Tratamiento mediante herramientas CAD de nubes de puntos obtenidos por escáner 3D de elementos e instalaciones industriales.

Mayo de 2019 Tratamiento de nubes de puntos mediante herramientas CAD Trabajo Fin de Grado Ingeniería Mecánica Autor: Hernández Cid, Juan Miguel Tutor: Valín Ortega, Antonio Luis UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Mecánica Tratamiento mediante herramientas CAD de nubes de puntos obtenidos por escáner 3D de elementos e instalaciones industriales Autor: Hernández Cid, Juan Miguel Tutor: Valín Ortega, Antonio Luis Dpto. de CMeIM/Expresión Gráfica en la Ingeniería Valladolid, Mayo de 2019. Resumen y palabras clave Una forma muy común de aplicación de la ingeniería inversa trata del uso de la tecnología 3D, captando geometrías con un escáner 3D y utilizando esta información mediante herramientas CAD. En este proyecto se ha tratado de generar un procedimiento general para poder llevar a cabo esta aplicación de ingeniería inversa aplicada a elementos e instalaciones industriales , así como una serie de estrategias y métodos a seguir para optimizar el proceso y obtener los mejores resultados posibles, utilizando para ello un escáner 3D y Catia v5. Este procedimiento además se ha probado en un caso real con una máquina industrial para comprobar si se adapta bien y obtener conclusiones al respecto. Palabras clave: Escáner, nube, malla, procedimiento, Catia Agradecimientos Quiero dar las gracias a toda la gente que me ha ayudado y apoyado en la elaboración de este proyecto. Primero quiero dar mi agradecimiento a mi tutor Antonio Valín, ya que gracias a sus consejos e indicaciones este proyecto ha sido posible. También quiero dar las gracias a la empresa Ingeniería Aplicada 2000 por apoyarme y permitirme utilizar su equipo, a mi cotutora Natalia Lareu por sus consejos e ideas y a mi amigo Carlos. Por último y no menos importante, quiero dar mi más sincero agradecimiento a mi familia, mis amigos y a Elena por su cariño y su apoyo. Índice 9 Índice 1.- Introducción .....................................................................................................................13 1.1.- Objetivos ...................................................................................................................15 1.2- Tecnología 3D en la ingeniería inversa ....................................................................16 - Ventajas de la tecnología 3D................................................................................17 1.3.- Nubes de puntos y mallas poligonales ...................................................................18 a) Nube de puntos .....................................................................................................18 b) Malla poligonal ......................................................................................................19 2.- Procedimiento ..................................................................................................................21 3.- Escaneo 3D ......................................................................................................................27 3.1.- Tipos de escáner 3D ................................................................................................27 a) Escaneo por contacto ...........................................................................................27 a) Escaneo sin contacto ............................................................................................28 3.2.- Escáner .....................................................................................................................30 3.3.- Datos técnicos ..........................................................................................................31 3.4.- Toma de datos ..........................................................................................................32 a) Preparación previa ................................................................................................32 b) Preparación del equipo y escaneo .......................................................................34 c) Volcado de datos ...................................................................................................36 4.- Procesado de la nube ......................................................................................................37 4.1.- Descripción ...............................................................................................................37 4.2.- Método ......................................................................................................................37 a) Procesado de los datos ........................................................................................38 b) Edición de la nube de puntos ...............................................................................39 c) Generación de la nube de puntos ........................................................................40 d) Exportación ............................................................................................................41 5.- Tratamiento de datos. Catia ............................................................................................43 5.1.- Método ......................................................................................................................43 5.2. Digitized shape editor ...............................................................................................45 5.2.1.- Importación........................................................................................................46 5.2.2.- Colocación .........................................................................................................47 5.2.3.- Edición de la nube .............................................................................................48 1. - Introducción 16 1.2- Tecnología 3D en la ingeniería inversa La ingeniería inversa es el proceso por el cual se descubren los principios tecnológicos de un objeto, herramienta o sistema, con el fin de entender su estructura y su funcionamiento. Para ello es necesario el estudio de cada uno de los componentes y la forma en que interactúan, lo que de forma clásica siempre se había hecho desmontando los componentes físicos y analizándolos. Pero hoy en día se utilizan nuevos métodos como la aplicación de herramientas de tecnología 3D para poder realizar el análisis de la forma y los componentes sin tener que desmontar e interactuar de forma física con el objeto. La tecnología 3D aplicada a la ingeniería inversa se basa principalmente en el modelado y reconstrucción 3D. El modelado y reconstrucción 3D consiste en el análisis de un objeto real y su reproducción digital, generando de esta forma un modelo fiel al objeto real, pero que permite su estudio y modificación desde un software adecuado. Este proceso necesita de equipo técnico capaz de recoger la geometría del objeto real y software con el que se pueda representar los datos en un entorno, manejarlos y tratarlos hasta reconstruir total o parcialmente el objeto en cuestión. Una vez se ha reconstruido el objeto se dispone de lo que se denomina un modelo 3D. La tecnología 3D aplicada a la ingeniería inversa se basa en la captación de la información de un objeto real, normalmente con un escáner, y su utilización para la creación de un modelo 3D de ese objeto que sea modificable y que facilite su estudio. La captación por tanto es la primera fase y consiste en captar la geometría del producto que se analiza y digitalizarla. Para ello es necesaria la utilización de un escáner 3D, el cual genera un mapa de puntos ordenados en el espacio que representan el objeto escaneado. La segunda fase es el procesado del mapa de puntos generado anteriormente para la creación de un modelo virtual, el cual estará formado por superficies coherentes y conectadas entre sí. Para esta segunda fase lo que se necesita es un software CAD con el que poder tratar la información, de modo que además de generar el modelo virtual se podrán realizar análisis, crear un diseño nuevo o exportar el modelo. 1. - Introducción 17 - Ventajas de la tecnología 3D Los nuevos procesos de ingeniería inversa mediante tecnología 3D frente a los métodos clásicos de exploración física o diseño manual de modelos tridimensionales ofrecen la posibilidad de mejorar el proceso, debido a que presentan una serie de ventajas: • Rapidez: la utilización de un escáner 3D para recoger la información puede generar un ahorro considerable de tiempo, puesto que por lo general la velocidad de muestreo de estos aparatos suele oscilar entre los 122.000 y los 900.000 puntos por segundo, y cada punto con información de su posición en el espacio. • Precisión: los escáneres, tanto láser como fotométricos o por contacto, disponen de precisión milimétrica. Dependiendo del tipo de escáner de hecho se puede obtener precisión por debajo de milímetros, por lo que con una buena calibración y mantenimiento dispondremos de una precisión excepcional en el modelo generado. • Accesibilidad: la utilización de tecnología 3D facilita el análisis de un objeto al cual no tenemos por qué tener contacto directos, es decir, se pueden aplicar herramientas a cierta distancia sin apenas perder detalle, facilitando el estudio de cualquier objeto en una gran cantidad de escenarios diferentes. • Alcance: dependiendo del tipo de escáner, se pueden escanear objetos a diferentes distancias, desde centímetros para escanear objetos pequeños, hasta distancias que pueden llegar a los 350m para análisis topográfico. • Flexibilidad: un escáner 3D puede ser utilizado tanto para objetos de pequeños tamaños como adornos o piezas mecánicas, como para objetos de gran tamaño como edificios o entornos completos. • Digitalización: los procesos de tecnología 3D, al disponer todos de una fase de digitalización de la información, permiten la aplicación de todas las tecnologías actuales de trabajo virtual, como el hecho de disponer de la información de forma inmediata, a distancia, o poder compartirla con cualquier punto del mundo a través de la red con un simple correo electrónico. • Versatilidad: la tecnología 3D en la ingeniería inversa se realiza en su mayor parte en el lenguaje CAD-CAM, de modo que de forma casi directa es posible transportar un modelo 3D a la fabricación mediante herramientas CNC o a software de simulación. 1. - Introducción 18 1.3.- Nubes de puntos y mallas poligonales Como se ha visto anteriormente, un modelo 3D es una representación virtual tridimensional de un objeto, lo cual se hace a través de la utilización de puntos situados en el espacio, cada uno con una información detallada de su posición. Estos puntos estarán conectados de forma que se pueda generar una superficie poligonal más o menos aproximada a la superficie del objeto real. Por lo tanto para la generación de un modelo 3D lo primero que se necesita es el mapa de puntos ordenados en el espacio, que es lo que se obtiene de un escáner 3D. Este mapa de puntos se llama nube de puntos, y es uno de los conceptos fundamentales que se trabajarán en este proyecto junto con la malla, que se basa en esta nube de puntos. a) Nube de puntos El término nube de puntos se utiliza para referirnos a una agrupación de puntos situados en el espacio que representan un objeto tridimensional. Cada uno de esos puntos lleva asignadas unas coordenadas XYZ concretas, es decir, no tienen dimensiones de superficie o volumen, y de forma opcional pueden llevar asignados unas características físicas extras, como color o temperatura. La captación de estas características se realiza mediante un escáner 3D y la utilización posterior de un software de procesado, que permite utilizar la información sin formato de los puntos captados por el escáner y darle un formato que se pueda utilizar en un software CAD. 1. - Introducción 19 Figura 1: Nube de puntos b) Malla poligonal Una malla poligonal es un conjunto de caras representadas como polígonos, de forma que las intersecciones entre caras forman o bien una arista, o bien un vértice, y que la unión de todas las caras o polígonos forma una superficie continua. De esta forma es posible representar cualquier superficie como un conjunto de polígonos conectados entre sí, con el único requerimiento de que localmente formen una superficie conectada, única y coherente, es decir, evitando puntos donde coinciden más de una superficie, vértices aislados o aristas compartidas por más de dos polígonos. Cuando se cumplen estos requerimientos se dice que la superficie es manifold, y si no se cumplen y la superficie no es correcta, los lugares donde eso ocurre se conocen como errores non-manifold, loa cuales se pueden apreciar en la figura 2. Figura 2: Errores non-manifold 1. - Introducción 20 Las mallas poligonales se obtienen normalmente a partir de una nube de puntos en un proceso llamado reconstrucción, utilizando estos puntos representativos de la superficie como vértices, y uniendo los puntos que son adyacentes a través de segmentos que harán de aristas de los polígonos que formarán una superficie. Aquellas aristas que no forman parte de caras adyacentes, sino que solo pertenecen a un único polígono, forman parte de la frontera o boundary. Cuantos más puntos haya disponibles, se formarán mayor cantidad de polígonos y más pequeños, y por tanto mejor será la aproximación a la superficie que se quiere representar. Las mallas se pueden formar por diferentes tipos de polígonos como se puede ver en la figura 3. El caso más habitual es el de la malla triangular, debido a que el triángulo es el polígono más simple de implementar, con el que los algoritmos de reconstrucción funcionan mejor y con el que se calculan los vectores normales a las caras más fácilmente, dando lugar a una representación virtual mucho más acertada, siendo además el formato más compacto y eficiente. También es habitual ver los casos de malla formada por cuadriláteros, sobre todo para la representación de superficies sin cambios bruscos de curvatura. Figura 3: Tipos de malla según polígono. a) cuadriláteros estructurados. b) triángulos no estructurados. c) cuadriláteros no estructurados 2. - Procedimiento 21 2.