ES2259521B1 - Sistema mecanico-electronico para la medicion por laser del espesor de laminas en movimiento con correccion de perpendicularidad. - Google Patents
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Abstract
Sistema mecánico-electrónico para la medición por láser del espesor de láminas en movimiento con corrección de perpendicularidad. Consiste en un cabezal (1) en forma de "C", dos sensores láser (4) y (8) enfrentados, tres sensores sonar (3),(5) y (6) dispuestos en posición triangular y fijados al cabezal (1) mediante soporte (2), autómata de control y medios mecánicos para el posicionamiento del cabezal (1) según eje horizontal (x), eje vertical (y), eje rotacional (r) y eje angular (a), mediante los cuales se asegura la perpendicularidad del haz de los sensores láser (4) y (8) con respecto de la superficie del material (7) cuyo espesor (e) se desea medir.
Description
Sistema mecánico-electrónico
para la medición por láser del espesor de láminas en movimiento con
corrección de perpendicularidad.
El sistema estaría encuadrado en el sector
mecánico-electrónico con utilización de sensores y
más concretamente en sistemas para la medición de espesor de alta
precisión, sin contacto y en movimiento en líneas de producción de
bobinas de materiales tales como papel, acero, acero inoxidable o
cualquier otro que pueda ser presentado en laminas o enrollado en
bobinas.
Son conocidos sistemas de medición de espesor
que emplean palpadores mecánicos ya sean automáticos o manuales,
sensores láser, instrumentos basados en rayos-X, en
rayos-\gamma o cualquier otro tipo de fuentes
radioactivas sobre todo en entornos industriales y más concretamente
en líneas de producción de acero.
Pero cuando se requiere realizar una medida de
espesor de alta precisión, en modo continuo, sin detener el proceso
de producción, sin contacto y en entornos industriales, el uso del
sensor láser es ideal por su elevada precisión además de tener un
menor coste y un menor nivel de peligrosidad con respecto a los
sistemas de medida radioactivos indicados anteriormente.
El empleo de sensores láser no es tan fácil como
los fabricantes y suministradores sugieren ya que para obtener una
medida aprovechando la gran resolución del láser es necesario tener
en cuenta los factores que afectan a la precisión de la medida.
Entre otros podemos destacar los siguientes:
- \bullet
- Entorno industrial de la aplicación.
- \bullet
- La corta distancia focal del láser con respecto a la superficie de medida con el riesgo que implica un posible choque contra la pieza en movimiento.
- \bullet
- El ángulo de incidencia del haz láser.
- \bullet
- El tipo de superficie y acabado del material a medir.
- \bullet
- La no linealidad de los sensores láser.
- \bullet
- Efectos de dilatación.
Por lo tanto para que la medida realizada sea de
calidad es necesario que la superficie del objeto cuyo espesor se
desea medir este dentro del rango de medida o foco del sensor y
además que el ángulo de incidencia del láser sobre dicha superficie
sea lo más perpendicular posible asegurando la uniformidad en las
condiciones de la medida. Si además tenemos en cuenta que es
necesario realizar la medida del espesor de una lámina que se
encuentra en movimiento en la cual varían tanto el ángulo de entrada
como su altura se hace necesario un sistema de medida que realice
un seguimiento en cuanto a altura e inclinación se refiere para
aprovechar al máximo la resolución de la medida suministrada por el
láser.
Que se conozca, no existe ningún sistema que
permita realizar con alta precisión la medición del espesor con
corrección de perpendicularidad de una lámina de material en
movimiento empleando sensores de medición por láser.
Se trata de un sistema
mecánico-electrónico mediante el cual podemos
determinar el espesor de una chapa, por ejemplo, de acero que se
encuentra en movimiento y sometida a distintos esfuerzos de tensión
tanto laterales como longitudinales por parte de los rodillos
tractores. Ello provoca que la superficie del material a medir tenga
altura y ángulos variables. El sistema objeto de esta invención es
capaz de adaptarse a estas variaciones y mediante un conjunto de
sensores y elementos mecánicos asegura que la posición relativa de
la lámina y el soporte así como el ángulo de incidencia del haz de
luz láser sea lo más perpendicular posible, obteniendo con ello
unos mejores resultados.
Para realizar el seguimiento del material se ha
dotado al cabezal (1) de 4 grados de libertad, a saber:
- \bullet
- Movimiento de translación según eje (x) - es el encargado de acercar el cabezal (1) hacia el borde del material a medir (7).
- \bullet
- Movimiento vertical según eje (y) - se encarga de centrar el cabezal (1) para que ambos sensores láser (4) y (8) estén enfocados permanentemente dentro de su rango de medida.
