Undersökning av modern reproduktionsteknik

2010:015 HIP

E X A M E N S A R B E T E

Undersökning av modern reproduktionsteknik

för karosseridetaljer

Axel Wallgren

Luleå tekniska universitet Högskoleingenjörsprogrammet

Bilsystemteknik

Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Datorstödd maskinkonstruktion

Förord

En svetssträng och en plåtskarv skapar en utmärkt grogrund för rost, dels på grund av att det är en fuktfälla, men även för att svetsen i sig (MIG/MAG) ändrar plåtens struktur samt ger upphov till spänningar i och med den lokala kraftiga upphettningen. Då en karosseridetalj med mer avancerad form, det vill säga med många profilförändringar och bockningar i fler än två plan skall ersättas vore det fördelaktigt om reparationen kunde utföras med så få svetsskarvar som möjligt, dels med

motståndskraften mot korrosion, men även med tidsåtgång i beaktning. Med traditionella metoder finns egentligen endast två gångbara alternativ; nämligen bygga upp formen genom ett lapptäcke av små plåtbitar, eller om kunskap finns tillverka detaljen i helhet genom att rulla fram den i ett engelskt hjul, bearbeta med krymp/sträck - maskiner samt annan tillämpbar kallformningsutrustning. Dock utgör tidsåtgången ett problem, då båda metoder alltför ofta lyckas först på andra, tredje eller tionde försöket.

Genom att digitalisera utgångsobjektet och med datorernas hjälp skapa pressverktyg eller stansar ser man möjligheten att göra tillverkningen mer rationell samt storskalig, då man ur en form kan tillverka fler användbara plåtar på kortare tid än vad som medges av dagens hantverksmässiga

produktionsmetoder med hammare och mothåll.

Jag vill rikta ett stort tack till handledaren och mentorn Peter Jeppsson, som varit en inspirationskälla och kunskapsdatabas genom hela projektet och kontaktpersonen Dan Lif på Veterangaraget som ställt sin bilflotta och verktygsarsenal och inte minst sitt intresse till förfogande.

Sammanfattning

Veterangaraget i Hörby efterlyste en tillverkningsmetod som möjliggjorde replikering av befintliga karosseripaneler. För att göra produktionen mer rationell undersöktes möjligheter inom området Reverse Engineering, med tonvikt på verktyg för tredimensionell avbildning. Dessa sammanställdes för att ge en klar bild av vilka möjligheter som fanns och vilket resultat som kunde förväntas. För att ge djupare inblick och förståelse undersöktes även efterföljande steg i tillverkningsprocessen och diverse avskanningsmetoder testades experimentellt.

En arbetsgång formulerades i ett tidigt skede; Den skadade biten återställdes i möjlig mån genom tillfällig spackling, så att den ursprungliga formen återfås, i vissa svårare fall letar man istället fram en oskadad bil och kopierar denna. Huvudsaken är dock att formen är den ursprungliga i så stor

omfattning som möjligt. Tidigare reparerade bilar måste därför undersökas mycket noga för att avgöra lagningens kvalitet.

Karosseridetaljen som skall reproduceras avbildas till ett punktmoln eller polygonyta med hjälp av för ändamålet avsedd utrustning, vilken framgår av rapporten, där förekommande system undersökts. Det punktmoln som är resultat av avskanningen behandlas, beskärs och görs sedan om till ”klass A” – ytor.

Ytorna överförs sedan till ett program för simulering och dimensionering av tillverkningsprocessen och pressverktygen. Från modellen för pressverktygen skapas ett skript för att fräsa fram verktyget i en lämplig CNC-maskin. När verktygen är utformade pressas en mindre serie plåtar för att täcka det omedelbara privata behovet och ha några över för att sälja som reparationsplåt till kund. Den färdiga produkten jämförs sedan med originalet, för att säkerställa korrekt passform och storlek. Jämförelsen görs på två sätt, dels genom visuell jämförelse, dels genom jämförelse av de genererade punktmolnen.

Skulle avvikelsen bli för stor kan man följa produktionen baklänges och korrigera för felaktigheterna, som exempelvis kan vara oväntat stor återfjädring eller ändrad plåttjocklek.

Rapporten redogör för förekommande metoder som lämpar sig för digitalisering av karosseridetaljer. I bilagan visas toleranser, mätområden, typ, generellt applikationsområde och tillverkare av de

utrustningar som undersökts. Vidare gjordes praktiska tester som visade på komplexiteten i de flesta förekommande systemen.

Efter studien i olika avskanningstekniker och undersökningen av förekommande system rekommenderas en optisk avläsning med projicering av fransar. Beslutet grundar sig främst på

flexibiliteten och snabbheten ett sådant system kan erbjuda. Då en projektor används kan fokuslängden ändras och mätrymden blir därmed mycket flexibel.

Innehållsförteckning

1. Inledning ... 3

1.1. Bakgrund ... 3

1.2. Syfte ... 3

1.2.1. Avgränsning ... 4

1.3. Mål ... 4

2. Metod och Teori ... 5

2.1. Kravspecifikation ... 5

2.2. Infångningsutrustning för geometridata... 6

2.3. Optisk infångningsutrustning ... 7

2.3.1. Optiska positioneringssystem ... 7

2.3.2. Triangulering ... 7

2.3.3. Fotogrammetri ... 8

2.3.4. Laserbaserade system ... 10

2.3.5. Fransar ... 11

2.3.6. Bildsensorer... 13

2.3.7. Övergripande resultat – optisk utrustning ... 13

2.4. Berörande infångningsutrustning ... 14

2.4.1. Armar ... 14

2.4.2. CNC – maskiner ... 14

2.4.3. Övergripande resultat – berörande infångningsutrustning ... 14

2.5. Skapande av yta och verktyg ... 15

2.5.1. Steg 1 – Förberedelse av objektet ... 15

2.5.2. Steg 2 – Infångning av geometridata... 15

2.5.3. Steg 3 – Behandling av insamlad data... 17

2.5.4. Steg 4 – Skapa ytor ... 18

2.5.5. Steg 5 – Skapa pressverktygsmodell ... 19

2.5.6. Steg 6 – Tryck första plåten... 20

2.6. Utförda experiment ... 21

3. Resultat och Slutsatser ... 23

3.1. Resultat från undersökningen av skanners ... 23

3.2. Resultat av experiment ... 25

3.2.1. Sammanfattning av resultat ... 27

3.3. Fortsatt arbete ... 28

4. Referenser och Bilagor... 29

1. Inledning

Arbetet började med att undersöka förutsättningarna för dagens produktion, för att sedan övergå till att undersöka vilka metoder som erbjöds med moderna produktionsmetoder. En litteraturstudie inom begreppet Reverse Engineering och en marknadsundersökning om verktyg för digital avbildning av ett objekt genomfördes, samtidigt som lämpliga tillverkningsmetoder undersöktes för att ge en översikt.

1.1. Bakgrund

Veterangaraget ville ha ett verktyg för att skapa små serier av ekonomiplåt till veteranbilar. Dels för eget bruk, men även för småskalig försäljning. Ur varje serie förväntades 20-25 användbara plåtar.

Idén är att reparera en rostig plåtdel och sedan skanna denna till ett program, som i sin tur tar fram ett fräsprogram för att tillverka ett verktyg för pressformning i ett slags lättbearbetat men nog hållbart material. I dagsläget sker all tillverkning efter behov och med primitiva metoder. Plåtar formas på frihand med hammare och mothåll. Ibland byggs mothållet upp genom sammansvetsning av olika bitar plattjärn, rundjärn med mera. I vissa fall, där det förekommer många svåra områden och korsande bockningar samt hörn, sker tillverkningen genom att dela upp detaljen i enkla delområden, som sedan sammanfogas.

Då dessa metoder ställer väldigt höga krav på plåtslagarens skicklighet samt ger stor risk för felaktig form söker man efter metoder som kan göra tillverkningen mer rationell och med snävare toleranser.

Min egen erfarenhet sedan tidigare inskränker sig till grundläggande svetskunskaper, samt en del erfarenhet av ytmodellerings¹- och cadprogram². Då jag sedan länge varit intresserad av att underhålla, reparera och inte minst betrakta äldre bilar föll det sig naturligt att jag accepterade uppdraget där en metod för att rädda dessa skulle undersökas. Ytterligare intressant var det då jag just läst kurserna

”Avancerad datorstödd konstruktion” samt ”datorstödd tillvekning” vid LTU respektive LTH, där bland annat ytmodellering, dataexport och tillverkningstekniker berördes.

1.2. Syfte

Huvudsyftet är att visa på en möjlig metod för att kringgå problemet med bristen på reparationsplåt, framförallt för partier med komplicerade former.

