Visão estruturada na fabricação

Os provedores estão fornecendo sensores variados para atender às necessidades e aos orçamentos dos usuários do setor. À medida que os preços caem e a capacidade cresce, a questão é qual é a próxima melhor aplicação?

Os sistemas de luz estruturados medem superfícies projetando um padrão de franjas e, em seguida, usando câmeras e softwares sofisticados para convertê-los em nuvens de pontos de dados de metrologia. A precisão pode atingir os mícrons de um dígito em milhões de pontos. As taxas de captura em alguns equipamentos mais novos são medidas em milissegundos. A acessibilidade e a escolha estão crescendo entre esses sensores. Embora a maioria permaneça com configurações estéreo de duas câmeras, alguns estão usando configurações de câmera única para uma implantação mais flexível, especialmente perto das linhas de produção. Mais implantações e mais aplicativos são as marcas registradas do setor.

Uma das pioneiras na área foi a GOM, empresa que agora expande as opções em sua linha ATOS de sistemas de iluminação estruturados. “No passado, todos viam os sensores ATOS como o scanner de ponta, mas caro. Mas agora [GOM] oferece uma linha completa de scanners de luz estruturada”, disse Frank Stone, gerente nacional de engenharia de vendas da Capture 3D Inc., Santa Ana, Califórnia, um revendedor de valor agregado de sensores ATOS. “Eles reconheceram que, para expandir o mercado, você precisa entregar a uma ampla variedade de clientes – nem todos precisam de tolerâncias e precisões tão rígidas quanto os outros
”, disse ele.

Um bom exemplo de como a empresa oferece variedade é o ATOS Core, um sistema básico. Ele
pode crescer em capacidade junto com as necessidades do proprietário. Aplicativos de nível básico, como engenharia reversa ou prototipagem rápida, de acordo com o Capture3D, precisam de digitalização sem funcionalidade de inspeção avançada. Um kit completo de “nível de entrada” inclui software que converte dados de nuvem de pontos em malhas poligonais formatadas em STL. O Core oferece um caminho de atualização de operação manual para operação semiautomatizada que pode incluir a adição de sondas de toque e fotogrametria para inspeções de metrologia de maior qualidade. O mesmo dispositivo também pode ser atualizado para automação completa para inspeções de controle de qualidade industrial.

Mas o GOM também não parou de melhorar seus sistemas de ponta. As mais recentes são as ofertas ATOS 5 e ATOS 5X, projetadas para uso industrial e integração de medições em linhas de produção. Uma das chaves para usar luz estruturada em ambientes agressivos é diminuir o tempo de coleta, tornando-a menos sensível à vibração e ruído. De acordo com a empresa, o ATOS 5 captura scans em 0,2 segundos (200 milissegundos) a 100 quadros por segundo. Combinado com o sistema de automação ATOS Scanbox, pode ser usado para medir fechamentos de carrocerias automotivas, painéis de instrumentos, lâminas de turbinas de motores ou peças fundidas. Montado em robôs em integrações personalizadas, ele pode medir carrocerias completas em branco, comuns na fabricação automotiva.

Variedade nas fontes de projeção

Para expandir ainda mais a utilidade, o ATOS 5X mais avançado usa uma fonte de luz muito mais brilhante. “O ATOS 5X usa um compressor de luz laser integrado para fornecer essa fonte de luz mais brilhante, o que expande o volume de medição”, explicou Stone. “Onde antes só podíamos medir 700 mm, com esta nova fonte agora podemos medir até 1.000 mm ao mesmo tempo. Leva apenas 0,2 segundos por varredura.” Tecnicamente, isso ainda é luz estruturada e não usa a coerência disponível em um laser para fazer interferometria - é um dispositivo de luz estruturada muito brilhante, mas ainda padrão.

A Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, R.I., também desenvolveu nos últimos anos uma ampla gama de dispositivos de varredura de luz estruturada. Eles são agrupados em duas tecnologias básicas, aquelas que usam projeções de slides únicos e aquelas que usam múltiplas projeções de franjas. Os sensores de deslizamento único enfatizam a velocidade e o uso em condições adversas e incluem o WLS qFLASH da Hexagon, o BLAZE 600 e o WLS 400.

“Esses sensores enfatizam a aquisição rápida de imagens”, disse Amir Grinboim, gerente de programa técnico da Hexagon. Estes coletam dados em média em 0,015 segundos, ou 15 milissegundos. A velocidade de coleta é importante - é o que os torna ideais em configurações de chão de fábrica. “A filosofia é ‘meça onde quiser’”, disse Grinboim.

