FORO «OPORTUNIDADES Y APLICACIONES DE LA VISION POR COMPUTADOR 3D» Alberto Mendikute Gestor de Línea de Inspección y Medida amendikute@ideko.

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1 FORO «OPORTUNIDADES Y APLICACIONES DE LA VISION POR COMPUTADOR 3D» Alberto Mendikute Gestor de Línea de Inspección y Medida amendikute@ideko.es

2 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN - Motivación industrial - Innovación propuesta 2. NUEVO PROCESO DE ALINEACION - Medición fotogramétrica de pieza en bruto - Decodificación automática de geometría final - Cálculo automático de alineación óptima - Medidor por visión integrado en máquina 3. CONCLUSIONES 2

4 MOTIVACION INDUSTRIAL - Sectores: aeronáutico, ferrocarril, eólico, bienes de equipo,... - Tendencia: fabricación de piezas de grandes dimensiones - Componentes elevado valor añadido: bujes, consola, bogies, etc. INTRODUCCIÓN Problemática común - Procesos de fabricación con máximas exigencias de fiabilidad (coste) - Procesos de alineación de pieza en bruto en máquina: crítico! Necesidad garantizar adecuado reparto de sobremateriales. - Tiempos de alineación elevados, del orden del propio tiempo de mecanizado 4

5 INTRODUCCIÓN PROCESO DE ALINEACION DE PIEZA EN MAQUINA 1 - Medición de la geometría de la pieza en bruto. 2 - Encaje de pieza en bruto sobre pieza final (reparto sobrematerial), y toma de puntos de referencia sobre pieza (trazado). 3 - Colocación de pieza en útil y/o máquina por medición de puntos de referencia.

6 INTRODUCCIÓN PROCESO DE ALINEACION DE PIEZA EN MAQUINA Trazado en gramil

7 INTRODUCCIÓN Procesos de alineación: Etapas y Limitaciones actuales Etapas Solución actual Limitaciones - Medición pieza en bruto - CMMs, gramiles, lásertracker, etc. - Tamaño pieza limitado - Elevados tiempos medida - Encaje de pieza final en pieza en bruto - Cálculo de cotas óptimas de puntos de referencia sobre la pieza en bruto - Alineación de pieza en útil y/o en máquina - Volteo y re-alineación - Software metrológicos sin algoritmos de ajuste adecuados (best-fit) - Ajuste manual según cotas de plano (CAD) y cotas de pieza bruto - Alineación guiada por toma de puntos de referencia sobre pieza en bruto y/o sobre mecanizados previos - Uso de sistemas de medida integrados en máquina (palpadores) - Tiempos elevados - Carácter manual: errores - Eficacia (criterios de ajuste) sujeta a experiencia personal - Tiempos de medida elevados - Baja flexibilidad y elevado coste: útiles específicos para cada tipo de pieza, necesidad accesibilidad para medida sobre mecanizados previos

11 INTRODUCCIÓN Proceso de alineación de piezas de grandes dimensiones Etapas Solución actual Limitaciones - Medición pieza en bruto - CMMs, gramiles, lásertracker, etc. - Tamaño pieza limitado - Elevados tiempos medida - Encaje de pieza final en pieza en bruto - Cálculo de cotas óptimas de puntos de referencia sobre la pieza en bruto - Alineación de pieza en útil y/o en máquina - Volteo y re-alineación - Software metrológicos sin algoritmos de ajuste adecuados (best-fit) - Ajuste manual según cotas de plano (CAD) y cotas de pieza bruto - Alineación guiada por toma de puntos de referencia sobre pieza en bruto y/o sobre mecanizados previos - Uso de sistemas de medida integrados en máquina (palpadores) - Tiempos elevados - Carácter manual: errores - Eficacia (criterios de ajuste) sujeta a experiencia personal - Tiempos de medida elevados - Baja flexibilidad y elevado coste: útiles específicos para cada tipo de pieza, necesidad accesibilidad para medida sobre mecanizados previos Baja flexibilidad y eficiencia en los procesos actuales

12 INTRODUCCIÓN INNOVACION: Nuevos procesos basados en tecnología óptica (visión 3D) Etapas Nueva solución Beneficio - Medición pieza en bruto - Medición por visión 3D: Fotogrametría - Tamaño pieza no limitado - Menores tiempos medida - Encaje de pieza final en pieza en bruto - Cálculo de cotas óptimas de puntos de referencia sobre la pieza en bruto - Alineación de pieza en útil y/o en máquina - Volteo y re-alineación - Decodificación automática de geometría final desde programa CAM - Cálculo automático de alineación, basado en algoritmos que garanticen reparto óptimo de sobrematerial - Alineación guiada por toma de marcadores de referencia sobre pieza (de baja y alta precisión) - Uso de sistemas de medida por visión 3D integrados en máquina - Automatización - Fiabilidad - Reducción de tiempos - Menores tiempos de medida - Mayor flexibilidad y reducción coste: evitar útiles específicos para referencias tras volteo, máxima accesibilidad marcadores de referencia

