SCANNER DE TRIANGULAÇÃO LASER PARA PROTOTIPAGEM 3D Autores: Evandro Francisco WEISS, Felipe Augusto SCHIQUETTI, Eduardo Bidese PUHL Identificação autores: Aluno da Ciência da Computação, Bolsista IFC Rio do Sul, Orientador IFC Rio do Sul. Introdução Atualmente os processos de fabricação empregados em diferentes meios da indústria utilizam ferramentas computacionais que auxiliam no desenvolvimento de produtos. Novas ferramentas de CAD-CAE-CAM estão disponíveis para auxiliar no projeto, dimensionamento e manufatura de novos produtos. A prototipagem rápida é uma ferramenta que tem destaque na validação de princípios de funcionamento e design. Esta ferramenta permite encurtar o tempo de fabricação de um produto colocando-o em testes práticos funcionais antes mesmo de seu projeto finalizado. Outra ferramenta atualmente empregada no desenvolvimento de produtos é o scanner 3D. O scanner 3D é responsável por digitalizar ou escancear as superfícies de um objeto físico gerando um modelo computacional. Atualmente, estes modelos são a base para todo o desenvolvimento e fabricação de um produto. Desta forma, o escaneamento de uma peça tem papel fundamental na reprodução, retrabalho ou reprojeto de um produto. Existem diferentes tecnologias disponíveis em equipamentos digitalizadores, cada uma delas apresenta diferentes benefícios, limitações e custos. O scanner apresentado neste trabalho utiliza a tecnologia de triangulação laser que se destaca por sua robustez. A triangulação laser é uma das técnicas ópticas mais utilizadas tanto em medições 2D como 3D e têm como componentes principais uma câmera para aquisição das imagens, uma fonte de luz estruturada e uma unidade de processamento de imagem. Apesar de esta tecnologia existir há mais de duas décadas, sua velocidade de escaneamento e exatidão evoluíram muito nos últimos anos devido, principalmente, ao aprimoramento dos componentes como lasers de baixo custo e melhor qualidade e desenvolvimento de sensores do tipo CCD presentes em webcams. (Buschinelli, 2007) O scanner apresentado neste artigo foi construído com materiais de baixo custo e serve como protótipo para estudo das tecnologias envolvidas e desenvolvimento de novos equipamentos.
Material e Métodos Nos scanners de triangulação laser o escaneamento é realizado relacionando as posições da fonte de laser e da câmera. A Figura 1 representa disposição dos elementos de um sistema de triangulação laser onde a câmera e o projetor laser são posicionados de modo que a folha de luz atravesse campo de visão da câmera. A imagem de um mensurando que atravessa o plano da folha de luz contém uma linha luminosa que carrega informações sobre o formato do mensurando em uma determinada secção. Esta imagem ao ser capturada por uma câmera é interpretada para realizar a medição da geometria do mensurando. Para realizar o escaneamento completo do mensurando o mesmo é movimentado ao longo do eixo X onde são realizadas medições ao longo de seu comprimento. (Hartley e Zisserman, 2004) Figura 1. Representação dos elementos de um scanner de triangulação laser (Buschinelli, 2007) Para realizar a medição de uma peça câmera captura a imagem da linha laser para ser realizado o processamento. Primeiramente o software identifica a posição da linha na imagem em pixels. De acordo com a Figura 2 a imagem capturada é formada por j linhas e i colunas de pixels. O perfil de luminosidade de cada coluna i é analisado para definir o pixel que se encontra mais próximo do centro de luminosidade da linha laser na secção em análise. A câmera utilizada gera uma imagem com 640 colunas "i" e por 480 linhas "j.
