Soluciones avanzadas de visión estructurada para manufactura de precisión

Los proveedores entregan sensores variados para igualar las necesidades y presupuestos de usuarios industriales. A medida que los precios bajan y la capacidad crece, la pregunta es: ¿cuál es la próxima mejor aplicación?

Los sistemas de luz estructurada miden superficies proyectando un patrón de franjas, luego usando cámaras y software sofisticado para convertirlas en nubes de puntos de datos de metrología. La precisión puede alcanzar micras de un dígito sobre 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. Aunque la mayoría siguen siendo configuraciones estéreo de dos cámaras, algunos usan configuraciones de una sola cámara para despliegue más flexible, especialmente cerca de líneas de producción. Más despliegues y más aplicaciones son las señas de identidad de la industria.

Uno de los pioneros en el campo fue GOM, una empresa que ahora expande las opciones en su línea ATOS de sistemas de luz estructurada. "En el pasado, todos miraban los sensores ATOS como el escáner de alta gama pero caro. Pero ahora [GOM] ofrece una línea completa de escáneres de luz estructurada", dijo Frank Stone, gerente nacional de ingeniería de ventas para Capture 3D Inc., Santa Ana, Calif., un revendedor de valor añadido de sensores ATOS. "Reconocieron que para expandir el mercado tienes que entregar a una amplia variedad de clientes —no todos necesitan tolerancias y precisiones tan ajustadas como otros", dijo.

Un buen ejemplo de cómo la empresa ofrece variedad es su ATOS Core, un sistema de nivel de entrada. Puede crecer en capacidad junto con las necesidades del propietario. Aplicaciones de nivel de entrada como ingeniería inversa o prototipado rápido, según Capture3D, necesitan escaneo sin funcionalidad avanzada de inspección. Un kit completo de "nivel de entrada" incluye software que convierte datos de nube de puntos en mallas poligonales formateadas STL. El Core ofrece una ruta de actualización desde operación manual a operación semi-automatizada que podría incluir añadir sondas de tacto y fotogrametría para inspecciones de metrología de mayor calidad. El mismo dispositivo también puede actualizarse finalmente a automatización completa para inspecciones de control de calidad industrial.

Pero GOM no ha dejado de mejorar sus sistemas de alta gama. Sus últimos 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 usar luz estructurada en entornos hostiles es acortar el tiempo de captura, volviéndolo menos sensible a vibración y ruido. Según la empresa, el ATOS 5 captura escaneos en 0,2 segundos (200 milisegundos) a 100 fotogramas por segundo. Combinado con el sistema de automatización ATOS Scanbox, podría usarse para medir cierres de carrocería automotriz, paneles de instrumentos, álabes de turbina de motor o piezas fundidas. Montado en robots en integraciones personalizadas, puede medir carrocerías en blanco completas, que son comunes en fabricación automotriz.

Variedad en fuentes de proyección

Para expandir utilidad aún más, el más avanzado ATOS 5X usa una fuente de luz mucho más brillante. "El ATOS 5X usa un compresor de luz láser integrado para proveer esa fuente de luz más brillante, que expande el volumen de medición", explicó Stone. "Antes solo podíamos medir 700 mm, con esta nueva fuente ahora podemos medir hasta 1.000 mm en el mismo tiempo. Toma solo 0,2 segundos por escaneo." Técnicamente, esto sigue siendo luz estructurada y no usa la coherencia disponible en un láser para hacer interferometría —es un dispositivo de luz estructurada estándar pero muy brillante.

Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, R.I., también ha desarrollado en años recientes una amplia gama de dispositivos de escaneo de luz estructurada. Están agrupados en dos tecnologías básicas, las que usan proyecciones de franja única y las que usan proyecciones de franjas múltiples. Los sensores de franja única enfatizan velocidad y uso en condiciones hostiles e incluyen el WLS qFLASH de Hexagon, el BLAZE 600 y WLS 400.

