ES2997659B2 - Metodo de calibracion de un sistema de trabajo con laser - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

MÉTODO DE CALIBRACIÓN DE UN SISTEMA DE TRABAJO CON LÁSER

Sector de la técnica

La invención se refiere a un método de calibración de un sistema de trabajo con láser y es de uso -entre otras posibles aplicaciones- en la industria manufacturera. Por ejemplo y sin carácter limitativo, en la fabricación automatizada de piezas y componentes.

Estado de la técnica

Actualmente se conocen numerosos sistemas de trabajo que emplean un láser, por ejemplo y sin carácter limitativo, los sistemas de decapado por láser.

El decapado, o marcado por láser, es una técnica industrial que consiste en proyectar un haz láser sobre una superficie a tratar, por ejemplo y sin carácter limitativo, de una pieza que se está fabricando y en la que se desea eliminar impurezas.

Actualmente, es complicado ajustar un sistema de trabajo con láser para que opere sobre una pieza en posición fija, con la suficiente precisión como para que los errores que aparezcan en el trabajo tengan, a lo sumo, unas dimensiones de 0,1 mm en el 100% de la producción. La aparición de dichos errores se debe, entre otros factores, a la existencia de imperfecciones en las piezas a tratar, que se producen durante su proceso de fabricación. Así, por ejemplo, en el caso de piezas de plástico dichas imperfecciones se deben principalmente a contracciones o estiramientos que aparecen durante la manufactura.

En la técnica se conocen algunos métodos de calibración de sistemas que emplean una fuente láser para llevar a cabo diversas funciones. Así, por ejemplo, el documento CN109974584A describe un método para la calibración de robots asistenciales provistos de una fuente laser y una cámara de observación, que ayudan en operaciones de osteotomía basada láser. En este caso el sistema láser proyecta un único haz que realiza la osteotomía el cual es localizado con un robot. La trayectoria que describe el haz es generada por el robot. El método estima las diferentes matrices de transformación que relacionan los diferentes elementos que componen el robot asistencial. No obstante, este documento no divulga un método capaz de calibrar la posición del láser empleando para ello, imágenes tomadas por la cámara.

El documento WO2005094468 divulga métodos y sistemas que mejoran el posicionamiento de un haz láser usando un dispositivo de captura de imágenes. Los métodos y sistemas protegidos son particularmente adecuados para la calibración del iris y la medición de histéresis de una apertura de diámetro variable. No obstante, este documento tampoco divulga un método capaz de calibrar la posición de un láser de un sistema de decapado, a partir de imágenes tomadas por una cámara.

Por otro lado, el documento WO9924796 describe un método para medir la calidad de un decapado por láser, utilizando para ello una cámara. Se monitoriza el resultado del decapado utilizando una cámara, se comparan con unos patrones y se obtienen conclusiones. En este documento no se divulga, en ningún caso, un método de calibración de un láser con una cámara.

En los documentos WO9425836 y EP2790621 se describen sendos aparatos de calibración para medir las propiedades de un haz láser. Los aparatos incluyen elementos que reaccionan con la radiación láser de una manera proporcional a la intensidad o perfil de intensidad del haz láser y un medio de alineación para colocar el elemento de medida en la trayectoria de un haz láser. Las propiedades del haz se registran mediante cambios en el estado del elemento de calibración. En estas solicitudes de patente se habla del calibrado de la calidad del láser, pero no se divulga un método de calibración de un láser.

Por otro lado, existen numerosos documentos en el estado de la técnica que explican el proceso de decapado adaptado a diversas superficies y en particular, a superficies tridimensionales (3D). No obstante, para que los sistemas de decapado allí divulgados puedan obtener la suficiente precisión, sería necesario mejorar la calibración de los mismos, un problema que no se no contempla en los documentos localizados.

En la solicitud de patente europea EP2647464 se divulga un método de decapado por láser, destinado al grabado de una superficie de piezas bidimensionales o tridimensionales. De acuerdo con este método, el patrón que se desea decapar en dicha superficie, es troceado en sectores para resolver los problemas que surgen cuando el patrón a decapar es más grande que el área de trabajo del láser, o la profundidad de campo del láser 2D no alcanza el relieve de la superficie 3D de la pieza. No obstante, para poder llevar a cabo el método propuesto en dicho documento, es necesario reubicar la pieza delante del láser para decapar cada uno de los sectores. Además, en este documento no se aborda el problema de cómo alinear perfectamente los bordes externos de los sectores a decapar.

