ES2907258T3 - Sistema y método de detección de defectos - Google Patents

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Abstract

Un sistema de inspección de defectos para una inspección visual manual de defectos (10) superficiales en una muestra, que comprende: un sistema (44) de iluminación para iluminar la superficie de muestra, que comprende una matriz de fuentes de luz formada dentro de un plano, en donde la matriz de fuentes de luz define un rango de direcciones de iluminación, dentro del plano, hacia la muestra, cuyo rango cubre al menos 90 grados; y un controlador (46) para controlar las fuentes de luz en la matriz; caracterizado por que el controlador (46) está configurado para controlar las fuentes de luz en la matriz para variar la intensidad de la salida de las fuentes de luz de una manera dinámica suave, en donde en respectivos puntos en el tiempo dentro de una secuencia cada una de las fuentes de luz tiene una intensidad mayor que las otras de tal manera que cada punto de la muestra es iluminado, en los respectivos puntos en el tiempo dentro de la secuencia, con una distribución de luz que tiene una intensidad de fuente de luz máxima en una dirección incidente única y a lo largo del tiempo la dirección en la cual se proporciona la intensidad de fuente de luz máxima, cambia para cubrir dicho rango.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y método de detección de defectos
Campo de la invención
Esta invención se refiere a un sistema y método de inspección de defectos, para iluminar una muestra de material laminar para permitir la detección de defectos superficiales en la muestra.
Antecedentes de la invención
Se conoce iluminar muestras de material laminar para permitir la inspección de imperfecciones en la superficie. Un ejemplo particular es el de las superficies pintadas, tal como por ejemplo carrocerías de automóvil, donde la pintura o la superficie subyacente son inspeccionadas en busca de imperfecciones. La mayoría de los fabricantes de automóviles utiliza robótica y un sistema de pintado automatizado para aplicar varias capas de pintura para crear la superficie de pintura en las carrocerías de automóvil que son después utilizadas para crear el automóvil completo. Aunque dichos sistemas en general se comportan de forma satisfactoria, la mayoría de los fabricantes tiene una revisión de calidad de la pintura antes de aprobar la carrocería pintada para el montaje en el coche completo.
El control de calidad puede basarse en una inspección visual manual o procesamiento de imagen automatizado de las imágenes capturadas por cámaras.
Un proceso de inspección manual normalmente implica que los trabajadores se muevan manualmente alrededor de cada carrocería del automóvil a medida que se mueve a lo largo de un transportador y explorar visualmente la carrocería de automóvil para un número de diferentes posibles imperfecciones.
En general a los trabajadores se les da únicamente un tiempo corto (por ejemplo únicamente algunos minutos) para evaluar toda la carrocería de automóvil. En general, hay una estación de inspección de pintura que es una sala suficiente para que los trabajadores anden alrededor de cada carrocería de coche. El enfoque estándar es proporcionar tanta luz directa como sea posible a las carrocerías de coche durante el proceso de inspección, basándose en la comprensión de que cuanto más luz, más fáciles identificar visualmente las imperfecciones. El énfasis se centra en la iluminación de la carrocería de coche.
Los trabajadores de inspección deben vigilar hasta varias decenas de diferentes tipos de imperfecciones o defectos. Por ejemplo, si hay una imperfección subyacente tal como una porción elevada o una porción rebajada en el metal de la carrocería del coche, esto se reflejará normalmente en una porción elevada o rebajada respectivamente en el trabajo de pintado. También, cosas tales como polvo u otras partículas que se pueden disponer en la carrocería de coche antes o durante el pintado resultarán en una imperfección notable.
En la actualidad, los trabajos de pintado de automóvil son multicapa. Por ejemplo, una primera capa o un inhibidor de la corrosión de color neutro de un acabado prácticamente mate (algunas veces denominada capa “E”), se aplica al metal. Una primera capa, normalmente neutra con un acabado de alguna manera mate o el mismo color que el color de coche final, se aplica a la primera capa. Finalmente, una o más capas superiores, por ejemplo, una capa base más una capa transparente se puede aplicar sobre la capa de imprimación.
Esta primera capa se inspecciona generalmente para la uniformidad, las imperfecciones y los materiales extraños. La primera capa se analiza para las imperfecciones, la homogeneidad, la uniformidad, la suciedad, las cavidades, los escurridos y las depresiones negativas y positivas en el metal. La capa superior crea una superficie altamente reflexiva que es inspeccionada para cosas de este tipo como la homogeneidad, puntos blancos, estrías, marcas de remolino y otras imperfecciones.
Si se identifica una imperfección, los trabajadores intentan pulirlo en el momento, o la carrocería del coche debe ser remolcada desde la unidad de montaje a otra ubicación para la reparación de pintura.
Proporcionar una buena solución de iluminación puede ayudar a los trabajadores en las fábricas de coches para detectar los defectos de forma temprana y efectiva. Sin embargo, el enfoque actual de bañar la carrocería del coche en luz se ha encontrado que no es ideal y los trabajadores algunas veces se basan en sus manos en lugar de en los ojos para detectar defectos en la carrocería del coche.
El documento US 2002/0009218 A1 divulga un método y un aparato para evaluar las superficies de sustratos para un defecto tridimensional. El aparato utiliza una luz de ángulo bajo situada en lados opuestos del sustrato y una cámara situada por encima del sustrato para capturar dos imágenes del mismo, una utilizando la primera fuente de luz y la otra utilizando la segunda fuente de luz. Ambas imágenes, capturadas con una iluminación prácticamente opuesta, son sustraídas entre sí para identificar destellos y sombras del defecto tridimensional.
