Controllo di Qualità per Laterizi con Sistema di Visione

Transcript

1 Pubblicato su Automazione e Strumentazione Maggio 2001, pag Controllo di Qualità per Laterizi con Sistema di Visione G. Chesi 1,C.Gabbatore 1, D. Prattichizzo 1, A. Vicino 1,M.Bonci 2 Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Università di Siena Italia San Marco Laterizi s.r.l. Castiglion Fiorentino (AR) Italia Sommario: Il controllo di qualità sta assumendo un ruolo sempre più importanteintuttiiprocessi produttivi. Questo lavoro presenta un esperienza di collaborazione tra la ricerca avanzata ed il mondo produttivo, nell ambito dell automazione, orientata allo studio ed allo sviluppo di un sistema di controllo della qualità per un impianto di produzione di laterizi. Il controllo di qualitàè basato su un sistema di visione in grado di elaborare ed interpretare le immagini dei laterizi. Il sistema di visione è stato affiancato da un pressore che eseguendo prove di forza è in grado di rilevare e scartare prodotti con rotture che interessano una larga parte della struttura del laterizio. Abstract: This paper illustrates a joint project between the Università di Siena and San Marco Laterizi, a brick manufacturing company. The project concerns research and development of an integrated system for quality control of bricks. The system integrates a digital camera for image feedback and a press for force tests. Practical implementation of the system resulted in a relevant improvement of the average quality of the bricks. 1 Introduzione Il presente lavoro si propone di studiare le problematiche dei controlli di qualità di tipo non distruttivo per una linea automatica di scarico e imballaggio di laterizi faccia a vista ad impasto molle. Le aziende si devono spesso confrontare con le problematiche relative alla riduzione degli scarti o dei difetti, migliorando il controllo della qualità dei prodotti. Nell affrontare questi temi, per evitare sprechi e possibilità diinsuccesso,è necessario dotare l azienda di un sistema integrato per l ottimizzazione ed il controllo del processo, basato sul coinvolgimento del personale, sull utilizzo di tecnologie avanzate e sull analisi statistica dei dati. Oggigiorno, i sistemi di controllo della qualità sono diventati uno strumento necessario per il miglioramento dell Azienda. L implementazione di un efficiente sistema di controllo qualità nel processo produttivo di laterizi consente di diminuire i tempi di fermo impianto che a volte possono anche compromettere il ciclo produttivo. Il controllo di qualità automatizzato garantisce standard qualitativi di prodotto molto elevati e, se supportato da un sistema di analisi dei dati, permette di individuare i punti di intervento per il miglioramento dell impianto di produzione. Nella produzione dei laterizi, il controllo di qualità finalizzato all eliminazione dei pezzi rotti è molto importante anche perchè i prodotti finiti sono organizzati in pacchi che possono diventare instabili per la presenza di elementi danneggiati o generare reclami da parte del cliente. Il controllo in linea della produzione comporta in generale alcuni costi aggiuntivi, ma consente dall altro lato di migliorare la qualità del prodotto finito. In molti casi, si tratta dunque di valutare Autore cui inviare la corrispondenza: Domenico Prattichizzo, Dipartimento di Ingegneria dell Informazione, Università degli Studi di Siena. prattichizzo@ing.unisi.it. Fax: Tel:

