Metrología at-line robótica: cuándo añadir una estación óptica basada en cámara

Aviso sobre las pruebas: esta página es una guía de ingeniería independiente basada en información pública de la empresa Eleven Dynamics AG. No es un caso de cliente, una afirmación de base instalada, un respaldo ni una declaración de compatibilidad verificada. No se identifica ninguna cámara, objetivo telecéntrico ni cabeza de medición POMEAS como instalados en la plataforma citada, y el estado de integración o de compra es UNKNOWN.

«Metrología at-line» es una frase que esconde una decisión. Una celda robótica que pasa una pieza ante una cámara puede producir una imagen, y la imagen puede procesarse hasta convertirla en un número, pero el número solo es una medición si toda la cadena desde el dato de la pieza hasta el valor informado ha sido caracterizada. La pregunta que vale la pena hacer antes de añadir una estación de cámara no es si el robot alcanza la posición de inspección. Es si la incertidumbre combinada de una estación basada en cámara puede mantenerse suficientemente pequeña, en relación con la tolerancia, para valer el tiempo de ciclo que consume.

Esta página responde a esa pregunta en el orden en que debería hacerse: primero la incertidumbre, segundo la geometría, tercero el tiempo de ciclo y por último la propiedad de la interfaz. También declara dónde una estación de cámara es el instrumento equivocado, porque una celda robótica es un lugar caro para descubrir que la presentación de la pieza se mueve más de lo que la tolerancia permite.

Un robot es movimiento, no metrología

Un brazo de seis ejes se especifica por repetibilidad, normalmente en decenas de micrómetros, y por exactitud absoluta, normalmente un orden de magnitud peor. Ninguno de los dos números es una incertidumbre de medición, porque ninguno describe la geometría de la característica medida. Cuando la cámara se monta en el brazo, el error de posicionamiento del brazo entra dos veces en la cadena: una como cambio de ángulo de visión respecto a la pieza y otra como cambio de distancia de trabajo. Si en cambio la pieza la sujeta el robot y se presenta a una cámara fija, los mismos errores aparecen como cambio de pose en el campo de visión.

Por eso una estación de cámara sobre un robot tiene dos arquitecturas posibles y no son equivalentes. Una cámara fija con pieza presentada por robot puede usar una cadena óptica montada rígidamente, una calibración fija y una geometría de iluminación estable, lo que minimiza la incertidumbre óptica pero exige que el robot presente la pieza de forma consistente. Una cámara en el brazo alcanza características que una estación fija no puede ver, pero su calibración debe tener en cuenta la pose, y cada pose se convierte en un estado de calibración. La primera arquitectura es más fácil de calificar; la segunda es más fácil de justificar por alcance.

Qué integra realmente una plataforma abierta

Eleven Dynamics describe públicamente EDAS como una plataforma abierta de automatización que conecta máquinas, sensores y datos de producción para metrología inline y at-line. La palabra «abierta» describe la capacidad del software de intercambiar datos con dispositivos; no establece compatibilidad nativa con ningún controlador óptico, esquema de disparo o fieldbus en particular, y desde luego no establece que se haya integrado una cabeza de medición POMEAS. Esas preguntas deben responderlas ambos proveedores por escrito, con un protocolo y un diagrama de sincronización, antes de que una cotización tenga sentido.

Cuatro preguntas que deciden si una estación de cámara tiene sitio

Primera, ¿la pieza se posiciona mecánicamente o llega en una pose arbitraria? Una cámara mide lo que puede ver desde una dirección, así que las características de una cara oculta necesitan una segunda vista o una reorientación, y lo segundo cuesta tiempo de ciclo. Segunda, ¿cuál es la tolerancia y qué fracción de ella puede consumir la medición? Una estación de cámara que consume la mayor parte de una tolerancia ha eliminado el margen de proceso que se compró para proteger. Tercera, ¿qué tiempo de ciclo hay por pieza, incluidos asentamiento, exposición y procesado? Cuarta, ¿quién es el dueño del marco de coordenadas y de la decisión de rechazo cuando la plataforma, la cámara y el PLC tienen todos una opinión?

Una respuesta negativa a la primera pregunta no es definitiva, pero cambia el diseño: un nido de posicionamiento o un tope cinemático suele ser más barato que un algoritmo de visión que lidie con poses arbitrarias, y mucho más fácil de validar. Una respuesta negativa a la cuarta sí es definitiva en la práctica, porque dos sistemas que ambos afirman decidir aprobado o rechazado acabarán discrepando sobre una pieza real.

