Visión estructurada en la fabricación

Los proveedores están entregando sensores variados para satisfacer las necesidades y los presupuestos de los usuarios de la industria. A medida que bajan los precios y crece la capacidad, la pregunta es ¿cuál es la próxima mejor aplicación?

Los sistemas de luz estructurada miden superficies mediante la proyección de un patrón de franjas, luego usan cámaras y software sofisticado para convertirlas en nubes de puntos de datos de metrología. La precisión puede alcanzar micrones de un solo dígito en millones de puntos. Las tasas de captura en algunos equipos más nuevos se miden en milisegundos. La asequibilidad y la elección están creciendo entre estos sensores. Si bien la mayoría siguen siendo configuraciones estéreo de dos cámaras, algunas utilizan configuraciones de una sola cámara para una implementación más flexible, especialmente cerca de las líneas de producción. Más implementaciones y más aplicaciones son los sellos distintivos de la industria.

Uno de los pioneros en el campo fue GOM, una empresa que ahora amplía las opciones en su línea ATOS de sistemas de iluminación estructurada. “En el pasado, todo el mundo consideraba los sensores ATOS como un escáner caro pero de gama alta. Pero ahora [GOM] ofrece una línea completa de escáneres de luz estructurada”, dijo Frank Stone, gerente nacional de ingeniería de ventas de Capture 3D Inc., Santa Ana, California, un revendedor de valor agregado de sensores ATOS. "Reconocieron que para expandir el mercado hay que ofrecer a una amplia variedad de clientes; no todos necesitan tolerancias y precisiones tan estrictas como los demás
", dijo.

Un buen ejemplo de cómo la empresa ofrece variedad es su ATOS Core, un sistema básico. Puede
crecer en capacidad junto con las necesidades del propietario. Las aplicaciones de nivel de entrada, como la ingeniería inversa o la creación rápida de prototipos, según Capture3D, necesitan escanear sin la funcionalidad de inspección avanzada. Un kit completo de "nivel de entrada" incluye software que convierte datos de nubes de puntos en mallas poligonales con formato STL. El Core ofrece una ruta de actualización de la operación manual a la operación semiautomática que podría incluir la adición de sondas táctiles y fotogrametría para inspecciones de metrología de mayor calidad. El mismo dispositivo también se puede actualizar en última instancia a la automatización completa para las inspecciones de control de calidad industrial.

Pero GOM tampoco ha dejado de mejorar sus sistemas de gama alta. Sus últimas ofertas son las ofertas ATOS 5 y ATOS 5X, diseñadas para uso industrial e integración de mediciones en líneas de producción. Una de las claves para utilizar la luz estructurada en entornos hostiles es acortar el tiempo de captación, haciéndola menos sensible a las vibraciones y al ruido. Según la compañía, el ATOS 5 captura escaneos en 0,2 segundos (200 milisegundos) a 100 cuadros por segundo. Combinado con el sistema de automatización ATOS Scanbox, podría usarse para medir cierres de carrocerías de automóviles, paneles de instrumentos, álabes de turbinas de motores o piezas fundidas. Montado en robots en integraciones personalizadas, puede medir carrocerías completas, que son comunes en la fabricación de automóviles.

Variedad en fuentes de proyección

Para ampliar aún más la utilidad, el ATOS 5X más avanzado utiliza una fuente de luz mucho más brillante. “El ATOS 5X utiliza un compresor de luz láser integrado para proporcionar esa fuente de luz más brillante, que expande el volumen de medición”, explicó Stone. “Donde antes solo podíamos medir 700 mm, con esta nueva fuente ahora podemos medir hasta 1000 mm en el mismo tiempo. Solo toma 0.2 segundos por escaneo”. Técnicamente, sigue siendo luz estructurada y no utiliza la coherencia disponible en un láser para hacer interferometría; es un dispositivo de luz estructurada muy brillante pero estándar.

Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, R.I., también ha desarrollado en los últimos años una amplia gama de dispositivos de escaneo de luz estructurada. Se agrupan en dos tecnologías básicas, las que utilizan proyecciones de una sola diapositiva y las que utilizan proyecciones de franjas múltiples. Los sensores deslizantes simples enfatizan la velocidad y el uso en condiciones difíciles e incluyen el WLS qFLASH de Hexagon, el BLAZE 600 y el WLS 400.

“Estos sensores enfatizan la adquisición rápida de imágenes”, dijo Amir Grinboim, gerente de programas técnicos de Hexagon. Estos recopilan datos en promedio en 0.015 segundos o 15 milisegundos. La velocidad de recolección es importante, es lo que los hace ideales en entornos de taller de fábrica. "La filosofía es 'medir donde quieras'", dijo Grinboim.

