Una linea di produzione di componenti maturi può produrre un milione di pezzi alla settimana, e un solo difetto sfuggito al controllo può bloccare le operazioni di assemblaggio di un cliente. L’ispezione manuale è la misura di prevenzione tradizionale, ma una persona che effettua il controllo a ritmo sostenuto vede solo una minima parte di ciascuna superficie e valuta lo stesso difetto in modo diverso da un turno all’altro.
La selezione ottica è un processo di ispezione automatizzato in cui telecamere e sensori acquisiscono l’immagine di ciascun pezzo mentre passa attraverso un campo visivo definito, confrontano le caratteristiche rilevate con i criteri di accettazione e attivano un meccanismo che rimuove dal flusso dei pezzi conformi quelli che non soddisfano tali criteri. Nella produzione di componenti, il sistema opera su singoli pezzi anziché su materiale sfuso; pertanto, il compito consiste nel valutare correttamente un componente e nel prevedere dove si troverà pochi millisecondi dopo, quando l’attuatore entrerà in azione.
Le sezioni che seguono illustrano in dettaglio tale processo, dal momento in cui i componenti raggiungono la fotocamera fino alla conferma di un rifiuto.
Che cos’è la selezione ottica nella produzione di componenti discreti?
Nella produzione di componenti, la selezione ottica combina la movimentazione dei pezzi, l’illuminazione controllata, la visione artificiale e l’espulsione ad alta velocità per classificare ogni singolo pezzo e separare fisicamente quelli non conformi dal flusso. Il risultato è una decisione per ogni singolo pezzo piuttosto che un rapporto di misurazione, e le prestazioni dipendono tanto dalla movimentazione meccanica quanto dalla risoluzione della telecamera.
La definizione generale di smistamento ottico descrive un processo automatizzato che seleziona prodotti solidi utilizzando telecamere o laser in base a criteri di accettazione e scarto definiti dall'utente. Tale definizione deriva dal settore agricolo, dove i pezzi cadono lungo uno scivolo e raramente richiedono un tracciamento preciso.
I pezzi modificano il problema. I pezzi vengono separati singolarmente, in modo da poter ispezionare facce ben definite anziché qualsiasi superficie si trovi casualmente di fronte alla telecamera. I difetti sono spesso di dimensioni inferiori al millimetro e hanno lo stesso colore della superficie integra, il che rende la gestione del contrasto più importante della discriminazione cromatica. La produttività è misurata in pezzi al minuto, riducendo il tempo di rilevamento ed espulsione a poche decine di millisecondi.
Confronto tra selezione ottica, misurazione ottica e ispezione manuale
| Capacità | Ispezione manuale | Misurazione ottica | Selezione ottica |
| Risultato | Accettare o respingere la sentenza | Dimensioni e coordinate | Accetta, rifiuta o valuta |
| Copertura | Una selezione, e solo ciò che cattura lo sguardo | Funzionalità selezionate, spesso disponibili offline | Ogni parte, ogni volto che si presenta |
| Velocità | Decine di pezzi al minuto | Secondi per pezzo | Da centinaia a migliaia al minuto |
Cosa significa in pratica “smistamento dei dispositivi”
Il termine ricorre principalmente nel settore dell’elettronica e nella produzione di semiconduttori, dove indica la suddivisione dei singoli dispositivi in categorie in base a caratteristiche misurate, spesso denominate “gradi” anziché “accettati” e “scartati”. I test elettrici determinano il grado parametrico, mentre l’ispezione ottica rileva la presenza di terminali piegati, la coplanarità, le crepe nell’involucro, gli errori di marcatura e la contaminazione. Una selezione in linea basata esclusivamente sui dati di collaudo continua a far passare difetti meccanici che si manifestano dopo la saldatura.
