Reconocimiento 3D e impresión automáticas de vigas de madera

Reconocimiento 3D e impresión automáticas de vigas de madera

La madera es la materia prima más importante del mundo en términos de volumen y masa. Este material natural es uno de los materiales de construcción más antiguos y al mismo tiempo cada vez más solicitados: La madera es ecológica, saludable y ofrece una sensación de confort mucho mayor que cualquier otro material de construcción. En Alemania el segmento de la construcción de casas de madera se ha incrementado un 15 por ciento en los últimos diez años. El foco de la producción se ha trasladado del pie de obra a la carpintería, un ámbito en la que la automatización está experimentando una importancia creciente para aumentar la eficiencia en materia de costes y tiempo y para prepararse para el futuro. Un ejemplo reciente: Zentrum für Telematik e.V., radicada en Würzburg, ha desarrollado una solución robótica para el marcado automático de vigas de madera para la empresa alemana Georg Schumann GmbH & Co. KG.

Aplicación

Schumann ofrece un servicio de carpintería totalmente automatizado que incluye el aserrado y el comercio asociado de vigas de madera. Fabrica vigas de madera de muchos tipos que hasta el momento se marcaban a mano. En el presente caso el marcado sirve para identificar numéricamente la viga de madera aserrada en función de los requisitos de los clientes, generalmente carpinterías. El sistema también puede utilizarse, por ejemplo, para identificar la certificación (sostenibilidad, origen) o para clasificar las piezas (por calidad, almidón, grado de sequedad y uso previsto). Para automatizar el proceso de marcado se ha desarrollado un sistema que integra un robot industrial, una cámara 3D y un sistema compacto de inyección de tinta. Esta solución permite determinar automáticamente las posibles superficies de impresión y seleccionar la posición de la inscripción, además de la orientación y el tamaño de letra óptimos.

A ser posible el marcado debe realizarse en el frontal de la viga para que quede visible una vez apilada en el palet. Para ello es necesario que la cámara reconozca las distintas formas y posiciones de las vigas de madera: por ejemplo, cada viga presenta biseles, tacos o depresiones de distinta configuración en la zona de impresión. Además la posición de las vigas frente al robot nunca es la misma debido a las discrepancias y a las tolerancias del sistema de producción que lo antecede. Esto requiere un sistema de procesamiento de imágenes con el que el robot pueda detectar de forma rápida, fiable y precisa las respectivas posiciones y las superficies 3D de cada viga.

Para captar la posición y la geometría de la viga se utiliza una cámara Ensenso N35. En cuanto la madera se encuentra en la posición de impresión, el robot coloca automáticamente la cámara montada en la brida para que pueda detectar las superficies de la viga. En caso necesario el robot posiciona la cámara alrededor de la viga de madera en varios ángulos para permitir diferentes vistas de los distintos lados de la viga.

Resultado del proceso: pila de vigas de madera cortadas y marcadas automáticamente por el sistema.
Resultado del proceso: pila de vigas de madera cortadas y marcadas automáticamente por el sistema.

La cámara visualiza el extremo de la viga de madera a una distancia media (~40-90cm) desde distintas perspectivas oblicuas. Está equipada con dos sensores CMOS monocromo (global shutter, 1280 x 1024 píxeles), interfaz GigE, conectores GPIO atornillables para disparador y flash y un proyector. La tecnología FlexView integrada en el modelo N35 es especialmente adecuada para la captura en 3D de objetos estáticos y para distancias de trabajo de hasta 3.000 mm. La posición de la máscara de patrones en el proyector puede modificarse de manera gradual y lineal en el haz de luz. De esta forma, la textura proyectada en la superficie de los objetos de la escena también varía, generando otras texturas auxiliares.

La captura de varios pares de imágenes de la misma escena estática con diferentes texturas da lugar a un número mucho más elevado de puntos gráficos y a una mayor resolución. Además de la resolución también se incrementa la solidez de los datos de superficies complejas, ya que las estructuras de patrones dispares proporcionan datos adicionales. Esto permite a la Ensenso N35 cumplir con los requisitos del cliente: detectar de forma más precisa y silenciosa las superficies de madera.

El sistema desarrollado por ZfT convierte los datos brutos registrados, establece la posición de la nube de puntos en el sistema de coordenadas del robot y determina los planos de la viga que pueden ser adecuados para la impresión. A partir de estos datos se calcula la posición y el tamaño de la impresión, además de la orientación del texto en cuestión. A continuación, el robot se desplaza a las posiciones de impresión determinadas por el sistema de cámara y lleva a cabo el marcado preciso con la impresora de inyección de tinta.

"El factor decisivo para la elección de la cámara fue la precisión de medición en el volumen de captura de la cámara y la velocidad de medición", explica Florian Leutert, asistente de investigación de ZfT.  "Otros puntos a favor son el diseño compacto de la N35 y su resistencia al polvo y a la humedad." La clase de protección desempeña un papel muy importante en entornos donde se procesa la madera, como es una serrería. La compacta y robusta carcasa de aluminio de la cámara Ensenso N35 3D es perfecta para estos entornos, dado que cumple los requisitos del grado de protección IP65/67 y, por tanto, es resistente a la suciedad, al polvo, a las salpicaduras de agua y en, este caso, a la tinta.

...determinada (turquesa) calculadas por el software a partir de los datos en bruto 3D.
...determinada (turquesa) calculadas por el software a partir de los datos en bruto 3D.

Perspectiva

"En el campo de la robótica son cada vez más necesarias no solo soluciones de automatización rígidas, sino también sistemas de procesamiento automáticos capaces de manejarse bien con distintos tipos de piezas y entornos ", dice Florian Leutert en referencia a las exigencias del futuro. Para ello serán necesarias cámaras de alta calidad, dado que la captura en 3D del espacio de trabajo debe realizarse con la precisión requerida por el sistema robótico, a ser posible a nivel submilimétrico. Este cometido no tiene secretos para los modelos 3D estéreo Ensenso de IDS, dado que permiten lograr una visión artificial 3D no solo fiable y sencilla, sino también rápida y precisa. Configuran una solución fiable y a prueba de futuro para la captura automática en 3D de piezas de toda índole en multitud de sectores, aparte del maderero.

Escaneado de una viga con bisel colocada por el sistema de producción frente al robot.
Escaneado de una viga con bisel colocada por el sistema de producción frente al robot.

Ensenso N35: Visión artificial 3D rápida y precisa

  • Con interfaz GigE para una aplicación universal y flexible
  • Carcasa de aluminio robusta y compacta
  • IP65/67
  • Sensores CMOS global shutter y proyector de patrones con LED azul o infrarrojo
  • fps máx. (3D): 10 (2x binning: 30) y 64 niveles de disparidad
  • fps máx. (offline processing): 30 (2x binning: 70) y 64 niveles de disparidad
  • Diseñada para distancias focales de hasta 3000 mm (N35) y campos visuales variables
  • Generación de una única nube de puntos 3D a partir de todas las cámaras del modo multicámara
  • Generación directa de las nubes de puntos 3D desde varias perspectivas
  • Tecnología FlexView integrada para una mayor precisión de las nubes de puntos y una mayor solidez de los datos 3D de superficies complejas
  • Sistema "Projected Texture Stereo Vision" para la captura de superficies sin textura
  • Captura de objetos fijos y en movimiento