"Estos sensores enfatizan adquisición rápida de imagen", dijo Amir Grinboim, gerente de programa técnico para Hexagon. Estos recopilan datos en promedio en 0,015 segundos, o 15 milisegundos. La velocidad de captura es importante —es lo que los hace ideales en entornos de planta de fábrica. "La filosofía es 'mide donde quieras'", dijo Grinboim.

La tecnología de proyección de franjas múltiples, por otro lado, es más lenta pero con mejor resolución. Estas incluyen las ofertas AICON de Hexagon. "Cuando tomamos una toma, 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 orientación junto con el proceso de adquisición de imagen. Ese es un proceso relativamente largo", explicó Grinboim, tomando en promedio 2 segundos para una sola captura. "El objetivo no es velocidad sino la calidad de la nube de puntos."

Hexagon también usa un proyector DLP Rojo/Verde/Azul (RGB) en su sensor más nuevo, el AICON StereoScan neo. El sensor también tiene un amplio rango de campos de medición, de 75 mm hasta 1.100 mm. Esto se hace cambiando lentes de cámara o la longitud base. El tiempo de adquisición es de unos 2 segundos y el dispositivo puede equiparse con cámara de 8 o 16 megapíxeles.

Lo que el proyector DLP RGB es ideal para son aplicaciones donde las mediciones pueden convertirse en un mapa de colores de desviaciones cuando se comparan con nominales CAD. Estos se proyectan de vuelta sobre la pieza que acaba de medirse.

"[Esto es] ideal para trabajo de diseño, retrabajo para utillaje, y mostrar material en exceso o en defecto en fundición. Todo esto puede ser visible para el ingeniero justo en la pieza, sin referencia a una pantalla de ordenador o un PDF", explicó Grinboim.

Hexagon llama a esto See What You Measure, o SWYM. "Esto es ideal en medición y trabajo con fundiciones, forjados o plásticos de inyección. Si tienes una pieza de geometría grande, nuestro software unirá automáticamente múltiples capturas sin necesidad de objetivos de referencia en la pieza", dijo.

Industrialización y automatización

"Aplicaciones populares [para escáneres de luz estructurada] incluyen utillaje heredado para ingeniería inversa y aplicaciones aeroespaciales. Ambas comúnmente requieren tolerancias de precisión más altas que atienden el hardware de luz estructurada", explicó Greg Groth, gerente de división para 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 usa dispositivos de metrología que van desde CMM de brazo portátil a escáneres CT de alta gama.

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

La automatización se está volviendo un uso principal de dispositivos de luz estructurada. "Actualmente, el mundo de la automatización está adoptando la tecnología [de luz estructurada]. A medida que las celdas robot se vuelven más seguras y rentables en paralelo al hardware volviéndose más barato, la popularidad de automatización en línea está subiendo", dijo Groth. "A medida que las velocidades de adquisición aumentan a subsegundo, eso abre un nuevo mundo de eficiencias de rendimiento."

También cree que las palabras de moda industriales actuales —como IA, Internet de las Cosas y Análisis de Big Data— están teniendo efecto en la adopción de sistemas de luz estructurada. "Un gran cambio es la retroalimentación dinámica, o un sistema en bucle. Por ejemplo, escanear el componente, comparar con los datos CAD de intención de diseño, retroalimentar esas discrepancias al proceso de fabricación, y hacer los cambios adaptativos al utillaje para hacer piezas correctas", dijo.

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

La historia de los sistemas de luz estructurada que Zeiss ofrece también traza sus raíces a uno de los primeros fundadores del campo, la empresa Steinbichler. Zeiss adquirió la empresa y su tecnología hace unos años. La línea COMET de sistemas de luz estructurada de Zeiss proviene de este patrimonio pero ahora muestra algunas mejoras únicas de Zeiss. Un ejemplo es el sistema Zeiss ABIS II usado para detección de defectos de superficie. Es especialmente útil en medición de superficies Clase A de carrocería en fabricación automotriz —de nuevo diseñado para uso en o cerca de la línea de producción.

Otra de las ofertas más recientes de Zeiss es el COMET Pro AE. El dispositivo se usa en las soluciones de automatización pre-empaquetadas de la empresa, AIBox y sistemas AIBox flex. También ilustra otra tendencia prevalente en sistemas de luz estructurada por todos los proveedores —combinar diferentes tecnologías de metrología para mejorar automatización y precisión.