2 2 se e quali fasi del processo produttivo vadano controllate, cercando il miglior compromesso tra i costi aggiuntivi che è necessario sostenere ed il miglioramento atteso nella qualità del prodotto. Modelli decisionali per affrontare questo tipo di problema sono stati trattati da vari autori in letteratura. Tra questi, si vuole ricordare ad esempio Ragavachari and Tayi [RT91] e Rebello, Agnetis e Mirchandani [RAM95], che considerano esplicitamente tanto i costi inerenti queste operazioni, quanto i benefici che da esse ci si può attendere. Il lavoro di ricerca e sviluppo, presentato in questo articolo, è stato svolto in collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria dell Informazione dell Università degli Studi di Siena e la San Marco Laterizi, azienda specializzata in produzione di coperture in cotto, laterizi in pasta molle per muro, pavimenti, sottotetto ed elementi di architettura con stabilimenti dislocati a Noale (VE), Castiglion Fiorentino (AR) e Valenza Po (AL). Recentemente l azienda ha investito molto nell innovazione tecnologica per migliorare i propri standard qualitativi. L attività di ricerca svolta con l Università di Siena si è mossa proprio in questa direzione. Obbiettivo della ricerca è quello di progettare e realizzare un sistema di controllo qualità dei laterizi presso il sito produttivo automatizzato di Castiglion Fiorentino che produce mattoni e tavelle di vari formati, colori e finiture superficiali. Gli elementi da pavimento e sottotetto, comunemente chiamati tavelle, per il loro spessore ridotto e per gli altri aspetti specifici del ciclo produttivo, rappresentano i prodotti con una percentuale di scarto più elevata rispetto agli altri laterizi. 2 Il ciclo produttivo del laterizio In questo paragrafo si descrive brevemente il ciclo produttivo del laterizio su cui si è focalizzata l attività di ricerca e sviluppo. La produzione del laterizio si basa su una serie di operazioni che, pur se altamente industrializzate ed automatizzate, in linea di principio sono rimaste immutate da moltissimi anni [A99,BD00]. Le fasi principali del ciclo produttivo di un laterizio possono essere descritte come segue, cf. figura 1 Estrazione: la scelta della cava è un operazione determinante per la qualità del prodotto finale. La qualità e la potenzialità del giacimento, le eventuali impurità contenute, l umidità minima e massima del materiale sono elementi che determinano i modi di sfruttamento della cava stessa, così come le macchine più adatte per lo scavo ed il trasporto e la linea tecnologica dell impianto. Prelavorazione dell argilla: l argilla proveniente dalla cava è spesso un prodotto naturale eterogeneo. Questa materia grezza deve essere trasformata in un impasto il più possibile uniforme che garantisca, con una lavorazione economica, un materiale finito di ottima qualità. Formatura: questa fase comprende la formatura del prodotto per stampaggio e tutte le operazioni relative alla presa ed al carico del materiale prodotto da avviare all essiccatoio. La formatura può essere realizzata a freddo oppure a caldo, con l impiego del vapore e con impasti più o meno duri. Essiccazione e composizione dei carri: si usano essiccatoi artificiali, alimentati con aria calda prodotta da una sorgente di calore. In questa fase viene determinata la configurazione geometrica dei prodotti e conferita loro la necessaria resistenza meccanica per poter essere posizionati su carrelli e successivamente avviati alla cottura. Cottura: la trasformazione del pezzo secco in laterizio stabile avviene attraverso diverse modificazioni fisiche e chimiche che subiscono i componenti minerali sotto l effetto della temperatura. I prodotti vengono cotti all interno di un forno, detto a tunnel, costituito da una galleria, chiusa alle estremità da un sistema di porte doppie, entro la quale scorrono dei carrelli a ciclo continuo.

3 3 Figura 1: Fasi del ciclo produttivo di un laterizio in pasta molle. Scarico e imballaggio: all uscita dal forno i prodotti vengono scaricati dai carrelli e sono avviati all imballo. Durante questa fase i laterizi vengono trasferiti in dei pallet e sigillati con termoretraibile. 3 Tipologia dei difetti di produzione Il monitoraggio e la rimozione dei laterizi con difetti di produzione avviene tipicamente nella fase di scarico ed imballaggio dei prodotti. In questa fase di lavorazione èpiù semplice eseguire un controllo di qualità ed intervenire per rimuovere i pezzi difettosi. Il controllo delle tolleranze dimensionali e di forma dei prodotti viene anch esso esguito in questo ambiente. L impianto di scarico ed imballaggio presso la San Marco Laterizi è quello riportato in figura 2 ed è costituito da un isola robotizzata composta da due robot di smistamento (denominati robot semplici) e da quattro robot pallettizzatori (denominati robot accatastatori). Un attenta analisi del layout dell impianto e del suo funzionamento ha permesso di evidenziare alcune criticità. Si verifica, ad esempio, che a valle del robot semplice, la pinza che distribuisce i laterizi della pila lasci passare una fila con due o più lateizi sovrapposti. In questo caso una fotocellula blocca la linea per far sì che l operatore rimuova il laterizio e riavvii il processo. Un esempio di questo inconveniente è riportato in figura 3. Se un mattone rotto in più parti o con una profonda fessurazione si presenta al robot accatastatore

