“Dispositivo y procedimiento de inspección de una superficie interior de un cuerpo hueco”

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se relaciona con dispositivos y procedimientos de inspección de superficies interiores de cuerpos huecos.

ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA

En la industria es conocido inspeccionar la superficie de las piezas para detectar defectos superficiales mediante dispositivos de inspección basados en triangulación laser que tienen un emisor de una línea de luz que se envía sobre la superficie a inspeccionar, y un receptor que captura una imagen de la línea de luz reflejada por la superficie que posteriormente se procesa para detectar defectos.

Cuando se requiere inspeccionar la superficie interior de un cuerpo hueco, en donde por limitaciones de espacio no es posible acceder con un dispositivo de inspección, se conoce emplear dispositivos de inspección que tienen un tubo que se introduce en el cuerpo hueco y que también tienen unos medios ópticos que dirigen la luz desde un emisor, dispuesto fuera del cuerpo hueco, hacia la superficie interior y que dirigen la luz reflejada por la superficie interior hacia un receptor, que también dispuesto fuera del cuerpo hueco. EP0267705A2 muestra un dispositivo que resuelve este problema.

EP0267705A2 muestra un dispositivo de inspección de una superficie interior de un cuerpo hueco que comprende un emisor para emitir una línea de luz sobre la superficie interior, un receptor para recibir la línea de luz reflejada por la superficie interior, unos medios ópticos para dirigir la línea de luz emitida por el emisor hacia la superficie interior y dirigir la línea de luz reflejada por la superficie interior hacia el receptor, y un tubo que tiene un extremo superior y un extremo inferior que está configurado para alojarse en el cuerpo hueco durante la inspección. EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es el de proporcionar un dispositivo y un procedimiento de inspección de una superficie interior de un cuerpo hueco, según se define en las reivindicaciones.

Un aspecto de la invención se refiere a un dispositivo de inspección de una superficie interior de un cuerpo hueco que comprende un emisor para emitir una línea de luz sobre la superficie interior, un receptor para recibir la línea de luz reflejada por la superficie interior, unos medios ópticos para dirigir la línea de luz emitida por el emisor hacia la superficie interior y dirigir la línea de luz reflejada por la superficie interior hacia el receptor, y un tubo que tiene un extremo superior y un extremo inferior que está configurado para alojarse en el cuerpo hueco durante la inspección, y un eje axial que se extiende desde el extremo superior al extremo inferior. El extremo superior del tubo tiene una primera abertura superior que está enfrentada al emisor para el paso de la línea de luz emitida por el emisor y una segunda abertura superior que está enfrentada al receptor para el paso de la línea de luz reflejada por la superficie interior, y el extremo inferior del tubo tiene una abertura inferior que durante la inspección queda enfrentada a la superficie interior para el paso de la línea de luz emitida por el emisor y de la línea de luz reflejada por la superficie interior. Los medios ópticos comprenden al menos un espejo plano superior que está dispuesto dentro del extremo superior del tubo, y un primer y un segundo espejos planos inferiores que están dispuestos dentro del extremo inferior del tubo, el espejo plano superior está enfrentado a la primera abertura superior para reflejar la línea de luz emitida por el emisor y dirigirla hacia el primer espejo plano inferior, o está enfrentado a la segunda abertura superior para recibir la línea de luz reflejada por la superficie interior desde el segundo espejo plano inferior y dirigirla hacia el receptor, el primer espejo plano inferior está enfrentado a la abertura inferior para recibir la línea de luz emitida por el emisor y dirigirla sobre la superficie interior, y el segundo espejo plano inferior está enfrentado a la abertura inferior para reflejar la línea de luz reflejada por la superficie interior y dirigirla hacia el receptor.

Otro aspecto de la invención se refiere a un procedimiento de inspección de una superficie interior de un cuerpo hueco empleando el dispositivo descrito anteriormente. El procedimiento comprende emitir desde el emisor una línea de luz sobre la superficie interior, generar una traslación vertical del tubo con respecto a la superficie interior del cuerpo hueco, generar una rotación del tubo con respecto a la superficie interior del cuerpo hueco, capturar en el receptor una imagen de la línea de luz reflejada por la superficie interior, y procesar la imagen capturada para obtener la topografía de la superficie interior.

