Solutions de vision structurée avancées pour une fabrication de précision

Les fournisseurs livrent des capteurs variés pour répondre aux besoins et budgets des utilisateurs industriels. Alors que les prix baissent et que la capacité grandit, la question est : quelle est la prochaine meilleure application ?

Les systèmes à lumière structurée 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 le micron unitaire sur des millions de points. Les taux de capture sur certains équipements plus récents sont mesurés en millisecondes. L'abordabilité et le choix grandissent parmi ces capteurs. Bien que la plupart restent des configurations stéréo à deux caméras, certains utilisent des configurations à caméra unique pour un déploiement plus flexible, surtout près des lignes de production. Plus de déploiements et plus d'applications sont les marques de l'industrie.

L'un des pionniers du domaine était GOM, une entreprise qui élargit maintenant les options dans sa ligne ATOS de systèmes à lumière structurée. « Dans le passé, tout le monde regardait les capteurs ATOS comme le scanner haut de gamme mais cher. Mais maintenant [GOM] offre une ligne complète de scanners à lumière structurée », a dit Frank Stone, gestionnaire national ingénierie des ventes pour Capture 3D Inc., Santa Ana, Californie, un revendeur à valeur ajoutée de capteurs ATOS. « Ils ont reconnu que pour étendre le marché, vous devez livrer à une grande variété de clients — tout le monde n'a pas besoin de tolérances et précisions aussi serrées que d'autres », a-t-il dit.

Un bon exemple de comment l'entreprise offre de la variété est son ATOS Core, un système d'entrée de gamme. Il peut grandir en capacité avec les besoins du propriétaire. Les applications d'entrée de gamme telles que l'ingénierie inverse ou le prototypage rapide, selon Capture3D, ont besoin de numérisation sans fonctionnalité d'inspection avancée. Un kit « entrée de gamme » complet inclut un logiciel qui convertit les données de nuage de points en maillages polygonaux formatés STL. Le Core offre un chemin de mise à niveau de l'opération manuelle à l'opération semi-automatisée qui pourrait inclure l'ajout de palpeurs tactiles et de photogrammétrie pour des inspections métrologiques de plus haute qualité. Le même dispositif peut aussi être ultimement mis à niveau vers l'automatisation complète pour les inspections de contrôle qualité industriel.

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

Variété dans les sources de projection

Pour étendre l'utilité encore plus, l'ATOS 5X plus avancé utilise une source de lumière beaucoup plus brillante. « L'ATOS 5X utilise un compresseur de lumière laser intégré pour fournir cette source de lumière plus brillante, qui élargit le volume de mesure », a expliqué Stone. « Là où avant nous pouvions seulement mesurer 700 mm, avec cette nouvelle source nous pouvons maintenant mesurer jusqu'à 1 000 mm dans le même temps. Cela prend seulement 0,2 seconde par scan. » Techniquement, c'est encore de la lumière structurée et n'utilise pas la cohérence disponible dans un laser pour faire de l'interférométrie — c'est un dispositif à lumière structurée très brillant mais toujours standard.

Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, Rhode Island, a aussi développé ces dernières années une large gamme de dispositifs de numérisation à lumière structurée. Ils sont groupés en deux technologies de base, celles qui utilisent des projections à frange unique et celles qui utilisent des projections à franges multiples. Les capteurs à projection unique mettent l'accent sur la vitesse et l'utilisation dans des conditions difficiles et incluent le WLS qFLASH, le BLAZE 600 et le WLS 400 d'Hexagon.

« Ces capteurs mettent l'accent sur l'acquisition d'image rapide », a dit Amir Grinboim, gestionnaire de programme technique pour Hexagon. Ceux-ci collectent les données en moyenne en 0,015 seconde, ou 15 millisecondes. La vitesse de collecte est importante — c'est ce qui les rend idéaux dans les réglages d'atelier d'usine. « La philosophie est "mesurez où vous voulez" », a dit Grinboim.

La technologie de projection à franges multiples, d'autre part, est plus lente mais avec une meilleure résolution. Celles-ci incluent les offres AICON d'Hexagon. « Quand nous prenons un cliché, 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 bougent 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 aussi un projecteur DLP Rouge/Vert/Bleu (RVB) dans son capteur le plus récent, l'AICON StereoScan neo. Le capteur a aussi une large gamme de champs de mesure, de 75 mm jusqu'à 1 100 mm. Cela est fait en changeant les lentilles de caméra ou la longueur de base. Le temps d'acquisition est d'environ 2 secondes et le dispositif peut être équipé d'une caméra de 8 ou 16 mégapixels.