- Procedimiento El objetivo principal del proyecto es elaborar un procedimiento de trabajo, para que partiendo de un objeto, máquina o instalación real, se llegue a obtener una reconstrucción del modelo en 3D dentro de un espacio virtual, para poder manipularlo, modelarlo y analizarlo. La división por fases del procedimiento buscado es la siguiente: Partiendo de un objeto real, lo primero es la “obtención de datos de su geometría”, para lo cual se utilizará un escáner 3D. Con esto lo que se consigue es la digitalización del mismo objeto, obteniendo información de la situación de puntos en el espacio respecto a un origen de coordenadas, los cuales pertenecen a la superficie visible del objeto en cuestión. Una vez hemos obtenido esos datos digitalizados de la geometría del objeto, lo siguiente es “transformar los datos”. Para ello se utilizará un programa de procesamiento que pueda leer los datos de salida del escáner y transformarlos en un formato de nube de puntos que se pueda leer en cualquier software CAD. Una vez obtenida esa nube de puntos, lo siguiente es “procesarla y transformarla en una malla”, y transformar una agrupación de puntos en una superficie cerrada. Para ello se tendrá que utilizar un software CAD que permita manipular ese tipo de archivos. Ya con una malla hecha, el siguiente paso dependerá de la aplicación concreta. Para esto puede que no haga falta hacer nada más, o en el caso más general, sería necesario transformar la superficie generada de una malla en una superficie tipo NURBS con un software CAD. Incluso después podría ser necesario elaborar planos con esa superficie, o directamente tomar medidas de la malla para hacer planos. Todos estos pasos ya no formarán parte del procedimiento como tal, sino que serán parte del método que se aplique según el caso, y se decidirán en función del objetivo que deban cumplir los resultados. Ya sabiendo el tipo de procesos que se necesitan llevar a cabo para el reconocimiento virtual de un objeto real, el siguiente paso es escoger las herramientas que se van a utilizar y elaborar el procedimiento específico. La primera parte del procedimiento es el reconocimiento del objeto real y la digitalización de la información relativa a su geometría a través de un escáner. Por lo tanto está claro que la herramienta que se necesita es un escáner 3D. 2. - Procedimiento 22 Figura 4: De nube a malla Para nuestro caso, de entre todas las marcas y modelos comerciales se dispone del escáner FARO modelo FOCUS 3D X 330 HDR (figura 5), el cual se trata de un escáner de medición por láser que permite obtener información de posición, distancias y color. Este escáner genera una serie de archivos como resultado del escaneo en una tarjeta de memoria, los cuales deben de ser procesados para poder transformarlos en una nube de puntos que se pueda leer en un software CAD estándar. Este procesamiento de los datos, que es la segunda fase del método, se hará con el software que brinda el fabricante junto con el escáner. Éste se trata del programa SCENE 7, versión 7.1 del mismo fabricante que es FARO, y que dará como resultado una nube de puntos, pudiendo exportarla en múltiples formatos. Figura 5: Escáner FARO FOCUS 330 2. - Procedimiento 23 La elección de estas dos herramientas de trabajo que son el escáner FARO y programa SCENE se debe al trabajo conjunto con la empresa Ingeniería Aplicada 2000, la cual me permitió utilizarlas con el fin de elaborar un método de trabajo. Dentro de las posibilidades, la empresa IA2000 se decantó por la elección de este modelo de escáner debido a su capacidad de escaneo de objetos de medianas y grandes dimensiones, ya que su principal objetivo es el escaneo desde máquinas e instalaciones hasta plantas completas o incluso fachadas de edificios. Para este tipo de trabajo este modelo de escáner es ideal, ya que es capaz de obtener una resolución muy elevada en escaneos de objetos a distancias incluso superiores a 100m, pero también puede obtener una resolución similar o mejor en escaneos de objetos a menos de 10m. Aun con todas estas capacidades cabe destacar que no es el modelo ideal para el escaneo de objetos a pequeña escala. El software SCENE es el recomendado del fabricante para el modelo de escáner, capaz de leer y procesar los datos específicos de salida del escáner. De todos modos hay disponibilidad de otros fabricantes y modelos de escáner, entre los que se pueden encontrar como principales representantes EinScan-S de Shining3D, Digitizer de MarkerBot, Go!Scan20 o HandySCAN 300 de Creaform 3D o Artec Eva de Artec 3D (figura 6), además de otros modelos de la misma compañía que nuestro escáner FARO, los cuales son muy utilizados en industria y que pueden ser más adecuados para otros objetos a escanear. En nuestro caso, con la exportación de SCENE de la nube de puntos procesada, se trabajará en la edición de la nube y posterior creación del mallado con Catia V5. Además, posteriormente en Catia V5 será posible poder trabajar en superficies NURBS si es necesario. Existen otros programas de procesamiento de nubes de puntos tales como Pointsense de FARO, integrado en Autocad, al igual que ReCap, de Autodesk o 123D Catch de Autodesk. Figura 6: Escáner Artec Eva 2. - Procedimiento 24 Esta elección de software se debe a la integración de todas las herramientas disponibles en Catia, para que prácticamente de forma independiente a los objetivos del proceso, siempre se tengan todas las posibilidades cubiertas con un único programa, ya que es posible trabajar con la malla y modificarla para después exportar en diferentes formatos, crear superficies NURBS tanto de forma básica como de forma muy detallada, posterior análisis y modificaciones, integración en un product con otras piezas que ya creadas de forma manual, modelos CAD que se obtengan de fabricantes u otras piezas que también se hayan escaneado, elaboración de planos y acotación, medidas de distancias o detección de colisiones, etc. En la creación y edición de la nube de puntos por completo se usará únicamente Catia, con el módulo Digitized Shape Edition, en el cual el procedimiento consistirá en: - Importación del archivo - Escalado y colocación - Limpieza y depurado - División por zonas según posterior tratamiento La generación de la malla comprende desde la creación inicial automática hasta el refinado y aligerado de ésta, pasando por procesos casi manuales como el rellenado de huecos. De modo resumido, toda la fase de generación de la malla desde el archivo de salida de nube de puntos en bruto se podría reducir a los siguientes pasos: - Importación - Colocación - Depurado y refinado de la nube de puntos - Generación inicial de la malla - Rellenado de huecos y corrección de errores - Refinamiento y finalización de la malla A partir de aquí se entra en la última fase del proyecto, que es la obtención y tratamiento de resultados. Esta fase no es un procedimiento fijo como tal, puesto que depende de los objetivos que se quieren alcanzar. En el caso principal de este proyecto que es el reconocimiento de volúmenes en instalaciones industriales, se continúa en Catia con el módulo Quick Surface Reconstruction. En este módulo, partiendo de una malla o nube de puntos, es posible generar superficies de tipo NURBS que se ajusten a la geometría base de forma manual o automática. En el caso de reconocimiento de volúmenes no interesa una perfecta definición de la geometría de la superficie, tan solo de zonas determinadas. De modo que no se gastará excesivo tiempo en crear un modelo 3D detallado, por lo que no se usará el proceso manual, si no que se utilizarán métodos más automáticos. Es posible que para generar otras superficies complementarias que se ajusten a la geometría y la completen sea necesario utilizar alguna de las herramientas del módulo Generative Shape Design, que es el módulo de generación de superficies tridimensionales de Catia. 2. - Procedimiento 25 Con el procedimiento principal y la división en fases ya definida, se pasará a explicar más detenidamente cada una de las fases del procedimiento, en qué consisten, de qué pasos se componen, qué estrategias a seguir y qué método a aplicar para trabajar en cada caso y las herramientas utilizadas para ello, para así poder determinar el procedimiento a seguir cuando se tenga que trabajar en el tratamiento de los datos de un escaneo 3D. 3. - Escaneo 3D 32 3.4.- Toma de datos La metodología del uso del escáner será tratada de forma genérica, puesto que su uso es bastante sencillo, y el proceso de toma de datos y de escaneo de la pieza en cuestión no requiere de un tratamiento demasiado elaborado. Lo que si será específico obviamente será la estrategia de escaneo que se siga. El método constará de tres fases principales: • Preparación previa. Una recopilación de información sobre el objetivo último que se busca, el tipo de objeto que se escanea, la situación y lugar en que se encuentra y la elaboración de la estrategia. • Preparación del equipo y escaneo. Durante esta fase se hará la parte de preparación del equipo, que consistirá en transportar y montar el escáner, y configurar todos los parámetros para la toma de datos. Tras haberlo configurado se realizan los escaneos desde las diferentes posiciones definidas en la estrategia. • Volcado de datos. La fase final del uso del escáner simplemente será copiar los datos de la memoria del escáner en forma de tarjeta SD al ordenador en el cual se vaya a trabajar con el programa de procesamiento de los datos SCENE. a) Preparación previa Una vez decidido cuál es el objeto o instalación que se quiere escanear y el objetivo que se busca con ello, es momento de generar una estrategia de trabajo. Para ello se debe saber el máximo posible de información útil acerca del objeto y el objetivo. La estrategia se debe basar en los siguientes puntos: • Lo primero es tener claro cuál es el objetivo del proceso y qué tipo de objeto se va a escanear, puesto que si lo que quiere es por ejemplo extraer la geometría del acoplamiento de una máquina, interesa realizar varios escaneos de definición alrededor de la zona, pero si lo que se quiere es definir un entorno virtual 3D de una planta, entonces se harán bastantes escaneos de barrido horizontal completo desde diferentes puntos de la planta, de forma que se cubran todos los detalles posibles, pero sin que interese obtener una gran definición. Entonces, según el objetivo se decide un número aproximado de escaneos, qué zonas y detalles hay que captar y cuántos ángulos se necesitan cubrir para obtener un resultado correcto. • Otro punto importante a tener en cuenta es según el número de escaneos que se vayan a hacer y la definición y ángulo de barrido de cada uno, el tiempo que se tarda. El tiempo que se tarda por cada escaneo depende principalmente de dos factores: ángulo y definición. Cuanto mayor ángulo se vaya a cubrir y mayor definición se fije por el modo utilizado, más tiempo se tardará por cada escaneo. Aproximadamente el tiempo de escaneo varía desde 1 hasta 25min, o incluso 3. - Escaneo 3D 33 en el modo con mayor resolución y detalle, y con un ángulo completo, lo cual no es recomendable, el proceso de escaneo podría llegar a tardar 2h como máximo. Esto hay que tenerlo muy en cuenta sobre todo por el nivel de carga de que se dispone en la batería, sabiendo que la batería completa dará una autonomía de unas 4,5h. • Aunque menos importante que las anteriores debido a la capacidad del escáner, y que funciona por láser y no por la luz ambiente, la iluminación de que