sistema interferométrico para la calibración de reglas graduadas
Contents
1. un Sistema de Visi n Tesis de Maestr a CIMAT Guanajuato Gto Junio 2001 Mu oz J A Rivera M Medici n Robusta de L neas Graduadas Utilizando un Sistema de Visi n 3er Encuentro Internacional de Ciencias de la Computaci n ENC 01 Aguascalientes Ags M xico 15 19 septiembre 2001 A Lassila E Ikonen and K Riski Interferometer for calibration of graduated line scales with moving CCD camera as a line detector APPLIED OPTICS Vol 33 No 16 1 June 1994 pp 3600 3603 Chao Jung Chen Sheng Hua Lu Huang Chi Huang and Ren Huei Hsu Automatic calibration of measuring tapes with friction driver and a image processor H Heister Zur automatischen Kalibrierung geod tischer L ngenme instrumente Studiengang Vermessungswesen Universit t der Bundeswehr M nchen 1988 C Galvan and A Castillo Determinaci n del ndice de refracci n del aire y su incertidumbre Manual de Usuario CENAM 1998 Gasvik K J Optical Metrology John Wiley and Sons 1987 Gonz lez C Woods R E Tratamiento Digital de Im genes Addison Wesley 1996 Huber R J Robust Statistics Wiley Series in Probability on Mathematical Statistics 1981 10 Gu a para la Expresi n de la Incertidumbre ISO 1995 25 al 27 de Octubre2. Simposio de Metrolog a 2004 25 al 27 de Octubre SISTEMA INTERFEROM TRICO PARA LA CALIBRACI N DE REGLAS GRADUADAS MEDIANTE UN SISTEMA DE VISION Carlos Galv n H ctor Gonz lez Centro Nacional de Metrolog a Apdo Postal 1 100 Centro C P 76000 Quer taro QRO M xico Tel 52 442 2110500 Fax 52 442 2110568 cgalvanOcenam mx hgonzaleOcenam mx Resumen En el CENAM se ha dise ado un sistema autom tico para la calibraci n de reglas graduadas de hasta 3m de longitud Este sistema incorpora un sistema interferom trico para seguir la posici n de un carro que soporta una c mara CCD Las im genes son procesadas usando un novedoso y robusto algoritmo El sistema consiste de una bancada r gida con gu as de rozamientos lineales para desplazar el carro Aun cuando este viaja sobre gu as no cinem ticas el microscopio y la c mara CCD est n montados sobre una base que a su vez esta soportada cinem ticamente La incertidumbre esperada es de alrededor de 6 micr metros en reglas con trazos de buena calidad El sistema actualmente se encuentra en su fase de caracterizaci n 1 INTRODUCCI N En metrolog a dimensional existen diferentes calibraciones que requieren por una parte experiencia y por otra mucho tiempo para su ejecuci n por ejemplo la calibraci n de bloques patr n por interferometr a requiere ambas a pesar de esto el proceso ha logrado ser automatizado por varios laboratorios nacionales La calibraci n de r
3. de calibraci n actual 2 DESCRIPCI N DEL SISTEMA DESARROLLADO Se han estudiado diferentes tipos de instrumentos usados en la calibraci n de reglas y el mas usado est basado en un microscopio ptico con iluminaci n En la mayor a de estos sistemas la luz de la fuente ilumina la regla La intensidad de la luz reflejada es medida por un detector optoelectr nico la detecci n es ptima si el trazo sobre la regla est en excelentes condiciones pero para las reglas con calidad inferior en los trazos los resultados con estos arreglos son en la mayor a de los casos pobres La mayor a de las reglas que han llegado para ser calibradas a CENAM caen dentro de este ltimo grupo Simposio de Metrolog a 2004 PC C mara CCD 25 al 27 de Octubre Carro Escala Cabeza l ser Rodamiento Lineal Los reportes de varios sistemas analizados que emplean la reflexi n de la luz reportan que la se al obtenida tiene un alto nivel de ruido y por ello la detecci n de los bordes de los trazos es complicada Por esta raz n se decidi dise ar un sistema de detecci n de l neas basado en un modelo de procesamiento de im genes el cual pudiera proporcionar una respuesta adecuada para la mayor a de los tipos de trazos en las reglas al sistema global El sistema desarrollado por CENAM puede observarse en la figura 1 Aqu se muestran los diversos componentes del sistema cabe se alar que un retrorreflector para el
