ES2287910T3 - Procedimiento y dispositivo de control por ombroscopia. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de control que incluye un órgano (9) de soporte, un emisor de luz (5), un receptor (6) de la luz del emisor y un brazo (8) con dos extremos opuestos en el que están montados el emisor (5) y el receptor (6), caracterizado porque incluye además una articulación doble y ajustable (13, 14) mediante la que está montado el brazo en el soporte, incluyendo la articulación dos ejes de rotación (y, z) perpendiculares entre sí y a una trayectoria principal (x) de la luz, entre el emisor y el receptor.

Description

Procedimiento y dispositivo de control por om-
broscopia.

El ámbito de esta invención es el control en metrología, y sus objetos son un procedimiento y un dispositivo de ombroscopia que pueden aplicarse a uniones de piezas, por ejemplo de tubos colocados unos a continuación de otros. Otras aplicaciones son perfectamente posibles.

Los controles iniciados pueden preceder a un trabajo de mecanizado y tener por objeto comprobar la posición de las piezas observadas, o iniciarse durante el trabajo con objeto de comprobar la correcta posición de la herramienta y la calidad del trabajo, por ejemplo el aspecto de un cordón de soldadura.

Una técnica conocida de control metrológico de una superficie sin control material con la misma consiste en proyectar un haz plano de láser hacia la superficie, y anotar la posición de la línea de intersección según la que se recoge en la imagen de una cámara. Este procedimiento muy extendido está sometido, sin embargo, a algunas limitaciones, especialmente en los procedimientos de soldadura, en los que se produce una luz importante mediante el baño de fusión, que puede hacer que no se distinga la del láser. Asimismo, aparecen dificultades para leer superficies en hueco, debido a reflejos entre las paredes y variaciones de densidad de rayos reflejados.

Otra técnica consiste en renunciar a una iluminación autónoma de la escena a controlar y en utilizar la luz producida por el baño de fusión para reconocer la imagen de la escena. Por supuesto, está limitada a los procedimientos de soldadura. La calidad de los resultados depende de la naturaleza de las piezas y los parámetros del procedimiento, que deben ser asimismo relativamente constantes. La elección de las condiciones de observación suele ser delicada, incluso imposible para conseguir buenos resultados. En estas dos técnicas conocidas, el inconveniente es la luz demasiado importante producida por el baño de fusión, pero sobre todo por el plasma (o la llama) inducida por el procedimiento, o producida por las herramientas llevadas a alta temperatura por la fuente de calor: por ejemplo la punta del electrodo para el procedimiento de soldadura TIG (soldadura con gas inerte y electrodo de tungsteno), el extremo del hilo fusible o la varilla para los procedimientos MIG (soldadura con gas inerte y metal) o MAG (soldadura con gas activo y metal), o el electrodo recubierto, así como las toberas de cerámica al rojo que aseguran un aporte de gas protector).

La invención pertenece a otra técnica, denominada de ombroscopia, en la que se suministra una iluminación autónoma de la escena controlada y se deduce el relieve de la escena observada de las sombras producidas por la luz autónoma en la imagen grabada por la cámara. La luz se proyecta entonces en una dirección sensiblemente tangente a la superficie a controlar. Esta técnica puede aplicarse a la observación de objetos opacos rodeados por una fuente muy luminosa, como el plasma de arco que ciega los detectores e impide una observación directa. Especialmente, el procedimiento permitirá, en el caso de procedimientos de soldadura, de recarga en materia de aporte de una junta soldada y en corte, reconocer las formas y posiciones de las piezas en su unión, la posición de la herramienta, el aspecto del cordón de soldadura y, especialmente, la cantidad de material depositado, la calidad de la humectación, la regularidad y las características del depósito de material (posición lateral, ángulo de penetración, tamaño y frecuencia de las gotas, etc.). Se podrán aportar correcciones al proceso en cuanto se hayan observado los fallos.

Los fundamentos de la ombroscopia se describen en una artículo de Allemand et al., publicado en el "Welding Journal" de enero de 1985, titulado "A method of filming metal transfer in welding arcs".

El documento JP 10 288588 A describe un dispositivo de inspección de soldaduras que incluye un órgano de soporte, un emisor de luz, un receptor de la luz del emisor, un brazo con dos extremos opuestos en el que están montados el emisor y el receptor, y una articulación simple mediante la que se monta el brazo en el soporte, incluyendo la articulación un eje de rotación perpendicular a una trayectoria principal de la luz entre el emisor y el receptor.

