ES2713149T3 - Dispositivo portátil para la medición sin contacto de objetos - Google Patents
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Abstract
Dispositivo portátil para la medición sin contacto de una magnitud, tal como el diámetro, de objetos alargados de pequeño y mediano tamaño, tal como alambres, barras o tubos, incluso en movimiento, que comprende: - un generador de haz de luz (1); - un primer elemento de desviación de haz de luz (2) dispuesto frontalmente con respecto al generador de haz de luz (1), una región de medición (3) dispuesta en la trayectoria del haz desviado por el primer elemento de desviación de haz de luz (2), y un segundo elemento de desviación de haz de luz (4), dispuesto en una posición opuesta con respecto al primer elemento de desviación (2), con el fin de desviar el haz de luz recibido desde el primer elemento de desviación de luz (2) en una dirección opuesta a la que se emite por el generador (1); - una lente de ampliación (5) configurada para recibir el haz de luz desde el segundo elemento de desviación de haz de luz (4) y para crear una imagen real del objeto (14); - un dispositivo de división de haz de luz (6) localizado cerca de un extremo de la lente (5) configurado para dividir el haz de luz de la imagen real en dos partes, formando cada parte una imagen respectiva del objeto (14) a medir; caracterizado por que el dispositivo portátil también comprende dos sensores de imágenes lineales (7.1, 7.2) provistos de elementos sensibles (píxeles) dispuestos linealmente; en el que las direcciones de alineación de los elementos sensibles en los planos de imagen respectivos definen unos ejes respectivos (s1, s2) diferentes entre sí; y en el que la medición de la cantidad de luz se produce a lo largo de dichos ejes (s1, s2), estando cada uno de dichos sensores de imágenes (7.1, 7.2) colocado en correspondencia con un plano de imagen respectivo golpeado por una de las dos partes de la división de haz de luz por el divisor de haz de luz (6) donde se forma una imagen respectiva del objeto (14), estando dichos sensores de imágenes (7.1, 7.2) configurados para detectar la cantidad de luz en diferentes puntos de su superficie y convertirla en cantidades eléctricas; - un primer circuito de adquisición de imágenes electrónico (8.1) conectado al primer sensor de imágenes lineal (7.1) y un segundo circuito de adquisición de imágenes electrónico (8.2) conectado al segundo sensor de imágenes lineal (7.2); estando cada circuito de adquisición de imágenes electrónico (8.1, 8.2) configurado para detectar la carga eléctrica acumulada en los diferentes puntos de los sensores de imágenes lineales correspondientes (7.1, 7.2) y para convertirla en una secuencia de valores numéricos; - unos componentes de procesamiento de imágenes electrónicos (9) configurados para determinar los valores (d1, d2) correspondientes a las respectivas longitudes de las regiones oscurecidas, a lo largo de dichos ejes diferentes (s1, s2), en los dos sensores (7.1, 7.2) y los valores (c1, c2) correspondientes a las posiciones centrales de las regiones oscurecidas en los ejes de colocación (s1, s2) de dichos sensores (7.1, 7.2), estando además dichos componentes de procesamiento de imágenes electrónicos (9) configurados para determinar el valor real del diámetro (D) del objeto (14) a partir de los valores (d1, d2, c1, c2) correspondientes a las longitudes y a las posiciones centrales de las regiones oscurecidas.
Description
DESCRIPCION
Dispositivo portatil para la medicion sin contacto de objetos
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un dispositivo portatil, tambien llamado micrometro optico, usado de manera manual para la medicion sin contacto de magnitudes, por ejemplo el diametro, de objetos alargados de tamano pequeno y mediano, tales como alambres, barras o tubos, incluso en movimiento.
La invencion tambien se refiere a un metodo para la medicion sin contacto de una magnitud de objetos alargados de tamano pequeno o medio que usa dicho micrometro optico portatil.
Antecedentes de la invencion
Durante las etapas de extrusion, estirado o esmaltado de alambres o barras cilmdricas, fabricadas de cualquier material, a menudo es necesario verificar que su diametro es compatible con las medidas deseadas. Para esta funcion, se conocen aparatos de luz laser o LED (diodo emisor de luz): pueden ser de tipos de escaneo (escaner laser, por ejemplo) o pueden usar sensores lineales (por ejemplo, CCD - dispositivo de carga acoplada o CMOS -metal complementario - semiconductor de oxido) para detectar y medir la sombra del producto a medir, que puede correlacionarse con la magnitud a medir.
Normalmente, estos aparatos no necesitan una colocacion exacta del objeto en el campo de medicion, pero es necesario que el eje del producto a medir se encuentre sustancialmente a 90° con respecto al plano de escaneo (escaner laser) o al eje del sensor lineal; cada cambio desde la perpendicular provoca errores de medicion que son directamente proporcionales al diametro e inversamente proporcionales al coseno del angulo entre el eje del producto y la perpendicular al plano de medicion.
Ademas, todos estos aparatos deben efectuar el promedio entre numerosas mediciones individuales (escaneados) con el fin de estabilizar la medicion y obtener valores de repetitividad en el orden de un micrometro o menos.
En tales aparatos, el alambre, o en general el producto a medir, normalmente en movimiento, entra en el campo de lectura del aparato que suministra la medicion necesaria. Estos aparatos estan todos conectados normalmente a la maquina que trabaja con el cable o la barra.
Los micrometros fijos son capaces de realizar controles de calidad mientras que el cable u otro producto cilmdrico avanza a velocidades considerables, del orden de 30 m/s. La lectura se realiza correctamente a pesar de la alta velocidad, que en sf misma no provoca errores de medicion y, en muchos casos, independientemente de la vibracion del producto. De hecho, siempre que, en promedio, el eje del producto se mantenga a 90° con respecto al plano de medicion, dicha vibracion induce errores que, en muchos casos, pueden minimizarse mediante la media simple (escaner laser) o mediante tecnicas de luz estroboscopica (micrometros con LED CCD, o CMOS).
Sin embargo, a veces, es necesario realizar este tipo de control de calidad en diferentes puntos de la lmea, o en diferentes lmeas. Esto implica el uso de diversos micrometros fijos y el consiguiente aumento de los costes de produccion y gestion de los diversos dispositivos de medicion.