El tubo del dispositivo tiene en su interior todos los espejos necesarios para conducir la luz desde el emisor hasta la superficie interior del cuerpo hueco, y desde la superficie interior hasta el receptor. Esto simplifica la calibración del dispositivo y la versatilidad del empleo del dispositivo para inspeccionar diferentes cuerpos huecos, ya que la posición de los espejos dentro del tubo se mantiene fija con independencia de los movimientos que tenga que realizar el tubo para realizar la inspección. El tubo del dispositivo de la EP0267705A2 tiene los medios ópticos para enviar la luz desde el emisor y reflejarla hacia el receptor fuera del tubo, esto obliga a calibrar el emisor y el receptor cada vez que se tiene que desplazar el dispositivo para inspeccionar un nuevo cuerpo hueco.

Además, el tubo del dispositivo tiene en su extremo superior unas aberturas independientes para emitir la línea de luz y para recibir la línea de luz reflejada por la superficie interior, lo cual evita que las líneas de luz vayan por el mismo camino óptico en su desplazamiento por el interior del tubo, simplificando así los medios ópticos necesarios para realizar la inspección, de forma que únicamente se requiere espejos planos para conducir la luz. La EP0267705A2 tiene un única abertura en su extremo superior para enviar y recibir la luz por un mismo camino óptico, y requiere emplear combinadores, divisores de haz y espejos con ranuras, lo cual complica el montaje óptico y encarece el dispositivo.

De acuerdo con todo ello, se obtiene un dispositivo para inspeccionar superficies interiores de cuerpos huecos que únicamente requiere emplear espejos planos para conducir la luz, por tanto, resulta ser un dispositivo con una realización estructural sencilla y de reducido coste.

Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de realización del dispositivo de inspección. La Figura 2 muestra una vista esquemática ampliada del extremo superior e inferior del tubo del dispositivo de la figura interior en donde se pueden observar los medios ópticos dispuestos dentro del tubo.

Las Figuras 3 y 4 muestran unas vistas laterales del dispositivo de la Figura 1.

Las Figuras 5 y 6 muestran el camino óptico que sigue la luz entre el emisor y el receptor del dispositivo.

La Figura 7 muestra un esquema en perspectiva de la línea de luz emitida por el emisor y reflejada en la superficie interior.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La Figura 1 muestra un ejemplo de realización del dispositivo de inspección de una superficie interior 2 de un cuerpo hueco según la invención. El dispositivo comprende un emisor 1 para emitir una línea de luz L1 sobre la superficie interior 2, un receptor 3 para recibir la línea de luz L2 reflejada por la superficie interior 2, unos medios ópticos para dirigir la línea de luz L1 emitida por el emisor 1 hacia la superficie interior 2 y dirigir la línea de luz L2 reflejada por la superficie interior 2 hacia el receptor 3, y un tubo 8 que tiene un extremo superior 9 y un extremo inferior 10 que está configurado para alojarse en el cuerpo hueco durante la inspección.

El tubo 8 tiene un eje axial X que se extiende desde el extremo superior 9 al extremo inferior 10. El eje axial X se extiende verticalmente por el centro del tubo 8, tal y como se muestra en la Figura 4.

El extremo superior 9 del tubo 8 tiene una primera abertura superior 11 que está enfrentada al emisor 1 para el paso de la línea de luz L1 emitida por el emisor 1 y una segunda abertura superior 12 que está enfrentada al receptor 3 para el paso de la línea de luz L2 reflejada por la superficie interior 2. El extremo inferior 10 del tubo 8 tiene una abertura inferior 13 que durante la inspección queda enfrentada a la superficie interior 2 para el paso de la línea de luz emitida L1 por el emisor 1 y de la línea de luz reflejada L2 por la superficie interior 2. Preferentemente, los medios ópticos comprenden al menos tres espejos planos que están dispuestos dentro del tubo 8. Los medios ópticos comprenden al menos un espejo plano superior 4 o 5 que está dispuesto dentro del extremo superior 9 del tubo 8, y un primer y un segundo espejos planos inferiores 6 y 7 que están dispuestos dentro del extremo inferior 10 del tubo 8.

