تحقیق در مورد روشی برای کنترل کیفیت کامپیوتری ، بر اساس سنجش مختصات سه بعدی

بخشی از مقاله

روشي براي کنترل کيفيت کامپيوتري ، بر اساس سنجش مختصات سه بعدي

خلاصه :
اغلب لازم است که کيفيت محصولات توليدي ، تعيين شود. اين مقاله ، يک روش کنترل کيفيت کامپيوتري ( روش CAQ ) را براي مقايسه موارد توليدي با داده‌هاي مرجع ، که از الگوهاي اساسي CAD بدست مي آيند ، نشان مي‌دهد. در ابتدا ، يک نظر کلي در مورد پيشرفتهاي کنني در زمينه روشهاي اندازه‌گيري نوري سه بعدي ، ارائه مي‌شود. سپس ، روش تحقيق اتخاذ شده در اين مقاله ، مورد بحث قرار مي‌گيرد. بعلاوه ، يک الگوي نرم افزاري از روش ارائه شده ،

نشان داده مي‌شود که در آن ، يک سيستم تصويري نواري با کد خاکستري و تغيير حالت ، تشريح مي‌شود. با اين تجهيزات ، اشکال سه بعدي اشياء يا همان محصولات توليدي مي‌توانند برآورده گردند. به منظور مقايسه داده‌هاي سه بعدي ( که در دستگاه مختصات سنسوري نشان داده شده‌اند ) ، ثبت در دستگاه مختصات CAD ، ضروري است در ابتدا نحوه انتخاب در مورد نقطه شروع شاخص‌هاي موقعيت ، تشريح مي‌گردد. براي فرآيند ثبت ، نمودارهاي عددي مختلفي

بکار گرفته مي‌شوند که تا عملکردهاي ناهمخوان را به حداقل برسانند. براي دستيابي به عملکردي بهتر ، يک فرآيند بهينه‌سازي ، که تغيير مکان هندسي ، مي‌توانند محاسبه و مشاهده شوند. در مورد اشيايي که نمي‌توانند از يک جهت ، ارزيابي شوند ، يک ثبت دوگانه و يک ثبت کلي ، ايجاد شده است. بعلاوه ، نشان مي‌دهند که روش ما ، در عمل ، خوب جواب مي‌دهد. در آخر ، برخي زمينه‌هاي اجرايي در مورد روش CAQ ، که در اينجا به آنها اشاره شده است ، خلاصه سازي مي‌گردند.

1. مقدمه :

در سالهاي اخير ، فرآيند کلي از طراحي کامپيوتري محصول تا توليد ، تقريباً به يک تکامل نهايي رسيده است. با اين حال ، مقايسه‌هاي مقادير واقعي / ظاهري نشان مي‌دهد که هميشه ، تفاوتهايي بين يک محصول توليدي و نمونه اساسي CAD آن وجود دارد. دلايل آن ، مي‌تواند مثلاً شامل موارد زير باشد : کهنگي ابزارها ، انبساط گرمايي ، عيب‌هاي مواد و غيره باشد ، چيزهايي که البته بخاطر ماهيت مهندسي مکانيک هستند. در حوزه کنترل کيفيت کامپيوتري ، نقصهاي اشاره شده در بالا ، بايد به منظور شناسايي تغييرات بخشها و يا به منظور گرفتن تصميمات سازگار هماهنگ ، بررسي شوند. امروزه ، سيستم‌هاي قدرتمند و

پيشرفته ارزيابي مختصاتي موجود مي‌باشند که ابزارهاي ويژه اي را براي بوجود آوردن قطعات پيچيده در صنعت ، ايجاد کرده‌اند. همچنين ، بخش عمده‌اي از اين سيستم‌ها ، بر اساس سنجش سه بعدي هستند که تغييرات چشمگيري را در ارزيابي مختصاتي مدرن بوجود آورده است. تفاوت اصلي ايجاد شده در مقايسه با روشهاي قديمي ارزيابي ، آنست که ، سيستم‌هاي سنجش سه بعدي ، مختصات سطح بخش اندازه گيري شده را نشان مي‌دهد ، نه آنکه ابعاد هندسي آن را نشان دهد. با داشتن مجموعه‌اي از نقاط سطحي عددي ، جزئياتي در مورد تغييرات بخشها مي‌توانند بررسي شوند. بعلاوه ، بخشهاي گوناگون جزئيات

