PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 256 Mechanika 2013 S awomir wi o Instytut Technik Wytwarzania ZASTOSOWANIE TECHNIKI WIZYJNEJ W AUTOMATYZACJI POMIARÓW GEOMETRII I PODNOSZENIU JAKO CI WYROBÓW WYTWARZANYCH W PRZEMY LE MOTORYZACYJNYM R kopis dostarczono 18.06.2013 r. G ównym celem opracowania jest prezentacja nowych rozwi za usprawniania procesów produkcji dla przemys u motoryzacyjnego przy wykorzystywaniu aplikacji opartych na systemach wizyjnych. W rezultacie zrealizowanych przez autora prac badawczych w tym zakresie zaprojektowano i zbudowano wizyjne systemy pomiarowe oraz przedstawiono nowe bardziej doskona e rozwi zania w pomiarach dok adno ci oraz analizie jako ci wytwarzanych wyrobów metalowych. Zaproponowane w monografii rozwi zania mia y du y udzia w procesie okre lania potencjalnych mo liwo ci dla nowo powsta ych systemów wizyjnych dedykowanych do eksploracji wybranych technik wytwarzania elementów motoryzacyjnych. Podniesienie bowiem jako ci w procesie kontroli techniki wytwarzania prowadzi do lepszego zrozumienia strategii doboru w a ciwych rozwi za. W szczególno ci, przedstawione rozwi zania mia y du y udzia w procesie uzyskiwania wysokiej dok adno ci w analizie danych pomiarowych. Proces ten dokonywany by poprzez wykorzystanie zaawansowanych technik numerycznej obróbki obrazu dla wzorów powierzchniowych, jak równie dla obiektów trójwymiarowych. Dzi ki wdra aniu metod do wiadczalnych i teoretycznych oraz tworzeniu na tej bazie nowych propozycji, autor przedstawi wszechstronne podej cie do zagadnie automatyzacji pomiarów oraz podnoszenia jako ci w obszarze kszta towania blach, procesu zawijania, kontroli wymiarowej otworów po obróbce maszynowej oraz inspekcji powierzchniowej odlewów aluminiowych. W pierwszej cz ci monografii przedstawiono analiz procesu kszta towania blach z uwzgl dnieniem pomiaru jej geometrii i kinematyki procesu. Aktualnie dost pne rozwi zania
w tym zakresie, to między innymi: stanowiska badawcze do wyznaczania krzywych odkształceń granicznych, systemy wizyjne do pomiarów odkształceń czy układy optyczne do zadań rekonstrukcji obiektów trójwymiarowych. Przedstawione przez autora rozwiązanie dotyczy w pełni automatycznego stanowiska laboratoryjnego do realizacji i analizy prób wybrzuszania hydraulicznego blach. Do prób kształtowania plastycznego zastosowano metodę wybrzuszania krążków blachy (utwierdzonej na brzegach) ciśnieniem cieczy. W tej operacji występuje dwuosiowe, równomierne rozciąganie, czego efektem jest formowanie wytłoczki o kształcie czaszy kulistej. Zastosowany przykład procesu tłoczenia blach pozwala na uzyskanie wielu rozwiązań, tak w zakresie opisu kinematyki, jak i badania warunków utraty stateczności dzięki braku występowania tarcia na powierzchni kontaktu narzędzia z materiałem. Stanowisko to pozwala na prowadzenie dwóch typów pomiarów. Do pierwszej grupy zaliczyć można rejestrację przebiegu procesu kształtowania plastycznego w postaci ciśnienia i przemieszczenia, a do drugiej pomiar kinematyki i kształtu próbek wybrzuszanych. Ta pełna charakterystyka procesu wybrzuszania pozwala na prowadzenie pomiarów własności plastycznych oraz na opracowanie mechanizmów kontroli przebiegu procesu kształtowania. Do takich elementów kontroli zaliczyć można miedzy innymi możliwości automatycznego sterowania przebiegiem procesu z możliwością jego przerwania w ściśle określonej fazie deformacji. W uzupełnieniu do zaproponowanych rozwiązań automatyzacji pomiarów odkształceń przedstawione zostały wyniki prac w zakresie przewidywania momentu pękania. Od wielu lat stosowana przez różnych autorów metoda analizy siatek regularnych i stochastycznych w połączeniu z procesem obróbki obrazu doczekała się licznych rozwiązań. Nie dają one jednak wciąż odpowiedzi na podstawowe pytanie odnośnie sposobu unikania lub eliminowania niebezpieczeństw związanych z przekroczeniem granicznych wartości odkształceń dla procesów realizowanych w warunkach przemysłowych. W kolejnej części dotyczącej problematyki tłoczenia blach, autor przedstawia kompleksową informację na temat metod projektowania narzędzi do tłoczenia części nadwozia. W ramach tych informacji przedstawiona jest aktualna strategia prac projektowych z wyróżnieniem czynników technologicznych. Przedstawiono technikę komputerowego wspomagania projektowania i kontrolowania jakości wyrobów. Zaproponowana zaawansowana technika wizyjna jest współczesnym narzędziem przemysłowym, które znajduje zastosowanie również w przemyśle samochodowym umożliwiając dokonanie pomiaru geometrii szybko i dokładnie. Przedstawione rozwiązanie dotyczy stanowiska mobilnego do zastosowania w warunkach przemysłowych w analizie kształtu i pomiarze odkształceń z wykorzystaniem obróbki obrazu. Proces obróbki obrazu i jego analizy, w celu rekonstrukcji badanych obiektów (blach) został zaprezentowany na przykładzie aplikacji przemysłowej. Kolejnym zagadnieniem niniejszej monografii jest propozycja nowej metody pomiaru odkształceń w procesie trzystopniowego zawijania. Proces zawijania stosowany jest dla potrzeb zwiększenia wydajności i jakości części konstrukcyjnych karoserii samochodów. Konieczność monitorowania parametrów tego procesu wynika z faktu, że rzutuje on na końcową jakość wyrobu. Dlatego też, w celu zminimalizowania błędów powstałych na etapie projektowania procesu zawijania koniecznym było kompleksowe poznanie tego procesu do czego dotychczas nie przykładano tak dużej uwagi. Osiągnięto to poprzez opracowanie nowej metody opisu kinematyki procesu zawijania, geometrii i jakość kształtowanej powierzchni. Dzięki tym pracom możliwe jest szybkie i dokładne zanalizowanie procesu zawijania dla dowolnych wielkości geometrycznych i materiałowych występujących w wybranych obszarach karoserii samochodowej. W przeciwieństwie do czasochłonnych i mało precyzyjnych metod oceny bazującej na analizie wzrokowej proponowana metoda z wykorzystaniem systemu wizyjnego pozwala na natychmiastową i ilościową analizę gotowego wyrobu. 4
