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SEGNALATO PER VOI

Un profilometro ottico 3D per la caratterizzazione dimensionale di pezzi meccanici

di Andrea Bandera, Maurizio Donini, Andrea Pasquali *

(*) Nirox srl, Brescia - info@nirox.it


ABSTRACT
We present Spotsurf, a 3D optical profilometer based on microscopy optics. This measuring system reconstructs shape and roughness of mechanical parts and microstructures down to sub-micron accuracy.

RIASSUNTO
Nirox presenta il profilometro ottico 3D SpotSurf. Spotsurf è stato progettato e sviluppato per il controllo dimensionale di pezzi meccanici nel settore aerospaziale e consente la misura di dimensioni e l’analisi di pezzi senza contatto con precisioni sub micrometriche.

IL CONTROLLO DIMENSIONALE DEI PEZZI

Il controllo dimensionale di pezzi lavorati a macchina è un settore nel quale, nel corso degli ultimi anni, si è potuto assistere a una vera e propria rivoluzione copernicana. Accanto ai sistemi di misura più tradizionali quali le CMM (coordinate measuring machine), hanno fatto la loro comparsa sul mercato sistemi di visione ad altissime prestazioni di misura. I motivi fondamentali del loro successo sono l’assenza di contatto tra il sistema di misura e il misurando, nonché la possibilità di effettuare le misure dimensionali anche su particolari altrimenti non accessibili per via delle dimensioni finite dello stilo di tastatura utilizzato sulle CMM.
Nirox, in seguito a esigenze di misura riscontrate nell’ambito del controllo dimensionale di precisione di pezzi meccanici destinati al settore aerospaziale, ha progettato, sviluppato ed ingegnerizzato SpotSurf, un profilometro ottico tridimensionale. Tale sistema di misura, visibile in Fig. 1, si basa sull’approccio noto come shape from focus [1, 2].

Si tratta di un sistema ottico per microscopia dotato di obiettivo con profondità di fuoco molto ridotta (inferiore a 15 µm); questa caratteristica si traduce nella possibilità di riprendere a fuoco (mediante una opportuna camera CCD) tutte e sole le parti del pezzo in esame che si trovano a una distanza dall’obiettivo pari alla distanza di lavoro. Facendo variare la distanza tra il sistema ottico e il pezzo in analisi è possibile ricostruire una mappa della quota alla quale ciascun pixel della camera di ripresa fornisce una porzione del pezzo meccanico in analisi correttamente a fuoco. Tale mappa rappresenta l’informazione cercata, ossia l’insieme delle terne di punti (x,y,z) appartenenti alla superficie del pezzo in esame.
Il campo inquadrato dal sistema ottico dipende dall’ingrandimento fornito dall’obiettivo utilizzato. Per consentire la ricostruzione di particolari meccanici le cui dimensioni nel piano oggetto sono superiori a quelle del campo inquadrato, è stato implementato un sistema di acquisizione e di movimentazione automatizzata del pezzo (stitch). Lo stitch consente di effettuare una serie di scansioni verticali, ciascuna delle quali fornisce una diversa porzione del pezzo in analisi. Dopo aver adeguatamente unito le informazioni derivanti da ciascuna scansione verticale, si ottiene una mappa complessiva del pezzo in analisi. In questo modo le dimensioni massime del cuboide che contiene il pezzo da analizzare sono incrementate fino a 100x100x50 mm.

SPOTSURF: IL SISTEMA FLESSIBILE DI ANALISI DI PEZZI MECCANICI

Le prestazioni di misura del profilometro ottico SpotSurf dipendono, in gran parte, dalle caratteristiche ottiche dell’obiettivo utilizzato nel sistema di imaging. Per soddisfare le diverse esigenze della propria clientela, Nirox ha pertanto previsto la possibilità di dotare SpotSurf di un revolver per obiettivi, ossia di una meccanica in grado di alloggiare contemporaneamente fino a quattro diversi obiettivi. La Tab. 1 riporta le caratteristiche ottiche fondamentali degli obiettivi che si possono alloggiare sul revolver.