[0009]Tambien se conocen aparatos inalambricos y portatiles, que utilizan laser o luz LED, con principios similares a los utilizados en los micrometros fijos, pero simplemente miniaturizados y alimentados por batenas. Sin embargo, estos funcionan correctamente solo en condiciones en las que la posicion y la orientacion relativas entre el objeto a medir y el dispositivo de medicion o micrometro sean ciertas, lo que no puede ser el caso cuando el micrometro se usa manualmente. Para superar este inconveniente, se utilizan dispositivos de grna para el cable, que requieren el contacto con el producto a medir; por lo tanto tales micrometros no pueden usarse para medir productos en movimiento o productos para los que el contacto ffsico puede alterar o danar el producto en sf.
Un micrometro movil se conoce, por ejemplo, con el nombre comercial de Lear Gun, en el que el objeto a medir se desliza sobre un prisma de plastico durante la etapa de lectura. Tambien se conoce un micrometro inalambrico, en el que la muestra a medir se traslada sobre pequenas ruedas de grna del cable.
Por lo tanto, los micrometros portatiles conocidos requieren, para una correcta alineacion de la muestra a medir, el contacto ffsico del alambre, o del producto en general, con las grnas antes mencionadas. En la practica, estos requisitos imposibilitan el uso de estos micrometros para medir el producto en movimiento durante la extrusion, el estirado y/o el esmaltado.
Tambien se conoce, en el estado de la tecnica, el uso de sensores de tipo CCD o CMOS con deteccion lineal o una matriz bidimensional para la lectura de la imagen. Los sensores lineales tipo CCD o CMOS solo realizan detecciones a lo largo de una lmea, por medio de una serie sucesiva de detecciones, hasta varios miles por segundo, con el fin
de obtener un valor unico despues de la media, con una alta velocidad de procesamiento. Los sensores bidimensionales de CCD o CMOS, o sensores de area, requieren capacidades de procesamiento y calculo mucho mas altas que un sensor lineal, ya que estan equipados con un numero mucho mayor de elementos sensibles (pfxeles) que una simple lmea de n elementos (normalmente n2), con el resultado obvio de tiempos de procesamiento muy largos.
El documento US 2002/0041381 A1, describe un aparato para la medicion optica sin contacto de un perfil, en el que la unidad de medicion optica se desarrolla en una direccion axial desde el punto de generacion de la fuente de luz hasta un divisor de haz sin que se someta a ningun cambio de direccion. La luz se genera por una fuente de LED que pasa a traves de una lente de colimacion de luz en un rayo paralelo. El rayo paralelo irradia el objeto a medir, lo que genera una parte de sombra mas alla del objeto de la medida. El rayo paralelo que llega desde el objeto se recolecta por una lente de recepcion e incide en un sensor de imagenes lineal a traves del divisor de haz y un primer diafragma. Ademas, la luz separada por el divisor de haz incide en el sensor de imagenes de superficie a traves de un segundo diafragma.
El diametro se mide mediante el procesamiento de los datos del sensor lineal, mientras que el fin del sensor de area es suministrar al usuario una imagen (silueta) del objeto cerca de la region de medicion, en cuya imagen se superpone una lmea de marcador y se muestra, correspondiente a la posicion real del sensor lineal; de esta manera, el usuario usa la lmea de marcador como una lmea de vision, para colocar el instrumento exactamente en correspondencia con la posicion a lo largo de la pieza donde se realizara la medicion. Este dispositivo es muy util (si no necesario) precisamente en los micrometres de luz LED y en los sensores lineales de CCD o CMOS, debido a que en estos instrumentos el haz de luz LED que “ilumina” el producto es muy extenso, tambien en una direccion ortogonal al plano de medicion, y esto hace que sea imposible conocer, con cierta precision, la posicion real de medicion en la pieza. Debena observarse que, por el contrario, los aparatos de escaneo laser proyectan una delgada “banda de luz” sobre la pieza a medir, en general luz roja, que identifica la posicion de medicion de una manera muy evidente (en realidad, es el haz de exploracion movil que, dada la persistencia de la imagen en el ojo humano, se ve como una “banda” de luz).
La combinacion de los dos sensores de imagenes de CCD de tipo lineal y con una matriz bidimensional implica largos tiempos de calculo debido a la cantidad de datos que el componente electronico de procesamiento de imagenes adquiere a partir de los sensores de imagenes, en particular, a partir del sensor de imagenes de CCD de matriz bidimensional. Ademas, ya que esta forma de realizacion de la medicion optica se desarrolla en una direccion axial, el aparato de medicion es necesariamente muy voluminoso.
El documento DE 43 08 082 A1, proporciona la emision de un haz de luz generada por un diodo de infrarrojos. Despues de pasar a traves de una lente, el rayo se desvfa mediante un primer elemento de desviacion de tal manera que pueda golpear el objeto en el interior del campo de medicion. El campo de medicion esta delimitado en un lado por el primer elemento de desviacion y en el otro lado por el segundo elemento de desviacion colocado especular con respecto al primer elemento de desviacion. De este modo, el haz de luz compuesto de luz y sombra alcanza una segunda lente y un unico sensor de imagenes de CCD de matricial bidimensional. En la solucion descrita en el presente documento, el aparato de medicion, equipado con un unico sensor de imagenes, puede usarse con la condicion de que haya contacto entre el cable o la barra y los sistemas de grna, para evitar desalineaciones entre el objeto a medir y el haz de luz. Ademas, en este caso tambien, el uso de un sensor de imagenes de CCD de matricial bidimensional implica mayores tiempos de procesamiento y calculo que un sensor de imagenes de CCD lineal. Por consiguiente, si por un lado esta solucion permite obtener un instrumento compacto y manejable para las mediciones en el campo, gracias a una configuracion que no se desarrolla en un solo eje como en el documento US'381, por otro lado implica un tiempo de procesamiento de imagenes mas largo y obliga al cable o producto a medir a estar en contacto con al menos un elemento de grna.
Se conoce ademas por el documento GB 2166236 A, medir el diametro de un objeto alargado mediante la medicion con dos camaras diferentes partes diferentes de la sombra proyectada por el objeto en un haz de luz. Ademas, a partir del documento US 5615014 A, se conoce la forma de medir las dimensiones de un hilo evaluando la sombra proyectada por el hilo usando dos camaras.