El documento US 7525669 B1 divulga un sistema de perfilometría de exploración con desplazamiento de fase que comprende un sensor CMOS de alta velocidad que tiene más de 3 filas de píxeles, en un modo de realización que tiene 1024, cada una de cuyas filas es accesible de forma aleatoria y se sitúa por encima de una pieza de trabajo móvil por debajo de la cámara. La pieza de trabajo es iluminada de una manera no uniforme mediante una fuente de iluminación configurada para proyectar un patrón o gradiente de luz predeterminado. Cuando la pieza de trabajo se mueve por debajo del sensor, filas seleccionadas de píxeles registran la luz no uniforme reflejada desde la pieza de trabajo y proporcionan los datos a un ordenador para calcular un perfil de superficie para esa fila.
Resumen de la invención
La invención se define por las reivindicaciones.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un sistema de inspección de defectos para una inspección visual manual de los defectos superficiales en una muestra, que comprende:
un sistema de iluminación para iluminar la superficie de muestra que comprende una matriz de fuentes de luz formada dentro de un plano, en donde la matriz de fuentes de luz define un rango de direcciones de iluminación hacia la muestra dentro del plano, cuyo rango comprende al menos 90 grados; y
un controlador para controlar las fuentes de luz para que funcionen en una secuencia tal que cada punto de la muestra sea iluminado en una secuencia con una intensidad de fuente de luz máxima en una dirección incidente única y a lo largo del tiempo la dirección en la cual se proporciona la intensidad de fuente de luz máxima cambia para cubrir dicho rango.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un sistema de inspección de defectos para una inspección automatizada de defectos superficiales en una muestra, que comprende:
un sistema de iluminación para iluminar la superficie de muestra, que comprende una matriz de fuentes de luz formada dentro de un plano, en donde la matriz de fuentes de luz define un rango de direcciones de iluminación hacia una muestra dentro del plano, cuyo rango cubre al menos 90 grados; y
un controlador para controlar las fuentes de luz para que funcionen en una secuencia tal que cada punto de la muestra sea iluminado en una secuencia con una intensidad de fuente de luz máxima en una dirección incidente única y a lo largo del tiempo la dirección en la cual se proporciona la intensidad de fuente de luz máxima cambia para cubrir dicho rango;
al menos una cámara;
un controlador para controlar la cámara para tomar sucesivas imágenes durante la secuencia de funcionamiento de la fuente de luz; y
un procesador para procesar las imágenes para derivar al menos una imagen de diferencia, en donde la imagen de diferencia remarca los cambios en una posición de sombra provocados por defectos superficiales ubicados de forma aleatoria en una superficie de otro modo lisa y para proporcionar una detección de defectos basándose en la imagen de diferencia.
En ambos aspectos, la muestra comprende de forma preferible un material laminar, o un objeto con una superficie laminar, que está destinado a tener una superficie lisa (que puede ser un plano aplanado o una superficie curvada suavemente), pero que puede tener defectos superficiales ubicados de forma aleatoria en los cuales se interrumpe la lisura de la superficie. El sistema de iluminación da como resultado sombras que se forman por estos defectos superficiales. Los cambios en las posiciones de sombra que resultan del cambio en la dirección de iluminación pueden entonces identificarse de forma fácil.
Los mismos se pueden identificar visualmente en un sistema de inspección visual manual o se pueden identificar mediante un procesamiento de imágenes basándose en diferencias de identificación en imágenes capturadas. Estas diferencias de imagen son el resultado de cambios en las direcciones en las cuales se proyectan las sombras. En un enfoque automatizado, se pueden utilizar una o más imágenes de diferencia para detectar defectos. La apariencia de los defectos cambia para diferentes condiciones de iluminación dentro de la secuencia, mientras que una superficie libre de defectos tiene un cambio en la imagen mucho más pequeño. Por tanto, comparando una o más imágenes de diferencia con un umbral, es posible detectar defectos automáticamente.
En ambos aspectos, la invención proporciona un sistema en el cual las posiciones de las sombras proyectadas por defectos superficiales se utilizan para identificar esos defectos superficiales. Al proporcionar una dirección de movimiento de iluminación principal, la proyección de sombras se moverá a lo largo del tiempo lo que hace más fácil que se identifique el defecto obvio manualmente o utilizando cámaras.
El plano de fuentes de luz puede formar un pórtico alrededor de la muestra que se va a analizar (de una manera conocida), con las fuentes de luz todas ellas dirigidas en dirección interior para iluminar la muestra. Sin embargo, en lugar de iluminar simplemente todas las fuentes de luz al mismo tiempo y con la misma intensidad para inundar con luz la muestra, se proporciona una iluminación direccional que evoluciona a lo largo del tiempo. De esta manera, se iluminan todas las ubicaciones en la muestra mediante una iluminación que tiene una dirección principal en la cual la intensidad es mayor que para todas las otras direcciones y esta dirección principal evoluciona a lo largo del tiempo. Se ha descubierto que los defectos se observan más fácilmente por medio de una iluminación direccional en una dirección particular o rango de direcciones.
La invención permite que se mejore la visibilidad de defectos, por ejemplo en superficies de carrocería de coche, de manera que los trabajadores puedan encontrar los defectos de forma más fácil y de forma más efectiva.
El rango de ángulos dependerá de la naturaleza de la muestra. Para una superficie aplanada única puede ser adecuado un rango de 90 grados. Para un objeto más tridimensional, por ejemplo con lados en la parte superior o la parte inferior, es apropiado un rango mayor, tal como al menos 135 grados o incluso al menos 180 grados (que se corresponden a un pórtico que rodea a un objeto desde un plano de tierra superior).
El controlador se puede adaptar para controlar la matriz de fuentes de luz para encender una fuente de luz a un brillo establecido y apagar o atenuar las otras en secuencia. Esto proporciona un enfoque más básico, en el cual en cualquier momento las partes de la muestra iluminadas por la fuente de luz activada reciben una luz directa únicamente o principalmente desde una dirección (o bien debido a que la fuente de luz es una fuente puntual o una fuente colimada). Sin embargo, esto puede tener como resultado un proceso de inspección más largo.