La profondità di fuoco degli obiettivi riportati in Tab. 1 è indice della precisione raggiunta dal sistema di misura; ne deriva pertanto che, utilizzando ingrandimenti elevati (ad esempio 50x), la precisione del sistema è sub-micrometrica. Ciò rende possibile l’analisi di rugosità del pezzo in esame, accurate analisi di forma del pezzo, e la rivelazione di eventuali discrepanze rispetto alla forma teorica che dovrebbe possedere.
SpotSurf può essere utilizzato con successo anche nel caso di reverse-engineering di pezzi: la nuvola di punti del pezzo in esame, infatti, può essere esportata nei più comuni formati di lavoro 3D (ad esempio .stl). A titolo di esempio vengono di seguito riportati due esempi di scansioni effettuate su diversi pezzi meccanici. La Fig. 2 mostra un'acquisizione effettuata su un particolare di una chiave di automobile. Si noti come da tale figura risultino evidenti le disuniformità di lavorazione del fondo dello scalino e dell’apice delle pareti.

La Fig. 3 mostra invece l’interfaccia utente al termine della scansione di un ugello di scarico. Da tale interfaccia si può vedere (nella parte sinistra) l’immagine live acquisita dal sistema ottico durante le fasi di misura. La parte destra dell’interfaccia mostra invece il risultato del mosaico costruito durante le fasi di misura. Al termine dell’acquisizione della forma del pezzo, il mosaico ottenuto può essere rototraslato e ingrandito per apprezzare appieno quanto rivelato dallo strumento.

SPOTSURF: PRESTAZIONI DI MISURA

Le prestazioni di misura del sistema SpotSurf sono garantite da una intensa fase di caratterizzazione metrologica e funzionale che parte dai singoli componenti dello schema ottico e dall’hardware di movimentazione fino ad arrivare al sistema completo. La calibrazione della misura della coordinata z è ottenuta mediante l’utilizzo di campioni di riferimento piano-paralleli certificati, necessari anche alla valutazione delle prestazioni sulle coordinate (x,y).
L’accuratezza sulla singola misura di quota è inferiore al micron. La precisione della misura di coordinata z è invece legata al tipo di ingrandimento scelto. Per un sistema in configurazione standard destinato ad analisi della forma e dimensioni, equipaggiato con ingrandimento 5x, la precisione ottenuta è inferiore a 9 μm. La precisione di misura sulle coordinate (x,y) è determinata dall’hardware di movimentazione e dal montaggio del sistema stesso sul portale in granito; nel sistema standard risulta inferiore ai 5 μm.

Sistemi di misura con prestazioni elevate e all’avanguardia necessitano di software in grado elaborare in modo semplice ed intuitivo l’informazione, sintetizzandola in un output che permetta al cliente di fruire rapidamente del valore aggiunto che ogni strumento di misura offre.
La collaborazione con il Laboratorio di Optoelettronica (Optolab) dell’Università di Brescia ha permesso di integrare nell’interfaccia software del sistema una serie di algoritmi di fitting di superfici 3D standard e complesse; tali algoritmi, sviluppati dal Laboratorio, consentono l’analisi delle scansioni effettuate dal sistema in modo completamente automatizzato.

 

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

[1] S.K.Nayar, “Shape from focus system”, IEEE proceedings, 1992
[2] S.K.Nayar, Y.Nakagawa, “Shape from focus: an effective approach for rough surfaces”, IEEE proceedings, 1990.

 

GLI AUTORI

Andrea Bandera è partner di Nirox srl. Svolge attività di consulenza e si occupa dello sviluppo di sistemi di misura per il settore di trasformazione delle materie plastiche per applicazioni industriali ed alimentari

Maurizio Donini è partner di Nirox srl. È responsabile delle attività connesse all’utilizzo della spettroscopia NIRS per applicazioni biomedicali.

Andrea Pasquali è partner di Nirox srl. Si occupa dello sviluppo di sistemi di misura per il settore di trasformazione del vetro e delle materie plastiche per applicazioni medicali e farmaceutiche

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