Aparato y método para la medición en línea industrial de la topografía micrométrica y de la ondulación de productos en movimiento.

Sensor de microscopio para llevar a cabo un método para medir sin contacto la ondulación

(Wa), con un valor de corte elevado de 5 mm, de una superficie en movimiento, que comprende:

- un microscopio industrial que tiene un aumento adecuado para obtener un campo de visión de imagen en el intervalo de 1.000 μm y/o una resolución de al menos 0.5 μm, una distancia de trabajo mayor de 10 mm y una profundidad de campo mayor de 15 μm;

- una fuente de láser pulsado en el orden de nanosegundos con una frecuencia de al menos V/(FOV-O) en s-1, donde V es la velocidad máxima de la superficie, en m/s, FOV es el campo de visión en la dirección de desplazamiento, en m y O es la superposición entre imágenes consecutivas en m, para emitir un haz a través de fibra óptica para proyectar una línea micrométrica superpuesta a una iluminación de fondo, siendo dicha línea proyectada sustancialmente paralela a la dirección de desplazamiento;

- un acoplamiento de fibras para acoplar cada fibra óptica al láser usando una lente plano-convexa diseñada para enfocar sustancialmente todo el haz láser en el núcleo de la fibra;

- una cámara matricial de alta velocidad que tiene al menos la misma frecuencia que la frecuencia del láser, un campo de visión de al menos 600 μm y una óptica adecuada con una resolución espacial de preferiblemente 0,5 μm; - un medio de enfoque que comprende un sensor de distancia;

- al menos una mesa de posicionamiento de alta precisión para el enfoque;

- un medio de control electrónico para la sincronización externa de la cámara y el láser y para recalcular la frecuencia de la señal de sincronización en tiempo real;

- medios de hardware y software para cooperar con la cámara matricial para capturar a alta frecuencia una pluralidad de imágenes individuales de la superficie en movimiento con una superposición lateral, obteniéndose cada una de dichas imágenes en una iluminación de fondo, calculando un perfil de la superficie a partir de la deformación de una línea láser proyectada sobre la superficie según un ángulo dado, y sustancialmente paralela a la dirección de desplazamiento; para montar por stitching imágenes consecutivas, y para el ajuste de línea, a fin de obtener un perfil de superficie en bruto de la longitud del perfil nominal definido por un valor de frecuencia de corte elevado; para filtrar el perfil de superficie en bruto, a fin de separar los datos de rugosidad y de ondulación y para calcular los parámetros de rugosidad y de ondulación.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E11163746.

Solicitante: CENTRE DE RECHERCHES METALLURGIQUES ASBL - CENTRUM VOOR RESEARCH IN DE METALLURGIE VZW.

Nacionalidad solicitante: Bélgica.

Dirección: Boulevard de l'lmpératrice 66 1000 Bruxelles BELGICA.

Inventor/es: MOREAS,GENEVIEVE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA LONGITUD, ESPESOR O DIMENSIONES LINEALES... > Disposiciones de medida caracterizadas por la utilización... > G01B11/25 (mediante la proyección de un patrón, p. ej.franjas de Moiré, sobre el objeto (G01B 11/255 tiene prioridad))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA LONGITUD, ESPESOR O DIMENSIONES LINEALES... > Disposiciones de medida caracterizadas por la utilización... > G01B11/30 (para la medida de la rugosidad o la irregularidad de superficies)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO MECANICO DE LOS METALES SIN ARRANQUE SUSTANCIAL... > LAMINADO DE METALES (operaciones auxiliares en relación... > Métodos y dispositivos de medida especialmente adaptados... > B21B38/02 (para medida de la planta o perfil de las láminas)

PDF original: ES-2530619_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Aparato y método para la medición en línea industrial de la topografía micrométrica y de la ondulación de productos

en movimiento

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método para la medición en línea exacta de la ondulación de una superficie de un producto industrial en movimiento en base a técnicas de microscopio.

La invención también se refiere a un aparato para llevar a cabo el método.