16 INTRODUCCIÓN INNOVACION: Nuevos procesos basados en tecnología óptica (visión 3D) Etapas Nueva solución Beneficio - Medición pieza en bruto - Medición por visión 3D: Fotogrametría - Tamaño pieza no limitado - Menores tiempos medida - Encaje de pieza final en pieza en bruto - Cálculo de cotas óptimas de puntos de referencia sobre la pieza en bruto - Alineación de pieza en útil y/o en máquina - Volteo y re-alineación - Decodificación automática de geometría final desde programa CAM - Cálculo automático de alineación, basado en algoritmos que garanticen reparto óptimo de sobrematerial - Alineación guiada por toma de marcadores de referencia sobre pieza (de baja y alta precisión) - Uso de sistemas de medida por visión 3D integrados en máquina - Automatización - Fiabilidad - Reducción de tiempos - Menores tiempos de medida - Mayor flexibilidad y reducción coste: evitar útiles específicos para referencias tras volteo, máxima accesibilidad marcadores de referencia Incremento eficiencia y flexibilidad

17 INTRODUCCIÓN

19 Medición de pieza en bruto - Fotogrametría

20 Medición de pieza en bruto - Fotogrametría Objetivo: Caracterización geométrica de de pieza en bruto, a través de medición de las coordenadas 3D de un conjunto de puntos suficiente sobre cada una de las entidades a mecanizar (planos, círculos, etc.) Procedimiento de medida - marcado de pieza (codificados y no codificados) - crucetas de referencia, barra patrón - sacar fotos (cámaras digitales) - procesamiento en PC con algoritmos propietarios - precisión: 5 micras + 5 micras/metro Beneficio - reducción tiempo de medida - facilidad: marcado y sacar fotos - medición de zonas de difícil accesibilidad

21 Medición de pieza en bruto - Fotogrametría Ejemplo: medición de pieza en bruto previa a operación de fresado (caso piloto) Entidades geométricas a mecanizar (planos y cilindros) Cruceta referencia Marcadores no codificados Marcador codificados Barra patrón

22 Medición de pieza en bruto - Fotogrametría Geometría de medida y método de resolución - Minimización LSM de errores de reproyección de coordendas de marcadores en imagen - Bundle adjustment (Gauss-Newton): ajuste conjunto de coordenadas marcadores y extrínsecos cámara, e intrínseco común modelo cámara Autocalibración en proceso - Eficiencia numérica de la solución implementada

23 Medida pieza piloto Medición de pieza en bruto - Fotogrametría

24 Medida pieza piloto: evaluación precisión Medición de pieza en bruto - Fotogrametría D3X (24Mp), 24 mm Ajuste fotogramétrico: < 1 seg./imag. Precisión (error LME según VDI3624): 0.1 mm / 1 m (1/10.000) Autocalibración intrínsecos: < 30 seg.

25 Medida piezas objetivo (Goimek) Medición de pieza en bruto - Fotogrametría

26 Medida piezas objetivo (Goimek) Medición de pieza en bruto - Fotogrametría

27 Medida piezas objetivo (Soraluce) Medición de pieza en bruto - Fotogrametría

28 Decodificación automática de geometría final

29 Decodificación automática de geometría final Objetivo: Obtención de geometría de entidades de pieza final a obtener tras mecanizado, usando la información disponible en las trayectorias de mecanizado de programas estándar (CAM) Planos CAD, Programas ISO: gran cantidad de información no relevante, diferentes formatos estándar Extracción de superficies por las trayectorias de acabado y la geometría de herramienta Programas CAM: información pre-procesada con información justa y suficiente, formato estándar y único Beneficios - Solución más universal y automatizada - Caracterización no sujeta a interpretación subjetiva - Rapidez

30 Decodificación automática de geometría final Ejemplos decodificación de geometría final desde CAM Goimek Soraluce Diferenciación de dos tipos de superficies: - superficies a mecanizar, sobre las que se debe garantizar sobrematerial mínimo - superficies de procesos previos (referencia) que no se deben mecanizar

