Triangolazione in metrologia

La precisione e l’affidabilità dei risultati hanno la massima priorità nella metrologia. Questo è l’unico modo per garantire che i componenti soddisfino gli standard di qualità e sicurezza. La triangolazione, ovvero la misurazione delle distanze attraverso il calcolo degli angoli sulla base di triangoli, è un metodo di misurazione che può essere utilizzato per misurare le superfici degli oggetti. Scopri in questa pagina come si usa la triangolazione in metrologia e cosa sono la proiezione di luce strutturata e il metodo delle sezioni luminose.

In metrologia, il metodo della triangolazione viene utilizzato per misurare gli oggetti con l’aiuto di singoli punti e linee laser o, come nell’immagine sopra, con interi schemi luminosi. Una o più telecamere con sensori registrano l’angolo in cui la luce viene riflessa dall’oggetto o la deformazione della luce sulla superficie, nonché la luminosità e la distanza. In questo modo, l’irradiazione della luce e la misurazione dell’angolo producono un’immagine complessiva della superficie dell’oggetto misurato.

La triangolazione era già utilizzata in Europa e in America nel XVII secolo, ma per il rilevamento territoriale. È da qui che nasce il principio. Quando si effettua un rilievo con la triangolazione, un’area viene divisa in triangoli per misurare la distanza. Per i triangoli, è sufficiente conoscere gli angoli e la linea di base per calcolare facilmente le lunghezze mancanti mediante la trigonometria.

Al giorno d’oggi, il principio della triangolazione viene utilizzato ben oltre il rilevamento del territorio, ad esempio nella fotogrammetria o nella scansione 3D. In metrologia, la triangolazione viene utilizzata principalmente per ispezionare i componenti. A questo scopo esistono due diversi metodi di triangolazione:

• Proiezione di luce strutturata (proiezione strutturata)
• Triangolazione laser (triangolazione con metodi di sezionamento della luce)

La triangolazione laser funziona con un singolo punto o linea laser che viene riflesso dall’oggetto misurato e poi rilevato dai sensori. Il principio della proiezione di luce strutturata prevede la proiezione di un ampio schema luminoso sull’oggetto da misurare. Una o più telecamere con sensori catturano la forma del modello di luce, che viene deformato sulla superficie dell’oggetto. Entrambi i metodi sono spesso utilizzati in metrologia; a seconda del compito di misura, è più adatto l’uno o l’altro principio di misura. Approfondisci la triangolazione 3D con il laser e la proiezione strutturata e trova il metodo giusto per il tuo progetto.

Nella triangolazione con proiezione di strutturata, diversi modelli di luce sotto forma di frange o punti vengono proiettati uno dopo l’altro su un oggetto di prova per mappare la forma esatta in un modello 3D. A tal fine, un proiettore e accanto ad esso almeno una telecamera con sensori, ma solitamente due, vengono puntate su una superficie piana. Le telecamere conoscono la distanza tra loro e la superficie e l’angolo di proiezione della luce sull’oggetto. Per avviare la misurazione con la proiezione di luce strutturata, l’oggetto in esame viene posizionato sulla superficie. I modelli di luce vengono proiettati sull’oggetto e si deformano in base alla forma della superficie. Questi modelli di punti o frange alterati vengono rilevati dalle telecamere, fornendo le informazioni necessarie per calcolare la distanza da ciascun punto della superficie nel campo visivo. Si ottiene così la cosiddetta nuvola di punti (mesh STL), cioè un’immagine accurata dell’oggetto misurato composta da molti piccoli punti di misura.

La luce utilizzata per la scansione con proiezione di frange può essere blu o bianca. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, si utilizza la luce blu per ridurre la diffrazione e l’influenza della luce ambientale sulla misurazione. La superficie su cui viene posizionato il target è solitamente nera per evitare i riflessi della luce.