Antecedentes técnicos y técnica anterior

Se sabe que una topografía de superficie se refiere básicamente a la información horizontal y vertical en la variación de altura de una superficie, que puede dividirse en (micro) rugosidad (Ra) y ondulación (Wa). Generalmente, la rugosidad por definición incluye sólo variaciones de altura que tienen una separación horizontal o una longitud de onda de entre 5 y 10 veces la distancia vertical de pico a valle, que corresponde a las longitudes de onda típicamente por debajo de 2,5 mm.

Por otro lado, ondulación se refiere a componentes estructurales con longitudes de onda más largas de aproximadamente entre 1 y 30 mm (véase la figura 1).

Ondulación significa, en general, una desviación de forma de una superficie en el intervalo de longitud de onda por encima de la rugosidad, es decir, la forma por encima de la frecuencia de corte habitual (Le) de principalmente 0,8 o 2,5 mm en el caso del acero.

Si la ondulación de una chapa de acero está por encima de los límites predefinidos, el usuario de acero no acepta el producto, ya que produce desechos o mala calidad en su posterior procesamiento, tal como embutición profunda, pintura intensa o cepillado excesivo. Como la ondulación, excepto para superficies muy brillantes, la mayoría de las veces no es visible a simple vista antes de la pintura, se requiere una medición para evaluar su nivel. Hoy en día, esto se hace mediante el uso de perfilómetros en muestras estáticas desde la cola o la cabeza de algunas bobinas. Sin embargo esta medición generalmente no está disponible para toda la bobina y, por otra parte, sólo se realiza en algunas (1 de cada 5 por término medio). No obstante, el valor de ondulación es cada vez más importante para los clientes, especialmente los de la industria automotriz, que requieren una mejor calidad para evitar desechos y tratar de poner menos pintura sobre el producto de acero sin perder calidad en el aspecto.

El documento JP 6307840 A da a conocer un método para la medición sin contacto de la rugosidad y de la ondulación de una superficie que tiene una alta velocidad de alimentación tal como en un proceso en línea para laminar metal, mediante el uso de una señal de error detectada como una señal de error focal para servomovimientos a través del cálculo hasta la banda de alta frecuencia. Por consiguiente, una irregularidad de superficie clara de una placa de acero se detecta como un error focal desde la posición de enfoque y se incluye en la señal de falta de uniformidad de la superficie. Mediante un filtro de paso de banda, esta señal se emite de forma divergente a las respectivas señales de rugosidad y de ondulación.

El documento US 6.556.945 B1 describe un sistema para la medición de irregularidades formadas por ranuras y/u ondas largas en una superficie de un objeto mediante el uso de una plataforma de medición. El sistema mueve el objeto y la plataforma de medición uno con respecto a la otra y proyecta desde la plataforma de medición un rayo de luz que se extiende en una dirección del desplazamiento sobre una superficie del objeto según un ángulo de proyección fijo que está inclinado con respecto a una superficie perpendicular a la superficie. El rayo de luz se reproduce en un fotorreceptor plano sensible a la posición con una pluralidad de exposiciones instantáneas consecutivas del fotorreceptor, donde el fotorreceptor está dispuesto de manera fija sobre la plataforma de medición con un ángulo de registro que está inclinado con respecto al ángulo de proyección fijo. El sistema registra la superficie a lo largo de la dirección del desplazamiento con una pluralidad de imágenes de rayos de luz continuos y determina un perfil de superficie de la superficie a lo largo de la dirección de desplazamiento a partir de las deformaciones en la pluralidad de las imágenes de rayos de luz.

El documento G. Moreas et al., "Sensor avanzado para topografía en línea en líneas continuas", La Revue de Métallurgie-CIT, vol. 103, n° 5, mayo de 2006, pp. 233-237, describe un sensor, desarrollado por CRM en colaboración con Sidmar, que captura imágenes muy ampliadas de un producto de banda de acero en movimiento. El sensor avanzado proporciona la oportunidad, mediante análisis en tiempo real de la superficie, de mejorar la calidad de la producción. Da la información que se puede utilizar para ajustar las condiciones de producción y para obtener la gama de rugosidad Ra requerida por el cliente.