Då projektet är slutfört ska Veterangaragets representant veta vad som krävs för att skapa de CAD- modeller som används för tillverkning av pressverktygen till reparationsplåtarna. Vidare skall dem förses med en ungefärlig prisbild om tillverkningen av formar skulle ske utanför företaget, så att han kan avgöra om detta är något att satsa på i framtiden.

För egen del är huvudsyftet att undersöka hur ett objekt kan representeras i ett CAD-system, och då med tyngdpunkt på hur tillgängliga skanners och även i viss mån hur programvaran fungerar.

1 Imageware - http://www.plm.automation.siemens.com/en_us/Images/9623_tcm1023-4282.pdf

2 NX6 - http://www.plm.automation.siemens.com/en_us/products/nx/nx6/

Undersökningen ska visa hur man kan göra, vilka krav som kan uppfyllas och även hur man gör i dagsläget med liknande problem.

1.2.1. Avgränsning

Arbetet berör i huvudsak den teoretiska biten av tillverkningen, och då med tyngdpunkt på skapandet av CAD-modellen. Lokala företag kontaktas för tillverkningsfrågor. Gällande arbetsprocessen

fokuseras arbetet på de tidigare delarna, och efterföljande arbeten likt formtillverkning och verifiering av denna berörs endast som snabbast. Undersökningen gäller främst möjliga infångningsmetoder för geometridatan. Lämplig programvara för ytgenerering testas för att se begränsningar och möjligheter.

Avgränsningarna gjordes för att styra in arbetet på den för processen mest intressanta biten,

digitaliseringen av objektet. Detta eftersom det mig veterligen ej finns några digitalt lagrade kopior av dessa gamla bilar, men det finns många som kunde använda sig av dem, vid exempelvis

formframställning eller liknande.

1.3. Mål

Att förse Veterangaragets representant med kunskapen om vad som krävs för att skapa den CAD- modell som ligger till grund för ett pressverktyg som ska användas för att tillverka reparationsplåt.

Programvaror och tillvägagångssätt redovisas tillsammans med information om olika

infångningsmetoder, skanners. Dessutom undersöks marknaden för tillgängliga system som medger digitalisering av fysiska objekt, likt bildelar. CAD-modellen skall skapas med för ändamålet avsedd teknik och modellen ska vara uppbyggd av matematiskt definierade ytor.

Plåtdetaljen skall uppfylla de av kunden ställda krav samt i övrigt hålla marknadsmässig kvalitet, med avseende på passform och materialtjocklek.

Den färdigställda detaljen skall användas för att reparera rostskadade veteranbilar, där reparationsplåt inte längre går att uppbringa. Produktion kommer att ske på behovsbasis; den dag en viss bil behöver en viss plåtdetalj skapas en mindre serie ersättningsplåtar för reparation av nämnda bilmodell.

Produktionen är att likna med prototyptillverkning, i och med de små serierna.

2. Metod och Teori

Detta kapitel beskriver arbetsgången, från konstaterat behov till färdig plåtdetalj. Först visas en kravspecifikation, för att klargöra vad Veterangaraget förväntar sig. Efter kravspecifikationen gås alternativen för avskanningen igenom och sedan en tänkt tillverkningsprocess i steg, som gör

processen lätt att överblicka samt planera. För varje steg nämns vad som är viktigast, till exempel vad som har stor inverkan på slutresultatet och följande arbetssteg.

Då huvudområdet i denna rapport är undersökning av befintliga skannersystem söks information främst på internet, men även genom facklitteratur och kontakter inom avdelningen på universitetet.

2.1. Kravspecifikation

Denna kravspecifikation är grundad på beställarens åsikter och därefter har material tillagts efter konsultation med experter inom karosseriplåt och bilreparationer.

Alla veck, kanter och hål måste vara på rätt plats gentemot varandra, då plåten kan flyttas runt på bilen, men inte modifieras i sig. Lämpliga toleranser beror stort på var på bilen

reparationsplåten skall användas; en väl synlig detalj kan vara felplacerad utan att det syns, så länge det är i harmoni med omgivningen. Exempelvis en bockning som fortsätter med en dekorlist måste möta denna med passform trogen originalet.

Välvningar och dubelkrökta ytor behöver sällan ha exakt samma radier som originalet, men krökningsvinkeln spelar här en större roll.

Djup och form på pressningar på karossens utsida är viktiga, framförallt deras inbördes placering är kritisk, då raka bockningar som inte är parallella lätt upptäcks, även av det otränade ögat.

Vid detaljer där plåten viks runt kanten, exempelvis ytterkanterna av ett dörrskinn görs bockningen enbart halvvägs, eller vad formen tillåter.

Maximalt ett pressteg. Dock är efterföljande manuell bearbetning tillåten.

All bearbetning skall så långt som praktiskt möjligt skötas inom företaget med existerande verktyg. Detta gäller från skanning samt bearbetning av punktdata till färdig produkt.

Med dessa krav som stöd formulerades mer konkreta krav, enligt lista:

Hålposition för större hål inom 1 millimeter avvikelse mot normalen för en serie hål.

Notera dock att de flesta hålen borras efter det att reparationsplåten monterats på bilen Stora radier, likt skärmkantsöppningar får inte avvika mer än 2 mm i något led Stora radier på annars släta ytor hålls inom 5 %

Veck och bockningar hålls inom en millimeter från önskat läge Vattentäta CAD-modeller. Synliga ytor klass A³.

Värt att notera är dock att dessa toleranser anses som absoluta maxima. Vid modelleringen av ursprungsdetaljen läggs störst vikt på visuellt samspel mellan detalj och bilens helhet.

3 http://catiatutor.com/Basic/CATIA-Handbook/class-a-surfacing.html - användarhandbok för Catia, om klass A

2.2. Infångningsutrustning för geometridata

För att överföra ett objekts form till en datorgenerad representation krävs mätverktyg av olika slag.

Dessa mätverktyg kan indelas i två generella kategorier – ”contact” eller ”non-contact”. Eller försvenskat med avseende på funktion; Optiska eller berörande mätverktyg. Vilket man använder beror oftast på vad man vill åstadkomma, hur lång tid man har på sig och hur objektet är beskaffat. Ett objekt likt det som är av intresse för rapporten kan omöjligen placeras på ett mätbord, då de fysiska dimensionerna på en bil ofta överstiger de på tillgängliga maskiner som kan utrustas med mätprob.

I denna text visas delar av det material som legat till grund för valet av vilken skannertyp som skall användas för inhämtning av geometridata. För tillverkare, återförsäljare och skannerdata se bilaga A.

Skannersystemen delas upp i olika kategorier där deras funktion och huvudsakliga för- och nackdelar diskuteras. Då positioneringssystemen ofta är tätt kopplade till skannern redovisas även de vanligaste metoderna under relaterade avsnitt.

2.3. Optisk infångningsutrustning

Detta avsnitt avhandlar mätdon som samlar in geometridata genom optiska avläsningsmetoder, som exempelvis att belysa ytan med laser eller projicera fransar av vitt eller flerfärgat ljus. Även optiska positioneringssystem undersöks med avseende på funktion.

2.3.1. Optiska positioneringssystem

I princip förekommer två varianter, dels de som positionerar skannern eller mätverktyget optiskt genom triangulering eller fotogrammetriska metoder. Den andra varianten är system som låser objektet till ett koordinatsystem genom igenkänning av markörer, referensobjekt. Mindre objekt kan ofta placeras på ett mätbord, där speciella markörer på bordet används för koordinatextrahering.

I viss mån avses här även de mekaniska system, armar, som ofta används för att positionera skannern i förhållande till ett givet koordinatsystem. Mer om dessa i kapitlet berörande infångningsutrustning.

2.3.2. Triangulering

Då de flesta på marknaden förekommande system verkar sända ut ljus för att sedan fånga in reflektionen i en bildsensor och genom reflektionens läge räkna ut avståndet till den projicerade ljuspunkten anses det lämpligt att först redovisa vissa geometriska samband. Enligt den flitigt använda källan ”Reverse Engineering, Vinesh Raja et al, Springer” gäller följande:

Figur 1 – Bild 3.16 från ovan nämnda bok. Schematisk uppställning av ljuskälla och kameror.

I huvudsak används dessa enkla geometriska samband för att positionera den belysta ytan (punkten) i djupled. Beräkningarna förutsätter att ljuskällan producerar en enda eller flera parallella ljusstrålar, vilket i praktiken betyder att hänsyn måste tas till ljuskällan linssystem. Förskjutningen av ljuspunkten (linjen) i sidled ger, med följande uttryck, avståndet mellan objektet och infångningsutrustningen – Z.