En la solicitud de patente WO2005030430 se divulga un método para eliminar material de una superficie tridimensional por sectores que representan superficies parciales de la misma. Estos sectores se calculan a partir de las condiciones óptimas que el láser necesita para eliminar el material correctamente. Igual que en el documento anterior, en esta solicitud de patente también se utiliza el método de relocalización de la pieza delante el láser por sectores para poder realizar la limpieza de material correctamente. Además, tampoco se aborda el problema de cómo alinear perfectamente los bordes externos de los sectores a decapar.

En el sector existe, por tanto, la necesidad de desarrollar nuevos sistemas de trabajo con láser, capaces de conseguir una precisión tal que los errores del trabajo con láser sobre una pieza tengan, a lo sumo, unas dimensiones de 0,1 mm. Además, para aumentar la flexibilidad de dichos sistemas, estos deben ser capaces de adaptarse a las deformaciones propias de cada una de las superficies de las piezas a tratar, así como a la existencia de posibles errores de localización de las piezas delante del láser.

Sumario

La presente invención pretende abordar las desventajas e inconvenientes de la técnica anterior, arriba descritos. Para ello, un primer objeto de la misma se refiere a un método de calibración de un sistema de trabajo con láser, estando dicho sistema provisto de:

- un cabezal láser, destinado a emitir un haz láser sobre un área de trabajo sobre la que se ubica una pieza a trabajar;

- una unidad de monitorización del área de trabajo del cabezal láser, comprendiendo dicha unidad de monitorización medios de captura de datos tridimensionales;

caracterizado porque dicho método comprende las siguientes etapas:

a) proporcionar una plantilla de calibración provista de puntos representativos, a una unidad de control del cabezal láser, comprendiendo dicha plantilla de calibración una forma de tablero de ajedrez y correspondiendo dichos puntos representativos a los vértices de los cuadrados de dicha forma de tablero de ajedrez y representando uno de dichos puntos representativos el eje óptico del cabezal láser;

b) mediante la unidad de control del cabezal láser, acciona el cabezal láser para que realice el trabajo según la plantilla de calibración, sobre al menos dos superficies ubicadas en posiciones y orientaciones nuevas (es decir, no analizadas previamente) y diferentes entre sí;

c) emplear la unidad de monitorización para medir, sin desplazar el cabezal láser, cada uno de los trabajos realizados en la etapa anterior;

d) analizar las mediciones recogidas con la unidad de monitorización y detectar la posición de los puntos representativos de la plantilla;

e) calcular las líneas de proyección de los puntos representativos de la plantilla utilizando las posiciones de los puntos representativos obtenidas en la etapa anterior, siendo cada línea de proyección aquella línea que conecta las posiciones de un mismo vértice de un mismo cuadrado en los trabajos realizados;

f) calcular el centro de proyección del cabezal láser como la intersección de las líneas de proyección obtenidas en la etapa anterior;

g) calcular la dirección del eje óptico del cabezal láser a partir de las líneas de proyección de los puntos representativos del eje óptico del haz láser;

h) calcular la superficie optima de trabajo, estando formada dicha superficie optima de trabajo por el conjunto de puntos del espacio que cumplen con la ecuación:

v-p+d=0

donde:

vrepresenta un vector perpendicular al plano P de trabajo del láser; p=[x,y,z]T es un punto del espacio; y

drepresenta la distancia del plano P al origen de coordenadas;

i) colocar una pieza a trabajar, de modo que la superficie de la pieza que se va a trabajar esté dispuesta en la superficie óptima de trabajo.

El método según la invención permite calibrar la posición del cabezal láser, a partir de las mediciones tomadas por la unidad de monitorización. De este modo es posible conocer la matriz de transformación que relaciona la unidad de monitorización con el cabezal láser para poder expresar las medidas realizadas por la unidad de monitorización desde el punto de vista del cabezal láser. Esto permite a su vez, conseguir que la plantilla a trabajar se ajuste perfectamente a la superficie de la pieza correspondiente, dado que la unidad de monitorización es capaz de detectar la posición exacta de la pieza a trabajar (que se ubica en el área de trabajo del cabezal láser) y esta posición puede ser traducida al punto de vista (i.e., al sistema de coordenadas) del cabezal láser.