Por tanto, el controlador está adaptado para controlar la matriz de fuentes de luz para que varíe la intensidad de la salida de las fuentes de luz, de tal manera que cada fuente de luz tiene una intensidad mayor que las otras en puntos respectivos en el tiempo dentro de la secuencia.
Este enfoque puede proporcionar un cambio dinámico suave en la distribución de iluminación. La capacidad de detección de los defectos se ve mejorada al tener una iluminación principal desde diferentes ángulos en diferentes momentos. El cambio en intensidad de las fuentes de luz puede seguir una secuencia. Esta secuencia permite que diferentes defectos se hagan visibles desde el segundo plano general en diferentes momentos y que aumente la posibilidad de detectar defectos. A modo de ejemplo, las fuentes de luz se pueden iluminar con perfiles de intensidad sinusoidales todos ellos con el mismo periodo pero con diferentes fases. Esto mantiene un alto nivel de iluminación general de manera que se pueden inspeccionar todas las áreas de la muestra, pero con una dirección de iluminación primaria que evoluciona a lo largo del tiempo.
La matriz de fuentes de luz puede comprender una pluralidad de submatrices de fuentes de luz, cada submatriz formada de un plano respectivo, los planos para diferentes submatrices que son paralelos o casi paralelos, de manera que las direcciones normales estén en una línea (que puede ser recta o curvada). Esto puede definir por ejemplo una serie de pórticos de iluminación.
El sistema comprende de forma preferible una plataforma de muestra, en donde la plataforma de muestra es móvil con respecto al sistema de iluminación en una dirección perpendicular al plano. La (o cada) matriz de fuentes de luz proporciona iluminación en su plano pero también puede proporcionar iluminación hacia delante o hacia atrás a lo largo del eje de movimiento, de manera que se solapan las regiones iluminadas. El movimiento puede ser continuo o escalonado.
El sistema puede comprender un sistema de inspección de pintado de panel de carrocería de coche. A modo de ejemplo, el coche puede hacerse avanzar a través del área de inspección a una velocidad relativamente baja, por ejemplo 5 cm/s. La intensidad de iluminación puede cambiar en un periodo de alrededor de 6 s.
Sin embargo, la invención se puede aplicar a cualquier sistema de inspección para una muestra con una superficie lisa que se va inspeccionar. La muestra puede ser un material laminar o un cuerpo sólido que se requiere que tenga un acabado superficial liso.
La invención también proporciona un método para proporcionar una iluminación a una superficie de una muestra para permitir una inspección manual visual de defectos en la muestra, el método que comprende:
Iluminar la superficie de muestra utilizando una matriz de fuentes de luz formada dentro de un plano, en donde la matriz de fuentes de luz define un rango de direcciones de iluminación hacia la muestra dentro del plano, cuyo rango cubre al menos 90 grados; y
controlar las fuentes de luz para hacerlas funcionar en una secuencia de tal manera que en cualquier punto en el tiempo cada punto iluminado de la muestra sea iluminado por una luz directa desde la matriz de fuentes de luz en la cual se proporciona una intensidad de fuente de luz máxima en una dirección incidente única, y a lo largo del tiempo la dirección incidente a la cual se proporciona una intensidad de fuente de luz máxima cambia para cubrir dicho rango.
La invención también proporciona un método para proporcionar una iluminación a una superficie de una muestra para permitir una inspección automatizada de defectos en la muestra, el método que comprende:
Iluminar la superficie de muestra utilizando una matriz de fuentes de luz formada dentro de un plano, en donde la matriz de fuentes de luz define un rango de direcciones de iluminación hacia la muestra dentro del plano, cuyo rango cubre al menos 90 grados; y
controlar las fuentes de luz para hacerlas funcionar en una secuencia de tal manera que en cualquier punto en el tiempo cada punto iluminado de la muestra sea iluminado por una luz directa desde la matriz de fuentes de luz en la cual se proporciona una intensidad de fuente de luz máxima en una dirección incidente única, y a lo largo del tiempo la dirección incidente a la cual se proporciona una intensidad de fuente de luz máxima cambia para cubrir dicho rango;
tomar imágenes de cámara sucesivas durante la secuencia de funcionamiento de la fuente de luz;
procesar las imágenes para derivar al menos una imagen de diferencia en donde la imagen de diferencia remarca los cambios en la posición de sombra provocada por defectos superficiales ubicados de forma aleatoria en una superficie de otro modo lisa; y
proporcionar una detección de defectos basándose en la imagen de diferencia.
Breve descripción de los dibujos
Ejemplos de la invención se describirán ahora en detalle con referencia los dibujos adjuntos, en los cuales:
La figura 1 muestra un defecto iluminado desde todas las direcciones y un defecto iluminado desde una dirección y muestra como la iluminación en una única dirección da una detección de defectos mejorada;
La figura 2 muestra cómo se pueden detectar más fácilmente diferentes tipos de defecto desde diferentes direcciones de iluminación;
La figura 3 muestra un ejemplo de una matriz de iluminación para el uso en el sistema de la invención y una temporización asociada;
La figura 4 muestra un sistema de iluminación de la invención utilizado en una estación de pulverización de carrocería de automóvil;
La figura 5 muestra la distribución de intensidad de luz polar para una luminaria que se puede utilizar;
La figura 6 es un diagrama de flujo que muestra un método automatizado de una detección de errores utilizando cámaras; y
La figura 7 muestra de forma esquemática una primera y una segunda imágenes de cámara desde diferentes configuraciones de iluminación y muestra una imagen de diferencia que permite una detección de errores.