مختلف هندسي مي‌توانند در يک فرآيند منفرد ، ارزيابي گردند. هنگامي که مجموعه‌اي از دادهاي ارزيابي ها ، جمع آوري شد ، يک تحليل عددي مستقل بايد انجام شود ، تا اساس مقايسه متعاقب بين جزئيات برآورده شده و داده‌هاي مرجع متناظر از نمونه‌هاي مشابه CAD آن ، مشخص شود. اين ، هدف اصلي اين روش است که در اين مقاله نيز آمده است. تعريف کاملتري از سنجش سه بعدي ، و نگرش کلي در مورد کار مربوط در اين حوزه ، در (8) آمده است.

اين مقاله ، يک روش سنجش غير مرتبط را نشان مي‌دهد که مي‌تواند در عملکردهاي بسياري ، در مورد کنترل کامپيوتر کيفيت و الگوبرداري سريع ، بکار رود ؛ که در طول مقاله مورد بحث قرار خواهد گرفت و مي‌تواند بصورت زير خلاصه شود. اشياء توليدي ، توسط يک سيستم پروژکتور ، که بر اساس روش نورکدگذاري شده در ترکيب با تغيير حالت مي باشد ، ارزيابي مي‌شوند. براي گرفتن عکس ، از يک دوربين ويديويي استاندارد استفاده مي‌شود. نقاط سطحي نمونه برداري شده ، که در دستگاه مختصات سنسوري برآورد شده اند و اغلب در هر عکس بين 200000 تا 400000 نقطه هستند ، به دستگاه مختصات CAD منتقل

مي‌شوند. پس از انتخاب يک جهتگيري تقريبي ، چه به يک روش فعل و انفعالي و چه از طريق اطلاعات قبلي ،‌‌ ( جهتگيري خودکار بدون اطلاعات قبلي نيز مي‌تواند با استفاده از علامتهاي ثابت بر روي سطح شي‌ء ايجاد شود) يک فرآيند پيچيده بهينه سازي عددي ، آغاز مي‌گردد. مشکلي که در مواقعي اتفاق مي‌افتد که اشياء نتوانند توسط يک حسگر (سنسور) منفرد سه بعدي ، در يک عکس ، ثبت شوند ، مي‌تواند از طريق بکارگيري يک فرآيند مضاعف جهت گيري ،

حل شود. مجموعه‌هاي داده‌هاي برآورد شده ، که از ابعاد مختلف جمع آوري شده‌اند ، مي‌توانند يا بطور نسبي با يکديگر سازگار شوند و يا به يک سيستم رايج مختصاتي مبدل گردند. براي مقايسه مقادير واقعي / ظاهري ، اختلاف از مجموعه داده‌ها تا نمونه اصلي CAD ، مي‌تواند نقطه به نقطه اندازه‌گيري شود. نتايج برآورد شده ، مي‌تواند به چندين روش آماري ، نشان داده شود ؛ مثلاً بصورت اختلاف در هر نقطه اندازه گيري شده ؛ حداقل ، متوسط و يا حداکثر اختلاف در يک جزء CAD ( مثلاً در يک مثلث STL)

روش پيشنهادي در اين مقاله ، بطور موفقيت آميزي در چندين مورد الگو برداري سريع ليتوگرافي سه بعدي ، بکار گرفته شد و نتايج چشمگيري بدست داد. اين روش ، کنترل کيفيت را در تمامي انواع الگوبرداري سريع و / يا موارد توليدي NC تضميم مي‌کند ، و بخصوص براي ادغام فرآيندهاي CAQ و CAM مناسب است. بدين طريق ، دو فرايند اساسي که بطور مستقل تشکيل شده‌اند ، مي‌توانند ترکيب شوند تا فرآيند کلي توسعه توليد را کاراتر کنند.
2. روشها و اصول

