IT201900015476A1 - Sistema di controllo qualità in linea e procedimento per effettuare un controllo qualità in linea - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Sistema di controllo qualità in linea e procedimento per effettuare un controllo qualità in linea”

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di controllo qualità in linea e a un procedimento per effettuare un controllo qualità in linea.

L'invenzione è stata sviluppata con particolare riguardo, anche se non limitativamente, ad un sistema di ispezione ottica per effettuare un controllo qualità lungo una linea di produzione o di montaggio.

Sfondo tecnologico

E' noto impiegare sistemi di controllo qualità in linea, per individuare eventuali difetti presenti su oggetti che transitino in una linea di produzione o montaggio. Naturalmente possono essere esaminati sia prodotti finiti, sia semilavorati tra uno stadio di lavorazione e il successivo.

I sistemi di controllo qualità moderni utilizzano di solito una illuminazione LED ed una fotocamera CCD che effettua fotografie in rapida sequenza. Le immagini ottenute vengono elaborate in tempo reale per individuare difetti nei pezzi fotografati. Oggetti diversi, e in particolare di colore diverso, richiedono una illuminazione diversa per garantire un contrasto ottimale nelle immagini rilevate. Poiché normalmente i sistemi di controllo qualità devono poter funzionare con oggetti di tipo diverso, che richiedono una illuminazione di un colore specifico, sconosciuto a priori, sono stati sviluppati sistemi che illuminano ciascun oggetto da esaminare più volte, ogni volta con una luce di colore diverso. L'illuminazione del colore più adatta a ciascun oggetto produce l'immagine con contrasto migliore, che viene esaminata per verificare la presenza di difetti. Le altre immagini possono essere scartate.

Per illuminare gli oggetti con colori diversi è noto impiegare illuminazione LED RGB, nel visibile, oltre a sorgenti UV/IR, per lo spettro non visibile dall'occhio umano. Le sorgenti comprendono più canali R, G, B, IR e UV, per ciascuno dei quali viene modulata la potenza e quindi l'intensità della luce emessa, in modo che la combinazione della luce emessa dai canali sia quella del colore desiderato.

Un problema dei dispositivi di tipo noto è che non è facile regolare il colore in modo che sia preciso e ripetibile e soprattutto è un procedimento relativamente lento.

Sintesi dell’invenzione

Uno scopo dell’invenzione è quello di risolvere i problemi della tecnica nota. Un altro scopo è quello di fornire un sistema di controllo qualità più rapido, che possa produrre una gamma di colori più ampia, con elevata precisione e ripetibilità. Un ulteriore scopo è quello di realizzare un sistema di controllo economico e affidabile. Inoltre, si intende fornire un sistema di controllo che sia in grado di selezionare autonomamente il colore da impiegare per l'illuminazione di un nuovo prodotto.

Secondo un primo aspetto, viene descritto un sistema di controllo qualità in linea. Il sistema di controllo può comprendere una sorgente luminosa LED multicanale, disposta per illuminare un prodotto P da controllare. Il sistema di controllo può comprendere una fotocamera che acquisisce almeno una immagine del prodotto P illuminato. Il sistema di controllo può comprendere un controller, che modula un tempo di accensione di ciascun canale della sorgente luminosa; il tempo di accensione è scelto in funzione del colore della luce con cui si desidera illuminare il prodotto. Con “colore” si intende una combinazione di radiazioni provenienti dai diversi canali, che siano essi nel visibile o a qualunque altra frequenza. Il sistema di controllo può comprendere un elaboratore configurato per comandare la fotocamera e il controller. L'elaboratore può essere configurato per ricevere immagini dalla fotocamera e confrontarle con immagini di riferimento per individuare eventuali difetti.

Secondo un ulteriore aspetto, è descritto un sistema di controllo qualità comprendente una fotocamera configurata per effettuare per ogni prodotto un numero predeterminato di scatti. Durante ciascuno scatto la sorgente luminosa emette luce di un colore diverso.

Viene descritto inoltre un sistema di controllo qualità comprendente una sorgente luminosa multicanale i cui canali vengono accesi sempre alla medesima intensità. In altre parole, per ogni canale il rapporto adimensionale tra l'intensità in un istante di tempo e l'intensità massima è pari a 0 o 1.