En el método de calibración según la presente invención, se asume que el centro de proyección del cabezal láser es un único punto. Dado que siempre se proyecta la misma plantilla de calibración, las líneas de proyección de los puntos representativos son siempre las mismas y lo que se recoge en cada superficie trabajada con láser, es la intersección de estas líneas de proyección con una superficie diferente. Esto permite capturar varios puntos de cada una de estas líneas de proyección para poder calcularlas. La intersección de todas estas rectas de proyección dará como resultado el centro de proyección. Los parámetros característicos de estas líneas de proyección, así como el punto de intersección de las mismas se calculan utilizando métodos estadísticos de ajuste de parámetros, por ejemplo y sin carácter limitativo, métodos estadísticos del tipo mínimos cuadrados, a partir de un conjunto de datos.

Asimismo, para calcular el eje óptico del láser, el método de calibración de la presente invención emplea el hecho de que el eje óptico atraviesa el centro plantilla proyectada. En consecuencia, de todos los puntos representativos trabajados, recogidos por la unidad de monitorización, aquellos ubicados en el centro geométrico de la plantilla de calibración son los que pertenecen al eje óptico del láser. El método según la presente invención emplea el conjunto de dichos puntos ubicados en el centro, junto con el centro de proyección del cabezal laser calculado anteriormente para calcular la dirección del eje óptico del láser.

El método de calibración de la presente invención está destinado, preferiblemente y sin carácter limitativo, a calibrar sistemas de trabajo con láser destinados a realizar trabajos que comprenden decapado por láser. No obstante, dicho método es especialmente flexible y versátil, pudiéndose emplearse con multitud de sistema de trabajo con láser diferentes.

En el método de la invención, la unidad de monitorización comprende medios de captura de datos tridimensionales, por ejemplo una cámara tridimensional, dado que de este modo es posible obtener una representación espacial de las líneas de proyección que genera el haz láser.

De forma aún más preferida, la unidad de monitorización comprende, por ejemplo y sin carácter limitativo, una cámara de visión artificial. Esta realización particular de la unidad de monitorización añade flexibilidad y precisión en los trabajos a realizar con el cabezal láser.

Un segundo objeto de la presente invención se refiere a un medio legible por ordenador que comprende instrucciones, las cuales, al ejecutarse en un ordenador hacen que dicho ordenador lleve a cabo las etapas de uno de los métodos de calibración de un sistema de trabajo con láser según el primer objeto de la invención.

En el contexto de la presente invención, debe entenderse que un ordenador es todo aquel dispositivo provisto de medios de procesamiento capaces de ejecutar instrucciones lógicas tales como, por ejemplo: ordenadores portátiles, ordenadores de sobremesa, tabletas, teléfonos móviles inteligentes (en inglés, smartphones) y relojes inteligentes (en inglés, smartwatches).

Un tercer objeto de la presente invención se refiere a un método de trabajo por láser caracterizado porque comprende una primera etapa de calibración según unos de los métodos de calibración de un según el primer objeto de la invención.

Preferiblemente, el método de trabajo por láser según el tercer aspecto de la invención, es un método de decapado por láser.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama de flujo que muestra las etapas de las que consta un método de calibración de un sistema de trabajo con láser, según la presente invención.

La Figura 2 muestra esquemáticamente algunos de los distintos elementos empleados, así como de los parámetros calculados en el método de calibración de la Fig. 1;

La Figura 3 muestra una plantilla de calibración, donde los puntos de interés son las intersecciones entre las rectas horizontales y verticales; y

La Figura 4, muestra las líneas de proyección (mostradas en la Figura 2) calculadas a partir de los puntos representativos de la plantilla de calibración en todas las proyecciones realizadas en el método de calibración de la Fig. 1.

Descripción detallada

La Figura 1 ilustra de forma esquemática las etapas de las que consta una primera realización de un método de calibración de un sistema de trabajo por láser según la presente invención.

En este caso particular, y sin carácter limitativo, el sistema de trabajo por láser es un sistema de decapado por láser.

Según puede apreciarse en la Figura 2, el sistema de decapado empleado en esta realización particular del método de calibración de la invención, comprende un cabezal láser 1 con una lente que permite trabajar en un área a (de 150x150 mm), a una distancia h (de 180mm), de la pieza a decapar.

