Con gli smart sensor la qualità si controlla mentre si produce

La produzione industriale è sempre alla ricerca di sistemi per il controllo qualità che utilizzino le soluzioni tecnologiche le più semplici possibili, facili da integrare, innovative e altamente flessibili, in grado di gestire il multiformato e, soprattutto, permettano di risparmiare sui costi. Maurizio Cacciamani   

Questo è quanto emerso dal primo SmartVision Forum promosso da Anie Automazione e da AIdAM, organizzato on-line da SPS Italia nell’ambito delle manifestazioni di avvicinamento alla Fiera SPS che, come si è augurata Francesca Selva (Vice President Marketing&Events Messe Frankfurt Italia), si spera possa svolgersi fisicamente a Parma nel prossimo luglio (6-8).

Nicola Russo, Tesoriere e Responsabile Settore Sistemi di Visione AIdAM - Associazione Italiana di Automazione Meccatronica (che raccoglie 60 aziende del settore della meccatronica) ha sottolineato come i sistemi di visione siano una delle tecnologie abilitanti di Industry 4.0.

Marco Vecchio Direttore ANIE Automazione ha posto l’accento su come la manifestazione, frutto della collaborazione tra le due associazioni, riesca a portare testimonianze su un tema complesso sia da parte degli utilizzatori sia dei fornitori di sistemi di visione. Vecchio ha anche confermato che, con la legge di bilancio, il Governo ha dato un forte impulso al piano Trasformazione 4.0 che vede tra i protagonisti anche la visione.

Da macchine stupide a intelligenti
Per il moderatore Riccardo Oldani, Direttore WE ROBOTS, da macchine stupide i robot stanno diventando “intelligenti” grazie ai sistemi di visione e all’intelligenza artificiale che ha mosso i primi passi proprio con la visone. Telecamere a eventi (ora in applicazioni industriali) e i sensori di tatto per robot sono stati sviluppati proprio a partire dalle tecnologie di visione.

La metrotronica
A parere di Fabio Rosi, Responsabile R&D VEA Srl, i sistemi di visione rivestono un’importanza fondamentale nella nuova scienza della metrotronica ovvero della metrologia + meccatronica, che permette di misurare in modo automatico, affidabile e ripetitivo i prodotti garantendo la compensazione in tempo reale sia della temperatura del pezzo sia delle vibrazioni ambientali, la sub-risoluzione (controlled deep learning), i filtri intelligenti per la pulizia, l’autocalibrazione, l’analisi della superficie.

L’intelligenza artificiale
Alessandro Liani, Chief Executive Officer Video Systems, ricorda che la sua azienda ha incominciato dal 2001 ad applicare l’intelligenza artificiale alla visione per poi ampliarla al settore della robotica. La tecnologia ormai permette di ottenere con successo controlli superficiali, verifica del corretto assemblaggio delle parti, identificazione di anomalie, identificazione e conteggio di oggetti con l’aiuto del deep learning. Il passo successivo cui si sta lavorando è il riconoscimento automatico, grazie all’AI, degli elementi che sono in lavorazione e la decisione su come lavorare i pezzi. Grazie all’intelligenza artificiale la taratura e messa in servizio della macchina si è semplificata. Contrariamente alle macchine tradizionali, le cui funzionalità sono impostate e definite dall’inizio, le macchine dotate di AI devono imparare attraverso l’acquisizione di immagini e dati. Questa può essere realizzata in linea (se il cliente è disposto a ad attendere da poche settimane a qualche mese la messa in opera completa ma ottenendo così grandi prestazioni), oppure fuori linea con una accettabile produttività all’installazione, produttività che migliorerà con le successive attività di e-learning.

