ITMI20120389A1 - Procedimento e apparato per il controllo-qualita' di manufatti - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

"PROCEDIMENTO E APPARATO PER IL CONTROLLO-QUALITA' DI MANUFATTI"

La presente invenzione ha per oggetto un procedimento ed un apparato per il controllo-qualità di manufatti.

Com'è noto, nell'ambito delle attività produttive, un aspetto molto importante è quello relativo al controllo della qualità dei semilavorati e dei prodotti finiti. Infatti, questi controlli possono consentire sia di eliminare semilavorati difettosi, facendo risparmiare tempo e risorse di lavorazione, impedendo che tali semilavorati proseguano inutilmente nella catena produttiva, sia di eliminare prodotti finali di qualità scadente, così da evitare che vengano messi in commercio prodotti che possano creare problemi di qualunque natura agli acquirenti, o semplicemente possano generare insoddisfazione, e quindi cattiva fama, al produttore. Vengono oggi utilizzate diverse tecniche per il controllo-qualità dei manufatti.

Sono innanzitutto impiegate tecniche distruttive, che necessitano una rottura del prodotto allo scopo di verificare che, anche all'interno, il prodotto stesso presenti le caratteristiche richieste.

È evidente che controlli di questo tipo possano essere eseguiti solo "a campione", dato che il prodotto sottoposto a controllo rimane poi inutilizzabile; di conseguenza questa tecnica presenta chiari limiti di affidabilità, poiché è basata semplicemente su controlli statistici e non è in grado di testare effettivamente tutti i manufatti.

Sono altresì disponibile anche tecniche di controlloqualità non distruttive, che permettono, entro certi limiti, di identificare eventuali difetti nei manufatti. Questi controlli risultano tuttavia non pienamente affidabili e soddisfacenti.

Alla luce di quanto sopra, scopo della presente invenzione è fornire un procedimento ed un apparato di controllo qualità che permettano di identificare in maniera precisa ed affidabile eventuali difetti presenti in un manufatto.

Un altro scopo del trovato è mettere a disposizione un procedimento ed un apparato che permettano sia di determinare la presenza di un difetto, sia di localizzare lo stesso con precisione all'interno del manufatto medesimo.

Questi ed altri scopi ancora sono sostanzialmente raggiunti dal procedimento e dall'apparato descritti nelle unite rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi saranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita e non esclusiva dell'invenzione. Tale descrizione è fornita qui di seguito con riferimento all'unita figura 1, anch'essa avente scopo puramente esemplificativo e pertanto non limitativo, in cui è mostrato uno schema a blocchi rappresentativo dell'invenzione .

Con riferimento alla figura 1, con 1 è stato complessivamente indicato un apparato in accordo con la presente invenzione.

Per mezzo dell'apparato 1, può essere attuato il procedimento in accordo con il trovato.

Nella presente descrizione e nelle successive rivendicazioni, con il termine "manufatto" si intende un qualsiasi semilavorato o prodotto, ottenuto tramite lavorazione artigianale o industriale, compresi semilavorati e prodotti di tipo alimentare.

Il manufatto può anche essere, ad esempio, una parte di una struttura più complessa.

Δ titolo esemplificativo, il manufatto 2 può presentare una costante dielettrica relativa compresa tra 1 e 50, ed una conduttività compresa tra 0 S/m e 1 S/m.

Il procedimento e l'apparato secondo l'invenzione, come sarà più chiaro in seguito, determinano la presenza di anomalie all'interno del manufatto 2 basandosi su eventuali discontinuità nel comportamento elettrico del manufatto 2 stesso. In pratica, l'invenzione consente di individuare, all'interno della massa del manufatto 2 (supposta, entro certi limiti, omogenea), delle zone in cui la costante dielettrica relativa e la conduttività presentano variazioni significative (per esempio almeno del 25%).

Preferibilmente la costante dielettrica relativa e la conduttività del materiale di cui il manufatto 2 è composto sono note a priori, anche se in maniera non del tutto precisa.

II procedimento secondo l'invenzione comprende una fase di investire il manufatto 2 con un campo elettromagnetico principale FI.

Preferibilmente il campo elettromagnetico principale FI è definito da una o più radiazioni nel range delle microonde.

Le tali radiazioni possono presentare frequenze comprese, per esempio, tra 2 GHz e 4 GHz.

