1. Escaneo láser con luz estructurada. Aplicación
a la inspección de componentes ferroviarios.
Rodrigo Romero Rosero , Guillermo Cosarinsky,, Adrián Bonomi y Fernanda Ruiz Gale
División IAMEND, Centro Atómico Constituyentes, ENDE-CNEA
e-mail: ruizmf@cnea.gov.ar
100ª Reunión Nacional de la Asociación Física Argentina, Villa de Merlo, Argentina, 2015.
Resumen
Un escáner láser es un dispositivo empleado para obtener una representación digital tridimensional de un objeto. El método de escaneo empleado aquí utiliza un láser junto con
un elemento refractivo de manera de generar un plano de luz (luz estructurada). La intersección de ese plano con el objeto escaneado contornea una sección del mismo. La
imagen de esa curva se adquiere con una cámara digital; se registran y se procesan los datos mediante un programa desarrollado por los autores en el entorno Matlab ®.
Moviendo el plano láser respecto al objeto se obtienen distintas secciones de su superficie, que mediante dicho programa se componen para conformar la representación 3D.
El sistema de escaneo láser utiliza dos sensores para registrar partes que, de otro modo, quedarían escondidas al emplear un solo sensor. Para ello se calibran los sensores, de
manera tal que permitan obtener un sistema único de referencia. Luego se empleó un algoritmo para corregir la distorsión geométrica(1) y finalmente se desarrolló otro algoritmo
para extraer la línea láser que representa el perfil del objeto estudiado. Este estudio presenta una implementación en laboratorio de un sistema de inspección de defectos
geométricos para evaluar los principales componentes involucrados en la rodadura de trenes: rieles y ruedas. El sistema experimental podría ser adecuado para operación ya sea
en taller o sobre las vías férreas.
En este caso, el sistema permanece
estático y adquiere el perfil en una sección
de la rueda. Para esto, los láseres que se
proyectan coincidentes, a su vez deben
coincidir con un plano axial-radial de la
rueda. Esto es para garantizar que tanto
el perfil como el diámetro que se obtienen
sean los de interés; en caso contrario, se
obtendrá una proyección que dará
medidas erróneas. En la figura de la
derecha se representa el perfil de diseño
en color azul y en rojo, el perfil
escaneado. En el sector ampliado se
pueden observar diferencias de unos 2
mm.
Escaneo láser tridimensional
La técnica de escaneo láser basada en triangulación activa y franjas de luz estructurada se emplea para medir sin contacto superficies en tres dimensiones (3D). Un escáner 3D
digitaliza el mapa de la superficie de un objeto tridimensional, es decir, obtiene el conjunto de puntos coordenados (x,y,z) de la superficie de un objeto.
Para la adquisición del perfil completo, se hace uso de
dos cámaras y dos proyectores láser. Ambos planos
láser proyectados deben ser ortogonales al eje X de la
figura, paralelos y además deben ser coincidentes.
En este sistema el riel permanece estático y cámaras
y láseres se encuentran solidarios desplazándose a
velocidad constante.
En la figura se observa que, en forma cualitativa,
el perfil escaneado coincide con el perfil de
diseño. En el sector ampliado se pueden
observar diferencias de unos 2 mm.
Conclusiones
Este estudio presenta una implementación en laboratorio de un sistema de
inspección de defectos geométricos para la evaluación de componentes
involucrados en la rodadura de trenes: rieles y ruedas. Este sistema experimental
puede ser adecuado para operación ya sea en taller o directamente sobre las líneas
de los ferrocarriles.
El monitoreo mediante las técnicas de escaneo láser permite evaluar en los rieles el
desgaste producido en el componente debido a su constante uso, por ejemplo el
desgaste lateral y el desgaste vertical en la cabeza del riel, como también defectos
o cavidades en la superficie de rodadura y colapso del alma(2). De la misma
manera, es factible evaluar en las ruedas parámetros importantes como el diámetro,
desgaste en la pestaña, desgaste en la pisada, deformación plástica, cavidades,
excoriaciones de origen térmico y aplanaduras(3). Esta última se puede conseguir
con la proyección de la línea láser por un plano que no pase por el eje axial de la
rueda(4).
Quedan como tareas a futuro la evaluación de las incertezas de medición asociadas
al método, y también la evaluación de defectos artificiales que sean posibles de
detectar con los sensores disponibles. Otro objetivo pendiente es la determinación
de la coordenada Z, que, en el caso del escaneo de los rieles, nos dará la longitud
del riel.
Riel de ferrocarril. Dispositivo
Rueda de ferrocarril. Dispositivo
0 20 40 60 80 100 120 140
0
20
40
60
80
100
Coordenada X [mm]
CoordenadaY[mm]
Perfil de diseño vs. escaneado
10 mm
Perfil de diseño
Perfil escaneado
Los sensores captan imágenes de cada lado del
riel. A cada una de ellas se le aplica la
transformación proyectiva construida mediante la
calibración. En la figura se observa la imagen
tomada por uno de los sensores, y la
correspondiente imagen tranformada.
Coordenada X [mm]
CoordenadaY[mm]
Lado derecho del perfil
0 20 40 60 80 100
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Pixeles
Pixeles
Lado derecho del perfil
0100200300400
100
200
300
400
500
600
700
800
Coordenada X [mm]
CoordenadaY[mm]
Perfil de diseño vs Perfil Escaneado
50 100 150
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Perfil de diseño
Perfil Escaneado
10 mm
5. Referencias
1. Gonzalez, R. C, Woods R. E, Eddins, S. L.Digital image processing using
Matlab, Second Edition, Gatesmark Publising, 2009.
2. Federal Railroad Administration-Office of railroad safety. “Track inspector rail
defect reference manual”. August, 2011.
3. BeenaVision Systems, Inc.: ((Machine vision technology in train monitoring and
railroad industry)), from http://www.beenavision.com. Acceded in December, 2014
4. IK4-Ideko, Research Alliance.: (Desarrollo de técnicas de inspección novedosas
para la inspección de ejes de tren), from http://www.ideko.es/news/view/78.
Acceded in December, 2014.