se dispone afecta al resultado de los escaneos. Cuanto mayor iluminación y a ser posible con luz natural, mejor, además de que superficies muy brillantes como pueden ser superficies metálicas pulidas o superficies esmaltadas generarán algunos problemas de ruido en la toma de datos. Por lo tanto además de tener información acerca de lo que se va a escanear, se debería tener información sobre dónde se va a escanear. • Un factor a tener en cuenta también es la estabilidad de la superficie en que se coloca el escáner. Este modelo de escáner funciona con el rápido giro de un espejo, por lo que transmite ligeras vibraciones a la superficie de apoyo. Este hecho junto a una superficie no plana, de baja estabilidad o una inclinación excesiva del escáner pueden hacer peligrar no solo el resultado del escaneo, sino también la integridad de la máquina. • Por último, para poder realizar con éxito un escaneo a cierta distancia, es necesario asegurarse de que se dispone de una línea de visión fiable, evitando el movimiento del objeto que se escanea y la posibilidad de que se crucen personas durante el proceso. Pasando por todos estos puntos se elaborará una guía sobre el proceso que se va a seguir en función de lo que se va a escanear. Cabe decir que la mayoría de estrategias de trabajo seguirán una resolución semejante, variando sobretodo en la cantidad de escaneos y por tanto el tiempo empleado, y en la cantidad y variabilidad de posiciones y ángulos que cubrir. Un aspecto importante, que en la práctica de ese proyecto no se hizo por disponibilidad de equipo, pero que se debería valorar al trabajar con un escáner, es la posibilidad del trabajo conjunto de escáner y programa de procesado. Cuando se trabaje con escaneos en lugares lejanos por ejemplo, disponer de más de una batería y más de una tarjeta de memoria puede ahorrar gran cantidad de tiempo y desplazamientos. De esta forma, se pueden hacer una parte de los escaneos y cambiar la tarjeta, para poder procesarlos mientras se están haciendo el resto de escaneos. 3. - Escaneo 3D 34 b) Preparación del equipo y escaneo Cuando ya se tiene la estrategia planificada se pasa a configurar el escáner. Lo primero de todo es la configuración general del escáner, a la cual se accede desde el menú administrar (figura 11). En configuración general (figura 12) se pueden cambiar el idioma, fecha y hora, unidades (sistema métrico o imperial, grados Celsius o Fahrenheit, etc) y cambiar otros detalles del propio escáner. Lo siguiente es la organización de datos. Dentro del menú administrar, en proyectos (figura 12), se puede seleccionar la carpeta en la tarjeta de memoria donde se guardarán los escaneos que se hagan más adelante. Una vez seleccionada la carpeta de destino se configura el proceso de escaneo desde el menú parámetros (figura 11), donde se modificará el perfil de escaneo y el ángulo de barrido. El perfil de escaneo es una configuración de los parámetros de escaneo para ajustarse en mejor medida a la situación y objetivo del escaneo, como pueden ser la resolución o el tiempo de captación. De fábrica existen unos perfiles predefinidos pero también es posible modificar los parámetros de forma manual o crear tus propios perfiles personalizados. Para prácticamente cualquier situación se usarán los predefinidos y no perderemos más tiempo en ello. Los perfiles que vienen de fábrica son los siguientes: • Interior hasta 10m: escaneo para interiores con alta resolución, ideal para objetos a menos de 10m. • Interior a partir de 10m: escaneo para interiores con menor definición y orientado a mayor distancia del objeto de interés. • Exterior hasta 20m: Escaneo para exterior con el GPS activado y distancias medias. • Exterior a partir de 20m: escaneo para exterior con el GPS activado, ligeramente menor calidad y orientado a mayor distancia. • HD de objeto: escaneo de la mayor resolución posible, a color y con la mayor precisión posible. Recomendado reducir el ángulo de escaneo al máximo ya que tarda mucho más. • Exterior distancias lejanas: escaneo de exterior orientado a distancias muy elevadas, mayores a 100m. • Exterior HDR: escaneo ideal para exteriores en situación de iluminación de alto rango dinámico. • Interior HDR: escaneo ideal para interiores en situación de iluminación de alto rango dinámico. 3. - Escaneo 3D 35 Figura 11: Menú principal escáner Figura 12: Menú administrar Lo siguiente sería ajustar el ángulo de barrido del escáner, puesto que según el caso hay que escoger una configuración de ángulos para así optimizar el uso de memoria y el tiempo de escaneo y por tanto con ello la duración del proceso y uso de batería. Por ejemplo, para el caso de escanear un espacio completo en una planta interesará un ángulo horizontal del 360⁰, y según si interesa escanear objetos a ras de suelo, con cierta altura o incluso en vertical, se ajustará el ángulo vertical, teniendo en cuenta que hacia arriba puede escanear incluso en vertical y hacia abajo existe un límite en torno a 60⁰. Por lo que por ejemplo en el caso de escanear una máquina u objeto concreto, 3. - Escaneo 3D 36 según la distancia a que esté y el tamaño se ajustará el ángulo horizontal y vertical para optimizar el proceso, siempre del lado de la seguridad dejando un ángulo ligeramente mayor del necesitado, pero sin captar una cantidad innecesaria de datos del entorno. Cuando se tienen todos los parámetros escogidos, en la pantalla principal del menú se dará al botón de empezar escaneo, el cual viene como start scan. Será perfectamente notorio cuando empieza el escaneo pues la máquina se pondrá en marcha y emitirá una serie de pitidos. En ese momento en la pantalla aparecerá una barra de progreso y un tiempo indicativo de duración del escaneo, y cuando haya terminado emitirá otro pitido. Previo al escaneo no encontraremos ninguna opción para saber un tiempo indicativo y hacer cálculos con ello, de modo que el tiempo sólo lo podemos saber cuando se empiece a escanear. Aproximadamente, un escaneo con resolución estándar y barrido de 150⁰ tendrá una duración aproximada de 5 min. Hasta que no haya emitido el pitido de finalización no se debe desplazar ni cambiar la orientación o altura del escáner, y evitar cualquier objeto que obstaculice el movimiento del escáner y que se sitúe en el campo de visión. Cuando haya terminado el escaneo se mostrará una vista previa del escaneo en forma de imagen en blanco y negro en la pantalla, la cual servirá sobre todo para verificar que todos los objetos que se querían escanear estén situados dentro del ángulo de barrido configurado. Si fuera necesario se modifica el ángulo de barrido y se vuelve a empezar. Siguiendo este método se harán tantos escaneos como se hayan planteado, cambiando la posición y configuración si hiciera falta entre medias de ellos. c) Volcado de datos Con el escáner apagado se podrá extraer la tarjeta SD para el volcado de datos. Como se ha mencionado anteriormente, existe la posibilidad de disponer de un ordenador portátil para reducir el tiempo empleado en la elaboración del escaneo completo volcando los datos de una tarjeta de memoria mientras el escáner sigue funcionando con otra. Si fuera el caso se procederá igual con el volcado de datos, tan sólo cambiará que más adelante habrá que incorporar más escaneos al proyecto de escaneo del software. Con ayuda del adaptador a USB del equipo, se procede a pasar los datos al ordenador. Éstos, si se guardaron correctamente en un proyecto separado se encontrarán en una carpeta con el nombre del proyecto. Con los datos ya disponibles en el equipo de trabajo, se continuará con la siguiente fase del método, que consiste en procesar esos datos. 4. - Procesado de la nube 37 4.- Procesado de la nube La segunda fase del método consiste en procesar los datos obtenidos hasta ahora para obtener una información que sea posible utilizar en otros programas de tipo CAD. Para poder hacer esto se utilizará el software de procesado de FARO específico para el escáner, que puede generar una nube de puntos, modificarla y exportarla en diferentes formatos posibles. 4.1.- Descripción El programa que se va a utilizar para esta fase del proceso se trata de SCENE 7, un software de FARO especialmente diseñado para trabajar con los resultados de los escáneres de este fabricante. Se trata de un programa capaz de leer el registro de los escaneos, procesarlos y reconocer objetos o planos automáticamente para referenciar unos escaneos con otros y así generar un conjunto completo. Todo este proceso generalmente será automático, aunque habrá casos en que manualmente hay que referenciar algún escaneo que el software no ha sido capaz de hacer. Además de todo el procesado para la obtención de una nube de puntos, dentro de este programa también existen herramientas de edición y visualización de la nube de puntos, y algunas herramientas para obtención directa de resultados, como una herramienta de medición. También dispone de una herramienta de creación y representación de mallas, la cual no nos va a interesar mucho, ya que la malla resultado es bastante básica y las herramientas de edición un poco incompletas, por lo que para generación y edición de la mallas nos quedaremos con las herramientas mucho más completas que nos ofrece Catia. 4.2.- Método El método a seguir en este programa se divide en cuatro fases, que son el procesado, edición básica, generación de la nube y exportación, que se explican a continuación: 4. - Procesado de la nube 38 a) Procesado de los datos Este es el primer paso a dar una vez se dispone de los datos del escaneo, y consiste en generar un proyecto en el programa y seleccionar los datos de los escaneos para que se procesen. Por lo tanto, lo primero será Crear Proyecto (icono de la figura 13) y rellenar los datos para generar la ruta y archivo de trabajo. Una vez se tiene el proyecto creado y seleccionado se insertan todos los datos de los escaneos que se quieran procesar (de un mismo objeto o instalación). Cuando se han importado todos los escaneos se pasa a la parte de registro. Esto lo que hará es buscar referencias entre unos escaneos y otros para así poder situarlos correctamente y relacionarlos entre sí, generando un mapa virtual con la situación de cada escaneo y el objeto escaneado. Esto se hará dentro de la pestaña Proyectar, sobre el botón de Procesar escaneos. El programa pedirá que se haga la selección de los escaneos importados que deban ser registrados, de modo que se seleccionarán los que nos hagan falta (por lo general todos los que se han importado). Cabe destacar que los escaneos pueden no haberse realizado todos seguidos en el mismo día ni se hayan guardado en una misma carpeta o incluso tarjeta de memoria, y que una vez hecho el registro de una serie de escaneos, existe la posibilidad de incorporar nuevos escaneos al proyecto y reprocesarlo. Esto puede ser muy útil para el caso visto anteriormente en el que se procesan escaneos en un ordenador portátil mientras se sigue escaneando. Tras esto saldrá la ventana con todas las opciones de configuración del proceso de registro de los escaneos. Por lo general se dejarán todas las opciones por defecto, marcando la casilla de registro automático y con el método de registro Vista superior y nube (figura 14). Esto se hará así puesto que las opciones marcadas por defecto y el registro automático, en prácticamente todos los casos da buenos resultados, y no nos interesa profundizar demasiado en todos los ajustes técnicos puesto que son bastante complicados y lo único que podríamos ganar es un poco de tiempo. Cuando tengamos todos los parámetros fijados se iniciará el proceso de registro automático. A partir de aquí el programa empezará el procesamiento, que tardará un tiempo aproximado de 6 min por escaneo, pudiendo variar de unos casos a otros, y que mientras dure este proceso no se podrá utilizar el programa para nada más, y además el ordenador se verá muy ralentizado por la carga de CPU necesaria para esto. Figura 14 : Opciones de registro Figura 13: Crear proyecto 4. - Procesado de la nube 39 Habrá ocasiones en que el proceso de registro automático no podrá ser completado y requerirá de nuestra intervención. La forma de solucionarlo consiste en referenciar elementos de un escaneo a otro. Se mostrarán en pantalla los escaneos en los que no ha sido posible su registro y se tendrán que seleccionar dos de ellos, de modo que se mostrará una imagen como una fotografía desde el punto de vista del escáner para escoger elementos o planos que coincidan en los dos escaneos diferentes, para que así el programa lo tenga en cuenta y pueda continuar con el registro. Una vez ha terminado el registro se mostrará el conjunto de todos los escaneos colocados en el sitio que se ha detectado en el registro como un mapa, así como una representación tridimensional del objeto o instalación que ha sido escaneada, para