MODELOVÁNÍ VÝROBY METODOU 3D LASEROVÉHO SKENOVÁNÍ SVOČ FST 2016 Bc. Martin Strapek Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Tato práce pojednává o možnostech využití laserového skenování při tvorbě modelů výroby. Práce popisuje postup pořízení dat metodou laserového skenování a jejich následného zpracování v počítačových softwarech. Dále uvádí dvě metodiky tvorby layoutů a modelů výroby při použití skenovaných dat. Tyto dvě nové metodiky následně porovnává mezi sebou a mezi současným způsobem modelování výroby a hodnotí jejich efektivitu a ekonomickou výhodnost. V závěru pak uvádí výsledky porovnání, výhody a nevýhody metody skenování a doporučení. KLÍČOVÁ SLOVA Modelování výroby, laserové skenování, layout, vizualizace výroby, bodové mračno, vistable, AutoCAD ÚVOD Tato práce zkoumá možnosti využití laserového skenování při pořizování modelu výroby a následné využití těchto modelů při tvorbě výrobních layoutů a prostorového digitálního modelu výroby. Hlavním cílem práce je prozkoumat možné způsoby tvorby layoutu výroby a prostorového modelu výroby pomocí skenovaných dat a porovnat tyto způsoby s doposud používanými metodami. Na základě porovnání různých kritérií všech metod se určí, v jakých případech je použití konkrétní metody efektivnější a výhodnější. Mimo těchto hlavních výstupů práce zároveň popisuje postup laserového skenování. Hlavním záměrem při zkoumání využitelnosti laserového skenování při tvorbě layoutů a modelů výroby bylo nalezení takových metodik, při jejichž použití získáme výstupní data s dostatečnou vypovídací schopností. Autor této práce se zúčastnil školení laserového skenování a také se přímo podílel na několika projektech, kde bylo laserového skenování využito. ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVU Analýza současného stavu proběhla formou rešerše. Cílem této rešerše bylo nejprve prozkoumání možností využití laserového skenování v různých oblastech, kdy byly zjištěny aplikace metody ve stavebnictví, zeměměřičství, archeologii, kriminalistice a strojním průmyslu. Dále byl prozkoumán současný stav techniky, kdy bylo zjištěno, jaká skenovací zařízení se nabízejí na současném trhu a jaké mají výkonnostní parametry. V poslední části rešerše byly prozkoumány doposud objevené možnosti a metodiky skenování. METODIKA Cílem je prozkoumat různé možnosti zpracování naskenovaných dat a na jejich základě sestavit vhodnou metodiku tvorby layoutů a modelů výroby, která by byla efektivnější než doposud používané techniky. Pro stanovení takové metodiky bylo nejprve nutné zajistit objekt skenování, kterým byla výrobní hala nejmenované společnosti, a další objekty pro další prozkoumávání metody. Při práci jsme disponovali skenovacím zařízením Leica ScanStation C5, které má výkon 25 000 bodů/s a dosah skenování 35 metrů [1]. Tímto zařízením byl pořízen sken výrobní haly nejmenované společnosti. Během skenování byly sledovány různé faktory, především časy jednotlivých činností a vlivy působící na proces pořízení dat. Dalším objektem skenování byla ergonomická laboratoř, kde skenování sloužilo spíše pro testování různých nastavení. Veškerá pořízená data byla následně zpracována v software Leica Cyclone. Jedná o software, ve kterém se naskenovaná data upraví a spojí v jeden výsledný model ve formátu bodového mračna. Bodové mračno Bodové mračno je specifický formát digitálních dat získaných laserovým skenováním. Laserový skener nesnímá celý reálný objekt, ale pouze velmi hustou množinu bodů, které se na tomto objektu vyskytují, kterou nazýváme bodové mračno. V digitální podobě pak skenovaný objekt připomíná celistvý model, který je však ve skutečnosti hustou sítí naskenovaných bodů. Ukázka bodového mračna je na Obrázku 1. Bodové mračno se chová zcela jinak než klasické digitální modely a proto bylo nutné v práci najít jejich vhodné zpracování, aby je bylo možné použít při tvorbě layoutů výroby.
