Metodi e tecniche di Reverse Engineering - Reverse Engineering.pdf · Reverse Engineering ... matematica…

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<p>1</p> <p>Metodi e tecniche di Reverse Engineering</p> <p>Caterina RizziDipartimento di Ingegneria Industriale</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>2</p> <p>2</p> <p>3D Data Capture sistema di acquisizione 3D: strumenti e tecnologie per </p> <p>lacquisizione dei dati 3D da oggetti fisici</p> <p> processo che combina tecnologie hardware (sensori) e software (algoritmi) per catturare i dati 3D misurandoli, al fine di ottenerne una rappresentazione digitale. </p> <p> i punti risultanti - nuvola di punti - vengono processati per essere utilizzati in successive applicazioni che spaziano da:</p> <p> reverse modelling (per prodotto industriale)</p> <p>2</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>3</p> <p>3</p> <p>3D Data Capture sistema di acquisizione 3D: strumenti e tecnologie per </p> <p>lacquisizione dei dati 3D da oggetti fisici</p> <p> processo che combina tecnologie hardware (sensori) e software (algoritmi) per catturare i dati 3D misurandoli, al fine di ottenerne una rappresentazione digitale. </p> <p> i punti risultanti - nuvola di punti - vengono processati per essere utilizzati in successive applicazioni che spaziano da:</p> <p> reverse modelling (per prodotto industriale)</p> <p> reverse engineering (per campo ingegneria)</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>4</p> <p>4</p> <p>3D Data Capture sistema di acquisizione 3D: strumenti e tecnologie per </p> <p>lacquisizione dei dati 3D da oggetti fisici</p> <p> processo che combina tecnologie hardware (sensori) e software (algoritmi) per catturare i dati 3D misurandoli, al fine di ottenerne una rappresentazione digitale. </p> <p> i punti risultanti - nuvola di punti - vengono processati per essere utilizzati in successive applicazioni che spaziano da:</p> <p> reverse modelling (per prodotto industriale)</p> <p> reverse engineering (per campo ingegneria)</p> <p> riproduzione</p> <p>3</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>5</p> <p>5</p> <p>3D Data Capture sistema di acquisizione 3D: strumenti e tecnologie per </p> <p>lacquisizione dei dati 3D da oggetti fisici</p> <p> processo che combina tecnologie hardware (sensori) e software (algoritmi) per catturare i dati 3D misurandoli, al fine di ottenerne una rappresentazione digitale. </p> <p> i punti risultanti - nuvola di punti - vengono processati per essere utilizzati in successive applicazioni che spaziano da:</p> <p> reverse modelling (per prodotto industriale)</p> <p> reverse engineering (per campo ingegneria)</p> <p> riproduzione</p> <p> Archiviazione</p> <p> ispezione</p> <p> analisi</p> <p> controllo qualit</p> <p> medicina</p> <p> campo forense</p> <p> Animazione</p> <p> ---</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>6</p> <p>6</p> <p> in cosa consistericavare il modello geometrico dal modello fisico attraverso due fasi: </p> <p> la digitalizzazione tridimensionale del modello fisico</p> <p> la realizzazione del suo modello geometrico digitale</p> <p>Reverse Engineering </p> <p>Digitalizzazione</p> <p>Realizzazionemodello</p> <p>geometrico</p> <p>Applicazionefinale</p> <p>TecnologiaHardware</p> <p>Prototipazione rapidaModellazione solida</p> <p>FEM..</p> <p>Export Export</p> <p>TecnologiaSoftware</p> <p>4</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>7</p> <p>7</p> <p>Reverse Engineering</p> <p> Come</p> <p> Esistono diverse tecnologie</p> <p> La scelta dipende dal problema</p> <p> Perch integrarla nel processo di progettazione</p> <p> Lintroduzione nel mercato di nuovi prodotti impone ladozione di una serie di metodologie TCT ( Time Compression Technologies) la cui integrazione consente di ottenere significative riduzioni dei tempi di ideazione, progettazione ed ingegnerizzazione.