realizar una verificación de que el registro ha sido correcto. Si no lo fuera habrá que hacer nuevas referencias y repetir el proceso. b) Edición de la nube de puntos Cuando se ha terminado el registro y verificado que es correcto ya se tendrá la disposición de los datos procesados como nube de puntos. Esto aún no es la nube de puntos definitiva si no que se trata del proyecto dentro de SCENE. Siempre habrá cierta cantidad de puntos en la nube generada que se deben eliminar, puesto que será prácticamente imposible realizar escaneos con los ángulos exactos para no captar información más allá del objeto o instalación en cuestión, de modo que el tratamiento previo a la generación de la nube de puntos será siempre conveniente. Entre las herramientas disponibles para la edición en esta fase del programa se utilizarán las siguientes: • Selección: con las diferentes opciones disponibles en cuanto a cómo seleccionar los puntos (captura con un polígono o arrastre de un área con el cursor) y cómo tratar esos puntos en cuanto a la selección (añadirlos, quitarlos o combinarlos con la selección actual) se generará una selección de puntos, que podrán ser tratados exclusivamente, bien para eliminarlos si no interesan o para exportarlos. • Cuadro de recorte automático: con esta herramienta es posible hacer una selección interactiva de una serie de puntos. La forma en que funciona consiste en la creación de un cubo aproximadamente en el centro de la figura, en el cual se pueden modificar sus dimensiones a través de unas flechas en cada una de sus tres direcciones principales, además de poder desplazarse y girar. Todo aquello que quede en el interior de este cuadro será la selección. Con la selección de puntos se hará lo mismo que en el caso anterior, que será eliminar o exportar. Con estas dos herramientas será posible recortar la nube de puntos, eliminando aquellos puntos que no interesan, bien porque sean erróneos o porque no pertenecen al 4. - Procesado de la nube 40 objeto o instalación con la que se trabaja, o bien seleccionar una zona concreta para exportarla en vez de eliminar todos los alrededores. Una vez se tienen los datos de que dispondrá la nube de puntos, limpia de errores o zonas que no interesan, lo siguiente es crear la nube de puntos como tal. c) Generación de la nube de puntos Cuando se ha terminado la edición se pasa a crear la nube de puntos utilizando la herramienta de creación, representada por el icono de la figura 15. Lo primero es fijar la configuración de los parámetros a tener en cuenta en la generación de la nube. Como se puede ver en la figura 16 hay múltiples parámetros, de los cuales interesan principalmente: “Eliminar puntos repetidos” para quitar errores y puntos multiplicados, o una agrupación de varios puntos en el mismo sitio. La forma en que detecta los puntos repetidos consiste en situar una esfera sobre un punto, y aquellos puntos de su alrededor que queden situados dentro de esa esfera se consideran repetidos y son eliminados. La configuración del tamaño de la esfera se modifica con el control deslizante situado debajo. La “homogeneización de la densidad”, la cual es muy conveniente cuando se aprecia una clara diferencia de densidad no deseada. El funcionamiento es parecido a la búsqueda de puntos repetidos, salvo que funciona por celdas y con mayor tamaño, eliminando puntos para modificar la densidad de puntos por celda. Esta opción además servirá para aligerar la cantidad de puntos que se creará en la nube de modo que el resultado pesará mucho menos en memoria y se podrá exportar más rápido, aunque no conviene eliminar demasiados puntos, sobre todo si interesa tener un buen nivel de detalle. Cuando se hayan fijado los parámetros se creará la nube de puntos, que será un proceso que le llevará unos minutos al ordenador. Según los parámetros escogidos variará el tiempo de procesamiento y el peso de memoria de la nube creada. Con la nube de puntos ya creada y terminada solo queda exportarla para utilizarla en nuestro programa CAD. Figura 15 : Creación de nube de puntos Figura 16: Parámetros de creación de la nube 4. - Procesado de la nube 41 d) Exportación Una vez se ha terminado todo el proceso de procesado, edición y creación de la nube de puntos definitiva, el único paso que queda para poder empezar a trabajar en otro programa CAD cualquiera es exportar la nube de puntos. Dentro de la herramienta de exportación lo primero que hay que hacer es escoger el formato de exportación. El programa SCENE ofrece como posible la exportación en los siguientes formatos: CPE, E57, VRML, DXF, XYZ de texto, XYZ binario, IGES, FLS, PTS y POD. De todos estos formatos el que nos interesa puesto que nos permitirá trabajar con Catia (y con la mayoría de programas de lectura y edición de nubes de puntos) es el formato IGES o .igs, aunque si nos interesara trabajar con otro programa puede que convengan más otros formatos (como el .dxf si vamos a trabajar con programas de Autodesk). Dependiendo del formato de exportación que se haya elegido se presentarán distintas opciones y parámetros a modificar antes de exportar. De todas estas opciones por lo general tan solo se modificará el nombre y ruta de guardado del archivo, y el resto como opciones predeterminadas. El proceso de exportación puede llevar cierto tiempo en completarse, lo que dependerá mucho de la cantidad de puntos de la nube a exportar y del formato escogido, pudiendo ir desde unos minutos a varias horas. Una vez termine el proceso, la nube de puntos estará terminada y lista para usarse en otro programa CAD que en este caso será Catia. 5. - Tratamiento de datos. Catia 48 compass, con la cual es posible hacer la colocación de la nube de forma manual a través de movimientos y giros del compás, y Align by best fit, que dará una alineación automática de la nube de puntos que queramos con una referencia o serie de referencias de la forma que más se ajuste en función de la forma de esa nube, buscando formas canónicas dentro de la nube. Entre estas dos herramientas, salvo que se disponga de una geometría sencilla, siempre será mejor hacer una colocación manual, aunque sea ligeramente más lenta. El resto de herramientas sirven para recolocar una nube de forma mucho más precisa según referencias, pero que para el objetivo buscado en este proyecto no se contemplan. 5.2.3.- Edición de la nube Ya con la nube cargada en Catia, el siguiente paso del proceso es la depuración de la nube de puntos. Para ello se utilizan las herramientas de la barra Cloud Edition (figura 19), de las cuales las más importantes serán Activate, Remove y Filter. Figura 19: Herramientas de edición En el proceso de depuración lo que se va a buscar es principalmente la eliminación de puntos. Estos puntos que se deben eliminar pueden ser parte del entorno o se pueden haber generado como consecuencia de la captación de ruido por el escáner. Esto obviamente dependerá del escáner que se esté utilizando, y podrá ser solucionado en el mallado mediante procesos de suavizado de superficie, o si hay puntos exageradamente erróneos, se buscarán y eliminarán. La eliminación del ruido es importante, puesto que un solo punto mal situado puede dar lugar a un pico en una superficie después durante el mallado. A continuación se explicará el funcionamiento y objetivo de uso de cada herramienta: 5. - Tratamiento de datos. Catia 49 a) Activate Se trata de una herramienta con la que es posible aislar una parte de una nube o malla, para poder trabajar exclusivamente sobre ésta, pero sin eliminar el resto de la nube, tan solo ocultarla y evitar que las operaciones utilizadas se apliquen a ella. Se puede utilizar tanto en nubes de puntos como en mallas. Esto se utilizará en gran medida cuando se quiera reducir en número de elementos visibles en pantalla y acelerar el funcionamiento del ordenador, cuando se quiera ocultar parte del elemento de trabajo para poder trabajar sobre algún detalle de forma mucho más sencilla o cuando se quiera trabajar en exclusiva sobre una parte de la nube o malla, sin ser necesario dividirla en sub-nubes. El cuadro de diálogo es el mostrado en la figura 20, y será el cuadro compartido con la herramienta Remove que se verá mas adelante, con alguna diferencia en las opciones globales. Con Pick se pueden seleccionar elementos individuales. Los elementos que se pueden seleccionar dependen de la opción marcada en Level, que se trata de el tipo de elemento, dando opción para seleccionar puntos, triángulos de una malla, scans o curvas, células o nubes completas. Con Trap se procede a la selección mediante un cuadro de recorte (trampa de contorno). Funciona tanto en nubes de puntos como en mallas. En la utilización de este modo se activan las opciones de Trap type, para poder cambiar el tipo de contorno creado. Se puede hacer un contorno rectangular, poligonal o curvilíneo. Con ese contorno se forma un prisma recto, pudiendo controlar la profundidad. Todo los elementos que queadan atrapados dentro del volumen de este prisma serán seleccionados, o bien los externos seleccionando la casilla correspondiente. Todos los puntos creados para el contorno y la profundidad que tendrá el recuadro se pueden modificar una vez creado con manipuladores en forma de flecha como se pueden ver en la figura 21. Figura 20 : Activate 5. - Tratamiento de datos. Catia 50 Figura 21: Ejemplo de selección por Trap El modo Brush solo funciona en mallas y funciona a través del arrastre del área controlada por el cursor, seleccionando aquellos elementos que quedan dentro de ese área. Dicho de forma resumida, es una selección manual de múltiples elementos. El último modo es Flood, el cual también funciona únicamente para seleccionar áreas dentro de mallas. Esta herramienta de selección funciona según un criterio de conexión entre elementos, de forma que al hacer un click sobre un elemento se seleccionarán todos aquellos conectados con él. Con la casilla With angle marcada, además de seguir el criterio de conexión, se aplica el criterio de ángulo, por el cual se seleccionan aquellos elementos cuya normal no difiera más de un ángulo límite. El ángulo máximo de diferencia entre las normales es modificable. Figura 22: Ejemplo de selección con flood 5. - Tratamiento de datos. Catia 51 b) Remove Esta herramienta como indica su nombre sirve para eliminar puntos o triángulos en el caso de trabajar en mallas. El cuadro de opciones que ofrece es exactamente el mismo del que disponemos en la herramienta Activate. La diferencia entre Activate y Remove es que Activate sólo desactiva los puntos no seleccionados, de forma que quedan ocultos y no afectan a lo que manipulemos después, pero se pueden recuperar en cualquier momento con la opción de Activate all, mientras que con Remove, los puntos en vez de desactivarse se eliminan, de forma que son totalmente irrecuperables, y el proceso no se puede deshacer después. De este modo, esta herramienta hay que utilizarla con más cautela, y es recomendable antes de un proceso de eliminación guardar el proyecto, para así poder volver atrás en caso de necesidad. c) Filter Se trata de una herramienta de filtrado, para poder reducir el número de puntos que tenemos en la nube, es decir, reduce la densidad de puntos. A no ser que se seleccione lo contrario, como predeterminado la herramienta de filtrado no elimina puntos, si no que los desactiva como la opción Activate. Figura 23: Opciones de Filter 5. - Tratamiento de datos. Catia 52 Hay dos tipos de filtrado disponibles, el homogéneo y el adaptativo, que podemos ver en la figura 23: Un filtro homogéneo lo que hará es quitar densidad de puntos por igual en toda la nube, a través de una distancia mínima a la que deben estar unos puntos respecto a otros. Un filtro adaptativo sin embargo no quita densidad por igual en todas las zonas de la nube de puntos. Este filtro eliminará más puntos de las zonas planas, de modo que en las zonas curvas y con más detalle se eliminan menos puntos, controlando la pérdida de densidad por zonas. El parámetro de control es la desviación cordal local, necesaria para el cálculo, y que afecta a cuánto se filtra la nube. Este es el tipo de filtro que se utilizará más a menudo. Un filtro adaptativo con máxima distancia es lo mismo que el adaptativo salvo que asegura que no haya zonas con escasez de puntos a pesar de que sean planas o bordes fijando un máximo de distancia entre puntos. En el proceso general del proyecto se aplicará un filtro adaptativo cuando se tenga la nube de puntos refinada, sin los puntos erróneos, en el que se variará la eficacia de reducción de la densidad de puntos en función de la nube de partida, escogiendo un filtro más restrictivo cuanto más grande y pesada sea la nube, y cuanto menos detalle interese tener. 5.2.4.