Matrox Imaging Library (MIL) per ispezionare le turbine degli aerei

matrox
mil10

Le turbine alloggiate nei motori degli aerei sono soggette a condizioni piuttosto difficili. Devono funzionare ad una velocità di 30 mila giri al minuto a temperature superiori a 800ºC per ore e ore.

I produttori di motori comprendono perfettamente che anche piccoli difetti superficiali possono ridurre le prestazioni, aumentare i costi di manutenzione e ridurre la vita utile di un motore per aerei. Devono ispezionare le pale delle turbine con molta attenzione per mantenere l’efficienza e l’affidabilità che l’industria dei trasporti aerei richiede.

Un particolare produttore nordamericano ha da sempre ispezionato le lame a mano e a occhio nudo. Ispettori altamente qualificati hanno misurato centinaia di caratteristiche e controllato i difetti superficiali ad una profondità dell’ordine di millesimi di pollice. L’ispezione manuale non solo si è rivelata costosa in termini di tempo e di lavoro, ma ha anche una validità soggettiva. Sono stati ottenuti risultati variabili e addirittura diversi tra i vari ispettori. Infine, poiché l’ispezione manuale ha richiesto molto tempo, non è stata eseguita un’ispezione sistematica di ogni lama, ma è stato eseguito un controllo a campione. Chiaramente, il produttore richiedeva un approccio che consentisse di effettuare ispezioni sistematiche delle lame, risparmiare tempo e ottenere risultati coerenti e ripetibili.

Si sono rivolti a Orus Integration Inc. (Laval, Quebec) per progettare un sistema di ispezione delle turbine. Il Project Manager Louis Dicaire afferma che all’inizio del progetto, il team di sviluppo ha imparato che la flessibilità, la ripetibilità e la precisione erano assolutamente necessarie per garantire il successo. Durante lo sviluppo, il team di ingegneri di Orus si è affidato alla sua precedente esperienza, avendo già progettato sistemi metrologici basati sulla visione artificiale per l’industria militare e aerospaziale canadese. Hanno inoltre lavorato a stretto contatto con Genik Automation per la movimentazione dei pezzi e l’ingegneria meccanica della macchina.

Matrox Imaging Library (MIL) per ispezionare
Matrox Imaging Library (MIL) per ispezionare

Il sistema

Orus ha denominato questo sistema INL-1900x2T. Un unico alloggiamento ospita due stazioni che effettuano le ispezioni. La stazione metrologica è dotata di due telecamere Basler GigE a 1920 x 1080, ciascuna dotata di un obiettivo telecentrico a campo visivo di grandi dimensioni (obiettivo non prospettico) e di due luci collimate a LED blu (520 nm). La stazione di ispezione superficiale utilizza quattro telecamere Basler GigE; la risoluzione della prima telecamera è di 1920 x 1080 per l’ispezione superficiale, mentre le altre tre offrono una risoluzione di 640 x 480 per l’ispezione superficiale di aree difficili da raggiungere con una singola telecamera. Due luci diffuse CCS sull’asse e una retroilluminazione diffusa CCD illuminano la stazione di ispezione superficiale. Un robot Fanuc 6-Axis LR Mate 200iC, un controller 4U e un PLC Omron completano i componenti hardware. Il software si basa sul modello Matrox Imaging Library (MIL) 9.0 con 1 pacchetto di elaborazione.

Il movimento della lama

Il sistema INL-1900x2T svolge tre funzioni di ispezione: verificare diverse centinaia di caratteristiche metrologiche della pala, ispezionare entrambi i lati della pala della turbina e altre superfici critiche per individuare eventuali difetti e convalidare le marcature dei caratteri del pezzo. L’intera procedura di ispezione richiede 15 secondi per ogni parte.

Per eseguire un’ispezione del lotto, l’operatore scansiona prima il codice a barre sul foglio di lavoro con uno scanner di codici a barre e carica la ruota di carico con il meccanismo che trattiene i pezzi. Successivamente, la ruota indicizza il primo pezzo mentre un rilevatore di altezza ne convalida la posizione Y per garantire che il pezzo sia stato caricato correttamente. Il robot raccoglie il pezzo afferrando la sezione della lama e lo trasferisce alla stazione metrologica, che è illuminata da due luci collimate. Con gli obiettivi telecentrici della fotocamera e la lastra di granito da 4 pollici per assorbire calore e vibrazioni, il sistema INL-1900x2T garantisce un’ottica decisamente stabile. “In queste condizioni, il contrasto delle sezioni rotonde di oggetti particolarmente lucenti appare super acuto”, spiega Dicaire.