El documento DE 199 32 324 A1 describe un proceso para determinar la ondulación y/o la planeidad de una banda que comprende calcular la posición de la superficie de la banda en referencia a los puntos y/o en referencia a las

líneas en un espacio, modelando una superficie de soporte virtual en esta superficie y calculando la ondulación a partir de las desviaciones de la superficie desde la superficie de soporte. Una reivindicación independiente también se incluye para un dispositivo que incorpora un medidor de distancia para determinar la ondulación y/o la planeidad de una banda.

Objetos de la invención

La presente invención tiene como objetos la aplicación de un sistema en línea para la medición de la ondulación de una banda fabricada industrialmente tal como una banda de acero y el reconocimiento de su tipo durante el proceso de producción.

También pretende su utilización para cualquier producto para el que tenga que ser medido el perfil de microaltura 10 alargado.

Resumen de la invención

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un sensor de microscopio para llevar a cabo el método para medir sin contacto la ondulación (Wa) de una superficie en movimiento, como se describe anteriormente, que comprende:

- un microscopio industrial que tiene un aumento adecuado para obtener un campo de visión de imagen en el

intervalo de 1000 pm y/o una resolución de al menos 0.5 pm, una distancia de trabajo mayor de 10 mm y una profundidad de campo mayor de 15 pm;

- una fuente de láser pulsado en el orden de nanosegundos con una frecuencia de al menos V / (FOV-O) en s"1, donde V es la velocidad máxima de la superficie, en m/s, FOV es el campo de visión en la dirección de

desplazamiento, en m y O es la superposición entre imágenes consecutivas en m, para emitir un haz a través de fibra óptica a fin de proyectar una línea micrométrica superpuesta a una iluminación de fondo, siendo dicha línea proyectada sustanclalmente paralela a la dirección de desplazamiento;

- un acoplamiento de fibras para acoplar cada fibra óptica al láser usando una lente plano-convexa diseñada para enfocar sustancialmente todo el haz láser en el núcleo de la fibra en el límite de densidad de energía soportada por

la fibra;

- una cámara matrlclal de alta velocidad que tiene al menos la misma frecuencia que la frecuencia del láser, un campo de visión adaptado a la precisión requerida, de preferencia de al menos 600 pm y una óptica adecuada con una resolución espacial de 0,5 pm;

- un medio de enfoque que comprende un sensor de distancia;

- al menos una mesa de posicionamiento de alta precisión para el enfoque;

- un medio de control electrónico para la sincronización externa de la cámara y el láser y para recalcular la frecuencia... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Sensor de microscopio para llevar a cabo un método para medir sin contacto la ondulación (Wa), con un valor de corte elevado de 5 mm, de una superficie en movimiento, que comprende:

- un microscopio industrial que tiene un aumento adecuado para obtener un campo de visión de imagen en el intervalo de 1.000 pm y/o una resolución de al menos 0.5 pm, una distancia de trabajo mayor de 10 mm y una profundidad de campo mayor de 15 pm;

- una fuente de láser pulsado en el orden de nanosegundos con una frecuencia de al menos V/(F0V-0) en s"1, donde V es la velocidad máxima de la superficie, en m/s, FOV es el campo de visión en la dirección de desplazamiento, en m y O es la superposición entre imágenes consecutivas en m, para emitir un haz a través de fibra óptica para proyectar una línea micrométrica superpuesta a una iluminación de fondo, siendo dicha línea proyectada sustancialmente paralela a la dirección de desplazamiento;

- un acoplamiento de fibras para acoplar cada fibra óptica al láser usando una lente plano-convexa diseñada para enfocar sustancialmente todo el haz láser en el núcleo de la fibra;

- una cámara matricial de alta velocidad que tiene al menos la misma frecuencia que la frecuencia del láser, un campo de visión de al menos 600 pm y una óptica adecuada con una resolución espacial de preferiblemente 0,5 pm;

