REVERSE ENGINEERING. Reverse Engineering 22/12/ Contenuto della lezione. Reverse Engineering

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1 Corso di Laboratorio Progettuale di Disegno Assistito da Calcolatore Knowledge Aided Engineering Manufacturing and Related Technologies REVERSE ENGINEERING Contenuto della lezione Metodologia Tecnologie di R.E. Software Algoritmi di ricostruzione di superfici Reverse Engineering OGGETTO FISICO (PMU) CARATTERISTICHE: geometriche forma fisiche peso materiale costi affidabilità investimenti target.. OGGETTO VIRTUALE (DMU) CAM & Rapid Protopyping Reverse engineering 1

2 Metodologia Designer s ideas Part Prototype Existing Part Broken Part Part to be Inspected Mock-up of Actual Part R.E. CAD Model Develop new Design Modify existing Design Manufacture Part Dimensional Evaluation of Part Tecnologie di R.E. Contact Non-Contact Manual Automated Active Passive CMM Electromagnetic Induction Sonic Digitizing Structured Lighting Spot Ranging Optical System Single View Multiple View Ultrasonic System Metodi a contatto Misurazione manuale CMM (Coordinate Measuring Machines) Electromagnetic Digitizing Sonic Digitizing 2

3 Misurazione manuale Misurazione manuale di punti (x, y, z) rispetto ad un punto di riferimento (calibro, ) Generazione di curve e superfici interpolanti i punti Processo lento e laborioso Accuratezza dipende dall accuratezza dello strumento di misura CMM (Coordinate Measuring Machine) Sistema di misura 3D dotato di sonda di contatto che rileva la superficie di un oggetto Sonde seguono il contorno della superficie in modo automatico Verifica dell accuratezza usando il modello CAD per guidare il CMM CMM (esempio) Zeiss ( Brown & Sharpe ( 3

4 CMM (esempio) MicroScribe (microscribe.bits.com.au/3d-digitizing) Electromagnetic Digitizing Sorgente di campo magnetico Sensore sullo stilo rileva la sua posizione ed orientamento Acquisizione di oggetti non-metallici Sonic Digitizing Stilo emette un impulso ultrasonico Microfoni rilevano l impulso In base al tempo intercorso viene calcolata la posizione (x,y,z) Volume di lavoro e ampio Oggetti fatti di materiale qualsiasi Difficile acquisire punti in continuo 4

5 Esempio Roland DrPicza Metodi a Non-contatto Attivi (usano sorgente luminosa) Structured Lighting Spot Ranging Passivi (usano luce ambiente) Structured Lighting (1) Diversi pattern di luce usati per illuminare la parte Singolo fascio di luce Singola striscia di luce Strisce multiple di luce Oggetto colpito con luce laser Posizione di luce riflessa misurata da un sensore (CCD-Charged Coupled Device) Triangolazione usata per calcolare la profondita 5

6 Structured Lighting (2) Laser Sensor Mirror Raggio laser riflesso colpisce una posiziome sul sensore, convertita in distanza proporzionale al segnale elettrico Structured Lighting (esempio) VIVID 700 operates on a light stripe triangulation range-finder principle. The object s surface is scanned from top to bottom with a projected laser light stripe. The reflected rays are collected and focused onto a CCD. The position of an illuminated surface point relative to the viewpoint is obtained by triangulation. The resolution in x and y is 200X200 range points per scan. (Minolta) Esempio Scatola cambio Strumento per acquisizione 3D 6

7 Esempio Sistemi software per il R.E. Acquisire punti sulla superficie Ricostruire superficie da punti Manipolare superficie ricostruita Verificare punti acquisiti Sistemi Software SDRC Imageware ( Alias Wavefront Studio ( Catia ( Paraform ( 7