La operación de dicho cabezal láser 1 se controla, por medio de una unidad de control 2, provista de un microprocesador que ejecuta para tal fin, un primer conjunto de instrucciones lógicas. En este caso particular, que es compatible con el resto de realizaciones de la invención, dicho microprocesador también hace las veces de unidad lógica de procesamiento 4, ejecutando para ello un segundo conjunto de instrucciones lógicas que le permite calcular los distintos parámetros de calibración: las líneas de proyección de los puntos representativos de la plantilla, centro de proyección, dirección del eje óptico, superficie optima de decapado, etc.

Además, el método de la invención emplea unos medios de captura de imágenes 3, los cuales, en esta realización particular de la invención, comprenden una cámara 3D Photoneo XS con un área de visión de 150x120 mm aproximadamente y una distancia de enfoque de 180 mm.

El método de calibración comienza con la etapa S1, en la que se proporciona una plantilla de calibración, provista de una serie de puntos representativos, a la unidad de control 2 del cabezal láser 1.

En este caso particular, la plantilla de calibración P empleada es una imagen en forma de tablero de ajedrez mostrada en la Figura 3 y los puntos representativos corresponden a los vértices de los distintos cuadrados que forman dicho tablero de ajedrez. Además, uno de dichos puntos representativos ubicado en el centro geométrico de la plantilla de calibración y que representa el centro geométrico del haz láser.

A continuación, en la etapa S2, la unidad de control 2 acciona el cabezal láser 1 para que realice el trabajo (en esta realización particular de la invención un trabajo de decapado) según la plantilla de calibración, sobre al menos dos superficies S, ubicadas en posiciones y orientación diferentes entre sí. A esta operación también se la conoce como proyectar la plantilla sobre las superficies S. En este caso particular, la proyección se realiza sobre diversas superficies planas y con el cabezal láser 2 funcionando en modo 2D (bidimensional).

Seguidamente, en la etapa S3, se activa la unidad de monitorización 3, para tomar imágenes de cada uno de las proyecciones realizadas la etapa anterior. Como unidad de monitorización se emplea, en este caso particular, una cámara tridimensional, que realiza una captura 3D de la proyección. Como resultado se obtiene una nube de puntos 3D con sus luminosidades.

En la etapa S4, la unidad lógica de procesamiento 4 analiza las imágenes capturadas en la etapa anterior y detecta la posición de los puntos representativos de la plantilla.

Más en particular, en la etapa S5, la unidad lógica de procesamiento 4, calcula las líneas de proyección L (mostradas en la Figura 4) a partir de los puntos representativos de la plantilla en cada uno de las proyecciones realizadas. En este caso particular, las líneas de proyección L se generan tomando las intersecciones de los cuadros del tablero de ajedrez como puntos de interés para la calibración.

En la figura 4 pueden apreciarse, además, la ubicación de la cámara tridimensional 3 y los ejes de coordenadas ubicados en el centro de la misma, así como el centro de proyección C estimado y plano P de trabajo del láser estimado.

La posición de dicho centro de proyección C del cabezal láser 1 (visible en las Figuras 2 y 4), es calculada en la etapa S6 por la unidad lógica de procesamiento 4, como la intersección de las líneas de proyección L.

Después, en la etapa S7, la unidad lógica de procesamiento 4 calcula la dirección del eje óptico E del cabezal láser 1, a partir de las líneas de proyección L de los puntos representativos correspondientes al centro geométrico del haz láser.

Además, en esta realización de la invención (compatible con las restantes realizaciones de la misma), el método de calibración comprende además calcular la superficie optima de trabajo según la siguiente ecuación:

donde:

vrepresenta un vector perpendicular al plano P de trabajo del láser;

p=[x,y,zfes un punto del espacio; y

drepresenta la distancia del plano P al origen de coordenadas.

La superficie óptima de trabajo será aquella formada por los puntos del espacio p=[x,y,z]T que cumplen con dicha ecuación. A saber, dicha superficie óptima de trabajo debe ser perpendicular al eje óptico E y hacer que los puntos resultantes de la intersección de la misma con las líneas de proyección P sea la anchura de los cuadrados del tablero de ajedrez. El cálculo de los parámetros de este plano se calcula teniendo la cuenta que la dirección del planovcoincide con el eje óptico y su distanciadal centro de proyección es aquella que haga que la intersección de las proyecciones con la superficie del plano sea la anchura de los cuadrados del tablero de ajedrez.

