A inspeção é atualmente o principal obstáculo em muitas linhas de produção de grande volume. Uma fábrica com uma produção de várias toneladas por hora não consegue disponibilizar pessoal suficiente para examinar cada peça, e o julgamento humano sofre variações ao longo de um turno. Os compradores tornaram mais rigorosas as especificações relativas a materiais estranhos, consistência de cor e precisão dimensional, enquanto os mercados de materiais secundários pagam um prémio pela pureza. A triagem ótica passou de uma melhoria de qualidade para uma operação padrão da unidade.
Um máquina de triagem ótica Funciona espalhando o produto numa única camada, conduzindo-o através de uma zona de inspeção onde a iluminação controlada e câmaras ou sensores espectrais captam uma imagem de cada artigo, comparando cada imagem com critérios de aceitação e rejeição em tempo real e acionando um ejetor pneumático ou mecânico no momento em que um artigo rejeitado atinge o ponto de separação. O ciclo completo, desde a luz refletida até ao impulso de ar, demora normalmente algumas dezenas de milissegundos.
O que distingue um separador que tem um bom desempenho de um que se limita a funcionar é o equilíbrio entre três subsistemas.
O que uma máquina de triagem ótica faz realmente
Uma máquina de triagem ótica é um sistema automatizado de inspeção e separação que avalia cada artigo num fluxo em movimento de acordo com critérios programados e remove os que não cumprem os requisitos, sem tocar nos que os cumprem.
As peneiras, os ímanes e as mesas de densidade classificam com base numa propriedade a granel e só conseguem dividir um fluxo em frações grossas. Em contrapartida, uma máquina de triagem ótica avalia cada objeto individualmente: tonalidade errada, forma errada, contaminado, lascado ou com o polímero errado. A inspeção é não destrutiva, pelo que funciona a pleno volume da linha de produção, examinando toda a produção em vez de apenas uma amostra.
Os quatro subsistemas e a razão pela qual não podem ser separados
Todas as plataformas, desde um separador de calhas compacto até uma máquina de correia larga, incluem os mesmos quatro blocos.
| Subsistema | Função | Sintoma típico de avaria |
| Feed | Espalha o material numa monocamada a uma velocidade constante | A sobreposição esconde defeitos; o espaçamento irregular prejudica a sincronização |
| Ótica | Realça o fluxo e as imagens de cada elemento | Baixo contraste, desfoque de movimento, janelas sujas |
| Processamento | Classifica com base em limiares ou num modelo treinado | Limiares instáveis entre lotes |
| Separação | Desvia os produtos rejeitados do fluxo principal | Pulso tardio ou fraco, repetição, falhas |
Os blocos são interdependentes, o que prejudica as atualizações parciais. Uma câmara de alta resolução colocada atrás de uma fonte de luz mal escolhida produz uma imagem nítida de um defeito que não consegue distinguir do fundo, e uma classificação correta emitida com três milissegundos de atraso chega ao ejetor depois de o alvo já ter passado.
Como funciona a triagem ótica, etapa a etapa
A triagem ótica decorre num ciclo contínuo de quatro fases, nomeadamente: separar o produto, iluminá-lo e captar a sua imagem, classificá-lo e desviar os rejeitados, sendo que cada fase é sincronizada com a velocidade de transporte, de modo a que a decisão e a ação física incidam sobre o mesmo objeto.
A arquitetura está documentada em material de referência disponível em triagem ótica, e a sequência que se segue analisa com atenção os pontos em que a precisão é efetivamente perdida.
Fase 1: Alimentação e separação
O produto passa por uma tremonha e é distribuído por um alimentador vibratório, uma correia niveladora ou um transportador acelerador, até que os artigos circulem numa única camada, com um espaçamento uniforme. Duas peças sobrepostas formam uma única silhueta, pelo que um defeito na face oculta fica invisível. O espaçamento irregular é igualmente prejudicial, uma vez que o ejetor consiste num conjunto fixo de bicos e um artigo que chega atrasado recebe um impulso direcionado para o local onde deveria estar.
Fase 2: Detecção na zona de inspeção
As fontes de luz iluminam cada item e as câmaras captam a luz refletida, transmitida ou emitida. A refletância transmite a cor, a textura e a forma. A transmissão, produzida pela iluminação de fundo, transmite a silhueta e a estrutura interna. A emissão, geralmente fluorescência sob excitação ultravioleta, revela a identidade do material no caso de contaminantes específicos.