Preferibilmente il manufatto 2 viene investito da una pluralità di radiazioni provenienti da diverse direzioni.

Nella forma di realizzazione preferita, è previsto l'impiego di una o più antenne di trasmissione TX. In particolare, può essere usata una pluralità di antenne di trasmissione TX allo scopo di generare le citate radiazioni provenienti da direzioni diverse.

In una forma di realizzazione, può essere utilizzata una sola antenna di trasmissione TX, opportunamente movimentata rispetto al manufatto 2 in modo da assumere, nel tempo, diverse posizioni ed investire così il manufatto 2 stesso con radiazioni provenienti da direzioni diverse.

È altresì previsto che più antenne di trasmissione TX possano essere movimentate rispetto al manufatto 2.

Vantaggiosamente, le antenne di trasmissione TX possono essere sia movimentate rispetto al manufatto 2, sia commutate (cioè pilotate tra condizioni di on/off) in modo da generare le radiazioni desiderate nelle direzioni e negli intervalli temporali previsti.

Si noti che la movimentazione reciproca delle antenne di trasmissione TX rispetto al manufatto 2 può essere ottenuta:

• mantenendo il manufatto 2 sostanzialmente fermo rispetto ad un sistema di riferimento solidale con il terreno, e movimentando attivamente le antenne di trasmissione TX, per esempio tramite una struttura o telaio mobile, e/o

• mantenendo le antenne di trasmissione TX sostanzialmente ferme rispetto ad un sistema di riferimento solidale con il terreno, e movimentando attivamente il manufatto 2, per esempio tramite una struttura o telaio mobile.

Preferibilmente il manufatto 2 presenta una conformazione sostanzialmente cilindrica.

Le antenne di trasmissione TX sono vantaggiosamente posizionate intorno al manufatto 2, preferibilmente ad una determinata quota rispetto ad una base del cilindro. Le antenne di trasmissione TX possono essere predisposte ad una quota sostanzialmente pari a metà dell'altezza complessiva del cilindro.

A titolo esemplificativo, le antenne di trasmissione TX possono essere distribuite radialmente intorno al manufatto 2, ad una distanza compresa tra 10cm e 20cm. Vantaggiosamente la distribuzione circonferenziale delle antenne di trasmissione TX, rispetto al manufatto 2, può essere angolarmente sostanzialmente uniforme.

Preferibilmente le antenne di trasmissione TX sono almeno tre, così da consentire una eliminazione della cosiddetta "immagine" del trasmettitore ed impedire che la stessa possa inficiare la bontà del rilevamento, come sarà meglio spiegato nel prosieguo.

Preferibilmente, nel caso in cui il manufatto 2 presenti una conformazione sostanzialmente cilindrica, il manufatto 2 stesso può essere movimentato in rotazione rispetto alle antenne di trasmissione TX secondo un asse di rotazione sostanzialmente giacente sulla direzione di sviluppo longitudinale del manufatto 2.

II procedimento secondo l'invenzione comprende inoltre una fase di rilevare il campo elettromagnetico riflesso F2 .

Il rilevamento può avvenire tramite una o più antenne di RX ricezione.

In una forma di realizzazione può essere utilizzata una singola antenna RX di ricezione, opportunamente movimentata in modo da assumere, nel tempo, posizioni circonferenziali diverse intorno al manufatto 2.

È altresì previsto che un numero maggiore di antenne di ricezione RX possa essere movimentato rispetto al manufatto 2.

Analogamente a quanto sopra esposto con riferimento alle antenne di trasmissione TX, va notato che la movimentazione delle antenne di ricezione RX rispetto al manufatto 2 può essere ottenuta sia agendo direttamente sulle antenne stesse (mantenendo sostanzialmente fermo il manufatto 2), sia agendo direttamente sul manufatto 2 (mantenendo sostanzialmente ferme le antenne di ricezione RX).

Come detto, il manufatto 2 può presentare una forma sostanzialmente cilindrica. Le antenne di ricezione RX possono vantaggiosamente essere posizionate ad una determinata quota rispetto ad una base del cilindro.

Preferibilmente le antenne di ricezione RX sono posizionate ad una quota sostanzialmente pari a metà di un'altezza del cilindro.

Preferibilmente, le antenne di ricezione RX e le antenne di trasmissione TX sono posizionate alla medesima quota rispetto ad una base del cilindro.