2.1- برآورد مختصاتي سه بعدي
امروزه ، چندين سيستم ارزيابي موجود است که بر اساس روشهاي بسيار متفاوتي هستند. اين روشهاي ارزيابي ، مي‌توانند به دو روش فعال و منفعل تقسيم شوند. بطور کلي ، روشهاي منفعل براي برآورد شکل شيء و ازطريق تعيين نسبي مشخصه‌هاي ويژه شيء ، بکار گرفته مي‌شوند. اين روشها ، اغلب براساس دقت اطلاعات قبلي از اشياء مربوطه هستند ، و بنابراين ، براي پاسخ به نيازهاي عمومي صنايع ، مناسب نمي‌باشند. بنابراين ، ما از بحث بيشتر در مورد آنها اجتناب مي‌کنيم.

روشهاي برآورد فعال ، اغلب بر پايه مشخصه‌هاي ويژه شيء نيستند ، و مي‌توانند به دو گروه روشهاي متصل و روشهاي غير متصل تقسيم شوند. يک نمونه از سيستم متصل ، CMM معمولي ( ماشين برآورد مختصاتي ) است ، که از نقاط مختلف بخش مربوطه ، با استفاده از يک حسگر مکانيکي ، نمونه برداري مي‌کند. براي بدست آوردن شکل کلي ، اين نمونه گيري بايد در دو جهت انجام گيرد. هرچند که اين روش داراي بيشترين دقت ممکن است ، اما روشي کاملاً وقت گير است و نمي‌تواند در مورد موادي استفاده شود که بايد از تماس با آنها اجتناب کرد. بنابراين ، اين روش ، هميشه نمي‌تواند نيازهاي امروزي صنايع را پاسخگو باشد. سيستم‌هاي غير متصل ، بيشتر به نيازهاي صنايعع مربوط هستند. آنها در اين مقاله بحث قرار خواهند گرفت ، و توجه ما معطوف خواهد بود به روشهاي نوري غير متصل ، بجز آنها ، روشهاي ديگري نيز وجود دارند که مي‌توانند مورد استفاده باشند ، مثلاً رادار مايکروويو و يا ارزيابي‌هاي فراصوتي ، اما آنها به روش تحقيقي اين مقاله ، مربوط نمي‌شوند.

اکثر سيستم‌هاي بکار رفتته ، بر اساس قوانين زير هستند : مثلث بندي نقاط ، دسته بندي نواري ، روش نورکدگذاري شده ، و روشهاي تداخل سنجي از آنجا که سه روش آخر ، محدود به مواد بازتابي هستند ، براي اهداف عمومي مناسب نمي‌باشند ، بنابراين ، در اين جا مورد ملاحظه قرار نمي‌گيرند ، اما در عوض ، روشهاي مثلث بندي ، با جزئيات بيشتري بحث خواهند شد.

در اصل مثلث بندي ، يک نقطه بر روي سطح يک شيء مي‌تواند توسط روابط مثلثهاتي بين يک دوربين ، يک پروژکتور و خود شيء تعيين شود ( شکل 1 ، cf ) فرض کنيد که تمامي شاخص‌هاي هندسي مشخص هستند ، فاصله از خط اصلي (base line) تاشيء مي‌تواند طبق معادله 1 محاسبه گردد :

براي ديجيتالي کردن کامل شيء ( عددي کردن شيء ) نقطه مشاهده شده بايد در دو جهت حرکت کند تاشيء را بطور خطي ، نقطه به نقطه ، نمونه برداري نمايد. اين نوع از نمونه گيري ، مي‌تواند بعنوان مثال با بکارگيري دو آينه گسترده ، حاصل شود. روشن است که ، دقت اين برآورد ، کاملاً متأثر از دقت زاويه‌اي ساختار حرکتي نقطه ، مي‌باشد. بر اين اساس ، انتشار خطاي برآورد عمق ، مي‌تواند به صورت معادله 2 محاسبه گردد :

از آنجا که جهت نقطه ثابت است ، تنها لازم است که شاخص را تعيين کنيم. براي مثلث بندي نقطه ، اغلب ، ابزارهاي (حسگرهاي) نمونه گيري يک بعدي ، مانند دوربين‌هاي خطي و يا PSD ها که مورد استفاده قرار مي‌گيرند بحث‌هاي بيشتر در مورد محاسبات رياضي ، در (4) آمده است.