Descripción detallada de los modos de realización
La invención proporciona un sistema de inspección de defectos para la inspección de defectos en una muestra de material laminar. Se utiliza una matriz de fuentes de luz con diferentes fuentes de luz que proporciona luz a la muestra desde diferentes direcciones. Se define una dirección principal de iluminación con una intensidad más alta y esta dirección evoluciona lo largo del tiempo. Al proporcionar una iluminación direccional variable en lugar de una iluminación general, se hace más fácil detectar defectos. En particular, el modo en que las sombras son proyectadas cambia para diferentes direcciones de iluminación. Esto da una imagen evolucionada que es más fácil de detectar o bien durante la inspección visual o basándose en un sistema automatizado que procesa imágenes de cámara capturadas.
La figura 1(a) muestra un defecto 10 iluminado desde todas las direcciones. Esto da un contraste bajo cuando se mira desde una dirección dada (por ejemplo, desde arriba). La figura 1(b) muestra el mismo defecto 10 iluminado desde una dirección. Las imágenes muestran cómo la iluminación de dirección única da una detección de defectos mejorada.
Por tanto, se puede apreciar que proporcionar una iluminación direccional puede mejorar de forma significativa el contraste de defectos. La solución de iluminación típica, que ofrece luz desde todas direcciones, por tanto no es una condición óptima para mejorar el contraste de defectos y el segundo plano debido a que no puede crear una sombra importante de estos defectos. En contraste, proporcionar luz desde una cierta dirección puede mejorar el contraste para hacer que los defectos sean visibles de forma más importante.
La figura 2 muestra cómo diferentes tipos de defecto se pueden detectar de forma más fácil desde diferentes direcciones de iluminación.
La figura 2(a) muestra una muestra con dos defectos;
una muesca 12 y un abultamiento 14 elevado. Se definen seis direcciones de iluminación, mostradas como “a” a “f”. La figura 2(b) muestra una medida del contraste de luminancia (llevada a cabo como un experimento) para estos defectos y basada en las seis direcciones de iluminación diferentes. El gráfico 12' muestra el contraste para la muesca, el gráfico 14' muestra el contraste para el abultamiento y el gráfico 16 muestra el contraste de referencia basado en todas las luces que están encendiéndose.
Se puede apreciar que el contraste del defecto, cuando todas las luces están encendidas, no es el más alto. El hecho de ofrecer luz desde direcciones específicas tiene como resultado un contraste más alto creado por esos defectos. Además, para diferentes tipos de defecto, las mejores condiciones de iluminación son diferentes. La figura 2(b) muestra que para la muesca 12, la dirección “c" proporciona el mejor contraste mientras que la dirección “f" proporciona el mejor contraste para el abultamiento.
Para una muestra real, la forma y ubicaciones de los defectos son aleatorias e impredecibles, de manera que la condición de iluminación fija no es capaz de optimizar la detección de defectos para todos los tipos de defectos. Para mejorar la visibilidad de los diferentes tipos de defectos, el sistema de iluminación de la invención cambia de forma sistemática la distribución de iluminación sobre la muestra.
La figura 3 muestra un ejemplo de matriz de iluminación para el uso en el sistema de la invención y la temporización asociada.
En una implementación más simple, hay un único arco de fuentes de luz que proporciona luz a la muestra. Sin embargo, la figura 3 muestra tres arcos, cada uno con tres fuentes de luz. Las nueve fuentes de luz son etiquetadas de L1 a L9.
Cada arco comprende una submatriz de fuentes de luz formada dentro de un plano. Las fuentes de luz emiten luz en dirección interior hacia la muestra situada dentro del arco. En el ejemplo mostrado, las fuentes de luz tienen, cada una, forma de una tira, que emite luz sustancialmente colimada (como se muestra en la figura 1(b)) de manera que hay esencialmente una única dirección de iluminación. Se ha de observar que una fuente de luz puntual no colimada también puede proporcionar una luz directa en dirección interior de tal manera que cualquier punto de la muestra de nuevo sólo reciba luz en una única dirección (, es decir, a lo largo del vector entre la fuente de luz puntual y el respectivo punto de la muestra).
La matriz de fuentes de luz define un rango de direcciones de iluminación hacia la muestra. El tamaño de este rango depende de la naturaleza de la muestra. El rango cubre al menos 90 grados (al menos 45 grados a cada lado de una dirección normal a la muestra). Para el arco que está destinado a rodear la muestra, el rango angular se aproxima a 180 grados. El rango es mostrado como 0 en la figura 3 y es de aproximadamente 135 grados en este ejemplo. Mediante la iluminación de diferentes fuentes de luz, se puede proporcionar luz en diferentes ángulos que abarcan el rango disponible.
Por supuesto, la luz puede que no alcance cada parte de la superficie de muestra desde todas las direcciones. Por ejemplo, el panel a la izquierda no se iluminará por la luz desde la derecha. Por tanto, la fuente de luz explora el rango completo de ángulos 0 pero cada punto de la superficie de muestra puede experimentar un rango de ángulos de luz incidentes que es más pequeño.
Los múltiples arcos en la figura 3 están alineados a lo largo de una dirección mostrada por la flecha 30 que se corresponde a una dirección del movimiento relativo entre la muestra y la disposición de iluminación. Este movimiento relativo significa que la disposición de iluminación es utilizada para permitir una inspección de las diferentes partes de la muestra en secuencia, así como diferentes muestras en secuencia.
Las fuentes de luz son controladas para funcionar en una secuencia de tal manera que cada punto de la muestra es iluminado en una secuencia con una intensidad de fuente de luz máxima en una única dirección incidente. Esta dirección cambia a lo largo del tiempo para cubrir el rango 0.