4. direcci n del movimiento y provee una adecuada transmisi n hacia el carro pero en las direcciones perpendiculares al movimiento el sistema flexure puede ser deformado y es capaz de reducir la transmisi n de distorsiones de movimiento hacia el carro Con el prop sito de evaluar la rectitud del movimiento se us la t cnica de autocolimaci n los resultados obtenidos son de 60 um para cabeceo pitch y 32 um de deriva yaw que representan valores aceptables para el sistema que se dise 3 2 Estructura total del sistema La figura 4 muestra un diagrama de bloques del sistema completo El sistema esta controlado en su totalidad por una computadora incluyendo el movimiento del carro La exactitud de posicionamiento no es una variable cr tica en el sistema gracias al robusto algoritmo de procesamiento de im genes que se desarroll para la detecci n del centro del trazo sobre la regla por lo que la repetibilidad de 15 um obtenida por el control es suficiente para el sistema 3 3 Descripci n del software Como se hab a mencionado antes cuando las reglas graduadas son calibradas es esencial detectar la posici n de los trazos sobre la regla En este trabaj se utiliz un novedoso algoritmo que trabaja fuera de l nea para determinar la distancia entre los trazos graduadas Para este prop sito se uso un Sistema de Visi n SV que consiste en un microcopio y una c mara CCD la posici n del SV con respecto al or
5. eglas graduadas ofrecida por laboratorios secundarios y la industria en M xico no esta totalmente satisfecha pues la incertidumbre resultante no es lo suficientemente peque a para algunos procesos ya que en algunos casos la incertidumbre reportada es igual o m s grande que las desviaciones encontradas Por otro lado el servicio ofrecido por los laboratorios de CENAM consume mucho tiempo de metr logos especializados as como equipo que no esta dise ado para este prop sito Por ejemplo para la calibraci n de una regla graduada de 3m en solo 22 de sus trazos consume en promedio tres d as e involucra el uso de una CMM con una c mara CCD A esto se debe agregar que la demanda de este servicio es continuo durante todo el a o Por lo anterior la divisi n de metrolog a dimensional del CENAM tom la decisi n de desarrollar una sistema para la calibraci n de reglas que cumpliera con los siguientes requerimientos e Automatizado en el que solo fuera necesario realizar la alineaci n de la regla as como la sintonizaci n del sistema para realizar la medici n e Posibilidad de elegir las l neas sobre las cuales se requiera hacer la calibraci n para satisfacer la demanda del cliente e Alcance de medici n de hasta 3m e Evitar la confusi n que pueda causar la presencia de alguna ralladura o da o sobre la regla con los trazos de la misma minimizando el efecto sobre la medici n e Mejorar la incertidumbre del proceso
6. haz l ser se encuentra debajo del carro cercano al microscopio con la CCD con el fin de completar el camino ptico para lograr la medici n por interferometr a 3 1 Sistema Mec nico La bancada del sistema fue dise ada para que contara con rigidez con el prop sito de minimizar las deflexiones causadas por el movimiento del carro La bancada esta hecha principalmente de acero estructural en una distribuci n tal que proporciona la rigidez deseada sin ser demasiado pesada la parte superior de la misma donde se coloca la regla para la calibraci n fue maquinada y la planitud obtenida fue de alrededor de 35 um Sobre esta superficie se instalaron dos gu as lineales cuidadosamente alineadas a trav s de las cuales se mueve