Med beteckningar enligt bild 3.16 a gäller följande:

tan Z FL

P F

Förutom avståndet till objektet vill man även positionera punkten i sidled – X:

tan X L Z

Lokalt koordinatsystem har origo mitt i linsen, enligt bild ovan. Ofta används vinklar i närheten av 30 grader, eftersom detta har visat sig vara den i allmänhet mest gångbara kompromissen⁴. F och L är konstanta, vilket lämnar Z som enda variabel. Som synes i figuren kan det lätt uppstå dataförluster om det skannade objektet har kraftigt utstickande detaljer, då dessa skymmer ljuset för kameran. Istället för att göra en andra skanning från motsatt håll kan man använda en maskin med dubbla kameror.

Dessa maskiner eliminerar i de flesta fall scenariot där ljuset skyms, och användaren slipper lappa ihop flera olika punktmoln.

För system med dubbla kameror observeras ljuset från två håll. Vid ökat respektive minskat avstånd till objektet ”ser” bildsensorerna att det inkommande ljuset träffar på in- respektive utsidan av mittpunkten. Då vinkeln mellan kamerorna och ljuskällan samt dess inbördes avstånd är känt kan avståndet Z läsas fram. En sådan enkel formel involverar enbart ena kameran, då det enbart finns en variabel – infallsvinkeln på ljuset, vilket relateras till objektets avstånd, Z:

2 tan Z L

Givetvis måste hänsyn tas till bildsensorernas egenskaper och eventuell lins, i likhet med formeln för den enkla kameran längre upp. Den andra kameran används, förutom till att få större arbetsområde även till att underlätta kalibreringen av systemet. Vidare kan den dubbla konfigurationen ge minskad känslighet för yttre störningar, som exempelvis varierande temperaturer. Även asymmetriska konfigurationer förekommer, vilket kan ge den fördelen att både breda och djupa objekt kan digitaliseras utan att skannern måste flyttas.

Triangulering används i huvudsak med en enda ljuskälla. Vilken man använder beror på många olika faktorer, till exempel ljusförhållanden, om skannern flyttas eller står still under skanningen, eller personliga preferenser och inarbetade rutiner. Historiskt sett har laserskanners erbjudit högre precision, men framsteg inom kontrollmjukvara och linssystemen på moderna projektorer har bidragit till att lasern får allt hårdare konkurrens. Dessutom kan ett system med projicering av fransar upplevas mer flexibelt, då fokus och därmed arbetsområde kan varieras i större utsträckning än vad typiska laserskanners erbjuder.

2.3.3. Fotogrammetri

Fotogrammetri är metoden för att läsa ut rymdkoordinater ur en eller flera bilder. Den extra

dimensionen tillsätts genom identifiering av kända objekt, referensobjekt eller genom god kännedom om linssystemet tillsammans med kunskap om avstånd till ett givet objekt i bilden. Metoden används i huvudsak i två fall; som ett eget 3D-skanningssystem eller för att bestämma läget på bestämda punkter och markörer, referensobjekt eller det handhållna mätverktyget.

4Vinesh, Raja et al, Reverse Engineering – An Industrial Perspective, Springer, ISBN 978-1-84628-855-5.

Fotogrammetri i positioneringssyfte

Många skannersystem använder just fotogrammetriska metoder för att positionera skannern i förhållande till objektet (referenspunkterna).

Ett exempel är OptoTrac⁵ där tre kameror används för att låsa skanners läge och riktning i förhållande till ett i förväg utplacerat referensobjekt, ofta ett kryss med tydliga markörer. Just detta system tillåter att både skannern och själva positioneringsenheten flyttas, under förutsättning att det huvudsakliga referensobjektet behålls.

Utrustningen som krävs är framförallt en kalibrerad och konsekvent kamera, samt någon form av referensobjekt. Referensobjekten används dels för att ange lokalt koordinatsystem men också för att, genom triangulering, avgöra avstånd till närliggande referenspunkter. Dessa kan fästas på det

avskannade objektets yta eller ställas på golvet framför, huvudsaken är att nog många av referenserna förekommer på den föreliggande och följande bilden.

Referenspunkternas utformning skiljer något mellan de olika tillverkarna, men genomgående används självhäftande eller magnetiska markörer med primitiv färg och form. Färgen är ofta svart på vit bakgrund, eftersom skarpa kontraster förenklar upptäckten i programmet. Formen är primitiv, det vill säga i huvudsak används cirklar, ringar och rektanglar eller kvadrater. I vissa system används kodade markörer, där en grupp med cirklar automatiskt känns igen av programvaran. Anledningen till att göra så är att man automatiskt kan följa en viss kontrollpunkt eller identifiera ett speciellt mätverktyg.

Fotogrammetri i modelleringssyfte

Många gånger används just fotogrammetri för kontroll av avvikelser på just pressade plåtdetaljer, eftersom kamerornas höga noggrannhet tillsammans med väl utprovade referenssystem ger säkra data om avvikelser på hål, slitsar och kanter. Skall en Cad-modell däremot skapas upptäcks snart en del av metodens svagheter; runda former. För att underlätta infångningen av koordinater på rundare objekt kan användaren markera viktiga detaljer med exempelvis tejp, vilket skapar kontraster och därmed något som fotogrammetrisystemet kan känna igen.

I en del fall där noggrannheten inte är kritisk och objektet är av lämplig karaktär kan man använda en vanlig digitalkamera. Genom att markera hörn och andra extrempunkter och ha dessa synliga under hela fotograferingsförloppet kan bilderna läggas samman för att ge 3-dimensionell bild av objektet, förutsatt att lämplig programvara finns tillgänglig.

5http://www.ndidigital.com – OPTO TRAC

2.3.4. Laserbaserade system

Då laser är koherent, det vill säga att strålningen är i fas och vågutbredningen är parallell ges goda möjligheter till exakta avläsningar över stora avstånd. Laser kan ofta användas i annars svåra

ljusförhållanden, då användandet av speciella färgfilter kan dämpa bakgrundsstörningar och lyfta fram den önskade projektionen. Med många av dagens laserskanners används en enda stråle som

kontrollerat sveps över ytan, alternativt överlåts svepandet till operatören.

Punktformig laserstråle används i huvudsak endast för Time-of-flight – applikationer. Punktlaser används i huvudsak för mätning av avstånd genom ”time of flight”, det vill säga att man mäter tiden det tar för en skickad ljusstråle att återvända. Detta används i huvudsak när man mäter håldjup eller avstånd till objekt långt bort, ibland upp till ett par kilometer.

Avståndsbedömningen sker ofta i två steg, dels genom att räkna antalet pulser från en kalibrerad klocka till dess att strålen reflekterats samt dels genom att kombinera detta genom att studera fasen på den återvändande strålen. Att studera fasen gör att upplösningen ökar.

Linjelaser är den mest använda laserkonfigurationen. En enda projicerad linje sveps över ytan samtidigt som programvaran registrerar var på bildsensorn linjen befinner sig. Läget översätts på vanligt vis till en djupangivelse. Ofta är rörelsen kontrollerad och ljuskällans vridning kopplas till bildsensorn och mjukvaran. I de fall där rörelsen inte kontrolleras av mjukvaran används alternativa positioneringsmetoder⁶ för att ge maximal flexibilitet.

Då endast en stråle används förekommer problem vid skarpa hörn. Framförallt då strålen klyvs utmed hörnet kan dubbla punkter skapas, vilket nästan alltid ger upphov till felaktigheter i punktmolnet. Det finns metoder för att undvika detta problem, en av dem är att vinkla strålen för att undvika de flesta hörn. En annan metod är att genom resultatkontrollerande mjukvara med rimlighetsbedömning kunna utesluta de felaktiga punkterna eller vinkla om ljuskällan. Vanligtvis är strålen begränsad i bredd, många gånger till under 100mm.

Krysslaser används mer sällan, men har vissa givna fördelar, då skärningspunkten för linjerna kan användas för att automatiskt kalibrera utrustningen. Den största fördelen är att fler punkter skapas vid varje bild vilket kan ge fördelar vid hörn och hål, då representationen av dessa kan göras snabbare.

6 Se avsnitt: Armar i kapitlet: Berörande infångningsutrustning

2.3.5. Fransar

Vanligtvis används vitt ljus med en projektor eller liknande, för att projicera smala, parallella sträck på objektet. Se bild.

Avskanning med fransar (Cascade). Vitt ljus i presenterad form ger väldigt goda toleranser och många

datapunkter. Som synes är flertalet referenspunkter utplacerade för att enkelt koppla ihop flera olika punktmoln.

Vid användandet av skarpa linjer, i likhet med bilden ovan projiceras flera smala fransar av ljus mot ytan. Punkter skapas enbart i kantzonerna, varför man ofta förskjuter bilden (fransarna) något i sidled under infångningen. Som ofta blir fallet med att använda flera linjer uppstår tvetydigheter vid vissa detaljer, då två eller flera linjer smälter samman. För att komma ifrån detta problem har man ansatt en rad olika åtgärder, bland annat att använda flera olika bredd på fransarna eller ta flera bilder med fransarna förskjutna eller flyttade i sidled. En vanlig lösning för att lösa problem med tvetydigheter är att använda 2ⁿ fransar, där n (0<n<7) anger bildantalet per tillfälle (utan att skannern flyttas).