31 Cálculo automático de alineación óptima

32 Cálculo automático de alineación óptima Objetivo: - Asociación automática de puntos medidos de pieza en bruto a cada entidad geométrica de pieza final. - Encaje automático de pieza final en la geometría de pieza en bruto, garantizando una distribución de sobremateriales óptimo que garantice: existencia de sobrematerial sobre todas las entidades a mecanizar, una distribución óptima para minimizar tiempos de mecanizado. Ejemplo 2D Entidades de pieza final y puntos medidos de pieza en bruto Asociación automática de cada punto medido a entidad de pieza final Ajuste de distribución de sobremateriales (ejemplo 2D: 2 desplazamientos y 1 giro)

33 Cálculo automático de alineación óptima Método de registro específico para la aplicación - Minimización de desviación estandar de distancias de puntos a entidades - Búsqueda de distribución positiva y homogénea - Resolución LSM por Gauss-Newton, incorporando restricciones de Lagrange

34 Cálculo automático de alineación óptima Ejemplo: encaje de geometría final en pieza en bruto Goimek Algoritmo en encaje: LSM sujeto a restricciones, resuelto por G-N Soraluce - Encaje con distribución óptima sobremateriales - Diagnóstico de pieza no mecanizable superficie(s) sin sobrematerial mínimo

35 Cálculo automático de alineación óptima Caso de pieza mecanizable selección de marcadores de referencia y cálculo de las coordenadas máquina correspondientes

36 Medidor por visión integrado en máquina

37 Medidor por visión integrado en máquina Objetivo: Colocación de pieza en máquina en su posición y alineación óptima, tomando como referencia a marcadores codificados. Proceso - Medición de posición marcadores de referencia en coordenadas máquina - Determinación de desviación respecto a coordenadas de alineación óptima - Cálculo de giros para corrección alineación y actualización automática de decalaje - Repetición de proceso de medición y corrección de posición y alineación en máquina Medidor de marcadores de referencia - sistema de medida por visión integrado en máquina - novedad: uso de única cámara - 100% wireless (comunicación y alimentación) - CNCs Siemens / Heidenhain Beneficios - Reducción tiempo medida - Universalidad: selección libre de referencias

38 Medidor por visión integrado en máquina Proceso de medida estereométrica para localización de marcadores de referencia de coordenadas máquina Geometría de medidor estereométrico integrado en cabezal Ejemplo de proceso de medición con 2 fotos sobre los marcadores, indicando localización de cámara en máquina (xc,yc,zc) para cada imagen.

39 Medidor por visión integrado en máquina Autocompensación de incertidumbre montaje medidor en máquina: - Geometría medida con imágenes desde posiciones redundantes - Medida posicionamiento de giro en montaje y compensación

40 Medidor por visión integrado en máquina Evaluación experimental incertidumbre de medida: - Repetitividad del orden de mm, y mm/m Medición de repetitividad de posicionamiento/giro: IT=6.65mm/m

42 CONCLUSIONES Resultados Se ha desarrollado nuevo procedimiento de medición, ajuste y colocación de piezas en máquina, basado en sistemas de medida ópticos (EP ), con las siguientes etapas: 1) Medición fotogramétrica de pieza en bruto (precisión: 0.1 mm en 1 m) 2) Decodificación automática de geometría final desde programa CAM 3) Cálculo automático de alineación óptima Uso marcadores de referencia ópticos 4) Alineación de pieza con medidor estereométrico (precisión: 0.1 mm) Reducciones de tiempo de hasta un 70%!!! Evaluación incertidumbre de medida conjunta del sistema de visión 3D (VDI3624) sobre caso piloto

43 CONCLUSIONES Líneas de mejora Procesos de medida de incertidumbre controlada frente a dependencia con número de imágenes y geometría ray-net fotogramétrico Desarrollo de nuevos modelos de predicción analítica en proceso de la incertidumbre de medida (elipsoides de incertidumbre), para disponer de utilidades de guiado en proceso ej.: medida estereométrica de grid 10 x 10 (montecarlo vs prediccón analítica)

44 CONCLUSIONES Siguientes pasos Implementación industrial en usuarios finales sacar partido de sus ventajas Ejemplos de aplicaciones objetivo: mecanizado de piezas de grandes dimensiones Máquinas-herramienta: fresadoras, tornos, etc. Grandes piezas: eólico (buje, bastidor), ferrocarril (bogie), aeronáutica, bienes de equipo (calderería, etc.), etc. Nuevos desarrollos: Utillajes inteligentes para alineación 100% automatizada Medidor por visión para alineación en útil fuera de máquina

45 MUCHAS GRACIAS!