El fin de la presente invencion es obtener un micrometro portatil para medir realmente sin contacto elementos alargados, tambien en movimiento, capaz de resolver los problemas descritos anteriormente; en particular, el fin es obtener un micrometro portatil equipado con un sistema de compensacion tal que haga que la medicion sea virtualmente independiente del angulo del producto, con un tiempo de reaccion extremadamente rapido de tal manera que permita el uso manual del instrumento, tolerando las desalineaciones inevitables y las oscilaciones aleatorias derivadas de dicho uso.
El solicitante ha ideado, probado y realizado la presente invencion para obtener estos y otros fines descritos a continuacion.
Sumario de la invencion
La presente invencion se expone y caracteriza en las reivindicaciones independientes, mientras que las reivindicaciones dependientes describen otras caractensticas de la invencion o variantes de la idea inventiva principal.
De acuerdo con la presente invencion, el dispositivo de medicion comprende, tal como elementos esenciales, un generador de haz de luz, al menos un elemento de desviacion de haz de luz, una region de medicion, una lente, un dispositivo de division de haz de luz, dos sensores de imagenes lineales, dos circuitos de adquisicion de imagenes electronicos y un componente de procesamiento de imagenes electronico.
En una forma preferida de la realizacion, el micrometro comprende tambien una interfaz de usuario y, posiblemente, un acumulador electrico.
En una forma preferida de la realizacion, el generador de haz de luz, el al menos un elemento de desviacion de haz de luz, la lente, el dispositivo de division de haz de luz, los sensores de imagenes lineales, los circuitos de adquisicion de imagenes electronica, el componente de procesamiento de imagen electronico y el posible acumulador electrico estan montados en un cuerpo de soporte y estan protegidos externamente por una carcasa. En una forma preferida de la realizacion, la interfaz de usuario puede conectarse a la carcasa.
En una forma ventajosa de la realizacion, el cuerpo de soporte esta equipado con un mango para facilitar el uso, mientras que, de acuerdo con otra forma ventajosa de la realizacion, el cuerpo de soporte tambien esta equipado con unos elementos capaces de proteger al aparato, en particular sus elementos opticos, y al usuario, en particular la mano del usuario.
En una forma preferida de la realizacion, el generador de haz de luz esta formado por un LED, por una lente asferica y por una camara que contiene la lente asferica, o ambos la lente asferica y el LED.
De acuerdo con una forma de realizacion de la presente invencion, el dispositivo de division de haz de luz se localiza cerca de un extremo de la lente. Es conveniente dividir el haz de luz en dos partes, y preferentemente, pero no necesariamente, consiste en un divisor de haz cubico con una diagonal semirreflectante del 50 %.
Cada sensor de imagenes lineal se coloca preferentemente en correspondencia sustancial con el plano golpeado por una de las partes de la division de haz de luz por el divisor de haz de luz.
Cada sensor de imagenes lineal tambien esta configurado para detectar la cantidad de luz en diferentes puntos a lo largo de su lmea y para convertirlo en cantidades electricas.
Cada sensor de imagenes lineal esta preferentemente provisto de elementos sensibles (pfxeles) que estan dispuestos linealmente.
Un circuito electronico integrado para la adquisicion de imagenes esta conectado a cada sensor de imagenes lineal. El circuito de adquisicion de imagenes electronico esta configurado para detectar la carga electrica acumulada en los diferentes puntos del sensor y convertirla en una secuencia de valores numericos.
De acuerdo con la presente invencion, la region de medicion en la que se localiza el producto en movimiento a medir esta definida por tres ejes Z, X, Y que son ortogonales uno con respecto a otro, que se cortan en un punto O, llamado centro de medicion.
El eje Z es paralelo al haz de luz que pasa a traves de la region de medicion. El eje X, ortogonal al eje Z, indica la alineacion preferencial del eje W del objeto cilmdrico a medir. El eje Y, ortogonal a los ejes X y Z, indica la direccion en la que se mide el diametro del objeto. El punto de interseccion O de los tres ejes X, Y y Z se localiza sustancialmente en el centro geometrico de la region de medicion.
El objeto a medir debe orientarse de tal manera que su eje longitudinal W esta dirigido aproximadamente a lo largo del eje X, en la direccion perpendicular tanto en la direccion del haz de luz (eje Z) como en la direccion de medicion de su diametro (eje Y).
Esta direccion preferente del objeto a medir con respecto al aparato puede destacarse ventajosamente por medio de senales visuales visibles por el operador, tales como las lmeas de vision y las zonas de color en la carcasa exterior del propio aparato.
La calidad de la alineacion del objeto a medir, una vez que se ha insertado en la region de medicion, puede confirmarse por un valor numerico o por un indicador grafico visible en la pantalla de interfaz de usuario, posiblemente asistido por una senal acustica.
El micrometro portatil en cuestion no requiere contacto ffsico del alambre con los elementos del propio micrometro o con las gmas, para obtener suficiente alineacion para la medicion correcta del objeto a medir. Se desliza dentro de la region de medicion sin contacto. Por lo tanto, es posible usar el aparato en cuestion para medir un cable o un producto similar en movimiento durante la extrusion, el estirado y/o el esmaltado.
Gracias a la presencia de los dos sensores lineales, cada uno de los cuales esta localizado en correspondencia sustancial con el plano golpeado por una de las partes del haz de luz, y cada uno de los cuales esta configurado para detectar la cantidad de luz en los diferentes puntos a lo largo de su lmea, el micrometro en cuestion permite compensar, mediante un procesamiento adecuado de la senal, las variaciones en la alineacion del objeto a medir con respecto a la posicion coaxial ideal con el eje; por lo tanto, no necesariamente requiere una colocacion precisa para realizar la medicion.
Al ser inalambrico, y por lo tanto portatil, el micrometro portatil puede usarse en diferentes puntos de la lmea o en diferentes lmeas.
En una forma ventajosa de la realizacion, el micrometro portatil comprende un elemento de soporte que permite una colocacion fija del mismo en la lmea de produccion, tanto rapida como facilmente.