La tecnología de proyección de franjas múltiples, por otro lado, es más lenta pero con mejor resolución. Estos incluyen las ofertas AICON de Hexagon. “Cuando tomamos una foto, la imagen se construye a partir de una secuencia de proyecciones. Y esas proyecciones son líneas que se proyectan en la pieza, y esas líneas se mueven y cambian de orientación junto con el proceso de adquisición de imágenes. Ese es un proceso relativamente largo”, explicó Grinboim, tomando en promedio 2 segundos para una sola recolección. “El objetivo no es la velocidad sino la calidad de la nube de puntos”.

Hexagon también utiliza un proyector DLP rojo/verde/azul (RGB) en su sensor más nuevo, el AICON StereoScan neo. El sensor también tiene una amplia gama de campos de medición, desde 75 mm hasta 1.100 mm. Esto se hace cambiando las lentes de la cámara o la longitud de la base. El tiempo de adquisición es de unos 2 segundos y el dispositivo puede equiparse con una cámara de 8 o 16 megapíxeles.

El proyector RGB DLP es ideal para aplicaciones en las que las medidas se pueden convertir en un mapa de color de las desviaciones en comparación con los valores nominales de CAD. Luego, estos se proyectan de nuevo en la parte que se acaba de medir.

“[Esto es] ideal para el trabajo de diseño, reelaboración de herramientas y para mostrar el material sobrante o insuficiente en la fundición. Todo esto puede ser visible para el ingeniero directamente en la pieza, sin referencia a una pantalla de computadora o un PDF”, explicó Grinboim.

Hexagon llama a esto Vea lo que mide, o SWYM. “Esto es ideal para medir y trabajar con piezas fundidas, forjadas o inyección de plásticos. Si tiene una pieza de geometría grande, nuestro software unirá automáticamente varias colecciones sin necesidad de objetivos de referencia en la pieza”, dijo.

Industrialización y Automatización

“Las aplicaciones populares [para escáneres de luz estructurada] incluyen herramientas heredadas para ingeniería inversa y aplicaciones aeroespaciales. Ambos comúnmente requieren tolerancias de mayor precisión que se adaptan al hardware ligero estructurado”, explicó Greg Groth, gerente de división de Exact Metrology, Brookfield, Wis. Exact Metrology ofrece servicios de medición y escaneo por contrato, soluciones de equipos de metrología, así como alquiler de hardware y software. Ofrece o utiliza dispositivos de metrología que van desde CMM de brazo portátil hasta escáneres CT de alta gama.

La empresa también utiliza sistemas de luz estructurada GOM ATOS. Estos incluyen ATOS II Triple Scan y ATOS III Triple scan, que Exact utiliza en su trabajo por contrato. Exact también distribuye AICON PrimeScan de Hexagon Manufacturing Intelligence.

La automatización se está convirtiendo en un uso generalizado de los dispositivos de luz estructurada. “Actualmente, el mundo de la automatización está adoptando la tecnología [de luz estructurada]. A medida que las células robóticas se vuelven más seguras y rentables en paralelo con el hardware cada vez más barato, la popularidad de la automatización en línea aumenta”, dijo Groth. "A medida que las velocidades de adquisición aumentan a subsegundos, eso abre un nuevo mundo de eficiencias de rendimiento".

También cree que las palabras de moda industriales actuales, como AI, Internet of Things y Big Data Analytics, están teniendo un efecto en la adopción de sistemas ligeros estructurados. “Un gran cambio es la retroalimentación dinámica, o un sistema en bucle. Por ejemplo, escanear el componente, compararlo con los datos CAD de la intención diseñada, retroalimentar esas discrepancias al proceso de fabricación y hacer los cambios adaptativos a las herramientas para hacer las piezas correctas”, dijo.

Ian Scribner, gerente de ventas de productos de escaneo 3D portátil de Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Brighton, Michigan, se hizo eco de este enfoque en la automatización en sus observaciones. "[La automatización es] donde la mayor parte del enfoque ha estado en los últimos dos años en la mejora de [nuestro] software para automatizar el hardware", explicó.

La historia de los sistemas de luz estructurada que ofrece Zeiss también tiene sus raíces en uno de los primeros fundadores del campo, la empresa Steinbichler. Zeiss adquirió la empresa y su tecnología hace unos años. La línea Zeiss COMET de sistemas de iluminación estructurada proviene de esta herencia, pero ahora muestra algunas mejoras exclusivas de Zeiss. Un ejemplo es el sistema Zeiss ABIS II utilizado para la detección de defectos superficiales. Es especialmente útil para medir superficies de carrocería de clase A en la fabricación de automóviles, nuevamente diseñado para usarse en la línea de producción o cerca de ella.

Otra de las ofertas más recientes de Zeiss es COMET Pro AE. El dispositivo se utiliza en las soluciones de automatización preempaquetadas de la empresa, los sistemas AIBox y AIBox flex. También ilustra otra tendencia que prevalece en los sistemas de luz estructurada de todos los proveedores:combinar diferentes tecnologías de metrología para mejorar la automatización y la precisión.

