Vision structurée dans la fabrication

Les fournisseurs proposent des capteurs variés pour répondre aux besoins et aux budgets des utilisateurs de l'industrie. À mesure que les prix baissent et que les capacités augmentent, la question est de savoir quelle est la prochaine meilleure application ?

Les systèmes d'éclairage structuré mesurent les surfaces en projetant un motif de franges, puis en utilisant des caméras et des logiciels sophistiqués pour les convertir en nuages ​​de points de données métrologiques. La précision peut atteindre les microns à un chiffre sur des millions de points. Les taux de capture sur certains équipements plus récents sont mesurés en millisecondes. L'abordabilité et le choix augmentent parmi ces capteurs. Alors que la plupart restent des configurations stéréo à deux caméras, certaines utilisent des configurations à caméra unique pour un déploiement plus flexible, en particulier à proximité des lignes de production. Plus de déploiements et plus d'applications sont les caractéristiques de l'industrie.

L'un des pionniers dans le domaine était GOM, une entreprise qui élargit désormais les options de sa gamme ATOS de systèmes d'éclairage structurés. « Dans le passé, tout le monde considérait les capteurs ATOS comme un scanner haut de gamme mais coûteux. Mais maintenant [GOM] propose une gamme complète de scanners à lumière structurée », a déclaré Frank Stone, directeur national de l'ingénierie des ventes pour Capture 3D Inc., Santa Ana, Californie, un revendeur à valeur ajoutée de capteurs ATOS. "Ils ont reconnu que pour élargir le marché, il fallait livrer à une grande variété de clients. Tout le monde n'a pas besoin de tolérances et d'exactitudes aussi strictes que les autres", a-t-il déclaré.

Un bon exemple de la façon dont l'entreprise offre de la variété est son ATOS Core, un système d'entrée de gamme. Il
peut croître en capacité avec les besoins du propriétaire. Selon Capture3D, les applications d'entrée de gamme telles que la rétro-ingénierie ou le prototypage rapide nécessitent une numérisation sans fonctionnalité d'inspection avancée. Un kit complet "d'entrée de gamme" comprend un logiciel qui convertit les données de nuages ​​de points en maillages polygonaux au format STL. Le Core offre une voie de mise à niveau d'un fonctionnement manuel à un fonctionnement semi-automatisé qui pourrait inclure l'ajout de sondes tactiles et de photogrammétrie pour des inspections métrologiques de meilleure qualité. Le même appareil peut également être mis à niveau vers une automatisation complète pour les inspections de contrôle de la qualité industrielle.

Mais GOM n'a pas non plus cessé d'améliorer ses systèmes haut de gamme. Ses dernières nouveautés sont les offres ATOS 5 et ATOS 5X, conçues pour une utilisation industrielle et l'intégration des mesures dans les lignes de production. L'une des clés de l'utilisation de la lumière structurée dans les environnements difficiles est de raccourcir le temps de collecte, ce qui la rend moins sensible aux vibrations et au bruit. Selon la société, l'ATOS 5 capture les scans en 0,2 seconde (200 millisecondes) à 100 images par seconde. Combiné au système d'automatisation ATOS Scanbox, il pourrait être utilisé pour mesurer des fermetures de carrosserie automobile, des tableaux de bord, des aubes de turbine de moteur ou des pièces moulées. Monté sur des robots dans des intégrations personnalisées, il peut mesurer des corps en blanc complets, ce qui est courant dans la fabrication automobile.

Variété de sources de projection

Pour étendre encore plus l'utilité, l'ATOS 5X plus avancé utilise une source de lumière beaucoup plus lumineuse. "L'ATOS 5X utilise un compresseur de lumière laser intégré pour fournir cette source de lumière plus brillante, ce qui augmente le volume de mesure", a expliqué Stone. « Alors qu'avant nous ne pouvions mesurer que 700 mm, avec cette nouvelle source, nous pouvons désormais mesurer jusqu'à 1 000 mm en même temps. Cela ne prend que 0,2 seconde par scan. Techniquement, il s'agit toujours de lumière structurée et n'utilise pas la cohérence disponible dans un laser pour faire de l'interférométrie - c'est un dispositif de lumière structurée très lumineux mais toujours standard.

Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, R.I., a également développé ces dernières années une large gamme de dispositifs de balayage à lumière structurée. Ils sont regroupés en deux technologies de base, celles qui utilisent des projections à une seule diapositive et celles qui utilisent des projections à franges multiples. Les capteurs à glissière unique mettent l'accent sur la vitesse et l'utilisation dans des conditions difficiles et incluent le WLS qFLASH d'Hexagon, le BLAZE 600 et le WLS 400.

"Ces capteurs mettent l'accent sur l'acquisition rapide d'images", a déclaré Amir Grinboim, responsable du programme technique pour Hexagon. Ceux-ci collectent des données en moyenne en 0,015 seconde, soit 15 millisecondes. La vitesse de collecte est importante, c'est ce qui les rend idéales dans les ateliers d'usine. "La philosophie est" mesurer où vous voulez "", a déclaré Grinboim.

La technologie de projection à franges multiples, en revanche, est plus lente mais avec une meilleure résolution. Il s'agit notamment des offres AICON d'Hexagon. « Lorsque nous prenons une photo, l'image est construite à partir d'une séquence de projections. Et ces projections sont des lignes qui sont projetées sur la pièce, et ces lignes sont déplacées et changent d'orientation avec le processus d'acquisition d'image. C'est un processus relativement long », a expliqué Grinboim, prenant en moyenne 2 secondes pour une seule collecte. "L'objectif n'est pas la vitesse mais la qualité du nuage de points."

Hexagon utilise également un projecteur DLP rouge/vert/bleu (RVB) dans son nouveau capteur, l'AICON StereoScan neo. Le capteur dispose également d'une large gamme de champs de mesure, de 75 mm à 1 100 mm. Cela se fait en changeant les objectifs de la caméra ou la longueur de base. Le temps d'acquisition est d'environ 2 secondes et l'appareil peut être équipé d'un appareil photo de 8 ou 16 mégapixels.

Le projecteur RVB DLP est idéal pour les applications où les mesures peuvent être converties en une carte de couleurs des écarts par rapport aux valeurs nominales CAO. Celles-ci sont ensuite projetées sur la pièce qui vient d'être mesurée.

"[C'est] idéal pour les travaux de conception, les retouches d'outillage et la présentation de matériaux en surstock ou en sous-stock lors de la coulée. Tout cela peut être visible pour l'ingénieur directement sur la pièce, sans référence à un écran d'ordinateur ou à un PDF », a expliqué Grinboim.

Hexagon appelle cela Voir ce que vous mesurez, ou SWYM. « C'est idéal pour mesurer et travailler avec des pièces moulées, des pièces forgées ou des plastiques injectés. Si vous avez une grande pièce géométrique, notre logiciel assemblera automatiquement plusieurs collections sans avoir besoin de cibles de référence sur la pièce », a-t-il déclaré.

Industrialisation et automatisation

"Les applications populaires [pour les scanners à lumière structurée] incluent les outils hérités pour la rétro-ingénierie et les applications aérospatiales. Les deux nécessitent généralement des tolérances de précision plus élevées qui répondent au matériel léger structuré », a expliqué Greg Groth, directeur de division pour Exact Metrology, Brookfield, Wis. Exact Metrology propose des services de mesure et de numérisation sous contrat, des solutions d'équipement de métrologie, ainsi que la location de matériel et de logiciels. Elle propose ou utilise des appareils de métrologie allant des MMT à bras portables aux tomodensitomètres haut de gamme.