A tecnologia de projeção de múltiplas franjas, por outro lado, é mais lenta, mas com melhor resolução. Isso inclui as ofertas AICON da Hexagon. “Quando tiramos uma foto, a imagem é construída a partir de uma sequência de projeções. E essas projeções são linhas que são projetadas na peça, e essas linhas são movidas e mudam de orientação junto com o processo de aquisição da imagem. Esse é um processo relativamente longo”, explicou Grinboim, levando em média 2 segundos para uma única coleta. “O objetivo não é a velocidade, mas a qualidade da nuvem de pontos.”

A Hexagon também usa um projetor DLP Vermelho/Verde/Azul (RGB) em seu mais novo sensor, o AICON StereoScan neo. O sensor também possui uma ampla gama de campos de medição, de 75 mm a 1.100 mm. Isso é feito alterando as lentes da câmera ou o comprimento da base. O tempo de aquisição é de cerca de 2 segundos e o dispositivo pode ser equipado com uma câmera de 8 ou 16 megapixels.

O projetor RGB DLP é ideal para aplicações onde as medições podem ser convertidas em um mapa de cores de desvios quando comparados aos valores nominais CAD. Estes são então projetados de volta na peça que acabou de ser medida.

“[Isto é] ideal para trabalhos de design, retrabalho para ferramentas e exibição de material em excesso ou falta de estoque na fundição. Tudo isso pode ser visível para o engenheiro diretamente na peça, sem referência a uma tela de computador ou a um PDF”, explica Grinboim.

A Hexagon chama isso de Veja o que você mede, ou SWYM. “Isto é ideal para medir e trabalhar com peças fundidas, forjadas ou plásticos de injeção. Se você tiver uma peça de geometria grande, nosso software unirá automaticamente várias coleções sem a necessidade de alvos de referência na peça”, disse ele.

Industrialização e Automação

“Aplicativos populares [para scanners de luz estruturados] incluem ferramentas legadas para engenharia reversa e aplicações aeroespaciais. Ambos geralmente exigem tolerâncias de precisão mais altas que atendem ao hardware leve estruturado”, explicou Greg Groth, gerente de divisão da Exact Metrology, Brookfield, Wisconsin. A Exact Metrology oferece serviços de medição e digitalização por contrato, soluções de equipamentos de metrologia, bem como aluguel de hardware e software. Ele oferece ou usa dispositivos de metrologia que variam de CMMs de braço portátil a scanners de TC de última geração.

A empresa também utiliza sistemas de iluminação estruturados GOM ATOS. Isso inclui o ATOS II Triple Scan e o ATOS III Triple Scan, que a Exact usa em seu contrato de trabalho. A Exact também distribui o AICON PrimeScan da Hexagon Manufacturing Intelligence.

A automação está se tornando um uso comum de dispositivos de luz estruturados. “Atualmente, o mundo da automação está adotando a tecnologia [structured light]. À medida que as células robóticas se tornam mais seguras e econômicas em paralelo ao hardware se tornando mais barato, a popularidade da automação em linha está aumentando”, disse Groth. “À medida que as velocidades de aquisição aumentam para menos de um segundo, isso abre um novo mundo de eficiências de taxa de transferência.”

Ele também acredita que as palavras de ordem industriais atuais – como IA, Internet das Coisas e Big Data Analytics – estão afetando a adoção de sistemas de luz estruturados. “Uma grande mudança é o feedback dinâmico, ou um sistema em loop. Por exemplo, escanear o componente, comparar com os dados CAD de intenção projetada, retornar essas discrepâncias ao processo de fabricação e fazer as alterações adaptativas nas ferramentas para fazer as peças corretas”, disse ele.

Ian Scribner, gerente de vendas de produtos de digitalização 3D portátil da Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Brighton, Michigan, repetiu esse foco na automação em suas observações. “[A automação é] onde a maior parte do foco tem sido nos últimos dois anos no aprimoramento de [nosso] software para automatizar o hardware”, explicou ele.

A história dos sistemas de luz estruturados que a Zeiss oferece também tem suas raízes em um dos primeiros fundadores do campo, a empresa Steinbichler. A Zeiss adquiriu a empresa e sua tecnologia há alguns anos. A linha Zeiss COMET de sistemas de iluminação estruturados vem dessa herança, mas agora apresenta algumas melhorias exclusivas da Zeiss. Um exemplo é o sistema Zeiss ABIS II usado para detecção de defeitos de superfície. É especialmente útil na medição de superfícies de carroceria Classe A na fabricação automotiva - novamente projetada para uso na linha de produção ou próximo a ela.

Outra das ofertas mais recentes da Zeiss é o COMET Pro AE. O dispositivo é usado nas soluções de automação pré-embaladas da empresa, sistemas AIBox e AIBox flex. Ele também ilustra outra tendência predominante em sistemas de iluminação estruturados por todos os fornecedores – combinando diferentes tecnologias de metrologia para melhorar a automação e a precisão.