8 Ricostruzione di Superfici Ricostruzione di superfici da curve Ricostruzioni di superfici da punti sparsi 8

9 Ricostruzione di superfici da punti sparsi Delunay Triangulation Voronoi Superfici a Poligoni Poliedri: superfici a poligoni consistono in un insieme di poligoni planari (normalmente triangoli) Poligono definito da Vertici (punti) Spigoli (linee che connettono i punti) Superfici a triangoli I poligoni usati dai sistemi grafici sono tipicamente triangoli Equazione di un triangolo Dati 3 punti P1, P2, P3 non allineati, l equazione del triangolo e : P1 + u (P2-P1) + w (P3-P1) I vertici si ottengono nei casi seguenti: P1 quando u = 0 e w = 0 P2 quando u = 1 e w = 0 P3 quando u = 0 e w = 1 Quindi l intero triangolo si ottiene variando u e w con le condizioni: u >=0, w>=0, u+w <=1 9

10 Vettore Normale Il vettore normale ad una superficie (poligono) si calcola come il prodotto vettoriale di due spigoli del poligono adiacenti P 0 N = V V 1 2 N N = V 1 V 2 V 1 = - P 0 V 2 = - V V2= ( V1 V2 V1 V2, V 1 V2 + V1 V2, V1 V2 V1 V2 ) 1 y z z y x z z x x y y x Triangolazione di Delunay (1/5) Metodo per connettere punti vicini con linee, cosi che l intera superficie diventi un insieme di triangoli Usato per ricostruire modelli di oggetti acquisiti tramite scansione Processo di triangolarizzazione della superficie e detto triangolarizzazione di Delunay (Delunay triangulation) Definizione: Una rete triangolare bi-dimensionale consiste di un insieme di triangoli non sovrapposti, dove nessun punto nella rete e racchiuso dal cerchio che circonscrive un qualsiasi triangolo Triangolazione di Delunay (2/5) Maggior parte degli algoritmi sono incrementali Consiste di un loop dove ad ogni iterazione viene aggiunto un punto alla superficie poligonale parziale, fintanto che tutti i punti sono stati aggiunti Utilizza cerchi che circoscrivono i triangoli Algoritmo per punti bi-dimensionali (estendibile usando sfere al posto dei cerchi) 10

11 Triangolazione di Delunay (3/5) 1. Determinare i cerchi circoscriventi che contengono il nuovo punto Esempio: tre triangoli P 5, P 5 P 6 e P 6 P 3 P3 P3 P 4 P 5 P 6 P 4 P 5 P 6 P 8 P 8 Triangolazione di Delunay (4/5) 2. Compilare un elenco degli spigoli di questi triangoli Esempio:, P 5, P 5, P 5, P 6, P 5 P 6, P 6, P 3 e P 6 P 3 3. Eliminare gli spigoli che appaiono piu di una volta, ottenendo un nuovo poligono Esempio: gli spigoli P 5, P 6 sono eliminati XX P 4 P 5 P 6 P3 P 4 P 5 P 6 P3 P 8 P 8 Triangolazione di Delunay (5/5) Connettere il nuovo punto ai vertici del nuovo poligono Esempio: vengono creati i cinque spigoli P 9, P 9, P 9 P 3, P 9 P 5 e P 9 P 6, che creano 5 nuovi triangoli P3 L algoritmo inizia calcolando un cerchio immaginario che contiene tutti i punti, che alla fine viene rimosso P 4 P 5 P 6 P 8 11

12 Voronoi Diagram Il diagramma di Voronoi di un insieme di punti consiste nella partizione dello spazio in celle, ciascuna delle quali contiene i punti che risultano essere piu vicini ad un particolare punto e non ad altri punti. B13 P 3 B 23 B 12 B12 Delunay-Voronoi Esempio Metodi di memorizzazione Poligoni espliciti P = ( (x1,y1,z1), (x2,y2,z2),.., (xn,yn,zn) ) Poligono definito da puntatori a vertici V = ( (x1,y1,z1), (x2,y2,z2),.., (xn,yn,zn) ) P = (3,5,7,10) Spigoli espliciti V = ( (x1,y1,z1), (x2,y2,z2),.., (xn,yn,zn) ) E = ( (v1,v6,p3), (v5,v7,p1,p3,p6,p8), ) P = (e1,e4,e5) 12

13 Verifica di acquisizione Confronto fra dati acquisiti e modello CAD Calcolo delle deviazioni dai valori nominali 13

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