- Operaciones con la nube Una vez ya con la nube de puntos limpia y refinada el siguiente paso son las operaciones de modificación de la nube para poder organizarla correctamente, es decir, formar la división en sub-nubes (en diferentes Geometrical Sets) que se haya fijado en la estrategia a seguir para trabajar con cada proyecto. Para ello se utilizarán dos herramientas de la barra Operations, las cuales son Merge Clouds y Split (figura 24). Figura 24: Herramientas disponibles en Operations 5. - Tratamiento de datos. Catia 53 a) Merge Clouds Merge clouds es una herramienta para unir nubes de puntos, seleccionándolas y uniéndolas en un único Geometrical Set en el árbol de especificaciones. Sólo funciona en nubes de puntos, su equivalente para unir mallas es Merge meshes, que funciona de la misma manera. Esta herramienta se usará principalmente cuando se hayan importado más de una nube y se quiera partir de una única, o cuando se han separado las nubes para trabajar en su refinamiento de forma separada y después se quieran volver a unir. b) Split Esta herramienta sirve para partir una única nube de puntos o malla y obtener dos separadas, de forma que después se pueda trabajar de forma independiente con cada una o unirlas de nuevo. Esta herramienta se utilizará siempre para la división y organización de la nube de puntos, para poder trabajar de forma separada en cada nube. 5.2.5.- Creación y edición de la malla Teniendo ya las nubes separadas y refinadas, perfectamente colocadas y organizadas en diferentes Geometrical sets ya se puede pasar al proceso de mallado. El procedimiento para el mallado seguirá el orden siguiente: 1. Crear la malla, de la forma más adecuada posible, cubriendo todas las zonas y evitando todos los agujeros que sea posible, pero sin cubrir en exceso perdiendo parte del detalle. 2. Solucionar los errores de la malla, ya que muchas de las operaciones posteriores requieren de una malla libre de errores. 3. Rellenar los agujeros que tenga la malla, o bien por mala definición de zonas de la nube, o bien que se hayan generado como consecuencia de la eliminación de errores. 4. Refinar la malla reduciendo número de triángulos, homogeneizándolos, suavizando aristas o haciéndolas más prominentes. Todo este proceso sería el procedimiento general, pero cuando el objetivo del proceso de mallado es más específico el proceso puede cambiar. Por ejemplo, cuanto más ajustada al modelo original, más limpia de errores y más suave deba ser la malla, más 5. - Tratamiento de datos. Catia 54 tiempo hay que emplear en los pasos de solucionar errores y rellenar agujeros, además de eliminar zonas de la malla que no sean correctas respecto al modelo. Otro ejemplo sería si no son necesarios los detalles y lo que interesa principalmente es captar la geometría, en cuyo caso se haría un mallado mucho más basto para cerrar más agujeros, solucionar los errores que sean estrictamente necesarios y evitar todos los pasos de suavizado y homogeneización. Según la necesidad de cada caso se ajusta la estrategia enfocándola más en ciertos apartados que en otros, pero siempre partiendo del proceso general. A continuación se explica el método de trabajo de forma más detallada, recorriendo todas las fases en el orden de aplicación y herramientas utilizadas para ello, las cuales pertenecen a la barra de herramientas Mesh, y que serán Mesh creation, Mesh cleaner, Fill holes, Interactive triangle creation, Optimize, Decimate, Mesh smoothing y Flip edges (figura 25). Figura 25: Herramientas de mallado a) Creación de la malla La primera herramienta es Mesh Creation. Con esta herramienta se creará la malla, ajustando el método de creación y parámetros que definirán el nivel de detalle. La estrategia a seguir será simplemente ajustar el parámetro de tamaño de celda (Neighborhood) según el caso en el que estemos trabajando, que se explica más adelante, puesto que el resto de parámetros y opciones disponibles se utilizarán siempre de la misma forma, salvo ocasiones específicas. 5. - Tratamiento de datos. Catia 55 Figura 26: Opciones dentro de Mesh Creation De entre las opciones que ofrece la herramienta (figura 26), la configuración general será utilizar el método 3D, ya que el de 2D no valdrá nunca a no ser que se trabaje con geometrías en dos dimensiones. Otros de los valores generales será ajustar el valor Sag, que es la desviación máxima de distancia respecto a los puntos de la nube de puntos, que por lo general se utilizará con valor 0, que significa que a la hora de generar la malla, los vértices de triángulos coincidirán con los puntos de la nube de puntos. Por último, siempre se configurará la malla con la casilla Constrained marcada, que quiere decir que la malla estará restringida, de forma que los vértices de los triángulos creados para la malla son fijados en su posición. El último parámetro a fijar, que será el parámetro de control del proceso, es el valor de tamaño de celda o Neighborhood. Este parámetro define la longitud máxima a la que pueden llegar las aristas de los triángulos que se crean en el mallado, de modo que si para unir varios puntos una de las aristas de los triángulos que se tendrían que crear es mayor del valor que hemos puesto, el triángulo no se crearía y se dejaría un hueco. Este parámetro es muy útil para poder controlar que se rellene la superficie pero sin rellenar lo que deba ser un hueco en la geometría, por ejemplo, si la pieza tuviera una serie de taladros o una abertura. Si se desactiva esta casilla lo que pasaría es que el programa calculará la malla sin importar el tamaño de triángulo que se deba generar, de modo que no quedará ningún hueco en la superficie de la pieza, pero si tuviera cualquier tipo de aberturas o bordes libres internos éstos desaparecerían. Para poder comprobar cuál es el valor adecuado, es posible introducir un valor, aplicar la malla para comprobar, y variar el valor antes de fijar la malla si no es correcta. 5. - Tratamiento de datos. Catia 56 b) Saneamiento de la malla Tras haber creado una malla inicial a partir de la nube de puntos, el siguiente paso en el método es la eliminación de errores, puesto que la creación de la malla, como proceso automático, suele generar zonas erróneas o problemáticas. La estrategia a seguir para ello consistirá en la aplicación sucesiva de la herramienta Mesh Cleaner cada vez que tengamos errores que solucionar en la malla. Esta herramienta es capaz de analizar la malla, detectar todos los errores que pueda haber, y de forma automática solucionarlos. Antes de pasar al funcionamiento de la eliminación de errores, los tipos de errores que se pueden encontrar son los siguientes: 1. Triángulos corruptos: este tipo de error se da cuando en el proceso de creación de la malla hay algún error de procesado y se crean triángulos con un mismo vértice dos veces dando un error. 2. Triángulos duplicados: son los triángulos que se crean dos o más veces iguales, superpuestos entre sí. 3. Fallo de orientación: este error se da cuando aparecen triángulos que el programa no es capaz de orientar coherentemente respecto a los demás de su entorno. 4. Aristas non-manifold: estas son las aristas de triángulo que son compartidas por más de dos triángulos, de modo que dan lugar a una geometría incoherente. 5. Vértices non-manifold: son los vértices compartidos por dos o más superficies continuas. Dicho de otra forma, son los vértices en los que coinciden dos o más capas de superficie distintas. 6. Triángulos sueltos: esta opción surge cuando en el mallado aparecen triángulos no conectados al resto de la malla, pero que pertenecen a la misma malla. 7. Aristas largas: esto no es un error como tal, pero nos da la opción de eliminarlo si no es deseado, y se refiere a triángulos demasiado grandes. 8. Ángulos pequeños: tampoco es un error, como el anterior, pero puede ser no deseado, y se refiere a triángulos demasiado pequeños. Dentro de la herramienta existen tres pestañas correspondientes a la forma de solucionar los errores detectados: La primera es por eliminación (Deletion), la cual funciona eliminando los triángulos que dan lugar a los errores. Este será el método más habitual y por el cual es posible evitar una mayor cantidad y tipos de errores. La siguiente pestaña es por estructura (Structure) que como indica por su nombre se trata de problemas estructurales, que se solucionan sin modificar la geometría de los triángulos. Los errores que se pueden solucionar de esta forma son los de orientación, 5. - Tratamiento de datos. Catia 57 para lo cual se cambia el sentido del vector normal de cada triángulo como solución, y los triángulos sueltos, para lo cual la solución es separarlos en mallas diferentes. La última pestaña posible es por edición (Edition), en la cual se solucionan los errores de triángulos con ángulos muy pequeños mediante el colapso de éstos, que consiste en la unión de un triángulo muy fino con su vecino de forma que obtengamos uno único como resultado, modificando muy ligeramente la apariencia final. c) Rellenado de huecos La creación de la malla pocas veces podrá ser hecha sin producir huecos indeseables, además de que la solución de los errores que se generan en este proceso siempre produce más huecos en la malla. Estos huecos es necesario rellenarlos para poder conseguir una superficie final continua, de forma que el aspecto del modelo sea adecuado, la geometría correcta y la malla se acerque al modelo real como resultado final, además de que para la reconstrucción de superficies necesitaremos que la malla no tenga errores ni huecos. En la estrategia de resolución cuando existen huecos en la malla intervienen principalmente tres herramientas, las cuales son la resolución automática de errores, el rellenado automático de agujeros y la creación de triángulos de forma manual. El primer paso de la estrategia es intentar rellenar todos los huecos posibles de forma automática, ya que permite ahorrar mucho tiempo. Sin embargo, siempre habrá huecos que no se podrán rellenar automáticamente, para los cuales si son pequeños se intentarán rellenar manualmente creando triángulos. Cuando son pequeños y con bordes muy complejos, la mejor forma de resolverlo consistirá en eliminar los triángulos de alrededor para simplificar el hueco y poder rellenarlo de forma automática. Cuando sean muy grandes y problemáticos se intentará simplificar los bordes a través de creación manual de triángulos, de forma que se llega a una situación que puede solucionar la herramienta automática. Otras veces en vez de simplificar los bordes del hueco, se dividirá el hueco en varios creando triángulos manualmente. El conjunto de posibilidades cuando no se pueden solucionar los huecos de forma automática se utilizarán de forma conjunta, creando y eliminando triángulos hasta llegar a una situación que se pueda resolver automáticamente. La decisión de dónde es mejor crear triángulos y donde eliminarlos para solucionar los agujeros vendrá dada por la experiencia, ya que tras cierto tiempo se pueden apreciar ciertos patrones en los bordes de los huecos que se sabe que darán problemas, y la solución que hay que aplicar en cada caso. Por lo general estos patrones consisten en conjuntos de cambios bruscos de dirección del borde, superposición de capas, cambios de curvatura, etc. Este paso del método será uno de los más complicados de llevar a cabo, puesto que interviene mucho la acción humana para poder resolver los casos, y probar diferentes soluciones hasta dar con la buena, por lo que también será uno de los procesos que llevan más tiempo, además de ser repetitivo y no tener una línea de acción definida. 5. - Tratamiento de datos. Catia 64 5.3.1.- Reconstrucción de superficies automáticas Este método consiste en la generación de una serie de superficies de forma automática, que se ajusten dentro de unos márgenes de desviación a una malla de partida. Funciona para la generación de una superficie con detalle y cercana a la geometría de la malla de forma rápida y eficaz, aunque para ello hace falta partir de una malla bien hecha, completa y sin errores. Sin embargo las geometrías generadas no se van a corresponder con geometrías canónicas como las que hubiéramos creado nosotros desde Generative shape design por ejemplo, sino que el resultado serán aproximaciones, es decir, no tendremos líneas totalmente rectas, planos o circunferencias perfectas, en su lugar tendremos formas aproximadas que se ajustarán en mayor o menor medida. Aun así, este será el método más utilizado para los casos posibles de este proyecto. Esto se debe a que permite la generación de forma rápida de un modelo que se ajusta a la malla y que se puede utilizar tanto para comprobaciones como para planos, alcanzando un nivel de detalle variable pero que en general será inferior al milímetro. Dentro de la estrategia general del proyecto, este método se utilizará para crear las superficies de las zonas de geometrías complejas y en las que interesa tener el detalle de la misma superficie, no sólo el volumen. Para ello se utilizará la separación de la malla inicial en zonas como se vio en el apartado correspondiente, y el mallado de esas zonas de forma más precisa, para así ahora poder aplicar la reconstrucción de forma específica y así también poder variar el nivel de detalle en función del objetivo y las geometrías. Este método consiste de dos pasos principales: la generación de la malla y la reconstrucción automática de la superficie. La generación de la malla ya se ha explicado y lo único que se debe añadir al respecto es que cuanto más detalle se busque en la reconstrucción, más ajustada y detallada debe ser la malla. En cuanto a la generación de la superficie, se utilizará únicamente una herramienta disponible en Quick surface reconstruction, que será Automatic Surface. Tras el uso de esta herramienta tan sólo podría hacer falta la herramienta Join en el caso de tener varias superficies generadas de forma separada que se quieran unir para manejarlas en conjunto. 