En la implementación más simple, únicamente se enciende una fuente de luz (o únicamente una fuente de luz de cada arco) totalmente en un instante. En este caso, la iluminación máxima es el brillo de la fuente de luz y todas las otras fuentes de luz tienen una salida nula.
Sin embargo, la figura 3 muestra un enfoque de control más avanzado.
El diagrama de temporización de la figura 3 representa la intensidad I con respecto al tiempo t. El mismo muestra un perfil de intensidad sinusoidal para la fuente L1 de luz. Todas las otras fuentes de luz están controladas para proporcionar el mismo periodo y el mismo perfil de intensidad sinusoidal de amplitud con fases cambiadas, tal y como se muestra. Sólo se muestra el máximo de los perfiles de intensidad para las fuentes L2 a L9 de luz, para evitar una saturación excesiva del diagrama de temporización. El periodo puede ser del orden de segundos, por ejemplo en el rango de 1 s a 20 s, para proporcionar algo de tiempo para la inspección con cada característica direccional particular.
En una secuencia de puntos en el tiempo, hay una fuente de luz con una intensidad máxima y todas las otras tienen una intensidad menor, tal como el tiempo ti para la fuente L1 de luz. En cada uno de estos puntos temporales, cada punto de la muestra en el campo de visión de la fuente de luz es iluminado con una intensidad de fuente de luz máxima en una única dirección incidente. Esta dirección evoluciona a lo largo del tiempo. Como se puede ver en la figura 3, hay puntos intermedios en el tiempo en los que dos fuentes de luz adyacentes tienen una intensidad igual (y no máxima). Cuando una fuente de luz está sola al proporcionar la intensidad máxima, se puede considerar que la fuente proporciona una dirección de iluminación principal, aunque todas las otras fuentes de luz (aparte de cualquier configuración a la intensidad máxima si este mínimo es cero) están contribuyendo al nivel general de iluminación. La diferencia de intensidad direccional todavía permite un sombreado mejorado y por lo tanto una detección de defectos mejorada.
Al utilizar arcos múltiples, la intensidad varía a través de no sólo el plano perpendicular al vector 30 de movimiento, sino también a lo largo de la dirección del vector 30 de movimiento. La secuencia de las funciones sinusoidales de cambio de fase crea un cambio de distribución de luz muy suave tanto en orientaciones horizontales como orientaciones verticales. Cualquier sombra de defecto se puede detectar fácilmente en un instante de tiempo particular en el cual la iluminación direccional es la más adecuada para ese defecto particular.
La figura 4 muestra un sistema de iluminación de la invención utilizado en una estación de pulverización de carrocería de automóvil.
La carrocería 40 de vehículos se monta en una plataforma de muestra que es móvil de forma relativa con respecto al sistema de iluminación en una dirección perpendicular al plano (es decir, a lo largo de la dirección del vector 30). La figura 4 muestra únicamente un arco de fuentes 44 de luz. Puede haber únicamente un arco o puede haber múltiples arcos tal y como se describió anteriormente.
Las fuentes de luz son controladas por un controlador 46 para proporcionar el control secuencial anterior.
La invención se puede utilizar para una detección de defectos en soldadura, talleres de pintura y líneas de montaje. Puede permitir que se encuentren errores más pronto en el proceso de fabricación y por lo tanto reducir costes, al evitar la necesidad de reparar defectos en el ciclo de producción más tarde de lo necesario.
Para un sistema de inspección visual, se puede simplificar la detección y por tanto hacer que la detección sea menos dependiente de la experiencia del trabajador.
Hay muchas maneras de implementar el sistema de la invención. El concepto es que hay una única dirección desde la cual se origina un haz de iluminación más brillante. Mediante la exploración de este haz de iluminación más brillante para cubrir el rango total de ángulos, habrá un ángulo más adecuado para detectar un defecto particular. Tal y como se explicó anteriormente, en una implementación más simple, se puede encender una fuente de luz principal en un instante. Esto significa que toda la luz directa (es decir, ignorando las reflexiones) que ilumina la parte de la muestra en el campo de visión de la fuente de luz es iluminada con un haz direccional. Para una fuente de luz puntual, esta dirección será diferente para diferentes puntos en la muestra. De forma alternativa, se puede utilizar una fuente de luz colimada que tiene un área de salida (tal como una tira), de manera que la dirección incidente es la misma para todos los puntos de la muestra iluminada por esa fuente de luz.
Están comercialmente disponibles tiras de luz para inspección. Por ejemplo, se pueden utilizar luminarias de inspección de pintura Philips SM300C y SM301C. Las mismas comprenden luces de tira con una salida (parcialmente) colimada. La salida de luz no está perfectamente colimada, en particular debido a que el área de salida de luz de una tira necesita unirse con la salida de luz de la tira siguiente (a lo largo de la dirección del movimiento relativo) para proporcionar una iluminación de un área de tarea completa. La luminaria tiene una intensidad de pico en una dirección de emisión normal, pero hay una dispersión de la luz de intensidad inferior a los lados de la dirección de emisión normal. A modo de ejemplo, la figura 5 muestra la distribución de intensidad de luz polar para estas luminarias de tira. Cuanto más estrecho es el ángulo de haz, mayor es el defecto de la sombra tal y como se desea por esta invención, pero se desea un ángulo de haz más grande para iluminar el área objetivo. Por tanto, se encuentra un compromiso.
Por tanto, la invención no requiere una salida de luz perfectamente colimada. En su lugar, hay una dirección para la cual la iluminación a un punto particular en la muestra tiene una intensidad mayor que para todas las otras direcciones. En general, la iluminación de intensidad mayor es para la luz emitida desde una fuente de luz en una dirección normal a la superficie de salida de luz.