Convenientemente, le antenne di trasmissione TX sono predisposte in una posizione radialmente più esterna, rispetto al manufatto 2, delle antenne di ricezione RX. In pratica, le antenne di trasmissione TX sono posizionate ad una distanza maggiore dal manufatto 2 rispetto alle antenne di ricezione RX.

Nel caso in cui il manufatto 2 non presenti una coniormazione sostanzialmente cilindrica, le antenne di trasmissione TX e le antenne di ricezione RX sono posizionate in prossimità del manufatto 2 in modo da seguirne la conformazione ed eseguire correttamente le operazioni sopra descrìtte di emissione/rilevamento del campo elettromagnetico.

Nel caso in cui il manufatto 2 sia parte di una struttura complessa, dalla quale non può essere separato ai fini del controllo-qualità, le antenne di trasmissione TX e/o le antenne di ricezione RX possono essere montate su un'opportuna struttura di supporto e movimentazione .

Come detto, le antenne di trasmissione TX e/o le antenne di ricezione RX possono essere vantaggiosamente movimentate e/o commutate tra una condizione di attivazione ed una condizione di disattivazione, così da ottenere punti di emissione/rilevamento nelle posizioni desiderate e negli istanti temporali previsti.

A titolo esemplificativo, le antenne di trasmissione TX e/o le antenne di ricezione RX possono essere montate su un contenitore sezionato, che può essere vantaggiosamente assemblato al manufatto 2, così che le antenne possano essere posizionate e controllate in modo da eseguire le operazioni previste.

Il procedimento secondo l'invenzione comprende inoltre una fase di determinare, in funzione del campo elettromagnetico riflesso F2, un parametro principale MP rappresentativo di una discontinuità elettrica di detto manufatto 2.

In funzione di tale parametro principale MP è possibile quindi stabilire se, all'interno del manufatto 2, vi è una anomalia.

Può dunque essere generato un segnale S, rappresentativo dell'eventuale difetto 2a del manufatto 2, in funzione del parametro principale MP.

Il segnale S può essere, per esempio, generato da un elaboratore che, eseguite le operazioni di processing sopra descritte, fornisce come output (per esempio tramite uno schermo o monitor) un valore rappresentativo della mera presenza, o anche della posizione, del difetto 2a del manufatto 2.

Vantaggiosamente 1'impiego delle caratteristiche tecniche facenti parte dell'invenzione permette anche di determinare la posizione dell'anomalia all'interno del manufatto 2.

Infatti, ricostruendo il campo riflesso F2 è possibile determinare dove le discontinuità elettriche sono localizzate nello spazio.

Come detto, l'invenzione può essere attuata tramite un apparato 1, che comprende le caratteristiche tecniche utili ad eseguire il metodo sopra descritto.

In particolare l'apparato 1 comprende le citate una o più antenne di trasmissione TX, e le citate una o più antenne di ricezione RX.

L'apparato 1 comprende inoltre un'unità di elaborazione 3 (come per esempio un PC, un notebook, o altro elaboratore) provvista almeno di un primo modulo operativo 4 e di un secondo modulo operativo 5.

Il primo modulo operativo 4, in funzione del campo magnetico riflesso F2, determina il menzionato parametro principale MP, rappresentativo della discontinuità elettrica del manufatto 2.

Il secondo modulo operativo 5, in funzione del parametro principale MP, genera il segnale S rappresentativo dell'eventuale difetto 2a del manufatto 2.

Scendendo in maggiore dettaglio, l'invenzione si basa sulle seguenti considerazioni.

Si consideri un oggetto di forma cilindrica (il manufatto 2), avente raggio a0. Il valore di a0può variare tra alcuni centimetri fino ad alcuni metri.

L'oggetto è illuminato da almeno un'antenna txmoperante alla frequenza f. Si assume una conoscenza a priori della costante dielettrica e della conduttività dell'oggetto; tale informazione non deve necessariamente essere particolarmente accurata. Si ipotizza inoltre che, se l'oggetto presenta omogeneità di comportamento rispetto alla costante dielettrica ed alla conduttività, allora può essere considerato di alto livello qualitativo (relativamente all'analisi svolta in questo contesto) . Viceversa, nel caso in cui dovessero essere rilevate discontinuità, allora la valutazione qualitativa sarebbe inferiore.