Un sistema di controllo qualità comprende preferibilmente una sorgente luminosa LED RGB e/o ad almeno una frequenza IR o UV.

Un sistema di controllo qualità comprende preferibilmente una fotocamera CCD.

Un sistema di controllo qualità comprende una sorgente luminosa in grado di illuminare il prodotto P con oltre 10<12 >colori diversi.

Secondo un ulteriore aspetto, viene descritto un sistema di controllo qualità comprendente un elaboratore configurato per comandare un controller in modo che una sorgente luminosa emetta luce di una pluralità di colori diversi predeterminati.

Viene inoltre descritto un sistema di controllo qualità comprendente un elaboratore configurato per avere una funzione di autoapprendimento. L'elaboratore può essere configurato per selezionare almeno un colore ottimale di illuminazione di un prodotto.

Secondo un altro aspetto, viene descritto un procedimento di controllo qualità. Il procedimento di controllo qualità può comprendere la fase di illuminare un prodotto da controllare con una sorgente luminosa LED multicanale; ciascun canale viene preferibilmente acceso da un controller per un tempo di accensione modulato in funzione del colore della luce con cui si desidera illuminare il prodotto. Il procedimento di controllo qualità può comprendere la fase di scattare una immagine del prodotto illuminato con una fotocamera. Il procedimento di controllo qualità può comprendere la fase di elaborare con un elaboratore l'immagine ottenute dalla fotocamera e confrontarla con una immagine di riferimento per individuare eventuali difetti. Tutte o alcune di queste fasi possono venir ripetute più volte, illuminando il prodotto con un colore diverso per ogni scatto della fotocamera. Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue di una forma preferita di attuazione dell'invenzione, con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

– la figura 1 illustra una visione d'insieme del sistema di controllo, – la figura 2 mostra una sorgente luminosa impiegata nel sistema di controllo,

– la figura 3 mostra un esempio di uno schema di accensione e spegnimento dei canali della sorgente luminosa e della apertura dello shutter della fotocamera CCD,

– la figura 4 mostra un secondo esempio di uno schema di accensione e spegnimento dei canali della sorgente luminosa e della apertura dello shutter della fotocamera CCD.

Descrizione dettagliata

Con riferimento ora ai disegni, un sistema di controllo qualità 10 viene impiegato per analizzare prodotti P, ad esempio posizionati su un nastro trasportatore N. Naturalmente, i prodotti possono essere prodotti finiti o semilavorati o più in generale oggetti da esaminare per verificare la presenza di eventuali difetti e possono essere movimentati con un qualsiasi sistema di movimentazione.

Il sistema di controllo qualità 10 comprende una sorgente luminosa 20, che illumina i prodotti P. La sorgente luminosa 20 è una sorgente LED. Una fotocamera 30 inquadra i prodotti P quando sono illuminati dalla sorgente luminosa 20.

La fotocamera 30 è una fotocamera CCD. Come noto, un CCD (Charge-Coupled Device), è un circuito integrato formato da una griglia di elementi semiconduttori in grado di accumulare una carica elettrica proporzionale all'intensità della luce che li colpisce. Questi elementi sono accoppiati in modo che ognuno di essi, sollecitato da un impulso elettrico, possa trasferire la propria carica ad un altro elemento adiacente. Il segnale elettrico che viene generato consente di ricostruire la matrice dei pixel che compongono l'immagine proiettata sulla superficie del CCD stesso. Le telecamere CCD di ultima generazione possono acquisire una immagine ogni circa 30 μs, cioè circa tre immagini ogni 100 μs. Una tale elevatissima frequenza di scatto consente di poter acquisire numerose immagini per ogni prodotto P senza dover limitare la velocità di movimentazione dei prodotti. Se durante ciascuno scatto il prodotto viene illuminato con un colore diverso, per ogni prodotto si ottiene una serie di immagini, tra le quali è possibile individuare quella con un più alto contrasto, che verrà analizzata per individuare eventuali imperfezioni.

