Progettazione di prese fotogrammetriche automatiche per applicazioni di metrologia industriale ad alta precisione

Il Progetto TACCO, co-finanziato da EIT Manufacturing, ha come obiettivo lo sviluppo di un sistema innovativo di metrologia industriale, tramite approccio fotogrammetrico, per raggiungere il nuovo paradigma dello Zero Defect Manufacturing, nell’ambito della Smart factory. Quando si producono pezzi di grandi dimensioni, l’incorretto fissaggio o posizionamento possono essere fonte di errori, scarto di materiale, tempi morti e, di conseguenza, uno spreco di risorse e denaro. La produzione di tali componenti in un processo a Difetti Zero richiede un allineamento manuale di pezzi grezzi di grandi dimensioni prima della loro lavorazione, soggetta così a rallentamenti della produttività (fino al 20-25 percento del tempo totale di lavorazione) dovuti proprio a questi processi manuali lunghi e dispendiosi in termini di tempo, con un’alta intensità di manodopera e fortemente dipendenti da operatori qualificati per l’utilizzo di strumenti di misura specializzati (es. laser-tracker) e software metrologici. Il progetto TACCO mira a sviluppare un nuovo sistema per la lavorazione rapida, affidabile e accurata di pezzi grezzi di grandi dimensioni, utilizzando un approccio modulare, flessibile e facile da usare basato sulla fotogrammetria digitale. Attraverso il posizionamento di marker, scale bar e igloo multimarker tutti univocamente codificati, applicati a contatto con il pezzo grezzo su cui fare lavorazioni meccaniche (fresatura), l’operatore acquisirà una serie d’immagini che permetterà al sistema (tramite tecnica fotogrammetrica) di calcolare l’overstock nei singoli punti da lavorare con elevate le precisioni (1:10.000 verso 1:100.000). Utilizzando poi strumenti di Realtà Aumentata, si vuole guidare gli utenti non esperti nell’individuazione della posizione ideale da cui scattare le immagini, minimizzando gli errori e contestualmente i tempi relativi alla misurazione del pezzo stesso e, conseguentemente, anche i costi relativi all’intero processo metrologico. Il contributo qui proposto intende presentare i risultati preliminari circa l'ottimizzazione degli algoritmi per la fotogrammetria industriale. In particolare, è proposto un approccio innovativo utilizzando un metodo Monte Carlo che si basa su un campionamento casuale ripetuto delle diverse caratteristiche dei sistemi di misura per ottenere una soluzione ottimale. Questa soluzione può essere estratta minimizzando una funzione di costo che riassume numerosi parametri analitici legati al requisito del sistema di misura (ellissi d’errore dei punti rilevati, molteplicità, qualità dell’intersezione, ecc.) Per far fronte a questo problema di ottimizzazione, è stato definito un flusso di lavoro sequenziale e la procedura prevista è ispirata alla progettazione secondo l’ordine di livello della rete geodetica, utilizzando la simulazione dei minimi quadrati, in cui ogni passaggio fissa una parte del progetto finale. Il flusso di lavoro inizia importando il file CAD del componente da analizzare nell'ambiente MATLAB. In queste fasi iniziali, il modello CAD è rappresentato da un semplice parallelepipedo, una geometria ottimale con elevata ridondanza, per essere successivamente adattata all'elemento reale. Sulle facce del modello 3D è così possibile generare una griglia a passo costante in modo da posizionare i target non codificati sui punti di interesse per la successiva lavorazione e finitura del pezzo. Anche se la posizione di questi target sarà definita in anticipo dall'azienda, al momento sono posizionati in modo e quantità casuali su ciascuna faccia. Sotto i target non codificati, viene aggiunta alla mesh un'ulteriore superficie sporgente per simulare il materiale extra da fresare. Dopo queste fasi preliminari, seguono quelle relative alla progettazione secondo la sequenza presente. La prima fase (Zero Order Design) mira a definire la migliore posizione del sistema di coordinate. Successivamente si definisce la posizione delle barre di calibrazione (First Order Design), e la posizione di alcuni target codificati (al momento randomizzati), qui denominati igloo per la loro forma (Second Order Design). Una volta creato all'interno dello scenario il componente con tutte le parti ausiliarie necessarie per la misura con tecnica fotogrammetrica, si definisce la generazione delle traiettorie casuali per l'acquisizione delle immagini (Third Order Design). Questo passaggio consente infine di determinare la posizione migliore per l’acquisizione delle immagini.