CC BY
52
Строков Павел Игоревич, старший преподаватель, pavig@yandex.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет
THE USING OF VEPOL ANALYSIS AT THE DESIGN STAGE OF CONSTRUCTION OF THE PRESS FOR STAMPING WITH TORSION
B.A. Stepanov, P.I. Strokov
At the article it is discussed the use of vepol and morphological analyzes (TRIZ methods) for the selection of optimal equipment that allows varying the torsion parameter to control the quality of the part during stamping with torsion.
Key words: stamping, torsion, TRIZ, hydraulic motor, hydraulic cylinder, hydraulic press.
Stepanov Boris Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, sba40@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Strokov Pavel Igorevich, lecturer, pavig@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic
University
УДК 621; 004; 681
ОПТИЧЕСКОЕ 3Б-СКАНИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И ПРОТОТИПОВ
М.А. Петров, И.С.А. Эльдиб, Э.М. Азатьян
В статье рассмотрены результаты 3D-сканирования металлических и полимерных деталей и прототипов с высоким и стандартным уровнями детализации. Проведена проверка размеров на соответствие чертёжным. Показана малая степень влияния результатов 3D-печати на результат получения полигональной модели при автоматической настройке реконструкции модели.
Ключевые слова: 3D-сканирование, структурированный подсвет, металлические и полимерные материалы, точность сканирования, отклонение размера, поле допуска, макроструктура поверхности, CAD, CAI.
В современном производстве, основанном на цифровых данных о продукции, применяются системы контроля точности (СКТ), которые можно разделить на контактные (координатно-измерительные машины или КИМ) и бесконтактные (оптические и лазерные системы 2D/3D-сканирования). Первая группа СКТ подходит для твёрдых материалов. Вторая группа позволяет работать как с мягкими, так и с твёрдыми материалами. И в том, и в другом случаях результатом является набор точек, имеющих однозначное координатное определение в двух- или трёхмерном пространстве [1, 2].
Основными рабочими элементами оптического 2D/3D-сканера являются источник света и камеры, позволяющие получать стереоскопическое изображение. На сегодняшний день нет универсальных камер, которые бы позволяли получать высокоточные макромодели (свыше 1 метра), мезомодели (менее 1 метра) и микромодели (менее 1 мм) объектов. В связи с этим произошло разделение устройств, для реализации «машинного зрения» на устройства для плоскостного распознавания геометрии (системы фотограмметрии или 2D-сканеры), обладающие высокой разрешающей способностью, и объёмного распознавания геометрии (лазерные и оптические 3D-сканеры) с невысокой разрешающей способностью. Первая группа сканеров применяется на поточных линиях, в которых необходим контроль размеров детали в/на плоскости (рис. 1 а). Вторая группа предназначена для получения геометрической информации о всей детали и построения полигональной 3D-модели/поверхности (рис. 1б). При сравнении размеров изготовленной детали в случае 2D-сканирования проводится сравнение с чертежом (шаг 5, рис. 1а), а в случае 3D-сканирования с твердотельной моделью (рис. 1б). Причём чертёж и твердотельная 3D-модель разрабатываются во внешних CAD-программах. Иногда при 3D-сканировании больших объектов применяются инструменты фотограмметрии, позволяющие, создавать опорную сеть, относительно которой позиционируются отдельные сканы, полученные в процессе 3D-сканирования (рис. 2).
б
Рис. 1. Примеры оптических систем: а - 2В-сканирование детали после чистовой вырубки системой Stemmer Imaging, цифрами указана последовательность идентификации детали и особенностей геометрии [3]; б - SD-сканирование зубчатого венца регулируемой шестерни ГРМ системой RangeVision, работающей по принципу структурированного подсвета
Рис. 2. Пример оптического сканирования гоночного автомобиля: а - исходный объект; б - полученная полигональная 3Б-модель; в - трещина на поверхности прототипа, длина трещины №1 составляет 0,91 мм
а
б
в
Например, такой подход реализуется при 3Б-сканировании автомобильных кузовов (макромодель, рис. 2а, б). И, наоборот, фотограмметрия может применяться для локализации мест расположения поверхностных дефектов на детали. Например, полимерный прототип шатуна, напечатанный по технологии ББР, имеющий на теле поверхностные трещины (микромодель, рис. 2, в) [4, 5].