“O COMET Pro AE é estritamente dedicado à automação. Ele tem alguns recursos adicionais, incluindo fotogrametria”, disse Scribner. “Isso ajuda a capturar componentes maiores com mais rapidez e precisão. Ele também possui anéis de luz, que permitem que os usuários digitalizem chapas de metal e forneçam melhores detalhes de recursos em furos ou tiras ou recortes da chapa de metal.”

Os tempos de coleta do COMET Pro AE dependem do tamanho da peça. Uma carroceria de carro em chapa de metal, por exemplo, leva alguns minutos. O resultado são dezenas de milhões de pontos com precisão de 25 a 35 µm, de acordo com Scribner. De fato, suas maiores histórias de sucesso na história recente foram na automação da medição de peças de chapas metálicas.

Enquanto o COMET Pro AE é oferecido como um dispositivo “at-line” útil para inspeções de lotes de amostras, a Zeiss também oferece uma solução de luz estruturada para inspeção in-line com suas ofertas AIMax Inline e BestFit. A empresa os anuncia como bons para garantia de qualidade, reconhecimento de localização e trabalhos de controle de produção, incluindo orientação de robôs.

O dispositivo também pode gerar pontos de varredura convertidos em superfícies formatadas em STL. “Muitas vezes, o COMET AIMax é programado para procurar recursos específicos para fazer medições em linha”, disse ele. Por ser programável, evita as armadilhas do hard gaging, a um preço cada vez mais acessível.

“Todos os anos temos visto sistemas de iluminação estruturados como um grupo baixar de preço e aumentar em capacidade, abrindo novos aplicativos”, disse Scribner. O tamanho compacto do BestFit é habilitado por sua tecnologia de câmera única. Além disso, reconhecendo o ambiente hostil para o qual foram projetados, ambos os sensores exibem estabilidade em alta temperatura por meio de compensação ativa.

Acessibilidade e aplicações

Grandes mudanças estão chegando ao mercado de sistemas de visão, de acordo com Scott Green, diretor de software da 3D Systems Inc., Rock Hill, S.C. disse.

A empresa oferece uma ampla gama de produtos, desde impressoras 3D até dispositivos de feedback de força tátil
, incluindo uma linha de sistemas estruturados de metrologia de luz. A mudança nos sistemas de luz estruturados ocorrerá devido à queda nos preços dos dispositivos, mesmo enquanto a qualidade e a cobertura de digitalização aumentam, de acordo com Green.

“São [sistemas] que podem ser comprados em breve com cartão de crédito. Hoje, ainda, existem sensores de luz estruturados de baixo custo e alta qualidade que são vendidos por menos de US$ 10.000”, disse ele – muito longe dos sistemas originais de mais de US$ 100.000 originalmente introduzidos no mercado. A 3D Systems oferece o que chama de scanner de nível industrial - o Capture e uma versão menor, o Capture Mini. Outro dispositivo portátil também usa luz estruturada para medições rápidas de pequenos itens.

Como isso é possível? Esses sistemas precisam de fontes de luz de alta qualidade e precisão e padrões de projeção precisos. As câmeras precisam capturar imagens nítidas de até 16 megapixels de tamanho. Há software e matemática muito sofisticados para obter os dados desses componentes. Décadas de refinamento estão tornando o software e os algoritmos mais sofisticados. No entanto, ele sustenta que os sistemas são em essência... simples. “Um sistema de luz estruturado é basicamente duas câmeras e um projetor”, disse ele, com um computador e um software.

O mercado consumidor geral está conduzindo a curva de custo e qualidade desses componentes. A computação neste nível está se tornando quase gratuita. Smartphones produzidos em massa e câmeras de consumo significam que câmeras digitais e fontes de luz estão avançando rapidamente.

“Os componentes funcionais, os componentes reais da construção de um sensor de luz estruturado estão se tornando muito mais acessíveis”, disse Green. “Então você vê uma mudança para baixo no custo de propriedade para esse tipo de luz estruturada de alta qualidade à medida que os componentes dentro dela se tornam mais prontamente disponíveis e baratos.”

Assim que o custo do hardware for reduzido, ele disse que a pressão sobre o preço do software que o acompanha aumentará. Com o custo total de propriedade diminuindo, isso se abre usando os agora baratos sistemas de luz estruturada em usos dedicados, de acordo com Green. Pense na medição de gap-and-flush em carrocerias automotivas em branco ou 100% de inspeção de recursos individuais em uma célula de usinagem por sensores individuais.

“Para as aplicações certas, teremos sensores muito mais inteligentes e muito mais próximos do local de produção”, disse ele. “O papel no software de desktop para esses aplicativos será muito mais como um agregador de informações.”