Ce pour quoi le projecteur DLP RVB est idéal sont les applications où les mesures peuvent être converties en une carte de couleurs des écarts comparées aux nominaux CAO. Celles-ci sont ensuite projetées de retour sur la pièce qui vient d'être mesurée.

« [C'est] idéal pour le travail de conception, le retravail pour l'outillage, et montrer le surmatériau ou sous-matériau dans la coulée. Tout cela peut être visible pour l'ingénieur directement sur la pièce, sans référence à un écran d'ordinateur ou un PDF », a expliqué Grinboim.

Hexagon appelle cela See What You Measure, ou SWYM. « C'est idéal pour mesurer et travailler avec des coulées, forgages ou plastiques injectés. Si vous avez une pièce à grande géométrie, notre logiciel va automatiquement assembler plusieurs collectes ensemble sans le besoin de cibles de référence sur la pièce », a-t-il dit.

Industrialisation et automatisation

« Les applications populaires [pour les scanners à lumière structurée] incluent l'outillage existant pour l'ingénierie inverse et les applications aérospatiales. Les deux requièrent communément des tolérances de précision plus élevées qui s'adressent au matériel à lumière structurée », a expliqué Greg Groth, gestionnaire de division pour Exact Metrology, Brookfield, Wisconsin. Exact Metrology offre des services de mesure et numérisation sous contrat, des solutions d'équipement métrologique, ainsi que des locations de matériel et logiciel. Il offre ou utilise des dispositifs métrologiques allant des CMM à bras portables aux scanners CT haut de gamme.

L'entreprise utilise aussi les systèmes à lumière structurée GOM ATOS. Ceux-ci incluent l'ATOS II Triple Scan et ATOS III Triple Scan, qu'Exact utilise dans son travail sous contrat. Exact distribue aussi le AICON PrimeScan de Hexagon Manufacturing Intelligence.

L'automatisation devient une utilisation courante des dispositifs à lumière structurée. « Actuellement, le monde de l'automatisation adopte la technologie [lumière structurée]. Alors que les cellules robotiques deviennent plus sûres et plus rentables en parallèle au matériel devenant moins cher, la popularité de l'automatisation en ligne monte », a dit Groth. « Alors que les vitesses d'acquisition augmentent à la sous-seconde, cela ouvre un nouveau monde d'efficiences de débit. »

Il croit aussi que les mots à la mode industriels du jour — tels que IA, Internet des objets et Analytique des Big Data — ont un effet sur l'adoption des systèmes à lumière structurée. « Un grand changement est la rétroaction dynamique, ou un système en boucle. Par exemple, scanner le composant, comparer aux données CAO d'intention de conception, renvoyer ces écarts au processus de fabrication, et faire les changements adaptatifs à l'outillage pour faire des pièces correctes », a-t-il dit.

Ian Scribner, gestionnaire des ventes produit numérisation 3D portable pour Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Brighton, Michigan, a fait écho à cette concentration sur l'automatisation dans ses observations. « [L'automatisation est] où la plupart de la concentration a été au cours des dernières années pour améliorer [notre] logiciel afin d'automatiser le matériel », a-t-il expliqué.

L'histoire des systèmes à lumière structurée que Zeiss offre trace aussi ses racines à l'un des premiers fondateurs du domaine, l'entreprise Steinbichler. Zeiss a acquis l'entreprise et sa technologie il y a quelques années. La ligne COMET de systèmes à lumière structurée de Zeiss vient de cet héritage mais montre maintenant certaines améliorations uniques à Zeiss. Un exemple est le système Zeiss ABIS II utilisé pour la détection de défauts de surface. Il est particulièrement utile pour mesurer les surfaces de carrosserie Classe A dans la fabrication automobile — encore conçu pour une utilisation à ou près de la ligne de production.

Un autre des offres plus récentes de Zeiss est le COMET Pro AE. Le dispositif est utilisé dans les solutions d'automatisation pré-packagées de l'entreprise, AIBox et systèmes AIBox flex. Il illustre aussi une autre tendance prévalente dans les systèmes à lumière structurée par tous les fournisseurs — combiner différentes technologies métrologiques pour améliorer l'automatisation et la précision.