Определение точности сканирования. Для того, чтобы получить, например, детализированные идентификационные метки на деталях необходимо проводить последовательное сканирование и совмещение результатов сканирования (сканов). Это позволяет получать два набора точек, один из которых описывает большой объект, а другой - небольшую область на нём; в последствие обе области сов-
мещаются вместе и на их основе создаётся полигональная сетка (stl-модель). На рис. 3, а представлена деталь «Кронштейн крепления автомобильного двигателя», на рис. 3, б - её полигональная модель. В случае применения камеры 9 мм, которая применялась для сканирования основного объекта, идентификационная метка получается расплывчатой и плохо читаемой (рис. 3, в). При применении объектива 25 мм качество идентификационной метки возрастает (рис. 3, г). Такая виртуально полученная метка может быть распознана человеком или камерой, проведено сопоставление детали с эталоном из базы данных (БД) изделий. На рис. 3, д, е и ж показаны деталь «Кронштейн правой опоры двигателя», её полигональная модель и идентификационная маркировка соответственно.
В общем случае точность (погрешность, ошибка) получения виртуальной копии объекта (Ах), определяемая в микрометрах, может быть описана простой суммой нескольких переменных по уравнению 1.
Ах=А
3d-n + A3d-c + А 30-м v спо + Аспт ) + (А нс + Аос + А
осо ) + (А ппо + Авоо + А пр
) (1)
где Азо-п - погрешность 3Б-печати; А30-с - погрешность 3Б-сканирования; А30-м - погрешность в результате обработки облака точек, создания stl-модели и виртуального измерения; АСПО - существующая погрешность, связанная с оборудованием, на котором был изготовлен объект, определяется техническими характеристиками оборудования; АСПТ - существующая погрешность, связанная с технологией 3D-печати, определяется правильностью выбора параметров 3D-печати; АНС - погрешность настройки сканера, определяется по результатам калибровки; АОС - погрешность совпадения параметров окружающей среды (условий эксплуатации сканера), определяется экспериментальным путём; АОСО - погрешность, связанная с оптическими свойствами исследуемого объекта (цвет и текстура материала, отражательные и рассеивающие способности и т.д.); АППО - погрешность первичной обработки облака точек на компьютере (полигонизация модели), определяется по карте отклонений размеров; Авоо - погрешность вторичной обработки объекта на компьютере (сглаживание, переразбиение поверхности и т.д.), определяется по карте отклонений размеров; АПР - погрешность построения размеров в CAI.
Рис. 3. Пример получения детализированного изображения идентификационной метки
автомобильных деталей
Существующая группа программ виртуального инспектирования качества деталей (CAI) и построения виртуальной карты отклонений геометрических размеров (КОГР) от эталонной геометрии, полученной прямым проектированием в CAD-программе, как, например, GOM Inspect, VXinspect, PowerINSPECT, Geomagic Qualify, Inspire Hexagon, предназначена для виртуальной оценки погрешностей результатов сканирования, которые могут быть представлены либо в виде облака точек, либо в виде stl-модели.
Построение карты отклонений геометрических размеров. В качестве объектов исследования были взяты Платоновы тела и прототип «Сегмент крыла», трёхмерная модель которого представлена на рис. 4. Прототип был изготовлен методом SD-печати по технологии FFF из АБС-пластика (плотность исходного материала составляет 1,06 г/см3). Оптическое сканирование проводилось на оптическом сканере RangeVision Spectrum с двумя камерами, работающем по принципу структурированного подсвета. Точность сканирования находится в диапазоне 20 - 200 мкм. Для детали «Сегмент крыла» был выбран объектив 9 мм (наибольшая область сканирования). Для реперных тел использовался объектив 25 мм (наименьшая область сканирования). Точность печати 3D-принтера при использовании сопла с отверстием 0300 мкм определяется толщиной слоя, равного 125 мкм.
Рис. 4. Прототип «Сегмент крыла» (слева) и его разрез с указанием переменной толщины внешней
стенки (справа).
Для оценки точности ЗБ-принтера и ЗБ-сканера были изготовлены калибровочные тела, геометрия которых определялась ЗБ-моделями, выполненными в CAD-программе (табл. 1, рис. 5). Геометрические размеры тел после ЗБ-печати оценивались путём сравнения четырёх чертёжных размеров с аналогичными размерами stl-модели в ПО GOM Inspect (CAI), а также при помощи карты отклонений, позволяющей наглядно оценить отклонения геометрии от эталонной CAD-геометрии по всему объёму.
Известно, что при ЗБ-печати по технологии FDM/FFF выдавливаемый через сопло экструдера филамент приобретает эллиптическую форму поперечного сечения и волнообразный профиль в продольном сечении [5]. При исследовании макроповерхности калибровочных образцов на микроскопе с увеличением до 300х были выявлены различные источники погрешности в виде дефектов (рис. 6).