- \bullet
- Movimiento angular o de cabeceo según eje (a) - se encarga de controlar el ángulo C formado por el haz de la luz láser y el plano de la superficie del material a medir (7).
- \bullet
- Movimiento rotacional o de balanceo según eje (r) - se encarga de regular el ángulo B de incidencia de la luz láser formado por el haz de la luz láser y el plano formado por la superficie del material a medir (7).
El sistema utiliza dos sensores láser (4) y (8)
de alta resolución. Cada sensor mide la distancia a cada superficie
de la lámina o pieza (7) cuyo espesor (e) se desea medir mientras
ésta se va desplazando entre dichos sensores. En la Fig.3 podemos
ver que si (d) es la distancia entre la pareja de sensores láser,
(x_{1}) es la distancia medida por el sensor (4) y (x_{2}) es la
distancia medida por el sensor (8), el espesor puede obtenerse a
partir de la siguiente expresión:
e = d - x_{1}
-
x_{2}
Además se utilizan 3 sensores de ultrasonidos
con una resolución inferior a la del láser pero que es suficiente
para suministrar información sobre la orientación del cabezal (1)
con respecto al material (7).
Estos sensores se han dispuesto en los vértices
de un triángulo equilátero de lado L de forma que su baricentro y
el punto de incidencia del láser sobre la lámina estén situados
sobre el mismo eje perpendicular al plano del triángulo. Si
expresamos por D_{1}, D_{2} y D_{3} las distancias entre los
sensores de ultrasonidos y el plano de la superficie (7), tenemos
que las relaciones geométricas que permiten determinar los ángulos
B, C y la distancia F entre el sensor láser y la superficie de
medida (7) son las siguientes:
ángulo \ B \ =
\ arcSeno \ ((D_{1}+D_{2})/2 \cdot
L)
ángulo \ C \ =
\ arcSeno \ ((2 \cdot D_{3}-(D_{1}+D_{2}))/(L \cdot
3^{1/2}))
distancia \ F
\ = \
(D_{1}+D_{2}+D_{3})/3
Por otra parte el soporte se mantiene a una
distancia constante del borde de la lámina mediante dos sensores o
fotocélulas de reflexión. Cuando una de ellas esta activada, es
decir, la barrera fotoeléctrica esta cortada por la lámina y la otra
no esta activada, es decir, la barrera fotoeléctrica no es cortada
por la lámina, entonces indica que el cabezal de medida esta
posicionado correctamente y que puede comenzar el proceso de
medida.
La Figura 1 es un esquema de los elementos que
intervienen en el sistema de la invención. Además muestra los 4
grados de libertad según eje (x) (movimiento horizontal), según eje
(y) (movimiento vertical), según eje (a) (movimiento angular) y
según eje (r) (movimiento rotacional) otorgados al cabezal de
medida (1).
La Figura 2 muestra los ángulos B y C del haz de
luz láser y además la distancia F de dicho sensor con respecto a la
superficie de medida.
La Figura 3 muestra como se calcula el espesor
de una lámina de material empleando dos sensores láser.
La Figura 4 describe el mecanismo de seguimiento
del borde del material (7) cuyo espesor se desea medir.
El sistema láser de la invención se utiliza en
particular para medir el espesor de materiales (7) cuya
presentación final o de distribución sea en láminas y que se
desplaza a lo largo de una línea de producción.
El sistema comprende un cabezal de medida (1) en
el cual van montados dos sensores láser (4) y (8) además de tres
sensores sonar (3), (5) y (6) fijados al cabezal (1) mediante un
soporte (2).
El cabezal (1) dispone de elementos mecánicos
para lograr un posicionamiento perpendicular del haz láser con
respecto al plano de la superficie cuyo espesor se desea medir.
El conjunto del sistema mecánico se puede
dividir en 3 subconjuntos:
- \bullet
- Subconjunto que comprende el movimiento vertical o según eje (y) y además el movimiento de translación o según eje (x).
- \bullet
- Subconjunto de cabeceo o según eje angular (a).
- \bullet
- Subconjunto de balanceo o según eje rotacional (r).
Todos los movimientos realizados por el cabezal
(1) son implementados mediante motores gobernados por un autómata
de control industrial. Dicho autómata conoce siempre la posición
del cabezal en función de la información suministrada por los
sensores del sistema.