Ofta arbetar mjukvaran med kamerorna för att identifiera gränszoner för upplyst eller oupplyst. Sådana gränser bestäms genom att studerande av skillnader i ljusintensiteten, förutsatt att ljuset som projiceras ger skarpa kanter. Om det projicerade ljuset istället är i gråskala, det vill säga pulsbreddsmodulerat vitt ljus (sinusfransar) bestäms linjernas mitt genom att studera derivatan av ljusintensiteten. Detta gör att angreppsvinkeln blir ungefär densamma, med den huvudsakliga skillnaden att mer komplexa objekt kan hanteras, då projektionen uteslutande sköts av samma system som utvärderar resultatet.

Här⁷ används ljus i gråskala, samtidigt som bredden, och därmed mellanrummet mellan linjerna justeras av mjukvaran i realtid. Detta görs för att i huvudsak få en jämn och korrekt fördelning av punkterna, se exempel med cylinder:

7 http://terpconnect.umd.edu/~skgupta/Publication/JCISE07_Peng2_draft.pdf - university of Maryland, USA

Bilden är ett utdrag ur http://terpconnect.umd.edu/~skgupta/Publication/JCISE07_Peng2_draft.pdf p5/30

Som synes på de högra bilderna fördelas fransarna jämnare över objektet, och ger därmed ett jämnare punktmoln.

I likhet med det pulsbreddsmodulerade grå ljuset finns system som använder tre färger (RGB) som även här styrs med PWM. Att blanda in färger för att skapa det vita ljuset gör att man enklare kan fånga in texturer och undvika störningar från omgivningen. Samtidigt kan tekniken användas med flertalet videoprojektorer, då inte alla har ett väl utbyggt och stabilt system för att presentera bilder i gråskala. Vidare ges möjligheten att studera fasen på ljuset, vilket kan användas för att ytterligare förbättra noggrannheten.

Oavsett vilken av dessa metoder med fransar som används ger de punktmoln med många punkter och god kvalitet, det vill säga att avvikelsen är liten. Problem med skarpa kanter förekommer, men repeterade avskanningar eller metoden med adaptiva fransar minimerar dessa.

Naturligt ljus – skuggavläsning

Som komplement till metoderna där ljusprojektorn dikterar fransarna kan man använda sig av en vanlig bordslampa och skuggan som uppstår på objektet då en penna förs framför lampan. Denna metod kräver dock att bakgrunden är plan, eftersom linjen och därmed avvikelsen bestäms genom att jämföra ändlägena mot mittenpartiet. För fortsatt läsning rekommenderas

[http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/ICCV98/] , som är en förvisso gammal men lärorik artikel som utförligt demonstrerar metoden.

2.3.6. Bildsensorer

I huvudsak använd två olika typer av sensorer, CCD och CMOS. De tidigare har länge varit populära på grund av den låga förekomsten av brus och på grund av den goda ljuskänsligheten. Dock finns flertalet skillnader, men även likheter mellan sensortyperna.

[http://www.dalsa.com/corp/markets/CCD_vs_CMOS.aspx] har använts flitigt, då den tydligt redogör för de olika bildsensorernas karaktäristik och även användningsområden.

CCD – Charge Coupled Device

En CCD – bildsensor består av en metalloxidhalvledare som omvandlar inkomna fotoner (”ljuspartiklar”) till en laddning. Laddningen förs över till utgången, där den omvandlas till en spänningsnivå och skickas från chippet för vidare behandling. Ljusintensiteten mäts vid givet

tidsintervall och varje pixel mäts enskilt. Tack var få komponenter runt sensorn och bra känslighet kan brusnivåer hållas mycket låga.

CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor

Likt CCD:n består bildsensorn av en metalloxidhalvledare som omvandlar upptagna fotoner till en laddning. Här kommer dock den principiella skillnaden; CMOS:en omvandlar direkt laddningen till en elektrisk signal alldeles intill bildsensorn. Vidare sköts även klockan internt på chippet, vilket gör att man kan använda sensorn som den är, utan externa kontrollkretsar. Dock har tekniken en rad

nackdelar, bland annat förekommen en hel del brus och ljuskänsligheten är allmänt låg. Bruset uppkommer till stor del på grund av elektronikens placering så tätt inpå sensorn.

2.3.7. Övergripande resultat – optisk utrustning

Då många datapunkter skapas på kort tid med hög precision ges goda förutsättningar för låga avvikelser och god avbildningsförmåga. Avbildningen går ofta väldigt snabbt och kräver liten eller ingen förberedning av objektet. Vidare finns inga direkta begränsningar för objektets storlek, då många system erbjuder bra rutiner för att sammanfoga flera olika moln. Det genererade punktmolnet har ofta en mycket hög densitet, och lämpar sig därför väl för att återge formen på objektet.

2.4. Berörande infångningsutrustning

Till dessa hör de koordinatmätmaskiner som bestämmer en ytas position genom beröring av ytan. Det finns två huvudtyper; den maskinstyrda som mäter punkter i ett rutmönster samt den användarstyrda, som styrs längsmed hörn, konturer etc. Då någon optisk utrustning inte används behöver man sällan ta hänsyn till ytans reflektans eller ljusförhållanden i närmiljön. Vidare kan man med större noggrannhet bestämma djupet på djupa eller smala håligheter, exempelvis borrade hål m.m. Många modeller kan utrustas med optiska mäthuvuden för ökad användbarhet, framförallt för formkontroll.

2.4.1. Armar

Ofta används en rörlig arm med flertalet vinkellägesgivare. Vid spetsen på armen sitter en mätprob med bestämd längd samt spetsform. Maskinen har ofta ett fördefinierat koordinatsystem i basen på armaturen, och lägesbestämning av spetsen sker genom att räkna ut den resulterande riktningsvektorn och längden på denna för att sedan med en omräkningsmatris bestämma koordinaterna från polärt till kartesiskt format. Många gånger sker vinkelavläsningen med magnetiska eller optiska bländarskivor och parmonterade sensorer. Positionering sker uteslutande i förhållande till armens basplatta, vilket medför att hopparning av flera avskanningar i många fall måste göras manuellt, förutsatt att objektet flyttats i förhållande till armens basplatta. Vid avskanning för användaren mätproben utmed ytan för att generera mätpunkter. Punkterna skapas antingen automatiskt med ett förutbestämt

samplingsintervall, så länge verktyget trycks mot en yta eller när en knapp trycks in.

2.4.2. CNC – maskiner

Ofta använder man en maskin med rörelse i minst 3 dimensioner. Själva mätningen sker i huvudsak i en dimension; mätdonet sänks mot ytan tills kontakt uppstår, för att sedan dras tillbaka till

startpunkten. Bordet flyttas ett steg och ny mätning görs. Många gånger kan styrprogrammen förses med logik som automatiskt byter riktning om de exempelvis träffar bordet eller når yttre

avgränsningslinjer. Dessa koordinatmätmaskiner jobbar ofta med objektet fastsatt på arbetsbordet, men varianter finns som jobbar mot friluft. Dessa används i huvudsak för att skanna av större eller immobila objekt, exempelvis detaljer på husfasader eller större maskiner.

Mätningar sker många gånger i förutbestämda mönster, ofta i linjer eller överlappande cirklar,

beroende på objektets utformning. Manuell styrning förekommer, och även interaktiv realtidsstyrning, där användaren kontrollerar skanningsriktningen med ett tangentbord eller liknande.

Mätproben har även här en förutbestämd och välkalibrerad längd samt spetsutformning. Ofta finns även system för automatisk igenkänning av olika spetsar, inklusive optiska varianter såsom laserskanners. Som i fallet med armarna används även här spetsar med olika diametrar

2.4.3. Övergripande resultat – berörande infångningsutrustning

Många gånger används denna typ av utrustning för att verifiera resultat, då rörelsen i många fall kan programmeras och upprepas per automatik. De genererade punkterna är ofta få till antalet, men många gånger mycket exakta. Till tillämpningar hör digitalisering och kontroll av mindre, hårda objekt likt verktyg eller maskindetaljer.

Många gånger används mätarmarna tillsammans med en laserskanner i positioneringssyfte.

2.5. Skapande av yta och verktyg

Arbetsgången bestämdes i tidigt skede och är ganska självförklarande och vid, då steg två kräver att steg ett är utfört, men metoden för att avklara varje steg är i det närmaste valfri. Dock lämnas rekommendationer utifrån hur andra företag löst liknande problem.