"El COMET Pro AE está estrictamente dedicado a automatización. Tiene un par de características adicionales —incluyendo fotogrametría", dijo Scribner. "Esto ayuda a capturar componentes mayores más rápido y con mejor precisión. También tiene anillos de luz, que permiten a usuarios escanear chapa y proporcionar mejor detalle de características en agujeros o estrías o recortes de la chapa."

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

Mientras el COMET Pro AE se ofrece como dispositivo "at-line" útil para inspecciones de lote de muestra, Zeiss también ofrece una solución de luz estructurada para inspección en línea con sus ofertas AIMax Inline y BestFit. La empresa anuncia estos como buenos para aseguramiento de calidad, reconocimiento de ubicación y trabajos de control de producción, incluyendo guía de robot.

El dispositivo también puede emitir puntos de escaneo convertidos en superficies formateadas STL. "A menudo, el COMET AIMax está programado para buscar características específicas para hacer medición en línea", dijo. Dado que es programable, evita los inconvenientes de la medición dura, a un precio cada vez más asequible.

"Cada año hemos visto los sistemas de luz estructurada como grupo bajar de precio y subir en capacidad, abriendo nuevas aplicaciones", dijo Scribner. El tamaño compacto del BestFit es posible por su tecnología de una sola cámara. Además, reconociendo el entorno hostil para el que están diseñados, ambos sensores exhiben estabilidad a alta temperatura mediante compensación activa.

Asequibilidad y aplicaciones

Grandes cambios vienen al mercado de sistemas de visión, según Scott Green, director de software para 3D Systems Inc., Rock Hill, S.C. "Va a haber un cambio enorme en el mercado para sistemas de luz estructurada de alta resolución", dijo.

La empresa ofrece una amplia gama de productos, desde impresoras 3D a dispositivos de retroalimentación háptica de fuerza, incluyendo una línea de sistemas de metrología de luz estructurada. El cambio en sistemas de luz estructurada vendrá por la caída de precios de dispositivos incluso mientras calidad y cobertura de escaneo aumentan, según Green.

"Estos son [sistemas] que pronto se podrán comprar con tarjeta de crédito. Hoy, incluso, hay sensores de luz estructurada de muy bajo coste y alta calidad que se venden por menos de 10.000 dólares", dijo —muy lejos de los sistemas originales de más de 100.000 dólares introducidos en el mercado. 3D Systems ofrece lo que llama un escáner de grado industrial —el Capture y una versión más pequeña, el Capture Mini. Otro dispositivo portátil también usa luz estructurada para mediciones rápidas de artículos pequeños.

¿Cómo es 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 mucha matemática y software sofisticado que entra en sacar los datos de esos componentes. Décadas de refinamiento están haciendo el software y algoritmos más sofisticados. Sin embargo, mantiene que los sistemas son en esencia... simples. "Un sistema de luz estructurada es básicamente dos cámaras y un proyector", dijo, con un ordenador y software.

El mercado general de consumo está impulsando la curva de coste y calidad en esos componentes. La computación a este nivel se está volviendo casi gratis. Smartphones producidos en masa y cámaras de grado de consumo significan que cámaras digitales y fuentes de luz avanzan rápidamente.

"Los componentes funcionales, los componentes reales de construir un sensor de luz estructurada se están volviendo mucho más asequibles", dijo Green. "Así que ves un cambio descendente en el coste de propiedad para ese tipo de luz estructurada de alta calidad a medida que los componentes dentro de ella se vuelven más disponibles y baratos."

Una vez que el coste de hardware se reduce, dijo, la presión de precios en el software acompañante aumentará. Con el coste total de propiedad disminuyendo, eso abre el uso de los ahora económicos sistemas de luz estructurada en usos dedicados, según Green. Piensa en medir gap-and-flush en carrocería automotriz en blanco o inspección del 100% de características individuales en una celda de mecanizado por sensores individuales.

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