En particular, el elemento de soporte puede fijarse de una manera conocida en la maquina para trabajar el objeto a medir, o en otra parte fija, y puede proporcionar unos elementos de colocacion y de grna configurados para trabajar conjuntamente con los elementos de grna de emparejamiento presentes en el cuerpo de soporte del micrometro, con el fin de colocar el instrumento de medicion de una manera fija, pero al mismo tiempo, para retirarlo y volver a colocarlo facilmente en otra posicion con respecto a la maquina, o para usarlo de manera movil.
Este trabajo conjunto entre los elementos de grna y de colocacion garantiza que, en la posicion montada sobre el elemento de soporte, se garantiza el centrado del micrometro, tanto con respecto a un campo de medicion horizontal como con respecto a un campo de medicion vertical.
Por otra parte, una etiqueta de RFID (identificacion por radiofrecuencia) puede integrarse en el elemento de soporte, leerse por un circuito adecuado instalado en el instrumento, permite identificar la posicion de medicion (o la maquina) y realizar una asociacion en la memoria del instrumento entre la medicion realizada y la posicion (o maquina) donde se ha realizado dicha medicion.
Breve descripcion de los dibujos
Estas y otras caractensticas y ventajas de la presente invencion resultaran evidentes a partir de la siguiente descripcion de una forma de realizacion preferida, pero no exclusiva, del dispositivo de medicion de acuerdo con la presente invencion, se proporciona como un ejemplo no restrictivo en los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 muestra una seccion longitudinal del dispositivo de acuerdo con la invencion;
- la figura 2 muestra una ampliacion de la region de medicion del dispositivo en la figura 1;
- la figura 3 muestra una vista superior de la region de medicion;
- la figura 4 muestra una vista frontal de la region de medicion;
- la figura 5 muestra una de las dos imagenes del objeto a medir formada en un sensor de imagenes lineal y la relacion geometrica entre la cantidad di detectada por el mismo y el diametro D a medir.
- la figura 6 muestra la segunda de las dos imagenes del objeto a medir, formada en un segundo sensor de imagenes lineal, y la relacion geometrica entre la cantidad d2 detectada por el mismo y el diametro D a medir. - la figura 7 muestra una vista en despiece de una variante del dispositivo de medicion de acuerdo con la invencion, separada de los dispositivos que protegen la optica y al usuario;
- la figura 8 muestra la variante en la figura 7 en su estado montado;
- la figura 9 muestra otra variante del dispositivo de medicion de acuerdo con la invencion, en el que se proporciona un elemento de soporte, mientras que la figura 10 muestra la variante de la figura 9 con el dispositivo de medicion acoplado con su elemento de soporte.
Para facilitar la comprension, se han usado los mismos numeros de referencia, cuando sea posible, para identificar elementos comunes identicos en los dibujos. Se entiende que los elementos y las caractensticas de una forma de realizacion pueden incorporarse convenientemente en otras realizaciones sin mas aclaraciones.
Descripcion detallada de una realizacion
Haciendo referencia a los dibujos adjuntos, el dispositivo de medicion, o micrometro, de acuerdo con la presente invencion se indica en su totalidad por el numero de referencia 20.
Haciendo referencia a la figura 1, el dispositivo de medicion 20 comprende un generador de haz de luz 1, un primer elemento de desviacion de haz de luz 2 dispuesto frontalmente con respecto al generador de haz de luz 1, una region de medicion 3 dispuesta en la trayectoria del haz desviado del primer elemento de desviacion 2, y un segundo
elemento de desviacion de haz de luz 4 dispuesto en una posicion opuesta con respecto al primer elemento de desviacion 2, para desviar el haz de luz en una direccion contraria a la direccion en la que se emite por el generador 1.
El dispositivo de medicion 20 tambien comprende, en la forma de realizacion mostrada, una lente 5, un dispositivo de division de haz de luz 6, dos sensores de imagenes lineales 7.1, 7.2, dos circuitos de adquisicion de imagenes electronicos 8.1, 8.2, y un componente de procesamiento de imagenes electronico 9, una interfaz de usuario 10 y un acumulador electrico 11 para alimentar electricamente el aparato y una antena 13.6 para leer una etiqueta de RFID 26, tal como se explica en detalle mas adelante en el presente documento.
Todos los componentes citados anteriormente, excepto la interfaz de usuario 10, estan montados en los dos lados de un cuerpo de soporte 12 y estan protegidos externamente por una carcasa 13, que forma un mango 13.1 para sostener y usar el dispositivo de medicion 20.
Haciendo referencia a la forma de realizacion de las figuras 7 y 8, los dos elementos de desviacion de haz de luz 2 y 4 estan protegidos por una estructura de contencion respectiva 15. Cada estructura de contencion 15, en este caso, esta equipada en la parte delantera con unos elementos de retencion magnéticos 16 y con unos elementos de centrado 17 del tipo esfera. Los elementos de retencion magnéticos 16 y los elementos de centrado 17 permiten la colocacion selectiva de los elementos de proteccion 19, que se muestran desmontados en la figura 7 y montados en la figura 8, para proteger los elementos de desviacion de haz de luz 2 y 4.
De nuevo haciendo referencia a las figuras 7 y 8, puede verse como una forma de realizacion de la invencion proporciona un elemento de proteccion 18 que puede montarse selectivamente en el mango 13.1 para proteger principalmente la mano del usuario cuando mide objetos en movimiento a alta velocidad y/o a alta temperatura. En particular, el extremo superior del elemento de proteccion 18 puede anclarse de manera removible, por ejemplo, por medio de un medio de union de tipo tornillo, a la estructura de contencion 15 que protege el elemento de desviacion optico 4, mientras que el extremo inferior del elemento de proteccion 18 puede anclarse, por medio de un medio de union tipo tornillo, al orificio de union localizado en la parte final del mango 13.1.
Volviendo a la figura. 1, el generador de haz de luz 1 esta formado por un LED 1.1, una lente asferica 1.2 y una camara 1.3 que, en el caso mostrado, contiene la lente asferica 1.2. El LED 1.1 esta localizado en un primer extremo de la camara 1.3 y esta colimado al foco de la lente asferica 1.2.
