Ispezione dei difetti superficiali dell'albero a gomiti: ispezione visiva a copertura completa dei perni principali e dei perni di biella con rilevamento mediante endoscopio

Panoramica

Gli alberi a gomiti sono componenti rotanti complessi dotati di numerosi perni, contrappesi, zone di flangia, cave di chiavetta e fori interni. Un sistema di ispezione affidabile deve quindi coprire non solo i difetti superficiali visibili, ma anche aree profonde o interne che non possono essere ispezionate efficacemente mediante telecamere esterne convenzionali.

La soluzione di ispezione visiva dell’albero a gomiti di Big Bird Industrial combina più telecamere a scansione d’area, endoscopi personalizzati, posizionamento robotico, visione artificiale basata sull’apprendimento profondo e tracciabilità del codice.

Per l’applicazione citata, il ciclo di ispezione pubblicato è di 48 secondi; il tempo effettivo di ciclo (takt time) è configurabile in base al pezzo in lavorazione e ai requisiti di ispezione.

1. Perché l’ispezione dell’albero a gomiti è complessa

L’albero a gomiti è un componente fondamentale del gruppo propulsore, incaricato di convertire il moto alternato del pistone in un moto rotatorio. La sua geometria è fortemente tridimensionale: i perni principali e i perni di biella sono distribuiti lungo l’albero e collegati tra loro mediante bracci di manovella e contrappesi.

A seconda della progettazione dell’albero a gomiti, l’ispezione può riguardare:

• Perni principali
• Perni di biella
• Perni lunghi
• Perni di flangia
• Superfici di flangia
• Chiavette
• Fori centrali
• Fori di alleggerimento del contrappeso
• Piccole facce estremità

Anche se molte di queste aree presentano superfici metalliche simili, i difetti potenziali possono variare notevolmente. I tipici obiettivi di ispezione includono:

• Segni d’urto
• Graffi
• Macchie
• Segni di abrasione
• INCLUSI
• Crepe
• Strato nero o zone con finitura nera
• Carenza di materiale
• Contaminazione da olio o acqua

La sfida diventa più complessa perché un albero a gomiti è un componente rotante con più angoli di ispezione. Una stazione convenzionale con telecamera fissa potrebbe non garantire una copertura sufficiente di tutte le superfici richieste. Il sistema di ispezione deve quindi prevedere movimenti coordinati e acquisizione di immagini da più angolazioni.

Penetrazione laterale dei fori di alleggerimento del contrappeso

Uno degli elementi di ispezione particolarmente importanti è la penetrazione laterale dei fori di alleggerimento del contrappeso.

I fori di alleggerimento vengono fresati per bilanciare l'albero a gomiti e ridurre la massa superflua. Se un foro perfora accidentalmente una superficie o una parete adiacente, ciò potrebbe compromettere l'integrità strutturale locale e generare una zona di concentrazione tensionale.

Poiché questo difetto può risultare difficile da identificare con una semplice ispezione esterna, l'ispezione dall'interno del foro mediante un endoscopio personalizzato offre un metodo di rilevamento più adeguato.

2. Soluzione di ispezione: visione multi-camera + endoscopi personalizzati

Il sistema di ispezione dell'albero a gomiti utilizza diversi metodi di acquisizione immagini per esaminare sia le superfici esterne sia le aree interne difficilmente accessibili.

L'ambito di ispezione pubblicato comprende:

Integrità del codice QR

Il sistema verifica se il codice QR sull'albero a gomiti è completo e leggibile, fornendo la base per l'identificazione del prodotto e la tracciabilità a valle.

Penetrazione laterale dei fori di alleggerimento del contrappeso

Vengono impiegati endoscopi personalizzati per ispezionare la geometria interna dei fori di alleggerimento e rilevare eventuali penetrazioni anomale in zone adiacenti.

Rilevamento di corpi estranei nel foro centrale

Lo stato interno del foro centrale dell’albero a gomiti può essere ispezionato alla ricerca di corpi estranei o contaminazioni non visibili da una telecamera esterna.

Ispezione di difetti sulla piccola faccia

Le piccole facce dei perni lunghi possono essere ispezionate per:

• Segni d’urto
• Graffi
• Macchie
• Abrasione
• INCLUSI
• Crepe
• Scaletta nera
• Carenza di materiale
• Contaminazione da olio e acqua

Ispezione del raccordo a flangia

L’area del raccordo a flangia può anche essere inclusa nel programma di ispezione visiva per identificare difetti superficiali specificati.

Ispezione dei perni e delle cave di chiavetta

Il sistema può ispezionare le superfici di:

• Perni principali
• Perni di biella
• Perni lunghi
• Perni di flangia
• Chiavette

Questo approccio multi-area consente di configurare il programma di ispezione in base alla geometria effettiva dell’albero a gomiti e ai criteri di accettazione definiti dal cliente.

3. Telecamera e configurazione hardware

Il sistema di riferimento utilizza una combinazione di telecamere ad area ad alta risoluzione e di endoscopi personalizzati.