El espejo plano superior 4 o 5 está enfrentado a la primera abertura superior 11 para reflejar la línea de luz L1 emitida por el emisor 1 y dirigirla hacia el primer espejo plano inferior 6, o está enfrentado a la segunda abertura superior 12 para recibir la línea de luz L2 reflejada por la superficie interior 2 desde el segundo espejo plano inferior 7 y dirigirla hacia el receptor 3. El primer espejo plano inferior 6 está enfrentado a la abertura inferior 13 para recibir la línea de luz L1 emitida por el emisor 1 y dirigirla sobre la superficie interior 2. El segundo espejo plano inferior 7 está enfrentado a la abertura inferior 13 para reflejar la línea de luz L2 reflejada por la superficie interior 2 y dirigirla hacia el receptor 3.

Según esta realización, se emplea un único espejo plano superior 4 o 5 que está dispuesto dentro del extremo superior 9 del tubo 8, y dos espejos planos inferiores 6 y 7 que están dispuesto dentro del extremo inferior 10 del tubo 8. Según una primera alternativa, el emisor 1 está dispuesto paralelo al eje axial X del tubo 8 para emitir directamente la línea de luz L1 de manera paralela al eje axial X del tubo 8 a través de la primera abertura 11, y el receptor 3 está dispuesto perpendicular al eje axial X del tubo 8 para recibir la línea de luz reflejada L2 por el espejo plano superior 5 de manera perpendicular al eje axial del tubo 8 a través de la segunda abertura 12. Según una segunda alternativa, el emisor 1 está dispuesto perpendicular al eje axial X del tubo 8 para emitir la línea del luz L1 hacia el espejo plano superior 4 de forma perpendicular al eje axial X del tubo 8 a través de la primera abertura 11, y el receptor 3 está dispuesto paralelo al eje axial X del tubo 8 para recibir directamente la línea de luz reflejada L2 por la superficie interior 2 de manera paralela al eje axial X del tubo 8 (estas disposiciones no están representadas en las figuras).

Aún más preferentemente, como se muestra en el ejemplo de realización de las figuras, los medios ópticos comprenden cuatro espejos planos 4, 5, 6 y 7 que están dispuestos dentro del tubo 8. Los medios ópticos comprenden un primer y un segundo espejos planos superiores 4 y 5 que están dispuestos dentro del extremo superior 9 del tubo 8, y un primer y un segundo espejos planos inferiores 6 y 7 que están dispuestos dentro del extremo inferior 10 del tubo 8.

El primer espejo plano superior 4 está enfrentado a la primera abertura superior 11 para reflejar la línea de luz L1 emitida por el emisor 1 y dirigirla hacia el primer espejo plano inferior 6. El segundo espejo plano superior 5 está enfrentado a la segunda abertura superior 12 para recibir la línea de luz L2 reflejada por la superficie interior 2 desde el segundo espejo plano inferior 7 y dirigirla hacia el receptor 3. El primer espejo plano inferior 6 está enfrentado a la abertura inferior 13 para recibir la línea de luz L1 reflejada por el primer espejo plano superior 4 y dirigirla sobre la superficie interior 2. El segundo espejo plano inferior 7 está enfrentado a la abertura inferior 13 para reflejar la línea de luz L2 reflejada por la superficie interior 2 y dirigirla hacia el segundo espejo plano superior 5.

En el ejemplo de realización de las figuras, los medios ópticos consisten en los cuatro espejos planos 4, 5, 6 y 7 que están dispuestos dentro del tubo 8. De acuerdo con ello, el tubo 8 tiene exclusivamente los cuatro espejos planos, y no se requiere ningún elemento reflectante adicional en el tubo 8 para conducir la luz desde el emisor 1 hasta el receptor 3, lo cual simplifica la fabricación del tubo 8 y reduce el coste del dispositivo.