براي غلبه بر محدوديت‌هاي اسکن يک نقطه منفرد ، مي‌توان از روش نوردهي بشکل نواري ، استفاده کرد. به اين ترتيب ، يک صفحه نوري ، يک شيء را قطع مي‌کند و عکس متناظر آن ، نمايي از آن شکل است. يک دوربين استاندارد مي‌تواند براي بررسي تغيير خط ، که ناشي از ارتفاع شيء مي‌باشد ، بکار گرفته شود. محاسبات رياضياتي ، بطور کلي ، در مورد مثلث بندي نقاط ، يکسان است. اما در مورد هر عکس ، برآورد کل خط يا نما ، به ترتيب ، ممکن خواهد بود (شکل 2،cf‌) بر خلاف مثلث بندي نقاط ، صفحه نوري بايد تنها در امتداد يک محور ، براي نمونه برداري از کل شيء ، حرکت داده شود.

براي کاهش دوباره زمان نمونه برداري ، يک روش پيچيده تر که روش نورکدگذاري شده ناميده مي‌شود ( شکل 3 ، cf ) مي‌تواند بکار گرفته شود. اين همان روشي است که در الگوي نرم افزاري سيستم سنجشي که در اين مقاله نشان داده شده ، استفاده مي‌شود. بدين طريق ، ترتيب از طرح‌هاي خطي بر روي سطح شيء انداخته مي‌شود. براي اين منظور ، اغلب از يک LCD معمولي استفاده مي‌گردد. براي کار با اشياء بزرگتر ، تکنولوژي‌هاي جديد پروژه کتورها ، مانند تکنولوژي آيينه‌هاي کوچک DLP ( پردازش نور ديجيتال توسط texas instrument (5) ) و يا دريچه نور DILA ( تقويت کننده مستقيم نور عکس توسط JVC (6) ) نيز

مي‌توانند استفاده شوند. ايده اصلي روش نورکدگذاري شده ، کدگذاري ( رمزگذاري) خطوط مشخص پروژکتور مورد استفاده در طرح‌هاي متعاقب با استفاده از يک کد خاکستري ساده مي باشد. همانطور که در (4) نشان داده شده است ، کدگذاري خطوط N نيازمند حداقل ذرات مي‌باشد. ذرات (bitهاي) متعاقب از هر خط منفرد ، به ترتيب تصويربرداري مي‌شوند ، و در مورد هر پيکسل دوربين ، بايد بررسي شود که خط متناظر پروژکتور روشن است يا تاريک ، بر اساس اين بررسي ها ، مجموعه سطح ذره (bitplane stack) مي‌تواند ايجاد شود. وقتيکه فرآيند کدگذاري پايان يافت ، هر پيکسل دوربين ، داراي اطلاعاتي از خط پروژکتور متناظر

خود مي‌باشد. با فرض آنکه ما حسگر را درست تنظيم کرده‌ايم ، زاويه تصوير ، ، مي‌تواند مستقيماً از طريق شماره خط پروژکتور بدست آيد ، از آنجا که دوربين مي‌تواند پيش از فرآيند اندازه گيري ، تنظيم گردد ، زاويه ، براي هر پيکسل منفرد دوربين ثابت مي‌شود و مثلث بندي مربوطه نيز مي تواند محاسبه مي‌گردد.
روشن است که اين تنظيم ، بايد وابستگي‌هاي‌ تابعي بين شماره خط ( خط تصويربرداري) و زاويه تصويربرداري ، دقت زاويه‌اي در مورد پروکتور با 640 خط ، تنها از