Fase 3: Classificação e o período de decisão
O processador extrai a tonalidade, a área, o contorno, a proporção, a textura e a resposta espectral de cada objeto e, em seguida, compara esse vetor com os limiares definidos pelo operador ou com um modelo treinado. O leque de características que um separador pode avaliar é vasto, como se pode ver numa visão geral de funções de inspeção visual deixa claro que, no entanto, apenas um subconjunto é relevante para um determinado produto. A restrição determinante é de natureza temporal e não computacional. A decisão tem de ser tomada antes de o objeto sair da janela de ejeção, o que, a 3 metros por segundo e com uma separação de 300 milímetros, significa cerca de 100 milissegundos de tempo total disponível.
Fase 4: Ejeção e verificação
Os produtos rejeitados são desviados para uma calha separada, enquanto o produto aceite continua a sua trajetória. Dois valores descrevem o resultado e estão em contradição. A eficiência de remoção é a percentagem de defeitos reais ejetados. O carryover, ou perda de produto bom, é a percentagem de produto aceitável removido por engano. O aperto dos limiares melhora o primeiro e agrava o segundo, pelo que um separador só está bem calibrado quando ambos se situam dentro da tolerância comercial para esse produto.
O sistema de câmaras: o que a máquina consegue ver
A câmara determina o que a máquina é capaz de detetar, e as suas duas especificações determinantes são a resolução espacial, que define o menor defeito visível, e a taxa de varredura, que define a velocidade da linha antes que o desfoque de movimento destrua essa resolução.
Câmaras monocromáticas, a cores e tricromáticas
Uma câmara monocromática regista apenas a luminosidade. É económica e rápida, e eficaz em casos em que os defeitos apresentam grandes diferenças de luminância, como grãos escuros no arroz branco ou lascas brilhantes em plástico escuro. Uma câmara a cores divide a luz em canais vermelho, verde e azul e classifica por matiz, o que é importante para grãos queimados e material moído de cores misturadas. Os modelos tricromáticos alargam este princípio a bandas selecionadas para uma aplicação específica, incluindo por vezes o infravermelho próximo ou o ultravioleta, de modo a que o conjunto de canais maximize a separação, em vez de reproduzir a visão humana.
Resolução, velocidade de linha e o menor defeito detetável
A resolução é melhor expressa em milímetros por pixel do que em megapixels, porque o campo de visão é tão importante quanto o tamanho do sensor. Um defeito precisa de ter uma largura de dois a três pixels para ser segmentado de forma consistente.
| Largura do sensor | Campo de visão | Tamanho do pixel | O menor defeito fiável |
| 2048 px | 400 mm | 0,20 mm | 0,4 a 0,6 mm |
| 4096 px | 600 mm | 0,15 mm | 0,3 a 0,45 mm |
| 8192 px | 800 mm | 0,10 mm | 0,2 a 0,3 mm |
Uma linha mais rápida requer um tempo de exposição mais curto para evitar imagens desfocadas, e um tempo de exposição mais curto requer mais luz, pelo que a iluminação e a escolha da câmara tornam-se um único problema. Montar várias câmaras na mesma linha, como em inspeção visual de seis faces, é a resposta habitual para peças pequenas cujas características críticas se situam em faces diferentes.
Em que difere um separador por cor de um separador espectral
Um separador por cor capta a refletância visível e separa os objetos com base na tonalidade, saturação e forma. Funciona bem quando o defeito tem um aspeto diferente e falha quando isso não acontece, como no caso de plástico preto entre outro plástico preto. A deteção espectral colmata essa lacuna ao analisar a composição. Os instrumentos de infravermelho próximo medem a absorção nas bandas de vibração molecular, pelo que os polímeros apresentam assinaturas distintas independentemente da cor, um princípio descrito nas referências sobre espectroscopia no infravermelho próximo.
| Sensor | Sinal medido | Limitação |
| Câmara RGB | Refletância no espectro visível | Não consigo ver a composição |
| NIR, 900 a 1700 nm | Absorção molecular | Necessita de calibração; tem um desempenho fraco em superfícies escuras |
| Laser | Refletância num determinado comprimento de onda | Ponto espectral único |
| Transmissão de raios X | Atenuação por densidade | Custo, gestão da radiação |
| Hiperespectral | Centenas de faixas estreitas | Volume de dados, débito mais lento |
Iluminação: o subsistema que determina o contraste
A iluminação determina se um defeito produz, de todo, um sinal utilizável, e é normalmente o fator de desempenho mais económico, uma vez que uma alteração na geometria ou no comprimento de onda pode proporcionar melhores resultados do que uma atualização da câmara.
