Triangulación en metrología

La precisión y la fiabilidad de los resultados tienen la máxima prioridad en metrología. Es la única manera de garantizar que los componentes cumplen las normas de calidad y seguridad. La triangulación, es decir, la medición de distancias mediante el cálculo de ángulos a partir de triángulos, es un método de medición que puede utilizarse para registrar las superficies de los objetos. En esta página aprenderá cómo se utiliza la triangulación en metrología y en qué consisten la proyección de luz estructurada y el método de sección de luz.

En metrología, el método de triangulación se utiliza para medir objetos con ayuda de puntos y líneas láser individuales o, como en la imagen superior, con patrones de luz completos. Una o varias cámaras con sensores registran el ángulo con el que la luz se refleja en el objeto, o los patrones de luz se deforman en la superficie, así como el brillo y la distancia. De este modo, la irradiación de luz y la medición de ángulos producen una imagen global completa de la superficie del objeto medido.

La triangulación ya se utilizaba en Europa y América en el siglo XVII, pero para los levantamientos topográficos. Ahí es donde se originó el principio. En la topografía por triangulación, un área se divide en triángulos para medir la distancia. Para los triángulos, basta con conocer los ángulos y una línea de base para calcular fácilmente las longitudes que faltan por trigonometría.

Hoy en día, el principio de triangulación se utiliza mucho más allá de la topografía, por ejemplo en fotogrametría o escaneado 3D. En metrología, la triangulación se utiliza principalmente para inspeccionar componentes. Para ello existen dos métodos de triangulación diferentes:

• Proyección de luz estructurada (proyección de franjas)
• Triangulación láser (triangulación mediante métodos de sección óptica)

La triangulación láser funciona con un único punto o línea láser que se refleja en el objeto medido y luego es detectado por sensores. Según el principio de la proyección de luz estructurada, se proyecta un gran patrón de luz sobre el objeto que se desea medir. Una o varias cámaras con sensores captan la forma del patrón luminoso, que se deforma en la superficie del objeto. Ambos métodos se utilizan con frecuencia en metrología; en función de la tarea de medición, resulta más adecuado uno u otro principio de medición. Profundice en la triangulación 3D con láser y proyección de franjas y encuentre el método adecuado para su proyecto.

En la triangulación con proyección de franjas, diferentes patrones luminosos en forma de franjas o puntos se proyectan uno tras otro sobre un objeto de prueba para cartografiar la forma exacta en un modelo 3D. Para ello, se apunta a una superficie plana con un proyector y, junto a él, al menos una cámara con sensores, pero normalmente dos. Las cámaras conocen la distancia entre ellas y la superficie, así como el ángulo en el que el patrón de luz se proyecta sobre el objeto. Para iniciar la medición con la proyección de luz estructurada, se coloca el objeto de prueba sobre la superficie. Los patrones de luz se proyectan sobre el objeto y se deforman en función de la forma de la superficie. Estos patrones de puntos o franjas alterados son detectados por las cámaras, proporcionando la información necesaria para calcular la distancia de cada punto de la superficie en el campo de visión. El resultado es lo que se conoce como nube de puntos (malla STL), es decir, una imagen precisa del objeto medido formada por muchos pequeños puntos de medición.

La luz utilizada para la exploración con proyección de franjas puede ser azul o blanca. Sin embargo, la mayoría de las veces se utiliza luz azul para reducir la difracción y las influencias de la luz ambiente en la medición. La superficie sobre la que se coloca el objetivo suele ser negra para evitar los reflejos de la luz.

Debido a la alta velocidad de escaneado, especialmente con la adquisición simultánea de muchas mediciones, la proyección de luz estructurada es muy adecuada para tareas de inspección industrial, como:

• Control de forma, posición y contorno
• Comparación de zonas, comparación objetivo/real
• Integridad
• Posición de los componentes en los conjuntos
• Posicionamiento del corte

El principio de la proyección de luz estructurada también se utiliza con frecuencia en medicina forense, ya que es adecuado incluso para los objetos más pequeños. La proyección de franjas es bastante inadecuada para medir objetos transparentes o muy reflectantes.

Ventajas de la proyección de luz estructurada:

• Información areal 3D con resolución constante
• Alta densidad de puntos de medición
• Alta velocidad de medición
• Configuración de medición flexible y portátil

Desventajas de la proyección de luz estructurada

• Mayores exigencias a la tecnología de proyección
• Las superficies translúcidas o reflectantes pueden requerir un tratamiento previo
• La luz ambiental puede influir en las mediciones
• Las superficies rugosas dificultan la medición de distancias con un punto láser (las líneas láser no se ven afectadas)

La configuración de una medición con el método de la sección de luz, que también se basa en la triangulación, es similar a la de la proyección de luz estructurada. Se coloca un objeto de medición sobre una superficie plana, normalmente una mesa giratoria, y encima un proyector y una cámara o sensor. Estos tres puntos forman el triángulo de triangulación, que puede utilizarse para realizar los cálculos. Sin embargo, en comparación con la proyección de franjas, en la que se proyecta un patrón de franjas o puntos sobre el objetivo, la triangulación con láser utiliza un único punto o línea láser. El factor decisivo aquí tampoco es la deformación directa de la luz en la superficie, sino la reflexión de la luz. La superficie del objeto medido refleja la línea o punto láser proyectado en la dirección de la cámara. La cámara detecta el reflejo y calcula la distancia de cada punto del campo de visión en función del ángulo de reflexión.