Come controllare grandi superfici
Silvano Scaccabarozzi, Chief Technical Officer Vision Srl, ha illustrato una applicazione di web inspection con l’impiego di più telecamere per il controllo (dimensionale e qualitativo) di grandi superfici come lastre di vetro, film plastici per l’alimentare e l’imballaggio di oggetti di grandi dimensioni (larghezza max. 5,5 m e lunghezza 18 m). Le caratteristiche: velocità fino a 150 m/min; sincronizzazione della telecamera tramite encoder; illuminazione a LED controllata per elevata efficienza e risparmio energetico; acquisizione di linee successive in modo da creare una sola immagine (telecamere lineari); dimensioni immagini fino a 400 Mbyte; elaborazione in poche decine di ms; riconoscimento difetti a partire da 0,2 mm2. Gli impianti sono dotati di teleassistenza che permette l’installazione dell’impianto e la sua calibrazione da remoto grazie alla realtà aumentata; i dati sono consultabili da remoto.
Vision ha realizzato anche Guida robot 2D per il settore cosmetico per il controllo qualità dei vari componenti prima dell’assemblaggio.

Tutto più facile con le SmartCamera
È indubbio che molte applicazioni di visione richiedano molta preparazione tecnica da parte degli attori coinvolti, sostiene Davide Nardelli, Ceo di Advanced  Technologies. Fortunatamente con l’avvento delle SmartCamera,  sistemi semplificati che hanno al proprio interno controllore, visione e comunicazione, e delle preconfigurazioni, l’installazione e l’impostazione sono rapide, veloci e alla portata di tutti nel caso di semplici applicazioni come quelle nel settore della logistica.
Mentre una volta, anche per ragione dei costi, il controllo qualità avveniva a fine linea ora invece si tende a individuare i difetti durante la produzione con l’impiego di più sistemi sulla linea. In questo caso la SmartCamera perde i vantaggi economici a favore di sistemi pluricamera con un unico controllore e un unico sistema di comunicazione. La tendenza attuale vede la crescita dei sistemi 3D per guida robot che vanno a “dare “ intelligenza ai robot bisognosi di muoversi nello spazio ottimizzando gli spostamenti. Un’altra tecnologia in fase di maturazione ma che avrà grande sviluppo è il deep learning, che necessita una grossa implementazione delle reti neurali da parte di operatori molto specializzati.

Controlli qualità multipli nel pharma
Jacopo Belli R&D Engineer Alkeria Srl (che realizza sistemi integrati di visione per la patologia digitale) ha illustrato un’applicazione in ambito pharma con controlli multipli di qualità durante la produzione di un farmaco in fiale utilizzando un sequencer automatico. Il sequencer automatico permette di variare dinamicamente i parametri durante l’acquisizione delle immagini. Il risultato è una meccanica più semplice, maggior velocità di analisi, possibilità di realizzare controlli multipli in un unico passaggio del campione, elevata affidabilità e robustezza come richiesto dalle norme di sicurezza particolarmente restrittive che governano il mondo del pharma.

Si può gestire anche il motion
Ha fatto un salto indietro nel tempo Piergiorgio Romanò, Support Engineer Beckhoff Automation Srl, ricordando come una volta i sistemi di visione erano composti da un PC e dal sistema di visione vero e proprio: sul PC veniva installato un software complesso come complessa era pure l’architettura. La comunicazione dei dati presentava dei limiti in quanto venivano utilizzati protocolli non deterministici.
Oggi con l’approccio integrato, l’architettura è molto più snella: il PC elebora le immagini, gli algoritmi di controllo lavorano in real time, non ci sono problemi di comunicazione in quanto non ci sono più due sistemi distinti, l’ambiente software è unico con grandi vantaggi. In più i nuovi sistemi integrati facilitano la gestione del motion, dell’illuminatore, degli I/O e della comunicazione ora anche più veloce grazie a EtherCAT.
Per l’utente finale i vantaggi sono: meno latenze e maggior produttività, più facile gestione dei dati; mentre i costruttori hanno la possibilità di scegliere tra varie soluzioni scalabili in una piattaforma aperta dove ad esempio possono scegliere tra diverse telecamere. L’introduzione dell’intelligenza artificiale permette e permetterà di rendere ancor più efficienti i sistemi che trovano applicazione ideale nel pharma e nella logistica (tracciabilità).