Como se observa en detalle en las Figuras 5 y 6, el primer espejo plano superior 4 está verticalmente alineado con el primer espejo plano inferior 6 para definir un primer eje óptico de la línea de luz L1 emitida que es paralelo al eje axial X del tubo 8, y el segundo espejo plano superior 5 está verticalmente alineado con el segundo espejo plano inferior 7 para definir un segundo eje óptico de la línea de luz L2 reflejada que es paralelo al eje axial X del tubo 8. El primer eje óptico es independiente del segundo eje óptico, de manera que se establecen dos caminos ópticos independientes para emitir la línea de luz L1 desde el emisor 1 hasta la superficie interior 2, y para recibir la línea de luz L2 reflejada por la superficie interior 2 en el receptor 3. Al emplearse dos caminos ópticos separados, la luz de uno no interfiere en el otro, con lo que no es necesario emplear medios ópticos complejos para conducir la luz, pudiéndose emplear únicamente espejos planos. Cuando se emplea un mismo camino óptico para enviar y recibir la luz, como es el caso de EP0267705A2, es necesario emplear divisores y combinadores de haz, y por tanto un emisor 1 más potente para no perder potencia lumínica.

La primera abertura 11 está dispuesta formando un ángulo de 180° con respeto a la segunda abertura 12, y la tercera abertura 13 está dispuesta formando un ángulo de 90° con respeto a la primera abertura 11 y a la segunda abertura 12. Así la primera abertura 11 es diametralmente opuesta a la segunda abertura 12. El primer espejo plano superior 4 está inclinado respecto a la primera abertura 11 y orientado hacia el primer espejo plano inferior 6, el segundo espejo plano superior 5 está inclinado con respecto a la segunda abertura 12 y orientado hacia el segundo espejo plano inferior 6, el primer espejo plano inferior 6 está inclinado respecto a la tercera abertura 13 y orientado hacia el primer espejo plano superior 4, y el segundo espejo plano inferior 7 está inclinado respecto a la tercera abertura 13 y orientado hacia el segundo espejo plano superior 5, y también está rotado con respecto al primer espejo plano inferior 6.

La rotación del segundo espejo plano inferior 7 depende de la distancia entre la abertura inferior 13 del tubo 8 y la superficie interior 2 del cuerpo hueco. El segundo espejo plano inferior 7 se posiciona en el extremo inferior 10 del tubo 8 para dirigir la línea de luz L2 reflejada por la superficie interior 2 de forma paralela al eje axial X del tubo 8 hacia el segundo espejo plano superior 5.

El emisor 1 está configurado para emitir la línea de luz L1 sobre el primer espejo plano superior 4 de forma horizontal, tal que la línea de luz L1 reflejada por el primer espejo plano inferior 6 se proyecta sobre la superficie interior 2 de forma vertical.

Tal y como se observa en el esquema en perspectiva de la Figura 7, el emisor 1 emite una línea de luz horizontal L1 , dicha línea horizontal se emite perpendicular al eje axial X del tubo 8 y se proyecta en el primer espejo plano superior 4 de forma horizontal. La línea de luz horizontal L1 se desplaza paralela al eje axial X del tubo 8 entre el primer espejo plano superior 4 y el primer espejo plano inferior 6. La línea de luz horizontal L1 se proyecta en el primer espejo plano inferior 6 como una línea vertical inclinada, y dicha línea vertical inclinada se refleja de forma perpendicular al eje axial X del tubo 8 y se proyecta sobre la superficie interior 2 del cuerpo hueco de una forma sustancialmente vertical. Proyectar la línea de luz L1 de forma vertical mejora la detección de defectos circunferenciales en la superficie interior 2 del cuerpo hueco. Por ejemplo, si el cuerpo hueco es un agujero mecanizado mediante una herramienta de corte rotativa que genera hélices sobre la superficie interior 2, la proyección de la línea de luz de forma vertical permite detectar defectos 20 en dirección perpendicular al eje axial del agujero mecanizado.