4 4 Figura 2: Isola di scarico ed imballaggio. (figura 4), la ventosa dell organo terminale non riesce ad agganciare il pezzo difettoso ed il sistema va in blocco provocando nuovamente un arresto della linea di produzione. Le rotture dei prodotti si generano con maggiori probabilità nei formati più sottili. In particolare è tipico che le tavelle allocate nelle file inferiori, essendo soggette al peso di quelle superiori, possono subire danni e tendono a spezzarsi, specialmente se non sono perfettamente piane. Figura 3: Malfunzionamento dovuto alla presenza di mattoni sovrapposti. La tipologia dei guasti sopra descritti è causa di interruzione della linea di lavorazione e quindi di un inefficienza grave del ciclo produttivo. Diverso è invece il tipo di malfunzionamento del sistema che si ha quando i mattoni o le tavelle presentano alcune fessurazioni interne, che non essendo ben visibili, possono anche eludere i controlli a campione ed essere quindi immessi sul mercato come prodotti integri. Sono anche frequenti i difetti di fabbricazione dei laterizi che si manifestano con macchie superficiali ed imperfezioni dei profili. Nella figura 5 è riportata una casistica di difetti ed imperfezioni che caratterizzano il ciclo di produzione dei laterizi: Difetti di integrità. Queste imperfezioni sono molto frequenti e si presentano come rotture totali o parziali, fratture e fenditure. Difetti di forma. Tipicamente gli spigoli non sono ben profilati e le superfici dei laterizi

5 5 Figura 4: Fase di accatastamento dei mattoni. non sono piane. I difetti di forma possono provocare problemi di stabilità all interno di un pacco. Imperfezioni di colore. Sono dovuti a variazioni di tonalità rispetto al campione di riferimento e quindi non compromettono lo svolgimento del ciclo di produzione, ma non rispettano le specifiche qualitative di produzione. Imperfezioni estetiche. Sono rappresentate principalmente da macchie circolari piuttosto evidenti sulla superficie maggiore sabbiata e, come i difetti di colore, violano le tolleranze di produzione del prodotto. Figura 5: Difetti riscontrabili nella produzione di laterizi. Difetti di rottura, di forma, imperfezioni di colore e presenza di macchie superficiali.