Obrázek 1 Bodové mračno automobilu [2] Layout výroby Layout výroby představuje vizualizaci uspořádání pracovišť. Tato vizualizace může být ve fyzické (vytištěná dokumentace) nebo digitální formě. V layoutu je zobrazen reálný nebo plánovaný stav výroby. Jsou v něm zahrnuty základní stavební rozměry výroby, dále veškeré stroje a zařízení, včetně jejich rozměrů a rozmístění ve výrobě. Důležitými údaji jsou pak toky materiálu, které ukazují, jakým způsobem a jakou intenzitou se pohybuje materiál ve výrobě, dále potom výrobní kapacity pracovišť nebo strojů, způsob zásobování výroby materiálem a další údaje o výrobě. Na základě sestavení layoutů a analýze vstupních údajů je pak posouzena efektivita uspořádání výroby. Tímto způsobem je možné odhalit úzká místa ve výrobě, a například přeuspořádáním pracovišť zvýšit efektivitu výrobního procesu. Layoutu mohou být zobrazeny ve 2D nebo 3D podobě [3]. Klasickým způsobem získávání dat pro tvorbu layoutů je měření rozměrů buď pásmem, nebo laserovým dálkoměrem. Je nutné pořídit rozměry všech strojů, zařízení a důležitých objektů ve výrobní hale a jejich umístění. Pořízení dat touto metodou je časově velmi náročná činnost. STANOVENÍ METOD Stanovení metod tvorby layoutu výroby na základě bodových mračen proběhlo ve dvou fázích. Nejprve byl proveden průzkum softwarů, které disponují funkcemi pro zpracování bodových mračen a softwarů, které disponují funkcemi pro tvorbu a analýzu layoutů. Metoda 1 Na základě průzkumu a dostupnosti zjištěných softwarů byl vybrán jako hlavní zpracovací software metody Autodesk AutoCAD a další systémy z portfolia společnosti Autodesk. Tento systém byl zvolen z následujících důvodů: - Software obsahuje funkce pro práci s bodovými mračny - Software obsahuje funkce pro tvorbu layoutů výroby - Software je dostupný pro testování Základním principem metody je postupný průtok zpracovávaných dat různými Autodesk softwary. Prvním krokem je vždy nahrání skenovaného modelu do software ReCap, ve kterém se provedou potřebné úpravy a především se data převedou do nativního formátu RCP, který jako jediný je možné zpracovávat v navazujících softwarech. Celkový skenovaný model se upraví následujícími způsoby: - Uložení neupraveného modelu do formátu RCP - Odebrání střechy a dalších nepotřených objektů z modelu a následné uložení tohoto modelu do formátu RCP - Rozdělení modelu na jednotlivá pracoviště a uložená těchto pracovišť do formátů RCP Všechny tyto výstupy byly následně nahrány do software AutoCAD. Nahráním prvního, neupraveného modelu, vznikl prostorový layout současného stavu, jehož část je na Obrázek 2. Nahráním druhého modelu vznikl layout vytvořený z bodového mračna (Obrázek 3). Stejný layout lze získat postupným skládáním z jednotlivých pracovišť.
Obrázek 2 3D bodové mračno výrobní haly Obrázek 3 2D layout výrobní haly Metoda 2 Při testování tohoto softwaru bylo však zjištěno, že výsledné výstupy nemají odpovídající vypovídací schopnost, která se od nich požaduje. Layout lze sice vytvořit, nelze na něm však provádět jakékoliv analýzy a nelze tento layout ani přímo exportovat do obrázkového formátu potřebné kvality. Bylo tedy nutné najít druhou, vhodnější metodu. Jelikož nebyl nalezen jiný software, který by měl stejnou nebo lepší vypovídací schopnost výstupů, než doposud používaný software vistable, byl právě tento software zvolen jako hlavní zpracovací software druhé metody. Hlavním cílem tedy bylo najít způsob, jak převést naskenovaná data do vistable, který však tato data neumí zpracovávat. Řešením tohoto problému bylo použití algoritmu, který byl vytvořen týmem spolupracovníků na katedře [4]. Základním principem tohoto algoritmu je převedení souboru bodového mračna na layout ve formátu obrázku ve vysokém rozlišení. Algoritmus vybere z celého modelu tenký plátek bodů, který následně převede do obrázku. Výstup je zobrazen na Obrázek 4. Výstupy obou metod vypadají stejně, výstup metody 2 má však požadované vysoké rozlišení a navíc odpadá nutnost softwaru AutoCAD. Tento obrázek lze v jakémkoliv grafickém editoru rozdělit na jednotlivá pracoviště nebo stroje, ze kterých je možné ve vistable poskládat manipulovatelný layout. V tomto layoutu lze provádět veškeré nutné analýzy zobrazení materiálového toku, I-D diagram, vytížení pracovišť apod. viz Obrázek 5. Pro trojrozměrné zobrazení layoutu byl u obou metod zvolen software Inventor pro statickou vizualizaci a 3Ds Max design pro dynamickou vizualizaci. V trojrozměrném zobrazení je možné prohlédnout si jak současný stav, tak případné změny v layoutu, jako je např. na Obrázek 6, kdy byl do modelu skenované haly nahrán model dopravníku a robotického podavače.