La precisione è estremamente importante in questa applicazione. “Il robot garantisce la massima ripetibilità, ma non può posizionare la lama con la precisione di cui abbiamo bisogno, che è più piccola di 10 micron”, afferma. La soluzione di Orus è stata quella di ruotare il pezzo e acquisire le immagini ad alta velocità. A seconda della caratteristica che deve essere misurata, il software minimizza o massimizza una caratteristica specifica. Quando un’immagine di un particolare punto di riferimento, chiamato datum, corrisponde al disegno CAD originale, il software la identifica come immagine di riferimento. Successivamente, il software di metrologia misura il parallelismo, la lunghezza, il raggio, gli angoli e altre caratteristiche del pezzo. Poiché ci sono molti dati da ottimizzare, questo passaggio viene eseguito più di una volta. Il software registra i risultati per centinaia di caratteristiche e 50 tolleranze.

Una volta che il software ha registrato i risultati metrologici per tutte le caratteristiche della lama, il robot posiziona la lama in una pinza a tre punte montata su una stazione Y-Theta. La pinza ruota la lama di 360º per ispezionare entrambi i lati e verificare la presenza di difetti superficiali. Successivamente, il software verifica le marcature dei caratteri del pezzo: prima unendo più immagini per formare un’immagine completa e poi eseguendo gli algoritmi OCR che determinano il carattere.

Una volta completate le ispezioni, tutti i risultati relativi al pezzo vengono registrati e sono disponibili per il rapporto finale. Se il pezzo supera l’ispezione, il robot lo posiziona sullo scivolo dei “pezzi approvati”. Se una caratteristica non risulta idonea, il pezzo viene tenuto nella pinza e le informazioni vengono visualizzate sullo schermo in modo che l’operatore sappia cosa correggere su quel determinato pezzo. Successivamente, la pinza di presa rilascia il pezzo nello scivolo di scarto. La ruota gira, indicizza il pezzo successivo e il processo si ripete per tutti pezzi del sistema.

Potenza del modulo MIL

Orus utilizza il modulo Matrox Imaging Library (MIL) da quasi nove anni. “Questo è probabilmente il progetto per cui abbiamo attinto più a fondo alla libreria”, afferma Dicaire. Uno degli algoritmi implementati è caratterizzato da una soglia adattiva: l’algoritmo localizza dinamicamente i punti luminosi nelle aree scure e i punti scuri nelle aree chiare. Per altre operazioni, gli sviluppatori di Orus hanno utilizzato le interfacce GUI per diversi moduli MIL: OCR, Edge Finder, Geometric Model Finder e, naturalmente, il software di metrologia. Il software di metrologia è stato sviluppato quasi esclusivamente con l’interfaccia grafica, in modo che il sistema potesse acquisire tutte le informazioni necessarie sui pezzi. In effetti, la flessibilità del sistema INL-1900x2T consente l’elaborazione di diversi pezzi, anche i nuovi pezzi ancora in fase di sviluppo. “Con le GUI”, spiega Dicaire, “possiamo costruire un sistema che permette ai nostri clienti di essere più autonomi per quanto riguarda il prodotto finale. Riteniamo che, dato il livello di complessità dei nostri progetti, la facilità d’uso, le prestazioni, la flessibilità e il grande supporto del team della Vision Squad [Matrox Imaging] siano le ragioni per cui continuiamo a sviluppare soluzioni partendo dal modulo MIL”.

Confronto diretto con le principali sfide

Dicaire afferma che le sfide della progettazione di macchine metrologiche sono sempre le stesse: ripetibilità, precisione e linearità. Per far sì che il sistema restituisca risultati prevedibili e ripetibili, il software deve garantire una precisione nell’ordine dei sub-pixel; la macchina mostra una tolleranza di +/-3 sigma sotto i 5 micron. Naturalmente, un’immagine è buona solo in base alla sua illuminazione, e Dicaire spiega che il sistema richiede un sistema ottico stabile e ad alte prestazioni. Per ottenere la precisione richiesta, Orus ha utilizzato un target di calibrazione di tipo militare per calibrare entrambe le telecamere contemporaneamente.

Sebbene il sistema INL-1900x2T faccia risparmiare migliaia di ore di lavoro, il suo principale vantaggio è la capacità di eseguire analisi molto complesse, offrendo nel contempo un’interfaccia semplice e un concetto molto facile da usare per gli operatori. “Questo progetto utilizza una serie di tecnologie collaudate sul campo: robot, assi, libreria di visione. Tutto ciò consente alla macchina di crescere e di adattarsi alle esigenze future del cliente. Ad eccezione della progettazione meccanica, quasi tutti i componenti sono pronti all’uso”.

“Questa macchina è un insieme di tecnologie pensate per fare funzionare il sistema di visione in condizioni ottimali”, afferma Dicaire. “È un grande esempio di ciò che possiamo fare”.