El uso de sistemas de visión artificial en la industria ha visto cómo recientemente ha sufrido un avance significativo. De los distintos tipos de visión, los sistemas basados en luz estructurada destacan por obtener medidas precisas de los objetos utilizando patrones de luz como, por ejemplo, líneas láser. En este sentido, el presente Trabajo Fin de Máster está orientado principalmente hacia el control de calidad en el sector de la automoción, centrándose en un sistema capaz de reconstruir objetos de revolución mediante una combinación clásica de cámara y láser y el principio de triangulaciónPara lograrlo, en primer lugar, se realizó un profundo estudio de las tecnología disponibles y su uso en determinadas aplicaciones según la precisión que se requiera, el nivel de detalle, el presupuesto disponible y el tipo de pieza y defectos a inspeccionar. Para el caso del presente TFM, se trataba de una pieza con cuatro tipos de defectos que requería control tridimensional. En un principio, se consideró la posibilidad de realizar este control con la pieza sobre una cinta transportadora, utilizando un encoder que enviara pulsos a la cámara para el disparo. Sin embargo, debido a problemas de presupuesto y a la dificultad de implementación por el tamaño requerido de la cinta, esta opción fue descartada, aunque sí que se llegó a esbozar un posible diseño. La mejor solución a este problema era intentar fabricar un sistema con menor coste y tamaño, asique se optó por un sistema de reconstrucción para objetos de revolución, en lugar de lineal. El problema era que en tal caso no se podría inspeccionar esta pieza en concreto, pero sí permitía aplicar de igual manera los mismos conocimientos de visión que en un sistema linealCon el tipo de tecnología necesaria en mente y conocido el sistema requerido, se diseñó y fabricó un primer prototipo que permitiese realizar varias pruebas para comprobar la factibilidad del sistema. Este primer prototipo fue clave para algunos puntos fundamentales como la elección de la cámara y su programación para capturar imágenes, diseño de elementos mecánicos, algoritmos de calibración de los parámetros intrínsecos, compra de un nuevo láser y su posterior validación, algoritmos para sincronizar la captura con el movimiento de la pieza y diseño del primer elemento de calibración para los parámetros extrínsecos. Aunque este primer prototipo sentó una firme base sobre la que continuar, lo cierto es que tenía algunos problemas importantes que no podían solucionarse sin considerar una solución radical. Como el sistema se sustentaba sobre perfiles de aluminio, los cuales se fijaban con escuadras, tornillos y tuercas, se generaban una gran cantidad de holguras del sistema que eran una desventaja grande que no iba a permitir ajustar todo el conjunto con la precisión requerida. Además, componentes clave como la mordaza, que aseguraba el movimiento en sincronía del motor con la pieza, estaban impresos en plástico y no apretaban como debía, lo que provocaba que la concentricidad entre la pieza y el motor no pudiera asegurarse. Como se explica en el capítulo 5, si la pieza no está concéntrica, entonces la precisión alcanzada por el sistema disminuirá en gran medida porque, además de un giro, se estaría generando un desplazamiento entre ambos ejes que no se estaría teniendo en cuentaTeniendo en cuenta los problemas detectados en el primer prototipo, se optó por una solución más robusta que aportase las soluciones necesarias, especialmente a la concentricidad entre pieza y motor. Por diseño, los tornos son elementos pensados precisamente para que pieza y mordaza giren concéntricos, asique la idea final consistió en la restauración de un torno antiguoTener un torno restaurado no garantizaba por sí sólo la concentricidad, por lo que fue necesario varios ajustes mecánicos y, más importante aún, la realización de las pruebas presentadas en el capítulo 5 hasta que finalmente se verificó que se estaba en condiciones de poder continuarEl siguiente reto a abordar era disponer de un elemento de calibración que capturase correctamente la transformación entre la imagen y las coordenadas tridimensionales del mundo. En primer lugar, se comenzó imprimiendo en 3D varias versiones del cilindro, pero se trataba de un proceso lento con un alto grado de derroche de material. Para agilizar el proceso y en busca siempre de un proyecto sostenible, se diseñó un nuevo tipo de cilindro con peldaños modulares. Este tipo de cilindro permitía que el proceso iterativo que suponía encontrar la mejor combinación de puntos para capturar esa transformación fuese mucho más rápido y sin necesidad de tirar material. Finalmente, en el capítulo 5 se llegó a una interesante conclusión sobre por qué el cilindro de calibración final, que contaba con pocos puntos, funcionaba mejor que otros con más puntos. Este proceso iterativo permitió entender aspectos fundamentales sobre el problema de mínimos cuadrados y homografía para la calibración de los parámetros extrínsecos del sistemaAunque en la mayoría de sistemas industriales se utilice un encoder para el sincronismo entre el movimiento de la pieza y su captura, para este TFM se decidió que un motor paso a paso sería igualmente capaz de asegurar una buena simultaneidad. Por tanto, otro punto importante consistía en reducir el número de grados por paso que en un principio daba el motor en el primer prototipo. En el capítulo 5 se explica cómo fue posible conseguir 0.1º por pasoSe pudo observar cómo la precisión variaba en función de la forma y el material de la pieza escaneada. En el caso de una pieza de material plástico, la precisión estaba entre 0.002 y 1.93 mm. En el caso de piezas metálicas la precisión fluctuaba entre los 0.62 y 3.86mm.En el capítulo 5 se realiza un análisis detallado de los resultados obtenidos, explicando las razones de esta variación entre las distintas formas y materiales y aportando posibles soluciones en el capítulo 6Palabras Clave: Visión, tridimensional, 3D, cámara, láser, torno, diseño, fabricación.Códigos UNESCO: 1203.05, 1203.06, 1204.10, 2209.9, 3311.01, 3311.11.