Al hacer funcionar las fuentes de luz en secuencia (una a una), cada punto de la muestra se iluminará desde un conjunto de ángulos incidentes en secuencia y la dirección incidente a la cual se recibe la intensidad más alta cambiará a lo largo del tiempo.
El ejemplo anterior en cambio hace funcionar todas las fuentes de luz de forma simultánea, pero con una intensidad variable, de manera que hay una dirección incidente desde la cual la luz incidente tiene una intensidad más alta en cierto punto en el tiempo, y esta luz de intensidad más alta provoca sombras con respecto a la iluminación de intensidad menor de las otras direcciones. Esto permite un proceso de inspección más rápido, debido a que una fuente de luz puede permanecer con una intensidad más alta durante un corto periodo antes de que la siguiente fuente de luz en la secuencia adopte la intensidad más alta. La intensidad de fuente de luz mínima puede ser nula pero puede que sea en cambio un mínimo no nulo.
La invención se puede implementar con un único conjunto de fuentes de luz (en un único plano perpendicular a la dirección de movimiento relativo de la muestra). El ejemplo anterior hace uso de múltiples planos de matrices de fuentes de luz, de nuevo para reducir el tiempo de inspección de muestra.
La invención se puede utilizar para permitir la inspección visual de defectos. Sin embargo, también se puede utilizar para proporcionar una iluminación para una inspección de defectos automatizada que utilice cámaras y procesamiento de imagen. La inspección de defectos automatizada también puede basarse en el análisis de perfiles de contraste y la disposición de iluminación de la invención puede por tanto mejorar del mismo modo la tasa de detección de defectos de sistemas de detección de defectos automatizados.
En un sistema de inspección de defectos automatizado, se puede utilizar un conjunto de cámaras para grabar una secuencia de imagen de la carrocería del coche (o de otro objeto). Por ejemplo, puede haber una cámara asociada con cada orientación de fuente de luz en el arco, de manera que las cámaras juntas tengan un campo de visión alrededor del objeto que está siendo examinado. Similar a los arcos de fuentes de luz, puede haber un único pórtico de cámaras o puede haber múltiples pórticos de cámaras.
La distribución de iluminación en la superficie de la carrocería de coche se cambia de la manera explicada anteriormente. El procesamiento de imágenes aplicado a la secuencia de imágenes capturadas por las cámaras es entonces utilizado para detectar cambios en la secuencia de imágenes grabada. Estos cambios resultan de diferentes defectos que están siendo visibles de forma diferente para diferentes condiciones de iluminación de imagen. Tal y como se explicó anteriormente, el aspecto de errores (arañazos, abollones) cambiará dependiendo de la distribución de luz utilizada, mientras que la apariencia de las superficies libres de errores permanecerá sustancialmente igual. Como resultado, el análisis de la secuencia de imágenes de una cámara individual se puede utilizar para comprobar si hay diferencias significativas en la secuencia. Si se detectan diferencias significativas, ello indica la existencia de un defecto.
La figura 6 es un diagrama de flujo que remarca este método de detección de defectos. Se puede aplicar a cada una de las cámaras.
El proceso se inicia en la etapa 60. La secuencia de imágenes se graba en la etapa 62, para al menos un ciclo completo de cambios de iluminación. Una etapa de normalización se muestra en la etapa 64 para tener en cuenta diferentes niveles de luz, por ejemplo sustrayendo un valor medio.
La secuencia de imágenes es analizada en la etapa 64 y a partir de ella se deriva un conjunto de valores de diferencia en la etapa 68. Cada valor de diferencia es una medida de la cantidad de imagen contenida en una imagen de diferencia. Estos valores de diferencia son comparados con un umbral en la etapa 70, de manera que si una diferencia entre un par de imágenes excede un umbral entonces se detecta un defecto (etapa 72) mientras que si el par de imágenes (o ninguno de los múltiples pares de imágenes analizados) produce una diferencia que exceda el umbral entonces no se detecta un defecto (etapa 74). El proceso finaliza en la etapa 76.
Las imágenes de diferencia y la medida de su contenido de imagen se pueden encontrar mediante un procesamiento de imagen estándar. El número de imágenes procesadas puede corresponderse con el número de fuentes de luz, de manera que una imagen es procesada cuando cada fuente de luz está en su intensidad máxima. Sin embargo, no todas las imágenes de diferencia pueden necesitar ser derivadas. Por ejemplo, puede que sólo sean necesarias imágenes de diferencia para fuentes de luz dirigidas hacia la parte del objeto visto por la cámara. Con referencia la figura 4, si la cámara está tomando imágenes en un lado del coche, sólo se requiere la diferencia entre imágenes cuando las 2 fuentes de luz en ese lado tienen su salida máxima. Por tanto, en teoría las imágenes de diferencia pueden analizarse entre todos los pares de imágenes en la secuencia, pero se puede lograr un procesamiento de imagen reducidos y los pares de imagen que se van a procesar son seleccionados dependiendo de las posiciones relativas de las fuentes de luz y de las cámaras. Como mínimo, sólo necesita analizarse un par de imágenes para derivar una imagen de diferencia de la cámara, basándose en dos condiciones de iluminación diferentes.
La figura 7 muestra de forma esquemática una primera y una segunda imágenes 80, 82 para una cámara particular para diferentes configuraciones de luz. Un arañazo se ve en cada imagen. Debido a que el arañazo se ve como una sombra, que tiene una posición (y contraste) diferente dependiendo de la dirección de iluminación, hay una imagen de diferencia mostrada como 84.
La imagen de diferencia es procesada para derivar un indicador de nivel de contenido de imagen. Esto se puede basar en el brillo máximo en la imagen o la diferencia máxima entre el área de imagen más oscura y el área de imagen más brillante. Se puede utilizar un procesamiento de imagen más complicado. El valor que indica el nivel de contenido de imagen es entonces comparado con un umbral. El umbral se elegirá basándose en el nivel esperado para una superficie libre de defectos y será diferente para diferentes productos que se están analizando.