Grazie all’elevata velocità di scansione, soprattutto con l’acquisizione simultanea di molte misure, la proiezione a luce strutturata è molto adatta a compiti di ispezione industriale, come ad esempio:

• Controllo di forma, posizione e contorno
• Confronto tra aree, confronto tra obiettivi ed effettivi
• Completezza
• Posizione dei componenti nei gruppi
• Posizionamento del taglio

Il principio della proiezione di luce strutturata viene spesso utilizzato anche in ambito forense, in quanto è adatto anche agli oggetti più piccoli. La proiezione strutturata è piuttosto inadatta per oggetti trasparenti o fortemente riflettenti da misurare.

Vantaggi della proiezione di luce strutturata:

• Informazioni 3D areali con risoluzione costante
• Alta densità di punti di misura
• Alta velocità di misura
• Configurazione di misura flessibile e portatile

Svantaggi della proiezione di luce strutturata

• Requisiti più elevati per la tecnologia di proiezione
• Le superfici traslucide o riflettenti possono richiedere un pretrattamento
• La luce ambientale può influenzare le misurazioni
• Le superfici ruvide rendono difficile la misurazione della distanza con un punto laser (le linee laser non sono interessate)

L’impostazione di una misurazione con il metodo delle sezioni luminose, anch’esso basato sulla triangolazione, è simile a quella della proiezione di luce strutturata. Un oggetto di misura viene posizionato su una superficie piana, di solito un tavolo di rotazione, e un proiettore e una fotocamera o un sensore vengono posizionati sopra di esso. Questi tre punti formano il triangolo di triangolazione, che può essere utilizzato per eseguire i calcoli. Tuttavia, rispetto alla proiezione strutturata in cui un modello di frange o punti viene proiettato sul target, la triangolazione con il laser utilizza solo un singolo punto o linea laser. Anche in questo caso il fattore decisivo non è la deformazione diretta della luce sulla superficie, ma la riflessione della luce. La superficie dell’oggetto misurato riflette la linea o il punto laser proiettato in direzione della telecamera. La telecamera rileva il riflesso e calcola la distanza da ciascun punto del campo visivo in base all’angolo di riflessione.

Poiché la linea o il punto laser cattura solo una parte dell’oggetto e non l’intera superficie in un’unica scansione come nel caso della proiezione di luce strutturata, è necessario spostare l’oggetto di misura o i sensori. Un’installazione di misura stabile è quindi essenziale per la triangolazione con il metodo delle sezioni luminose, per garantire un’elevata precisione della misura.

Grazie al principio di misura della triangolazione laser, è possibile effettuare misurazioni molto precise nei più piccoli intervalli micrometrici. Ma anche distanze maggiori non costituiscono un problema con il metodo di triangolazione a sezioni luminose. Pertanto, questo metodo di triangolazione è un metodo di misura molto diffuso nei processi di produzione industriale. Può essere utilizzato per il controllo qualità, la misurazione di profili e contorni, nonché per determinare lo spessore del materiale, le vibrazioni e le distanze. Con la triangolazione ottica laser, gli oggetti difettosi possono essere individuati precocemente e rimossi dai processi di produzione per essere riparati o riciclati. Per i metalli lucidi, la misurazione con la triangolazione laser è solitamente migliore di quella con la proiezione strutturata. La riflessione potrebbe fornire segnali errati nel principio di misurazione con pattern di frange, mentre il metodo con il laser funziona proprio con questa riflessione. Le superfici troppo lucide possono comunque causare problemi quando si misura con la triangolazione. Il principio della triangolazione laser viene utilizzato frequentemente anche nel settore dell’imballaggio e del legno, nella logistica, nella tecnologia medica e nella produzione elettronica.

La triangolazione laser funziona con luce laser blu o rossa. La luce rossa penetra nel bersaglio, mentre il laser blu forma un punto o una linea netta sulla superficie. Inoltre, il laser blu è in grado di fornire risultati precisi sugli oggetti incandescenti, mentre i sensori rossi sono irritati dai metalli rossi incandescenti e forniscono falsi segnali. Per le superfici scure, i laser rossi possono mostrare il loro vantaggio in quanto forniscono una maggiore intensità luminosa. Anche le superfici ruvide vengono misurate con il laser rosso utilizzando la triangolazione, mentre la luce blu è più adatta per le superfici lisce.