« Le COMET Pro AE est strictement dédié à l'automatisation. Il a quelques caractéristiques additionnelles — incluant la photogrammétrie », a dit Scribner. « Cela aide à capturer des composants plus grands plus vite et avec une meilleure précision. Il a aussi des anneaux de lumière, qui permettent aux utilisateurs de pouvoir scanner la tôle et fournir un meilleur détail de caractéristiques sur les trous ou rainures ou 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 à 25-35 µm de précision, selon Scribner. En fait, ses plus grandes histoires de succès récentes ont été dans l'automatisation de la mesure de pièces en tôle.

Alors que le COMET Pro AE est offert comme un dispositif « en ligne » utile pour les inspections d'échantillons, Zeiss offre aussi une solution à lumière structurée pour l'inspection en ligne avec ses offres AIMax Inline et BestFit. L'entreprise les annonce comme bons pour l'assurance qualité, la reconnaissance de position et les travaux de contrôle de production, incluant le guidage robot.

Le dispositif peut aussi sortir des points de scan convertis en surfaces formatées STL. « Souvent, le COMET AIMax est programmé pour chercher des caractéristiques spécifiques pour faire du gabarit en ligne », a-t-il dit. Puisqu'il est programmable, il évite les pièges du gabarit dur, à un prix de plus en plus abordable.

« Chaque année nous avons vu les systèmes à lumière structurée comme groupe baisser en prix et monter en capacité, ouvrant de nouvelles applications », a dit Scribner. La taille compacte du BestFit est rendue possible par sa technologie à caméra unique. Aussi, reconnaissant l'environnement difficile pour lequel ils sont conçus, les deux capteurs exhibent une stabilité à haute température par compensation active.

Abordabilité et applications

De grands changements arrivent sur le marché des systèmes de vision, selon Scott Green, directeur logiciel pour 3D Systems Inc., Rock Hill, Caroline du Sud. « Il va y avoir un énorme changement dans le marché pour les systèmes à lumière structurée haute résolution », a-t-il dit.

L'entreprise offre une large gamme de produits, des imprimantes 3D aux dispositifs de rétroaction haptique de force, incluant une ligne de systèmes métrologiques à lumière structurée. Le changement dans les systèmes à lumière structurée viendra à cause de la baisse des prix des dispositifs même pendant que la qualité et la couverture de numérisation augmentent, selon Green.

« Ce sont [des systèmes] qui pourront bientôt être achetés par carte de crédit. Aujourd'hui, même, il y a des capteurs à lumière structurée de très bas coût et haute qualité qui se vendent pour moins de 10 000 $ », a-t-il dit — bien loin des systèmes originaux à 100 000 $ plus introduits sur le marché. 3D Systems offre ce qu'il termine un scanner de grade industriel — le Capture et une version plus petite, le Capture Mini. Un autre dispositif portatif utilise aussi la lumière structurée pour des mesures rapides de petits articles.

Comment est-ce possible ? Ces systèmes ont besoin de sources de lumière de haute qualité et précision et de motifs de projection précis. Les caméras ont besoin de capturer des images nettes jusqu'à 16 mégapixels en taille. Il y a beaucoup de logiciels et mathématiques sophistiqués qui entrent dans l'obtention des données de ces composants. Des décennies de raffinement rendent les logiciels et algorithmes plus sophistiqués. Pourtant, il maintient que les systèmes sont en essence... simples. « Un système à lumière structurée est basically deux caméras et un projecteur », a-t-il dit, avec un ordinateur et logiciel.

Le marché grand public général conduit la courbe de coût et qualité dans ces composants. L'informatique à ce niveau devient presque gratuite. Les smartphones produits en masse et les caméras grand public signifient que les caméras numériques et sources de lumière progressent rapidement.

« Les composants fonctionnels, les vrais composants de construction d'un capteur à lumière structurée deviennent beaucoup plus abordables », a dit Green. « Donc vous voyez un changement à la baisse dans le coût de possession pour ce genre de lumière structurée haute qualité alors que les composants à l'intérieur deviennent plus facilement disponibles et bon marché. »

Une fois que le coût du matériel est réduit, a-t-il dit, la pression sur les prix du logiciel accompagnateur augmentera. Avec le coût total de possession diminuant, cela ouvre l'utilisation des systèmes à lumière structurée maintenant peu coûteux dans des usages dédiés, selon Green. Pensez mesurer joint-et-affleurement dans la carrosserie automobile en blanc ou inspection à 100 % de caractéristiques individuelles dans une cellule d'usinage par des capteurs individuels.

« Pour les bonnes applications, nous aurons des capteurs beaucoup plus intelligents qui sont beaucoup plus près du lieu de production », a-t-il dit. « Le rôle dans le logiciel de bureau pour ces applications sera beaucoup plus comme un agrégateur d'informations. »