Poche ore per diventare operativi
«Ora sul mercato sono disponibili sistemi 3D compatti, di facile installazione e implementazione: ad esempio per la programmazione del sensore con le app (pick & place con robot, controllo della completezza di un prodotto, misura di un oggetto, misure di livello, depalettizzazzione) bastano 10 passi e si è pronti per funzionamento!» Così Lorenzo Benassi Technical Manager IFM Electronic. Questo grazie ai wizard guidati che aiutano l’utilizzatore e gli semplificano la vita. E in più l’illuminazione è integrata ed è disponibile anche la parametrizzazione ampliata. Ma non tutte le applicazioni sono semplici e quelle complesse necessitano di sistemi di visione 3D e competenze elevate che possono essere sviluppate con l’aiuto di integratori e sviluppatori. Tuttavia in ambito farma, food e logistico molte applicazioni necessitano solo di poche ore per diventare operative.
                                              
Migliore produttività
«Il cliente deve essere espertissimo sul suo prodotto ma deve avere partner  in grado di fornirgli soluzioni efficienti» afferma Nicoletta Ghironi Marketing&Communication Southern Europe B&R Automazione Industriale Srl.
I sistemi di visione odierni devono essere integrabili all’interno del sistema di automazione come qualunque altro dispositivo. Le applicazioni devono essere facilmente sviluppabili anche se non si è super esperti e devono essere controllabili da un unico punto senza latenze. Ricordiamo che nel packaging i tempi di risposta devono essere dell’ordine dei microsecondi. B&R offre una gamma di camere con algoritmi integrati, ottiche (per immagini di elevata qualità), illuminatori integrati tra cui scegliere a seconda del tipo di applicazione.
I vantaggi per il costruttore sono: la possibilità di scegliere i componenti in un unico sistema e tempo di sviluppo delle macchine ridotto grazie alla disponibilità di funzioni evolute. Per l’utente finale: cambi formato rapidissimi via software, in caso di guasto le camere precalibrate consentono una sostituzione velocissima del dispositivo (con parametri ricaricati via software) per una maggiore produttività degli impianti e la riduzione dei costi di manutenzione.

Software su web browser
«Il software del sitema di visione deve essere semplice, utilizzabile senza problemi anche da chi si avvicina per la prima volta alla visione» afferma Gian Luigi Abenante Machine Vision Manager Balluff Automation, «deve avere i tool dedicati alle applicazioni più diffuse (pattern maching, global analisys, controllo OCR, misure) e aiutare a personalizzare l’applicazione mantenendo la semplicità. Il sistema inoltre deve essere compatto per facilitare l’installazione anche in macchine dove in fase di progettazione non è stato previsto l’inserimento della Smart Camera». La soluzione software Cockpit di Balluff è basata su web browser, la comunicazione utilizza protocolli di base come Profinet, Ethernet IP e I/O Link per gestire l’interfaccia con PLC, robot, macchina. Sono disponibili anche sistemi basati su PC per la gestione di più telecamere (che devono essere scelte in base alla risoluzione richiesta e al frame rate).

Gli standard di comunicazione
In un sistema, molti sono i modi impiegati per far comunicare l’occhio (la telecamera) con il cervello (il pc). Negli anni si è assistito sempre più all’aumento della velocità di trasmissione delle immagini che si ferma davanti al collo di bottiglia costituito dalla velocità di elaborazione delle stesse che, aumentando a sua volta, richiede l’aumento delle prestazioni delle reti di comunicazione. Nei prossimi 3-4 anni, secondo Marco Diani Ceo iMAGE S, lo standard che troverà maggior impiego sarà Gigabit Ethernet con 5 Gbit/s di velocità utilizzando i cavi attualmente disponibili. Alcuni produttori offrono già 10 Gbit/s ma la grande velocità provoca il surriscaldamento delle telecamere e la velocità di elaborazione delle immagini (con migliaia di frame /s) risulta per il momento difficile. Per prestazioni superiori, lo standard che troverà maggior impiego sarà CoaxPress (6,5 Gbi/s) che utilizza cavi coassiali insensibili ai disturbi.