El primer elemento de desviacion de haz de luz 2 se compone en este caso de un prisma de 45° equipado con un espejo en la cara oblicua, y con un primer lado, vertical en el dibujo, que cierra la camara de 1.3.
El generador de haz de luz 1 y el primer elemento de desviacion de haz de luz 2 estan unidos en un lado del cuerpo de soporte 12.
La region de medicion 3 se localiza en la parte delantera del dispositivo de medicion 20 y se compone de un espacio vacfo delimitado por la pared frontal 12.1 del cuerpo de soporte 12, por el segundo lado, horizontal en el dibujo, del primer elemento de desviacion de haz de luz 2 y por un primer lado, tambien horizontal en el dibujo, del segundo elemento de desviacion de haz de luz 4. La pared y los lados son ortogonales entre sf y delimitan tres lados de un paralelepfpedo hueco.
El segundo elemento de desviacion de haz de luz 4 y los dispositivos restantes se unen en el otro lado del cuerpo de soporte 12.
El segundo elemento de desviacion de haz de luz 4 es un prisma de 45° equipado con un espejo en la cara oblicua. El segundo lado del segundo elemento de desviacion de haz de luz 4 en este caso ocupa un primer extremo de la lente 5. La lente 5 puede ser, por ejemplo, de tipo telecentrica.
Cerca del segundo extremo de la lente 5 se localiza el dispositivo de division de haz de luz 6, que consiste, por ejemplo, en un divisor de haz cubico con una diagonal semirreflectante del 50 %.
Cada uno de los dos sensores de imagenes lineales 7.1, 7.2 esta colocado en correspondencia con el plano golpeado por una parte del haz de luz dividida. Los dos sensores de imagenes lineales 7.1, 7.2 usados en el presente ejemplo, aunque no restrictivos, son dos sensores lineales CCD o CMOS.
Un primer circuito de adquisicion de imagenes electronico 8.1 esta conectado al primer sensor de imagenes lineal 7.1 y un segundo circuito de adquisicion de imagenes electronico 8.2 esta conectado al segundo sensor de imagenes lineal 7.2.
El componente de procesamiento de imagenes electronico 9 consiste en una unidad de microprocesador con una memoria y unos puertos de entrada/salida adecuados conectados a los circuitos de adquisicion de imagenes electronicos 8.1, 8.2 y con la interfaz de usuario 10.
En una forma de realizacion ventajosa, la interfaz de usuario 10 comprende una pantalla grafica LCD, una serie de botones, y una alarma acustica; puede haber ventajosamente una luz LED para indicar el estado de la batena. El mango l3.1 tambien tiene un boton 13.2, un boton de seguridad 13.4 y un puerto USB, como un ejemplo de un dispositivo de conexion periferica 13.5, asf como la antena 13.6 para leer una etiqueta de RFID 26, mostrada a continuacion en el presente documento.
Durante el uso, con el fin de medir un objeto alargado 14 a medir, la luz generada por el LED 1,1, despues de haber pasado a traves de la lente asferica 1.2, tiene la forma de un haz de luz extendido y colimado que alcanza el segundo extremo de la camara 1.3. El haz de luz tiene una distribucion mas o menos uniforme de energfa radiante, tanto espacialmente en un area perpendicular al eje del haz como tambien angularmente para las direcciones comprendidas dentro de un cierto angulo desde el eje.
El primer elemento de desviacion de haz de luz 2 condiciona el haz de luz emitido por el generador de haz de luz 1 de tal manera que pasa a traves de la region de medicion 3 en una direccion sustancialmente ortogonal con respecto a la direccion prescrita para el eje W del objeto 14 a medir y que ilumina completamente toda la extension de la region de medicion 3 de tal manera que la medicion pueda realizarse en todas las posiciones permitidas del objeto 14.
En la region de medicion 3, se definen tres ejes Z, X, Y que son ortogonales uno con respecto a otro, cruzandose dicho centro de medicion en un punto O. El eje Z es paralelo a la direccion impuesta al haz de luz por el primer elemento de desviacion de haz de luz 2. El eje X, ortogonal al eje Z, indica la alineacion preferencial del eje del objeto 14 a medir. El eje Y, ortogonal a X y Z, indica la direccion en la que se mide el diametro del objeto 14. El punto de interseccion O de los tres ejes X, Y, Z esta localizado en el centro geometrico de la region de medicion 3. El lado de salida del primer elemento de desviacion de haz de luz 2 y el lado de entrada del segundo elemento de desviacion de haz de luz 4 son paralelos entre sf, perpendiculares al eje Z y paralelos a los ejes X, Y. La pared 12.1 del cuerpo de soporte 12 que delimita la region de medicion 3 es paralelo al eje Z y al eje X.
El objeto 14 a medir se introduce en la region de medicion 3 sin que se conozca ninguna posicion u orientacion. La disposicion del primer elemento de desviacion de haz de luz 2 es de tal manera que el objeto 14 esta iluminado por detras con respecto a la lente 5. La imagen que se forma en el lado del segundo elemento de desviacion de haz de luz 4 que delimita la region de medicion 3 tiene la caractenstica de un contorno o silueta, oscuro y sin otros detalles que no sea un contorno sobre un fondo claro.
El segundo elemento de desviacion de haz de luz 4 dirige de nuevo el haz de luz a 90° de tal manera que, despues de pasar a traves de la region de medicion 3, el haz de luz esta alineado y centrado sobre el eje optico de la lente 5. La lente 5 crea una imagen real del objeto 14 a medir, cuya forma corresponde a la proyeccion ortogonal del objeto 14 en el plano XY como se ha definido anteriormente, ampliada por un factor constante Q caractenstico de la lente espedfica 5 usada.
El tamano de la imagen es independiente de las traslaciones del objeto 14 a medir a lo largo del eje Z de la region de medicion. En el plano de imagen, los dos ejes X1 e Y1 se definen de manera natural, correspondiendo a las imagenes de los dos ejes X e Y definidos anteriormente.
La imagen formada sobre el plano de imagen de la lente 5 es una banda oscura con bordes paralelos que forman un angulo % con respecto al eje X1 y una anchura igual a Q veces el diametro D del objeto 14 a medir.
