Metrologia óptica (grande, ousada, rápida)

Escrito por Cliff Bliss, gerente de operações comerciais de sensores ópticos 3D da Hexagon Manufacturing Intelligence

Entre no mundo da metrologia óptica e uma coisa é clara. Este vibrante setor de negócios continua inovando em novos projetos de máquinas portáteis de medição por coordenadas (PCMMs) para a inspeção de grandes componentes e acessórios. Os fabricantes de grande escala ainda estão em busca de métodos ópticos atualizados para abordar a medição 3D in situ em grandes áreas de superfície encontradas nas indústrias aeroespacial, naval, automotiva e outras. A necessidade de analisar cuidadosamente as superfícies em detalhes está impulsionando a tendência de melhores ferramentas de medição óptica que fornecem conjuntos de dados maiores, em oposição aos dispositivos de verificação de estilo antigo com medição rígida.

Novos sistemas de fotogrametria óptica baseados em câmeras estão introduzindo novos designs que são grandes desvios das versões mais antigas dos conjuntos de ferramentas ópticas tradicionais. Como esses sistemas são usados ​​em ambientes industriais agressivos ou em ambientes externos remotos, os engenheiros colocam um foco especial no projeto na robustez e resistência desses sistemas ao impacto do estresse mecânico, como vibrações ou choques. Durante a fase de pesquisa e desenvolvimento, testes prolongados são usados ​​para verificar a precisão do sistema em um volume de medição inteiro. Os sistemas mais recentes incorporam duas câmeras de alto desempenho dentro de uma caixa robusta, permitindo inspeção, rastreamento e posicionamento mesmo em ambientes de produção difíceis com poeira e vibrações.

Novos designs, devoluções rápidas

Os sistemas ópticos modernos baseados em fotogrametria vêm em muitas configurações diferentes. Um design mais recente conterá duas câmeras digitais de 8 megapixels de alta resolução em um feixe de câmera fechado. Essas câmeras digitais integradas são capazes de capturar rapidamente qualquer tipo de alvo colocado no componente a ser medido ou em um apalpador portátil. As imagens geradas são processadas automaticamente e os dados de coordenadas 3D são calculados em tempo real. Questões como vibração, ruído e mudanças de posição que atormentam os metrologistas há anos não são mais problemáticas. Existem sistemas ópticos no mercado que oferecem uma nova tecnologia chamada de referência dinâmica, que permite ao sistema detectar e compensar automaticamente esses distúrbios ambientais por rastreamento óptico. Essa funcionalidade garante a estabilidade constante do processo, mesmo se o sistema for movido durante uma sessão de medição.

Mais Avanços

A agulha de tecnologia também avançou em termos de precisão. Existem sistemas de medição óptica no mercado agora que podem medir objetos de até cinco metros de volume com uma faixa de precisão de 40 a 80 mícrons. Um novo recurso para soluções baseadas em câmera é a capacidade de capturar vários pontos simultaneamente e expandir seu uso em testes de carga e testes de fadiga em configurações de laboratório, bem como em outras aplicações estáticas e dinâmicas. Combine esses avanços com referência dinâmica e o usuário agora tem um conjunto de ferramentas que pode detectar condições geométricas com precisão e ser usado em um ambiente industrial de alta atividade com tempo mínimo ou nenhum tempo de inatividade.

Fazendo um trabalho rápido

Qualquer técnico que já tentou alinhar um componente com rapidez e precisão pode apreciar a complexidade da tarefa. Um bom exemplo é posicionar a porta do carro em um painel lateral. Este não é um trabalho fácil, mas um empreendimento com o qual os fabricantes de automóveis lutam todos os dias no processo de prototipagem. Cada vez que um parafuso é ajustado em um lado da porta e depois verificado no outro lado, ele está empenado. Este exercício pode ser um processo demorado e tedioso, normalmente levando até 30 minutos para alinhar uma porta com base em seus dados CAD e ajuste. Este cenário também pressupõe que ninguém toque em nada durante o procedimento.

Assim entra no sistema de rastreamento óptico baseado em câmera. Essas soluções de fotogrametria são intrinsecamente fáceis de configurar, da mesma forma que um fotógrafo configura seu equipamento para uma sessão de fotos. Um único operador monta uma barra de câmera em um tripé e está pronto para começar. Os rolos também podem ser anexados ao tripé para facilitar o movimento no chão de fábrica. O sistema de fotogrametria é colocado na melhor posição para medição da linha de visão, e o sensor é orientado em direção ao objeto a ser medido. Todo o processo de configuração é concluído em minutos. Novos sistemas incorporam sensores que são controlados por temperatura, o que significa que o sensor pode regular sua própria estabilidade térmica.

Agora voltemos à tarefa de posicionar a porta do carro no painel lateral usando uma técnica óptica. Primeiro, um operador sinalizaria a porta com alguns alvos simples. Em seguida, as características críticas da porta seriam capturadas usando uma sonda portátil para o procedimento de pré-alinhamento. O mesmo processo seria aplicado ao painel lateral. Ambos os componentes são agora capturados em seus respectivos sistemas de coordenadas.

A tecnologia baseada em câmera permite a medição simultânea de vários pontos nesses componentes e também rastreia corpos 6DoF dinamicamente. O software de medição mostra o andamento do processo de alinhamento em tempo real com o uso de sinalizadores de desvio visual na tela do computador para orientação. O operador pode usar os dados para girar um parafuso e ajustar e, em seguida, verificar quando a posição desejada é alcançada. Em suma, os sinalizadores de desvio atuam como indicadores para o alinhamento rápido dos componentes em poucos minutos.

Ambiente severo, sem problemas

Uma consideração clássica de qualquer metrologista é se um ambiente industrial é estável o suficiente para medição. Com base no tamanho do objeto ou montagem, outra preocupação é se o sistema de metrologia terá que ser movido durante uma sessão. Essas duas questões remanescentes foram abordadas com referência dinâmica, conforme discutido anteriormente. Usando alvos no painel lateral do automóvel como pontos de referência, um sistema de fotogrametria pode compensar o movimento do sensor. Essa mesma tecnologia também pode compensar a medição de um objeto em uma área onde há vibração ou outros fatores que contribuem para um ambiente instável.

Como as áreas de linha de visão do objeto ou montagem são medidas simultaneamente, cada tomada está sendo transformada diretamente em um sistema de coordenadas global. As medições são feitas de forma confiável, mesmo se um trabalhador tocar na peça ou sacudir um acessório. Nenhum realinhamento manual é necessário, pois o sistema fotogramétrico permanece on-line e continua a adquirir dados enquanto as atividades diárias do local de trabalho ocorrem durante a sessão.

A alternativa emergente 

Os fornecedores de soluções de metrologia óptica certamente estão seguindo as principais tendências do setor:operação mais fácil do hardware, software mais inteligente e aquisição de dados mais rápida. Esses recursos, juntamente com resultados de medição confiáveis ​​e estáveis ​​de PCMMs baseados em câmeras mais recentes, fornecem uma alternativa aos medidores tradicionais ou soluções somente com apalpador de toque. Além da inspeção de precisão, esses sistemas também podem monitorar e simplificar os processos de montagem e ajudar a orientar o operador no trabalho de posicionamento e alinhamento com feedback imediato. Além de acelerar o processo de medição, os sistemas ópticos baseados em câmeras atuais estão operando significativamente mais rápido em muitas outras aplicações estáticas e dinâmicas, resultando em economia de tempo e vantagens de custo para aqueles que utilizam o novo paradigma.

Apresentado anteriormente na revista Quality.