El uso de sistemas de visión artificial en la industria ha visto cómo recientemente ha sufrido un avance significativo. De los distintos tipos de visión, los sistemas basados en luz estructurada destacan por obtener medidas precisas de los objetos utilizando patrones de luz como, por ejemplo, líneas láser. En este sentido, el presente Trabajo Fin de Máster está orientado principalmente hacia el control de calidad en el sector de la automoción, centrándose en un sistema capaz de reconstruir objetos de revolución mediante una combinación clásica de cámara y láser y el principio de triangulaciónPara lograrlo, en primer lugar, se realizó un profundo estudio de las tecnología disponibles y su uso en determinadas aplicaciones según la precisión que se requiera, el nivel de detalle, el presupuesto disponible y el tipo de pieza y defectos a inspeccionar. Para el caso del presente TFM, se trataba de una pieza con cuatro tipos de defectos que requería control tridimensional. En un principio, se consideró la posibilidad de realizar este control con la pieza sobre una cinta transportadora, utilizando un encoder que enviara pulsos a la cámara para el disparo. Sin embargo, debido a problemas de presupuesto y a la dificultad de implementación por el tamaño requerido de la cinta, esta opción fue descartada, aunque sí que se llegó a esbozar un posible diseño. La mejor solución a este problema era intentar fabricar un sistema con menor coste y tamaño, asique se optó por un sistema de reconstrucción para objetos de revolución, en lugar de lineal. El problema era que en tal caso no se podría inspeccionar esta pieza en concreto, pero sí permitía aplicar de igual manera los mismos conocimientos de visión que en un sistema linealCon el tipo de tecnología necesaria en mente y conocido el sistema requerido, se diseñó y fabricó un primer prototipo que permitiese realizar varias pruebas para comprobar la factibilidad del sistema. Este primer prototipo fue clave para algunos puntos fundamentales como la elección de la cámara y su programación para capturar imágenes, diseño de elementos mecánicos, algoritmos de calibración de los parámetros intrínsecos, compra de un nuevo láser y su posterior validación, algoritmos para sincronizar la captura con el movimiento de la pieza y diseño del primer elemento de calibración para los parámetros extrínsecos. Aunque este primer prototipo sentó una firme base sobre la que continuar, lo cierto es que tenía algunos problemas importantes que no podían solucionarse sin considerar una solución radical. Como el sistema se sustentaba sobre perfiles de aluminio, los cuales se fijaban con escuadras, tornillos y tuercas, se generaban una gran cantidad de holguras del sistema que eran una desventaja grande que no iba a permitir ajustar todo el conjunto con la precisión requerida. Además, componentes clave como la mordaza, que aseguraba el movimiento en sincronía del motor con la pieza, estaban impresos en plástico y no apretaban como debía, lo que provocaba que la concentricidad entre la pieza y el motor no pudiera asegurarse. Como se explica en el capítulo 5, si la pieza no está concéntrica, entonces la precisión alcanzada por el sistema disminuirá en gran medida porque, además de un giro, se estaría generando un desplazamiento entre ambos ejes que no se estaría teniendo en cuentaTeniendo en cuenta los problemas detectados en el primer prototipo, se optó por una solución más robusta que aportase las soluciones necesarias, especialmente a la concentricidad entre pieza y motor. Por diseño, los tornos son elementos pensados precisamente para que pieza y mordaza giren concéntricos, asique la idea final consistió en la restauración de un torno antiguoTener un torno restaurado no garantizaba por sí sólo la concentricidad, por lo que fue necesario varios ajustes mecánicos y, más importante aún, la realización de las pruebas presentadas en el capítulo 5 hasta que finalmente se verificó que se estaba en condiciones de poder continuarEl siguiente reto a abordar era disponer de un elemento de calibración que capturase correctamente la transformación entre la imagen y las coordenadas tridimensionales del mundo. En primer lugar, se comenzó imprimiendo en 3D varias versiones del cilindro, pero se trataba de un proceso lento con un alto grado de derroche de material. Para agilizar el proceso y en busca siempre de un proyecto sostenible, se diseñó un nuevo tipo de cilindro con peldaños modulares. Este tipo de cilindro permitía que el proceso iterativo que suponía encontrar la mejor combinación de puntos para capturar esa transformación fuese mucho más rápido y sin necesidad de tirar material. Finalmente, en el capítulo 5 se llegó a una interesante conclusión sobre por qué el cilindro de calibración final, que contaba con pocos puntos, funcionaba mejor que otros con más puntos. Este proceso iterativo permitió entender aspectos fundamentales sobre el problema de mínimos cuadrados y homografía para la calibración de los parámetros extrínsecos del sistemaAunque en la mayoría de sistemas industriales se utilice un encoder para el sincronismo entre el movimiento de la pieza y su captura, para este TFM se decidió que un motor paso a paso sería igualmente capaz de asegurar una buena simultaneidad. Por tanto, otro punto importante consistía en reducir el número de grados por paso que en un principio daba el motor en el primer prototipo. En el capítulo 5 se explica cómo fue posible conseguir 0.1º por pasoSe pudo observar cómo la precisión variaba en función de la forma y el material de la pieza escaneada. En el caso de una pieza de material plástico, la precisión estaba entre 0.002 y 1.93 mm. En el caso de piezas metálicas la precisión fluctuaba entre los 0.62 y 3.86mm.En el capítulo 5 se realiza un análisis detallado de los resultados obtenidos, explicando las razones de esta variación entre las distintas formas y materiales y aportando posibles soluciones en el capítulo 6Palabras Clave: Visión, tridimensional, 3D, cámara, láser, torno, diseño, fabricación.Códigos UNESCO: 1203.05, 1203.06, 1204.10, 2209.9, 3311.01, 3311.11. Read More
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