</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>8</p> <p>8</p> <p> E un insieme di operazioni che permettono di ricostruire la geometria di un oggetto 3D a partire dalla geometria e dalle textures visibili in una scena</p> <p> Il modello ottenuto a partire da un insieme di misure prodotte da un insieme di sensori</p> <p> Il modello, inizialmente rappresentato da una nuvola di punti P(x,y,z), viene modificato e completato, per essere usato in un processo di progettazione digitale.</p> <p> Nel campo applicativo dellingegneria, il modello originale deve essere ricostruito rispettando i valori di tolleranza predefiniti.</p> <p> riassumendo</p> <p>5</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>9</p> <p>9</p> <p>Ricostruzione mesh poligonale</p> <p>Ricostruzione superficie parametrica</p> <p>Definizione modello CAD</p> <p>Acquisizione dati 3D</p> <p>Fasi del processo</p> <p> Prototipi fisici Pezzi esistenti Pezzi rotti o detoriariti Parti da ispezionare Mock-up </p> <p>INPUT</p> <p>Modello geometrico</p> <p>OUTPUT</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>10</p> <p>10</p> <p>Nuvola di punti</p> <p>Mesh poligonale Profili caratteristici</p> <p>Modello Nurbs</p> <p>Fasi ricostruzione modello</p> <p>6</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>11</p> <p>11</p> <p> Acquisizione di una superficie matematicamente corretta nei casi tipici di: modelli fisici (reali o di concept) per ottenere una </p> <p>matematica di partenza per ulteriori analisi progettuale ri-progettazione di parti meccaniche in assenza del modello </p> <p>CAD controllo dimensionale e di qualit per pezzi gi in </p> <p>produzione verifica di parti soggette ad usura eccessiva e loro modifica aggiornamento rapido di modelli CAD in seguito ai </p> <p>cambiamenti avvenuti in sede di produzione Replica di prototipi fisici Definizione di un modello utilizzabile come mezzo di </p> <p>simulazione</p> <p>Applicazioni</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>12</p> <p>12</p> <p> conoscere vantaggi e limiti delle diverse tecnologie per poter scegliere la tecnologia corretta per il problema in esame</p> <p> valutare la qualit dei sistemi in funzione dei parametri caratterizzanti il processo (quali risoluzione, incertezza di misura e accuratezza) con attenzione verso le caratteristiche dei materiali e delle features della superficie delloggetto</p> <p> Definire procedure user-friendly tali da semplificare le operazioni di acquisizione, garantendo la qualit dimensionale dei dati: laccuratezza dei moderni sistemi di scansione (50 m e oltre per gli </p> <p>scanner a triangolazione)</p> <p> la risoluzione spaziale di acquisizione (es. la distanza media tra 2 punti, normalmente nellordine di 0,1-0,5 mm) </p> <p> la velocit di campionamento (&gt; 300K al secondo sono considerati parametri adeguati per la maggior parte delle applicazioni)</p> <p>Aspetti chiave</p> <p>7</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>13</p> <p>13</p> <p>Tassonomia</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>14</p> <p>Optical Scanners Coordinate Measuring Machines</p> <p>Computerised Tomography - CT</p> <p>8</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>15</p> <p>Misurazione manuale</p> <p> Misurazione manuale di punti (x, y, z) rispetto ad un punto di riferimento (calibro, )</p> <p> Generazione di curve e superfici interpolanti i punti</p> <p> Processo lento e laborioso</p> <p> Accuratezza dipende dall accuratezza dello strumento di misura</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>16</p> <p>Metodi a contatto16</p> <p> sistemi a contatto non distruttivi, automatici o semiautomatici utilizzano un sensore montato su una macchina o su un braccio articolato. </p> <p> I sensori (mono o bidimensionali) acquisiscono le forme integrandosi con sistemi di posizionamento in grado di rilevare la posizione e lorientamento nello spazio</p> <p>9</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>17</p> <p>CMM (Coordinate Measuring Machine)</p> <p> Le macchine di misura a coordinate sono caratterizzate da differenti strutture in riferimento al posizionamento ed orientamento reciproco dei vari