- un medio de enfoque que comprende un sensor de distancia;

- al menos una mesa de posicionamiento de alta precisión para el enfoque;

- un medio de control electrónico para la sincronización externa de la cámara y el láser y para recalcular la frecuencia de la señal de sincronización en tiempo real;

- medios de hardware y software para cooperar con la cámara matricial para capturar a alta frecuencia una pluralidad de imágenes individuales de la superficie en movimiento con una superposición lateral, obteniéndose cada una de dichas imágenes en una iluminación de fondo, calculando un perfil de la superficie a partir de la deformación de una línea láser proyectada sobre la superficie según un ángulo dado, y sustancialmente paralela a la dirección de desplazamiento; para montar por stitching imágenes consecutivas, y para el ajuste de línea, a fin de obtener un perfil de superficie en bruto de la longitud del perfil nominal definido por un valor de frecuencia de corte elevado; para filtrar el perfil de superficie en bruto, a fin de separar los datos de rugosidad y de ondulación y para calcular los parámetros de rugosidad y de ondulación.

2. Sensor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio para filtrar el perfil comprende un filtro de tipo Gaussiano de magnitud "n", siendo n un número entero.

3. Sensor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un medio para sincronizar la frecuencia de captura con la velocidad de la superficie en movimiento.

4. Sensor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el medio para montar por stitching imágenes consecutivas comprende un modelo de transformación que comprende una traslación calculada entre dos imágenes consecutivas utilizando una técnica de correlación y un algoritmo de FFT.

5. Sensor de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que comprende un medio para evaluar un vector de traslación que comprende una iluminación de fondo con ventanas secundarias que no contienen la línea láser.

6. Sensor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un medio para ajustar las direcciones de la proyección de línea y del eje óptico de la cámara.

7. Sensor de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que comprende un medio para ajustar la orientación de la cámara, a fin de que el desplazamiento de montaje por stitching perpendicular a la dirección de desplazamiento esté cerca de cero píxeles.

8. Sensor de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que comprende un medio para ajustar la línea proyectada a la dirección de desplazamiento que comprende una mesa de rotación de alta precisión combinada con un análisis de FFT, para obtener la extinción del pico de FFT en la longitud de montaje por stitching.

9. Sensor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un medio para realizar una iluminación de fondo y una proyección de línea láser homogéneas.

10. Sensor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un medio para inclinar el eje óptico del sensor de microscopio alrededor del plano perpendicular a la superficie según un ángulo comprendido entre 4 y 24 grados, de preferencia entre 12 y 18 grados.

11. Método para medir sin contacto la ondulación (Wa) de una superficie en movimiento, en base al uso del sensor 5 de microscopio de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, usando una longitud mínima de perfil

de superficie y valores de frecuencia de corte elevado y bajo correspondientes, siendo dicha longitud mínima de perfil de superficie al menos 6 veces el valor de corte elevado, siendo el valor de corte elevado igual a 5 mm, comprendiendo el método los pasos de:

- capturar a alta frecuencia, mediante una cámara de alta velocidad, una pluralidad de imágenes individuales de la 10 superficie con una superposición lateral, obteniéndose dichas imágenes mediante un método de triangulación a alta

resolución en el que, para cada imagen, en una iluminación de fondo, un perfil de la superficie se calcula mediante el análisis de la deformación de una línea láser proyectada en la superficie según un ángulo dado, siendo dicha línea proyectada sustancialmente paralela a la dirección de desplazamiento;

- montar por stitching dicha pluralidad de imágenes unas con otras para obtener una imagen montada por stitching 15 correspondiente a un perfil que tiene una longitud al menos igual a dicha longitud de perfil mínima; y

- filtrar dicho perfil mediante el análisis de la imagen montada por stitching; caracterizado por que la línea proyectada se ajusta a la dirección de desplazamiento mediante el uso de una mesa de rotación de alta precisión combinado con un análisis de FFT, para obtener la extinción del pico de FFT en la longitud de montaje por stitching.