el carro a lo largo de la bancada Servomotor Tornillo de bolas En un inicio el carro iba fijo a cuatro peque os carros lo que provoc problemas durante el movimiento debido a las desviaciones de rectitud y paralelismo en las gu as as como a las perturbaciones por efectos t rmicos al tener un sistema mec nico sobrerestringido Para reducir esta desventaja se dise o un soporte cinem tico con una configuraci n como la mostrada en la figura 2 A lo Fig 2 Conexi n del carro con la bancada La configuraci n de la figura 2 reduce satisfactoriamente las contribuciones de distorsiones mec nicas y efectos t rmicos permitiendo al carro moverse suavemente a lo largo de todo el recorr
7. ho en p xeles de un trazo sobre la imagen que se esta procesando Un m ximo en la magnitud del de la se al filtrada indica la presencia de un trazo en la imagen con esta posici n se busca dentro de la fase de la se al filtrada un cruce por cero de esta tomando en cuenta una vecindad de p xeles 5 para nuestro caso con los cuales se ajusta una l nea cuyo cruce por cero indica la interpolaci n a nivel subpixel para el centro del trazo buscado El siguiente paso consiste en encontrar la ecuaci n de l nea que mejor ajusta el trazo a lo largo de la imagen para lo cual se hace uso de una estad stica robusta El algoritmo emplea un estimador M cuya forma general se puede expresar de la forma mba o A fel 2 donde p es una funci n del m dulo de error m y b son los par metros de la l nea buscada en nuestro caso se eligi una cuadr tica truncada cuya ecuaci n se puede representar por plx z X lxi lt a k otro valor Simposio de Metrolog a 2004 Minimizando la funci n U el algoritmo obtiene los par metros de la recta de mejor ajuste Con las l neas detectadas es necesario darles una posici n con relaci n a la referencia para este proceso se emplea la ecuaci n z 2 Px 4 donde z representa la posici n real de la l nea j en tanto que es el factor de regla para cada p xel en la CCD Para el c lculo de este factor se emplean las lecturas del interfer metro y las posiciones para una
8. ido de las gu as con buena repetibilidad Simposio de Metrolog a 2004 25 al 27 de Octubre Fig 3 Sistema Flexure para transmisi n de movimiento El soporte fue hecho usando bolas de acero endurecido y conos maquinados de acero M2 a 60HRC el riel y el plano ambos con similares caracter sticas En una lado del carro hay dos conos los cuales solo tiene la libertad de moverse a lo largo del riel el otro lado tienen un cono en un carro y un cono y un plano en el otro lo cual evita la rotaci n y proporciona estabilidad ambos lados est n conectados por medio una bola sobre un riel lo que reduce el efecto debido a falta de paralelismo de los rieles montados en la bancada El carro se mueve a lo largo de la bancada por medio de un tornillo de bolas el cual es dirigido por un servomotor con un engrane reductor Sin embargo el tornillo de bolas no es paralelo a los rieles de la bancada y aun m s hay una deflexi n natural en el tornillo causada por su propio peso Dado que es necesario trasmitir el movimiento de la tuerca del tornillo hacia el carro solo en una direcci n y con el objeto de reducir las distorsiones del tornillo de bolas ocasionadas por su desalineamiento fue necesario dise ar un acoplamiento que disminuyera estos errores Lo anterior se logr usando un sistema de flexure como el mostrado en la figura 3 La rigidez del flexure es lo suficientemente alta en la