A partir del plano de proyección calculado es posible calcular la matriz de transformación cámara 3d-cabezal láser y los parámetros del láser. La intersección del plano con el eje óptico obtiene la traslación entre ambos sistemas de coordenadas. La distancia entre la intersección del plano con el eje óptico al centro de proyección es la distancia focal del láser.

En esta realización de la invención, las piezas a trabajar se colocan de forma que la superficie a decapar de las mismas coincide con la superficie de trabajo óptima, lo que permite maximizar la precisión de las operaciones de decapado y reducir, por tanto, las dimensiones de los errores producidos.

Para ello, en la realización de la invención mostrada en la Figura 1, las piezas a decapar se montan en un robot antropomórfico con 6 grados de libertad, que las desplaza hasta que quedan situadas sobre la superficie de decapado óptima. No obstante, la presente invención también contempla la posibilidad de colocar, de forma manual, dichas piezas a decapar en la correspondiente posición.

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES 1. Método de calibración de un sistema de trabajo con láser, estando dicho sistema provisto de: - un cabezal láser (1), destinado a emitir un haz láser sobre un área de trabajo sobre la que se ubica una pieza a trabajar; - una unidad de monitorización (3) del área de trabajo del cabezal láser, comprendiendo dicha unidad de monitorización medios de captura de datos tridimensionales; caracterizado porque dicho método de calibración comprende las siguientes etapas: a) proporcionar (S1) una plantilla de calibración (P) provista de puntos representativos, a una unidad de control del cabezal láser, comprendiendo dicha plantilla (P) de calibración una forma de tablero de ajedrez y correspondiendo dichos puntos representativos a los vértices de los cuadrados de dicha forma de tablero de ajedrez y representando, uno de dichos puntos representativos el eje óptico del cabezal láser (1); b) mediante la unidad de control (2) del cabezal láser (1), accionar (S2) el cabezal láser (1) para que realice un trabajo según la plantilla de calibración (P), sobre al menos dos superficies (S) ubicadas en posiciones y orientaciones nuevas y diferentes entre sí; c) emplear (S3) la unidad de monitorización (3) para medir, sin desplazar el cabezal láser (1), cada uno de los trabajos realizados en la etapa anterior; d) analizar (S4), las mediciones recogidas con la unidad de monitorización (3) y detectar la posición de los puntos representativos de la plantilla; e) calcular (S5), las líneas de proyección (L) de los puntos representativos de la plantilla utilizando las posiciones de los puntos representativos, obtenidas en la etapa anterior, siendo cada línea de proyección (L) aquella línea que conecta las posiciones de un mismo vértice de un mismo cuadrado en los trabajos realizados; f) calcular (S6) el centro de proyección (C) del cabezal láser (1), como la intersección de las líneas de proyección obtenidas en la etapa anterior; g) calcular (S7) la dirección del eje óptico (E) del cabezal láser (1) a partir de las líneas de proyección de los puntos representativos del eje óptico del haz láser; h) calcular la superficie óptima de trabajo, estando formada dicha superficie óptima de trabajo por el conjunto de puntos del espacio que cumplen con la ecuación:

   donde: vrepresenta un vector perpendicular al plano P de trabajo del láser; p=[x,y,z]Jes un punto del espacio; y drepresenta la distancia del plano P al origen de coordenadas; i) colocar una pieza a trabajar, de modo que la superficie de la pieza que se va a trabajar esté dispuesta en la superficie óptima de trabajo.
2. 2. Método de calibración según la reivindicación 1, en el que los medios de captura de datos tridimensionales de la unidad de monitorización (3) comprenden una cámara tridimensional.
3. 3. Método de calibración según la reivindicación 1, en el que la unidad de monitorización (3) comprende una cámara de visión artificial.
4. 4. Medio legible por ordenador que comprende instrucciones, las cuales, al ejecutarse en un ordenador, hacen que dicho ordenador lleve a cabo las etapas de un método de calibración de un sistema de trabajo con láser, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.
5. 5. Método de trabajo con láser, caracterizado porque comprende una primera etapa de calibración, según un método de calibración de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.
6. 6. Método de trabajo con láser según la reivindicación 5, donde dicho método de trabajo con láser es un método de decapado por láser.