Non-rigid parts inspection by virtual clamping method with simulated displacements

Abstract

Devido à ação da gravidade e a tensões residuais, peças não rígidas podem apresentar variações geométricas significativas em condições de estado livre. Dessa forma, dispositivos de fixação são utilizados para manter essas peças estáveis durante o processo de inspeção 3D. Geralmente eles são projetados e fabricados com a finalidade de simular as condições de montagem e/ou as restrições definidas na etapa de especificação geométrica do produto. Entretanto, eles podem ser complexos e caros, além de exigirem manutenção e qualificação periódicas para permanecerem em condições de uso. Somando-se a isso, dispositivos também são altamente sensíveis a desvios geométricos que afetam as superfícies das peças que estão em contato com as esferas de referência e elementos fixadores, resultando em consideráveis efeitos na repetibilidade, reprodutibilidade e erros de tendência que diminuem significativamente a capabilidade do processo de medição. Este trabalho explora a aplicação de sistemas ópticos de medição associados à utilização de dispositivos virtuais de fixação na inspeção de peças não rígidas, avaliando o desempenho metrológico e identificando vantagens e dificuldades operacionais do método. Com a utilização de um sistema de fotogrametria ativa, uma densa nuvem de pontos é gerada e posteriormente transformada em arquivo CAD, representando virtualmente a geometria da peça na condição de estado livre. Após isso, em ambiente de simulação computacional, condições de contorno de deslocamentos específicos são aplicadas para reproduzir o processo de montagem. E, finalmente, a comparação da geometria da peça simulada com a geometria nominal fornece informações sobre os desvios locais que a peça pode apresentar após a montagem. Experimentos utilizando peças aeronáuticas com diferentes índices de flexibilidade e com tamanho médio característico de aproximadamente um metro mostraram que a distância máxima entre o modelo virtual simulado e a superfície real medida sobre um dispositivo físico apresenta uma variação de até 6% do deslocamento requerido para a montagem. Desse modo, a análise dos resultados mostrou que o método de fixação virtual associado a sistemas ópticos de medição pode ser usado com sucesso no controle de qualidade auxiliado por computador e inspeção automatizada de peças não rígidas.

Abstract: Due to gravity forces and residual stress, non-rigid parts may show significant geometric variations in free-state condition. Clamping systems are intended to stabilize non-rigid parts during 3D inspection and are usually designed and built to emulate assembly conditions and/or the constraints defined in geometric product specification step. However, clamping systems can be complex and expensive, requiring periodic maintenance and qualification to remain useful and reliable. They are highly sensitive to geometric deviations, affecting the part surfaces that are in contact with the tooling balls and clamping devices, resulting in relevant repeatability, reproducibility and bias effects that knock down the measurement capability. This work explores the application of optical measurement systems associated with virtual clamping method to inspect non-rigid parts in free-state condition, without employing specialized clamping systems, comprising the metrological performance evaluation and the identification of operational advantages and difficulties of the method. Using a fringe projection system, a dense mesh is generated and later transformed into a CAD file, which is the virtual representation of the part geometry in free-state condition. In a computer simulation environment, specific displacement boundary conditions are applied to reproduce the assembly process. Finally, the comparison of the simulated part geometry with the nominal CAD provides information on the local deviations that the part could show after being assembled. Experiments using aeronautical covering panels with different flexibility ratios, different curvature levels and with an average characteristic size of approximately one meter showed that the maximum distance between the simulated virtual model and the actual surface measured on a physical clamping system varies of up to 6 % of displacement required for assembly. The analysis results showed that the virtual clamping method associated with optical measurement systems can be used successfully in computer-aided quality control and automated inspection of manufactured parts.