Soluções Avançadas de Visão Estruturada para Manufatura de Precisão

Provedores estão entregando sensores variados para atender necessidades e orçamentos de usuários da indústria. À medida que preços caem e capacidade cresce, a pergunta é: qual a próxima melhor aplicação?

Sistemas de luz estruturada medem superfícies projetando um padrão de franjas, então usando câmeras e software sofisticado para convertê-las em nuvens de pontos de dados de metrologia. Precisão pode atingir mícrons de dígito único sobre milhões de pontos. Taxas de captura em alguns equipamentos mais novos são medidas em milissegundos. Acessibilidade e escolha estão crescendo entre estes sensores. Enquanto a maioria permanece configurações estéreo de duas câmeras, alguns usam configurações de câmera única para implantação mais flexível, especialmente perto de linhas de produção. Mais implantações e mais aplicações são as marcas da indústria.

Um dos pioneiros no campo foi a GOM, empresa agora expandindo opções em sua linha ATOS de sistemas de luz estruturada. "No passado, todos olhavam para sensores ATOS como o scanner high-end mas caro. Mas agora [GOM] oferece uma linha completa de scanners de luz estruturada", disse Frank Stone, gerente nacional de engenharia de vendas para Capture 3D Inc., Santa Ana, Calif., revendedor de valor agregado de sensores ATOS. "Eles reconheceram que para expandir o mercado você tem que entregar para uma ampla variedade de clientes — nem todos precisam tolerâncias e precisões tão apertadas quanto outros", disse ele.

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

Mas a GOM não parou de melhorar seus sistemas high-end também. Seus mais recentes são as ofertas ATOS 5 e ATOS 5X, projetados para uso industrial e integração de medições em linhas de produção. Uma das chaves para usar luz estruturada em ambientes severos é encurtar o tempo de coleta, tornando-o menos sensível a vibração e ruído. Segundo 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, poderia ser usado para medir fechamentos de carroceria automotiva, painéis de instrumentos, pás de turbina de motor ou peças fundidas. Montado em robôs em integrações customizadas, pode medir body-in-whites completos, comuns na manufatura automotiva.

Variedade em Fontes de Projeção

Para expandir utilidade ainda mais, o mais avançado ATOS 5X usa fonte de luz muito mais brilhante. "O ATOS 5X usa um compressor de luz laser integrado para fornecer aquela fonte de luz mais brilhante, que expande o volume de medição", explicou Stone. "Antes podíamos medir apenas 700 mm, com esta nova fonte agora podemos medir até 1.000 mm no mesmo tempo. Leva apenas 0,2 segundos por scan." Tecnicamente, isto ainda é luz estruturada e não usa a coerência disponível em laser para fazer interferometria — é um dispositivo de luz estruturada padrão mas muito brilhante.

A Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, R.I., também desenvolveu nos últimos anos uma ampla gama de dispositivos de escaneamento de luz estruturada. Eles são agrupados em duas tecnologias básicas, aqueles que usam projeções de slide único e aqueles que usam projeções de franjas múltiplas. Sensores de slide único enfatizam velocidade e uso em condições severas e incluem WLS qFLASH, BLAZE 600 e WLS 400 da Hexagon.

"Estes sensores enfatizam aquisição rápida de imagem", disse Amir Grinboim, gerente de programa técnico para 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 você quiser'", disse Grinboim.

A tecnologia de projeção de franjas múltiplas, por outro lado, é mais lenta mas com melhor resolução. Estas incluem as ofertas AICON da Hexagon. "Quando damos um shot, a imagem é construída a partir de uma sequência de projeções. E aquelas projeções são linhas projetadas na peça, e aquelas linhas se movem e mudam orientação junto com o processo de aquisição de imagem. É um processo relativamente longo", explicou Grinboim, levando em média 2 segundos para uma única coleta. "O objetivo não é velocidade mas qualidade da nuvem de pontos."

A Hexagon também usa projetor DLP Red/Green/Blue (RGB) em seu sensor mais novo, o AICON StereoScan neo. O sensor também tem ampla gama de campos de medição, de 75 mm até 1.100 mm. Isso é feito através da troca de lentes da câmera ou comprimento da base. O tempo de aquisição é cerca de 2 segundos e o dispositivo pode ser equipado com câmera de 8 ou 16 megapixels.