El haz de luz, despues de haber pasado a traves de la lente 5, se divide en dos partes mediante el divisor de haz de luz 6, formando cada uno de los cuales, en cada sensor de imagenes lineal 7.1, 7.2, una imagen del objeto 14 a medir que es geometricamente igual a la que se habna formado directamente por la lente 5 pero en una region espacial separada de las de cada otra imagen. De esta manera, los dos sensores de imagenes lineales 7.1, 7.2, localizados en correspondencia con las dos partes de las imagenes separadas que se corresponden total o parcialmente con la misma region de la imagen original, pueden activarse simultaneamente sin los dos sensores de imagenes lineales 7.1. 7.2 que interfieren mecanicamente entre sf
La posicion de cada sensor de imagenes lineal 7 k (donde 7 k indica el primer sensor 7.1 o el segundo sensor 7.2) con respecto a su propio plano de imagen, se identifica individualmente por tres coordenadas xok, yok y ak que describe la posicion del punto central del sensor de imagenes lineal 7 k en un sistema de ejes Xk, Yk y el angulo formado por el eje sk del sensor de imagenes lineal 7 k con el eje Yk del plano de imagen.
Cada sensor de imagenes lineal 7.1, 7.2 suministra la distribution de ene^a luminosa incidente sobre la imagen a lo largo de un segmento rectilmeo de la propia imagen.
Los sensores de imagenes lineales 7.1, 7.2 localizados en los planos de las dos imagenes producidas por el dispositivo de division de haz de luz 6 se colocan con el fin de que puedan afectar a segmentos distintos. El segmento de imagen correspondiente a cada sensor 7 k puede identificarse por las coordenadas xok, yok, que el punto central del sensor ocupa en el plano de imagen y por el angulo ak formado por el eje sk de cada sensor de imagenes lineal 7 k con el eje Yk (imagen del eje Y) del plano de imagen asociado.
En esta forma preferida de realization, el punto central de los sensores de imagenes lineales 7.1, 7.2 esta dado por las coordenadas
y para cada sensor de imagenes lineal 7.1, 7.2, el angulo a viene dado por
Los puntos individuales del segmento identificado por los sensores de imagenes lineales 7.1, 7.2 se describen por una coordenada sk dirigida a lo largo del segmento y que se origina en el punto donde el segmento se cruza con el eje Y1.
Cuando el objeto 14 a medir se coloca correctamente en la region de medicion 3, cada secuencia de valores producidos por cada sensor y que representa la distribucion de la energia luminosa incidente sobre el mismo se forma por una region de altos valores de la energia incidente seguida por una region de valores bajos, que corresponden al paso de la banda oscura formada en la imagen por el objeto 14 y seguida por otra region de valores altos. La region de valores bajos se determina para cada sensor 7 k mediante dos cantidades dk y ck que representan respectivamente la longitud del segmento en el sensor 7 k obscurecido por la imagen del objeto 14 a medir (la franja negra en las figuras 5 y 6) y la position en el eje sk del centro del mismo segmento.
Cada circuito de adquisicion de imagenes electronico 8.1, 8.2 obtiene information relativa a la distribucion de energia de luz de cada uno de los dos sensores de imagenes lineales 7.1, 7.2 y transmite los valores digitalizados de las mediciones al componente de procesamiento de imagenes electronico 9. El componente de procesamiento de imagenes electronico 9 proporciona el control y recibe las dos secuencias de valores numericos desde los dos circuitos de adquisicion electronicos 8.1,8.2 y determina los valores d1 y d2 correspondientes a las longitudes de las regiones obscurecidas en los dos sensores y los valores c1 y c2 correspondientes a las posiciones centrales de las regiones obscurecidas en los ejes s1 y s2.
El valor del angulo x puede calcularse a continuation por la formula:
El programa de calculo realizado por el componente de procesamiento de imagenes electronico 9 comprende un algoritmo que usa esta formula para determinar el valor de x. Cuando esto se sabe, el programa de calculo puede continuar para determinar el diametro D del objeto 14 en la forma:
En otra forma preferente de realizacion, los dos sensores de imagenes lineales 7.1, 7.2 estan colocados de tal manera que a 1 es igual que a2. En este caso, el valor del angulo x puede calcularse mediante la formula:
Una vez se conoce x, el programa de calculo se puede continuar para determinar de nuevo el diametro D del objeto 14 en la forma:
Cuando se ha completado cada procedimiento de adquisicion y de calculo, el componente de procesamiento electronico 9 env^a a la interfaz de usuario 10 el valor numerico de la medicion del diametro D del objeto 14 que indica la unidad de medida seleccionada o una posible condicion de error que se muestra en la pantalla grafica LCD. Los botones de la interfaz de usuario 10 ordenan, al menos, la activacion/desactivacion del aparato, el inicio del procedimiento de adquisicion y de calculo, la activacion/desactivacion de la visualizacion continua de la orientacion del objeto 14 a medir, el cambio de la unidad de medida y la funcion de iluminacion de la pantalla LCD. Un boton 13.2 para activar/desactivar el aparato se coloca en el mango 13.1.
Si se activa mediante un boton, se muestra una imagen en la pantalla LCD de la interfaz de usuario 10. La imagen describe graficamente la desviacion del eje del objeto 14 con respecto a la orientacion ideal, mostrando dos segmentos que se cruzan con un angulo proporcional a la desviacion. Esto permite verificar la calidad de la alineacion del objeto 14 con respecto al eje X en la region de medicion 3, y realizar el movimiento necesario de la mano para obtener correctamente la operacion de medicion. El usuario recibe asistencia en esta operacion mediante senales acusticas y lmeas de vision o areas coloreadas presentes en la carcasa 13.
Ademas, como se ha completado cada procedimiento de adquisicion y de calculo, se muestra el valor numerico de la medicion D, que indica la unidad de medida seleccionada o una posible condicion de error. La interfaz de usuario 10 tambien permite ver estadfsticas interesantes de mediciones y datos repetidos en los dispositivos del aparato con el fin de configurarlos de la mejor manera posible.
En una forma de realizacion de la presente invencion, mostrada en las figuras 9 y 10, se proporciona un elemento de soporte 21, que permite colocar el dispositivo de medicion 20 de manera fija a lo largo de la lmea de produccion, por ejemplo, uniendolo a una maquina en la que se trabaja el objeto 14 sometido a medicion.