Gli accessori sono importantissimi
Al cambiamento delle linee produttive deve corrispondere un’evoluzione delle tecnologie di visione artificiale applicate. Per Federico Brioschi, Product Engineer Vision and Basic & Advanced Sensors Omron Electronics, a livello software vi è un forte sviluppo di algoritmi votati alla semplificazione come l’impiego dell’IA e nuove tecnologie di visione 3D; a livello hardware con soluzioni tecnologiche innovative per favorire I’integrabilità e la flessibilità delle soluzioni.
Altre innovazioni interessanti più specifiche per il mondo della visione sono l’impiego, da un paio di anni, delle ottiche con le lenti liquide.
Con queste lenti, rispetto alle classiche ottiche a passo C, non è richiesta, al cambio formato, alcuna regolazione dell’ottica o movimentazione della telecamera: è possibile legare una nuova distanza di messa a fuoco direttamente al formato in lavorazione agendo semplicemente a livello software. Inoltre nelle ottiche liquide con AF non vi sono movimenti meccanici all’interno dell’ottica che così può vantare una lunga durata anche in caso di AF dinamico.
Agli illuminatori classici si affiancano ora gli illuminatori modulari, i sistemi di illuminazione multicolore e i multi-illuminatori. L’utilizzo di illuminatori multicolore, ad esempio, multiformato, garantisce flessibilità e migliori prestazioni in applicazioni dove si cambia il formato in quanto diverse lunghezze d’onda permettono di “scoprire” altri dettagli negli oggetti da analizzare.
E basta un solo click per cambiare via software il tipo di illuminazione che è integrata nel sensore di visione.

2D o 3D?
«La visione 2D» spiega Serena Monti Market Product Manager SICK SpA «è ideale per pezzi dalla geometria ben definita, ma necessita sempre di un buon contrasto tra oggetto e tappeto e può identificare gli oggetti in base alla loro forma o grafica e discriminare oggetti di forma diversa. Valuta la posizione relativa e l’orientamento rispetto a un’immagine campione, ma non è in grado di restituire informazioni relative all’altezza dell’oggetto ed è sensibile ai cambiamenti delle condizioni ambientali (variazione luce, sporco sul tappeto, ecc.)».
E la visione 3D invece? «È perfetta per rilevare oggetti con dimensioni variabili, tipiche del packaging. È adatta ad applicazioni in cui non c’è contrasto tra oggetto e tappeto e tipicamente identifica gli oggetti in base a dimensione e altezza, restituituendo la posizione (X,Y.Z) del centro di massa. È meno sensibile ai cambiamenti delle condizioni ambientali (variazione luce, sporco sul tappeto, ecc)».
«La scalabilità del sistema è una delle richieste frequenti che provengono dagli utilizzatori», sottolinea Monti «e Sick prevede la creazione e la manutenzione di applicazioni grazie ad applicativi software flessibili che gestiscono le funzionalità standard del sistema di rilevamento, come nel caso della presa con robot da tappeto: calibrazione camera-robot, trasmissione al robot della posizione (X,Y,Z) di presa e orientamento, la gestione del fatto che un oggetto possa trovarsi a metà tra un’immagine e la successiva o di oggetti che si toccano o sono molto vicini».
A queste app standard si aggiungono quelle sviluppate su algoritmi sia classici che misurano caratteristiche specifiche degli oggetti sia basati su nuove tecnologie come il Deep learning, ideale per il rilevamento di difetti di natura variabile.
È prevista la possibilità di ridimensionare facilmente il sistema hardware a seconda delle dimensioni del campo inquadrato e della quantità/tipo di camere impiegate (smart camera o streamer), riutilizzando lo stesso software.