El tubo 8 es un cuerpo rectangular hueco con cuatro caras laterales 14, 15, 16 y 17. La primera cara lateral 14 tiene la primera abertura superior 11 , la segunda cara lateral 15 tiene la abertura inferior 13, y la tercera cara lateral 16 tiene la segunda abertura superior 12, estando la segunda cara lateral 15 intercalada entre la primera cara lateral 14 y la tercera cara lateral 16. Esta configuración rectangular simplifica la fabricación del tubo 8 y la disposición de los espejos dentro del tubo 8.

Los espejos 4, 5, 6, y 7 tienen una forma cuadrada o rectangular plana. Los espejos tienen una cara frontal con una superficie reflectante, una cara trasera, y cuatro caras menores que unen la cara frontal con la cara trasera.

Los espejos son de “primera superficie”. Es decir, los espejos tienen su superficie reflectante enfrentada a la línea de luz. La superficie reflectante puede ser una capa reflectante dispuesta sobre la cara frontal, como por ejemplo una capa metálica. Alternativamente, el espejo puede estar realizado en un material reflectante.

Como se observa en la vista esquemática de la Figura 2, el primer espejo plano superior 4 está unido a la segunda y cuarta caras laterales 15 y 17 del tubo 8, y el segundo espejo plano superior 5 está también unido a la segunda y cuarta caras laterales 15 y 17 del tubo 8. Por ejemplo, los espejos 4 y 5 pueden estar pegados a las caras laterales 15 y 17 del tubo 8 por dos de sus caras menores contrapuestas. Además, los espejos planos superiores 4 y 5 están dispuestos en el extremo superior 9 del tubo 8 formando una disposición en V. Esta disposición de los espejos 4 y 5 facilita el montaje de los espejos en el extremo superior 9 del tubo 8 y permite tener un montaje rígido, de forma que se minimiza el riesgo de que los espejos se desalineen en caso de golpes sobre el tubo 8.

El primer espejo plano superior 4 está inclinado 45° con respecto a la primera cara lateral 14, el segundo espejo plano superior 5 está inclinado 45° con respecto a la tercera cara lateral 16, el primer espejo plano inferior 6 está inclinado 45° con respecto a la segunda cara lateral 15, y el segundo espejo plano inferior 7 está inclinado 45° con respecto a la segunda cara lateral 15 y está rotado un ángulo con respecto al primer espejo plano inferior 6. La luz se emite desde el emisor 1 de forma perpendicular al eje axial X del tubo 8, viaja paralela al eje axial X del tubo 8, y se proyecta y refleja en la superficie interior 2 de forma sustancialmente perpendicular al eje axial X del tubo 8, vuelve a viajar paralela al eje axial X del tubo 8, y se refleja de forma perpendicular al eje axial X del tubo 8 hacia el receptor 3 (Ver Figuras 5 y 6). De esta forma la luz se refleja en ángulos de 90°, reduciéndose el camino óptico de la luz.

El emisor 1 está unido a la primera cara lateral 14 del tubo 8 mediante un primer soporte en forma de “L” 18, quedando el emisor 1 perpendicular al eje axial X del tubo 8, y el receptor 3 está unido a la tercera cara lateral 16 mediante un segundo soporte en forma de “L” 19, quedando el receptor 3 perpendicular al eje axial X del tubo 8. El primer soporte 18 tiene un ala vertical que está unida a la primera cara lateral 14 del tubo 8 y un ala horizontal que está unida al emisor 1. El segundo soporte 19 tiene un ala vertical que está unida a la tercera cara lateral 16 del tubo 8 y un ala horizontal que está unida al receptor 3. La unión rígida del emisor 1 y el receptor 3 al tubo 8 garantiza que el camino óptico de la luz no sufra alteraciones, de forma que no se producen desalineaciones entre el emisor 1 , el receptor 3 y los espejos 4, 5, 6, y 7 que requieran de una nueva calibración del dispositivo.