Come funziona la selezione ottica? Il ciclo in cinque fasi
La selezione ottica funziona secondo un ciclo ripetitivo composto da cinque fasi: i componenti vengono separati e alimentati a intervalli controllati, illuminati e ripresi dalla telecamera, valutati dal software in base a criteri di accettazione, espulsi in caso di rifiuto e confermati da un sensore che registra l’esito. Ogni fase deve concludersi entro il tempo necessario al componente per percorrere il tragitto dalla telecamera al punto di scarto.
La mancata corrispondenza tra le fasi è la causa principale dei problemi di prestazione. Una telecamera ad alta risoluzione montata su un alimentatore instabile fornisce immagini sfocate e tempi imprevedibili, mentre un espulsore veloce controllato da un software lento entra in funzione in ritardo. Una produzione macchina per la selezione ottica si basa su un budget di latenza definito per iscritto, non sulle specifiche tecniche della fotocamera.
La finestra decisionale di 60 millisecondi
A una velocità di 1.000 pezzi al minuto, un pezzo arriva ogni 60 millisecondi, quindi la telecamera, il software e l'espulsore devono tutti rientrare in tale intervallo di tempo.
| Palcoscenico | Latenza tipica | Nota |
| Esposizione con luce stroboscopica | da 0,1 a 0,5 ms | Blocca il movimento, prolunga la durata della sorgente luminosa |
| Lettura e trasferimento | da 2 a 6 ms | Una risoluzione più alta richiede più tempo in questo caso |
| Inferenza e decisione | da 3 a 15 ms | Dipende dalle dimensioni del modello e dall'hardware |
| Azionamento delle valvole | da 2 a 5 ms | L'inerzia del solenoide prevale |
| Durata del getto d'aria | da 8 a 20 ms | Deve essere abbastanza lungo da spostare il pezzo |
Il margine si riduce all’aumentare della risoluzione; ecco perché a volte è più conveniente utilizzare una seconda stazione piuttosto che una singola fotocamera più veloce.
Come i componenti raggiungono la zona di ispezione
La piattaforma di movimentazione viene scelta in base alla geometria del pezzo e determina il numero di superfici visibili e la stabilità del pezzo durante l'esposizione.
| Piattaforma | Componenti tipici | Superfici trattate | Cambio di produzione |
| Piattaforma girevole in vetro | Parti piatte stampate e modellate | Faccia superiore più bordo | Veloce, senza attrezzi |
| Piastra di indicizzazione con alloggiamenti | Piccoli componenti che devono essere mantenuti in una posizione fissa | Top più fino a quattro lati tramite specchi | Medio, cambio del nido |
| Disco in vetro singolo o doppio | Parti piatte e sottili | Uno o due volti | Veloce |
| Cinghia in acciaio | Parti più pesanti o calde | In alto, in basso attraverso uno spazio | Veloce |
| Scanalatura a U o scanalatura a V | Perni, viti, alberi | Circonferenza completa con rotazione | Medio |
A selezionatore a piattello girevole in vetro è spesso l'impostazione predefinita per i pezzi piatti perché sostiene il pezzo su una superficie trasparente, consente la retroilluminazione per la misurazione della sagoma e non richiede un nest dedicato.
In che modo i sistemi di ispezione visiva individuano un pezzo difettoso?
I sistemi di visione rilevano i difetti rendendoli visibili tramite un'illuminazione controllata, ingrandendoli a sufficienza e distinguendoli dalle variazioni accettabili utilizzando caratteristiche basate su regole o un modello addestrato. La qualità viene determinata in quest'ordine, e nessun algoritmo è in grado di recuperare un'immagine in cui il difetto non sia mai apparso.
L'illuminazione determina ciò che la telecamera può riprendere
La geometria dell'illuminazione è solitamente più importante della scelta della fotocamera, poiché i difetti e le superfici integre si distinguono per la topografia piuttosto che per il colore. Il campo oscuro a basso angolo sfiora la superficie e mette in evidenza graffi, sbavature e segni di lavorazione, lasciando al buio le aree piatte. L'illuminazione diffusa a cupola avvolge le parti curve o lucidate in una luce uniforme. La retroilluminazione riduce il pezzo a una silhouette: è il modo più affidabile per confermare la presenza di fori.
