WO2008125702A1 - Sistema de detección de defectos en superficies por fusión de imágenes mediante barrido de iluminación - Google Patents

Sistema de detección de defectos en superficies por fusión de imágenes mediante barrido de iluminación Download PDF

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Alvaro Herraez Martinez
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Definitions

  • the invention that is protected in this patent consists of a system for detecting surface defects by image fusion with amplification of defects obtained by scanning lighting.
  • the surfaces can be those corresponding to small objects or large objects such as household appliances or car bodies. In this sense, the system has been tested on bodywork of motor vehicles.
  • the detection system that we expose is based on the generation of a lighting scan on the surface to be detected, keeping the position of the object and the image acquisition system fixed by artificial vision.
  • the fixed relative position between the object to be inspected and the image acquisition cameras eliminates the distortions caused by vibrations associated with the relative movement between them, which would blur the defect and make it undetectable. On the contrary, the vibrations associated with the mobile lighting does not affect the acquired images.
  • the lighting consists of a set of narrow and planar light beams (eg high frequency fluorescent tubes) capable of enhancing the defect by an optical phenomenon of amplification in the vicinity of the edge of the lighting, that is, in transits from light to shadow and from shadow to light.
  • the beam border acquires around the defect a curvature with a diameter of up to ten times the size of the defect itself. It is this phenomenon that enables the system to detect microdefects with a small number of cameras.
  • the processing is performed on the merged image of all the captured images, and not on each of them, as do other systems and procedures.
  • the fusion of images is carried out in the image acquisition system itself by a simple superposition of them with a non-significant consumption of time.
  • the defect detection system is of high sensitivity as a result of the optical amplification thereof described above. It is also a high precision system as it is not affected by the vibrations associated with the movements, since the cameras and object are fixed, that is, without relative movement. It is a high speed system because instead of processing each and every one of the acquired images, it processes only a merged image of all of them.
  • the detection system may be located along the manufacturing chain at all points where it is possible to detect possible surface defects. That is, after forming the surface, after priming, after lacquering, etc. The location will depend exclusively on the importance and transcendence of the detection and ease of correction of said defect at that point in the manufacturing chain.
  • the object is transferred to the inspection area at a point below the observation of a set of cameras.
  • a lighting system generates a variable number of planar beams that run along the surface, illuminating all those parts of it susceptible to inspection.
  • This scanning of planar beams maximizes the microdefects in the captured image and makes them detectable by subsequent processing.
  • this illumination enhances the defect by an amplification mechanism in the vicinity of the edge of the planar beam, that is, in the transits from light to shadow and from shadow to light.
  • This phenomenon capable of amplifying up to ten times the size of the defect, is what enables the system to detect microdefects with a small number of cameras.
  • each of the acquisition units captures and merges the images corresponding to their visual field.
  • the object to be inspected is free to leave the inspection area, proceeding simultaneously to the processing of each of the images resulting from the fusion and associated with each of the units.
  • the defects detected are classified by their size, shape, etc. being located on the object, facing its future correction within the manufacturing chain. It is this precise detection and location that allows us to automate the subsequent defect correction process using robotic systems or similar mechanisms.

Abstract

Sistema de detección de defectos en superficies por fusión de imágenes mediante barrido de iluminación mediante una zona de inspección por cámaras de visión donde el objeto inspeccionado es barrido por una iluminación de haces planares en movimiento que amplifica el tamaño de los defectos en las imágenes capturadas. Todas las imágenes capturadas de una determinada parte del objeto por Ia cámara correspondiente se fusionan en una imagen única para su procesamiento posterior.

