în privinţa realizării de aplicaţii software s-au materializat prin dezvoltarea a 7 programe realizate în mediile Matlab şi Camio, fiind utilizate la cercetare ca instrumente virtuale disponibile pentru realizarea inspecţiei dimensionale în laborator şi în producţia industrială. Acestea sunt:

Subprogramul în mediul Matlab pentru calculul normalei pentru o suprafaţă complexă definită numeric;

Subprogramul în mediul Matlab pentru determinarea pasului de măsurare în funcţie de curbura suprafeţei;

Programul în mediul Camio pentru scanarea prin contact, punct cu punct, optimizată, a unei suprafeţe fără model CAD;


47

Subprogramul executabil, pentru calcularea poziţiei punctelor de măsurare, realizat în mediul Matlab;

Programul pentru scanarea automată cu laser a modelului experimental 1; Programul dezvoltat în mediul Camio pentru scanarea piesei în cazul testării

influenţei culorii unei suprafeţe asupra preciziei de măsurare; Programul dezvoltat în mediul Camio pentru testarea performanţelor laserului din

prisma identificării poziţiilor optime în funcţie de precizia de măsurare.

7.3. DISEMINAREA REZULTATELOR

Cercetările ştiinţifice efectuate asupra temei şi domeniilor adiacente ei, care s-au întins pe o perioadă de trei ani, s-au materializat prin rezultate valorificate printr-un număr de 6 publicaţii în reviste de specialitate de diverse categorii şi printr-o monografie, care se structurează în felul următor:

3 lucrări în ISI proceedings, (vezi bibliografia [C1], [C3], [F1]) 1 lucrare în conferinţe internaţionale cotate BDI, (vezi bibliografia [B6]) 1 lucrare în conferinţe internaţionale cu comitet de program, (vezi bibliografia [C2]) 1 în revistă de specialitate fără cotaţie ISI, (vezi bibliografia [F2]) 1 monografie publicată (vezi bibliografia [B1]).

Dintre acestea, autorul este: la 3 - prim autor (vezi bibliografia [C1], [C2], [C3]) şi la 3 - coautor (vezi bibliografia [B6], [F1], [F2] ).

Monografia elaborată şi publicată în domeniu de bază al tezei de doctorat este:

Braun Barbu, Ciprian Olteanu, Cătălin Cobliş, (2009), Maşini de măsurare în coordonate, Vol I, Editura Universităţii Transilvania Braşov, România, ISBN 978-973-598-647-6

7.4. DIRECŢII VIITOARE DE CERCETARE

Rezultatele teoretice şi experimentale ale cercetărilor dezvoltate în prezenta teză de doctorat deschid noi orizonturi de cercetare în domeniul controlului dimensional pe maşini de măsurare în coordonate. Dintre numeroasele cercetări ce vor fi abordate în viitor, se pot menţiona:

Comasarea programului de segmentare şi determinare a normalei cu programul de calcul a curburii şi a pasului de scanare iar alături de programul de scanare automată cu contact a unei suprafeţe să funcţioneze ca o aplicaţie independentă ce poate fi integrată în orice program de măsurare ce foloseşte codul standard DMIS;

Dezvoltarea programului pentru calculul pasului de scanare pentru a genera codul de măsurare şi astfel să poată fi integrat în orice program utilizat cu maşinile de măsurare în coordonate;

Dezvoltarea unui program independent, care să poată fi integrat în programele de măsurare şi care să calculeze automat, pe baza pasului şi a vitezei de scanare, timpul necesar măsurării unei suprafeţe;

Implementarea într-un program a măsurării combinate în care, în funcţie de geometria unei piese şi de toleranţele dimensionale ale suprafeţei, algoritmul să determine automat tipul de măsurare ce trebuie folosit, cu contact sau fără contact şi apoi să genereze coordonatele optime pentru orientarea capului de măsurare

Rezumatul tezei

48

BIBLIOGRAFIE [A]

[A6] Advancedmcode.org, Surface reconstruction from scattered points cloud, http://www.advancedmcode.org/surface-recostruction-from-scattered-points-cloud-mycrust-robust.html, accesat în iulie 2010.

[B]

[B1] Braun Barbu, Ciprian Olteanu, Cătălin Cobliş, (2009), Maşini de măsurare în coordonate, Vol I, Editura Universităţii Transilvania Braşov, România.

[B8] Brown & Sharpe, Introduction to coordinate metrology, http://www.brownandsharpe. com/applications/intro-to-coordinatemetrology/modern-cmm-design-concepts, accesat în iulie 2010.

[C]

[C1] Coblis Ionel Cătălin, Olteanu Ciprian, Faluvegi Erzsebet, (2011), Analysis of a turbine wheel inspection process, Romanian Review Precision Mechanics, Optics & Mechatronics, volumul 39, paginile 181 -184.