5. - Tratamiento d e datos. Catia 65 - Automatic surface Esta herramienta se puede encontrar dentro del módulo Quick surface reconstruction, en la barra de herramientas Surface creation (figura 32). Figura 32: Herramientas de Surface Creation El funcionamiento de la herramienta es el siguiente: Al programa se le introduce una malla base, a partir de la cual se va a generar la superficie. Los vértices de esta malla se tomarán como referencias de puntos que deben estar incluidos en la superficie. Para generar una superficie completa, esta herramienta genera un conjunto de superficies más pequeñas tipo NURBS conectadas entre sí, de modo que todo el conjunto interconectado forme una superficie completa y que además cumpla con los requisitos de la malla. El cuadro de opciones por el que se controlará esa herramienta se encuentra a continuación en la figura 33, sobre el que se explicarán los parámetros de utilización resumidos en tres puntos: 5. - Tratamiento de datos. Catia 66 Figura 33: Cuadro de Automatic Surface 1. Selección de la malla de partida. El icono que aparece más a la derecha de la selección de la malla es para ocultar o mostrar la malla seleccionada. 2. Parámetros de cálculo. Entre estos parámetros se encuentran la desviación entre malla y superficie, el nivel de detalle, la tolerancia de los bordes libres, y el objetivo en porcentaje de puntos que deben estar dentro de los límites de desviación. De aquí lo más interesante de cara a la estrategia del proceso es el nivel de detalle, que es un parámetro orientativo que establece el tamaño unitario de los trozos de superficie que se crean, de modo que cuanto más alto se establezca el nivel de detalle, los trozos de superficie creados serán más pequeños y por tanto más cantidad de superficies se crearán y más ajuste a la malla. 3. Parámetros no numéricos. Todas las casillas disponibles aquí salvo la imposición de tangencia entre las superficies, estarán desactivadas a no ser que tengamos una malla abierta (con bordes o agujeros). En el caso de tener una malla abierta se dispone de varias casillas interesantes que son el rellenado de los agujeros existentes en la malla, la extensión de la superficie más allá del límite de la malla y por último la generación de la superficie completa a través de superficies regulares, que implica una subdivisión en trozos con la misma forma. Un ejemplo de la diferencia entre estos dos casos se encuentra en las figuras 34 y 35 a continuación. Aparte de todas estas opciones de control del proceso, en la casilla More se encuentran opciones relacionadas con el análisis estadístico de la superficie generada como por ejemplo la desviación y el número de superficies. 5. - Tratamiento de datos. Catia 67 Figura 34: Generado con superficies regulares Figura 35: Generado con superficies estándar 5. - Tratamiento de datos. Catia 68 La superficie creada por este método quedará ligada a la malla base, y por tanto, cuando la malla sea modificada la superficie se actualizará incluyendo esos cambios. Si no es posible hacer esto aparecerá un mensaje de error. Si no se quiere que la superficie se siga modificando una vez ha sido creada, con el menú contextual utilizaremos la opción de Isolate para que no se actualice o bien la opción Convert into subdivision para generar una copia. Cabe decir que en ciertas ocasiones, si se dispone de una geometría demasiado complicada en la malla, la herramienta no será capaz de crear una superficie y saldrá un mensaje de error. También hay que destacar que cuanto más nivel de detalle, mayor sea el porcentaje que cumpla con la desviación requerida, y más compleja y de mayor tamaño sea la malla, más tardará en procesarse el resultado de esta herramienta. 5. - Trata miento de datos. Catia 69 5.3.2.- Reconocimiento de superficies básicas Para este método se puede partir de una nube de puntos directamente, sin ser necesaria una malla. El método a seguir tratará de los siguientes pasos: • Reconocimiento de superficie y creación de ella • Ajuste de la superficie • Generación del conjunto • Creación de superficies complementarias La principal herramienta de este proceso será Basic surface recognition, con la que se harán las formas principales basadas en la nube de puntos. A partir de aquí se utilizarán otras herramientas de la barra Operations para ajustar las superficies que se hayan generado con el reconocimiento básico, que serán Split, Trim, Join y Extrapolate. Dentro del módulo Generative Shape Design también se usarán algunas otras herramientas que no se explicarán aquí y que complementarían las superficies creadas extendiéndolas, rellenando huecos o creando otras superficies para añadirlas al conjunto. A continuación se explicarán las herramientas antes nombradas: a) Basic Surface Recognition Esta es la herramienta básica de este proceso, que se encuentra dentro de la barra de herramientas Surface Creation (figura 36). Figura 36: Herramientas de Surface Creation 5. - Tratamiento de datos. Catia 70 La forma en que funciona esta herramienta es: a partir de una nube de puntos o una malla, de forma automática o manual, se pueden reconocer superficies de geometría básica (planos, cilindros, esferas y conos). Se genera una superficie de entre las anteriores aislada, es decir, desconectada de la malla. Esta superficie después se puede modificar de forma manual haciendo cambios en los parámetros geométricos para así poder asegurar que se ajusta a la forma buscada correctamente. Figura 37: Cuadro de Basic Surface Recognition La estrategia de utilización de esta herramienta será: 1. Selección la nube o malla de partida. Solo se puede generar un elemento cada vez que se utiliza la herramienta, por lo que es muy recomendable usar la opción Activate a la derecha, para intentar seleccionar únicamente la parte de la nube o malla a partir de la cual se va a encontrar el elemento básico en cuestión. Por ejemplo, si se quiere reconocer un cilindro dentro de un sistema de tuberías, con la función Activate nos quedamos únicamente con el segmento recto de tubería que se vaya a generar. Esto es conveniente debido a que para la generación de un elemento, esta herramienta toma todos los puntos de la nube como referencia y genera por tanto un elemento que se ajuste a todos ellos. De esta forma, al separar únicamente una selección, evitamos que tome como referencia el resto. 2. Elemento que se tiene que generar. Es muy conveniente seleccionar el tipo de geometría que se debe generar en vez de elegir el método automático, puesto que nosotros mismos podemos juzgar qué se ajusta mejor o qué forma necesitamos, y el método automático seleccionará la forma que más 5. - Tratamiento de datos. Catia 71 se ajusta a los puntos en función de la desviación. Según el elemento elegido cambiarán los parámetros modificables a continuación. 3. Parámetros. Estos son los parámetros de búsqueda, no los de la geometría. Esto significa que activar y cambiar parámetros aquí lo que hará es imponer el reconocimiento de una forma con los parámetros especificados dentro de la nube de puntos, de modo que si esa forma con esos parámetros no se ajusta a la nube, el programa no será capaz de reconocerlo. Sin embargo, cuando hay cierta ambigüedad en el reconocimiento de una forma o la dirección es equivocada, habrá que modificarlos para asegurarse de que la forma generada es la que se buscaba. Si la forma que se puede reconocer con esta herramienta no se ajusta del todo a la forma que se quiere crear, y con otros parámetros no se puede reconocer, lo que se hará es una vez creada la superficie básica, ya que ésta queda desvinculada de la nube de puntos, se hará doble click sobre ella en el árbol de especificaciones (o en alguno de los elementos que se han creado con ella como ejes o centros) para poder modificar todos los parámetros geométricos que se quiera. b) Split La función de esta herramienta es la de cortar una superficie utilizando para ello un elemento que la intersecte, y eliminar una de las partes resultantes del corte. Esto será muy utilizado para modificar y ajustar las superficies generadas anteriormente para que encajen entre sí. El elemento de corte puede ser otra superficie, un plano o una curva. Esta herramienta se puede encontrar dentro de la barra Operations (figura 38). Figura 38: Herramientas de Operations La forma en que se utiliza esta herramienta es seleccionando el elemento que se debe cortar, seleccionando después el elemento que la corta, y tras ello ya se puede 5. - Tratamiento de datos. Catia 72 seleccionar qué parte de la superficie escogida para ser cortada se conserva. Si hay múltiples elementos de corte y por ello se genera ambigüedad en la diferenciación de qué partes se conservan o cuáles no, también se puede realizar una selección detallada, lo cual será muy útil en cortes complejos. También es posible la extrapolación del elemento de corte si éste no intersecta la totalidad del elemento a modificar, y la generación de la intersección de los elementos como una curva separada. c) Trim Con Trim lo que se hace es recortar los elementos en intersección, modificando todos los elementos que intervienen en el proceso, y obteniendo como resultado la unión de las partes seleccionadas para su conservación. Esta herramienta se encuentra en la barra de Operations (figura 38). La forma de utilizar la herramienta es seleccionar los elementos que intervienen en el corte, que pueden ser dos o más, y después especificar de forma manual las partes que se deben conservar y las que se deben eliminar. Dispone de dos modos de funcionamiento pero no hará falta salir del modo estándar. d) Join Esta es la herramienta que se utilizará para unir varios elementos en uno y obteniendo como producto final un único elemento en el árbol de especificaciones. Esta herramienta al igual que las anteriores se encuentra en la barra Operations (figura 38). Esta herramienta posee gran cantidad de opciones, principalmente herramientas de verificación, como por ejemplo verificación de tangencia, curvatura o conexión, pero que no interesarán demasiado para este método de trabajo, puesto que esta herramienta se utilizará principalmente para la unión de elementos para facilitar su posterior manejo. Para utilizar así esta herramienta simplemente se seleccionarán todos los elementos a unir, y después o bien se activa la casilla de ignorar elementos erróneos para que no se realice ninguna verificación previa a la unión de los elementos, o si interesa saber que los elementos seleccionados están conectados, dejar marcada únicamente la casilla de verificación de conexión. Las otras casillas de verificación o tolerancias se desmarcarán en prácticamente todo caso objeto de este proyecto. 5 . - Tratamiento de datos. Catia 73 e) Extrapolate Esta herramienta permite extrapolar un límite de una superficie siguiendo una serie de parámetros. Antes de proceder a explicar cómo funciona y cómo se utiliza hay que destacar que para que se pueda extrapolar una superficie, ésta debe tener una extensión mínima o si no el programa no tendrá suficiente información para poder extrapolar. También cabe decir que cuanto mayor sea la extensión de la superficie, y cuanto más simple y continua sea, mejor será la extrapolación. Lo primero para poder utilizar esta herramienta será seleccionar el contorno de la superficie que se debe extrapolar, y la superficie que se debe extrapolar si existen varias posibilidades. Tras ello se especifica la extensión de la extrapolación, bien por una distancia o por un elemento al que debe llegar, y por último se seleccionan ciertos parámetros de la extrapolación como el tipo de continuidad a seguir, la dirección de los extremos o la propagación de la superficie. Al igual que en las anteriores, accederemos a la herramienta dentro de la barra Operations (figura 38). 