Obrázek 4 2D layout z algoritmu CloudSlicer Obrázek 5 2D layout vistable s vyobrazením materiálového toku a I-D diagramem Obrázek 6 3D layout s vloženým modelem dopravníku
POROVNÁNÍ A HODNOCENÍ METOD Porovnání metod proběhlo ve dvou krocích. V první kroku byla hodnocena efektivita jednotlivých metod. Hodnocena byla doposud používaná metoda a nové metody 1 a 2 každá ve dvou verzích pro zařízení Leica C5 a výkonnější C10. U každé metody byly hodnoceny časové náročnosti pořízení dat a zpracování, dále náročnost na uživatele a na hardware a dále vypovídací schopnost výstupů a jejich kvalita. Celkové hodnocení metod ve srovnání s klasickou metodou je vidět na Obrázku 7, kde je zřejmé, že metoda 2 je nejvýhodnější. Nejvyšší hodnocení metody je způsobeno stejnými vypovídacími schopnostmi jako má klasická metoda, které získáme za podstatně méně času. Nízké hodnocení metody 1 je způsobeno právě nízkou vypovídací schopností, kdy data pořídíme v krátkém čase, ovšem tato data jsou nepoužitelná pro analýzy. Na Obrázku 8 jsou znázorněny časy tvorby layoutů jednotlivými metodami. Úspora času metodami skenování může být až 5tinásobná, výstupy metody 1 mají však nízkou vypovídací schopnost, proto je nejefektivnější metoda 2. Obrázek 7 Porovnání efektivity jednotlivých metod vůči klasické metodě Obrázek 8 Porovnání časů tvorby výstupů jednotlivých metod Druhou fází je ekonomické hodnocení. V té byly hodnoceny jednak pořizovací a roční náklady jednotlivých metod a jednak finanční úspora a návratnost investic do metod. Pořizovací náklady metod laserového skenování jsou vysoké, jak je vidět z grafu na Obrázku 9. Úspora zpracovacích nákladů u skenovacích metod je přibližně 70%, přičemž roční náklady metody 1 jsou vyšší, než u metody 2. Z dlouhodobého hlediska tedy i z ekonomického hodnocení vychází jako nejvýhodnější metoda 2. I přesto jsou však úspory příliš nízké na to, aby došlo k návratnosti investice pouze z úspor.
Obrázek 9 Ekonomické hodnocení metod oproti klasické metodě ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Hlavními cíli této práce bylo nalezení způsobu modelování výroby a tvorby výrobních layoutů s použitím laserového skeneru. Důraz byl kladen na to, aby tento způsob byl efektivnější než předešlí způsob. K nalezení takového způsobu byl pořízen sken reálného výrobního podniku a ten byl testován různými způsoby v různých softwarech. Postupným prozkoumáváním byly stanoveny dvě možné metody. Podle následného hodnocení metod byla zvolena jedna metoda, která je efektivnější než doposud používaný způsob tvorby layoutů a modelování výroby a než druhá nalezená metoda. U této metody byla zjištěna vysoká úspora času pořizování dat a tím i úspora zpracovacích nákladů. Pořizovací náklady této metody jsou však natolik vysoké, že pouhé zpracovací úspory nezajistí brzkou návratnost této investice. Aby doba návratnosti investice byla přijatelná, bylo by nutné využít skenovací zařízení pro další účely. Možným využitím skenovacího zařízení by mohly být outsourcingové služby pořízení dat pro stavebnictví, archeologii nebo strojírenství. PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu této práce Ing. Petru Hořejšímu Ph.D. za poskytování svého času pro cenné konzultace a konzultantovi práce Ing. Jiřímu Polcarovi za poskytnutí technických zařízení pro zpracování práce a také za poskytování svého času a užitečných informací a rad. Další poděkování patří společnosti XYZ za poskytnutí možnosti pořízení dat.
LITERATURA Internetové zdroje: [1] LEICA GEOSYSTEMS [online]. [cit. 2016-04-16]. Dostupné z www. http://leica-geosystems.com/products/laserscanners/scanners/leica-scanstation-c5 [2] The University of Melbourne [online].[cit. 2016-4-17]. Dostupné z www:< http://blogs.unimelb.edu.au/sciencecommunication/files/2014/10/ep3-side.png> [3] CIE Centre for Industrial Engineering [online]. [cit. 2065-4-17]. Dostupné z WWW: <http://www.cieplzen.cz/index.php/cz/projektova-reseni/rizeni-vyroby-poradenstvi/stihly-layout-poradenstvi> [4] POLCAR, J., GREGOR, M., HOŘEJŠÍ, P.; KOPEČEK, P., (2015) Projection of LiDAR Point Cloud Slices to Raster Images as 3D Modelling Underlays, University of West Bohemia