Calibración de sistemas de triangulación láser basadas en cámaras Scheimpflug

Resumen

La mejora continua existente en todos los sectores de la economía actual, lleva a generar nuevos procesos, nuevos productos o nuevos conceptos. La industria manufacturera no difiere en este sentido y en los últimos años se han desarrollado nuevos materiales que aportan ventajas competitiva siendo más ligeros y más resistentes. La utilización de nuevos materiales implica problemas añadidos en el proceso de fabricación ya que pueden ocurrir problemas no previstos y producir piezas defectuosas. En el proceso de perfilado ocurren estos problemas y con el objetivo de mejorarlo surgió el proyecto europeo RFExpert, en el que se tratan diferentes aspectos para la mejora de este proceso. Uno de ellos es la medición dimensional mediante visión artificial de los perfiles. Estos tienen superficies o distancias a medir a diferentes alturas que se han de ver correctamente. Para medir se necesita una cámara con una amplia profundidad de campo (área en la que la imagen está enfocada) y un foco de luz láser. La luz láser aporta la información para poder triangular y obtener los puntos en tres dimensiones. Ampliar la profundidad de campo se consigue con las cámaras Scheimpflug que tienen el plano del sensor inclinado con respecto al plano de la lente. El sistema cámara Scheimpflug con láser ha de ser calibrado para poder obtener las mediciones realizadas en unidades métricas. Los modelos matemáticos de cámara tradicionales no contemplan la inclinación del sensor. Elaborando un modelo de cámara adaptado a las cámaras Scheimplug y un proceso de calibración específico, se pueden mejorar los resultados obtenidos con un modelo clásico. A su vez con un método que facilite la adquisición de puntos a lo largo de todo el plano láser se pueden obtener buenos resultados. Para el modelado matemático de las cámaras Scheimpflug se ha elaborado un modelo que contempla los ángulos de desviación que existen en este tipo de cámaras teniendo en cuenta dos grados de libertad basado en el modelo clásico pin-hole. El área de enfoque en las cámaras Scheimpflug tiene forma de cuña, con lo cual no se puede utilizar un patrón de calibración plano más ancho que esta cuña ya que los puntos que estén fuera están desenfocados. Se han analizado los diferentes patrones de calibración y se ha diseñado uno específico. Previo a la calibración del plano láser, se ha de detectar correctamente el pico de la línea láser. Objetos que tienden a ser especulares genera brillos y posibles saturaciones de los píxeles. Se ha desarrollado un algoritmo de detección de las líneas láser basado en la aproximación Gaussiana, adaptado para calcular con precisión el centro de la línea aun cuando ésta tiene algún píxel saturado. Al estar toda la longitud del plano láser enfocada se necesita un objeto de calibración que sea fácil de mover dentro del plano láser, aportando suficientes puntos de control para llevar a cabo la calibración. Se ha desarrollado un método de calibración basado en el vector normal del plano y la minimización de los errores de reproyección en el plano láser. Se han obtenido resultados tanto en simulación como con una cámara adaptada para añadirle aprox. un ángulo de 6º con respecto a la lente. Los resultado de simulación muestran que el nuevo modelo Scheimplug es equivalente al modelo pin-hole cuándo el ángulo de desviación del sensor es menor que 6º. Si este ángulo se incrementa, los errores de reproyección en el nuevo modelo se mantienen constantes, mientras que en el modelo pin-hole se incrementa el error casi exponencialmente. Las mediciones obtenidas con la cámara Scheimpflug se han comparado con las medidas realizadas por una máquina de medición por coordenadas. Logrando diferencias de tres centésimas con unas piezas especiales para medir la altura y de ocho centésimas en perfiles reales.