Un aspecto de la invención será crear un dispositivo de ombroscopia con láser u otra fuente de luz, como un diodo electroluminiscente, que pueda utilizarse en condiciones especiales de ensamblaje, en particular para detectar relieves huecos pronunciados, en condiciones de soldadura en un chaflán, por ejemplo.

Una forma general del dispositivo de control incluye un soporte, una fuente de luz, un receptor de la luz de la fuente y un brazo con dos extremos, en el que están montados la fuente y el receptor, caracterizado porque incluye asimismo una articulación doble y ajustable mediante la que se monta el brazo en el soporte, incluyendo la articulación doble dos ejes de rotación sensiblemente perpendiculares entre sí y a una trayectoria principal de la luz entre la fuente y el receptor. Se verá cómo esta disposición se presta a controles cómodos de superficies en relieve.

Un órgano de soporte de una herramienta, que efectúa un trabajo controlado por el dispositivo, puede ser montado en el soporte. La herramienta acompaña entonces al dispositivo de control, lo que se revela oportuno en numerosos procedimientos.

El brazo puede ser curvado entre los extremos, de manera a bien despejar la escena a observar, y la fuente y el receptor pueden estar dotados de dispositivos de reenvío de ángulo para la luz, dispuestos paralelos entre sí y perpendiculares a la trayectoria principal de la luz, lo que reduce el volumen del dispositivo. Otro tipo de perfeccionamiento que se puede aportar al dispositivo consiste en que, siendo la luz monocromática, el receptor incluye un filtro transparente a la luz y opaco a otras longitudes de ondas luminosas, una lente convergente, y un estenopo colocado en un foco de la luz generado por la lente. Se forma al mismo tiempo un filtro pasa banda y un filtro espacial cuyo interés común es eliminar la influencia de la luz ambiental producida, por ejemplo, por el baño de
fusión.

Otro aspecto de la invención es un procedimiento de control de una escena efectuado mediante el dispositivo anterior; consistente en colocar el dispositivo de manera que la trayectoria principal de la luz sea tangente a la escena a controlar, y en ajustar la orientación del brazo mediante ajustes de la articulación doble. En efecto, la detección de los relieves se altera debido a una mala orientación del dispositivo de ombroscopia; la invención se presta a sencillas correcciones de dicha orientación, según criterios simples cuyos ejemplos se mostrarán más adelante.

Una aplicación importante afecta a las uniones circulares, especialmente aquellas en relieve, de tubos alineados, estando orientados los tubos paralelos a un primero de los ejes de rotación; con frecuencia, los tubos giran por delante del dispositivo y el brazo está sometido a una rotación oscilante, por lo menos alrededor del primero de los ejes de rotación, con objeto de bien seguir el fondo del relieve. Pero el dispositivo puede girar asimismo alrededor de tubos fijos.

A continuación, se describe la invención con relación a las figuras, entre las cuales:

-la figura 1 muestra una vista general del dispositivo,

-la figura 2 muestra una representación detallada del sistema óptico,

-la figura 3 muestra una variante de realización,

-la figura 4 y la figura 5 ilustran aplicaciones de mediciones por medio del dispositivo.

El dispositivo representado en la figura 1 está destinado al control de la unión 1 en línea circular de dos tubos 2 y 3 unidos uno tras otro. La unión 1 está destinada a ser soldada por medio de una herramienta 4 que lleva a cabo un procedimiento cualquiera de soldadura. El dispositivo de control aquí tratado incluye un emisor 5 de luz y un receptor 6 de dicha luz, alineados a lo largo de una trayectoria principal 7 de la luz, sensiblemente tangente a los tubos 2 y 3 y que ilumina el área de la unión 1 en la que trabaja la herramienta 4, y que están sostenidos en los extremos de un brazo curvado 8 que pasa por encima de los tubos 2 y 3. El brazo 8 está sujeto por un órgano 9 de soporte fijado a una instalación 10 de soldadura no representada en detalle y que incluye también medios, asimismo no representados, para mantener los tubos 2 y 3 empalmados, permitiéndoles al mismo tiempo girar alrededor de su eje 11. La herramienta 4 está unida al órgano 9 de soporte mediante un soporte 12 de unión rígido, y el brazo 8 está unido al órgano 9 de soporte mediante una articulación doble compuesta por una primera articulación 13 paralela de eje y al eje 11 de los tubos 2 y 3, y de una segunda articulación 14 cuyo eje z está dirigido hacia la unión 1. Estos dos ejes de articulación son ambos perpendiculares o sensiblemente perpendiculares a la dirección x de la trayectoria principal de la luz 7. De este modo, una rotación alrededor de la primera articulación 13 hace variar la inclinación de la trayectoria principal 7 en la unión 1, y una rotación alrededor de la segunda articulación 14 hace variar el ángulo de la trayectoria principal 7 con el plano de la unión 1. Los movimientos de las articulaciones 13 y 14 son comandados por motores 15 y 16 que éstas contienen y que sirven asimismo para inmovilizarlas en posiciones deseadas. El comando puede efectuarse por parte de un observador o ser automático, por ejemplo si se realizan
barridos.