El elemento de soporte 21 comprende una parte fija 22 y una parte movil 23. La parte fija 22 comprende unos asientos 24 para fijarla a una pared de la maquina u otra parte fija, por ejemplo una pared 28.
La parte movil 23 puede rotar en la direccion A desde una posicion vertical, sustancialmente paralela a la parte fija 22 cuando no esta en uso, a una posicion sustancialmente horizontal, mostrada en las figuras 9 y 10, donde el dispositivo de medicion 20 puede acoplarse con el elemento de soporte 21.
La parte movil 23 comprende una pared superior plana 27; el elemento de soporte 21 comprende, en la parte inferior y en los lados de la pared plana 27, dos bordes paralelos a la pared plana 27 que trabajan conjuntamente con las ranuras de emparejamiento 13.3 presentes en la parte superior de la carcasa, promoviendo la insercion a traves del deslizamiento del dispositivo de medicion 20 en el elemento de soporte 21, hasta que se sujeta. El uso del elemento de soporte 21 permite colocar el dispositivo de medicion 20 de manera facil y rapida, garantizando la colocacion y el centrado del plano con respecto al objeto 14 a medir.
Por otra parte, usando una pluralidad de elementos de soporte 21 distribuidos en varias lmeas o en varios puntos predeterminados de la misma lmea permite monitorizar periodicamente varias lmeas de produccion usando un unico dispositivo de medicion 20, posiblemente despues de la identificacion simultanea de dicha lmea o segmento espedfico de lmea usando un dispositivo de identificacion, tal como una etiqueta, un codigo de barras u otro elemento similar.
En una forma de realizacion, el dispositivo de identificacion puede ser una etiqueta de RFID 26 unida en el lado inferior de la pared plana 27 por unos elementos de sujecion 25, por ejemplo, tornillos o remaches o similares, posiblemente usando unos elementos de soporte, no mostrados. En particular, cuando el aparato esta unido al elemento de soporte 21, la etiqueta de RFID 26 identifica la lmea de produccion en correspondencia con la que esta detectando los datos, a traves de la antena 13.6 mencionada anteriormente, y tambien su posicion a lo largo de la lmea, cualquier trabajo posible en curso y otra posible informacion que puede ser util durante la medicion.
Pueden realizarse modificaciones y variantes con la presente invencion, todas las cuales quedaran dentro del campo de proteccion definido por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (15)
1. Dispositivo portatil para la medicion sin contacto de una magnitud, tal como el diametro, de objetos alargados de pequeno y mediano tamano, tal como alambres, barras o tubos, incluso en movimiento, que comprende:
- un generador de haz de luz (1);
- un primer elemento de desviacion de haz de luz (2) dispuesto frontalmente con respecto al generador de haz de luz (1), una region de medicion (3) dispuesta en la trayectoria del haz desviado por el primer elemento de desviacion de haz de luz (2), y un segundo elemento de desviacion de haz de luz (4), dispuesto en una posicion opuesta con respecto al primer elemento de desviacion (2), con el fin de desviar el haz de luz recibido desde el primer elemento de desviacion de luz (2) en una direccion opuesta a la que se emite por el generador (1);
- una lente de ampliacion (5) configurada para recibir el haz de luz desde el segundo elemento de desviacion de haz de luz (4) y para crear una imagen real del objeto (14);
- un dispositivo de division de haz de luz (6) localizado cerca de un extremo de la lente (5) configurado para dividir el haz de luz de la imagen real en dos partes, formando cada parte una imagen respectiva del objeto (14) a medir;
caracterizado por que el dispositivo portatil tambien comprende dos sensores de imagenes lineales (7.1, 7.2) provistos de elementos sensibles (pfxeles) dispuestos linealmente; en el que las direcciones de alineacion de los elementos sensibles en los planos de imagen respectivos definen unos ejes respectivos (s1 , s2) diferentes entre sf; y en el que la medicion de la cantidad de luz se produce a lo largo de dichos ejes (s1, s2), estando cada uno de dichos sensores de imagenes (7.1, 7.2) colocado en correspondencia con un plano de imagen respectivo golpeado por una de las dos partes de la division de haz de luz por el divisor de haz de luz (6) donde se forma una imagen respectiva del objeto (14), estando dichos sensores de imagenes (7.1, 7.2) configurados para detectar la cantidad de luz en diferentes puntos de su superficie y convertirla en cantidades electricas;
- un primer circuito de adquisicion de imagenes electronico (8.1) conectado al primer sensor de imagenes lineal (7.1) y un segundo circuito de adquisicion de imagenes electronico (8.2) conectado al segundo sensor de imagenes lineal (7.2); estando cada circuito de adquisicion de imagenes electronico (8.1, 8.2) configurado para detectar la carga electrica acumulada en los diferentes puntos de los sensores de imagenes lineales correspondientes (7.1, 7.2) y para convertirla en una secuencia de valores numericos;
- unos componentes de procesamiento de imagenes electronicos (9) configurados para determinar los valores (d1, d2) correspondientes a las respectivas longitudes de las regiones oscurecidas, a lo largo de dichos ejes diferentes (s1, s2), en los dos sensores (7.1, 7.2) y los valores (c1, c2) correspondientes a las posiciones centrales de las regiones oscurecidas en los ejes de colocacion (s1, s2) de dichos sensores (7.1, 7.2), estando ademas dichos componentes de procesamiento de imagenes electronicos (9) configurados para determinar el valor real del diametro (D) del objeto (14) a partir de los valores (d1, d2, c1, c2) correspondientes a las longitudes y a las posiciones centrales de las regiones oscurecidas.
2. Dispositivo de medicion portatil como en la reivindicacion 1, caracterizado por que comprende un cuerpo de soporte (12) para al menos parte de los componentes del dispositivo de medicion y una carcasa (13) que encierra el cuerpo de soporte (12), definiendo dicha carcasa (13) al menos una parte de mango (13.1) para dicho dispositivo. 3. Dispositivo de medicion portatil como en la reivindicacion 2, caracterizado por que comprende un elemento de soporte (21), y por que en una superficie dicha carcasa (13) tiene unas ranuras de grna (13.