El presupuesto de incertidumbre, con números

Tomemos una tolerancia hipotética de más o menos 0.10 mm en una dimensión plana. Supongamos que la calibración de la cámara contribuye una incertidumbre típica de 0.015 mm, el utillaje y la localización de la pieza 0.025 mm, y los efectos térmicos en el rango de trabajo 0.010 mm, tratados como independientes. La incertidumbre típica combinada es la raíz de la suma de cuadrados.

Frente a una tolerancia de más o menos 0.10 mm, una incertidumbre expandida de 0.0616 mm es el 31 por ciento de la anchura de la tolerancia, o el 62 por ciento de la tolerancia unilateral. La regla de trabajo convencional es que la incertidumbre de medición no debería consumir más de una décima parte de la tolerancia, así que este presupuesto no pasa, y la aritmética dice por qué: el utillaje por sí solo contribuye 0.025 mm como incertidumbre típica, que es un cuarto de la tolerancia antes de añadir nada más. La respuesta no es un objetivo mejor. Es un nido de posicionamiento, un dato repetible o una tolerancia más holgada en esa dimensión concreta.

Observe lo que el presupuesto excluye: la pose del robot, la detección de bordes del algoritmo, la variación de iluminación y el error de forma entre piezas. Esos términos pertenecen a la misma tabla cuando se miden, y su ausencia es la razón de que los números de arriba sean ilustrativos y no certificativos. Un presupuesto que solo lista los términos ópticos es un presupuesto que ya ha descartado la mitad difícil.

Geometría: lo que un campo telecéntrico elimina del presupuesto

Un término que la óptica sí puede eliminar es el cambio de escala causado por la distancia de trabajo. Un objetivo telecéntrico mantiene el aumento constante dentro de su profundidad de campo, por eso una pieza presentada a una altura ligeramente distinta mide lo mismo. Los valores publicados de POMEAS hacen explícito el compromiso: un objetivo bi-telecéntrico de 1.0X con un campo de objeto de 18.4 mm mantiene 0.75 mm de profundidad de campo a una distancia de trabajo de 110 mm con telecentricidad por debajo de 0.1 grados y distorsión por debajo del 0.1 por ciento, mientras que un campo mayor cuesta profundidad de campo y una distancia de trabajo más corta cuesta holgura.

Esa profundidad de campo es el número que hay que comparar con el error de presentación del robot, no con su especificación de repetibilidad. Si la pieza puede llegar un milímetro más alta o más baja que lo enseñado, 0.75 mm de profundidad de campo no bastan y la estación necesita un tope mecánico o un mecanismo de autofoco, y ambos cambian el tiempo de ciclo. Si la presentación la sujeta un nido, 0.75 mm es generoso.

Para mediciones en un rango de tamaños y no en una dimensión fija, un zoom motorizado es el compromiso práctico: un rango de 0.68X-5.0X a una distancia de trabajo de 80 mm cubre varias familias de piezas en una sola estación. La condición, de nuevo, es que la posición del zoom sea repetible y que la escala en cada posición esté calibrada; un zoom cuya magnificación solo se conoce con un error de unos pocos puntos porcentuales es una ayuda de visión. Donde la estabilidad de escala importa más que el rango, el macro zoom telecéntrico de 0.5X-1.0X mantiene la distorsión por debajo del 0.02 por ciento con una distancia de trabajo entre 75 y 106 mm.

Aritmética del tiempo de ciclo

Considere un ciclo ilustrativo: 2.0 s de movimiento del robot hasta la posición de inspección, 0.3 s de asentamiento, una exposición de decenas de microsegundos y 0.15 s de procesado de imagen y transmisión del resultado. La estación ocupa 2.45 s por pieza, que son 1,469 piezas por hora si la celda nunca espera. Con una disponibilidad realista del 80 por ciento eso son unas 1,175 piezas por hora, y si la línea corre más rápido, la estación de cámara se convierte en el cuello de botella.

Se siguen dos conclusiones. El movimiento y el asentamiento dominan el presupuesto, no la imagen: la exposición es despreciable y el procesado es pequeño, así que comprar una cámara más rápida rara vez compra tiempo de ciclo, mientras que acortar el desplazamiento o rigidizar el utillaje a menudo sí. Y un tiempo de asentamiento que se especifica en lugar de medirse es una suposición: la vibración tras un movimiento rápido decae en un periodo que depende de la estructura, y la única forma fiable de fijar el retardo de disparo es imaginar un blanco de referencia repetidamente con retardos decrecientes hasta que el valor medido deje de moverse.