La sorgente luminosa 20 può essere una sorgente a LED a spettri misti multicanale. Ad esempio può comprendere uno o più canali per il visibile (tipicamente ma non esclusivamente RGB) e/o canali nell'infrarosso e/o ultravioletto. Più specificamente, nel caso di una sorgente RGB i tre colori principali possono corrispondere ad una lunghezza d'onda di circa 625 nm (rosso), 524 nm (verde) e 470 nm (blu). Come noto, il modello RGB è un modello additivo per il visibile, pertanto la combinazione di tutti e tre i colori alla loro massima intensità genera una luce bianca; le combinazioni di coppie di colori generano invece il ciano (blu+verde), il magenta (blu+rosso) e il giallo (verde+rosso). Variando l'intensità dei tre colori è noto ottenere l'intero spettro visibile. Lo stesso principio può essere applicato anche con sorgenti luminose non visibili. Naturalmente in questo caso è prevista una telecamera CCD adatta a registrare la radiazione alle relative lunghezze d'onda.

Preferibilmente la sorgente luminosa è a minimo tre canali, RGB, sebbene naturalmente non sia escluso un numero differente di canali e/o una diversa combinazione di colori. La sorgente luminosa può avere una qualsiasi forma adatta ad illuminare correttamente il prodotto e può eventualmente essere provvista di una lente. Secondo una forma di attuazione puramente esemplificativa e non limitativa, i LED sono disposti lungo una striscia, così da proiettare una luce su una zona rettangolare, con una dimensione L molto maggiore dell'altra W, come visibile nelle figure 1 e 2. La sorgente luminosa 20 comprende inoltre una lente 22, che focalizza la luce. Preferibilmente il fascio focalizzato forma un angolo α inferiore a 10°, preferibilmente pari a circa 5°.

La sorgente luminosa 20 è comandata da un controller 50, che comanda l'accensione e lo spegnimento dei canali della sorgente luminosa 20. Al fine di ottenere un colore desiderato, viene regolata la durata dell'accensione di ciascun canale RGBG della sorgente luminosa. Non viene invece variata la loro intensità.

Un esempio di uno schema di accensione e spegnimento dei canali e della apertura dello shutter della fotocamera CCD è raffigurato in Figura 3, dove l'asse orizzontale indica il tempo t e l'asse verticale indica l'intensità luminosa I/Imax, ovvero il rapporto adimensionale tra l'intensità I in un istante di tempo t e l'intensità massima Imax. Si noti che non vi è alcuna modulazione dell'intensità, pertanto tale rapporto è sempre pari a 0 o 1.

Nel caso raffigurato, il canale blu è acceso per un tempo di accensione TB del canale blu, il canale verde è acceso per un tempo di accensione del canale verde TG ed il canale rosso è acceso per un tempo di accensione del canale rosso TR.. Inoltre, il quarto canale, che in figura emette nell'infrarosso, ma potrebbe emettere a qualsiasi altra frequenza adeguata, ad esempio nell'ultravioletto, è acceso per un tempo di accensione del canale IR TIR Nel caso in cui si desideri ridurre l'intensità di uno o più canali, è sufficiente ridurre la durata dell'accensione del o dei relativi canali. Nel caso in cui la durata sia ridotta proporzionalmente su tutti i canali, si manterrà lo stesso colore, a potenza ridotta. Questo può essere utile per evitare di saturare il CCD e/o per ridurre il calore da dissipare.

Si noti che la durata massima di accensione di tutti e quattro i canali deve essere al più pari alla durata di apertura dello shutter TS, che nel caso esemplificativo indicato è pari a circa 30 μs; in questo modo la fotocamera CCD può rilevare la luce riflessa e rifratta dal prodotto P durante tutto il tempo in cui è illuminato.

Secondo una prima variante, (Figura 3), è previsto un intervallo iniziale minimo T0 , in questo caso pari a 2,5 μs, tra l'apertura dello shutter e l'accensione dei canali, per tenere conto di una eventuale imperfetta sincronia tra l'apertura dello shutter e l'accensione dei canali e per evitare di collidere con i tempi morti del CCD, che è più lento in commutazione. In modo del tutto analogo, può essere previsto un intervallo finale minimo T1 tra lo spegnimento di tutti i canali e la chiusura dello shutter.

Secondo una seconda variante (Figura 4), l’accensione dei canali è comandata dal controller preferibilmente al centro della finestra di acquisizione. Viene quindi calcolato per ogni canale X un istante di accensione tonX pari a

tonX =TS/2-1/2(TX),

in cui TX è il medesimo tempo di accensioneTR, TG, TB, TIR del canale R, G, B, IR sopra descritto con riferimento alla figura 3. L'istante di spegnimento viene invece calcolato come

toff=TS/2+1/2(TX).