Si supponga che il campo nei punti rxnp=(a0,Φπρ)<con>np=1,...,NPTlocalizzati sulla superficie sia noto. Sfruttando il Principio di Huygens, si calcola il campo all'interno dell'oggetto come sovrapposizione dei campi generati dagli NPTpunti di provenienza. Il Principio di Huygens è applicato impiegando la costante dielettrica e la conduttività note a priori, anche se in maniera approssimativa .

Nel caso di presenza di un difetto, il campo ricostruito presenterà una discontinuità in corrispondenza nella regione di transizione tra i due materiali.

Si supponga ora che l'oggetto sia irradiato utilizzando un range di diverse frequenze e da differenti punti di provenienza delle radiazioni. Tutti i campi ricostruiti presenteranno una discontinuità, sempre localizzata nella regione di transizione tra i due materiali.

Quindi, sommando in maniera incoerente tutte le soluzioni, cioè i campi ricostruiti, vengono determinate sia la presenza, sia la posizione del difetto. Questo perché il procedimento di somma incoerente darà origine ad un picco di segnale in corrispondenza della posizione del difetto.

Da un punto di vista matematico, ipotizzando M sorgenti txmcon m=l,2...,M, e NFfrequenze fi, l'intensità dell'immagine finale I può essere ottenuta come segue:

in cui Ercstrindica il campo ricostruito.

Se l'oggetto contiene un difetto, l'immagine I presenterà un picco di segnale in corrispondenza della posizione del difetto stesso. Tale picco è preferibilmente caratterizzato da un rapporto segnale/clutter > 4 dB, ottenuto impiegando una banda compresa tra 2 GHz e 4 GHz, ed almeno tre antenne TX di trasmissione .

Allo scopo di eliminare eventuali artefatti, può essere impiegato in maniera opportuna un filtraggio nel dominio dei tempi.

Scendendo in maggiore dettaglio, possono essere eseguite le seguenti fasi:

· si parte da un segnale nel dominio frequenziale, cioè i valori del campo riflesso/scatterato sono espressi in funzione delle frequenze fi; tale segnale potrebbe contenere contributi riflessi/scatterati dall'ambiente dove viene eseguita la misura, che quindi sono "esterni" al manufatto che viene analizzato;

• tramite una Trasformata Inversa di Fourier si passa nel dominio del tempo; gli eventuali contributi "esterni" (cioè riflessi/scatterati dall'ambiente dove viene eseguita la misura) si presenteranno con un ritardo maggiore rispetto ai contributi "interni" (cioè riflessi/scatterati dal manufatto che viene analizzato); • il segnale nel dominio del tempo viene moltiplicato per una finestra temporale in modo da filtrare le componenti "esterne";

· tramite una Trasformata di Fourier si ritorna nel dominio delle frequenze.

Per evitare che l'immagine del trasmettitore possa inficiare la bontà del risultato, può essere utilizzata una conventional average subtraction.

Più in particolare, a questo scopo si applica il principio di Huygens alla differenza tra il campo misurato con una antenna TX e la media delle misure ottenute con le M antenne TX. Per eliminare correttamente l'immagine del trasmettitore M è preferibilmente essere uguale o maggiore di 3.

Preferibilmente si opera nel campo UWB (Ultra Wide Band), utilizzando un analizzatore di reti vettoriale (VNA). Si può ottenere la funzione di trasferimento a 625 frequenze discrete tra 2 GHz e 4 GHz.

Un opportuno set di antenne monopolari è montato a terra, polarizzate verticalmente e omni-direzionali nel piano azimutale. Come detto, le antenne possono essere posizionate sostanzialmente a metà dell'altezza del manufatto 2 cilindrico; le antenne di trasmissione sono ad una certa distanza dall'oggetto (p.e. 15 cm), mentre le antenne di ricezione sono nelle immediate vicinanze (quasi a contatto) dell'oggetto.

Viene quindi misurato il campo in corrispondenza di Npt=60 punti angolarmente equidistanziati sulla superficie dell'oggetto.

Si ottiene un totale di M=4 serie di dati (m=1...4) variando la posizione dell'antenna di trasmissione con passi di 90°.

A titolo esemplificativo, si può affermare che il sistema presenti un limite di risoluzione ottica pari a dove rappresenta la lunghezza d'onda dell'oggetto calcolata alla frequenza maggiore.