7. - Caso práctico 80 Figura 39: Máquina real escaneada La máquina en cuestión es una desfibradora de madera, de la que no sabemos ni marca ni modelo, y que además no tiene ninguna placa de información. La información que se tiene de ella es que es una máquina muy antigua, cuya fabricación ronda entre 1950 y 1960, y se trata de una máquina de origen sueco, concretamente fabricada en Estocolmo. La máquina con la que trabajamos pertenece a un conjunto de varias máquinas que llevan a cabo la desfibración de la madera. Esta máquina en concreto es la que va al final del proceso, a la cual llega la madera en astillas ablandadas con vapor sobrecalentado y a presión, que se introducen en una cámara que aloja un disco giratorio (muela), que aplasta las astillas lentamente contra el alojamiento en el que se encuentra y separa las fibras de la madera. Estas fibras de madera se suelen utilizar después para hacer la pasta celulósica que se utiliza en la fabricación de papel o para la fabricación de tableros DM o aglomerados. Debido a la antigüedad de la máquina y a que se compró a otra empresa que la utilizaba, pasando por varias manos, no se dispone de más que unos pocos planos simples del conjunto de todas las máquinas del proceso, ni tampoco de documentación de su fabricación, montaje y partes que la componen. Por su origen y fecha de fabricación podemos averiguar que se trata de una máquina de la marca Defibrator AB, creada por el sueco Arne Asplund, marca que ya no existe pues pasó a llamarse Sunds Defibrator AB en la década de los 70, y más tarde en la década de los 90 fue comprada por la empresa Valmet, la cual produce en la actualidad máquinas que utilizan el mismo principio. A continuación se encuentran una imagen de un modelo parecido a la máquina que disponemos pero ligeramente más moderna, de la marca Sunds defibrator AB (figura 40), y una imagen de un modelo actual de la marca Valmet (figura 41): 7. - Caso práctico 81 Figura 40: Máquina de la marca Sunds Figura 41: Máquina de la marca Valmet moderna Como se puede ver en la figura 42 más adelante, que se trata del esquema completo de máquinas para la desfibración de madera actual de la marca Valmet, la máquina con la que tratamos se encuentra casi al final del proceso, de modo que a ella llegan las astillas de tamaño homogéneo, limpias y reblandecidas. La desfibradora moderna cambia ligeramente el funcionamiento pero los acoplamientos principales se mantienen parecidos: por un lado se encuentra el acoplamiento al motor y por el otro la entrada de astillas, salida de fibra y entrada y salida de vapor a presión, que facilita el proceso. Las entradas y salidas se pueden apreciar mejor en la figura 43, que no es el modelo exacto pero se parece bastante: 7. - Caso práctico 82 Figura 42: Modelo de desfibradora completa Figura 43: Esquema de máquina desfibradora Acoplamiento del motor Entrada de material Entrada de vapor Salida de vapor Salida de material 7. - Caso práctico 83 7.2.- Estrategia Vista la forma de la máquina e interesándonos solo la determinación del volumen general ocupado y el detalle de entradas y salidas de material y vapor, el acoplamiento al motor y el anclaje a planta, la estrategia de trabajo a seguir se compone de la aplicación del método general con reconstrucción a través de formas básicas para todo el cuerpo de la máquina y la reconstrucción automática de superficies con cierto detalle en las zonas especificadas anteriormente. De esta forma conseguiremos crear un modelo con los detalles que nos interesa y el volumen ocupado en el menor tiempo posible, ya que para la reconstrucción del cuerpo con formas básicas no necesitaremos generar una malla. Por lo tanto las fases en que se divide el proceso a seguir serán: • Escaneo, toma de datos “in situ”. • SCENE, procesado de los datos. • Edición de la nube de puntos. • Generación y edición de la malla. • Generación de superficies. • Generación de planos y documentación. Respecto a la estrategia a seguir, la podemos dividir en los siguientes apartados: • Escaneo con resolución estándar pero evitando huecos en el resultado, captando datos desde los ángulos oportunos. • Procesado de los escaneos estándar. • Tratamiento de la nube de puntos estándar en el cuerpo y detallado en los acoplamientos y conexiones. La nube de puntos aquí se dividirá en partes para tener el cuerpo de la máquina y cada acoplamiento por separado. • Creación de la malla en los acoplamientos, intentando obtener una superficie lo más suave y detallada posible, y que no haya ningún hueco en ella (a no ser que se trate de un hueco en la máquina). Para el cuerpo no es necesario crear malla. • Reconstrucción automática de los acoplamientos a partir de las mallas, poniendo un nivel de detalle elevado. • Reconstrucción por reconocimiento de formas canónicas en el cuerpo, creando una caja a través de planos, un cilindro para la parte superior, dos cilindros para los volantes y superficies adicionales para rellenar el resto de zonas, que se podrán hacer a través de extrusión en una dirección determinada de una curva. • Unión de todas las superficies en un conjunto único y rellenado de algún hueco más notorio que pueda quedar. • Generación de un plano de situación a partir del modelo y cotas necesarias. Esta elección de estrategia dará un modelo con cierto detalle pero no el suficiente para generar planos de detalle de los acoplamientos, que tampoco es el objetivo. Si fuera necesario generar estos planos bastaría con hacer una reconstrucción manual detallada de las zonas requeridas, bien por reconocimiento de formas canónicas o por generación 7. - Caso práctico 84 de superficies tomando medidas como referencia. La estrategia escogida además ahorra la mayor cantidad de tiempo y recursos posibles, optimizando el proceso. A continuación se explicará cómo se han aplicado las herramientas siguiendo la estrategia definida y el paso a paso de la generación del modelo. 7.3.- Escaneo La primera fase es escanear la máquina. Para ello nos desplazamos a la nave donde se encuentra la máquina (al lado de la oficina de la empresa) con el escáner 3D, y una vez allí se monta el escáner y se elabora una estrategia de escaneo, ya que no se dispone ni de fotos ni se conoce el entorno donde se encuentra la máquina. Debido a que la máquina tiene una geometría bastante complicada, habrá que cubrir varios sectores y desde varias alturas. Al no necesitar una cantidad de detalle muy elevada y tratarse de una máquina grande se utilizará el escáner con resolución normal para no tardar tanto con los escaneos. Se prevé hacer unos 6 escaneos rodeando la máquina (desde 6 sectores distintos) por cada altura, haciendo escaneos desde 2 o 3 alturas según zonas. En total unos 18 escaneos. La máquina se encuentra en una nave industrial, y es perfectamente accesible para colocar el escáner alrededor, por lo que se pondrá el escáner en el modo de funcionamiento interior menor 10m. Para poder cubrir todos los ángulos necesarios se hará los escaneos a tres alturas diferentes que serán el nivel más bajo del trípode, el nivel alto, y por último para tener información de la parte superior de la máquina, se coloca el escáner sobre un objeto elevado con visión de las aperturas superiores. El escáner estará bastante cerca, y solo interesa la máquina en cuestión, por lo que el ángulo horizontal de barrido se fijará en torno a unos 120⁰. El ángulo de barrido vertical variará según la altura a la que se haya colocado el escáner. Los sectores cubiertos y ángulos de barrido se pueden observar en el esquema de la figura 44 a continuación: Figura 44: Esquema de sectores de escaneo 7. - Caso práctico 85 Con la estrategia fijada y clara se empieza el proceso de escanear la máquina. En total se hicieron 20 escaneos desde diferentes ángulos y las tres alturas, haciendo algunos de más de lo previsto intentando coger los detalles de huecos interiores. En total se necesitaron unas 4 horas durante una misma mañana operando el escáner entre 2 personas, aunque con experiencia se podría hacer con una única persona. No se pudo utilizar ninguna medida de procesado simultáneo de los escaneos debido a que no se disponía de ordenador portátil y el software de procesado se encontraba en un ordenador fijo. Una vez terminados todos los escaneos se pasaron todos los datos al ordenador que tiene el programa SCENE y pasamos a la siguiente fase. 7.4.- Procesado de los datos En el software de procesado SCENE se importaron todos los datos de los escaneos y se inició el proceso de registro. Para todo el proceso de registro y referenciado se usó la configuración por defecto y el referenciado automático de escaneos. Aproximadamente durante hora y media se estuvieron procesando y al final hizo falta referenciar de forma manual un total de 3 escaneos que el programa no fue capaz de referenciar de forma automática. Una vez terminó el proceso y fue verificado, se creó la nube de puntos general, utilizando la eliminación de puntos repetidos y homogeneizando muy ligeramente para quitar un poco de densidad pero sin perder detalle. Se editó el resultado para no exportar los alrededores de la máquina, puesto que el escáner registró datos de todas las paredes y objetos que se encontraban detrás de la máquina durante cada escaneado. Se utilizó un cuadro de recorte para ajustar sólo la máquina, aprovechando que ésta tiene una forma rectangular en planta. Este cuadro de recorte se ajustó para la máquina y el palé de madera sobre el que se encontraba, pero sin buscar un ajuste perfecto, pues esto se hará en Catia. Todo el proceso de generación de la nube de puntos y su edición llevó aproximadamente 30 min. En las opciones de exportación se escogió como formato el IGES, que es el formato de nube de puntos adecuado para utilizar en Catia, y entre las opciones de exportación se dejó todo en predeterminado. El proceso de exportar la nube de puntos tardó en torno a 1 hora. 7. - Caso práctico 86 7.5.- Edición de la nube de puntos Tras realizar la exportación de la nube de puntos en formato .igs se pasa al tratamiento de los datos de la nube de puntos en Catia, que es la siguiente fase del método. La primera parte dentro de Catia será la edición de la nube de puntos, para lo cual se empieza por importar los datos y cargarlos en Catia. Para esto se usa la herramienta de importación, seleccionado Iges como formato, factor de escala 1 y con las unidades en metros (seleccionando milímetros habría que poner factor de escala 1000, sino se genera una máquina en miniatura), comprobando que sea todo correcto en la información que aparece en el cuadro de Statistics. Lo siguiente es colocar mejor la nube de puntos con respecto al origen de coordenadas, ya que para este caso de importación, la nube aparece en una posición totalmente alejada de origen y además con un giro incorrecto. Este paso además es mejor realizarlo antes de cualquier proceso de edición para facilitar el posterior trabajo. Para esto se utilizó la herramienta Align using the compass, seleccionando la nube completa y colocándola de forma manual tomando como origen un anclaje de la máquina, de forma que quedó como en la figura a continuación. Figura 45: Nube de puntos inicial Una vez se tiene la nube ya importada y colocada se puede empezar con su edición. Para este caso la edición consistirá en tres pasos: filtro, depuración y división. Lo primero será aplicar un filtro a la nube, puesto que tras la importación se aprecia que el programa ya se ve algo ralentizado, que existe una gran densidad en algunas zonas en que no es necesario y además si se entra en la información de la nube se puede ver que existen un total de 3.614.540 puntos, que es una cantidad un poco excesiva. 7. - Caso práctico 87 Entonces la solución es aplicar un filtro adaptativo con un valor de 0,2mm, que hará que queden restantes en la nube un 61,17% de los puntos (2.211.061 puntos). Lo segundo es la depuración de la nube. Este paso es uno de los más pesados y de más larga duración. Para depurar la nube lo que se hizo fue la utilización de la herramienta de eliminación para limpiar los puntos erróneos o de zonas que no interesan, como por ejemplo el palé de madera sobre el que se encuentra la máquina o las cintas metálicas que tenía como sujeción. Primero se hace una eliminación de puntos de forma más rápida e imprecisa, utilizando recuadros y eliminando alrededores, para después hacer una limpieza más exhaustiva mezclando el uso de cuadros de recorte y la selección de puntos individuales, obteniendo como resultado una nube sin puntos del entorno ni puntos erróneos aislados alejados de la superficie. Como resultado final se obtuvo una nube con un total de 2.114.543 puntos, es decir, con unos 100.000 puntos menos. Tras haber depurado la nube se pasa al último de los pasos de la edición, que es la división. Para ello se utiliza la herramienta Split, y se divide la nube en cuatro zonas diferentes, que son el anclaje a planta, el acople al motor, la bóveda de carga y por último lo restante que sería el cuerpo central, y se coloca cada una en un Geometrical Set separado, especificando cada uno con el nombre de la parte a la que corresponden. De esta forma tenemos la nube de puntos más organizada y con las zonas de detalle separadas para poder tratarlas de forma específica, siguiendo la estrategia de trabajo fijada inicialmente. Todo el proceso de importación y edición de la nube de puntos llevó aproximadamente 45 min, siendo su mayor parte la limpieza y eliminación de puntos sueltos que duró unos 35 min. El resultado del proceso se puede encontrar en la figura 46. Como resultado adicional, aprovechando que se ha generado la nube de puntos ya limpia y sin nada del entorno, se exporta esta nube en formato .cgo desde Catia, para así tenerla disponible en caso de necesitar realizar otros procesos con ella. Figura 46: Nube de puntos refinada 7. - Caso práctico 88 7.6.