Escáner Industrial 3D Rotativo para Piezas de Revolución

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"Se ha desarrollado un nuevo concepto de escáner 3D giratorio que evita los problemas que conlleva el escáner lineal en su aplicación sobre piezas de revolución. "

- Aranzazu Bereziartua , Robotiker

The Challenge:
En inspección y medida en planta a veces es necesario realizar medidas de geometrías complejas que no son bien resueltas por la visión artificial 2D. En estos casos se emplea visión 3D, pero los métodos clásicos de escáner de barrido lineal presentan zonas de sombras y brillos y dificultades de procesamiento posterior.

The Solution:
Se planteó un nuevo método de barrido 3D rotativo orientado a piezas de revolución, que minimiza los inconvenientes de la triangulación óptica láser aplicada a la medida y control de calidad en línea para estas geometrías.

Author(s):
José Ángel Gutiérrez Olabarria - Robotiker
Artzai Picón Ruiz - Robotiker
Aranzazu Bereziartua - Robotiker

El  Grupo Tubos Reunidos es el principal fabricante y líder en el mercado español de tubos sin soldadura y en una de las empresas más representativas del sector a nivel mundial.

Se detectó la necesidad de, por un lado, obtener medidas 3D de alta precisión de los casquillos de acero fabricados que permitan verificar la zona de bisel (Fig. 1), y por otro, lograr un control de calidad del 100% de la producción sin que ello suponga un cuello de botella.

 

Descripción preliminar

Los casquillos de acero considerados, presentan dos caras con diferentes acabados, biseles y dimensiones y su mercado es principalmente la automoción. El control de medidas exige una tolerancia menor de 0.1 milímetros, lo que hacia necesario el desarrollo de un sistema basado en inspección tridimensional ya que los métodos de visión 2D convencionales no proporcionan la resolución requerida con las condiciones existentes de campo de visión, características del material y distancias.

Por ello, se seleccionaron métodos de triangulación óptica basados en fuente de iluminación láser. La triangulación óptica es uno de los métodos más extendidos para reconstrucción tridimensional de un objeto. Se basa en la variación observada en la reflexión de un haz de luz que ilumina un objeto, conocidas la disposición iluminación-cámara y la distancia y ángulo al objeto (Fig. 2).

Al ser el objeto a inspeccionar un cuerpo de revolución, en lugar de usar un escáner (Fig. 2)  de desplazamiento lineal (los más habituales) pero que en este caso presenta zonas de sombra y mayor dificultad de análisis posterior, surgió la idea de desarrollar un escáner giratorio.

Se desarrolló un novedoso sistema de escáner giratorio (Solicitud de patente nº ES-P200600068 basado en técnicas de triangulación. Su arquitectura tiene en cuenta la geometría circular del casquillo de acero realizando un giro de 180 grados y adquiriendo un perfil completo de medidas aproximadamente cada grado asimilable a una sección del casquillo). La adquisición de tal volumen de datos alrededor del contorno del tubo metálico permite obtener resultados fiables. El desarrollo del algoritmo de recogida de datos y de procesamiento fue una tarea altamente compleja, facilitada por los productos NI. Cabe destacar la dificultad del proceso de calibración (paso de los píxeles que percibe la cámara a milímetros reales), utilizando complejos algoritmos y métodos de localización espacial.

 

Algoritmo de medida, procesamiento del perfil del casquillo

La cámara captura múltiples perfiles asimilables a secciones del casquillo. El perfil que la cámara captura es la intersección entre el plano láser y el casquillo (Fig. 1).

Se utiliza un método basado en interpolación sub-pixel para obtener las posiciones de las intersecciones láser-casquillo. Este método multiplica la resolución por un factor del 10 en el eje de profundidad.

Una vez logrado el perfil del casquillo, se utilizan algoritmos de procesamiento de señales para obtener sus puntos de interés. En este caso, mediante técnicas de filtrado, ajuste de líneas y derivadas n-ésimas de métodos algorítmicos basados en detección de picos se obtienen los puntos externos, internos y las intersecciones entre biseles y caras frontales.

La conjunción de todos los cálculos y procesamientos descritos, la captación de perfiles, el control de accionamientos, tratamiento de datos y reconstrucción 3D de la imagen, comunicación con periféricos, etc. Se ha realizado con una interfaz común de usuario en CVI.

El sistema logra la inspección de cada cara del casquillo en un segundo de tiempo con una resolución de 10 micras (Fig. 3).

 

Descripción de la solución implantada

El funcionamiento del sistema de control de calidad implantado es: El robot coge los tubos provenientes de los puestos de alimentación y los posiciona de manera precisa en el punto requerido por el sistema de visión. El escáner giratorio compuesto por la cámara y la iluminación láser doble gira 180 grados, capturando un perfil del casquillo a inspeccionar cada 1,3º grados. Este perfil se asemeja a una pseudo-sección del tubo. Esta inspección se realiza para las dos caras de todos los casquillos que transporta el robot.

 

A partir de estos datos se lleva a cabo la reconstrucción 3D del casquillo, que permite realizar el cálculo de los valores requeridos (radios, excentricidad, concentricidad, profundidad y altura del bisel, ángulos del bisel, etc.) así como datos estadísticos. En base a estos resultados y a las tolerancias establecidas para esa referencia concreta, el casquillo se clasifica. El robot lo deposita en los diferentes puestos de salida dispuestos para tal efecto y comienza nuevamente otro ciclo.

 

Resultados de la implantación

El sistema descrito está implantado  en la planta de producción que la empresa Tubos Reunidos tiene en Amurrio (Álava) y esta operativa desde Noviembre de 2005, siendo desde entonces considerada como un estadio más del proceso productivo y realiza una inspección automatizada del 100% de la producción. Los resultados obtenidos son positivos y no se han registrado desviaciones significativas. Las pruebas de validación registraron una resolución en la medida real de 0.01 milímetros. El algoritmo de procesamiento tarda 0.3 segundos por cada cara del casquillo. Si se incluye la adquisición y el posicionamiento robotizado este tiempo oscila en torno a 1 segundo por casquillo.

 

Conclusiones

  • Se ha desarrollado un nuevo concepto de escáner 3D giratorio que evita los problemas que conlleva el escáner lineal en su aplicación sobre piezas de revolución.
  • Se ha obtenido una resolución de 0.01 milímetros después del filtrado y procesado de imagen, gracias a algoritmos de procesamiento con interpolación sub-pixel.
  • Son evidentes las ventajas de este tipo de sistemas: están adaptados a la geometría,  garantizan la fiabilidad y repetitividad del resultado (anulan el error humano en la medida), conllevan un ahorro importante de tiempo y permiten la trazabilidad del proceso. Se integra en una instalación robotizada junto con las máquinas de corte que suministran los casquillos, y con el manipulador robotizado que posiciona de manera precisa cada tipo de casquillo dependiendo de las diferentes dimensiones en que puede presentarse.

 

Author Information:
José Ángel Gutiérrez Olabarria
Robotiker

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