2.5.1. Steg 1 – Förberedelse av objektet

Den skadade plåten undersöks framförallt med avseende på form; verkar den ursprungliga formen finnas kvar eller kunnas ta fram utan för stora avvikelser mot originalet, är den viktigaste frågan.

Bedöms detaljen vara i nog gott skick återställs ytan genom spackling. Då ytan enbart är provisorisk kan ett mycket lättslipat spackel användas, eftersom man inte behöver beakta det faktum att porösa spackelsorter gärna sjunker avsevärt, framförallt vid större reparationer. Viktigt att minnas är att bevarande av de ursprungliga ytorna är viktigare än en jämn yta, då reparationen ofta även kan utföras i programvaran för ytgenerering.

Om vad som återstår av plåten enbart är ett stort hål, eller om skadorna förekommer på områden med många små bockningar och veck som är svåra att återskapa med spackel kan man vara tvungen att istället avbilda en annan bil. Alternativt göra en avbildning innan respektive efter reparationen, för att säkerställa viktiga detaljer. Det tredje alternativet, och ofta mest säkert gångbara innebär att man avbildar ytan som den är, och sedan ”reparerar” modellen. Den största nackdelen här är den stora risken att detaljer går förlorade och att metod för att kontrollera avvikelse mot originalet saknas.

Med formen säkerställd är det läge att ta hänsyn till mätutrustningen. Vilken typ som används styr i viss mån vilka krav som ska ställas på ytan. Vissa optiska sensorer är besvärliga vad gäller belysnings- och reflektionskrav, medan andra kan klara i stort sett vilka ljusförhållanden som helst. I bilaga A diskuteras och analyseras olika infångningsmetoder samt deras respektive styrkor och svagheter.

För detta ändamål vill jag rekommendera en optisk mätutrustning då man snabbt och till en låg kostnad kan skanna hela bilen på en gång. Skan-datan, eller punktmolnet som skapas håller en hög densitet där det behövs, framförallt vid övergångar och gränszoner.

2.5.2. Steg 2 – Infångning av geometridata

När man valt infångningsmetod och objektet har genomgått förberedande steg kan man börja infångningen av geometridata.

Den använda skannern eller infångningsutrustningen ger upphov till en punkt med koordinater för varje punkt den läser av. Dessa punkter lagras och visualiseras i ett för ändamålet avsett program för vidare behandling. Även om ytan fotograferas med vanlig kamera på frihand eller med ett

fotogrammetriskt system erhålls geometridata, även om vidare behandling krävs för att ge en representation som ett punktmoln.

Då flera delar av bilen kan vara av intresse i framtiden rekommenderas att all karosseripanel skannas, gärna från samma bil och tillfälle. Detta gör att man lättare ser helheten och kan avgöra vilken effekt man får av att utelämna vissa detaljer etc. Samtidigt reduceras kostnaderna för att tillverka nästa detalj, då man slipper dubbla utlägg för restid etc.

Då skanningen genomförs skapas ett punktmoln för varje tillfälle och position på skannern. Hur detta eller dessa moln ser ut varierar, och varje molntyp har sina speciella egenskaper.

Punktorientering

Olika typer av utrustning ger upphov till punktmoln med olika utseenden. Många av de optiska skanners som hålls still under infångningstillfället ger upphov till ett punktmoln där punkterna är ordnade i linjer, likt de projicerade fransar som ofta används. Andra utrustningar, till exempel handhållna likt FaroArm ger upphov till punkter som är till synes godtyckligt utspridda, då punkter endast skapas på de punkter operatören intresserar sig för. Vilket som är lämpligast för vårt ändamål beror på hur ytan varierar, vilken punkttäthet som krävs och hur lång tid infångningen får ta. Oturligt nog är ingen av metoderna perfekt, då man i båda riskerar att detaljer faller mellan mätpunkterna eller missas av operatören. Dock blir dessa problem alltmer ovanliga, då punkttätheten ständigt tycks öka för de optiska enheterna.

Ett moln

Görs skanningen i ett enda steg med ett enda punktmoln som resultat behövs ingen låsning till

koordinatsystem i detta läge. Låsning till globalt koordinatsystem görs i punktbehandlingsprogrammet genom att exempelvis identifiera primitiva former (cylindrar etc.) och sedan positionera dessa mot koordinatsystemet. Fördelen med att enbart använda ett moln är att man slipper fel som beror på överlappande moln. Vidare blir datamängden mer hanterlig, då större moln kan ge problem med äldre utrustning. Nackdelen med endast ett moln är att man inte kan få med baksidan eller alla delar av ett visst objekt. Förvisso ger skanners med dubbla bildsensorer ett visst ”se-runt-hörn” – beteende, men det räcker sällan vid skanning av karosseriplåt, där det ofta kan förekomma parallella ytor, likt sidorna på ett ”U”. Sett från botten kan man alltså bara se den ena långsidan, aldrig båda samtidigt. Jämför gärna U:et med en bakre skärmkant på en bil där bakdörren slutar vid hjulhuset. Botten på U:et blir då plåten som syns utåt, långsidorna är kanten i hjulhuset respektive dörröppningen.

Flera moln

Att göra flera skanningar efter varandra ger ofta många fördelar. Läggs referensobjekt till direkt kan man lätt skapa flera tätt matchade moln med bra toleranser och små fel på grund av problem vid sammanfogningen av molnen. Om objektet skymmer sig själv, till exempel vid insidan av en skärmkant eller nederkanten på en dörrsida läggs referensobjekten till på en yta som syns vid båda skanningarna. Som minimum används oftast tre punkter, men man kan använda färre om objektet har lätt igenkännbara detaljer. Referensobjekten kan vara speciella markörer, tillverkade enbart för det ändamålet, men det kan även bestå av enkla föremål med en tydlig basform, gärna sfärer, cirklar eller cylindrar. I vissa fall används grupper av referensobjekt för att utrustningen automatiskt skall fokusera på just den punkten.

Ofta används godtyckligt utplacerade självhäftande punkter som referensobjekt, för att otvetydigt låsa flera moln till varandra och det gemensamma koordinatsystemet. Detta sker automatiskt med hjälp av ett insticksprogram för fotogrammetri⁸ som ”känner igen” markörerna. Kodade markörer stöds av

8 Exempelvis http://www.gom.com – Tritop fotogrammatiskt mätsystem. Se Bilaga A för andra exempel

vissa system och används främst för igenkänning av specialmarkörer (klot etc.) eller för att undvika tvetydigheter vid större objekt och många skanningar.

Annars sker låsning ofta genom ”Best Fit” – kommandon som ofta arbetar efter minsta kvadraten – metoden. Även interaktiva 3-2-1 – låsningar förekommer, men används sällan för multipla moln.

Beroende på utrustning sammanfogas molnen till ett i maskinens mjukvara eller i programmet för ytgenerering. Fördelen med att använda flera moln är framförallt att större objekt kan digitaliseras.

Man kan även öka punkttätheten drastiskt på en given yta, då mätrymden och därmed punktavståndet kan minskas utan att man för den delen behöver minska objektets storlek. Nackdelen med flera moln är tvetydigheter vid orientering av moln (n+1). Även om referensobjekt är utplacerade finns risk att dessa flyttar på sig, exempelvis genom gravitationens inverkan på klistret eller tejpen.

Att beakta för det fortsätta arbetet är att det genererade punktmolnet måste representera formen på objektet, oavsett om det består av miljontals punkter genererade med en optisk sensor eller ett hundratal, ytterst noggranna punkter generade med en CMM – koordinatmätmaskin. Den föreslagna optiska sensorn ger många punkter med god noggrannhet, då många närliggande punkter med låg avvikelse ger ett bra punktmoln.

ATOS II Max Nominellt Min

Mätpunkter 1 400 000

Mätområde mm² 2000 x 1600 175 x 140

Punktavstånd mm 1,40 0,12

För mer information rekommenderas vidare läsning på http://www.gom.com

Ytterligare data står att finna i bilaga A. En av styrkorna med detta sensorsystem är att det har funktioner för automatisk kalibrering samt uppdateringar om sensorns läge. Dessutom har systemet stöd för en mätprob, som exempelvis kan användas när inre detaljer eller djupa hål ska mätas. Överlag uppvisas mycket goda toleranser, ofta att jämföra med konventionella koordinatmätmaskiner.

2.5.3. Steg 3 – Behandling av insamlad data

I ett typiskt program börjar man med att importera det första punktmolnet samt låsa det till koordinatsystemet, alternativt placeras punkterna vartefter de läses in av infångningsutrustningen.

Ytterligare punktmoln läggs till och positioneras i förhållande till det föregående genom att använda exempelvis skarpa veck, referensobjekt eller den CAD-modell molnet skall jämföras mot.