O que o projetor DLP RGB é ideal são aplicações onde as medições podem ser convertidas em mapa de cores de desvios quando comparadas a nominais CAD. Estes são então projetados de volta na peça que foi recém-medida.

"[Isto é] ideal para trabalho de design, retrabalho para ferramental, e mostrando material em excesso ou falta em fundição. Tudo isso pode ser visível ao engenheiro direto na peça, sem referência a tela de computador ou PDF", explicou Grinboim.

A Hexagon chama isso de See What You Measure, ou SWYM. "Isto é ideal em medição e trabalho com fundições, forjados ou plásticos de injeção. Se você tem peça de grande geometria, nosso software costurará automaticamente múltiplas coletas juntas sem necessidade de alvos de referência na peça", disse ele.

Industrialização e Automação

"Aplicações populares [para scanners de luz estruturada] incluem ferramental legado para engenharia reversa e aplicações aeroespaciais. Ambas comumente requerem tolerâncias de precisão mais altas que atendem ao hardware de luz estruturada", explicou Greg Groth, gerente de divisão para Exact Metrology, Brookfield, Wis. A Exact Metrology oferece serviços de medição e escaneamento por contrato, soluções de equipamentos de metrologia, bem como aluguel de hardware e software. Oferece ou usa dispositivos de metrologia variando de CMMs de Braço Portátil a scanners CT high-end.

A empresa também usa sistemas de luz estruturada GOM ATOS. Estes incluem ATOS II Triple Scan e ATOS III Triple scan, que a Exact usa em seu trabalho por contrato. A Exact também distribui o AICON PrimeScan da Hexagon Manufacturing Intelligence.

Automação está se tornando uso mainstream de dispositivos de luz estruturada. "Atualmente, o mundo da automação está adotando a tecnologia [luz estruturada]. À medida que células robóticas se tornam mais seguras e custo-efetivas em paralelo ao hardware ficando mais barato, popularidade de automação in-line está subindo", disse Groth. "À medida que velocidades de aquisição aumentam para subsegundo, isso abre novo mundo de eficiências de vazão."

Ele também acredita que buzzwords industriais do dia — como IA, Internet das Coisas e Big Data Analytics — estão tendo efeito na adoção de sistemas de luz estruturada. "Uma grande mudança é o feedback dinâmico, ou sistema em loop. Por exemplo, escaneando o componente, comparando ao dado CAD de intenção de design, retroalimentando aquelas discrepâncias ao processo de manufatura, e fazendo mudanças adaptativas no ferramental para fazer peças corretas", disse ele.

Ian Scribner, gerente de vendas de produto de escaneamento 3D portátil para Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Brighton, Mich., ecoou este foco em automação em suas observações. "[Automação é] onde a maior parte do foco tem estado nos últimos dois anos em aprimorar [nosso] software para automatizar o hardware", ele explicou.

A história dos sistemas de luz estruturada que a Zeiss oferece também traça suas raízes a um dos fundadores iniciais do campo, a empresa Steinbichler. A Zeiss adquiriu a empresa e sua tecnologia alguns anos atrás. A linha COMET de sistemas de luz estruturada da Zeiss vem deste legado mas agora mostra algumas melhorias únicas 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 manufatura automotiva — novamente projetado para uso na ou perto da linha de produção.

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. Também ilustra outra tendência prevalente em sistemas de luz estruturada por todos provedores — combinar diferentes tecnologias de metrologia para melhorar automação e precisão.

"O COMET Pro AE é estritamente dedicado à automação. Tem alguns recursos adicionais — incluindo fotogrametria", disse Scribner. "Isso ajuda a capturar componentes maiores mais rápido e com melhor precisão. Também tem anéis de luz, que permitem usuários escanear chapa metálica e fornecer melhor detalhe de características em furos ou rasgos ou recortes da chapa metálica."