A continuación, pasamos a la figura 2 para una descripción más completa del sistema emisor y receptor de luz. Ésta es producida por un láser 17 y transportada por una fibra óptica 19 por medio de un acoplador de fibra 18. El extremo de la fibra 19 que está opuesto al láser 17 está fijado al extremo del brazo 8, mientras que el resto de la fibra 19 y el láser 17 pueden estar fijos. La luz sale de la fibra óptica 19 en un haz ligeramente divergente y es reenviada en la trayectoria principal 7 tras haber sobrepasado un par de espejos de reenvío 20 y 21 sucesivos, una lente 22 de expansión que ensancha el haz y lo hace paralelo, y un vidrio protector 23. Tras haber iluminado una porción de la unión 1 y el extremo de la herramienta 4, la luz alcanza un segundo vidrio protector 24, y una lente convergente 25, un segundo par de espejos 26 y 27 de reenvío, un estenopo 28 colocado en un foco del haz convertido en convergente por la lente 25, otra lente 29 después del foco, que convierte de nuevo el haz en paralelo, un filtro interferencial o un filtro pasa banda 30 y un detector 31, como un cámara de observación. Los últimos medios mencionados, a partir del segundo vidrio protector 24, pertenecen al receptor 6, mientras que los primeros medios pertenecen al emisor 5. Como se ha visto para el emisor 5, algunos de los medios del receptor 6 pueden convertirse en fijos utilizando un acoplamiento con fibra óptica. Los espejos de reenvío 22, 23 y 26, 27 no son indispensables pero permiten no colocar el emisor 5 y el receptor 6 en alineación, con un volumen importante en la longitud del brazo 8, sino replegarlos contra la alineación de los tubos 2 y 3, bien paralelamente al eje 11, como se ha representado en la figura 2, bien en una dirección vertical, como se ha representado en la figura 3.

Una de las propiedades de este sistema óptico es dilatar el haz luminoso emitido por el láser 17 hasta una sección relativamente grande en la trayectoria principal 7 para que ilumine toda la escena a controlar, y reducirlo hasta el foco del estenopo 28 cuya función es la de un filtro espacial que detiene la mayor parte de la luz ambiente, que pasará así desapercibida y no perturbará la percepción de las sombras formadas por la luz del láser. El filtro interferencial o filtro pasa banda 30 permite retener únicamente para observación los rayos luminosos con la longitud de onda emitida por el láser 17 y suprimir asimismo una parte de la luz ambiente. Se consigue así, mediante dichos filtros, una visión conveniente de la escena a controlar, incluso en presencia de una luz ambiente intensa producida por un baño de fusión o por el plasma o las herramientas llevadas a alta temperatura por medio de las fuentes de calor utilizadas para la soldadura.

A continuación, pasamos a la descripción de un procedimiento de control.

La figura 4 representa un perfil de unión que se puede observar en la aplicación descrita aquí, compuesto por generatrices 32 y 33 horizontales de los tubos 2 y 3, de una generatriz 34 horizontal de la unión 1 y de generatrices 35 y 36 oblicuas de chaflanes de forma cónica. Unos parámetros cuya medición se puede querer realizar son la distancia vertical entre las generatrices horizontales 32, 33 y 34 o la distancia horizontal entre las generatrices 35 y 36, en función de la altura, es decir la profundidad o la anchura de la unión 1. El reconocimiento del perfil depende mucho de la orientación del dispositivo de control y, especialmente, del sistema óptico. Así es como las intersecciones de los chaflanes cónicos con planos paralelos al eje de los tubos son hipérbolas 39. Como se muestra en el esquema de la figura 4, la distancia entre los chaflanes se percibirá con una anchura L distinta según la orientación de los rayos de observación, la distancia L_{0}, apareciendo la mayor (correspondiente a la distancia real y que se quisiera medir) cuando la observación es perpendicular al eje de los conos. Por ello, se recomienda que, por lo menos periódicamente, el sistema realice un recorrido de los movimientos oscilantes alrededor de la segunda articulación 14, con el fin de ajustar y reajustar la dirección de apunte.

