Machine vision: le moderne applicazioni in fonderia

Figura_7I sistemi machine vision, grazie al loro enorme potenziale, trovano applicazione nel settore della fonderia in particolare per la loro funzionalità e per la flessibilità di impiego.
Il controllo di forma, l’analisi e la verifica dei componenti del materiale di fusione, la misurazione dei fondamentali parametri di lavorazione, sono fra le applicazioni più comuni del machine vision. Inoltre, compatibilmente alle normative sulla sicurezza vigenti, sono impiegati come sistemi di controllo delle presenze e degli accessi nelle aree di lavoro in prossimità dei macchinari o nelle zone in cui sono richiesti particolari accorgimenti in relazione all’incolumità degli operatori.Basandosi sull’elaborazione di immagini attraverso dispositivi digitali di ingresso/uscita, non solo sono in grado di effettuare le più svariate ispezioni, ma possono anche controllare altre apparecchiature quali, per esempio, bracci robotizzati o altri meccanismi in fase di colata.
A seconda della tipologia e della complessità dell’azione, l’elaborazione di immagini richiede apparecchiature differenti, da un semplice sensore di visione, a una smart camera, fino ad arrivare a sistemi laser di misura.
I principali vantaggi legati all’automatizzazione dei controlli mediante sistemi machine vision nei processi di fusione e colata, sono brevemente riassunti nell’elenco di seguito.

–    Flessibilità: molteplici possibilità d’impiego, varie posizioni di montaggio e adattamento al tipo di produzione, con soluzioni personalizzate a seconda della tipologia di prodotto finale;

–    Costanza, affidabilità, oggettività dei controlli: la visione artificiale garantisce la ripetibilità delle azioni senza variazione delle prestazioni, con oggettività di analisi nel tempo;

–    Operatività in ambienti ostili: in condizioni ambientali limite o in aree ad alto rischio per l’incolumità dei lavoratori, un sistema di visione è in grado di operare in piena autonomia mantenendo alti gli standard di sicurezza;

–     Generazione di dati sul processo: i sistemi di visione sono monitorabili e lo stato del processo è visibile in tempo reale da una postazione Pc.

Le tecnologie del machine vision
La disponibilità di strumenti informatici in grado di elaborare procedure di calcolo complesse, consente lo sviluppo di nuove funzionalità di visione, non solo nelle due dimensioni x e y, ma anche nella terza dimensione z, rendendole accessibili in un unico ambiente di sviluppo grafico.
Fra gli approcci più comuni delle tecniche vision troviamo le tre seguenti categorie: visione stereoscopica, sistemi a luce strutturata, sensori di visione.

Visione stereoscopica: è la modalità più simile al funzionamento del cervello umano per misurare le distanze: le immagini catturate da ciascun occhio vengono elaborate dal cervello, la differenza nelle immagini dovuta allo spostamento tra i due occhi viene utilizzata per conferire la prospettiva, fondamentale per giudicare le distanze.
Nella pratica del machine vision, vengono adottate due telecamere montate con due prospettive del medesimo oggetto, le informazioni dei pixel delle telecamere vengono allineate mediante calibrazione e quindi viene estratto il dato sulla profondità. Per esempio, supponendo che le due telecamere siano utilizzate in modo identico, le immagini catturate vengono elaborate dal software, confrontando le differenze fra le stesse; conoscendo la posizione relativa tra ciascuna telecamera, quindi, la posizione verticale di un oggetto può essere misurata.

Sistemi a luce strutturata
I sistemi a luce strutturata, detti anche a campo intero, utilizzano per il loro funzionamento la proiezione sulla superficie dell’oggetto di un pattern regolare di forma nota, generalmente consistente in linee parallele verticali o orizzontali. L’informazione sulla profondità viene calcolata analizzando la distorsione del pattern sulla superficie dell’oggetto.
Tale distorsione indotta dall’oggetto, viene acquisita tramite una telecamera e sfruttata per il calcolo delle coordinate spaziali (x,y,z). Dipendentemente dalla risoluzione della telecamera, un sistema di questo tipo consente la digitalizzazione non di un solo punto alla volta, bensì di centinaia di migliaia di punti. E la geometria della superficie illuminata, o sezione luminosa, può essere ricostruita con elevata precisione.
Il principio di funzionamento con cui è possibile ricostruire la forma dell’oggetto colpito è basato sulla triangolazione.
Mediante un proiettore, oppure tramite interferenza di due laser con diverso orientamento, è possibile generare il pattern che illumina l’oggetto e una telecamera acquisisce il raggio da esso riflesso.
I sistemi a luce strutturata mediante proiezione di bande luminose possono arrivare fino alla precisione del centesimo di millimetro per rilievi superficiali. La precisione dipende direttamente dalla lunghezza d’onda della radiazione utilizzata e dalla densità di linee del pattern, che, tuttavia, se troppo elevata causa problematiche nell’elaborazione dati.
La velocità di acquisizione dell’immagine dipende direttamente dal numero di punti acquisiti: generalmente, velocità nell’ordine della decina di secondi sono raggiunte ottenendo delle scansioni molto accurate. L’accuratezza dipende significativamente dal corretto allineamento di laser, ottica e sensore.