La imagen de diferencia por tanto remarca los cambios en la posición de sombra provocados por defectos superficiales ubicados de forma aleatoria en una superficie de otro modo lisa.
El control de la dirección de iluminación sólo se aplica a la luz emitida desde la fuente de luz, sin ninguna reflexión, y esto es lo que se quiere decir mediante iluminación “directa” en la exposición anterior. Habrá otra iluminación provocada por reflexiones, pero esta siempre será de una intensidad menor que la iluminación directa. Además, se pueden reducir las reflexiones diseñando el recinto para el sistema de inspección como no reflectante. El controlador puede implementarse de numerosas maneras, con software y/o hardware, para realizar las diversas funciones requeridas. Un procesador es un ejemplo encontrado que emplea uno o más microprocesadores que pueden programarse utilizando software (por ejemplo, microcódigo) para realizar las funciones requeridas. Un controlador puede sin embargo implementarse con o sin emplear un procesador, y también puede implementarse como una combinación de hardware dedicado para realizar algunas funciones y un procesador (por ejemplo, uno o más microprocesadores programados y la circuitería asociada) para realizar otras funciones.
La figura 3 muestra una disposición con tres fuentes de luz por arco y la figura 4 muestra cinco fuentes de luz por arco. Cuanto mayor es el número de fuentes de luz, mayor es el número de diferentes direcciones de iluminación proporcionado. A modo de ejemplo, puede haber arcos fijos, con seis luminarias por arco para cubrir un coche. Puede haber escurridos más largos, por ejemplo para un área de inspección en la cual están alineados múltiples coches.
La invención es de un interés particular para una muestra que comprende un material laminar o que tiene una superficie laminar, que está destinada a tener una superficie lisa (que puede ser un plano aplanado o una superficie suavemente curvada) pero que puede tener defectos superficiales ubicados de forma aleatoria en los cuales se interrumpe la lisura de la superficie. La superficie puede tener un perfil conformado, pero está destinada a ser lisa en la escala de los defectos que están siendo identificados. Estos defectos pueden por ejemplo comprender abultamientos elevados o abolladuras en una superficie pintada y pueden por ejemplo tener una escala similar a las partículas capturadas, por ejemplo menos de 0,5 mm.
El sistema de la figura 4 hace uso de un controlador. Los componentes que pueden emplearse para el controlador incluyen, pero no están limitados a, microprocesadores convencionales, circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) y matrices de puertas programables en campo (FPGA).
En diversas implementaciones, se puede asociar un procesador o controlador con uno o más medios de almacenamiento tal como una memoria de ordenador volátil o no volátil tal como RAM, PROM, EPROM y EEPROM. Los medios de almacenamiento se pueden codificar con uno o más programas que, cuando se ejecutan en uno o más procesadores y/o controladores, realizan las funciones requeridas. Se pueden fijar varios medios de almacenamiento dentro de un procesador o controlador o pueden transportarse de tal manera que el uno o más programas almacenados en el mismo se puedan ubicar dentro de un procesador o controlador.
Otras variaciones a los modos de realización divulgados se pueden entender y efectuar por el experto en la técnica al llevar a la práctica la invención reivindicada, a partir de un estudio de los dibujos, la descripción y las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la palabra “que comprende” no excluye otros elementos o etapas y el artículo indefinido “un/uno/una” no excluye una pluralidad. El mero hecho de que ciertas medidas son enumeradas en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de estas medidas no se pueda utilizar como ventaja. Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no se debería considerar como limitativo del alcance.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de inspección de defectos para una inspección visual manual de defectos (10) superficiales en una muestra, que comprende:
un sistema (44) de iluminación para iluminar la superficie de muestra, que comprende una matriz de fuentes de luz formada dentro de un plano, en donde la matriz de fuentes de luz define un rango de direcciones de iluminación, dentro del plano, hacia la muestra, cuyo rango cubre al menos 90 grados; y
un controlador (46) para controlar las fuentes de luz en la matriz;
caracterizado por que el controlador (46) está configurado para controlar las fuentes de luz en la matriz para variar la intensidad de la salida de las fuentes de luz de una manera dinámica suave, en donde en respectivos puntos en el tiempo dentro de una secuencia cada una de las fuentes de luz tiene una intensidad mayor que las otras de tal manera que cada punto de la muestra es iluminado, en los respectivos puntos en el tiempo dentro de la secuencia, con una distribución de luz que tiene una intensidad de fuente de luz máxima en una dirección incidente única y a lo largo del tiempo la dirección en la cual se proporciona la intensidad de fuente de luz máxima, cambia para cubrir dicho rango.
2. Un sistema de inspección de defectos para una inspección automatizada de defectos (10) superficiales en una muestra, que comprende:
un sistema (44) de iluminación para iluminar la superficie de muestra, que comprende una matriz de fuentes de luz formada dentro de un plano, en donde la matriz de fuentes de luz define un rango de direcciones de iluminación, dentro del plano, hacia la muestra, cuyo rango cubre al menos 90 grados;
un controlador (46) para controlar las fuentes de luz en la matriz;
al menos una cámara;
un controlador para controlar la cámara para tomar imágenes sucesivas durante la secuencia de funcionamiento de la fuente de luz; y
un procesador para procesar las imágenes para derivar al menos una imagen de diferencia, en donde la imagen de diferencia remarca cambios en la posición de sombra provocados por defectos superficiales ubicados de forma aleatoria en una superficie de otro modo lisa y para proporcionar una detección de defectos basada en la imagen de diferencia;
caracterizado por que el controlador (46) está configurado para controlar las fuentes de luz en la matriz para variar la intensidad de la salida de las fuentes de luz de una manera dinámica suave, en donde en respectivos puntos en el tiempo dentro de una secuencia cada una de las fuentes de luz tiene una intensidad mayor que las otras de tal manera que cada punto de la muestra es iluminado, en los respectivos puntos en el tiempo dentro de la secuencia, con una distribución de luz que tiene una intensidad de fuente de luz máxima en una dirección incidente única y a lo largo del tiempo la dirección en la cual se proporciona la intensidad de fuente de luz máxima, cambia para cubrir dicho rango.
