Retroiluminación telecéntrica para la inspección de alta precisión de elementos de fijación y tornillos

La inspección dimensional de elementos de fijación es una de las tareas de medición más exigentes en la visión artificial industrial. Los tornillos, pernos, tuercas, remaches y piezas torneadas de precisión deben mantener tolerancias dimensionales estrechas. El paso de rosca, el perfil de la rosca, el diámetro del vástago, la altura de la cabeza y la longitud total deben medirse con precisión subpíxel a velocidades de línea de producción. Un solo elemento de fijación de tamaño superior o inferior al especificado que llegue a una línea de montaje puede provocar fallos de ensamblaje, incumplimiento de las especificaciones de par de apriete o fallos en campo en aplicaciones críticas para la seguridad.

El sistema de iluminación es la base de cualquier sistema de visión para la medición de elementos de fijación de alta precisión. La detección de bordes con precisión subpíxel depende completamente de producir una imagen con un borde nítido y bien definido en el límite del elemento de fijación. Esto requiere una iluminación de retroiluminación con alta uniformidad, alta intensidad y un perfil de difusión ajustado para mantener la penumbra al mínimo. Cualquier compromiso en la calidad de la iluminación se traduce directamente en incertidumbre de medición.

Por qué la iluminación de retroiluminación es esencial para la medición de elementos de fijación

La medición dimensional de elementos de fijación mediante visión artificial se basa en la detección de la silueta de la pieza sobre un fondo brillante y uniforme. La cámara captura la sombra del elemento de fijación proyectada sobre el fondo iluminado. Los algoritmos de medición detectan los bordes de esta silueta y calculan las dimensiones a partir de las coordenadas de píxel de las posiciones de los bordes.

Este enfoque requiere un retroiluminador que proporcione un fondo brillante y uniforme, completamente libre de puntos brillantes, zonas oscuras o gradientes. Cualquier falta de uniformidad en el fondo introduce un umbral dependiente de la posición en el algoritmo de detección de bordes. La posición aparente del borde se desplaza entonces con el brillo local del fondo, añadiendo un error sistemático a la medición que resulta difícil de calibrar.

Los retroiluminadores RODER Vision de la serie BL están diseñados específicamente para metrología. El valor de uniformidad del área activa es del 95 % o superior en toda la superficie iluminada. Ese nivel de uniformidad mantiene constantes los umbrales de detección de bordes en todo el campo de visión y permite una medición dimensional precisa en cualquier posición dentro del campo.

Iluminación telecéntrica y óptica telecéntrica

En los sistemas de visión estándar, el tamaño aparente de un objeto en la imagen depende de su distancia al objetivo de la cámara. Un objeto ligeramente más cercano al objetivo parece más grande; uno ligeramente más alejado parece más pequeño. Para la medición dimensional, esto significa que cualquier variación en la distancia entre la pieza y el objetivo (debida a variaciones de altura de la pieza, vibraciones del transportador o tolerancias mecánicas en el utillaje) introduce un error de medición.

Los objetivos telecéntricos resuelven esto captando únicamente los rayos paralelos al eje óptico. Un objeto que se desplace hacia el objetivo o se aleje de él no produce ningún cambio en el aumento de la imagen dentro de la profundidad de campo del objetivo telecéntrico. Esto convierte a la óptica telecéntrica en la elección estándar para la medición dimensional cuando se requiere una alta precisión.

Requisitos de iluminación para sistemas telecéntricos

Los objetivos telecéntricos imponen un requisito específico para la iluminación: el retroiluminador debe producir luz en gran medida colimada; es decir, los rayos de luz deben ser paralelos y estar dirigidos a lo largo del eje óptico. Un retroiluminador no colimado produce una penumbra en el borde de la silueta. La penumbra es una zona de transición borrosa entre el fondo brillante y la silueta oscura de la pieza, y su anchura determina la incertidumbre mínima en la detección de bordes.

Para mediciones dimensionales no críticas, un retroiluminador estándar de alta uniformidad con un buen difusor produce una penumbra lo suficientemente pequeña para la precisión requerida. Para las mediciones más exigentes (como el perfil de rosca a gran aumento o el diámetro del vástago con una precisión de ±1 micrómetro), se utiliza retroiluminación telecéntrica. Un retroiluminador telecéntrico incorpora una lente colimadora que produce rayos de luz paralelos en la superficie de salida, lo que mantiene la penumbra al mínimo y genera el borde más nítido posible en la imagen de la cámara.

Medición del perfil y paso de rosca

La inspección de la rosca es la tarea de medición geométricamente más compleja en un elemento de fijación. El perfil de la rosca incluye el paso de rosca, el ángulo de la rosca, el diámetro exterior (mayor), el diámetro interior (menor) y la forma de la rosca. Todos ellos deben estar dentro de las especificaciones para que el elemento de fijación funcione correctamente en la pieza complementaria.

Geometría de adquisición de imagen para la medición de roscas

La medición del perfil de la rosca requiere que el tornillo esté orientado con su eje perpendicular al eje óptico de la cámara. El retroiluminador ilumina el tornillo desde atrás y la cámara captura la silueta del perfil de la rosca. Crestas y fondos de la rosca aparecen como picos y valles periódicos en el perfil del borde de la silueta.