Kontrola wymiarowa przy zastosowaniu inspekcji wizyjnej to coraz częściej wykorzystywana technika pomiarowa pozwalająca na szybkie i dokładne odwzorowanie badanego wyrobu w celu jego modyfikacji, powtórnego odwzorowania lub inspekcji geometrycznej. Spośród licznej grupy urządzeń pomiarowych wyróżnić można urządzenia do pomiarów dyskretnych i optyczne urządzenia do skanowania. Przewagą stosowania rozwiązań optycznych jest szybkość przy konkurencyjnej dokładności pomiarów. Stąd, zaproponowanie przez autora techniki wizyjnej do rekonstrukcji obiektów (wyrobów), w celu dokonania weryfikacji geometrii powstałej po obróbce maszynowej. Określenie położenia otworów, linii brzegowych wyrobu we współrzędnych lokalnych i globalnych to podstawowe cele tych operacji kontroli. Zaproponowane przez autora rozwiązania w tym zakresie polegają na zastosowaniu połączonego systemu układu wizyjnego i napędowego. Ten złożony system pomiarowy umożliwia realizację połączonych zadań pomiarowo-decyzyjnych. Dziki zastosowaniu układu wizyjnego możliwe jest dokonanie szybkiej i precyzyjnej kontroli wymiarowej badanego wyrobu. Proponowane rozwiązania w tym zakresie dotyczą głównie rozpoznawania krawędzi otworów z dokładnością podpikselową. Na zakończenie opracowania przedstawiona została nowa propozycja wizyjna automatyzacji procesu inspekcji defektów powierzchniowych w odlewach aluminiowych. Problem występowania defektów powierzchniowych jest istotnym ograniczeniem dla wyrobów w przemyśle odlewniczym z uwagi na konieczność osiągnięcia wysokiej jakości końcowej wyrobu. W zależności od przebiegu procesu technologicznego procesowi odlewania może towarzyszyć tworzenie się pęknięć czy porów. Nieciągłości te w sposób istotny mogą ograniczać późniejszą funkcjonalność wyrobów lub zdolność do przenoszenia znacznych sił. Zaproponowane rozwiązanie dotyczy komputerowej inspekcji z wykorzystaniem systemu wizyjnego, inspekcji będącej alternatywą dla powszechnie stosowanych metod kontroli wzrokowej. Opracowany przez autora system wizyjny pracujący w trybie online wykorzystuje zaawansowane techniki obróbki umożliwiające wykrywanie i identyfikowanie różnych typów defektów powierzchniowych. System ten został pomyślnie przetestowanym dla grupy trzech typów defektów powierzchniowych występujących w odlewach aluminiowych. Słowa kluczowe: kształtowanie blach, proces zawijania, obróbka maszynowa otworów, odlewanie aluminium, systemy wizyjne, obróbka obrazu, metody korelacji obrazu, detekcja krawędzi, pomiar odkształceń. 5
GEOMETRY MEASUREMENT AUTOMATION AND PRODUCT QUALITY IMPROVEMENT FOR AUTOMOTIVE INDUSTRY USING MACHINE VISION TECHNIQUE Summary The main focus of the present work is on the demonstration of new methods for the manufacturing process improvement specifically through the application of machine vision inspection in automotive technologies. In particular, the results of the undertaken research include optical systems development and engineering product improvement by searching for new, more accurate methods for measuring and analyzing surface quality, dimensional control and process performance analysis. The proposed solutions have contributed to the understanding on how new imaging systems have a large potential in exploring manufacturing technologies and provide an entirely new perspective on process control that leads to the new thinking in the process control strategy. In particular, the author proposed a new understanding on how to achieve a high-level of process performance analysis by using advanced digital imaging techniques for two- and three-dimensional object location, recognition, and inspection as well as surface detective metrology. By searching and using advanced solutions in mathematics and physics, the author provides comprehensive information and incremental knowledge about the manufacturing process improvement with application of both theoretical and experimental methods in the field of sheet metal forming and hemming, dimension control after machining and surface defect inspection for aluminum casting. As for the first task, the geometry and kinematics of product behavior after sheet metal forming have been investigated. Currently, we can find, among others, methods that serve the determination of forming limit curves, which, combined with calculations of the deformation occurring in the examined products, provide comprehensive information about the state of the material. The developed solution by author comprises a fully automatic test stand for the hydro-bulging process. In this operation, a biaxial uniform stretching occurs, producing objects in the form of a spherical cap. The use of the stand allows running two types of the measurements. The first group of measurements allows recording the run of the plastic