In modo del tutto analogo a quanto esemplificato nelle figure 3 e 4, variando la durata dell'accensione dei LED dei diversi canali si può ottenere qualsiasi colore desiderato. Con “colore” si intende naturalmente una combinazione di radiazioni provenienti dai diversi canali, che siano essi nel visibile o a qualunque altra frequenza. Utilizzando un controller sufficientemente preciso, ad esempio avente una precisione nella durata dell'accensione dell'ordine dei nanosecondi, è possibile ottenere una precisione nel colore elevatissima. Per dare una indicazione della precisione ottenibile sul colore, consideriamo un controller 50 con una precisione tale da consentire di discriminare tra la durata di accensione di un canale per un tempo Tx e la durata Tx +10ns. Ne consegue che nel tempo di esposizione o di apertura dello shutter di 30 μs vi sono 3000 unità di tempo durante la quale ciascun canale può essere acceso o spento, pertanto la precisione del colore su ciascun canale è pari a circa il ± 0.3% ed è possibile ottenere, grazie alle combinazioni di quattro canali (3000<4>), oltre 10<12 >colori distinti. Nel caso poi in cui si utilizzi un controller con una precisione ancora più elevata (si consideri ad esempio la tecnologia FPGA), il numero di colori possibili aumenta ulteriormente.

Un elaboratore 50 gestisce e comanda la fotocamera CCD 30 e il controller 40 per assicurare la sincronia tra l'accensione della sorgente luminosa 20 e l'apertura dello shutter della fotocamera. Preferibilmente, comanda anche il nastro trasportatore N.

L'elaboratore 50 riceve inoltre le immagini catturate dalla fotocamera 30 e le elabora. Tramite un confronto con una immagine di riferimento, stabilisce se il prodotto P esaminato sia o meno difettoso. Preferibilmente, comanda anche un dispositivo di scarto (non raffigurato), che rimuove dal nastro trasportatore N i dispositivi difettosi.

Secondo una prima variante, l'elaboratore è programmato in modo che la fotocamera effettui per ogni prodotto P un numero predeterminato di scatti; durante ciascuno scatto la sorgente luminosa emette luce di un colore diverso. La rosa di colori impiegati è predeterminata. L'elaboratore elabora le immagini ricevute e le confronta con immagini di riferimento pre caricate del medesimo prodotto, ottenute con un'illuminazione dei medesimi colori, per valutare la presenza di difetti. Tra le immagini, alcune avranno un contrasto migliore e, quindi, consentiranno di evidenziare al meglio eventuali difetti.

Secondo una seconda variante, invece, il sistema di controllo prevede una funzione di autoapprendimento. In una fase iniziale di autoapprendimento viene illuminato e fotografato un prodotto P1. L'illuminazione avviene con colori diversi, possibilmente distribuiti lungo tutto lo spettro. L'elaboratore riceve le immagini e individua la porzione dello spettro cromatico in cui si ottiene una immagine con contrasto migliore. In alcuni casi, potrebbe individuare anche più di una porzione di spettro preferita, ad esempio nel caso in cui il prodotto P1 abbia due o più zone colorate con colori diversi tra loro.

L'illuminazione del prodotto P2 successivo avviene utilizzando solo colori nella o nelle porzioni di spettro preferite precedentemente individuate. Non essendo necessario coprire tutto lo spettro, si possono utilizzare molte più sfumature intermedie nella o nelle porzioni di spettro selezionate.

Nel caso in cui si voglia migliorare ulteriormente la precisione del sistema, viene effettuata una seconda selezione cromatica: le immagini del prodotto P2 vengono anch'esse esaminate per selezionare le esatte sfumature di colori che consentono di ottenere il migliore contrasto per il prodotto P2. Per i prodotti successivi P3, Pn, sarà sufficiente scattare solo un numero ridotto di immagini, ottenute con una illuminazione nei colori specifici identificati come ottimali o, al più, in un ridotto numero di sfumature preferite. Si noti che non è necessario prevedere alcuna calibrazione iniziale di colore o spettro: il sistema individua infatti la combinazione colori più performante e, mantenendo gli stessi tempi di accensione dei diversi canali, replica tali colori ottimali selezionati.