3. Un sistema como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el rango cubre al menos 135 grados, de forma más preferible al menos 180 grados.
4. Un sistema como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el controlador (46) se adapta para controlar la matriz de fuentes de luz para variar la intensidad de las fuentes de luz con perfiles de intensidad sinusoidales todos con el mismo periodo pero con diferentes fases.
5. Un sistema como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende una plataforma (42) de muestra, en donde la plataforma de muestra es móvil con respecto al sistema de iluminación en una dirección perpendicular al plano.
6. Un sistema como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la matriz de fuentes de luz comprende una pluralidad de submatrices de fuentes de luz, cada submatriz formada dentro de un plano respectivo, la dirección normal a los planos para diferentes submatrices que se dispone en una línea.
7. Un sistema como el reivindicado en la reivindicación 6, en donde el controlador está adaptado para variar, de una manera dinámica suave, la intensidad de la salida de las fuentes de luz de la submatriz de fuentes de luz formada dentro de cada respectivo plano de acuerdo con una secuencia respectiva, en donde en respectivos puntos en el tiempo dentro de la respectiva secuencia, cada fuente de luz de la submatriz tiene una intensidad mayor que las otras fuentes de luz de la submatriz, y en donde una única dirección incidente de intensidad de fuentes de luz máxima en una distribución de luz desde cada submatriz de fuentes de luz dentro de cada plano respectivo es diferente para planos respectivos diferentes.
8. Un sistema como el reivindicado en la reivindicación 6 o 7, en donde la plataforma de muestra es móvil con respecto al sistema de iluminación en una dirección a lo largo de la línea perpendicular a los planos respectivos.
9. Un sistema como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un sistema de inspección de pintado de panel de carrocería de coche.
10. Un método para proporcionar iluminación a una superficie de una muestra (40) para permitir la inspección visual manual de defectos en la muestra, el método que comprende:
Iluminar la superficie de muestra utilizando una matriz de fuentes (44) de luz formada dentro de un plano, en donde la matriz de fuentes de luz define un rango de direcciones de iluminación, dentro del plano, hacia la muestra, cuyo rango cubre al menos 90 grados; y
controlar las fuentes de luz en la matriz;
caracterizado por controlar las fuentes de luz en la matriz para variar la intensidad de la salida de las fuentes de luz de una manera dinámica suave, en donde en respectivos puntos en el tiempo dentro de una secuencia cada una de las fuentes de luz tiene una intensidad mayor que las otras de tal manera que cada punto de la muestra es iluminado, en los respectivos puntos en el tiempo dentro de la secuencia, con una distribución de luz que tiene una intensidad de fuente de luz máxima en una dirección incidente única y a lo largo del tiempo la dirección en la cual se proporciona la intensidad de fuente de luz máxima, cambia para cubrir dicho rango.
11. Un método para proporcionar iluminación en una superficie de una muestra (40) para permitir una inspección automatizada de defectos en la muestra, el método que comprende:
Iluminar la superficie de muestra utilizando una matriz de fuentes (44) de luz formada dentro de un plano, en donde la matriz de fuentes de luz define un rango de direcciones de iluminación, dentro del plano, hacia la muestra, cuyo rango cubre al menos 90 grados;
controlar las fuentes de luz en la matriz;
tomar sucesivas imágenes de cámara durante la secuencia de funcionamiento de fuente de luz;
procesar las imágenes para derivar al menos una imagen de diferencia en donde la imagen de diferencia remarca cambios en la posición de sombra provocados por defectos superficiales ubicados de forma aleatoria en una superficie de otro modo lisa; y
proporcionar una detección de defectos basándose en la imagen de diferencia;
caracterizado por controlar las fuentes de luz en la matriz para variar la intensidad de la salida de las fuentes de luz de una manera dinámica suave, en donde en respectivos puntos en el tiempo dentro de una secuencia cada una de las fuentes de luz tiene una intensidad mayor que las otras de tal manera que cada punto de la muestra es iluminado, en los respectivos puntos en el tiempo dentro de la secuencia, con una distribución de luz que tiene una intensidad de fuente de luz máxima en una dirección incidente única y a lo largo del tiempo la dirección en la cual se proporciona la intensidad de fuente de luz máxima, cambia para cubrir dicho rango.
12. Un método como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 10 u 11, que comprende controlar la matriz de fuentes de luz para variar la intensidad de las fuentes de luz con perfiles de intensidad sinusoidales, todos con el mismo periodo pero con diferentes fases.
13. Un método como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, que comprende mover la muestra con respecto a la matriz de fuentes de luz en una dirección perpendicular al plano.
14. Un método como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, que comprende iluminar la muestra utilizando una matriz de fuentes de luz que comprende una pluralidad de submatrices de fuentes de luz, cada submatriz formada dentro de un plano respectivo, los planos de las diferentes submatrices que son paralelos.
15. Un método como el reivindicado en la reivindicación 14, que comprende controlar las fuentes de luz de las submatrices de fuentes de luz para iluminar la muestra de tal manera que una única dirección incidente de intensidad de fuente de luz máxima en una distribución de luz desde cada submatriz de fuentes de luz dentro de cada plano respectivo es diferente para diferentes planos respectivos.
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