forming process in terms of pressure and displacement, while second group includes measurements of the process kinematics and of the shape of the bulged samples based on the both: regular and stochastic grids. Full description of the bulging process should enable further materials research and development of process control mechanisms. The elements of such control can include, among others, an option for automatic monitoring of the process run and the possibility of its interruption at a strictly determined stage of deformation. As complementary to the created solutions of automated strain measurement, studies are carried out to predict the crack initiation, since the problem of accurate method for quality inspection for the sheet metal in production environmental is still present. In the next section, the authors provide comprehensive information on methods used in design of tools for the die forming of car body parts. As part of the information, current strategy adopted in design work has been presented, with emphasis put on the technological factors. The proposed advanced vision-based technology is a modern tool for the industrial uses, applicable especially in the automotive sector as a means to provide quick and accurate measurement of product geometry and quality. The described solution of stereovision refers to a mobile stand operating under industrial conditions to enable shape and deformation analysis 125
through image processing. The image acquisition process and digital analysis of the images have been presented to recognize and analyze the objects taken from camera. In the vision control process, the author proposed a new method for the strain measurement in a three-stage hemming process. Hemming is performed to increase the productivity and quality of car body structural parts. The expectation to monitor the parameters of this process results from the fact that they affect the final product quality. Therefore, to reduce to minimum errors occurring at the stage of the hemming process design, a comprehensive understanding of the process, which so far has not been given enough attention, was necessary. This was done by developing an entirely new method, allowing the strain characteristics and crack propagation to be determined in the plastic forming process. The ultimate goal was to determine experimentally the limit parameters of the process, the kinematics, and the geometry and surface quality achievable during hemming. This stage involves the determination of the location of defects, analysis of deformation and measurement of critical dimensions. These characteristics of the inspected parts, which the vision inspection system will examine, are very important and essential for a fully successful implementation of the vision system. The vision inspection system proposed by the author responds to the demand of users for systems that are easier in operation, cost less and are more flexible. These improvements make the vision inspection system more accessible to all manufacturers. The dimensional control using visual inspection is increasingly being used as a measurement technique that allows quick and accurate representation of product tested for its modification, re-mapping or geometric inspection. Currently, two methods of measurement, namely by vision and by contact, are commonly used to implement this type of measurement tasks, allowing quick and precise mapping of the examined surface. The advantage of vision solution is the speed of measurements combined with competitive accuracy. Hence comes the idea to propose a non-contact technique for the reconstruction of two-dimensional objects. Determining the shapes of holes and their locations in local and global coordinates are basic objectives of these control operations. The solutions proposed by the author in this area rely on the use of a complex system, including a vision system, and a drive system. This complex measurement system enables execution of the combined tasks of measurement and decisionmaking. Owing to the application of a vision system it is possible to make rapid and accurate reconstruction of the measured element. The solutions proposed in this area concern the edge detection of objects with a sub-pixel accuracy. Finally, a new camera-based machine vision system for the automatic inspection of surface defects in aluminum die casting was developed and presented by the author. The problem of surface defects in aluminum die casting is widespread throughout the foundry industry and their detection is of paramount importance in maintaining product quality. Depending on part design and processing techniques, castings may develop surface discontinuities such as cracks or tears and pores that greatly influence the material ability to withstand these loads. The proposed, computer based, visual inspection provides a viable alternative to human inspectors. The, developed by the author, machine vision system uses a fast image processing algorithm to detect defects with different sizes and shapes. The machine vision system has been successfully tested for the different types of defects on the surface of castings. Keywords: sheet metal forming, machining, aluminum casting, hemming, machine vision, edge detection, crack propagation, strain measurement, digital image correlation image processing, surface defect inspection. 126