El aumento debe ser suficiente para resolver los detalles individuales de la rosca. Para tornillos M3 con un paso de 0,5 mm, se requiere un aumento que asocie cada paso de rosca a al menos 20 píxeles para lograr una medición precisa del paso y del ángulo. Un aumento superior de 40 a 80 píxeles por paso mejora la precisión de medición, pero reduce el número de roscas visibles en el campo de visión.

Ángulo de iluminación y calidad de la silueta de la rosca

Para la adquisición de imagen de la silueta de la rosca, el retroiluminador debe situarse directamente detrás del eje de la rosca. Cualquier desalineación angular entre el retroiluminador y el eje de la cámara hace que los flancos de la rosca se iluminen parcialmente desde el frente, lo que suaviza el borde de la silueta en el fondo de la rosca. El retroiluminador debe centrarse con precisión detrás de la zona de medición.

La longitud de onda de la iluminación también influye en la precisión de la medición de la rosca. Las longitudes de onda más cortas producen bordes de difracción más nítidos en la imagen de la silueta. La iluminación azul (470 nm) o verde (525 nm) ofrece bordes más nítidos que la roja (617 nm) para el mismo sistema óptico. Para las mediciones de perfil de rosca más exigentes, se prefiere la iluminación de retroiluminación monocromática azul o verde frente a la blanca o roja.

Inspección de la geometría de la cabeza y de la huella

La inspección de la geometría de la cabeza del tornillo abarca el diámetro de la cabeza, la altura de la cabeza y la integridad de la huella. Las huellas (Phillips, Torx, hexagonal hueca, ranurada y otras) deben tener la profundidad especificada y estar libres de daños o deformaciones. Una huella dañada provoca fallos de ensamblaje durante el atornillado automatizado y puede romper la punta del destornillador.

Iluminación con vista superior para la inspección de huellas

La inspección de la huella requiere una cámara superior orientada hacia la cabeza del tornillo. La iluminación coaxial es la técnica más eficaz en este caso. La luz coaxial avanza a lo largo del eje óptico, entra en la huella y se refleja en sus paredes y fondo. El perfil de la huella aparece como un patrón de zonas brillantes y de sombra característico de su geometría y profundidad.

La iluminación de campo oscuro con ángulos rasantes resulta idónea para detectar deformaciones o daños en el borde de la huella. Rebabas, bordes redondeados y daños superficiales que permanecerían invisibles con iluminación coaxial dispersan la luz en condiciones de campo oscuro y aparecen como anomalías brillantes sobre la superficie oscura de la cabeza.

Iluminación anular para características periféricas de la cabeza

La iluminación anular desde la parte superior de la cabeza del tornillo proporciona una iluminación frontal uniforme para inspeccionar la geometría periférica de la cabeza, incluidos el diámetro de la valona , la presencia de arandela y el marcado superficial. La iluminación anular con un ángulo moderado produce una imagen brillante y uniforme de la superficie superior de la cabeza del tornillo, adecuada para la lectura de marcados, la verificación del acabado superficial y la medición geométrica del perímetro de la cabeza.

Medición de la longitud, diámetro del vástago y punta

La longitud total del elemento de fijación, el diámetro del vástago y la geometría de la punta son los tres parámetros dimensionales críticos restantes para la mayoría de tipos de tornillos. Los tres se miden a partir de la imagen de la silueta de vista lateral mediante iluminación de retroiluminación.

La longitud total se mide como la distancia entre la parte superior de la cabeza y el extremo de la punta en la imagen de la silueta. La precisión de la medición depende de la calibración del aumento y de la uniformidad del retroiluminador. El diámetro del vástago se mide en múltiples posiciones a lo largo de este para comprobar si existen conicidades, ovalidades o variaciones de diámetro. La geometría de la punta (ángulo de conicidad, longitud de la punta y simetría de la punta) se mide a partir de la silueta de la región del extremo.

La pieza debe mantenerse con su eje exactamente perpendicular al eje óptico de la cámara durante la medición. Cualquier inclinación del eje del elemento de fijación acorta en perspectiva la silueta y añade un error tanto a la medición de longitud como a la de diámetro. Los utillajes de presentación de piezas deben limitar la posición angular del elemento de fijación a menos de 0,1° para lograr mediciones de longitud de alta precisión.

Consideraciones de integración para la inspección de elementos de fijación en línea

Los sistemas de inspección de elementos de fijación en línea deben gestionar piezas suministradas por alimentadores de tazón, pistas vibratorias o cintas transportadoras con una elevada productividad. El sistema de iluminación debe adaptarse a estos mecanismos de presentación y a los requisitos de disparo del sistema de visión.

El funcionamiento en modo estroboscópico es esencial para la inspección de elementos de fijación en línea. Las piezas se mueven de forma continua sobre la pista o el transportador. El iluminador se activa con impulsos de muy corta duración (típicamente de 10 a 100 microsegundos) sincronizados con la exposición de la cámara. Este pulso corto congela por completo el movimiento del elemento de fijación, independientemente de la velocidad de la línea. Los retroiluminadores RODER Vision de la serie BL3 admiten disparo estroboscópico con intensidades de pico varias veces superiores al rendimiento en modo continuo, ofreciendo imágenes sin desenfoque de movimiento y alto contraste a elevadas cadencias de producción.

Productos y tecnologías

Familias de iluminadores RODER Vision para la inspección de elementos de fijación

Las siguientes familias de productos de RODER Vision están optimizadas para la medición dimensional de elementos de fijación y la inspección de huellas.

Preguntas frecuentes