عکس در آن دامنه است. از آنجا که دقت اندازه‌گيري عمق ، وابسته به زواياي است ( معادله 2،cf ) پس بهتر است که رزولوشني را که در بالا گفته شد ، ارتقاع دهيم. يک روش پيچيده براي دستيابي به اين مهم ، آنست که کد خاکستري دوگانه را با روش تغيير حالت ، ادغام کنيم(4) ايده اين فرآيند ، استفاده از تنظيم (modulation) خطوط جانبي در مورد تابع مثلثاتي ( منحني سينوسي) است. الگوي حاصل ، مي‌تواند از طريق يک زاويه ثابت ، بصورت جانبي تغيير کند و بدين ترتيب ، نمودارهاي عمومي تغيير حالت مي‌توانند براي تعيين موقعيت‌ها در يک خط منقطع ، مورد استفاده قرار گيرند. در مورد يک پروژکتور خطي با 640 خط ،

حداقل ، تنها 10 عکس بايد براي کل کدگذاري گرفته شوند. به منظور دقيق تر و با ثبات‌تر کردن فرآيند ارزيابي ، چند طرح اضافي نيز مي‌توانند مورد استفاده قرار گيرند ( مثلاً براي تعيين ساختار شيء ) عملکرد کنوني‌ها ، از 14 تا 18 روش نورکدگذاري شده ، سرعت پردازش و با مضربي بيش از 30 ، افزايش مي‌دهد. بعلاوه ، اين احتمال وجود دارد که اين روش ، پروژکتور را در حالت ويديويي همزمان بکار اندازد که به معني سرعت حداکثر 25 عکس در ثانيه خواهد بود. براي کارکردهاي همزمان ، مجموعه ترکيبي دوربين ويديويي و قلاب (چنگک) چارچوب بايد قادر باشند که شرايطي ، مناسب است. با چنين جايگذاري ، کل تصوير مي‌تواند در کمتر از 1 ثانيه گرفته شود.

در عملکرد الگوي ما ، يک پروژکتور خطي LCD – 640 از ABW GmbH به همراه بسته نرم افزاري ABW-VIS (7) و دو دوربين ويديويي استاندارد که رزولوشني برابر با 576*768 پيکسل بودند ، براي گرفتن عکس ، مورد استفاده قرار گرفتند ( شکل 4، cf) بسته نرم افزاري ABW-VIS قادر است که کل فرآيند ارزيابي را کنترل کند ، که به معني برنامه ريزي پروژکتور ، گرفتن عکس با قلاب چارچوب ، و نيز کل اندازه‌گيري و فرآيند تنظيم خواهد بود. محاسبات تبديل براي نقاط نمونه گيري شده ، مي‌توانند با استفاده از سخت افزارهاي استاندارد (Intel Pentium II Processor , 300 MHZ ) در پنچ ثانيه انجام شوند. در نتيجه هر ارزيابي ، ما عکسهايي را مي‌گيريم که در آنها ، هر پيکسل داراي مختصات z,y,x متناظر ، يک مقدار خاکستري و يک ذره پوشاننده (masking bit) خواهد بود که نشان مي‌دهد که آيا پيکسل مربوطه ، قابل اندازه‌گيري خواهد بود يانه ، اين عکسها ، اساس پردازش بيشتر سيگنال را تشکيل مي‌دهند. در اينجا بايداشاره کرد که تمامي روشهاي پردازش سيگنال بايد از پس پيکسل‌هاي از دست رفته ، که بعلت سايه‌ها و يا ساختار سطح بوجود مي آيند ، برآيند.