Fronteras de interfaz y de propiedad

Escriba antes de la instalación quién proporciona el disparo, cuál es la latencia del disparo, cuál es el protocolo de resultados, dónde viven las constantes de calibración y qué sistema decide un rechazo. El modo de fallo que hay que evitar es una estación donde la cámara calcula un valor, la plataforma aplica una corrección y el PLC aplica otra: tres sistemas comportándose correctamente cada uno y una dimensión informada que no pertenece a ninguno.

En el mismo documento pertenecen otros dos puntos. La iluminación debe estar bajo el control del mismo disparo que la cámara, porque un estroboscopio que dispara en el momento equivocado produce una imagen plausible con la escala equivocada. Y el resultado de la medición debe llevar la revisión de calibración y la posición del zoom, si la hay, para que un resultado pueda rastrearse hasta el estado de la estación que lo produjo.

Protocolo piloto

Ejecute mediciones repetidas sobre una pieza de referencia en múltiples posiciones del volumen de trabajo y a lo largo de al menos dos turnos. Registre la pose del robot, la temperatura ambiente, la exposición, la fecha de calibración, el operador y la característica medida, porque una deriva que no puede atribuirse es una deriva que no puede corregirse. Compare los resultados con un instrumento de referencia trazable y mida el tiempo de ciclo completo de la estación y no solo el de imagen. Si la misma pieza medida en la misma posición en dos turnos discrepa más de lo que predice el presupuesto, al presupuesto le falta un término, y el término que falta suele ser térmico o mecánico antes que óptico.

Preguntas frecuentes

¿Es la repetibilidad del robot igual a la exactitud de medición?

No. La repetibilidad describe la consistencia con la que el brazo vuelve a una pose enseñada; la exactitud describe lo cerca que está esa pose de la pretendida en el marco de la máquina. Ninguna es una incertidumbre de medición para una característica, porque ambas omiten la cadena óptica, el dato de la pieza y el algoritmo. Un robot repetible presentando una pieza a una estación de cámara mal calibrada produce un número erróneo repetible, que es el peor resultado porque parece estable.

¿Se puede montar una cabeza de medición HM en cualquier robot?

La viabilidad mecánica y de interfaz no está verificada para ningún robot concreto. La serie HM publicada cubre rangos de medición de 15 mm a 120 mm con repetibilidad entre 0.05 µm y 0.2 µm según el modelo, y una cabeza en ese nivel de rendimiento necesita un soporte cuya deflexión y comportamiento térmico sean conocidos, además de una interfaz de comunicación que la plataforma soporte de verdad. Ambas preguntas deben responderlas los dos proveedores y no asumirse a partir de un patrón de montaje.

¿Cuánta tolerancia puede consumir una estación de cámara?

Una regla de trabajo habitual es que la incertidumbre de medición consuma una décima parte de la tolerancia. En el presupuesto ilustrativo de esta página la incertidumbre expandida llega a 0.0616 mm frente a una tolerancia de más o menos 0.10 mm, que es el 31 por ciento de la anchura de la tolerancia y está claramente fuera de esa regla. Allí el contribuyente dominante es el utillaje y no la óptica, lo cual es típico: la mejora más barata suele ser un mejor dato, no un mejor objetivo.

¿Es mejor una cámara en el brazo del robot que una estación fija?

Resuelven problemas distintos. Una cámara en el brazo alcanza características que una estación fija no puede ver, al precio de un estado de calibración por pose y de un presupuesto de incertidumbre mayor. Una estación fija con pieza presentada por robot mantiene la cadena óptica rígida y la geometría de iluminación estable, lo que hace la calificación mucho más fácil, pero exige una presentación repetible. Elija por la medición, no por la comodidad mecánica.

Próximo paso

Envíe el plano de la característica con tolerancias, el método de presentación, el tiempo de ciclo disponible y el método de medición actual. La primera respuesta es un presupuesto, no una recomendación de objetivo, porque el presupuesto decide si una estación de cámara es capaz antes de elegir la óptica. Para la cadena alrededor, la guía del sistema de medición dimensional en línea cubre cómo se configura una estación fija, el presupuesto de error de medición de diámetro en línea recorre los mismos contribuyentes sobre una característica cilíndrica, y la comparación entre calibre, confocal y visión cubre las clases de instrumento que compiten por este trabajo. La nota sobre la integración con PLC y la clasificación cubre la frontera de interfaz, y el análisis de la deriva telecéntrica cuando la pieza se mueve cubre lo que ocurre cuando el error de presentación excede la tolerancia óptica. El sistema de medición telecéntrico HM y la gama de objetivos telecéntricos llevan los datos actuales de los modelos, y la página de contacto es a donde va el plano.