L'entreprise utilise également les systèmes d'éclairage structuré GOM ATOS. Il s'agit notamment de l'ATOS II Triple Scan et de l'ATOS III Triple scan, qu'Exact utilise dans ses travaux contractuels. Exact distribue également AICON PrimeScan de Hexagon Manufacturing Intelligence.

L'automatisation devient une utilisation courante des dispositifs d'éclairage structuré. « Actuellement, le monde de l'automatisation adopte la technologie [de la lumière structurée]. Alors que les cellules robotisées deviennent plus sûres et plus rentables parallèlement au fait que le matériel devient moins cher, la popularité de l'automatisation en ligne augmente », a déclaré Groth. "Alors que les vitesses d'acquisition augmentent à moins d'une seconde, cela ouvre un nouveau monde d'efficacité de débit."

Il pense également que les mots à la mode industriels actuels, tels que l'IA, l'Internet des objets et l'analyse des mégadonnées, ont un effet sur l'adoption de systèmes d'éclairage structurés. "Un grand changement est la rétroaction dynamique, ou un système en boucle. Par exemple, numériser le composant, le comparer aux données CAO d'intention conçues, répercuter ces écarts sur le processus de fabrication et apporter les modifications adaptatives à l'outillage pour créer des pièces correctes », a-t-il déclaré.

Ian Scribner, responsable des ventes de produits de numérisation 3D portables pour Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Brighton, Michigan, a fait écho à cet accent mis sur l'automatisation dans ses observations. "[L'automatisation est] où l'accent a été mis ces dernières années sur l'amélioration de [notre] logiciel afin d'automatiser le matériel", a-t-il expliqué.

L'histoire des systèmes d'éclairage structuré proposés par Zeiss trouve également ses racines dans l'un des premiers fondateurs du domaine, la société Steinbichler. Zeiss a acquis l'entreprise et sa technologie il y a quelques années. La gamme Zeiss COMET de systèmes d'éclairage structurés est issue de cet héritage, mais présente maintenant des améliorations uniques à Zeiss. Un exemple est le système Zeiss ABIS II utilisé pour la détection des défauts de surface. Il est particulièrement utile pour mesurer les surfaces de carrosserie de classe A dans la construction automobile, là encore conçu pour être utilisé sur ou à proximité de la chaîne de production.

Une autre des offres les plus récentes de Zeiss est le COMET Pro AE. L'appareil est utilisé dans les solutions d'automatisation pré-emballées de l'entreprise, les systèmes AIBox et AIBox flex. Cela illustre également une autre tendance répandue dans les systèmes d'éclairage structuré par tous les fournisseurs :combiner différentes technologies de métrologie pour améliorer l'automatisation et la précision.

« Le COMET Pro AE est strictement dédié à l'automatisation. Il a quelques fonctionnalités supplémentaires, y compris la photogrammétrie », a déclaré Scribner. « Cela permet de capturer des composants plus grands plus rapidement et avec une meilleure précision. Il dispose également d'anneaux lumineux, qui permettent aux utilisateurs de numériser des tôles et de fournir de meilleurs détails sur les trous, les strops ou les découpes de la tôle."

Les temps de collecte du COMET Pro AE dépendent de la taille de la pièce. Une carrosserie de voiture en tôle, par exemple, prend quelques minutes. Le résultat est des dizaines de millions de points avec une précision de 25 à 35 µm, selon Scribner. En fait, ses plus grandes réussites de l'histoire récente ont été dans l'automatisation de la mesure des pièces en tôle.

Alors que le COMET Pro AE est proposé en tant qu'appareil « en ligne » utile pour les inspections de lots d'échantillons, Zeiss propose également une solution d'éclairage structuré pour l'inspection en ligne avec ses offres AIMax Inline et BestFit. L'entreprise les présente comme bons pour l'assurance qualité, la reconnaissance de l'emplacement et les travaux de contrôle de la production, y compris le guidage des robots.

