Detección de defectos de toda la superficie en condiciones de calor para productos de acero

Autor(es):

J.A. Gutiérrez - Tecnalia
A. Cruz-López - Tecnalia
A. Lago - Tecnalia
A. Bilbao - Tecnalia
R. González - Tecnalia

La iluminación es una herramienta utilizada en aplicaciones industriales de visión artificial. El sistema debe controlar la luz que se utiliza en la aplicación, así como la iluminación ambiental y, en su caso, la emisión del elemento inspeccionado. De esta forma, podemos detectar las características de la superficie del elemento estudiado, así como su color, textura y acabado. En ocasiones, la energía emitida por el objeto es mayor que la energía reflejada, como en el caso de los productos incandescentes. En estas situaciones, es difícil distinguir las características de la superficie del objeto.

Para resolver este problema, desarrollamos el sistema SURFIN para filtrar la radiación debida a altas temperaturas y visualizar las características de la superficie. Esta técnica proporciona imágenes como si el objeto estuviera frío. La solución cuenta con un sistema especial de iluminación láser con longitudes de onda alejadas de la radiación emitida por un metal caliente+ y cuenta con un sistema de doble filtración óptica.

Descripción del sistema

El sistema SURFIN incorpora una aplicación personalizada de administración y detección con un motor como módulo para análisis de las características de imágenes (texturas y tamaños) y un clasificador de defectos basado en inteligencia artificial. Este módulo utiliza modelos de máquinas de vector de soporte (SVM). Las condiciones industriales ensucian la superficie del rodillo de laminación para la inspección, provocando manchas y marcas que son difíciles de diferenciar de los verdaderos defectos de la superficie. Asimismo, en base al tipo de material (lote, espesor, diámetro), la superficie del producto puede variar mucho en apariencia, por lo que el sistema debe adaptarse.

Diseñamos el sistema SURFIN para que funcione en condiciones agresivas y variables, incluyendo entornos severos con temperaturas extremas, procesamiento rápido, presencia de vapor y aceites y niveles variables de suciedad. Cada línea de producción es diferente, por lo que una de las claves para el éxito del sistema SURFIN es su flexibilidad para adaptarse a las necesidades específicas de cada cliente. Con esta flexibilidad, el equipo ha evolucionado para incluir una serie de mejoras propuestas por los usuarios.

Usamos NI LabWindows/CVI como nuestra herramienta estándar de programación. Su facilidad de programación, integración y su potencia lo hacen especialmente adecuado para nuestras aplicaciones. También usamos NI vision para administrar imágenes, obtener características de imágenes y programar las características de la interfaz de usuario del módulo NI 9221 de la serie C. Para obtener la velocidad de un rodillo de laminación como una señal analógica, utilizamos una interfaz USB. Con esta información se adapta la velocidad de adquisición al conducto a inspeccionar.

Mejora del sistema

Instalamos el primer sistema SURFIN en la fábrica de Tubos Reunidos en 2007 para la inspección de superficies calientes de tubos de acero. La configuración se compone de un pórtico de inspección con tres carcasas a 180 grados, cada una con cámaras, iluminación y los dispositivos ópticos y electrónicos necesarios. El sistema SURFIN envía imágenes y datos a través de fibra óptica a una PC en la sala de control, donde se realiza el procesamiento para detectar e identificar defectos.

Durante el desarrollo del primer proyecto se detectaron diferentes problemas ópticos, mecánicos, de refrigeración y de limpieza, que a su vez llevaron a un rediseño y mejora del sistema.

La experiencia nos aportó importantes mejoras en la instalación del sistema SURFIN 2.0 en el rodillo de laminación de Aceros Inoxidables Olarra, que cuenta con inspección de barras y bobinas. Instalamos el segundo sistema en octubre de 2011. Algunas de las mejoras en el modelo del sistema 2.0 incluyen:

• Una estructura mecánica más compacta para lograr una alineación más rápida y sencilla de los elementos ópticos así como mantener la estabilidad con el paso del tiempo para obtener imágenes de gran calidad.
• Un sistema de refrigeración de agua para la colocación de sensores e iluminación más cerca del producto a inspeccionar, independientemente de que sea más largo, más lento o con mayor continuidad (tiempo entre elementos menor o igual a cero).
• Mejoras de software, como una interfaz de usuario más flexible con más información, bases de datos más grandes y mayores capacidades de administración remota y de múltiples usuarios.