A imagem mede a luz; por isso, a geometria que direciona a luz para a peça determina o que o sensor consegue distinguir. As configurações utilizadas em visão artificial passar diretamente para a triagem.
| Geometria | Entrega de luz | O que isso revela |
| Campo claro | Direto, próximo do eixo da câmara | Cor da superfície, estampado, aspeto geral |
| Campo escuro | Ângulo de inclinação reduzido | Arranhões, fissuras, rebarbas, resíduos salientes |
| Retroiluminação | Painel difusor atrás da peça | Silhueta, orifícios, características em falta |
| Cúpula difusa | Suave, omnidirecional | Peças brilhantes ou curvas propensas a reflexos |
| Coaxial | Através do eixo da lente | Superfícies planas e refletoras, como o metal polido |
Muitos defeitos são de natureza geométrica e não cromática. Uma fissura muito fina num elemento de fixação maquinado pode ser invisível sob iluminação frontal, mas aparecer como uma linha brilhante sob luz oblíqua, porque a fissura dispersa a luz na direção da lente, enquanto a superfície circundante a reflete para o lado oposto.
O contraste também depende do comprimento de onda. A luz azul incide sobre uma imperfeição amarela suprime o fundo e escurece a imperfeição, enquanto um filtro de passagem de banda que rejeita a luz ambiente pode transformar uma relação de contraste marginal numa relação robusta. A excitação ultravioleta acrescenta uma terceira opção, uma vez que alguns adesivos, óleos e contaminantes biológicos apresentam fluorescência sob luz UV, ao passo que o substrato não.
Os conjuntos de LED substituíram as fontes halógenas porque acendem em microssegundos, permitindo que um pulso estroboscópico se sincronize com o obturador da câmara e congele o movimento. Subsistem dois problemas. O calor degrada a potência ao longo de milhares de horas, pelo que a intensidade tem de ser comparada com um alvo branco a intervalos regulares; além disso, o pó ou a condensação na janela atenuam a luz, produzindo uma perda gradual de precisão que os operadores só notam quando as taxas de rejeição começam a variar.
Expulsão: transformar uma decisão numa separação física
O sistema de ejeção converte uma classificação num resultado físico, e o seu desempenho é limitado pelo tempo de resposta da válvula, pela duração do impulso e pela precisão do atraso calculado entre a deteção e a chegada ao bocal.
A precisão da deteção não tem qualquer valor sem a precisão temporal. Quando a câmara identifica um defeito, o objeto continua a deslocar-se em direção ao conjunto de ejetores, pelo que o controlador tem de calcular o atraso de trânsito a partir da velocidade e da distância medidas e, em seguida, abrir a válvula correta durante o intervalo adequado.
| Parâmetro | Intervalo típico | Consequências de se cometer um erro |
| Tempo de resposta da válvula | 0,5 a 1 ms | Um impulso tardio falha o alvo |
| Duração do impulso | 5 a 20 ms | Se for demasiado curta, a deflexão fica incompleta; se for demasiado longa, há um arrastamento excessivo |
| Distância entre a deteção e a ejeção | 200 a 400 mm | Define o orçamento de tempo e a sensibilidade à velocidade |
| Pressão do ar | 3 a 7 bar | A baixa pressão provoca uma deflexão insuficiente; o excesso perturba os vizinhos |
A 3 metros por segundo, um objeto desloca-se 3 milímetros a cada milésimo de segundo; assim, uma válvula que se abra com um milésimo de segundo de atraso atinge a borda traseira do alvo ou atinge o alvo vizinho. O diâmetro interno e o ângulo do bocal determinam, então, a quantidade do jato que atinge o local pretendido. Os diâmetros internos pequenos poupam ar, mas perdem força com a distância, enquanto os diâmetros internos grandes desviam de forma fiável, mas perturbam o produto nas proximidades.
A qualidade do ar é a variável mais negligenciada na máquina. A humidade, os resíduos de óleo e as partículas obstruem os orifícios, provocam o funcionamento deficiente das válvulas e contaminam o produto; por isso, um secador, um filtro coalescente e as verificações do ponto de orvalho não são opcionais numa linha de produção a três turnos.