Illuminazione telecentrica proietta la luce collimata parallelamente all'asse ottico, eliminando il bordo sfocato che la retroilluminazione diffusa crea sulle parti riflettenti.
Ottica, risoluzione e la regola dei tre pixel
La risoluzione è data dal rapporto tra il campo visivo e il numero di pixel. Una visione di 30 mm su un sensore da 5 megapixel corrisponde a circa 0,013 mm per pixel; pertanto, affinché un difetto possa essere classificato in modo affidabile, deve estendersi su un numero di pixel compreso tra tre e cinque, il che pone il difetto minimo rilevabile in modo affidabile tra 0,04 e 0,07 mm. Non specificare mai un campo visivo più ampio della dimensione del pezzo più la tolleranza di movimentazione e utilizzare obiettivi telecentrici, poiché un obiettivo convenzionale modifica la dimensione apparente man mano che il pezzo si sposta.
In cosa consiste effettivamente il principio di funzionamento di una selezionatrice a colori
Un selezionatore cromatico si basa sulle differenze nelle proprietà ottiche tra il materiale accettabile e quello non accettabile. Un’unità fotoelettrica cattura la luce riflessa da ciascun pezzo, la converte in un segnale che veicola informazioni sul colore e la confronta con un riferimento impostato da una piastra di sfondo calibrata che rappresenta il prodotto accettabile. L’imaging nel vicino infrarosso separa quindi i materiali che appaiono identici alla luce bianca.
Le classi di difetti che i sistemi di visione sono progettati per individuare
| Classe di difetto | Esempi | Acquisizione di immagini efficace | Difficoltà |
| Scostamento dimensionale | Posizione del foro, lunghezza, passo della filettatura | Retroilluminazione, ottiche telecentriche | Basso se calibrato |
| Materiale mancante o in eccesso | Scatto corto, inserto mancante, doppia alimentazione | Silhouette, rilevamento della presenza | Basso |
| Bave e sbavature | Bordi rifilati, linee di separazione | Campo oscuro a basso angolo | Medio |
| Graffi e segni | Come trattare i graffi e le striature lasciate dal lucidante | Campo oscuro, multiangolare | Da medio ad alto |
| Contaminazione | Olio, polvere, corpi estranei | Campo chiaro, varianti spettrali | Medio |
| Colore e rivestimento | Variazioni nell'anodizzazione, scolorimento della placcatura | Cupola diffusa, luce bianca calibrata | Medio |
| Parti miste | Variante errata nel flusso | Forma, colore e segni insieme | Alto quando le varianti sono simili |
| Errori di assemblaggio | Orientamento invertito, con il rovescio rivolto verso l'alto | Immagini multivista o tridimensionali | Alto |
Quando è necessario controllare una parte su sei facce, una sola telecamera con specchi raramente garantisce una qualità uniforme, e ispezione visiva a sei lati con ottiche dedicate per ciascuna faccia rappresenta l'architettura più affidabile.
In che modo vengono scartati fisicamente i componenti difettosi?
Il rifiuto avviene quando il sistema di controllo, dopo aver tracciato il pezzo dalla telecamera fino a un punto fisso a valle, attiva un attuatore nel momento in cui il pezzo arriva. Il tipo di attuatore determina la produttività raggiungibile e il rischio di interferire con i pezzi conformi adiacenti, pertanto deve essere scelto insieme alla piattaforma di movimentazione.