[C2] Cobliş C. I. and Olteanu C., (2010), Turbine scanning. Transilvania University Press of Braşov, 3rd International Conference Advanced Composite Materials Engineering and International Conference Research & Innovation in Engineering, COMAT, volumul 3, paginile 41- 44.

[C3] Cobliş Cătălin & Olteanu Ciprian, (2009), Laser scanning for lens edging machines, Annals of DAAAM for 2009 and Proceedings of the 20 th International Symposium Intelligent Manufacturing & Automation: Focus on Theory, Practice and Education, 1275 – 1276.

[C4] Cobliş Cătălin, (2008), Măsurări cu laser, Proiect de diplomă, Braşov.

[C5] Cobliş Cătălin, (2011), Măsurarea suprafeţelor complexe, Lucrare de disertaţie, Braşov.

[C9] Creath K.and Wyant J. C., (1992), Moiré and Fringe Projection Techniques, Optical Shop Testing, Second Edition, John Wiley & Sons.

[E]

[E4] Elena Murgulescu, Sofia Flexi, O. Kreindler, O Sacter, M. Târnoveanu, (1962), Geometrie analitică şi diferenţială, Editura didactică şi pedagogică Bucureşti.

[F]

[F1] Faluvegi Erzsebet , Mate Csaba Zoltan, Cobliş Ionel Cătălin, Cristea Luciana, (2011), Measuring and Analyzing the Bevel Gears with Octoid I Teething, Proceedings of 2011 International Conference on Mechanical Engineering, Robotics and Aerospace, Bucharest, Romania, (în curs de publicare).

[F2] Faluvegi Erzsebet , Cristea Luciana, Cobliş Cătălin, (2011), Surface Description and Measure of Spur Gear Flanks, Revista Mecatronica, volumul 1, paginile 68 – 71.

http://www.advancedmcode.org/surface-recostruction-from-scattered-points-cloud-mycrust-robust.html�

http://www.advancedmcode.org/surface-recostruction-from-scattered-points-cloud-mycrust-robust.html�

http://www.brownandsharpe/�

http://www.brownandsharpe.com/%20applications/intro-to-coordinate-metrology/modern-cmm-design-concepts�


49

[F3] Franco Pavese, Alistair B Forbes, (2009), Data Modeling for Metrology and Testing in Measurement Science, Birkhauser, Boston.

[G]

[G3] Gestel N. V., Cuypers S., Bleys P., Kruth J-P, (2009), A performance evaluation test for laser line scanners on CMMs, Optics and Lasers in Engineering, volumul 47, paginile 336 – 342.

[H]

[H1] Haibin Zhao, 2010, Multisensor Integration and Discrete Geometry Processing for Coordinate Metrology, Teză de doctorat, Cachan, France.

[I]

[I1] Igor Bešić, Nick Van Gestel, Jean-Pierre Kruth, Philip Bleys and Janko Hodolič, (2011), Accuracy improvement of laser line scanning for feature measurements on CMM, Optics and Lasers in Engineering, volumul 49, numărul 11, paginile 1274-1280.

[M]

[M7] Marin Ghinea, Virgil Fireţeanu, (2004), Matlab, calcul numeric, grafică, aplicaţii, Editura Teora, Bucureşti.

[M10] Matlab Central, 3D Rotation about Shifted Axis, http://www.mathworks.com/ matlabcentral/fileexchange/30864-3d-rotation-about-shifted-axis, accesat în aprilie 2011.

[N]

[N4] Nikon Metrology, Camio multiprobing CMM software, http://www.nikonmetrology. com/tlcharger/brochures/, accesat în iunie 2011.

[P]

[P1] PONSAR M., CHICOT J. et al, (2008), Three-dimensional measurement with laser , The Romanian Review Precision Mechanics, Optics & Mechatronics, volumul 18, numărul 33, paginile 91-96.

[P2] PRIETO F. (2000), Metrologie assistee par ordinateur: apport des capteurs 3D sans contact, Computer assisted metrology: Contribution of the laser range sensors, Teză de doctorat, Montreal.

[P4] PC- Dmis Brochure, www.e-metrology.com, accesat în iunie 2009.

[P5] Performance polymers, Ureol 6414, http://www.lindberg-lund.com/files/Tekniske %20datablad/VAN-UR6414-TD.pdf, accesat în aprilie 2011.

[R]

[R4] Ristic M, Ainsworth I and Brujic D, (2001), Contact probe radius compensation using computer aided design models, Proc Instn Mech Engrs, Journal of Engineering Manufacture, volumul 215, partea B, paginile 819 – 834

[R10] Renishaw, SP 25M Product Brochure, http://www.renishaw.com/en/sp25m--6688, accesat în ianuarie 2011.