9. igen en la regla graduada es determinada con un interfer metro l ser Simposio de Metrolog a 2004 Unidad Principal Carro Sensores de Temperatura Frame Grabber Tarjeta de 25 al 27 de Octubre Unidad de compensaci n Interfer metro Term metro PC Tarjeta de compensaci n Eje Fig 4 Diagrama a bloques del sistema El sistema de visi n es desplazado sobre la regla guardando las im genes adquiridas por la CCD la posici n reportada por el interfer metro y los sensores del sistema Estas tareas del software son desarrolladas por un primer programa que controla la toma de datos del sistema y las posiciones sobre la regla que se desean calibrar lo cual es establecido por el usuario en la interface del usuario del programa La segunda parte del software trabaja fuera de l nea esto es una vez concluida la toma de datos se procede a su an lisis en un segundo programa Primero se determina de manera robusta la ecuaci n de la l nea que mejor ajusta el centro del trazo de la regla que se observa en la imagen digitalizada Para detectar el centro de la l nea en cada rengl n de la imagen con resoluci n subpixel el algoritmo emplea un filtro complejo de Gabor tambi n conocido como filtro de cuadratura Este filtro tiene la siguiente forma compleja h x g a cos a7 x sin a x 1 donde g x es una gausiana con o 0 4 y o es la frecuencia de la se al cosenoidal similar al anc
10. l aire y al error de Abbe llegan a ser m s importantes aun cuando solo alcanzan el 10 aproximadamente Este efecto puede ser reducido determinando con menor incertidumbre el coeficiente de expansi n t rmica La incertidumbre lograda para reglas de 3 m con buena calidad en los trazos es de alrededor de 6 um la incertidumbre se mejora para los casos de reglas de cristal donde la calidad de los trazos es excelente si su uso ha sido adecuado y el coeficiente de expansi n t rmica tiene una menor influencia 5 CONCLUSIONES Se ha desarrollado un sistema autom tico para la calibraci n de reglas graduadas en el CENAM aplicando un nuevo modelo para la detecci n de los trazos sobre la regla usando un sistema de visi n y mediciones interferom tricas El sistema de visi n ha sido probado en otras aplicaciones de medici n dada su exactitud y robustez en la detecci n del centro de los trazos obteniendo una repetibilidad mejor a 100nm El sistema mejora la incertidumbre proporcionada por le m todo inicial empleado en el CENAM para la calibraci n de reglas graduadas La siguiente etapa de este proyecto ser la participaci n en una comparaci n con otros Simposio de Metrolog a 2004 laboratorios con instrumentos similares con el fin de validar los resultados reportados por el sistema 6 1 2 S 4 5 6 7 8 9 REFERENCIAS Mu oz A Medici n Robusta de L neas Graduadas Utilizando
11. misma l nea en diferentes posiciones con respecto a la CCD para su c lculo se resuelve el sistema de ecuaciones mostrado en la siguiente ecuaci n Zo t AXo z 2 8Px 2 5 con este factor y la coordenada sobre el sensor se mapea el centro del trazo a coordenadas globales y de esta forma se obtiene la distancia hacia todas los trazos encontrados 4 INCERTIDUMBRE DE MEDICI N La incertidumbre de medici n fue evaluada bajo los lineamientos de la GUM 10 El modelo de medici n propuesto esta expresado en la siguiente ecuaci n d 1 l e 20 c m d 1 0 PeR PEE PEO a n n n P 2 6 i A 2 T l 1 e d 2 La siguiente tabla muestra el significado de las variables incluidas en el modelo 1 o Nombre de la fuente Longitud de la regla Coeficiente de expansi n t rmica T N mero de franjas Longitud de onda 25 al 27 de Octubre Angulo entre la regla y el hazl ser o Distancia entre la regla y el haz l ser Angulo de deriva Yaw del movimiento del carro a lo largo de la bancada EA Distancia entre el retroreflector y la CCD Angulo de cabeceo Pitch del T movimiento del carro a lo largo de la bancada El an lisis de incertidumbre mostr que la influencia de la temperatura y el coeficiente de expansi n t rmica para reglas de 3 m son las m s grandes contribuciones en el balance Si se miden reglas de menor longitud las incertidumbres debidas al ndice de refracci n de
Download Pdf Manuals
Related Search