“COMET Pro AE está estrictamente dedicado a la automatización. Tiene un par de características adicionales, incluida la fotogrametría”, dijo Scribner. “Esto ayuda a capturar componentes más grandes más rápido y con mayor precisión. También tiene anillos de luz, que permiten a los usuarios escanear láminas de metal y brindar mejores detalles de características en orificios, correas o recortes de la lámina de metal”.

Los tiempos de recolección de COMET Pro AE dependen del tamaño de la pieza. Una carrocería de chapa, por ejemplo, tarda unos minutos. El resultado son decenas de millones de puntos con una precisión de 25 a 35 µm, según Scribner. De hecho, sus mayores éxitos en la historia reciente han sido en la automatización de la medición de piezas de chapa metálica.

Si bien el COMET Pro AE se ofrece como un dispositivo "en línea" útil para las inspecciones de lotes de muestra, Zeiss también ofrece una solución de luz estructurada para la inspección en línea con sus ofertas AIMax Inline y BestFit. La empresa los anuncia como buenos para trabajos de control de producción, reconocimiento de ubicación y control de calidad, incluida la guía de robots.

El dispositivo también puede generar puntos de escaneo convertidos en superficies con formato STL. “A menudo, el COMET AIMax está programado para buscar características específicas para realizar mediciones en línea”, dijo. Dado que es programable, evita las trampas de la medición dura, a un precio cada vez más asequible.

“Cada año hemos visto sistemas de luz estructurada como un grupo bajar de precio y aumentar en capacidad, abriendo nuevas aplicaciones”, dijo Scribner. El tamaño compacto del BestFit está habilitado por su tecnología de cámara única. Además, al reconocer el entorno hostil para el que están diseñados, ambos sensores exhiben estabilidad a alta temperatura a través de la compensación activa.

Asequibilidad y aplicaciones

Se avecinan grandes cambios en el mercado de los sistemas de visión, según Scott Green, director de software de 3D Systems Inc., Rock Hill, Carolina del Sur. "Habrá un gran cambio en el mercado de los sistemas de luz estructurada de alta resolución", dijo. dijo.

La empresa ofrece una amplia gama de productos, desde impresoras 3D hasta dispositivos hápticos de retroalimentación de fuerza, incluida una línea de sistemas de metrología de luz estructurada. El cambio en los sistemas de luz estructurada se producirá debido a la caída de los precios de los dispositivos incluso cuando la calidad y la cobertura de escaneo aumenten, según Green.

“Estos son [sistemas] que pronto se pueden comprar con tarjeta de crédito. Hoy, incluso, hay sensores de luz estructurada de muy bajo costo y alta calidad que se venden por menos de $10,000”, dijo, muy lejos de los sistemas originales de más de $100,000 que se introdujeron originalmente en el mercado. 3D Systems ofrece lo que denomina un escáner de grado industrial:Capture y una versión más pequeña, Capture Mini. Otro dispositivo portátil también utiliza luz estructurada para mediciones rápidas de artículos pequeños.

¿Cómo es esto posible? Estos sistemas necesitan fuentes de luz de alta calidad y precisión y patrones de proyección precisos. Las cámaras necesitan capturar imágenes nítidas de hasta 16 megapíxeles de tamaño. Hay un software y unas matemáticas muy sofisticados que intervienen en la obtención de los datos de esos componentes. Décadas de refinamiento están haciendo que el software y los algoritmos sean más sofisticados. Sin embargo, mantiene que los sistemas son en esencia... simples. “Un sistema de luz estructurada consiste básicamente en dos cámaras y un proyector”, dijo, con una computadora y un software.

El mercado de consumo general está impulsando la curva de costo y calidad en esos componentes. La informática a este nivel se está volviendo casi gratuita. Los teléfonos inteligentes producidos en masa y las cámaras de consumo significan que las cámaras digitales y las fuentes de luz avanzan rápidamente.

“Los componentes funcionales, los componentes reales de la construcción de un sensor de luz estructurado se están volviendo mucho más asequibles”, dijo Green. "Así que se ve un cambio a la baja en el costo de propiedad de ese tipo de luz estructurada de alta calidad a medida que los componentes internos se vuelven más disponibles y baratos".

Una vez que se reduzca el costo del hardware, dijo que aumentará la presión de los precios sobre el software que lo acompaña. Con la disminución del costo total de propiedad, eso abre el uso de los ahora económicos sistemas de luz estructurada en usos dedicados, según Green. Piense en la medición de la separación y el nivelado en la carrocería en blanco de un automóvil o en la inspección del 100 % de las características individuales en una celda de mecanizado mediante sensores individuales.

“Para las aplicaciones correctas, tendremos sensores mucho más inteligentes que estarán mucho más cerca del lugar de producción”, dijo. "El papel en el software de escritorio para esas aplicaciones será mucho más como un agregador de información".