شکل 5 ، نمونه‌اي از يک مجموعه داده‌اي مصور برآورده شده ، را نشان مي‌دهد. مختصات z از هر پيکسل برآورد شده ، با درجه خاکستري ، کدگذاري شده است. يک نماي ديگر ، مختصات (نماي) z را در امتداد خطوط افقي و عمودي ، نشان مي‌دهد. بطور مشابه ، در مورد هر پيکسل ، مقادير y,x متناظر نيز بايد به همين شکل نشان داده شوند. پيکسل هاي برآورده نشده ، و در نتيجه پوشيده نشده ، ( سايه‌ها ، ساختارها ) ، در اين عکس با سفيد نشان داده شده‌اند.
2.2- داده‌هاي مرجع نمونه CAD

به منظور مقايسه اشياء توليدي با نمونه‌هاي اصلي CAD آنها ، يک فرمت (قالب) تبادلي از داده‌هاي استاندارد و عمومي ، مورد نياز است. از آنجائي که بيشتر بخشهاي نمونه‌ها که در اين مقاله نشان داده شده‌اند ، اجزاء الگوبرداري سريع مي‌باشند که توسط يک ابزار ليتوگرافي سه بعدي ساخته شده‌اند ، فرمت STL ( زبان مثلث بندي استاندارد ) براي ترميم اشياء مربوطه ، انتخاب شده است. STL ، براي توليد اشياء الگوبرداري سريع کاربرد وسيعي دارد ، و تقريباً هر مجموعه حرفه‌اي CAD قادر است که فايلهاي STL را بيرون بفرستد ( يا export کند ) در بخشهاي بعد ، تنها از قطعات مثلثي براي عملکردهاي تخمين شيء استفاده خواهد شد. تمامي نمودارهايي که در عملکردهاي الگوبرداري استفاده مي‌شوند ، مي‌توانند با اشکال هندسي ديگر ، مانند استوانه‌ها ، مخروط ها و يا قطعات سطحي پيچيده‌تر ، سازگار شوند ، مثلاً قطعات سه بعدي Bezier و يا NURBS .

3.2- تبديل مختصات
بطور کلي ، قرار دادن يک شيء توليدي که در وضعيت ارزيابي است ، در همان دستگاه مختصاتي که در اصل براي طراحي شيء در محيط CAD استفاده شده است ، غير ممکن مي‌باشد. به منظور مقايسه مجموعه داده‌هاي برآورد شده با داده‌هاي مرجع که از نمونه اصلي CAD بدست آمده‌اند ، ضروري است که اين داده‌هاي نمونه گيري شده را به دستگاه مختصات نمونه CAD متناظر ، تبديل کنيم. در مقالات ، اين فرآيند ، اغلب ثبت ناميده مي‌شود. به منظور تعيين

شاخص‌هاي صحيح تبديل ، ارتباط بين مجموعه داده‌هاي برآورد شده و نمونه CAD بايد از نظر تابع رياضياتي ، تعريف شود. ما اين وابستگي تابعي را بين شاخص هاي وضعيت مربوطه که بايد مشخص شوند ، و ارتباط بين مجموعه‌ داده‌هاي برآورد شده ( در دستگاه مختصاتي سنسوري تغيير يافته ) و داده‌هاي مرجع ( دستگاه مختصات CAD) را بشکل تابع بعد fdist نشان مي‌دهيم. تعريف اين تابع ، براي يافتن شاخص‌هاي وضعيت مطلوب ، ضروري است ، در اين مقاله

، ما اين شکل را با استفاده از يک نوع بخصوص از تناسب کوچکترين توانهاي مشترک ، بصورت زير مورد توجه قرار مي‌دهيم. در مورد هر نقطه برآورد شده ، بايد نزديکترين مثلث CAD را يافته و توانهاي تمامي حدود نزديک را همان طور که در معادله 3 آمده است ، جمع کنيم. به منظور بهينه‌سازي اين روش تحقيق ، ما يک حد بالا را dmax ، تعريف مي‌کنيم. بدين ترتيب ، بعد محاسبه شده ، بايد به يک حداکثر ثابت ، در مورد Outlier هاي منقطع و يا خطاهاي اندازه‌گيري ، محدود شود. با داشتن ، ما بعد قائم را بين نقطه و مثلث j ، نشان مي‌دهيم ؛ و N تعداد نقاط ارزيابي شده را مشخص مي‌کند.