6 6 4 Metodi per il controllo di qualità per laterizi Dopo aver analizzato i difetti tipici che possono presentarsi nel processo di produzione dei laterizi, la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di un sistema di controllo della qualità finalizzato al monitoraggio ed all eliminazione dei pezzi difettosi. Tra le tecnologie da poter impiegare per il controllo di qualità dei laterizi sono state inizialmente escluse le seguenti [S88,H91]. Vasca con sonda per ultrasuoni. Con questa tecnologia il controllo sulla struttura del laterizio è totale ad eccezione della superficie. Purtroppo questo controllo non è implementabile semplicemente in quanto richiede molto spazio ed un tempo di esecuzione elevato. Inoltre il laterizio e la sonda devono essere immersi in un mezzo che non sia l aria per evitare dispersioni. Raggi X. Come per gli ultrasuoni, le tecnologie a raggi X consentono di avere un controllo totale sul materiale ad esclusione della superficie, ma per contro hanno un costo eccessivo, tempi di risposta molto lunghi, pericolosità all esposizione delle radiazioni e sono di difficile integrazione con le linee di produzione esistenti. Controllo del peso. Sebbene un sistema per il controllo del peso dei laterizi sia realizzabile semplicemente anche in un impianto produttivo pre-esistente, la differenza di peso tra i mattoni buoni e quelli con imperfezioni costruttive può essere talmente esigua da non essere rilevabile neanche tramite l uso di bilance di alta precisione. Ne consegue che questo sistema è utilizzabile solo per individuare laterizi con difetti macroscopici. La tecnologia che meglio ha risposto alle esigenze emerse nel progetto del controllo di qualità del laterizio è quella basata sull impiego di telecamere e cioè sulla computer vision. L uso delle telecamere con opportuni software di elaborazione delle immagini, ben si presta ad essere inserita in un contesto produttivo già esistente e consente di rilevare un gran numero di difetti di produzione del laterizio. La realizzazione prototipale del sistema di controllo di qualità del laterizio tramite telecamera è in fase di sperimentazione avanzata presso la San Marco Laterizi. Esso è costituito da una telecamera posizionata sopra il nastro trasportatore dislocato nella zona di scarico. Un algoritmo basato sull estrazione dei contorni consente di individuare le rotture e le imperfezioni superficiali della parte di laterizio esposta. Il limite del sistema di visione consiste nel non essere in grado di individuare le fessurazioni interne dei laterizi. Ed è per questa ragione che si è voluto affiancare al sistema di visione un pressore che, eseguendo delle prove di forza sui laterizi, è in grado di eliminare i pezzi la cui struttura è compromessa da importanti fessurazioni interne. Si noti che il controllo tramite pressore è di tipo distruttivo e ben si coniuga con il controllo tramite telecamera che rileva solo le imperfezioni superficiali. Il pressore riportato in figura 6 è quello attualmente in uso presso la San Marco Laterizi ed è costituito da un rotismo che rotola sulle tavelle, mosse dal nastro trasportatore, esercitando una pressione di controllo in grado di eliminare i mattoni con significative fessurazioni interne. 5 Il sistema di visione Il sistema di visione utilizzato è costituito da una telecamera che acquisisce immagini di tipo bmp con risoluzione di pixel. La telecamera è posta ad una distanza fissa dal nastro trasportatore che trascina i mattoni. L immagine digitalizzata acquisita dal sensore ottico è del tipo riportato in figura 7. L algoritmo per l elaborazione delle immagini è stato sviluppato in linguaggio C [KR88,S90] su piattaforma Linux [S95]. Esso, dapprima converte l immagine bmp in formato pmg, a livelli di grigio

7 7 Figura 6: Il pressore impiegato presso la San Marco Laterizi. Figura 7: Immagine tipica acquisita dalla telecamera digitale. [KCN89], e quindi con opportune elaborazioni è in grado di rilevare rotture totali, fratture parziali, irregolarità e macchie superficiali del manufatto a partire dall immagine acquisita dalla telecamera. Una volta riconosciuto il laterizio all interno dell immagine acquisita, l idea di base per stabilire se il mattone visualizzato nell immagine presenta delle imperfezioni consiste nello sfruttare le informazioni fornite dai contorni dell immagine stessa, cioe da quelle curve che separano aree dell immagine con colore uniforme, come ad esempio spigoli di oggetti, bordi di macchie, e altro ancora. In particolare l algoritmo è in grado di distinguere curve aperte e chiuse e di effettuare una misura, in pixels, della lunghezza del contorno tramite cui riesce a discriminare la presenza di imperfezioni sul laterizio in esame. Il primo passo dell elaborazione dell immagine è pertanto quello di estrarre i contorni presenti nell immagine, operazione nota con il nome di Segmentazione dell Immagine [CMC00]. La procedura impiegata per la segmentazione è quella sviluppata da J.F. Canny [JFC86], nota come Canny Edge Detection Algorithm. Essa esegue un filtraggio dell immagine, mediante la convoluzione con un filtro di tipo gaussiano, al fine di ridurre il rumore presente nell immagine, quindi determina le discontinuita di colore presenti nell immagine attraverso il calcolo del gradiente spaziale ed infine genera le curve