Asimismo, es manifiesto que la estimación de la profundidad de la unión 1 depende de la inclinación de la dirección de apunte. Especialmente en el caso de un trabajo en una línea circular como la unión 1, convendrá someter con regularidad al sistema óptico a un movimiento oscilante alrededor de la primera articulación 13. Esto es especialmente necesario en el caso de un cordón de soldadura que se establece retirado de la superficie primitiva de la unión 1, como se ilustra en la figura 5, donde la superficie superior del cordón de soldadura lleva la referencia 37. El mantenimiento de una trayectoria principal 7 de la luz en una inclinación constante sólo permitiría medir la arista 38 de la unión 1 que sobresale por encima del baño de fusión. Unas variaciones de inclinación periódicas que proporcionaran una nueva trayectoria principal 7' permitirían, por el contrario, dejar de observar la unión 1 primitiva, y observar el propio cordón de soldadura 37, proporcionando por lo tanto una información más útil sobre el estado del ensamblaje
soldado.

Se puede sustituir el láser por otra fuente luminosa (especialmente del tipo LED, diodo electroluminiscente). El interés del láser es que su energía luminosa está concentrada en una banda espectral limitada, que permite utilizar un filtro pasa banda estrecho que deja pasar la luz de láser y atenúa la iluminación parásita que cubre un espectro menos amplio. Por lo tanto, es suficiente una potencia del orden de algunos mW. Se selecciona además una longitud de onda de emisión tal que el plasma sea transparente para la misma. Con una fuente caracterizada por un espectro de emisión más ancho, se requiere una potencia luminosa más importante para conseguir el mismo nivel de contraste. Pero una potencia menor reduce la molestia o el riesgo ocular para un observador involuntario.

Claims (9)

1. Dispositivo de control que incluye un órgano (9) de soporte, un emisor de luz (5), un receptor (6) de la luz del emisor y un brazo (8) con dos extremos opuestos en el que están montados el emisor (5) y el receptor (6), caracterizado porque incluye además una articulación doble y ajustable (13, 14) mediante la que está montado el brazo en el soporte, incluyendo la articulación dos ejes de rotación (y, z) perpendiculares entre sí y a una trayectoria principal (x) de la luz, entre el emisor y el receptor.

2. Dispositivo de control, según la reivindicación 1, caracterizado porque incluye un soporte (12) de una herramienta (4), que efectúa un trabajo controlado mediante el dispositivo, en el órgano (9) de soporte.

3. Dispositivo de control, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el brazo (8) está curvado entre sus extremos.

4. Dispositivo de control, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el emisor (5) y el receptor (6) están dotados de dispositivos (20, 21, 26, 27) de reenvío de ángulo para la luz, dispuestos paralelos entre sí y perpendiculares a la trayectoria principal (7) de la luz.

5. Dispositivo de control, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la luz es monocromática, y el receptor incluye un filtro (30) transparente a la luz y opaco a otras longitudes de onda luminosas, una lente convergente (25), y un estenopo (28) situado en un foco de la luz generado por la lente.

6. Dispositivo de control, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el emisor de luz es un diodo electroluminiscente.

7. Procedimiento de control de una escena efectuado por medio del dispositivo, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque consiste en colocar el dispositivo de manera que la trayectoria principal (x) de la luz sea tangente a la escena a controlar, y en ajustar la orientación del brazo mediante ajustes de la articulación do-
ble.

8. Procedimiento de control, según la reivindicación 7, caracterizado porque se aplica a una unión (1) circular, especialmente en relieve, de tubos alineados (2, 3), estando orientados los tubos paralelos a un primero (y) de los ejes de rotación.

9. Procedimiento de control, según la reivindicación 8, caracterizado porque los tubos son giratorios, y el brazo está sometido a una rotación periódica oscilante, por lo menos alrededor del primero de los ejes de rotación.