A ejeção pneumática é a mais utilizada devido à sua rapidez e ao facto de ser um processo sem contacto; no entanto, os artigos pesados requerem volumes de ar que tornam o consumo dispendioso, e os artigos frágeis podem ser danificados pelo impulso. As comportas de aba, os braços oscilantes e as correias retráteis são utilizados quando os objetos são de grandes dimensões, de elevado valor ou quando é necessário posicioná-los em vez de os desviar, o que implica um aumento do tempo de ciclo.
Tipos de máquinas de triagem ótica
Os separadores são classificados em função de dois eixos independentes: a plataforma de transporte que apresenta o material ao sistema ótico e o conjunto de sensores que realiza a inspeção; a combinação adequada é determinada pela geometria do produto e não pelo orçamento.
| Plataforma | Apresentação do produto | Mais adequado para |
| Cinto | Camada única numa correia plana ou inclinada | Artigos irregulares ou frágeis que necessitem de uma orientação estável |
| Rampa | Queda livre através de um canal vertical | Material granular de fluxo livre em alta capacidade |
| Placa giratória de vidro | Espalhe sobre um disco transparente giratório | Peças pequenas inspecionadas por cima e por baixo |
| Placa de índice | Localizados em grupos com espaçamento fixo | Peças de precisão que requerem um posicionamento repetível |
| Cinta de aço | Suporte metálico com elevada resistência ao desgaste | Material abrasivo, quente ou pesado |
As máquinas com um único sensor são mais simples de calibrar e mais rápidas a tomar decisões. As máquinas com vários sensores combinam dados de cor com dados de infravermelho próximo e de laser, o que melhora a capacidade de distinção, mas aumenta a complexidade, uma vez que os canais têm de ser alinhados espacialmente e os seus limiares interagem entre si.
Onde são utilizadas máquinas de triagem ótica
A triagem ótica é aplicada sempre que um fluxo contém artigos que têm de ser separados com base na aparência ou na composição, desde produtos agrícolas a granel até componentes eletrónicos à escala micrométrica.
No setor alimentar e agrícola, os separadores removem grãos descoloridos, pedras e plástico, e classificam os produtos por cor e tamanho. Na reciclagem, separam os polímeros por tipo de resina e o vidro por cor. Na indústria mineira, pré-concentram o minério antes da trituração, poupando energia nas etapas posteriores do processo.
A produção de precisão é o segmento que mais cresce e impõe requisitos com os quais os separadores em massa raramente se deparam. Os elementos de fixação são inspecionados quanto a danos na rosca e defeitos de revestimento; as juntas de borracha, quanto a rebarbas e desvios dimensionais; e os componentes eletrónicos são inspecionados em várias faces a elevadas taxas de contagem, razão pela qual triagem na indústria eletrónica baseia-se em plataformas giratórias e placas de indexação com sistemas óticos de visualização múltipla.
FAQ
Uma máquina de triagem ótica consegue separar materiais que parecem idênticos? Sim, desde que o sensor detete uma característica que não seja a cor. Os canais de infravermelho próximo distinguem os polímeros com base na absorção molecular, os sensores a laser detetam contaminantes transparentes que têm a mesma cor do produto e a transmissão de raios X separa os materiais com base na densidade. O limite reside no contraste e não no princípio: se dois materiais emitirem sinais indistinguíveis em todas as bandas, nenhum software os conseguirá separar de forma fiável.
É possível que uma única máquina aplique vários critérios de triagem ao mesmo tempo? A maioria dos separadores avalia várias características numa única passagem e combina regras relativas à cor, forma, textura e espectro numa única decisão. No entanto, o rendimento não pode ser combinado livremente. Cada critério adicionado restringe a janela de aceitação, o que normalmente aumenta o carryover, e a fusão de sensores acrescenta uma sobrecarga de calibração.
Em que medida a temperatura, a humidade e a vibração afetam a estabilidade? Mais do que a maioria das especificações admite. A potência do LED diminui à medida que a temperatura da junção aumenta, pelo que um período de aquecimento não corrigido altera a cor aparente. A condensação nas janelas arrefecidas dispersa a luz no ponto em que o produto frio entra em contacto com o ar húmido. A vibração e as flutuações de velocidade desfocam as imagens e alteram o tempo de ejeção. O arrefecimento do invólucro, a purga de ar e o disparo sincronizado pelo codificador resolvem estes três problemas.