8 8 corrispondenti ai contorni aggregando i punti di massimo del gradiente. Quest ultima operazione è anche nota con il nome di Non-Maxima Suppression [K92]. In Figura 8 è riportato un esempio di applicazione del Canny Edge Detection Algorithm. Figura 8: (a) Immagine acquisita dalla telecamera. applicato all immagine (a). a b (b) Contorni estratti dall algoritmo di Canny L algoritmo di Canny prevede la scelta di alcuni parametri per il filtraggio e per l operazione di nonmaxima suppression. Essi dipendono molto dall ambiente di lavoro in cui è posizionata la telecamera, e cioè dal livello di luminosità e da altri fattori che fortunatamente non sono soggetti a variazioni consistenti all interno dell ambiente in cui è in funzione il prototipo in oggetto. L estrazione dei contorni basata sull algoritmo di Canny non è in grado di individuare la presenza di curve chiuse che è invece un elemento essenziale del nostro algoritmo che presuppone di poter delimitare il contorno del mattone in esame al fine di risolvere situazioni ambigue quali quella riportata in figura 7. In questo lavoro si assume che la telecamera è posizionata ad una distanza tale dal nastro trasportatore che solo un laterizio per volta entra per intero nel campo visivo della telecamera. La procedura per l estrazione di curve chiuse e segmenti a partire da un immagine filtrata tramite l algoritmo di Canny è stata sviluppata presso il laboratorio di Automazione e Robotica del Diparimento di Ingegneria dell Informazione. Si deve osservare che, in generale l output dell estrazione dei contorni non corrisponde ad una curva chiusa, ma bensi ad una serie di curve aperte costituenti il bordo del laterizio interrotto in uno o piu punti, a causa di variazioni di colore o di illuminazione. Si rende quindi necessaria un operazione di collegamento delle curve aperte al fine di generare le curve chiuse corrispondenti ai reali contorni del laterizio presente nell immagine. In sintesi, l algoritmo cerca di collegare tutti i segmenti la cui distanza non supera una soglia prefissata fino a formare, se possibile, una curva chiusa. L output di questa fase è quindi un insieme di curve aperte e chiuse tra le quali c è anche quella del laterizio in esame. A questo punto per consentire un analisi della qualità del laterizio è essenziale eliminare le curve esterne al perimetro del laterizio. Si ottiene così un immagine con i soli contorni presenti all interno del laterizio. La figura 9 riporta il risultato della procedura di estrazione delle curve chiuse e dei segmenti, compresi nel perimetro del laterizio, applicata all insieme di contorni in figura 8-b. Dalla tipologia dei difetti analizzata nel paragrafo 3, si deduce che le curve chiuse ed eventuali segmenti presenti nell immagine elaborata del laterizio possono presentarsi in una delle configurazioni riportate in figura 10. L algoritmo per il controllo di qualità del laterizio è in grado di discriminare tra queste possibili configurazioni e quindi di stabilire quale è lo stato del laterizio a partire dall insieme delle curve chiuse e dei segmenti estratti dall immagine.