Vantaggi degli scanner laser:

• Indipendente dalle condizioni di luce ambientale
• Elevata precisione delle misure
• Alta velocità di misura
• La testa del sensore può essere montata su sistemi di misura esistenti, ad esempio su una macchina di misura a coordinate
• I metalli lucidi possono essere misurati

Svantaggi degli scanner laser:

• La perdita di risoluzione è possibile a causa della granulazione e del movimento del laser
• Nessuna affidabilità di processo, poiché le misure dipendono dalla temperatura
• Gli oggetti molto lucidi o traslucidi sono difficili da misurare

Con i sensori a triangolazione ATOS è possibile eseguire misure estremamente precise e ottenere risultati affidabili. Due telecamere e un proiettore consentono i processi di misurazione con i metodi di proiezione di luce strutturata e di sezione luminosa.

I digitalizzatori 3D ATOS offrono un dettaglio molto speciale: I sensori di triangolazione destro e sinistro possono essere utilizzati singolarmente in combinazione con il proiettore. Ciò significa che con una sola scansione è possibile acquisire tre diverse viste dell’oggetto misurato. Ciò consente di risparmiare molto tempo, in quanto il numero di scansioni individuali si riduce notevolmente, anche per i componenti complessi.

Un altro vantaggio di questo metodo Triple Scan è la sovradeterminazione. Catturando il componente con due telecamere contemporaneamente, si raccolgono più informazioni di quelle che sarebbero necessarie per mappare il modello 3D. Più dati significano maggiore precisione. Vengono rilevati i movimenti del sensore e del bersaglio e i cambiamenti ambientali, viene controllata l’accuratezza della trasformazione e la posizione del sensore 3D viene tracciata in tempo reale. Ciò consente di effettuare le misure con la massima precisione e di aumentare l’affidabilità del processo. Il grafico seguente mostra il processo Triple Scan con sovradeterminazione tramite i sensori ATOS.

Nella proiezione di luce strutturata, i sensori di triangolazione ATOS funzionano con la Blue Light Technology: la luce blu a banda stretta proveniente dall’unità di proiezione consente allo scanner di effettuare misurazioni precise indipendentemente dalle condizioni di luce ambientale e persino dalle superfici lucide. Grazie al funzionamento completo dei sensori di triangolazione, viene creata un’immagine accurata dell’oggetto.

Per effettuare le misurazioni con la proiezione strutturato, un pattern strutturato di frange viene proiettato sull’oggetto da misurare. Il pattern di frange codificato cambia rapidamente durante la scansione ed è appena visibile all’occhio umano. È qui che entra in gioco la funzionalità degli scanner di luce strutturata. I due sensori di triangolazione rilevano le strisce mutevoli e le utilizzano per calcolare le coordinate 3D di ciascun pixel della telecamera utilizzando le equazioni di trasformazione ottica. Milioni di punti di misura con dettagli finissimi vengono così acquisiti senza contatto in pochi secondi. Il software del sensore crea automaticamente una nuvola di punti ad alta risoluzione che rappresenta un’immagine precisa dell’oggetto di misura.

Con la potente combinazione dei sensori ATOS e del sistema di misura fotogrammetrico TRITOP, anche le ispezioni di oggetti grandi e complessi non rappresentano un problema. TRITOP viene utilizzato per misurare i punti di riferimento sul componente, mentre ATOS utilizza i punti di riferimento per trasformare automaticamente le singole misure. In questo modo si ottiene una precisione molto elevata e si può fare a meno di sovrapporre le misure. Questa combinazione imbattibile è particolarmente utile per l’analisi iniziale dei componenti, la costruzione di attrezzature e la scocca. Utilizza anche tu la potente combinazione di ATOS e TRITOP per i tuoi processi di misura complessi.