Ett punktmoln är precis vad det låter som: Ett hundratal till miljontals punkter samlas in i varje

skanning, och visualiseras som ett gytter av små punkter tätt intill varandra. En del av systemen lägger själva samman punktmolnen från olika skanningar och rensar samtidigt upp skandatan från felaktiga punkter genom olika statistiska metoder för att identifiera och ta bort spikar och dubbletter. I andra fall görs kontrollen manuellt med hjälp av utvärderingsverktyg i ytgenereringsprogrammet, och moln paras ihop efter dubbelt förekommande detaljer, såsom olika geometriska referensobjekt. För att snabbt kontrollera förekomst av avvikande punkter eller dubbelskanningar skapar man en yta

uppbyggd av trianglar – polygoner. Felaktigt ihopparade punktmoln kan nu visa sig som en yta med många gropar i, och avvikande datapunkter resulterar i plötsliga toppar eller dalar. Saknad data visar sig ofta som hål och oregelbundna ytor.

Värt att tänka på är att avståndet mellan punkterna måste passa objektets form, ett stort punktavstånd på ett objekt med små höjdskillnader kan ge bilden av stora gropar, då upplösningen inte räcker till.

Då många plåtytor består av ett fåtal kritiska områden med flera veck, radier eller bockningar kan man ofta utan vidare reducera antalet punkter på de större, kontinuerliga ytorna. I många program finns en funktion för just detta, och reduktion av punkter på större ytsegment kan ofta göras mycket hårt, med endast ett hundratal återstående punkter. På exempelvis en hjulhuskant kan det många gånger räcka med punkter var 2-5:e millimeter, förutsatt att användaren kan lägga till en korrekt utformad

stödkurva. Man måste dock ständigt ha nästa steg i omtanke, då för få kvarvarande punkter kan leda till felaktigt skapade ytor och onödigt stora avvikelser på slutprodukten.

2.5.4. Steg 4 – Skapa ytor

Då punktdatan är noggrant låst till koordinatsystemet och uppstädat på onödiga detaljer kan man inleda skapandet av ytor. När punktmolnet visas på skärmen kan man med fördel börja med att skapa en polygonyta, dels för att undersöka molnets kvalitet och dels för att lägga upp en strategi för att skapa ytorna. Är ytorna väl avgränsade och kontinuerliga kan man ofta med gott resultat använda den inbyggda funktionen för att skapa ytorna. Ofta är programvaran tillräckligt bra för att skapa bra ytor genom diverse ”Rapid Prototyping” – kommandon, även om dessa ofta kan behöva finputsning för att modellen ska bli vattentät och hålla nog hög kontinuitetsgrad.

Om snabbkommandona inte ger nöjaktigt resultat eller rent av inte stöds av systemet återstår att skapa alla ytor för hand. Dessa skapar man genom att definiera en yta, exempelvis genom fyra punkter och anpassar sedan dess kontrollpunkter så att ytan sammanfaller med punktmolnet. Graden på ytan väljs utifrån önskad kurvaturförändring. Det är viktigt att ytans kontrollpunkter sprids jämt och med lika avstånd. Detsamma gäller även när man skapar stödkurvor, eftersom ytsegmenten skapas utifrån kurvans delsektioner. Skulle den nya ytan vara för kort kan den enkelt förlängas med för ändamålet passande kontinuitet.

I en del fall är det fördelaktigt att skapa stödkurvor först, för att sedan skapa ytan. Exempel på detta kan vara när flera skarpa bockningar finns nära varandra och då endast ett fåtal punkter finns mellan två möjliga stödlinjer. Stödlinjer skapas genom att en spline, b-spline eller nurbs skapas genom att låsa kontrollpunkterna till punkter i molnet. Kurvan justeras så att den ser ut att passa bra och sedan

omfördelar man kontrollpunkterna för att ge en jämnare och mer användbar stödkurva. Ofta föredras nurbs, eftersom dessa har en entydig matematisk definition.

Ytorna som just skapats förlängs och kapas vid skärningspunkterna. Genom att extrahera ISO-linjer eller förskjuta en kopia av den nya kantlinjen kan man skapa en bra kant för att ansluta en blend eller andra fyllnadsytor. En traditionell ”blend” skapas ofta genom att ett virtuellt klot rullas på de berörda ytorna, som då beskärs vid tangentpunkten. Detta gör att ytan inte blir kontinuerlig, vilket ses då man använder kurvaturutvärderingsverktyget ”curvature needles”, senare kallat nålar. Ett alternativ är att skapa ”blends” med accelererad kurvatur, då dessa ger en mjukare övergång mellan ytorna. Nålarna kommer nu att visa en gradvis förändring, till skillnad mot den tidigare tvära ökningen av kurvatur. Att använda accelererad kurvatur kan rekommenderas för väl synliga övergångar. Dock är oklart om det

gör någon verklig skillnad för slutresultatet, då grund, slipgrund, bas- och topplack troligtvis kommer att jämna ut de flesta övergångarna.

Verifiera ytor

För att säkerställa att ytorna motsvarar punktmolnet mäts avstånden mellan punkter och relevanta ytor.

Avvikelsen redovisas ofta som olika färger, tillsammans med information om största avstånd samt standardavvikelsen. Beroende på var på fordonet detaljen skall sitta tillåts olika typer och belopp av felaktigheterna. För en större annars slät karosseripanel kan ett högre numeriskt värde på avvikelsen ofta tillåtas, medan ytans kurvatur måste vara väldigt nära originalet. Detta möjliggörs då man vid monteringen lätt kan ”trycka till” plåten så att den passar, men svårare det är svårare att ändra kurvatur eller läge på exempelvis ett kantområde eller liknande.

En bra metod för att undersöka detta är att visa kurvaturplottar samt nålar. Normalt vill man att kurvaturen på en yta skall ändras kontrollerat och gradvis, då stora förändringar i kurvatur kommer att synas på slutprodukten.

Med alla nödvändiga ytor skapade har det blivit dags att ”sy ihop” alla ytsegment. När detta är gjort analyseras och utvärderas den färdiga modellen ytterligare en gång för att säkerställa att inget konstigt inträffat. Då det i huvudsak är yttre, väl synliga karosseridetaljer som tillverkas används klass-A – ytor, för att säkerställa jämna och framförallt önskade former samt reflektioner.

2.5.5. Steg 5 – Skapa pressverktygsmodell

Den färdiga ytmodellen görs om till en solid CAD-modell för att skapa underlaget till pressverktyget.

För att göra modellen sluten läggs ett datumplan straxt utanför de nedersta punkterna och angränsande sidor förlängs ner till planet, så att modellen kan slutas.

Med modellen tillgänglig kan man börja analysera formen och hur modellen bör placeras för att alla, eller i alla fall de viktigaste kanterna ska kunna bockas. Ytterligare referensplan placeras för att kunna användas som bottenplan när plåten väl ska pressas. En yta som visar var plåten ska avslutas skapas, men då pressningen skall ske i ett steg och verktygens hållbarhet inte kan garanteras kommer inga klippmoment utföras, om man inte på ett smidigt sätt kan lägga till ett skärstål på pressverktyget.

Genom att göra modellen ihålig med Shell-kommandot med lämplig tjocklek inmatad kan en enkel innerhalva av formen skapas. Plåten simuleras och en FEM-analys görs för att kontrollera hur pass mycket modellerna måste ändras för att bockningsvinlar etc. ska hamna inom toleranserna. Verktyget modifieras så att nöjaktigt resultat erhålls. Exakt hur detta görs beror på var felen finns samt hur felen uppstod. Vidare undersöks risken för veckning inom kritiska områden. Vid förekomst undersöks möjliga strategier för att eliminera eller flytta veckbildningen till ett icke-kritiskt område. Många gånger kan programmens guider hjälpa till, men jag rekommenderar att ett tillverkande företag söks upp, om inte var gång i alla fall för första plåten. Då det rör sig om små serier kan flexformning⁹ vara ett kostnadseffektivt alternativ, då enbart en verktygshalva används.

9 Peltier. D. J, Johannisson. T. G, Flex forming of Prototype and Low-Volume Parts, SAE 982398

Steg 5.1 – Analysera pressverktygsmodellen och välj material.

Pressverktyget analyseras i sig med avseende på presskrafter och den egna deformationen. Utifrån materialets flytgräns väljs formmaterial som testas genom FEM-analys. Ingen eller ytterst liten kvarstående deformation av formen på grund av normalkrafter tillåts. Vid ytor där glidning förekommer bör smörjmedel appliceras och formen brukas så länge det är möjligt. Verktyget kan komma att tillverkas av aluminium, men även fiberkompositplaster eller –betong övervägs.

Simuleringsresultatet för den pressade plåten undersöks och jämförs mot modellen, för att säkerställa korrekt kurvatur, tjocklek och form. I de flesta fall gäller att formnoggrannheten är av större vikt än måttnoggrannheten.