Preferentemente, el primer y segundo espejos planos inferiores 6 y 7 están dispuestos en un soporte removible que tiene unos medios para acoplarse al interior del extremo inferior 10 del tubo 8. Así, se pueden emplear diferentes soportes removibles con espejos 6 y 7 rotados en diferentes ángulos en función de la superficie interior 2 a inspeccionar, sin necesitar sustituir el tubo 8. Se emplean tubos 8 de diferente longitud en función de la profundidad del cuerpo hueco a inspeccionar.

El emisor 1 es un emisor laser, o un emisor LED con lente de enfoque. Es preferible emplear un emisor laser porque facilita el enfoque de la línea de luz, pero al emplear luz coherente puede perder resolución por el efecto ruido de Speckle. El emisor LED no emplea luz coherente y no tiene este problema, pero actualmente para crear una línea de luz tan estrecha como el emisor laser la tecnológica LED requiere emplear más potencia.

Para inspeccionar toda la superficie interior 2 del cuerpo hueco, o vahas zonas diferentes del cuerpo hueco, es necesario generar un movimiento entre el cuerpo hueco y el tubo 8. De acuerdo con ello, el dispositivo adicionalmente comprende unos medios de traslación para generar una traslación vertical T del tubo 8 con respecto a la superficie interior 2 del cuerpo hueco y unos medios de rotación para generar una rotación R del tubo 8 con respecto a la superficie interior 2 del cuerpo hueco.

Según una posible alternativa, los medios de traslación y de rotación son un robot articulado que tiene un brazo con un extremo libre en donde es acoplable el extremo superior 9 del tubo 8. Por ejemplo, se puede emplear un robot articulado de seis ejes, de forma que el brazo del robot puede mover y rotar el tubo 8 durante la inspección de la superficie interior 2.

La traslación T y rotación R relativa entre el tubo 8 y el cuerpo hueco se puede realizar de diferentes maneras. Por ejemplo, si el cuerpo hueco está estático, los medios de traslación y de rotación trasladan y rotan el tubo 8 mientras el cuerpo hueco está estático. Si el tubo 8 está estático, los medios de traslación y de rotación trasladan y rotan el cuerpo hueco mientras el tubo 8 está estático. También cabe la posibilidad de trasladar verticalmente el tubo 8 y rotar el cuerpo hueco, o trasladar verticalmente el cuerpo hueco y rotar el tubo 8.

El procedimiento de inspección comprende emitir desde el emisor 1 una línea de luz L1 sobre la superficie interior 2, generar una traslación vertical T del tubo 8 con respecto a la superficie interior 2 del cuerpo hueco, generar una rotación R del tubo 8 con respecto a la superficie interior 2 del cuerpo hueco, capturar en el receptor 3 una imagen de la línea de luz L2 reflejada por la superficie interior 2, y procesar la imagen capturada para obtener la topografía de la superficie interior 2. La técnica empleada para procesar la imagen capturada es la triangulación láser.

Preferentemente la traslación vertical T es paralela al eje axial X del tubo 8 y la rotación R se realiza sobre el eje axial X del tubo 8.

Dado que se proyecta una línea de luz vertical sobre la superficie 2 del cuerpo hueco, únicamente con una rotación del tubo 8 con respecto al cuerpo hueco se puede barrer una zona de la superficie interior 2, no obstante, para inspeccionar completamente la superficie interior 2, o vahas zonas de la superficie interior 2, es necesario combinar los movimientos de traslación vertical T y rotación R.

Según una posible alternativa, la traslación vertical T y la rotación R del tubo 8 con respecto a la superficie interior 2 se realizan de forma simultánea, de manera que se proyecta un perfil de luz helicoidal sobre la superficie interior 2.

Según otra posible alternativa la traslación vertical T y la rotación R del tubo 8 con respecto a la superficie interior 2 se realiza de forma alterna, mediante unos movimientos de traslación vertical del tubo 8 con respecto a la superficie interior 2 alternados por movimientos de rotación del tubo 8 con respecto a la superficie interior 2, de manera que se proyectan perfiles de luz anulares sobre la superficie interior 2.

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