Dado que la línea o el punto láser sólo capta una parte del objeto y no toda la superficie en una sola exploración, como ocurre con la proyección de luz estructurada, es necesario desplazar el objeto de medición o los sensores. Por lo tanto, una instalación de medición estable es esencial para la triangulación con el método de la sección luminosa para garantizar una alta precisión de la medición.

Con el principio de medición de la triangulación láser, se pueden realizar mediciones muy precisas en los rangos micrométricos más pequeños. Pero incluso las distancias mayores no suponen ningún problema con el método de triangulación por secciones luminosas. Por lo tanto, este método de triangulación es un método de medición popular en los procesos de fabricación industrial. Puede utilizarse para el control de calidad, la medición de perfiles y contornos, así como para determinar el grosor del material, las vibraciones y las distancias. Con la triangulación óptica láser, los objetos defectuosos pueden detectarse a tiempo y retirarse de los procesos de fabricación para su reparación o reciclado. Para los metales brillantes, la medición con triangulación láser suele ser mejor que con proyección de franjas. La reflexión podría proporcionar señales erróneas en el principio de medición con patrones de franjas, mientras que el método con láser funciona exactamente con esta reflexión. Las superficies demasiado brillantes pueden seguir causando problemas al medir con triangulación. El principio de la triangulación láser también se utiliza con frecuencia en las industrias del embalaje y la madera, la logística, la tecnología médica y la producción electrónica.

La triangulación láser funciona con luz láser azul o roja. La luz roja penetra en el objetivo, mientras que el láser azul forma un punto o una línea nítida en la superficie. Además, el láser azul puede proporcionar resultados precisos en objetos incandescentes, mientras que los sensores rojos se irritan con los metales incandescentes rojos y proporcionan señales falsas. Para las superficies oscuras, los láseres rojos pueden mostrar su ventaja, ya que proporcionan una mayor intensidad luminosa. Las superficies rugosas también se miden con láser rojo mediante triangulación; la luz azul es más adecuada para las superficies lisas.

Ventajas de los escáneres láser:

• Independencia de las condiciones de luz ambiental
• Gran precisión de las mediciones
• Alta velocidad de medición
• El cabezal del sensor puede montarse en sistemas de medición existentes, por ejemplo, en una máquina de medición de coordenadas
• Los metales brillantes pueden medirse

Desventajas de los escáneres láser:

• Posible pérdida de resolución debido a la granulación y el movimiento del láser
• No hay fiabilidad del proceso, ya que las mediciones dependen de la temperatura
• Los objetos muy brillantes o translúcidos son difíciles de medir

Con los sensores de triangulación ATOS puede realizar mediciones extremadamente precisas y obtener resultados fiables. Dos cámaras y un proyector permiten realizar procesos de medición con los métodos de proyección de luz estructurada y de sección de luz.

Los digitalizadores 3D ATOS ofrecen un detalle muy especial: Los sensores de triangulación derecho e izquierdo pueden utilizarse individualmente en combinación con el proyector. Esto significa que se pueden capturar tres vistas diferentes del objeto medido con una sola exploración. Esto puede ahorrar mucho tiempo, ya que el número de escaneados individuales se reduce considerablemente, incluso en el caso de componentes complejos.

Otra ventaja de este método de Triple Scan es la sobredeterminación. Al capturar el componente con dos cámaras al mismo tiempo, se recoge más información de la que se necesitaría para cartografiar el modelo 3D. Más datos significa mayor precisión. Se detecta el movimiento del sensor y del objetivo, así como los cambios en el entorno, se comprueba la precisión de la transformación y se realiza un seguimiento en directo de la posición del sensor 3D. Esto permite realizar mediciones con la máxima precisión y aumenta la fiabilidad del proceso. El siguiente gráfico muestra el proceso de Triple Scan con sobredeterminación mediante sensores ATOS.

En la proyección de luz estructurada, los sensores de triangulación ATOS funcionan con Blue Light Technology: la luz azul de banda estrecha de la unidad de proyección permite al escáner realizar mediciones precisas independientemente de las condiciones de luz ambiental e incluso en superficies brillantes. Gracias al funcionamiento integral de los sensores de triangulación, se crea una imagen precisa del objeto.

Para realizar mediciones con la proyección de franjas, se proyecta un patrón de franjas estructurado sobre el objeto que se desea medir. El patrón de franjas codificadas cambia rápidamente durante la exploración y apenas es visible para el ojo humano. Aquí es donde entra en juego la funcionalidad de los escáneres de luz de franja. Los dos sensores de triangulación detectan las franjas cambiantes y las utilizan para calcular las coordenadas 3D de cada píxel de la cámara mediante ecuaciones de transformación óptica. Millones de puntos de medición con los más mínimos detalles se capturan así sin contacto en sólo unos segundos. El software del sensor crea automáticamente una nube de puntos de alta resolución que representa una imagen precisa del objeto de medición.

Con la potente combinación de los sensores ATOS y el sistema de medición fotogramétrica TRITOP, incluso las inspecciones de objetos grandes y complejos no suponen ningún problema. TRITOP se utiliza para medir puntos de referencia en el componente, mientras que ATOS utiliza los puntos de referencia para transformar automáticamente las mediciones individuales. De este modo se consigue una precisión muy elevada y se puede prescindir en gran medida de las mediciones superpuestas. Esta inmejorable combinación es especialmente útil para la inspección de primer artículo, la fabricación de herramientas y la carrocería de automóviles. Usted también puede utilizar la potente combinación de ATOS y TRITOP para sus complejos procesos de medición.