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=RedirectURL&_method=outwardLink&_partnerName=27983&_origin=article&_zone=art_page&_linkType=scopusAuthorDocuments&_targetURL=http%3A%2F%2Fwww.scopus.com%2Fscopus%2Finward%2Fauthor.url%3FpartnerID%3D10%26rel%3D3.0.0%26sortField%3Dcited%26sortOrder%3Dasc%26author%3DBesic,%2520Igor%26authorID%3D42061029900%26md5%3D596084287efe58d78f1f01e417ef8cb6&_acct=C000064539&_version=1&_userid=4714087&md5=53c862c88a97121cbc47f78068884c97�

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=RedirectURL&_method=outwardLink&_partnerName=27983&_origin=article&_zone=art_page&_linkType=scopusAuthorDocuments&_targetURL=http%3A%2F%2Fwww.scopus.com%2Fscopus%2Finward%2Fauthor.url%3FpartnerID%3D10%26rel%3D3.0.0%26sortField%3Dcited%26sortOrder%3Dasc%26author%3DVan%2520Gestel,%2520Nick%26authorID%3D24167082200%26md5%3D06b742b70e2a6813063de1c4e5cbcbc5&_acct=C000064539&_version=1&_userid=4714087&md5=9c301d00c654dc1a3fe740b4e655f999�

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=RedirectURL&_method=outwardLink&_partnerName=27983&_origin=article&_zone=art_page&_linkType=scopusAuthorDocuments&_targetURL=http%3A%2F%2Fwww.scopus.com%2Fscopus%2Finward%2Fauthor.url%3FpartnerID%3D10%26rel%3D3.0.0%26sortField%3Dcited%26sortOrder%3Dasc%26author%3DKruth,%2520Jean-Pierre%26authorID%3D26023398600%26md5%3D4c9f2f74f548710a05a58553179df846&_acct=C000064539&_version=1&_userid=4714087&md5=2ed1d1d9ded4ff089c9eea9cb8a2775f�

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=RedirectURL&_method=outwardLink&_partnerName=27983&_origin=article&_zone=art_page&_linkType=scopusAuthorDocuments&_targetURL=http%3A%2F%2Fwww.scopus.com%2Fscopus%2Finward%2Fauthor.url%3FpartnerID%3D10%26rel%3D3.0.0%26sortField%3Dcited%26sortOrder%3Dasc%26author%3DHodolic,%2520Janko%26authorID%3D15520700400%26md5%3Dca1cdb35ca32f4dce53ecb24cdd3b2bd&_acct=C000064539&_version=1&_userid=4714087&md5=55c3afa5844bbaa4fd3f230db37b7cec�

http://www.sciencedirect.com/science/journal/01438166�

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=PublicationURL&_tockey=%23TOC%235758%232011%23999509988%233458941%23FLA%23&_cdi=5758&_pubType=J&view=c&_auth=y&_acct=C000064539&_version=1&_urlVersion=0&_userid=4714087&md5=b396d0f8342ce934c84fd0c9b514aecc�

http://www.mathworks.com/�

http://www.e-metrology.com/�

http://www.lindberg-lund.com/files/Tekniske�

http://www.renishaw.com/en/sp25m--6688�

Rezumatul tezei

50

Rezumat

Prezenta teză de doctorat are ca scop dezvoltarea de proceduri şi algoritmi care, prin implementarea lor, să optimizeze realizarea procesului metrologic prin reducerea timpului necesar măsurării, asigurând totodată obţinerea unei precizii ridicate. Pe parcursul lucrării, în urma analizei critice a stadiului actual, s-au realizat determinări practice pe două modele experimentale, folosind diferite metode, principii şi procedee pentru achiziţia formelor acestora. Pe baza concluziilor rezultate, s-au dezvoltat diferite aplicaţii prin intermediul cărora se optimizează procesul de măsurare a suprafeţelor complexe. Cercetările teoretice au dus la obţinerea unor instrumente virtuale de calcul şi analiză cu ajutorul cărora se determină valorile optime ale celor mai importanţi parametrii folosiţi prin intermediul programelor de măsurare la numerizarea geometriei unei suprafeţe. Datorită problemelor care apar pe parcursul scanării cu laser, a unei suprafeţe oarecare, s-au definit două proceduri de testare prin intermediul cărora se pot analiza performanţele oricărui scanner laser, stabilindu-se poziţiile, situaţiile şi condiţiile optime de digitizare. Rezultatele au fost diseminate în diferite publicaţii şi reviste de specialitate, acestea formând o bază solidă pentru stabilirea unor ambiţioase direcţii viitoare de cercetare.