Таблица 1
Характеристики исследуемых объектов
Параметр Значения
сегмент крыла додекаэдр икосаэдр
Масса детали, кг 0,0580 0,0474 0,0508
Объём детали, мм3 44 021, 277 44 691,286 47 892,2
Поверхность напечатанного образца имеет складчатость (площадь поверхности на грани больше, чем на эталонной CAD-модели) и волнистость поверхности. Рёбра и вершины имеют радиусы скруг-ления. На некоторых гранях имеются места стыков филаментов, которые отсутствуют на исходной CAD-модели. Складчатость и стыки можно отнести к ошибкам SD-печати, в то время, как волнистость и скругления являются особенностью реализации процесса SD-печати. По своим размерным характеристикам складчатость и места стыков распознаются при SD-сканировании. Однако, волнистость, при шаге 150 - 250 мкм, не распознаётся при SD-сканировании и реконструкции с параметрами по умолчанию, а реконструируемая поверхность грани сглаживается.
Перед проведением исследования размеров stl-модели следует импортировать эталонные и полигональные SD-модели, провести предварительное выравнивание. Глобальные ошибки совпадения при выравнивании двух моделей по методу best-fit составили: 0,17 мм (додекаэдр), 0,18 мм (икосаэдр) и 0,42 мм (сегмент крыла).
Результат SD-сканирования показан на рис. 7, а. Области с результатами разделены и имеют разные цвета, что обусловлено неправильной ориентировкой полигональных элементов, образующих сетку. Тем не менее, три проверочных размера (диаметр отверстия, длина прямоугольного выреза и длина прототипа) и КОГР могут быть построены. Результаты построения показаны на рис. 7, б, в и 8 соответственно.
Значения отклонений Платоновых тел, указанные на чертежах (рис. 5, б), не были выдержаны при их проверке инструментами CAI, так как не укладывались в указанные отклонения. Размеры определялись как среднее арифметическое по 3 - 5 значениям опорных размеров А, Б, В и Г. Линейные размеры имели положительное отклонение относительно чертежных размеров, а угловой размер - отрицательное.
К размерам прототипа «Сегмент крыла» требования по величинам отклонений не предъявлялись. Значение отклонений по линейным размерам были как положительные, так и отрицательные. При построении КОГР были проведены два типа анализа: по сравнению сечений и по сравнению поверхностей. Синий цвет шкалы указывает на то, что полученная сеточная геометрия лежит ниже базовой (CAD)
геометрии. Красный же цвет указывает на то, что сеточная геометрия лежит над базовой геометрией. Если при сравнении геометрий появляются серые области, это указывает на то, что геометрии либо находятся за пределами установленного порогового принимаемого во внимание значения, либо поверхности полигональной модели имеют дефекты сетки, например, треугольники с обратно-ориентированным направлением нормали к поверхности. В качестве секущей плоскости выбрана плоскость, проходящая на расстоянии 24 мм от верхней грани прототипа (рис. 8). Наибольшее отклонение размера составляет 6,37 мм и располагается в задней части прототипа. Если установить диапазон поля допуска (ПД) размеров прототипа равным 0,4 мм (отклонения ±0,2 мм) и перейти в режим оценки геометрии по полю допуска, то наилучшее совпадение будет наблюдаться на носке крыла, в первой нервюре, а также в областях, соприкасающихся с поперечинами (рис. 8д, е).