componenti</p> <p> Sonde seguono il contorno della superficie in modo automatico</p> <p>Brown &amp; Sharpe(www.brownandsharpe.com)</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>18</p> <p>Tastatori </p> <p> Il tastatore rileva le coordinate cartesiane dei punti appartenenti alle superfici degli oggetti</p> <p> I punti possono quindi essere importati direttamente oppure sotto forma di profili o superfici in un modellatore CAD</p> <p>18</p> <p>10</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>19</p> <p>19</p> <p> Braccio articolato a 5 gradi di libert sulla cui testa installata la sonda a contatto.</p> <p> Il robot posizionato vicino al particolare da digitalizzare e loperatore rileva manualmente </p> <p> sistema portatile che richiede una certa abilit ed esperienza</p> <p> Output: sia le coordinate dei punti, sia alcune primitive quali le curve spline</p> <p>Bracci articolati</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>20</p> <p>20</p> <p>Sistemi misti</p> <p>Ref. Steinbchler</p> <p> sistemi che montano bracci articolati con sonda laser su macchine CMM</p> <p> combinano la metodologia dei tastatori con il sistema laser di scansione per ottenere maggior velocit ed accuratezza</p> <p> le teste di scansioni possono avere pi componenti laser accoppiati per ottenere prestazioni migliori.</p> <p>11</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>21</p> <p> riassumendoVANTAGGI:</p> <p> non sono richiesti trattamenti delle superfici per evitare riflessioni</p> <p> pareti verticali possono essere misurate con facilit</p> <p> la densit dei dati non fissa, ma automaticamente controllata a seconda della forma del pezzo</p> <p> non richiesto un editing manuale per eliminare dati affetti da errori</p> <p> dettagli minuscoli possono essere accuratamente replicati</p> <p> grande accuratezza nelle misure (fino a 1m ) per sistemi ben calibrati e ben manovrati</p> <p>SVANTAGGI:</p> <p> Volume di misura limitato da lunghezza del braccio di comando della sonda</p> <p> Bassa velocit di acquisizione per controllare accuratezza</p> <p> Necessit di materiale duro per resistere agli urti del tastarore</p> <p>21</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>22</p> <p>(100 &lt; f &lt; 1000 THz )</p> <p>Sistemi ottici22</p> <p>Tecniche di misura 3D otticheTECNICHE OTTICHE</p> <p>PASSIVE</p> <p>ATTIVE</p> <p>Topografia</p> <p>Fotogrammetria</p> <p>Microscopia confocale</p> <p>Shape from silhouette</p> <p>Triangolazione</p> <p>Misure distanza</p> <p>Singolo spotPiano luminoso singoloPiani luminosi multipli</p> <p>MoirProiezione di patternShift di fase</p> <p>Tempo di volo (TOF)</p> <p>Interferometria</p> <p>PulsatoModulazione continua</p> <p>Multi-wavelenghtOlografia</p> <p>12</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>23</p> <p>Metodi ottici passivi23 Sistemi ottici passiviPassive vision o a luce non strutturata</p> <p> forma 3D generata sfruttando lilluminazione naturale presente nellambiente</p> <p> basati sulla acquisizione di molte immagini RGB prese da punti diversi, sulla ricostruzione dei contorni delloggetto ripreso ed sullintegrazione di tali contorni per la ricostruzione del modello 3D</p> <p> Caratteristiche:</p> <p> Veloci, economici</p> <p> Acquisizione solo parti visibili</p> <p> Sensibili alle propriet superficiali dei materiali</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>24</p> <p>Act</p> <p>ive</p> <p>Vis</p> <p>ion</p> <p>24</p> <p> Costituiti da una coppia sorgente sensore</p> <p> la sorgente emette una qualche forma di pattern illuminante</p> <p> il sensore acquisisce il segnale di ritorno riflesso dalla superficie delloggetto</p> <p> La sorgente luminosa scandisce lo spazio in modo regolare ed il sistema ritorna una matrice che codifica i punti rilevati, detta usualmente range map, che riporta linformazione spaziale della parte di superficie delloggetto visibile dallo strumento di scansione dato il suo orientamento corrente.