Naturalmente a seconda dei casi potrà essere preferibile utilizzare un numero maggiore o minore di selezioni cromatiche successive con il medesimo principio. Una volta terminata la fase iniziale di apprendimento, o anche durante la stessa fase di apprendimento, l'elaboratore può salvare alcune immagini di prodotti privi di difetti (che ad esempio possono essere stati esaminati in precedenza manualmente) ottenute con illuminazione dei colori selezionati, da utilizzare come riferimento.

Questa seconda forma di realizzazione, con funzione di autoapprendimento, è più precisa e inoltre consente di ridurre i tempi necessari per il controllo qualità. Infatti, una volta che sono stati individuati i colori più adatti allo scopo, è sufficiente scattare un numero molto ridotto di immagini per ogni prodotto Pn, al limite anche una sola.

Si noti che il sistema di controllo secondo la presente invenzione, che utilizza impulsi luminosi di durata diversa a parità di intensità per ottenere un colore, è estremamente più economico e facile da gestire rispetto ad un sistema di controllo che utilizzi impulsi luminosi di intensità diversa. In primo luogo si riducono le derive termiche. Inoltre la precisione nella regolazione della durata dell'impulso è maggiore. Poiché l'errore su ciascuno dei quattro canali viene sommato, ne risulta che l'errore complessivo nella determinazione di un colore ottenuto combinando canali regolati in durata è significativamente più basso.

Questo naturalmente consente di operare su un numero molto maggiore di differenti colori, così che per ciascun prodotto si possa trovare esattamente la sfumatura che consente di ottenere l'immagine con il migliore contrasto. Di conseguenza si ottiene una maggiore precisione del sistema di controllo qualità: si riduce così il numero di prodotti P accettati pur essendo difettosi e scartati pur essendo privi di difetti. Inoltre la maggiore precisione garantisce una ripetibilità nettamente migliore.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un sistema di controllo qualità 10 in linea comprende: - una sorgente luminosa LED multicanale 20, disposta per illuminare un prodotto P da controllare, - una fotocamera 30 che acquisisce almeno una immagine del prodotto P illuminato, - un controller 40, che modula un tempo di accensione di ciascun canale della sorgente luminosa 20, in funzione del colore della luce con cui si desidera illuminare il prodotto P, - un elaboratore 50 configurato per comandare la fotocamera 30 e il controller 40 e per ricevere immagini dalla fotocamera 30 e confrontarle con immagini di riferimento per individuare eventuali difetti.
2. 2. Un sistema di controllo qualità 10 secondo la rivendicazione 1, in cui la fotocamera è configurata per effettuare per ogni prodotto P un numero predeterminato di scatti e durante ciascuno scatto la sorgente luminosa emette luce di un colore diverso.
3. 3. Un sistema di controllo qualità 10 secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i canali della sorgente luminosa vengono accesi sempre alla medesima intensità.
4. 4. Un sistema di controllo qualità 10 secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la sorgente luminosa LED è una sorgente RGB e/o con spettri UV e IR.
5. 5. Un sistema di controllo qualità 10 secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fotocamera 30 è una fotocamera CCD.
6. 6. Un sistema di controllo qualità 10 secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la sorgente luminosa è in grado di illuminare il prodotto P con oltre 10<12 >colori diversi.
7. 7. Un sistema di controllo qualità 10 secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elaboratore è configurato per comandare il controller in modo che la sorgente luminosa emetta luce di una pluralità di colori diversi predeterminati.
8. 8. Un sistema di controllo qualità 10 secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 6 in cui l'elaboratore è configurato per avere una funzione di autoapprendimento per selezionare almeno un colore ottimale di illuminazione del prodotto P.
9. 9. Un procedimento di controllo qualità comprendente le fasi di: - illuminare un prodotto P da controllare con una sorgente luminosa LED multicanale 20, in cui ciascun canale viene acceso da un controller per un tempo di accensione modulato in funzione del colore della luce con cui si desidera illuminare il prodotto P, - scattare una immagine del prodotto P illuminato con una fotocamera 30, - elaborare con un elaboratore 50 l' immagine ottenute dalla fotocamera 30 e confrontarla con una immagine di riferimento per individuare eventuali difetti.
10. 10. Un procedimento di controllo qualità secondo la rivendicazione 9 in cui dette fasi vengono ripetute più volte illuminando il prodotto con un colore diverso per ogni scatto della fotocamera.