Allo scopo di eseguire un'operazione di imaging in 3D, il procedimento descritto e rivendicato può essere ripetuto diverse volte, posizionando le antenne a quote differenti lungo l'altezza, cioè lo sviluppo longitudinale, del manufatto.

L'invenzione consegue importanti vantaggi.

Innanzitutto il procedimento e l'apparato secondo il trovato permettono di determinare, in maniera non distruttiva ed affidabile al contempo, la presenza di anomalie/difetti in un manufatto.

Inoltre, sempre in maniera non distruttiva e con un elevato grado di affidabilità, il procedimento e l'apparato oggetto dell'invenzione consentono di determinare la posizione dell'anomalia/difetto all'interno del manufatto.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il controllo-qualità di manufatti comprendente: investire un manufatto (2) con un campo elettromagnetico principale (FI); rilevare un corrispondente campo elettromagnetico riflesso (F2); determinare, in funzione di detto campo elettromagnetico riflesso (F2), un parametro principale (MP) rappresentativo di una discontinuità elettrica di detto manufatto (2); - generare, in funzione di detto parametro principale (MP), un segnale (S) rappresentativo di un difetto (2a) di detto manufatto (2).
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1 in cui detto campo elettromagnetico principale (FI) è ottenuto da una pluralità di radiazioni provenienti da differenti posizioni .
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2 comprendente predisporre una o più antenne di trasmissione (TX), ciascuna in una rispettiva posizione, per emissione di dette radiazioni.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 2 o 3 comprendente: - predisporre una o più di dette antenne di trasmissione (TX); - movimentare dette una o più antenne di trasmissione (TX) rispetto a detto manufatto (2) in modo da eseguire emissioni di detto campo elettromagnetico principale (FI) da dette differenti posizioni.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 3 o 4 in cui la radiazione emessa da ciascuna antenna di trasmissione (TX) comprende un prefissato intervallo di frequenza.
6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 5 in cui dette differenti posizioni sono almeno tre.
7. 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente predisporre una o più antenne di ricezione (RX) per rilevare detto campo elettromagnetico riflesso (F2) secondo diverse direzioni.
8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 7 comprendente : - predisporre una o più di dette antenne di ricezione (RX); - movimentare dette una o più antenne di ricezione (RX) in modo da rilevare detto campo elettromagnetico riflesso (F2) secondo dette diverse direzioni.
9. 9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 5 in cui detto manufatto (2) presenta una forma sostanzialmente cilindrica, e dette una o più antenne di trasmissione (TX) sono posizionate ad una determinata quota rispetto ad una base di detta forma cilindrica.
10. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 7 o 8 in cui detto manufatto (2) presenta una forma sostanzialmente cilindrica, e dette una o più antenne di ricezione (RX) sono posizionate ad una determinata quota rispetto ad una base di detta forma cilindrica.
11. 11. Procedimento secondo le rivendicazioni 9 e 10 in cui dette una o più antenne di trasmissione (TX) e dette una o più antenne di ricezione (RX) sono posizionate ad una medesima quota rispetto ad una base di detta forma cilindrica.
12. 12. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 11 in cui dette una o più antenne di trasmissione (TX) sono predisposte in una posizione radialmente più esterna, rispetto a detto manufatto (2), di dette una o più antenne di ricezione (RX).
13. 13. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente inoltre una fase di controllare una o più di dette una o più antenne di trasmissione (TX) e/o una o più di dette una o più antenne di ricezione (RX) per commutarle tra una condizione di attivazione ed una condizione di disattivazione .
14. 14. Apparato per il controllo-qualità di manufatti comprendente : - una o più antenne di trasmissione (TX) per investire un manufatto (2) con un campo elettromagnetico principale (Fi); - una o più antenne di ricezione (RX) per rilevare un corrispondente campo elettromagnetico riflesso (F2); - un'unità di elaborazione (3) comprendente: • un primo modulo operativo (4) configurato per determinare, in funzione di detto campo elettromagnetico riflesso (F2), un parametro principale (MP) rappresentativo di una discontinuità elettrica di detto manufatto (2); • un secondo modulo operativo (5) configurato per generare, in funzione di detto parametro principale (MP), un segnale (S) rappresentativo di un difetto (2a) di detto manufatto (2).