Introduzione Capitolo 1

Capitolo 1

Introduzione

Il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione (DIMNP) della facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Pisa è, ormai da diversi anni, impegnato in attività di ricerca riguardanti vari aspetti della progettazione assistita di strutture meccaniche e, soprattutto in questo ultimo periodo, ha dedicato parte delle sue risorse ad un settore innovativo e di primaria importanza come la Reverse Engineering.

Le attività svolte riguardano in larga parte lo sviluppo di metodi ottici per il rilievo senza contatto della forma di prototipi fisici, utilizzando procedure integrate con sistemi CAD, al fine di ottenere i corrispondenti modelli geometrici direttamente in ambiente di progettazione.

Sempre in quest’ultimo periodo è nato uno stretto rapporto di collaborazione tra il DIMNP e l’azienda Nuovo Pignone di Massa, leader mondiale nella produzione di compressori centrifughi di grosse dimensioni; proprio dal connubio tra queste due realtà è nata l’idea che ha portato alla realizzazione di questa tesi. Il lavoro svolto riguarda, infatti, lo sviluppo di un sistema di visione, che consenta di ricostruire il modello tridimensionale completo delle casse dei compressori alla fine del loro ciclo produttivo, per rilevarne le dimensioni effettive e svolgere quindi una procedura di collaudo alternativa a quella attualmente in uso.

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2 Il sistema sviluppato nell’ambito di questa tesi si colloca nel gruppo dei sistemi ottici di rilevazione con tecnologia attiva e, più precisamente, può essere definito come un sistema di visione stereo a luce codificata [1,2,3]. I suoi componenti principali si identificano in due telecamere dotate di sensore CCD, utilizzate per l’acquisizione delle immagini, un comune proiettore multimediale, utilizzato come sorgente di luce strutturata, ed un personal computer per il processamento dei dati. Il suo funzionamento, per quanto riguarda la rilevazione delle superfici, si basa sul metodo noto anche in letteratura col nome di gray coding [4,5], che consiste nella proiezione e contemporanea acquisizione di una serie di immagini a frange bianche e nere, il cui periodo viene progressivamente dimezzato, consentendo nel contempo di associare ad ogni pixel dell’immagine acquisita un codice binario, che verrà poi utilizzato per risolvere il problema delle corrispondenze nella fase di ricostruzione. Per quanto riguarda invece la ricostruzione tridimensionale dell’oggetto, si fa uso della triangolazione attiva [6,7].

Considerate le notevoli dimensioni delle superfici da rilevare e quindi l’impossibilità di effettuare la ricostruzione attraverso un’unica scansione, è necessario eseguire più acquisizioni per rilevare l’intero oggetto. Di conseguenza, è stata sviluppata una procedura automatica di allineamento basata sulla fotogrammetria. La fotogrammetria rappresenta una consolidata tecnica di misurazione, che consente di ottenere informazioni circa la posizione, le dimensioni e la forma di un oggetto, tramite l’analisi di alcune sue fotografie [8,9,10,11,12]. A differenza però di alcuni sistemi presenti sul mercato già da qualche tempo, in cui la procedura di determinazione dei punti di passaggio per l’allineamento viene eseguita in una fase separata dal processo di acquisizione vero e proprio, nel sistema proposto la fase fotogrammetrica è completamente integrata nel processo di acquisizione della nuvola di punti.

La prima parte del lavoro consiste sostanzialmente nell’apportare delle modifiche ad un sistema di visione sviluppato nel corso di una precedente tesi. Il sistema, in questo caso, era dotato di una sola telecamera e il proiettore veniva utilizzato sia come sorgente di luce strutturata, sia come seconda telecamera. Con questo tipo di configurazione sono stati ottenuti risultati più che soddisfacenti per quanto riguarda la ricostruzione della forma, mentre la precisione raggiunta nell’applicazione della fotogrammetria per l’allineamento delle singole nuvole si è

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3 rilevata insufficiente per consentire di adoperare lo stesso sistema in questa nuova applicazione. Abbiamo riscontrato che gli errori introdotti in fase di ricostruzione delle nuvole di punti erano dovuti sostanzialmente agli effetti di distorsione introdotti dall’ottica del proiettore, che non si riescono a compensare in fase di calibrazione del sistema; pertanto, abbiamo pensato di introdurre una seconda telecamera, lasciando il proiettore solo come sorgente di luce strutturata. Abbiamo inoltre sostituito i vecchi obbiettivi con obbiettivi di misura, che presentano delle qualità ottiche superiori, sempre con l’intento di minimizzare gli effetti di distorsione comunque introdotti da un sistema di lenti, anche se, nel caso specifico delle telecamere, è possibile compensarli parzialmente in fase di calibrazione. Quindi sono state effettuate delle prove sperimentali in laboratorio, per valutare la bontà e i benefici dei cambiamenti introdotti, consentendoci anche di apportare alcune modifiche al software di gestione del sistema, per adattarlo alla nuova configurazione e migliorarne le prestazioni, sia in fase di acquisizione che in fase di ricostruzione.

La seconda parte del lavoro è stata invece svolta all’interno degli stabilimenti della Nuovo Pignone di Massa, dove, sostanzialmente, sono state condotte una serie di prove sperimentali direttamente sulle casse messe a nostra disposizione. Come prima cosa abbiamo cercato di determinare la distanza ottimale di scansione come compromesso tra le dimensioni della singola inquadratura e la precisione dei dati rilevati, chiaramente in funzione della precisione richiesta per questo tipo di applicazione. Siamo poi passati ad effettuare prove più specifiche, per determinare la tipologia e la disposizione ottimale dei marker necessari per l’individuazione dei punti di passaggio nella procedura di allineamento. Raggiunti dati per noi soddisfacenti in relazione al grado di precisione richiesto, è stato affrontato uno studio dettagliato della procedura di collaudo attualmente utilizzata, per comprendere meglio il tipo di misurazione che viene effettuato e cercare quindi di realizzare effettivamente una procedura alternativa in grado di soddisfare le richieste, sia in termini di tempo sia, soprattutto, in termini di risultati. La procedura sviluppata consiste quindi in una prima fase, in cui viene eseguita la digitalizzazione della superficie interna ed esterna della cassa, consentendo la ricostruzione del modello tridimensionale reale completo, e in una seconda fase di elaborazione delle nuvole di punti, per determinare le dimensioni reali di quelle grandezze specificatamente richieste in fase di collaudo.

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4 Infine sono stati condotti dei rilievi completi di alcune casse, applicando la nuova procedura sviluppata, confrontando poi i risultati ottenuti con quelli dei piani di collaudo redatti dagli operai specializzati, addetti all’attuale procedura di collaudo.