Description

SISTEMA DE DETECCIÓN DE DEFECTOS EN SUPERFICIES POR FUSIÓN DE IMÁGENES MEDIANTE BARRIDO DE ILUMINACIÓN
DESCRIPCIÓN
Sector técnico
La invención que se protege en esta patente, consiste en un sistema de detección de defectos en superficies por fusión de imágenes con amplificación de defectos obtenida mediante iluminación por barrido.
Se trata, por tanto, de un sistema de control de calidad que detecta defectos superficiales incluso de tamaño pequeño superiores a 0,2 milímetros de diámetro y que pueden desembocar en Ia no superación de los controles de calidad de procesos productivos, ni lograr Ia satisfacción en el consumidor final. Las superficies pueden ser las correspondientes a pequeños objetos o grandes objetos como son electrodomésticos o carrocerías de automóviles. En este sentido, el sistema ha sido ensayado sobre carrocería de vehículos automóviles.
Técnica anterior
Así, es ya conocida Ia patente japonesa JP63061374 de MAZDA MOTOR (1988) que describe un método de discriminación del tipo de defecto en función de Ia sombra generada mediante variación de Ia iluminación a Io largo de Ia superficie con un sistema de iluminación fijo, a diferencia de Ia presente invención en Ia cual Ia iluminación es móvil. En Ia presente invención, con un vehículo fijo y un sistema de barrido de iluminación móvil se logra localizar los mínimos defectos. Con Ia patente japonesa anterior, el movimiento del vehículo genera vibraciones que hacen indetectables los defectos. Otras patentes como Ia WO2006/054962 de TOYOTA MOTOR MANUFACTURING (2006) trata de detectar los mismos defectos por variaciones térmicas, en contrataste con Ia invención que se describe a base de visión artificial. La patente norteamericana US5844801 de HONDA GIKEN KOGYO KABUSHIKI KAISHA (1998), donde Ia detección de defectos para carrocerías se efectúa en las superficies antes de pintar, busca posibles distorsiones. Esta invención sólo detecta problemas de abolladuras, arañazos y defectos de ensamblaje previamente a su pintando, y no microdefectos en superficies metálicas ni tampoco en superficies pintadas.
En Ia patente norteamericana US639870 de CHUO ELECTRONIC
MEASUREMENT (2002), Ia inspección de los defectos se realiza con el vehículo en movimiento con los problemas de distorsiones que esto ocasiona y que ya han sido descritos anteriormente. Además, esta patente se centra en el proceso de marcado del defecto y no tanto en el proceso de detección del mismo, no haciendo ninguna referencia al sistema de iluminación (disposición y movimiento de luces) esencial para Ia detección de defectos. Asimismo, Ia WO2005100960 de CHUO ELECTRONIC MEASUREMENT (2005) trata una pluralidad de elementos de emisión de luz con un movimiento simultáneo de luces y cámaras. Este movimiento relativo, cámara a carrocería o viceversa, produce una distorsión suficiente importante como para no poder detectar microdefectos.
La patente norteamericana US6532066 de FORD GLOBAL TECHNOLOGIES (2003), que utiliza visión artificial, pretende abarcar todos los sistemas de iluminación conocidos hasta Ia fecha, haciendo referencia a Ia posibilidad de utilizar iluminación puntual, direccional, estructurada y difusa; incluso plantea Ia posibilidad de emplear láser con un sistema que no sea una cámara. Sin embargo, esta patente manifiesta Ia dificultad en su uso sobre superficies secas, centrándose solamente en superficies poliméricas recién pintadas. El mismo titular en su patente norteamericana US20030139836 (2003) patenta de modo genérico e impreciso el concepto general de detección de defectos y reparación de los mismos con robots. No especifica ningún método de detección de defectos, ni de localización de los mismos, ni tampoco de reparación. Solamente habla de Ia filosofía del flujo y procesado de información de dispositivos, y pretende exclusivizar cualquier sistema de adquisición de datos, procesamiento y control. Además, hace referencia a Ia necesidad de tener un modelo CAD para inspeccionar el objeto, a diferencia de Ia invención que aquí se describe.
Todas ellas como anterioridades a Ia invención que se presenta, que se fundamentan sobre aplicaciones, usos o funciones muy diversas y como invenciones todas de las que resultan limitaciones funcionales y operativas, y por tanto alejadas con respecto al dispositivo de Ia invención.
Problema técnico
En los procesos de fabricación se generan defectos superficiales o microdefectos sobre los productos por imprecisiones en el propio proceso de fabricación, falta de homogeneidad en los materiales, polución ambiental, etc. En concreto en las superficies pintadas Ia contaminación ambiental adquiere una mayor relevancia, al tiempo que amplifica defectos ya existentes en las superficies antes de pintar. En consecuencia, Ia detección de defectos antes, durante y después del proceso de pintado es vital para mantener unos niveles de calidad aceptables. No existen sistemas automáticos de detección de microdefectos, recurríéndose a Ia inspección manual y visual ocular por parte de operarios. Siendo esto un proceso rudimentario, cansino y no sistemático que no permite garantizar niveles de calidad de los productos finales, al tiempo que afecta a Ia salud laboral de los operarios. Solución técnica