Att notera är att vid en FEM-analys beror resultatets kvalitet många gånger på det nät av trianglar eller fyrkanter som ytan utgörs av. En bra yta, klass A, eller likvärdig ger stora möjligheter att skapa ett bra sådant nät, mesh även kallat. Sker FEM-analysen från STL-data måste man vara medveten om och analysera hur nätets utformning påverkar det uppskattade resultatet.

Steg 5.2 – Tillverka pressverktyget.

Pressverktygsmodellen importeras till Pro/E’s cam-beredningsprogram eller liknande, där ett CNC- program skapas för att fräsa fram verktyget eller pluggen till detta (om gjutet verktyg används). Som verktygsmaterial används vanligen aluminium, men ekonomiska fördelar kan finnas med att använda speciella kompositmaterial som gjuts i formar tillverkade av till exempel PUR som frästs till rätt form.

Exempel på material som gjuts är Densit ToolCast, enligt en tidigare rapport vid LTU.¹⁰ Oavsett vilket material formen tillverkas av måste denna tillverkas, och då lämpligen i en passande CNC-maskin.

Bland andra Lärnia kan erbjuda kostnadseffektiv prototyptillverkning av formarna. Beroende på vilken typ av press som används behövs olika typer av former. En quintuspress eller hydraulpress kräver enbart en formhalva, medan den verkstadspress som finns tillgänglig i dagsläget kräver två formhalvor.

2.5.6. Steg 6 – Tryck första plåten

När pressmetod bestämts, formar tillverkats och plåt inhandlad är det dags att pressa den första plåten.

Innan en hel serie körs bör man kontrollera resultatet. Under resultatavsnittet presenteras bland annat företag som gärna ställer upp med pressformningsuppdrag i mindre serier, både för formning genom djupdragning och genom flexformning.

Analysera resultatet

En första kontroll av resultatet görs direkt när plåten tas ur formen. Verkar alla bockningar med mera blivit som önskat och plåten liknar utgångsmaterialet kan man digitalisera den nya plåten för att jämföra det nya punktmolnet mot CAD-modellen. I detta skede kan enklare utrustning användas då en CAD-modell redan finns. Förutsatt att resultatet var till belåtenhet kan man nu fortsätta tillverkningen.

Pressverktygens slitage hålls under observation och även plåten kontrolleras löpande för felaktigheter beroende på slitna formar.

10 Sundström Thomas, Prototypverktyg för plåtformning, Examensarbete LTU ISSN 1404-5494/ISRN LTU-EX-01/75-SE / NR 2001:75

2.6. Utförda experiment

Det praktiska arbete som utfördes för att skaffa djupare förståelse för förekommande skannersystem var att försöka skapa liknande mätmaskiner med de medel som fanns till hands.

Först konstruerades en maskin som skulle användas för att mäta avståndet mellan maskin och objekt, ett steg i taget. När djupet(Z) mätts med exempelvis en stållinjal skulle maskinen ställas in på en ny höjd och mätningen upprepas. När mätområdet passerats i höjdled återställs korgens läge i Y-led och den matas sedan fram ett steg i X-led. Linjalen vilade på en korg som tilläts röra sig utmed ett stativ som motsvarade Y-axeln. Stativet i sin tur hade en basplatta som rördes utmed de reglar som utgjorde X-axeln. Matningen styrdes med en M6 gängstång, vilket gav en bestämd stigning utmed hela

mätförloppet. För att undvika att stativet eller korgen skulle vrida sig eller hamna snett på annat vis användes dubbla kullager på var sida om en skarpt bockad stålregel eller en rundstav. Maskinen gjordes justerbar i alla riktningar för att kunna kompensera för mätfel vid tillverkningen. Dessvärre råkade stativet och basen ut för en olycka vilket medförde att korgen vred sig flera grader vid mitten av mätområdet. Förvisso hade detta kunnat kompenseras för genom en transformmatris, men då huvudsyftet redan var uppfyllt avslutades försöket där.

Det andra försöket gjordes med en metod som kallas fotogrammetri, där punktkoordinater läses ut från ett fotografi. Försöket gjordes med en Canon PowerShot A720 IS¹¹, vilken var en vanlig

kompaktkamera som försetts med bättre optik. Bildsensorn var en 8-megapixels CCD. Då objektet som fotograferades var lackerat i en ljus färg och inte hade alltför skarpa veck och kanter var det svårt för mig att otvetydigt placera och konstruera både punkter och stödlinjer i det CAD-program som användes. För att underlätta arbetet borde objektet förberetts mer, med tydligt markerade veck och bockningar tillsammans med en väldefinierad och i bilden måttsatt ram.

För att vidare förstå användbarheten och vad som krävs från en maskin likt FAROs FaroArm

konstruerades en maskin som hade dubbla kullager som leder. Som vinkelgivare användes gradskivor med visare. Rörelser tilläts först runt Y-axeln, därefter i flera steg med nästintill parallella ledpunkter i tre steg. Med den första leden i utgångsledet var de tre följande placerade utmed X-axeln, med

vridning kring Z-axeln. Y-axeln motsvarade höjden.

Då alla leder har bestämd längd och alla vinklar är kända kan den effektiva längden på mätarmen bestämmas med endast sinus – och cosinusfunktionerna som hjälp. Dock stod det snart klart att arbetsbordet inte var plant, varför den inledningsvis enkla formen skulle behöva kompletteras med konstanta termer som kompenserade för de icke helt parallella ledpunkterna.

Ytterligare ett experiment utfördes med digitalkameran som hjälpmedel, den här gången tillsammans med en gammal overhead-projektor som projicerade fransar på objektet. Kameran ställdes på ett stativ på ett känt avstånd från bildkällan och med ett känt avstånd till bildens mittpunkt på objektet.

Då olika vinklar mellan kamera och ljuskälla ger upphov till olika djupseende gjordes två försök, dels med vinkeln 20 grader och dels med 40 grader. Uppställning enligt figur.

11 http://www.canon.se/For_Home/Product_Finder/Cameras/Digital_Camera/PowerShot/PowerShot_A720_IS/

Figur 3 – schematisk uppställning av utrustning. Röd punkt i mitten av siktfält för både projektor och kamera

Då det projicerade ljuset kommer från en punktformig källa måste man först kompensera för detta. En metod är att mäta fram spridningsvinkeln inom mätområdet och sedan skapa stödplan utmed

fransarnas utbredning. Lägg märke till den direkta kopplingen mellan hårdvaran och mjukvaran som används för att kunna kompensera för rådande fysiska sambanden. Den modifierade

uppställningsfiguren visar hur projektorns fokuspunkt beräknas, för att kunna kompensera för fransarnas spridning efter ljusknippets bredd utmed arbetsområdet. Varje frans’ träffpunkt på ytan avbildades på just den fransens utbredningsplan. Detta gav upphov till en rad stödkurvor, upp till två för varje frans.

Figur 4 – definiering av beteckningar för försöksuppställningen

Kontrollplanet infördes för att kunna beräkna projektorns fokalpunkt, vilken behövde kännas för att till fullo kunna kompensera för fransarnas icke-parallella utbredning. Då kontrollplanet är relaterat

projektorn anges avståndet till objektet som d.

Som ytterligare stöd till valet av skannerutrustning genomfördes en rad övningar i programmet

Imageware för ytgenerering, där avancerade ytor skapades manuellt med punktdata som utgångspunkt.

Den enskilt största lärdomen från detta var att, oavsett molnets beskaffenhet krävs ett vant handlag för att snabbt och korrekt skapa de högklassiga ytor som krävs.

3. Resultat och Slutsatser

Då målet var att presentera användbara metoder och verktyg för tillverkning av reparationsplåtar presenteras dessa nedan, och även under rubrik ”3.1. – Resultat från undersökningen av skanners”.

Tillverkningsmetoden är i huvudsak en normal tillverkningsprocess för att skapa prototypdetaljer eller verktyg, där de avbildade objektet ersätter lermodeller. Hela processen inleds genom att med vald skanner skanna objektet och därmed skapa en digital kopia, i form av ett punktmoln. Dessa punkter ligger sedan till grund för en cadmodell som byggts upp av matematiskt definierade ytsegment, vilket ger möjlighet till att skapa dem klass A – ytor som behövs för de synliga karosseridetaljerna. Att objektet digitaliseras gör att fel och avvikelser på den färdiga produkten lättare kan kontrolleras och korrigeras, samtidigt som det blir smidigare att återanvända tidigare resultat och erfarenheter. Efter dessa första steg förväntas måttnoggrannheten och framförallt formnoggrannheten vara mycket nära originalet, inom en tiondels millimeter är möjligt men inte ett krav i nuläget. Efterföljande steg är de som kan kompromissa formnoggrannheten och ge anmärkningsvärda måttavvikelser, nämligen tillverkningen av pressverktyget och inte minst pressningen av själva plåten. Pressverktyget formas efter cadmodellen och tillgängliga materialdata, och man måste här komma ihåg att plåtens egenskaper i stor grad påverkar resultatet, varför det är viktigt med konsekventa materialegenskaper. I många fall anses verktyget tillräckligt noga modellerat om nöjaktigt resultat kan fås genom lättare, manuell efterbehandling innan montering av detaljen på bilen. Efterbehandlingen kan röra sig om smärre justeringar och tillpassning av kanter, bockning och svetsning ska inte behövas.