| Metodo | Tempo di risposta | Massa adeguata | Rischio per i componenti integri | La soluzione più adatta |
| Getto d'aria a solenoide | da 2 a 5 ms | Meno di circa 50 g | Basso con tempistica corretta | Piccoli componenti leggeri |
| Matrice di valvole ad alta velocità | da 1 a 2 ms | Meno di circa 20 g | Basso | Portata molto elevata |
| Valvola a cerniera meccanica | da 10 a 30 ms | da 50 g a 2 kg | Medio | Pezzi di grandi dimensioni, corsia riservata |
| Prelievo robotizzato | da 150 a 400 ms | Qualsiasi | Molto basso | Parti fragili o di grande valore |
L'espulsione ad aria è l'opzione predefinita per i componenti di piccole dimensioni poiché è un metodo senza contatto, veloce ed economico per singolo canale; tuttavia, la forza di espulsione diminuisce con l'aumentare della massa, quindi un ugello in grado di espellere una clip da 5 g potrebbe riuscire a malapena a spostare un raccordo da 40 g.
Compensazione della latenza e della velocità del nastro trasportatore
La tempistica di scarto è un problema di tracciamento. Il sistema registra la posizione del pezzo nel punto di attivazione, aggiunge la distanza nota dall’ugello e converte tale distanza in un ritardo utilizzando l’encoder; ecco perché l’attivazione basata sull’encoder offre prestazioni migliori rispetto ai timer fissi su qualsiasi linea che acceleri gradualmente la velocità. Un'attivazione anticipata o ritardata lascia il pezzo difettoso nel flusso dei pezzi buoni, causandone la fuga. Un'attivazione con un impulso troppo lungo sposta i pezzi adiacenti, causando un falso scarto che riduce silenziosamente la resa. Un sensore sullo scivolo di scarto conferma l’arrivo di un pezzo, poiché un comando è solo una previsione finché non viene verificato.
Quanto costa un sistema di selezione ottica?
Il costo di un sistema di selezione ottica varia in genere da circa 30.000 a 70.000 dollari USA per un'unità da banco a stazione singola, da 90.000 a 200.000 per un sistema in linea multicamera con gestione personalizzata e 250.000 o più per architetture multistazione con scarto robotizzato e tracciabilità completa. Il prezzo dipende in misura molto maggiore dal numero di viste, dal difetto più piccolo rilevabile, dalla produttività e dal numero di canali di scarto piuttosto che dall’ingombro della macchina.
| Elemento di costo | Quota dei costi di costruzione | Cosa lo fa salire |
| Ottica e illuminazione | dal 25 al 35 per cento | Risoluzione, obiettivi telecentrici, illuminazione multiangolare |
| Manipolazione e movimento | dal 20 al 30 per cento | Alloggiamenti personalizzati, rotazione, assi servoassistiti, compatibilità con le camere bianche |
| Espulsione e pneumatica | dal 10 al 20 per cento | Numerosi canali, valvole ad alta velocità, collettori di precisione |
| Informatica, software, integrazione | dal 20 al 30 per cento | Modelli addestrati, tracciabilità, integrazione dei sistemi di impianto |
L'aggiunta di una vista moltiplica i costi relativi all'ottica e alla gestione, mentre l'inasprimento dei criteri di rilevamento dei difetti più piccoli riduce il campo visivo, richiedendo solitamente un numero maggiore di stazioni. Inoltre, il prezzo di acquisto rappresenta solo circa la metà del costo complessivo del ciclo di vita, mentre il resto si accumula a causa della programmazione dei cambi di produzione, delle sorgenti luminose che si affievoliscono gradualmente, delle valvole di ricambio e della resa persa a causa dei falsi scarti.
In quali casi la selezione ottica garantisce il ritorno sull'investimento più rapido
Il ritorno sull'investimento più rapido si ottiene quando il rischio, la frequenza delle ispezioni manuali e il costo dei reclami dei clienti sono tutti elevati contemporaneamente. Gli elementi di fissaggio per il settore automobilistico, i componenti stampati in plastica e gomma e i dispositivi elettronici sono solitamente i primi a superare tale soglia.