3) para acoplarse a los bordes de grna de emparejamiento presentes en dicho elemento de soporte (21) configurado para soportar de manera fija dicho dispositivo de medicion.
4. Dispositivo de medicion portatil como en la reivindicacion 3, caracterizado por que dicho elemento de soporte (21) comprende una parte fija (22) que puede anclarse a una parte fija de una pared o a una parte de una maquina, y una parte movil (23) que tiene una primera posicion inactiva sustancialmente paralela a dicha parte fija (22) y una segunda posicion operativa sustancialmente ortogonal a dicha parte fija (22), y adecuada para recibir dicho dispositivo de medicion (20).
5. Dispositivo de medicion portatil como en la reivindicacion 4, caracterizado por que dicha parte movil (23) tiene una pared plana (27) provista de unos elementos de sujecion (25) para sujetar una etiqueta de RIFD (26) para la identificacion simultanea de la lrnea de produccion.
6. Dispositivo de medicion portatil como en cualquier reivindicacion 2 a 5, caracterizado por que comprende una interfaz de usuario (10) para mostrar y configurar comandos, proporcionada acoplada con dicha carcasa (13).
7. Dispositivo de medicion portatil como en la reivindicacion 6, caracterizado por que la interfaz de usuario (10) esta configurada para mostrar senales visuales visibles que destacan la direccion preferencial del objeto a medir en la region de medicion (3).
8. Dispositivo de medicion portatil como en cualquier reivindicacion anterior, caracterizado por que dicho generador de haz de luz (1) esta formado por un LED (1.1), una lente asferica (1.2) y una camara (1.3) que contiene la lente asferica (1.2), en el que dicho LED (1.1) esta localizado en un primer extremo de la camara (1.3) y esta colimado al foco de la lente asferica (1.2).
9. Dispositivo de medicion portatil como en cualquier reivindicacion anterior, caracterizado por que cada elemento de desviacion de haz de luz (2, 4) consiste en un prisma equipado con un espejo en una de sus caras oblicuas.
10. Dispositivo de medicion portatil como en cualquier reivindicacion anterior, caracterizado por que el centro geometrico de la region de medicion (3), o centro de medicion, esta localizado en un punto de interseccion “O” de un sistema de tres ejes “X”, “Y” y “Z”, ortogonales entre sf, en el que:
- el eje “Z” es paralelo a la direccion de propagacion del haz de luz que pasa a traves de la region de medicion (3);
- el eje “X”, ortogonal a “Z”, indica la alineacion preferencial del eje “W” del objeto cilmdrico (14) a medir;
- el eje “Y”, ortogonal a “X” y “Z”, indica la direccion preferida en la que se mide el diametro del objeto.
11. Dispositivo de medicion portatil como en cualquier reivindicacion anterior, caracterizado por que la lente (5) es de tipo telecentrico; en el plano de imagen de la lente (5), los dos ejes “X” e “Y” se definen de manera natural, correspondientes a las imagenes de dichos dos ejes “X” e “Y”; en dicho plano de imagen de la lente (5), la imagen formada del objeto alargado a medir (14) tiene la forma de una banda oscura con lados paralelos que tienen una anchura “QD” inclinada un angulo “%” con respecto al eje “X” donde “Q” es la ampliacion de la lente (5) y “D” es el diametro del objeto a medir (14).
12. Dispositivo de medicion portatil como en cualquier reivindicacion anterior, caracterizado por que el dispositivo de division de haz de luz (6) consiste en un divisor de haz cubico con una diagonal semirreflectante del 50 %.
13. Dispositivo de medicion portatil como en cualquier reivindicacion anterior, caracterizado por que comprende al menos un elemento de proteccion (19) al menos para dichos elementos de desviacion opticos (2, 4), que pueden acoplarse y centrarse selectivamente en dicha carcasa (13).
14. Dispositivo de medicion portatil como en cualquier reivindicacion anterior, caracterizado por que comprende al menos un elemento de proteccion (18) al menos para las manos del operador, que puede acoplarse y centrarse selectivamente en dicha carcasa (13).
15. Método para la medicion sin contacto de una magnitud, tal como un diametro, de objetos alargados de tamano pequeno y mediano (14), tal como alambres, barras o tubos, incluso en movimiento, usando un dispositivo portatil como en una u otra de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que permite que:
- un haz de luz emitido por un generador de haz de luz (1) se desvfe en una primera direccion para pasar a traves de una region de medicion (3) donde se localiza o transita el objeto (14) a medir, y a continuacion se desvfa en una segunda direccion que es opuesta a la que se emite por dicho generador (1);
- el haz resultante se hace pasar a traves de una lente (5) para crear una imagen real del objeto (14) a medir, - despues de haber pasado a traves de la lente (5), el haz de luz se divide en dos partes mediante un dispositivo de division de haz de luz (6);
- cada una de las dos partes del haz forma, en cada uno de los dos sensores de imagenes lineales (7.1, 7.2) colocados en los planos respectivos donde se forma la imagen del objeto (14), una imagen del objeto a medir (14) en una region espacial separada de la de cualquier otra imagen, produciendose las mediciones de la cantidad de luz de cada imagen con el sensor de imagenes lineal respectivo (7.1, 7.2) y a lo largo de los ejes respectivos (s1, s2) diferentes uno de otro, con el fin de obtener, para cada sensor lineal (7.1, 7.2) una secuencia de valores sobre la base de la distribucion de la energfa incidente y que representa la banda oscura proporcionada por el objeto (14);
- dicha secuencia de valores se transmite a un circuito de adquisicion de imagenes electronico correspondiente (8.1, 8.2) para determinar los valores (d1 ; d2) correspondientes a las longitudes de las regiones oscurecidas en los dos sensores (7.1, 7.2) y los valores (c1 , c2) correspondiente a las posiciones centrales de las regiones oscurecidas en los ejes de colocacion diferentes (s1 , s2) de dichos sensores (7.1, 7.2);
- a partir de estos valores, un componente de procesamiento electronico (9) determina el valor real del diametro (D) del objeto (14), haciendo que sea irrelevante la orientacion asumida por el objeto (14).
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