Sistemi laser di misura
Sia nel campo del controllo e dell’automazione industriale e sia in quello delle misurazioni, l’utilizzo dei sistemi laser è sempre più diffuso, date le prestazioni che essi sono in grado di fornire.
Il principio di funzionamento è basato sulla capacità di emettere un impulso elettronico e di ricevere il segnale riflesso misurando l’intervallo di tempo trascorso, cioè la distanza tra lo strumento e il punto (x,y,z) rilevato. Per ogni misurazione (x,y,z), il sistema fornisce l’intensità del segnale di ritorno, descrivendo la superficie dell’oggetto scansionato.
Tali sistemi sono in grado di rilevare anche decine di migliaia di punti al secondo, restituendo quelle che vengono chiamate nuvole di punti le quali necessitano poi dell’elaborazione al computer.
Dopo il corretto posizionamento dello strumento, l’acquisizione dei dati produce la generazione della nuvola di punti dell’oggetto scansionato. Nel caso non sia possibile riprendere una parte dell’oggetto con lo strumento, è necessario procedere con altre scansioni, con opportuni target di riferimento.

Il machine vision dal progetto al prodotto finale
Il machine vision può trovare applicazione durante tutto il processo, sia partendo dagli studi preliminari in fase di progettazione, sia durante la fusione, sia in fase finale di controllo qualitativo e dimensionale del pezzo.

Prima del processo: simulazione della colata
I software di analisi di colata sono programmati in modo da simulare le caratteristiche del processo, sia dal punto di vista metallurgico (analisi chimica, temperature eutettiche o altro ancora) e sia dal punto di vista della tipologia di materiali usati per la fusione (terre di formatura, anime, maniche di alimentazione).
In funzione delle specifiche esigenze di produzione, essi possono essere impostati per simulare, tramite generazione di una mesh e mediante calcolo alle differenze finite, le fasi di riempimento, solidificazione e raffreddamento del pezzo, valutando inoltre le tensioni residue e l’eventuale formazione di difettosità che comprometterebbero la qualità del getto prima ancora della fusione, come le inclusioni solide e gassose, oppure ancora le cavità da ritiro, o altri eventi di diversa natura.
Attraverso la simulazione 3D, è possibile evidenziare preventivamente tali criticità: aree della forma sottoposte a maggiori sollecitazioni termiche e meccaniche, tempo di riempimento, analisi dei flussi del liquido all’interno della forma e corretta direzionalità del raffreddamento della fusione, con studio del sistema di alimentazione del getto. Ciò consente di intervenire preventivamente sulla produzione, eliminando le potenziali cause di difetti e rendendo il processo più efficiente ed economico.

Durante il processo: misurazione dei parametri fondamentali
La temperatura del materiale fuso e il livello del metallo liquido sono due parametri fondamentali per verificare il corretto svolgimento del processo di fusione e ottenere dalla colata un materiale con le caratteristiche meccaniche volute.
In luogo delle termocoppie a immersione, i pirometri ottici all’infrarosso sono già ampiamente utilizzati per la misura di altissime temperature. Le tecnologie dei più recenti sensori ad infrarossi a cortissima lunghezza d’onda mostrano risultati più che soddisfacenti per precisione, rapidità di lettura e flessibilità di impiego, mantenendo al tempo stesso le note caratteristiche di robustezza.
Progettati espressamente per l’industria fusoria, sono inoltre configurabili per monitorare simultaneamente più punti di colata, in sicurezza e senza interrompere la produzione, riducendo i costi e migliorando la qualità del prodotto.
I sensori laser bidimensionali sono la perfetta soluzione per effettuare controlli di livello di metallo liquido in colate di qualità. Questa tecnologia presenta decisivi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali, per esempio in vista della misurazione del contenuto metallico in lingottiera (conchiglia) in colata continua, anche con materiali come alluminio, rame e magnesio.
Con la misurazione della distanza e della differenza, si ottengono risultati di grande efficacia e caratterizzati da una elevata precisione, indipendentemente dalla tolleranza di posizione verticale e dal montaggio del sensore, con un’avanzata valutazione d’immagine anche attraverso fumi e vapori. Un raggio laser diretto verticalmente sul metallo liquido giacente nella conchiglia riproduce, lungo tutta la linea di superficie, delle riflessioni che, tramite una precisa e accordata lente ottica, vengono di conseguenza inviate alla matrice bidimensionale del sensore laser.
Speciali metodi filtranti e algoritmi della valutazione d’immagine provvedono, successivamente, a una affidabile definizione del valore di misura. Con una disposizione di misura, secondo lo stesso principio, ha luogo la definizione della distanza che va dal sensore al punto di riferimento proiettato sulla superficie della conchiglia. Dalla differenza delle due distanze (metallo liquido e superficie della conchiglia) si ottiene il segnale d’uscita, il quale visualizza quindi, e sempre attraverso il sistema di valutazione, il continuo livello del metallo liquido.