9 9 Figura 9: Estrazione delle curve significative a partire dall immagine digitalizzata del laterizio in esame. In particolare, considerando il numero di curve chiuse ed aperte presenti nell immagine elaborata, le loro dimensioni e la posizione relativa (interna/esterna) è possibile distinguere i casi presenti in figura 10 e quindi rilevare la presenza di imperfezioni nel laterizio. Infatti, se non sono presenti altre curve oltre al perimetro del mattone e se la sua lunghezza (per esempio misurata in pixel) appartiene ad un range di riferimento, si puo stabilire che il laterizio e integro (caso a). Se invece sono presenti segmenti o curve chiuse interne al mattone, si puo concludere che vi sono delle incrinature o delle macchie (casi b e d). Il mattone puo presentarsi rotto come nel caso c). Questa situazione e rivelata dalla presenza di due curve chiuse, l una esterna all altra. Infine si osservi che il caso e) rappresenta un imperfezione di forma è può essere individuato semplicemente confrontando la lunghezza perimetrale del laterizio in esame con il range caratterizzante il laterizio integro. Come esempio di applicazione dell algoritmo, si consideri il caso riportato in figura 11. A sinistra è riportata l immagine digitalizzata di un laterizio con una macchia superficiale che l algoritmo di controllo qualità riesce a rilevare in quanto le due curve chiuse sono una interna all altra come mostrato in figura 11-b. Un analisi a campione dei dati ha consentito di verificare le prestazioni del controllo di qualità combinato pressore-telecamera. In particolare sono stati analizzati, con il controllo di qualità, un campione di 100 pezzi rotti, un campione di 100 mattoni con incrinature ed infine un campione di 100 pezzi con macchie ed imperfezioni di forma. L analisi dei risultati mostra che solo il 3.5% dei pezzi totalmente rotti elude il controllo di qualità. L incidenza dei manufatti parzialmente rotti che elude il controllo di qualità combinato è invece più alta ed arriva al valore del 12.5%. Per quanto riguarda l incidenza dei mattoni con macchie ed imperfezioni di forma, la percentuale di prodotti il cui difetto non è rivelato risulta essere del 20%. 6 Conclusioni L attività di ricerca si è concretizzata in un prototipo per il controllo di qualità dei laterizi basato su un sistema di visione e su un pressore per le prove di forza. Il monitoraggio tramite telecamera e pressore ha portato alla riduzione di circa il 70% dei tempi di fermo impianto del ciclo produttivo. Le elevate prestazioni del sistema realizzato consentono di effettuare il controllo di qualità sull intera produzione di laterizi e non solo su un certo campione tipicamente esaminato da operatori specializzati con metodi non meccanizzati. Tutto ciò si traduce in un notevole innalzamento dello standard qualitativo del processo di produzione. Il controllo con telecamera applicato alla linea di scarico è in grado di monitorare le varie tipologie

10 10 Figura 10: Possibili configurazioni delle curve presenti nelle immagini dei laterizi elaborate. dei difetti riuscendo così ad operare un efficiente selezione degli scarti. Il controllo di qualità dei laterizi basato sui sistemi di visione ha il vantaggio di richiedere costi di installazione e mantenimento non gravosi ed inoltre si giova del progresso tecnologico che in questo settore è in costante sviluppo. Infine, giova ricordare che le metodologie utilizzate per il controllo di qualità dei laterizi possono essere facilmente adattate per essere impiegate in altri contesti produttivi. Bibliografia [RT91] M. Ragavachari, G.K. Tayi Inspection configuration and reprocessing decisions in serial production systems, International Journal of Production Research, 29, [RAM95] R. Rebello, A. Agnetis, P.B. Mirchandani Specialized inspection problems in serial production systems, European Journal of Operational Research, 80, [A99] A. Acocella, L architettura del mattone faccia a vista Andil Assolaterizi, [BD00] A. Borriello e G. Di Cesare Qualita e Certificazione, Andil Assolaterizi, [S88] R.A. Serway, Physics for Scientists and Engineers, SES [H91] P. Hauptmann, Sensors - Principles and Applications, Prentice Hall, [KCN89] R.D. Klafter, T.A. Chmielewski, M. Negin, Robotic Engineering - An Integrated Approach, Prentice Hall [KR88] B. Kernighan, D.M. Ritche, The C Programming Language, Second Edition Prentice Hall [S90] H. Schildt, C: The Complete Reference, Second Edition Osborne McGraw-Hill 1990.

11 11 a b Figura 11: L algoritmo di elaborazione delle immagini basato sull estrazione dei contorni riesce a rilevare la presenza di una macchia superficiale. [S95] M.G. Sobell UNIX SYSTEM V, A pratical guide third edition, Benjamin and Cummings, 1995 [CMC00] G. Chesi, E. Malis, R. Cipolla, Automatic segmentation and matching of planar contours for visual servoing, International Conference on Robotics and Automation, San Francisco, [JFC86] J.F. Canny, A computational approach to edge detection, IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 8(6): , [K92] K. Kanatani, Geometric computation for machine vision, Oxford University Press, 1992.