- Generación y edición de la malla Para generar una malla completa y sin errores ni agujeros se seguirá un proceso que consiste en los siguientes pasos: crear la malla, depuración, rellenar agujeros y por último editar. Un detalle importante para este caso es que como tenemos la nube dividida en zonas, no es posible generar la malla completa en toda la máquina a la vez. Esto podría parecer que hará que gastemos más tiempo, pero en realidad, al disponer de zonas separadas más pequeñas, el tiempo necesario para solucionar los errores y rellenar los agujeros es menor que en el caso de tener la máquina completa. Entonces, como tenemos cuatro zonas diferentes, habrá que repetir el proceso de generación y edición de la malla para cada zona, excepto para el cuerpo central, que como se va a utilizar el proceso de reconstrucción de superficies básicas no es necesario crear una malla. Independientemente de la zona a la que se aplica, el proceso será el mismo y los pasos seguirán el mismo orden, solo cambiarán los problemas que aparezcan y por tanto el tiempo aplicado en la solución de errores y rellenado de agujeros. Las imágenes del proceso que se irán mostrando pertenecerán al seguimiento del tratamiento de la zona de la bóveda. El primer paso a dar del método es la creación de la malla. Para ello se utiliza la herramienta Mesh Creation, con método 3D, valor de Sag de 0 y Constrained marcado, y el único parámetro con el que se juega para generar la malla en función del detalle de cada zona será Neighborhood, para el cual se da un valor inicial para comprobar el resultado, y se va variando y observando los cambios hasta llegar a una malla con el grado suficiente de rellenado de agujeros pero sin tapar los detalles. El resultado de la aplicación de este paso en la bóveda es el de la figura 47. Con la malla creada el siguiente paso es depurarla, es decir, eliminar los errores que se hayan generado con la creación de la malla. Para esto se aplicó la herramienta Mesh cleaner y se eliminaron todos los errores que aparecían en la pestaña de Deletion, y además se eliminaron las zonas aisladas siempre comprobando antes que no fueran necesarias o de interés. En el caso de que haya una zona aislada que no interesa eliminar se dejará y en la siguiente fase que es la de rellenado, se intentará unir con el resto de la malla y rellenar los huecos que haya entre medias. El resultado visible es prácticamente el mismo que el de la figura 47, tan sólo se aprecian algunos huecos más. 7. - Caso práctico 89 Figura 47: Malla inicial de la bóveda Cuando no haya más errores en la malla se pasa a la siguiente fase que es el rellenado de los huecos. Como recomendación, a no ser que se trate de una malla pequeña, se puede utilizar la herramienta Decimate en el momento en que ya no hay errores, y fijar un número de triángulos menor para aumentar la velocidad de respuesta del ordenador y facilitarnos el trabajo, incluso aunque la malla aún esté incompleta, como se hizo en este caso de mallado de la bóveda. De todos modos, esta herramienta se utilizará de nuevo en la homogeneización cuando la malla esté completa. Continuando con el método, el siguiente paso es rellenar los huecos, para lo cual se sigue la siguiente estrategia: • Primero con la herramienta Fill holes se seleccionan todos los agujeros independientemente del tamaño, exceptuando aquellos que no se deban rellenar porque se tratan de bordes libres, y se intentan rellenar todos con unas opciones estándar de inserción de puntos, un Step que se decide en función del tamaño del objeto, pero que se puede tomar como referencia un valor de 5 mm, y un valor de Shape de 5. Con esto se rellenarán una buena parte de los agujeros existentes. • Para los agujeros que no se hayan podido rellenar automáticamente procederemos de diferentes maneras. Será necesario tratar cada uno por 7. - Caso práctico 96 Figura 56: Superficie del cuerpo, paso 2 Figura 57: Superficie del cuerpo, paso 3 Ahora ya se dispone de una forma más cercana a la geometría de la máquina, tan sólo queda acercarse más a la forma de la máquina utilizando las herramientas disponibles en el módulo de generación de superficies, siendo necesario emplear más tiempo 7. - Caso práctico 97 cuanto más detallado queramos que sea el modelo. El resultado final, uniendo todas las superficies generadas en el proceso de reconstrucción del cuerpo es el que se puede ver en la figura 58. Figura 58: Superficie del cuerpo, final Con esto queda terminado todo el proceso de modelado dentro de Catia, por lo que mostrando todo el conjunto de superficies creadas obtenemos el resultado final, el cual es un modelo simplificado, que mantiene detalle de zonas específicas basándose en la malla, es decir, no compuesto por superficies canónicas, salvo para la zona simplificada. Todo esto además se ha llevado a cabo con una duración completa de cerca de 5 horas, que se divide en 45 min para la nube, 30 min para el acoplamiento motor completo (malla y superficies), 45 min para el anclaje en planta, 1h y 30 min para la bóveda y 1h y 30 min para el cuerpo simplificado aproximadamente. A continuación las imágenes del resultado final del modelado: 7. - Caso práctico 98 Figura 59: Resultado final 1 Figura 60: Resultado final 2 7. - Caso práctico 99 Figura 61: Resultado final 3 Figura 62: Resultado final 4 7. - Caso práctico 100 Figura 63: Resultado final 5 7. - Caso práctico 101 7.8.- Generación del plano El último paso restante es la obtención del plano de la máquina, con algunas cotas funcionales necesarias para colocar la máquina en planta y en relación al conjunto del que forma parte. Cabe destacar Para este caso tan solo hace falta entrar en el módulo Drafting de Catia para generar de forma automática un plano del modelo, y con el plano hecho tan solo queda crear las cotas, y con eso ya habríamos acabado. La elaboración y el análisis de planos resultantes también lleva a la corrección de errores en el posicionado y orientación de la geometría, además de otros errores de la nube de puntos que hasta ahora no se habían apreciado. El plano final generado a partir del modelo se encuentra a continuación: AD B C A D 3 3 2 2 4 4 1 1 This drawing is our property; it can't be reproduced or communicated without our written agreement. SCALE 1:50 WEIGHT (kg) DRAWING NUMBER SHEET SIZE Universidad de Valladolid CHECKED BY: XXX DATE: XXX DESIGNED BY: Juan Miguel Hernández Cid DATE: 20/12/2018 A_ B_ C_ D_ E_ F_ G_ H_ I_ A4 1/1 Máquina desfibradora de madera Plano general de dimensiones *** 410 175.4 710.3 187 491 2681.5 582 99 506 222 1299 1128.7 368 495 81.2 357.4 735 110.6 1244.2 1241.2 1149.4 1243.4 316 747.4 8. - Conclusiones 103 8.- Conclusiones Una de las formas más comunes de aplicar la tecnología 3D en la ingeniería inversa se ha explorado en este proyecto, generando un procedimiento que consiste en la utilización de un escáner 3D, posterior reconstrucción de la nube de puntos y mallado con una herramienta CAD, en este caso el software CATIA, para al final tratar los datos de la forma requerida en función de la aplicación concreta del caso que se esté trabajando. Parte de la existencia de todas las variadas aplicaciones posibles siguiendo este mismo método se debe a la utilización del software CAD integral como herramienta, ya que el uso en conjunto de múltiples módulos de trabajo hace posible que en un mismo programa se pueda llevar a cabo la reconstrucción de la nube de puntos y mallado, y además sobre esto crear los modelos 3D paramétricos. Estas herramientas en la ingeniería inversa tienen una serie de ventajas e inconvenientes: Ventajas 1. Ahorro de tiempo y recursos, ya que con una persona cualificada, un escáner 3D y un ordenador con el software vale para todo el proceso. 2. Precisión, con desviaciones de menos de 1 milímetro. 3. Versatilidad: con un único procedimiento es posible captar y generar una grandísima cantidad de información valiosa, con un amplio rango de posibilidades de aplicación. 4. Adaptabilidad del proceso, puesto que es válido para todo tipo de elemento de partida. 5. Digitalización, de forma que se hace posible el trabajo en línea y la comunicación entre personas y empresas. Inconvenientes 1. Necesidad de personal cualificado, equipo y software específico. 2. Tecnología en desarrollo, de modo que no todas las posibilidades están bien estudiadas, con accesibilidad a información de cómo aplicarlas. 3. Variabilidad del proceso, lo que implica que no vamos a encontrar dos casos iguales en cuanto a la forma de proceder y el procedimiento aplicado. Esto también implica la imposibilidad de automatizar el proceso. La utilización de estas herramientas nos lleva a la necesidad de generar un procedimiento de trabajo ordenado que poder seguir. Esto es lo que se ha llevado a cabo en este proyecto, mediante pruebas con el equipo y ensayos de diferentes procedimientos de modelado hasta determinar con el que aparentemente era el más adecuado para cada objetivo. 8. - Conclusiones 104 Este procedimiento de trabajo se ha probado en la resolución de un caso real. De todas las pruebas y de la aplicación del procedimiento que se puede seguir en este proyecto, podemos obtener una serie de conclusiones con respecto al proceso: Como método para la obtención de un modelo aproximado con el que obtener unas cotas funcionales bien aproximadas de forma rápida es perfectamente válido. Esto se puede apreciar por el hecho de que hemos obtenido un modelo completo de una máquina de 3 metros de largo, con zonas suficientemente bien reconstruidas y medidas fiables en aproximadamente 5 horas partiendo de la nube de puntos inicial. Sin embargo, como método para el plano con detalle de los acoplamientos por ejemplo, aunque hayamos variado el proceso para obtener más detalle en esas zonas, no es suficiente. Se obtiene como resultado una superficie rugosa, de calidad insuficiente y que no respeta de forma adecuada geometrías como los taladros de los acoplamientos. Además de esto, con este método se generan muchos problemas cuando se quiere tratar de reconstruir piezas muy grandes. Como conclusión final de la aplicación del procedimiento generado, en zonas donde se busque mayor detalle habría que variar el método de la siguiente forma: • Con la malla creada, separaríamos las zonas donde se busca detalle en mallas separadas. • Estas zonas, en vez de usar una reconstrucción automática con detalle, lo que haríamos sería gastar menos tiempo en la malla y a partir de ella crear nosotros mismos las geometrías a través del módulo Generative Shape Design, utilizando las medidas que podemos extraer de la malla. • De este modo, sería necesario más tiempo para construir el modelo completo, pero obtendríamos un modelo mucho mejor aproximado y mucho más fiable a la hora de generar documentación. También se podría valorar utilizar el método de extracción de geometrías canónicas desde la nube de puntos, para después modelarlas y obtener la geometría que se busca. Esto dependería de la complejidad de la geometría. 9. - Bilbliografía 105 9.- Bilbliografía • DASSAULT SYSTEMES. Digitized Shape Editor User’s Guide. • DASSAULT SYSTEMES. Quick Surface Reconstruction User’s Guide. • FARO TECHNOLOGIES INC. (2017). Scene 7.1 Manual del Usuario. • FARO TECHNOLOGIES INC. (2016). FARO FOCUS3D X 330 HDR Manual Del Usuario. • NURBS. (s.f.). En Wikipedia. Recuperado de <https://es.wikipedia.org/wiki/NURBS> • Escáner 3D. (s.f.). En Wikipedia. Recuperado de <https://es.wikipedia.org/wiki/Esc%C3%A1ner_3D> • ALVAREZ ESTRADA, J.E. (2011). Ingeniería inversa y criptoanálisis. Recuperado de <https://es.slideshare.net/LeonardoDaVinciMX/ingenieria-inversa- 9585581> • ALBEIRO, C., & YESID, B. (2015). Aplicación de la ingeniería inversa en la reproducción de una pieza plástica inyectada. 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