El futuro de SURFIN

Estamos trabajando en una solicitud para una nueva versión de SURFIN para Tubos Reunidos para sus etapas finales de procesamiento. Este sistema requiere procesamiento en tiempo real con velocidades de hasta 10 m/s para capturar y obtener las características de la imagen de cada elemento y la clasificación con la estrategia SVM para toda la producción. Esto implica la captura y procesamiento de 36,000 líneas por segundo (2,048 píxeles por línea por 8 bits por píxel por tres cámaras). El sistema proporciona un alto rendimiento de procesamiento de 216 MB/s. Examinamos varias estrategias para hacer frente a este volumen de datos que se implementa en las nuevas versiones. Un ejemplo es el procesamiento modular para ejecutar los hilos de la aplicación en varias máquinas.

Otro tema importante es la garantía de obtener una correcta detección (calibración y verificación). Aunque el software que usa imágenes pregrabadas es simple, la parte de adquisición presenta grandes desafíos porque es difícil simular un patrón de defecto que pueda ocurrir en condiciones reales.

Además, estamos trabajando en las siguientes mejoras: visualización en tiempo real, nuevos enfoques para un clasificador inteligente, otros sistemas de refrigeración activa y nuevos sistemas de limpieza, uno de los cuales se basa en nano estructuras auto-limpiadoras.

Reduce costos y agrega valor

Los sistemas de visión artificial industrial se incorporan cada vez más en entornos más complejos y hostiles. Nuestro sistema SURFIN puede detectar los defectos de superficies (fisuras, marcas y rupturas) durante el proceso de producción en caliente. La detección anticipada de defectos proporciona importantes ventajas:

• Reduce los costos de producción reduciendo el rechazo de estos tipos de defectos y reduciendo las operaciones de re-procesamiento del material defectuoso. La mayoría de las quejas de calidad son sobre defectos superficiales, y este sistema los previene para que no lleguen al cliente final.
• Evita agregar valor al material defectuoso, reduciendo así el desperdicio de esfuerzos, materiales y tiempo de máquina. Por ejemplo, en una fábrica, antes de introducir el sistema SURFIN, los defectos se detectaban a través de inspección visual en frío, lo que suponía que hasta 70 toneladas de material defectuoso (50,000 €) seguían pasando por costosos procesos productivos.
• Promueve el mantenimiento preventivo. La presencia de determinados defectos implica errores en el proceso, como el deterioro de las cajas de rodillo de laminación, que pueden solucionarse con anticipación mediante paradas programadas, y no cuando se produce una rotura final que provoca grandes inconvenientes.
• Aumenta el uso de la línea porque hay menos paradas para investigar y determinar las causas de los defectos encontrados, cuando los productos están fríos.
• Ahorra energía porque se calienta menos material para cumplir con los pedidos.
• Mejora el conocimiento de la compañía sobre su propio proceso productivo. Es difícil determinar los numerosos defectos que pueden tener lugar durante el proceso de laminación. Este conocimiento significa encontrar las causas de cada tipo de defecto y establecer un plan de acción para modificar los parámetros de producción en cada caso.

Por las razones antes mencionadas, el sistema SURFIN ofrece un incremento de competitividad a trav[es del uso de herramientas tecnológicas basadas en productos de visión artificial de NI.

Información del autor:

J.A. Gutiérrez
Tecnalia
Parque Tecnológico de Bizkaia Edif. 202
Zamudio 48170
España
Tel: +34 946430850
Fax: 901706009
joseangel.gutierrez@tecnalia.com

^{La marca LabWindows se usa bajo una licencia de Microsoft Corporation. Windows es una marca comercial registrada de Microsoft Corporation en los Estados Unidos y otros países.}