Figura 2 Detecção do centro de luminosidade da linha do laser. (Buschinelli, 2007) As coordenadas (i,j) dos pixels encontrados como posição central da linha luminosa servem de entrada para a equação de calibração do sistema, dando origem a posição (y,z) da coordenada da superfície do mensurando. Movimentando o mensurando de forma controlada ao longo do eixo x é possível conhecer a posição (x,y,z) da peça. A equação de calibração é a relação entre a posição de um pixel na imagem (i,j) e as coordenadas do ponto correlato na superfície do mensurando. Existem diferentes métodos para realização da calibração de um sistema de triangulação laser. Neste trabalho será descrito o método empregado da calibração geométrica. Resultados e discussão O princípio de funcionamento de um equipamento que usa triangulação laser é fundamentado nas posições relativas entre a câmera e o projetor laser. Para garantir este posicionamento foi realizado o modelamento dos componentes para dar origem ao projeto mecânico do sistema. O scanner apresentado nos resultados foi modelado em software CAD para garantir a disposição dos principais componentes. Adicionalmente, foi desenvolvida uma mesa de deslocamento para movimentação do mensurando. Esta mesa foi construída a partir de sucatas de drive de CD ROM e é controlada por um Arduino que se comunica com o software de controle do sistema e será apresentada nos resultados deste trabalho. A webcam utilizada neste projeto foi a C270 Logitech adaptada para focar em distâncias entre 15 e 20 cm.
O scanner deve operar conectado a um computador com disponibilidade de portas USB. O software de controle foi desenvolvido em linguagem JAVA e empregou as bibliotecas de processamento do OpenCV (Bradski, 2008). As principais funções o software são realizar o processamento de imagens, cálculos de calibração e a comunicação com o Arduino para controle da posição da mesa de deslocamento. Para realizar um escaneamento de uma superfície é necessário movimentar o mensurando com a mesa de deslocamento. O software de controle comanda a câmera para a captura da imagem, em seguida comanda o Arduino para realizar a movimentação da mesa de uma distância conhecida. Este deslocamento da origem a coordenada X dos pontos capturados. O scanner apresentado neste trabalho foi testado no escaneamento de peças de geometria simples. A Figura 3 apresenta o scanner conectado à porta USB de um computador, a mesa de deslocamento controlada pelo Arduino e uma peça posicionada para o escaneamento. Esta peça é um modelo plástico de um besouro apresentado na Figura 4 A. Foram realizadas várias medições sobre a superfície do besouro criando vários pontos em coordenadas (x,y,z) dando origem a um arquivo de extensão *XYZ (Openblabel, 2015). Este arquivo foi aberto no software Meshlab uma ferramenta opensource para visualizar e editar arquivos de pontos e superfícies escaneadas. (Meshlab, 2015). A Figura 4 B apresenta a nuvem de pontos medidos sobre a superfície do besouro. É possível observar que a nuvem de pontos representa a superfície do modelo, entretanto o erro de medição presente neste escaneamento não foi avaliado. As dimensões da nuvem de pontos são bastante próximas das dimensões do modelo, mas apresentando variações da ordem de 0,3 mm. Para melhor definir o erro de medição do scanner seriam necessários novos ensaios. Scanner 3D Arduino Mesa de deslocamento Figura 3. Scanner de triangulação laser para prototipagem 3D.
Figura 4. Modelo escaneado e nuvem de pontos. Conclusão O scanner desenvolvido foi capaz de escanear peças de geometria simples. O desenvolvimento deste trabalho proporcionou o estudo de técnicas de processamento de imagem e metrologia óptica levando ao aluno bolsista uma excelente oportunidade de aprendizado. Os filtros de processamento de imagem aplicados neste scanner ainda podem ser melhorados, aumentando a robustez do equipamento frente a variações de luminosidade do ambiente. Em trabalhos futuros esta tecnologia poderá ser aplicada no controle de qualidade geométrico de peças de diferentes áreas da indústria. Referências Bradski, G.; Kaehler, A.Learning opencv. 1a edição. O Reilly Media, 2008. BUSCHINELLI, Pedro de Deus Vieira. DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA ÓPTICO POR TRIANGULAÇÃO CÔNICA PARA INSPEÇÃO DO PERFIL INTERNO DE DUTOS. Dissertação Curso superior- Curso de Pós-Graduação em Metrologia Científica e Industrial, UFSC, Florianópolis, 2007. HARTLEY, R.; ZISSERMAN, A. Multiple View Geometry in Computer Vision. Cambridge University Press, 2004. MESHLAB, http://meshlab.sourceforge.net/. Acesso em: 15 junho 2015. OPENBLABEL, XYZ, http://openbabel.org/wiki/xyz_(format). Acesso em: 15 junho 2015.