Para controlar el movimiento del cabezal (1)
según el eje (x) se emplean 2 sensores de barrera fotoeléctrica
para realizar un seguimiento permanente del borde de la lámina o
chapa de material (7) cuyo espesor se desea determinar. Mediante
estos sensores de barrera el cabezal (1) se posiciona siempre a una
distancia constante de dicho borde. El mecanismo es el
siguiente:
- Caso 1) (Figura 4 a). Si uno de los sensores está activo, es decir, la barrera fotoeléctrica es cortada por la lámina de material (7) y el otro sensor no está activado, es decir, la barrera fotoeléctrica no es cortada por la lámina (7), entonces el posicionamiento del cabezal de medida (1) es el correcto.
- Caso 2) (Figura 4 b). Si ninguno de los sensores de barrera está activo, entonces el autómata de control activa el motor correspondiente al eje (x) para acercar el cabezal (1) buscando el borde y entrar en el Caso 1.
- Caso 3) (Figura 4 c). Si ambos sensores están activos el cabezal (1) debe retirarse del borde de la lámina (7) hasta entrar en el Caso 1.
Para el movimiento vertical según el eje (y) se
utiliza un conjunto mecánico de husillos con tuerca además de 3
sensores que pueden ser, por ejemplo, de tipo inductivo, dos de
ellos en los extremos del recorrido como finales de carrera y un
tercero situado en el centro del recorrido y que se utiliza tanto
como posición de reposo como de partida del sistema mecánico.
Para el movimiento horizontal según el eje (x)
se ha optado por un sistema mecánico compuesto de poleas y correa
además de otros de 3 sensores inductivos, dos de ellos en los
extremos del recorrido como finales de carrera y un tercero situado
en el centro del recorrido y que se utiliza como posición de reposo
y de partida del sistema mecánico.
Para controlar el movimiento según el eje (a) y
el eje (r) se emplean 3 sensores sonar o de ultrasonidos. El
autómata de control actúa sobre dos motores de modo que la medida
suministrada por cada uno de los sensores sonar (3), (5) y (6) sea
la misma. Ello indicará una alineación perpendicular del haz láser
de los sensores (4) y (8) con respecto de la superficie de la
lámina.
Claims (1)
1. Sistema mecánico-electrónico
para la medición por láser del espesor de laminas en movimiento con
corrección de perpendicularidad, que contiene:
- a)
- dos sensores láser (4) y (8) enfrentados y montados sobre el cabezal (1), encargados de medir la distancia hasta cada una de las dos superficies de la lámina (7) cuyo espesor (e) se desea medir.
- b)
- tres sensores sonar (3), (5) y (6) situados en los vértices de un triángulo equilátero donde el baricentro del triángulo formado por dichos sensores coincide con el haz de luz de los sensores láser (4) y (8).
- c)
- dos sensores de barrera montados también sobre el cabezal (1) para asegurar un posicionamiento constante de dicho cabezal (1) con respecto del borde del material (7).
- d)
- un soporte (2) que une el cabezal (1) con los tres sensores sonar (3), (5) y (6) dispuestos en posición triangular.
- e)
- autómata de control y medios mecánicos, a través de los cuales, a partir de los datos de posición suministrados por los sensores láser (4) y (8) se asegura el correcto enfoque de dichos sensores y a partir de los datos de posición suministrados por los sensores sonar (3), (5) y (6) se asegura la perpendicularidad del haz de los sensores láser (4) y (8) con respecto de la superficie de la lámina (7) cuyo espesor (e) se desea medir.
- f)
- cabezal de medida (1) en forma de "C" que realiza un seguimiento continuo en tiempo real y preciso de la lámina cuyo espesor se desea medir y para ello dispone de movimiento según 4 ejes:
- \sqbullet
- Movimiento horizontal según eje (x) a partir de la información obtenida de los sensores de barrera para la aproximación del cabezal (1) hacia el borde de la lámina.
- \sqbullet
- Movimiento en altura según eje (y) a partir de la información obtenida de los sensores sonar (3), (5) y (6) junto con los sensores láser (4) y (8) para un enfoque correcto de los mismos.
- \sqbullet
- Movimiento en inclinación o rotacional según eje (r) y movimiento angular según eje (a), a partir de la información obtenida de los sensores sonar (3), (5) y (6) que permiten que el haz de luz de los sensores láser (4) y (8) siempre este orientado perpendicularmente con respecto a la superficie del material (7) cuyo espesor se desea medir.
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2005
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| Edigar S.A. "Sistema Automático de Adquisición de Medidas en Láminas de Acero" (SPINOLA et al.) 02.12.1996 (http://electrica. frba.utn.edu.ar/ electrotecnia/0797.pdf) * |
Also Published As
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