Eftersom de föreslagna metoderna skiljer sig stort mot dagens anser jag att man i en första serie bör kontakta företag med erfarenhet inom området plåtformning och verktygstillverkning. Exempel på sådana är, om man ser på det lokala utbudet Broby modellindustri samt Prototal. Broby

modellindustri¹² tillverkar modeller och pressverktyg, ibland även med Reverse Engineering i åtanke då de samarbetar med företag som digitaliserar objekt. Broby modellindustri tillverkar själva pressverktyg i aluminium, och kan genom en annan samarbetspartner¹³ erbjuda gjutformar för tillverkning av gjutna pressverktyg. Prototal¹⁴ kan ställa upp med så kallad flexformning i

Quintuspress, vilket eliminerar behovet av en andra verktygshalva. Vissa källor visar på att en enklare variant av Quintuspressen kan användas för mindre detaljer, då man istället för att använda en oljefylld gummiblåsa som trycker mot verktyget utnyttjar en press som trycker verktyget mot en klump eller ett block av gummi. Hårdheten på detta gummi måste dock utredas vidare, och frågan är även vilken tryckkraft som kan krävas.

3.1. Resultat från undersökningen av skanners

Den undersökning som utförts presenteras delvis i rapporten, här och även i bilaga A, i och med uppradningen av tillverkarna.

12Broby Modellindustri - http://www.brobymodell.se – Verktyg och modeller

13 Macromould - http://www.macromould.se/ - tillverkar formar för avgjutning.

14 Prototal - http://www.prototal.se/metoder-plaat/flexformning/ - prototyptillverkning plåt/plast

Avskanningsmetoden och tillverkaren av utrustningen som valdes tillhör en av de mer välkända på marknaden och användare finns nära Veterangaraget, vilket gör att frakt – eller resekostnader kan hållas nere. Den typ av utrustning som föreslås tillhandahålls bland annat av Cascade¹⁵ i Göteborg.

Och är det optiska mätsystemet ATOS från GOM¹⁶ samt i viss mån även positioneringssystemet TRITOP från samma tillverkare. Systemet erbjuder, i och med projicering av fransar med en projektor ett flexibelt system som kan användas för såväl små detaljer som hela karosseridetaljer, såsom

dörrsidor etc. Positioneringssystemet medger att objektet digitaliseras i flera omgångar, och att mjukvaran sedan lägger ihop de olika molnen till ett enda. Samtidigt utförs viss rensning av felaktiga punkter (enligt statistiska metoder) och punktdubbletter tas bort.

Urvalsprocessen gjordes med Reverse Engineering i åtanke, vilket betyder att skannern behöver ge ett punktmoln med nog hög densitet för att ge en bra efterliknelse av formen på objektet. Sådana system är oftast optiska, och baseras på en ljuskälla som ger en eller flera ljuslinjer på objektet samt en eller flera kameror som observerar den eller dessa linjer. De huvudsakliga skillnaderna mellan olika optiska system ligger i storleken på mätrymden, snabbhet (volym/tid) och till viss del i strukturen på det genererade punktmolnet. En laserskanner ger ofta smalare mätområden, typiskt 100 mm i bredd, vilket innebär att många passager behöver göras över objektet, medans ett system med projicering av fransar många gånger klarar upp till 2000 mm i bredd.

För de optiska systemen har de med projicering av fransar en given styrka, då antalet moln som skall läggas ihop kan vara färre än om ett laserbaserat system använts, i och med den större mätrymden.

Och eftersom sammanfogningen av molnen alltid ger upphov till en viss förvanskning av formen anser jag att det är en fördel om dessa kan undvikas. Många av de stora leverantörerna av optiska mätdon, skanners, erbjuder maskiner som ger många och exakta punkter på kort tid. Maskinerna är ofta lätta att använda och kalibrering kan många gånger göras direkt i maskinens kontrollprogramvara.

Punktdata från utrustning som samlar in en punkt per aktivering likt en mätprob för en CMM

(Coordinate Measuring Machine) ger ofta upphov till glesare moln, varför dessa används för kontroll gentemot en befintlig CAD-modell, till skillnad mot flertalet optiska system som är mer lämpade för att återskapa själva formen¹⁷.

Då det är formupptagning för digitalisering av ett objekt som är av intresse föll valet på en optisk skanner, framförallt på grund av det höga antalet mätpunkter och den större mätrymden.

15 Cascade AB i Göteborg - http://cascade.se/optisk-matteknik/hem?lang=sv-se

16 Optisk utrustning för industriell mätteknik - http://www.gom.com/EN/index.html

17 Se bilaga A - Berörande infångningsutrustning

3.2. Resultat av experiment

Undersökningen visade även på att det borde vara praktiskt möjligt att använda hemnära utrustning, förutsatt att kalibrering och datakontroll kan utföras för de första objekten. Den hemnära utrustning som kom att undersökas var:

En digitalkamera för ett försök att utläsa koordinater ur fotografiet (fotogrammetri).

Ett försök att skapa en enkel koordinatmätmaskin bestående av en anordning som tillät rörelse i tre tänkta riktningar.

Ett försök med en mätmaskin som efterliknade den mänskliga armen, likt Faros mätarmar.

Ett försök med digitalkamera tillsammans med projicerade fransar där stödkurvor skapades med fotografiet som rasterbild.

Det första försöket med enbart en digitalkamera gav inte det önskade resultatet, vilket förmodas bero på dels objektets form och de efterfrågade detaljerna, men även på användarens ringa erfarenhet av modellering efter bilder. Förvisso hade försöket kunnat göras mycket bättre bara objektet förberetts mer, med exempelvis tydligt markerade referenslinjer samt punkter. Dessutom borde fler hjälpverktyg använts, till exempel i bild synlig linjaler, liknande de GOMs Tritop-system använder. Även då alla bilder var tagna med ett bestämt avstånd till en punkt på objektet och med klargjorda vinklar mot denna uppstod snabbt problem med tvetydigheter och förvanskade bilder.

Det första försöket med koordinatmätmaskinen föll inte alltför väl ut, då maskinen skadades

oåterkalleligt och ej kunde användas. Skulle maskinen ändå använts skulle transformmatriser behövas för att kompensera för de i olyckan böjda stödbalkarna. Förvisso fanns möjlighet att göra detta, men eftersom huvudsyftet med försöket var att undersöka möjligheterna avslutades försöket. Ytterligare en faktor som avgjorde maskinens öde var att den visade benägenheter att välja olika spår, beroende på försökstillfälle och matningsriktning.

Det andra försöket med en koordinatmätmaskin föll inte heller alltför väl ut, då jag snabbt fick inse hur svårt det var att bygga som tänkt. Den från början enkla matematiska modellen som beskrev läget på armens spets gjordes snart betydligt mer komplicerad. Vad som hände var helt enkelt att jag som konstruktör ej till fullo beaktade effekterna av lokal kraftig upphettning samt negligerade det faktum att arbetsytan, som även utgjorde fixtur, var något skev. Detta resulterade i att de lagerlägen som i den ideala situationen var helt parallella nu var förskjutna, skevade, i flera riktningar. Vid provkörning visade detta sig direkt, då utrustningen deklarerade att den följt en S-formad kurva, och inte det raka sträck som verkligheten bjöd.

Dock erbjöds god repeterbarhet, i alla fall så länge hänsyn togs till de olika ledernas icke helt parallella konfiguration. Den matematiska transform som krävts för att maskinen skulle blivit praktiskt

användbar består i en rad byten av koordinatsystem, vilket skulle krävt omfattande kalibreringsarbete.

Då svårigheterna uppdagades var målet egentligen uppfyllt, eftersom ytterligare förståelse för problem i praktiska sammanhang erhållits.

Det sista försöket som utfördes borde egentligen varit de första, då det praktiska arbetet i stort kunde försummas. Den projektor som användes var en gammal overhead-projektor av den modell många av oss såg i grundskolan. Först kontrollerades att ingen kritisk förvrängning av bilden förekom, och när detta var gjort beräknades strålningsvinkeln. I ett kalkylbehandlingsprogram skapades det gitter som