Sistema di immagine

• telecamere ad area da 5 MP: 2 unità
• telecamere ad area da 20 MP: 12 unità
• Endoscopi personalizzati: 3 set
• Sorgenti luminose a grande area: 1 set
• Barre luminose: 2 set

Le telecamere esterne forniscono immagini ad alta risoluzione delle superfici visibili dell’albero motore, mentre gli endoscopi estendono la capacità di ispezione in aree quali i fori centrali e i fori di alleggerimento.

Visione e controllo

Il sistema integra:

• Lettura codici QR
• Ispezione Visiva di Macchine
• Algoritmi di apprendimento approfondito
• Tracciabilità delle ispezioni
• Analisi dei dati di ispezione
• Regioni di ispezione definite dall'utente
• Visualizzazione remota dell'ispezione

Il sistema di controllo utilizza due PC industriali di Advantech (AAEON) secondo la configurazione attrezzature pubblicata.

Posizionamento robotico

Le configurazioni di robot collaborativi possono includere marchi quali:

• Elite Robots
• SIASUN
• Han's Robot
• JAKA

Il robot muove il sistema di imaging o coordina la posizione di ispezione secondo il percorso di ispezione programmato.

4. Specifiche Tecniche

Le seguenti specifiche si basano sulle informazioni pubblicamente disponibili sul prodotto per il sistema di ispezione indicato.

Il ciclo di 48 secondi è un valore applicativo pubblicato, non una garanzia universale del tempo di ciclo. Il tempo di ciclo effettivo va calcolato in base alla geometria dell'albero motore, al numero di punti di ispezione, alla configurazione delle telecamere, al percorso del robot e ai criteri di ispezione richiesti.

5. Considerazioni chiave nella scelta di un sistema di ispezione visiva per alberi motore

5.1 Definire gli elementi da ispezionare in base alla posizione

Gli alberi motore presentano numerose aree da ispezionare, e diverse aree possono avere criteri di difetto differenti.

Prima della progettazione dell’attrezzatura, la specifica di ispezione deve definire chiaramente:

• Quali superfici devono essere ispezionate
• Quali tipi di difetti devono essere rilevati
• Condizioni accettabili e non accettabili
• Risoluzione richiesta dell’immagine
• È richiesta la tracciabilità

Ciò riduce gli aggiustamenti ripetuti dell’algoritmo durante la messa in servizio.

5.2 Valutare l’accessibilità dei fori profondi

Per l’ispezione di corpi estranei nei fori centrali e per l’ispezione di penetrazione laterale nei fori di alleggerimento, la domanda chiave non riguarda semplicemente la risoluzione della telecamera.

Il progetto deve valutare:

• Diametro del foro
• Profondità del foro
• Geometria interna
• Accessibilità del borescopio
• Angolo di visione richiesto
• Condizioni di illuminazione

Potrebbe essere necessaria una configurazione personalizzata del borescopio quando l’area di ispezione non può essere osservata direttamente da una telecamera esterna.

5.3 Considerare la lettura codici come un indicatore di prestazione separato

L’ispezione del codice QR è direttamente collegata alla tracciabilità del prodotto.

Pertanto, la lettura codici deve essere convalidata in modo indipendente dal rilevamento difetti, inclusi:

• Tasso di successo nella lettura
• Posizione del codice
• Condizione Superficiale
• Contrasto
• Qualità del marchio
• Relazione tra i dati del codice e i risultati dell’ispezione

5.4 Convalidare il takt di 48 secondi

Ispezionare numerose aree entro un singolo ciclo richiede l’acquisizione parallela di immagini e un’ottimizzazione dei movimenti del robot.

Durante l’integrazione del sistema, il calcolo del tempo di ciclo deve includere:

1. Il caricamento del pezzo in lavorazione
2. Posizionamento
3. Movimento del robot
4. Acquisizione di immagini
5. Elaborazione dell’algoritmo
6. Lettura codici
7. Output del risultato
8. Scarico del pezzo in lavorazione

Il ciclo pubblicato di 48 secondi deve quindi essere considerato un riferimento per una specifica applicazione, piuttosto che un valore fisso valido per ogni albero motore.

6. Visione artificiale basata sull’apprendimento profondo per più tipologie di difetti su alberi motori

L’ispezione degli alberi motori comprende categorie di difetti con caratteristiche visive significativamente diverse. Un singolo metodo convenzionale di elaborazione delle immagini basato su regole potrebbe non essere sufficiente per ogni elemento da ispezionare.

La soluzione citata utilizza una visione artificiale basata sull’apprendimento profondo insieme a regioni di ispezione definite in base alle diverse aree dell’albero motore.

Nei progetti pratici, un numero adeguato di campioni di difetti è fondamentale sia per l’addestramento sia per la validazione.