Tempos de coleta do COMET Pro AE dependem do tamanho da peça. Uma carroceria de chapa metálica, por exemplo, leva alguns minutos. O resultado são dezenas de milhões de pontos a 25-35 µm de precisão, segundo Scribner. De fato, suas maiores histórias de sucesso recentes têm sido na automação de medição de peças de chapa metálica.

Enquanto o COMET Pro AE é oferecido como dispositivo "at-line" útil para inspeções de lote de amostra, a Zeiss também oferece solução de luz estruturada para inspeção in-line com suas ofertas AIMax Inline e BestFit. A empresa anuncia estes como bons para garantia de qualidade, reconhecimento de localização e trabalhos de controle de produção, incluindo guiamento de robô.

O dispositivo também pode sair pontos de scan convertidos em superfícies formatadas STL. "Frequentemente, o COMET AIMax é programado para buscar características específicas para fazer gauging in-line", disse ele. Como é programável, evita armadilhas de gauging rígido, a preço cada vez mais acessível.

"Todo ano temos visto sistemas de luz estruturada como grupo caírem de preço e subirem em capacidade, abrindo novas aplicações", disse Scribner. O tamanho compacto do BestFit é habilitado por sua tecnologia de câmera única. Também, reconhecendo o ambiente severo para o qual são projetados, ambos sensores exibem estabilidade de alta temperatura através de compensação ativa.

Acessibilidade e Aplicações

Grandes mudanças estão vindo para o mercado de sistemas de visão, segundo Scott Green, diretor de software para 3D Systems Inc., Rock Hill, S.C. "Haverá uma mudança enorme no mercado para sistemas de luz estruturada de alta resolução", disse ele.

A empresa oferece ampla gama de produtos, de impressoras 3D a dispositivos de force-feedback háptico, incluindo uma linha de sistemas de metrologia de luz estruturada. A mudança em sistemas de luz estruturada virá devido à queda de preços dos dispositivos mesmo enquanto qualidade e cobertura de escaneamento aumentam, segundo Green.

"Estes são [sistemas] que poderão ser comprados no cartão de crédito em breve. Hoje, mesmo, há sensores de luz estruturada de muito baixo custo, alta qualidade, que vendem por menos de US$ 10.000", disse ele — um longo caminho dos originais sistemas de US$ 100.000+ originalmente introduzidos no mercado. A 3D Systems oferece o que chama de scanner de grau industrial — o Capture e uma versão menor, o Capture Mini. Outro dispositivo portátil também usa luz estruturada para medições rápidas de itens pequenos.

Como isso é possível? Estes sistemas precisam de fontes de luz de alta qualidade e precisão e padrões de projeção precisos. As câmeras precisam capturar imagens nítidas até 16 megapixels em tamanho. Há muita matemática e software sofisticado que entram em obter os dados daqueles componentes. Décadas de refinamento estão tornando o software e algoritmos mais sofisticados. Ainda, ele mantém que os sistemas são em essência... simples. "Um sistema de luz estruturada é basicamente duas câmeras e um projetor", disse ele, com um computador e software.

O mercado consumidor geral está impulsionando a curva de custo e qualidade naqueles componentes. Computação neste nível está se tornando quase gratuita. Smartphones produzidos em massa e câmeras consumer-grade significam que câmeras digitais e fontes de luz estão avançando rapidamente.

"Os componentes funcionais, os componentes reais de construção de um sensor de luz estruturada estão se tornando muito mais acessíveis", disse Green. "Então você vê uma mudança descendente no custo de propriedade para aquele tipo de luz estruturada de alta qualidade à medida que os componentes dentro dele se tornam mais prontamente disponíveis e baratos."

Uma vez que o custo de hardware é reduzido, ele disse, pressão de preço no software acompanhante aumentará. Com custo total de propriedade diminuindo, isso abre uso dos agora baratos sistemas de luz estruturada em usos dedicados, segundo Green. Pense medir gap-and-flush em body-in-white automotivo ou inspeção 100% de características individuais em célula de usinagem por sensores individuais.

"Para as aplicações certas, teremos sensores muito mais inteligentes que estão muito mais perto do local de produção", disse ele. "O papel no software desktop para aquelas aplicações será muito mais como um agregador de informação."