Por tanto, resulta necesario desarrollar un sistema automatizado de detección de microdefectos en superficies capaz de garantizar de forma sistemática unos niveles de calidad aceptables, capaz de ser introducido en procesos productivos de manera que no interfiera en Ia cadena de producción con detección de defectos en tiempo real, Io cual implica una adquisición y procesamiento de información a alta velocidad. La detección, catalogación y localización sistemática de los defectos nos permite automatizar Ia subsiguiente corrección de los defectos mediante un sistema robotizado u otro mecanismo similar.
El sistema de detección que exponemos se basa en Ia generación de un barrido de iluminación sobre Ia superficie a detectar manteniendo fija Ia posición del objeto y del sistema de adquisición de Ia imagen mediante visión artificial. La posición relativa fija entre objeto a inspeccionar y las cámaras de adquisición de imágenes elimina las distorsiones por vibraciones asociadas al movimiento relativo entre estos, las cuales desdibujarían el defecto y Io harían indetectable. Por el contrario, las vibraciones asociadas a Ia iluminación móvil no afecta a las imágenes adquiridas.
La iluminación consiste en un conjunto de haces de luz estrechos y planares ( p.ej. tubos fluorescentes a alta frecuencia) capaces de realzar el defecto por un fenómeno óptico de amplificación en las proximidades del borde de Ia iluminación, es decir, en los tránsitos de luz a sombra y de sombra a luz. En estos tránsitos, Ia frontera del haz adquiere alrededor del defecto una curvatura con un diámetro de hasta diez veces el tamaño del propio defecto. Es este fenómeno Io que capacita al sistema para detectar microdefectos con un número reducido de cámaras. A su vez, el procesamiento se realiza sobre Ia imagen fusionada de todas las imágenes capturadas, y no sobre cada una de ellas, como hacen otros sistemas y procedimientos. La fusión de imágenes se realiza en el propio sistema de adquisición de imágenes por una simple superposición de las mismas con un consumo de tiempo no significativo.
Efectos ventajosos
El sistema de detección de defectos es de alta sensibilidad como consecuencia de Ia amplificación óptica de los mismos descrita anteriormente. También es un sistema de alta precisión al no verse afectado por las vibraciones asociadas a los movimientos, ya que las cámaras y objeto se encuentran fijos, es decir sin movimiento relativo. Es un sistema de alta velocidad ya que en lugar de procesar todas y cada una de las imágenes adquiridas, procesa únicamente una imagen fusionada de todas ellas.
Por tanto, es un sistema de prestaciones en tiempo real capaz de ser insertado en Ia cadena de producción adaptándose a Ia velocidad de trabajo de Ia misma sin interferir con el proceso productivo.
Modo de realizarla invención
El sistema de detección puede estar localizado a Io largo de Ia cadena de fabricación en todos aquellos puntos en que se quiera detectar posibles defectos superficiales. Es decir, tras el conformado de Ia superficie, después de su imprimación, después de su lacado, etc. La localización dependerá exclusivamente de Ia importancia y transcendencia de Ia detección y facilidad de corrección de dicho defecto en ese punto de Ia cadena de fabricación. En primer lugar, el objeto es trasladado a Ia zona de inspección situándose en un punto bajo Ia observación de un conjunto de cámaras. A continuación un sistema de iluminación genera un número variable de haces planares que recorren Ia superficie iluminando todas aquellas partes de Ia misma susceptibles de inspección.
Este barrido de haces planares maximiza los microdefectos en Ia imagen capturada y los hace detectables mediante un procesamiento posterior. Como hemos expresado anteriormente, esta iluminación realza el defecto por un mecanismo de amplificación en las proximidades del borde del haz planar, es decir, en los tránsitos de luz a sombra y de sombra a luz. Este fenómeno capaz de amplificar hasta un valor de diez veces el tamaño del defecto, es Io que capacita al sistema para detectar microdefectos con un número reducido de cámaras.
Durante este proceso, cada una de las unidades de adquisición captura y fusiona las imágenes correspondientes a su campo visual. Tras el proceso de adquisición de las imágenes, el objeto a inspeccionar queda libre para abandonar Ia zona de inspección procedíéndose simultáneamente al procesamiento de cada una de las imágenes resultante de Ia fusión y asociada a cada una de las unidades.
A continuación los defectos detectados son clasificados por su tamaño, forma, etc. localizándose sobre el objeto, cara a su corrección futura dentro de Ia cadena de fabricación. Es esta detección y localización precisa Ia que nos permite automatizar el subsiguiente proceso de corrección de defectos mediante sistemas robotizados o mecanismos similares.

Claims

REIVINDICACIONES
1¿ - Sistema de detección de defectos en superficies por fusión de imágenes con amplificación de defectos mediante barrido de iluminación caracterizado porque comprende una zona de inspección por cámaras de visión donde el objeto inspeccionado es barrido por una iluminación de haces planares en movimiento que amplifica el tamaño de los defectos en las imágenes capturadas. Todas las imágenes capturadas de una determinada parte del objeto por Ia cámara correspondiente se fusionan en una imagen única para su procesamiento posterior.
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