Ciò risulta particolarmente rilevante per difetti quali:

• INCLUSI
• Scaletta nera
• Graffi sulla superficie
• Segni d’urto
• Abrasione
• Carenza di materiale

La preparazione dei campioni è spesso una delle fasi più importanti di un progetto di visione artificiale. Il sistema necessita di esempi rappresentativi sia di prodotti conformi (OK) sia di diversi tipi di condizioni non conformi (NG) per stabilire criteri di ispezione affidabili.

7. Capacità di ispezione mediante visione artificiale di Big Bird Industrial

Harbin Big Bird Industrial Co., Ltd. (Big Bird Industrial), in precedenza Harbin Shimada Big Bird Industrial Co., Ltd., fornisce soluzioni integrate che coprono la pulizia industriale di precisione e l’ispezione mediante visione artificiale per applicazioni automobilistiche e della produzione di precisione.

Il suo business relativo alla visione artificiale è strutturato intorno a specifiche aree di ispezione, tra cui:

• Orient See — ispezione dimensionale e geometrica
• Surface See — ispezione di difetti superficiali
• Assembly See — ispezione dell’assemblaggio e poka-yoke
• Inner See — ispezione di fori interni e pareti interne
• Paint See — ispezione di difetti sulle superfici verniciate
• Algorithm & Software Platform — algoritmi di visione e sistemi software

Per le applicazioni sugli alberi a gomiti, Surface See può essere utilizzato per l’ispezione dei difetti sulla superficie esterna, mentre Inner See può essere applicato ai requisiti di ispezione che coinvolgono fori interni e zone di difficile accesso.

Questa combinazione consente di integrare diverse tecnologie di ispezione in base alla geometria e ai requisiti di qualità del componente del gruppo motopropulsore.

FAQ

Perché è necessario rilevare la perforazione laterale dei fori di alleggerimento del contrappeso?

I fori di alleggerimento servono a bilanciare l’albero a gomiti e a ridurre massa non necessaria. Se durante la lavorazione un foro penetra in una parete o superficie adiacente, la struttura locale potrebbe essere compromessa e l’area potrebbe diventare un punto di concentrazione di tensione.

Poiché il difetto potrebbe non essere visibile dall’esterno del foro, è possibile utilizzare un endoscopio per ispezionare la zona interna.

Un singolo algoritmo di visione artificiale può rilevare tutti i tipi di difetti superficiali sugli alberi a gomiti?

Non necessariamente.

I difetti dell'albero a gomiti possono differire notevolmente per forma, struttura, contrasto e posizione. Gli algoritmi di deep learning possono essere configurati per diverse categorie di difetti e aree di ispezione, ma prestazioni affidabili dipendono fortemente da campioni rappresentativi per l'addestramento e la convalida.

Difetti come inclusioni e scorie nere possono dipendere in particolare dalle caratteristiche del materiale e della superficie, rendendo la raccolta dei campioni una fase fondamentale del progetto.

I 48 secondi indicati coprono davvero così tante aree di ispezione?

Il sistema citato utilizza più telecamere che operano in parallelo, con telecamere diverse assegnate a diverse aree di ispezione. Il posizionamento robotico può inoltre spostare il sistema di acquisizione immagini nelle posizioni richieste per l’ispezione.

Il ciclo pubblicato di 48 secondi si riferisce all’applicazione citata. Il tempo di ciclo effettivo deve essere calcolato in base all’albero a gomiti specifico, alla copertura di ispezione richiesta, al percorso del robot e ai requisiti di elaborazione delle immagini.

Contaminazioni da olio o acqua possono essere scambiate erroneamente per difetti superficiali?

- Sì, è vero.

Olio e acqua possono creare riflessi, aree scure o altri schemi visivi che potrebbero assomigliare a determinati difetti superficiali. Sono pertanto elencati come obiettivi specifici di ispezione nel sistema di riferimento.

Gli algoritmi per l’elaborazione delle immagini possono utilizzare caratteristiche quali forma e posizione per distinguere diverse condizioni. Tuttavia, se sull’oggetto in lavorazione rimane un eccesso di olio o acqua, una soffiatura o una pulizia effettuate a monte possono ridurre le interferenze visive prima dell’ispezione.

Conclusione

L’ispezione visiva dell’albero motore non consiste semplicemente nell’installare una telecamera ad alta risoluzione. La geometria complessa degli alberi motore richiede una combinazione di acquisizione multiangolare, posizionamento robotico, endoscopi personalizzati, algoritmi basati sul deep learning e funzioni di tracciabilità.

Per i perni esterni, le superfici della flangia e le cave di chiavetta, la visione multi-camera garantisce una copertura ampia della superficie. Per i fori centrali e i fori di alleggerimento dei contrappesi, l’ispezione con endoscopio estende la visione artificiale in aree che le comuni telecamere esterne non possono osservare direttamente.

Per l’applicazione di riferimento, il sistema fornisce un ciclo di ispezione pubblicato di 48 secondi, con la configurazione finale e il takt determinati dalla specifica geometria dell’albero a gomiti e dai requisiti di ispezione.