Summary

This doctoral thesis aims to develop procedures and algorithms that, through implementation, to optimize the inspection process by reducing the time needed for measurement, meanwhile ensuring high accuracy. This thesis presents some practical research that was made, after a critical analysis for the state of the art, on two experimental models using different methods, principles and procedures for acquiring the shape of their geometry. Based on the conclusions from the measurements, different applications have been developed in order to optimize the measuring process of complex surfaces. Theoretical research has produced some virtual computing and analysis tools which can determine the optimal values for most important parameters used by the measuring programs when digitizing surface geometry. Due to problems arising during the laser scan of complex surfaces, there have been developed two testing procedures through which the performance of any laser scanner can be analyzed, establishing optimal positions, situations and conditions for the measurement process. Results were disseminated in various publications and so, forming a solid basis for setting ambitious future research directions.


51

CURRICULUM VITAE

Nume: COBLIŞ; Prenume: Ionel Cătălin;

Data naşterii: 16.Mai.1984, Aiud, judeţul Alba, România; Adresă: Str. Axente Sever, Bl.21, Sc. B, Ap 10, RO-515200, Aiud, judeţul Alba,

România; Telefon: +40-767-350175; E-mail: ionel.cobliş@unitbv.ro Naţionalitate: Română; Stare civilă: Necăsătorit; Carnet de şofer: Categoria B. STUDII : 2008-2011 Doctorat: Universitatea “Transilvania” din Braşov, Facultatea de

Inginerie Mecanică, Secţia Mecanică Fină şi Mecatronică, Departamentul Sisteme Mecatronice Avansate;

2008-2010 Master: Universitatea “Transilvania” din Braşov, Facultatea de Inginerie Mecanică, Secţia Inginerie Mecatronică;

2003-2008 Studii universitare: Universitatea “Transilvania” din Braşov, Facultatea de Inginerie Mecanică, Secţia Mecanică Fină;

1999-2003 Liceu: Colegiul Naţional “Titu Maiorescu” din Aiud , Secţia Matematică- Informatică.

CALIFICĂRI: mai 2003 Atestat profesional de limba engleză; mai 2003 Atestat profesional pentru operare pe calculator. ABILITĂŢI SOFTWARE: - MS-DOS, WINDOWS, BORLAND PASCAL; - AutoCAD, MathCAD, MATLAB, CATIA, PC-DMIS, CAMIO, FOCUS INSPECTION; - MS OFFICE, ADOBE PHOTOSHOP.

- Engleza : vorbit / scris – nivel avansat; LIMBI STRĂINE :

- Franceza : vorbit / scris – nivel mediu.

- Articole publicate: 6 (dintre care 3 ca prim autor). ACTIVITATE ŞTIINŢIFICĂ:

- Cărţi publicate: coautor la o monografie.

mailto:ionel.cobliş@unitbv.ro�

Rezumatul tezei

52

CURRICULUM VITAE

First Name: Ionel Cătălin; Second Name: COBLIŞ;

Date of Birth: May 16, 1984, Aiud, Alba county, Romania; Adress: Axente Sever Street, No. 21B, Ap. 10, RO-515200, Aiud, Alba county,

Romania; Phone Number: +40-767-350175; E-mail: ionel.cobliş@unitbv.ro Nationality: Romanian; Social Status: Not married; Driver’s License: B category. STUDIES: 2008-2011 PhD: “Transilvania” University from Braşov, Mechanical Engineering

Faculty, Precision Mechanics and Mechatronics Field, Advanced Mechatronics Systems Research Department;

2008-2010 Master’s Degree: “Transilvania” University from Braşov, Mechanical Engineering Faculty, Mechatronical Engineering Field;

2003-2008 Undergraduate: “Transylvania” University from Braşov, Mechanical Engineering Faculty, Precision Mechanics Department;

1999-2003 High School: “Titu Maiorescu” National College from Aiud, Mathematics- Informatics Department.

QUALIFICATIONS: May 2003 Professional Diploma for English Language; May 2003 Professional Diploma for Computer Operator. SOFTWARE KNOWLEDGES: - MS-DOS, WINDOWS, BORLAND PASCAL; - AutoCAD, MathCAD, MATLAB, CATIA, PC-DMIS, CAMIO, FOCUS INSPECTION; - MS OFFICE, ADOBE PHOTOSHOP.

- English: spoken / written – advanced level; LANGUAGES:

- French: spoken / written – fair level;

- Published papers: 6 (of which 3 as first author). SCIENTIFIC ACTIVITY:

- Published books: co-author of a monograph

mailto:ionel.cobliş@unitbv.ro�

Universitatea “Transilvania” Braşov – Facultatea de Inginerie ...

Documents

Transcript of Universitatea “Transilvania” Braşov – Facultatea de Inginerie ...