додекаэдр
САБ
44 691,286 мм3
43 555,1 мм3
икосаэдр
CAD
47 892,2 мм3
46 678,4 мм3
ПД ±0,1 мм
ПД ±0,5 мм
ПД ±0,06 мм
ПД ±0,5 мм
Рис. 5. Определение отклонений размеров эталонных объектов: а - реперные Платоновы тела, с указанием их объёмов; б - исходные чертежи Платоновых тел; в - напечатанные объекты и КОГР (значения и годность по ПД)
а
б
в
Рис. 6. Макроструктура поверхности реперных образцов после ЗБ-печати
исходная stl-моделъ stl-модель stl-модель
(по CAD) (после îD-сканирования) (после iD-сканирования
и обработки)
Рис. 7. Полученные stl-модели «Сегмента крыла» (а) и сравнение контрольных размеров: исходная геометрия CAD (б) и геометрия после ЗБ-сканирования
без обработки (в)
а
б
в
ж з
Рис. 8. Значение отклонений размеров прототипа (а, в, г) и оценка годности прототипа по ПД, равного ±00,2 мм (б, д, е) и ±10,0 мм (ж, з): а - в сечении (середина высоты); б - в сечении (середина высоты); в - по поверхности; г - по поверхности; д - по поверхности; е - по поверхности; ж - по поверхности; з - по поверхности
Расширение значения поля допуска до 20 мм (отклонения ±10,0 мм) дают полностью пригодный результат (зелёный диапазон областей на рис. 6в, г, ж, е). Результаты итоговых измерений занесены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты виртуальных (компьютерных) измерений размеров
Прототип/ Способ измерения Размеры А/Б/В/Г, мм
додекаэдр икосаэдр
САБ СА1 САБ СА1
Значения размеров 18/27,7/ 40/108° 17,77/27,12/ 39,77/108,53° 24,2/28/ 47,6/53,2 23,68/27,24/ 46,59/52,49
Де, мм или ° +0,23/+0,58/+0,23/-0,53° +0,52/+0,76/+1,01/+0,71
Де, мкм или ° +230/+580/+230/-0,53° +520/+760/+1 010/+710
Прототип/Способ измерения сегмент крыла
САБ СА1
Значения размеров 200,17/24,07/10,06 200,21/23,05/9,79
Де, мм или мкм -0,04/+1,02/+0,27 или -40/+1 020/+270
Выводы. С увеличением степени детализации объектов точность реконструкции stl-моделей повышается и Ах существенно снижается. Рассмотренные внутренние и внешние микродефекты при 3D-печати полимерных эталонных тел по технологии FFF не оказывают сильного влияния на изменение макроразмеров. Поэтому при определении Ах большее влияние будет оказывать точность сканирования. Заявленная точность сканирования 3D-сканера подтверждена косвенно, через качество получаемой поверхности со складками на грани напечатанного образца. Более текстурированную поверхность при автоматической реконструкции получить не удалось.
Исходя из полученных данных о линейных размерах эталонных тел было установлено, что суммарная ошибка сканирования, взятая по абсолютной величине наибольшего отклонения линейного размера, не превышает 1,02 мм, а углового размера составляет не более 0,53°. Поиск отклонений по КОГР следует обязательно дополнять локальной проверкой размеров.
Список литературы
1. Петров М.А., Эльдиб И.С. А. Исследование процесса 3D-сканирования изделий и создание виртуальных копий изделий для оценки качества внутри производственных линии // Труды III международной научно-технической конференции ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), 2018. С. 202 - 207.
2. Image Analysis and Recognition, eds. by Kamel M., Campilho A., Berlin Heidelberg: SpringerVerlag, 2013. 809 p.
3. Sheet metal processing with machine vision [Электронный ресурс] URL https://www.stemmer-imaging.com/en/videos/sheet-metal-processing-with-machine-vision/ (дата обращения: 17.11.2019).
4. Лобанов А.Н. Фотограмметрия. 2-ое изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1984. 552 с.
5. Петров М.А., Эльдиб И. С. А. Разработка алгоритма инлайн проверки качества поковок для оптимизации работы штамповочных линий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2019. Вып. 9. С. 471 - 479.
6. Petrov M.A., Kosatchyov N.V., Petrov P.A., Research Into Material Behaviour Of The Polymeric Samples Obtained After 3D-Printing And Subjected To Compression Test AIP Conference Proceedings, 2016. Vol. 1769. P. 190008-1 - 190008-7.
Петров Михаил Александрович, канд. техн. наук, доцент, m. a.petrov@mospolytech. ru, Россия, Москва, Московский Политехнический Университет,
Эльдиб Ибрахим Саад Ахмед, аспирант, ibrahim. eldeeb@f-eng. tanta. edu. eg, Россия, Москва, Московский Политехнический Университет,
Азатьян Эвелина Михайловна, магистрантка, eva_azatyan@,mail. ru, Россия, Москва, Московский Политехнический Университет
OPTICAL 3D-SCANNING AND ASSESSMENT OF GEOMETRICAL PRESCISION OF PARTS AND
PROTOTYPES
M.A. Petrov, I.S.A. El-Deeb, E.M. Azatiyan
In the paper the obtained results of 3D-scanning of metallic and polymer parts and prototypes are discussed. The dimensional inspection in accordance to the drawing original dimensions was performed. The week influence of the results after 3D-printing on the successive obtained polygonal mesh reconstructed based on default automatic parameters has been shown.
Key words: 3D-scanning, fringed light pattern, metallic and polymer materials, precision of scanning, dimensional deviation, tolerance, surface macrostructure, CAD, CAI.
Petrov Mikhail Alexandrowitch, candidate of technical sciences, docent, m. a.petrov@mospolytech. ru, 115280, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
El-Deeb Ibrahim Saad Ahmed, postgraduate, ibrahim.eldeeb@f-eng.tanta.edu.eg, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Azatiyan Evelina Mikhaylovna, master, eva_azatyan@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic
University