</p> <p> Le coordinate si calcolano a partire dal piano della lente</p> <p> Lo strumento che impiega una tecnica 3D attiva viene normalmente chiamato Range Camera</p> <p>24 Sistemi ottici attiviActive vision</p> <p>13</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>25</p> <p>25</p> <p>Scanner ottici</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>26</p> <p>26</p> <p>Sensori basati sulla triangolazione</p> <p>1. Un raggio laser colpisce il bersaglio e viene riflesso (in modo diffuso)</p> <p>2. Il punto colpito viene messo a fuoco da lenti su un sensore CCD</p> <p>3. In base alla posizione del punto sul sensore si pu determinare la distanza del bersaglio</p> <p>D1 = distanza di riferimento (lo zero)</p> <p>D2 = campo di validit delle misure</p> <p>26</p> <p>Principio di funzionamento</p> <p>14</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>30</p> <p>30</p> <p>Sistemi a tempo di volo</p> <p>FARO </p> <p>Riegl LMS Leica </p> <p> Viene emesso un segnale ad impulsi (o modulato) ed il sensore misura il tempo necessario per raggiungere la superficie e tornare in modo riflesso al dispositivo</p> <p> sistemi in genere poco precisi (laccuratezza si colloca nei valori 1 - 5 cm)</p> <p> possibilit di acquisire ampie superfici in una singola immagine (nellordine delle decine di metri quadrati)</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>31</p> <p>31</p> <p>Problematiche</p> <p> Verifica delle prestazioni dei sistemi ottici Abbondanza di sensori ottici presenti sul mercato</p> <p> Le normative per la verifica di prestazioni sono ancora in fase di sviluppo (es. ISO 10360-7, VDI/VDE 2617-6, ANSI/ASME B89.4.14)</p> <p> I costruttori di sistemi adottano procedure di verifica diverse</p> <p> Gli utilizzatori: hanno difficolt nelleffettuare confronti tra sistemi</p> <p> non sanno come eseguire le verifiche di accettazione e le verifiche periodiche delle prestazioni metrologiche</p> <p> non conoscono laccuratezza degli specifici processi di misura</p> <p>N.B. Il risultato di una misurazione effettuata ha senso solo se noto il grado di incertezza e pi in generale tutti i parametri che convergono nella caratterizzazione di una misura</p> <p>15</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>33</p> <p>33</p> <p>Fattori di criticitCaratteristiche Formali</p> <p>Caratteristiche Materiche</p> <p>Condizioni Ambientali</p> <p>Geometria, dimensione e sviluppo spaziale fino ad arrivare alla analisi sulla variazione di curvatura e alla presenza di dettagli in rapporto alla dimensione principale del modello</p> <p>Materiale, finitura superficiale e colore condizionano in manieradeterminante la risposta ottica della luce come elemento esplorante</p> <p>Condizioni al contorno come laluminosit dellambiente, lo spazio dimovimentazione, il tempo per il rilievo determinati per la qualit delrilievo e la diminuzione o amplificazionedelle problematiche di acquisizione 3D</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>34</p> <p>34</p> <p>Pipeline</p> <p>16</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>35</p> <p>Calibrazione</p> <p> Alcune procedure sono fatte a priori per verificare i dati di targa forniti dal costruttore dello strumento:</p> <p> Verifico lincertezza di misura dello strumento</p> <p> Altre procedure devono essere ripetute durante il funzionamento dello scanner, per verificarne la stabilit nel tempo</p> <p> Es. circa ogni mese si deve ri-calibrare la lente in uso</p> <p> Ogni volta che cambia lottica necessaria una calibrazione specifica</p> <p> Altre procedure di calibrazione sono da farsi in funzione del caso specifico:</p> <p> Es. nel caso di utilizzo della tavola rotante, necessario definire, per la specifica distanza di utilizzo, il centro del sistema di rotazione della tavola</p> <p>35</p> <p>Universit degli Studi di BergamoCaterina Rizzi</p> <p>36</p> <p>Prestazioni scanner36</p> <p> Prestazion di misura dello strumento su bersagli di test di cui sia nota a priori la forma (supporti certificati): </p> <p> pezzo campione avente delle features tecnologiche: piani, cilindro, cono. </p> <p> pezzo avente ci...</p>