Elementi di fissaggio e parti metalliche stampate
I danni alla filettatura, la geometria della testa, lo stato del rivestimento e la miscelazione dei materiali sono le problematiche ricorrenti. I danni alla filettatura e il filettaggio incrociato sono difficili da individuare dall’alto e richiedono una vista laterale o una rotazione. I lotti misti rappresentano il guasto più costoso perché rimangono invisibili fino alla fase di assemblaggio, il che rende smistamento di elementi di fissaggio per il settore automobilistico uno dei casi più evidenti in cui è preferibile procedere a un’ispezione completa piuttosto che a un controllo a campione.
Componenti stampati in plastica e gomma
Flash, imperfezioni di stampaggio, segni di affondamento, linee di flusso e inserti mancanti dominano l’elenco dei difetti. La complicazione è di natura ottica: le superfici stampate sono lucide e curve, quindi lo stesso difetto riflette la luce in modo diverso a seconda della posizione. In una singola stazione coesistono solitamente l’illuminazione a cupola per il colore e l’illuminazione a campo oscuro con angolo basso per il flash.
Semiconduttori e componenti elettronici
La coplanarità, i conduttori piegati o mancanti, le crepe nel contenitore e gli errori di marcatura sono gli aspetti tipicamente oggetto di controllo. Le caratteristiche vengono misurate nell’ordine di decine di micron, la profondità di campo è ridotta e le norme di pulizia limitano la manipolazione e il flusso d’aria, spingendo i sistemi verso l’uso di ottiche telecentriche e alloggiamenti di precisione.
Come definire un sistema che mantenga la propria precisione
Prima di confrontare i preventivi, specificate i criteri di accettazione e inseriteli nel contratto come risultati misurabili: tasso di sfuggita, tasso di falso scarto, ripetibilità e tempo di cambio formato, tutti dimostrati sui vostri pezzi.
Creare una libreria dei difetti composta da diverse centinaia di campioni reali per ciascuna classe, prelevati da lotti diversi anziché selezionati manualmente dal fornitore, e richiedere una dimostrazione utilizzando i vostri pezzi più difettosi. Insistete affinché vengano fissati obiettivi distinti per il tasso di sfuggiti e il tasso di falsi scarti, poiché un sistema ottimizzato per rilevare tutto scarta pezzi conformi, mentre uno ottimizzato per proteggere la resa lascia passare i difetti. Richiedete uno studio di ripetibilità che presenti lo stesso pezzo più volte e verificate che le immagini archiviate siano ricercabili.
Domande frequenti
La selezione ottica è in grado di rilevare difetti sotto la superficie?
Non con l'imaging a luce visibile. Le telecamere e i laser rilevano la topografia superficiale, il colore e il profilo; pertanto, per individuare vuoti interni, crepe e inclusioni sono necessari metodi radiografici, a ultrasuoni o di tomografia computerizzata, che sono più lenti e solitamente applicati su base campionaria.
Qual è il difetto più piccolo che un sistema di selezione ottica è in grado di rilevare in modo affidabile?
Dipende dalla risoluzione in quel punto specifico piuttosto che dalle sole specifiche della fotocamera. Come regola generale, un difetto deve coprire da tre a cinque pixel, quindi un sistema con una risoluzione di 0,02 mm per pixel può essere considerato affidabile per dimensioni comprese approssimativamente tra 0,06 e 0,1 mm. L'elaborazione sub-pixel rende più precisi i controlli basati sui bordi, ma i difetti estetici non possono scendere al di sotto della scala dei pixel.
I pezzi scartati vengono sempre rottamati?
No, e considerarle come scarti gonfia il costo del sistema. Molti pezzi scartati sono recuperabili tramite rilavorazione, come la sbavatura o una nuova pulizia; una postazione di controllo degli scarti consente all’operatore di confermare la causa prima dello smaltimento, e alcuni pezzi possono essere declassati anziché scartati. Il dato che vale la pena monitorare è il tasso di falsi scarti, poiché quei pezzi erano conformi al momento della rimozione.