L'appareil peut également générer des points de numérisation convertis en surfaces au format STL. "Souvent, le COMET AIMax est programmé pour rechercher des fonctionnalités spécifiques pour effectuer des mesures en ligne", a-t-il déclaré. Comme il est programmable, il évite les écueils du hard-gaging, à un prix de plus en plus abordable.

"Chaque année, nous avons vu les systèmes d'éclairage structurés en tant que groupe baisser de prix et augmenter en capacité, ouvrant de nouvelles applications", a déclaré Scribner. La taille compacte du BestFit est rendue possible par sa technologie à caméra unique. De plus, reconnaissant l'environnement difficile pour lequel ils sont conçus, les deux capteurs présentent une stabilité à haute température grâce à une compensation active.

Abordabilité et applications

De grands changements sont à venir sur le marché des systèmes de vision, selon Scott Green, directeur des logiciels pour 3D Systems Inc., Rock Hill, S.C. "Il va y avoir un énorme changement sur le marché des systèmes d'éclairage structuré à haute résolution", il dit.

La société propose une large gamme de produits, des imprimantes 3D aux dispositifs haptiques à retour de force, en passant par une gamme de systèmes de métrologie à lumière structurée. Le changement dans les systèmes de lumière structurée se produira en raison de la baisse des prix des appareils, même si la qualité et la couverture de numérisation augmentent, selon Green.

«Ce sont [des systèmes] qui pourront bientôt être achetés avec une carte de crédit. Aujourd'hui, même, il existe des capteurs de lumière structurés de haute qualité et à très faible coût qui se vendent moins de 10 000 $ », a-t-il déclaré, bien loin des systèmes originaux de plus de 100 000 $ introduits sur le marché. 3D Systems propose ce qu'il appelle un scanner de qualité industrielle :le Capture et une version plus petite, le Capture Mini. Un autre appareil portatif utilise également la lumière structurée pour des mesures rapides de petits objets.

Comment est-ce possible? Ces systèmes nécessitent des sources lumineuses de haute qualité et de précision et des modèles de projection précis. Les caméras doivent capturer des images nettes jusqu'à 16 mégapixels. Il existe des logiciels et des mathématiques très sophistiqués qui permettent d'extraire les données de ces composants. Des décennies de raffinement rendent le logiciel et les algorithmes plus sophistiqués. Pourtant, il maintient que les systèmes sont essentiellement… simples. "Un système d'éclairage structuré se compose essentiellement de deux caméras et d'un projecteur", a-t-il déclaré, avec un ordinateur et un logiciel.

Le marché de consommation général détermine la courbe de coût et de qualité de ces composants. L'informatique à ce niveau devient presque gratuite. Les smartphones et les appareils photo grand public produits en série signifient que les appareils photo numériques et les sources de lumière progressent rapidement.

"Les composants fonctionnels, les composants réels de la construction d'un capteur de lumière structuré deviennent beaucoup plus abordables", a déclaré Green. "Vous constatez donc une baisse du coût de possession de ce type d'éclairage structuré de haute qualité, car les composants qu'il contient deviennent plus facilement disponibles et bon marché."

Une fois que le coût du matériel aura baissé, il a déclaré que la pression sur les prix des logiciels associés augmenterait. Avec la diminution du coût total de possession, cela ouvre la voie à l'utilisation des systèmes d'éclairage structuré désormais peu coûteux dans des utilisations dédiées, selon Green. Pensez à la mesure de l'espacement et de l'affleurement dans la carrosserie automobile en blanc ou à l'inspection à 100 % des caractéristiques individuelles d'une cellule d'usinage par des capteurs individuels.

"Pour les bonnes applications, nous aurons des capteurs beaucoup plus intelligents et beaucoup plus proches du lieu de production", a-t-il déclaré. "Le rôle dans le logiciel de bureau pour ces applications ressemblera beaucoup plus à un agrégateur d'informations."