Risultati e vantaggi
La misurazione dei parametri fondamentali in fonderia eseguita con sistemi machine vision conferisce dei precisi risultati anche sotto condizioni di lavoro variabili e assicura con ciò l’affidabilità e l’elevata stabilità della qualità di produzione. Appaiono così ormai del tutto evidenti i seguenti vantaggi:

–      adattamento agli esistenti dispositivi di regolazione e apparecchiature di monitoraggio;

–       incremento della qualità;

–       incremento della produttività;

–       documentazione del processo;

–       risparmio di materia prima;

–       risparmio energetico;

–       migliore impiego della manodopera.

Fase finale: verifica e collaudo dimensionale
Il controllo dimensionale è un vantaggio offerto esclusivamente dai sistemi di visione, non fattibile con i sistemi tradizionali a fotocellule. Le geometrie complesse, sia interne e sia esterne del getto, l’interasse tra due fori o tra due punti critici, i diametri interni ed esterni, sono solo alcuni esempi di verifiche effettuabili con una precisione che in taluni casi può essere inferiore a 0,1 millimetri.
Allo scopo di ottimizzare i tempi di produzione, la verifica del getto può essere inoltre suddivisa in due fasi successive: la prima interna alla produzione, durante la quale viene effettuato il controllo di integrità della fusione; e la seconda invece esterna, durante la quale viene effettuato il collaudo dimensionale, determinando la qualità totale del getto.
Tutte le informazioni rilevate dal sistema di visione possono poi essere trasmesse al sistema centrale, si tratti di una pressa, di un robot o di altro, il quale effettuerà le azioni correttive necessarie per mantenere efficiente la produttività.

Automazione e machine vision: un moderno esempio in pressofusione
Dalla classica localizzazione del pezzo grezzo da caricare sulla macchina, sino alle più sofisticate applicazioni nell’ambito del controllo dimensionale del pezzo finito, il sistema di visione offre la possibilità di monitorare e controllare la totalità dei pezzi prodotti, in modo automatico e durante tutto il ciclo produttivo, senza per questo aumentare i tempi di produzione.
Una delle configurazioni più comuni di visione artificiale in pressocolata è formata da tre parti: una telecamera idonea per l’ambiente fonderia, un robusto personal computer collegato con la scheda elettronica che gestisce la telecamera e che è interfacciato con il robot di estrazione; per finire con un sistema di illuminazione del pezzo, selezionata secondo le particolari esigenze del cliente e in base all’ambiente nel quale essa è inserita.
Il controllo dell’integrità del getto all’uscita dallo stampo è, infatti, una delle applicazioni più comuni del machine vision, che sostituisce il tradizionale sistema a fotocellule reflex on-off, con numerosi vantaggi. Mentre il sistema tradizionale obbliga l’operatore alla sistemazione fisica delle fotocellule nei punti da controllare ogni volta che si esegue un cambio stampo, il machine vision elimina completamente questa funzione, in quanto l’immagine del pezzo integro, memorizzata nel computer, viene richiamata in modo automatico dal sistema di controllo della pressa.
Il machine vision consente il controllo sia delle geometrie complesse dei profili esterni, sia dei fori passanti e ciechi: una funzione, quest’ultima, non eseguibile con le semplici fotocellule on-off. Di fondamentale importanza è inoltre la possibilità di ispezionare anche altre parti del getto, come per esempio i pozzetti di sfogo oppure le bave nei punti critici, che sono spesso la causa di fermi produzione indesiderati.
Il machine vision riesce a controllare la bava perimetrale e a comunicare le informazioni al riguardo al sistema centrale, in grado di adottare le eventuali correzioni. Un simile controllo è fattibile sulle eventuali bave nelle geometrie interne aperte. E oltre a ciò, con il sistema di visione, è possibile controllare la presenza e la corretta immissione di un inserto metallico nella stampata. Questa funzione è in grado di ridurre, soprattutto nel caso in cui ci si riferisca a dei sistemi completamenti automatizzati, la possibilità di produrre degli scarti, dovuti all’irregolarità dell’inserto, ridimensionando in tal modo i costi anche sotto questo punto di vista.

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