Список тематических статей

Контроль качества глянцевых поверхностей

Контроль качества глянцевых поверхностей отливаемых из пластмасс деталей с помощью рефлектометрии в режиме реального времени производства

Процесс литья под давлением позволяет изготавливать детали из пластмасс со сложной геометрией с большой производительностью. Тем не менее, даже незначительное отклонение параметров процесса может привести к появлению дефектов на поверхности деталей, ухудшающих их внешний вид, что в настоящее время становится одним из основных критериев качества пластмассовых деталей. Следы течения материала, кратеры, утяжены, коробление вызванные характерной термической усадкой полимера и локальной геометрией детали, являются одним из распространенных типов поверхностных дефектов, связанных с литьем под давлением. Текстура, цвет, форма и освещение являются дополнительными факторами, влияющими на результаты оценки человека. Кроме того, человек медленнее машины и склонен к усталости, скуке и болезням. Методы машинного контроля внешнего вида обеспечили бы 100% контроль с измеряемыми и воспроизводимыми результатами. Однако особенно сложной задачей по-прежнему остается проверка глянцевых деталей в режиме реального времени производства.
В области машинного контроля внешнего вида существуют различные подходы к измерению или осмотру поверхности деталей произвольной формы.
1. Метод: «Контурная проекция».

Это один из распространенных методов, когда узоры проецируются на поверхность и искажаются из-за геометрии детали и параллакса камеры. Анализ искаженных паттернов вместе с данными об относительном положении проектора и камеры дает информацию о форме деталей.
2. Метод: «Фотограмметрия».

При данном методе две или более видеокамеры снимают образец. Для расчета поверхности образцов используются данные о положении и направлении обзора камер, а также корреляция отдельных изображений.
Такие методики требуют наличия матовых поверхностей, поскольку зеркальное отражение от высококачественных и глянцевых поверхностей, будет мешать принципу измерения указанных методик.
3. Метод: «Интерферометрия».

При данном методе пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество взаимосвязанных пучков. Каждый пучок света проходит, различные оптические пути и возвращается на экран, создавая интерференционную картинку с высокой точностью и разрешением, которая позволяет по смещению фаз пучков оценить качество поверхности детали. Этот метод позволяет достичь высокой точности и разрешения.
Однако вышеуказанные методы обычно медленные и требуют дорогостоящей и специализированной оптики.
4. Метод: «Муаровая рефлектометрия» или «Отражательная решетка».

При этом методе две оптические решетки расположены в ходе коллимированного пучка, образуя интерферометрическую картину. Рисунок соответствует оптическим свойствам исследуемого объекта.

Все вышеперечисленные методы, измеряют геометрию поверхностей без какого-либо учета возможности восприятия поверхностных дефектов человеческим зрением. В случае облицовочных деталей более важно измерить воспринимаемость поверхностных дефектов для человеческого зрения. Существуют решения для измерения заметности дефектов на матовых поверхностях. Однако зеркальные отражающие поверхности все еще часто проверяются вручную, ища искажения в отражении источника света или окружающей среды. Дефекты, которые были бы почти незаметны на матовых поверхностях деталей, легко обнаруживаются на зеркально отражающих поверхностях.
Фазовая измерительная рефлектометрия, производная от метода отражательной решетки, представляет собой метод измерения поверхности, позволяющий обнаруживать поверхностные дефекты с помощью структурированного света, подаваемого экраном или монитором. В отличие от методов контурной проекции, камера фокусируется не на поверхности, на которую проецируется рисунок, а на изображении источника света, который отражается от поверхности. Проверяемая деталь становится частью оптической системы и искажает отражаемый рисунок. Таким образом, изображение монитора на датчике камеры полностью зависит от формы детали. Отображение пикселей монитора на пиксели камеры математически описывается с помощью функции отображения.
Поскольку свет изображения отражается в соответствии с законом отражения, наклон в определенной области поверхности изменяет изображение монитора на датчике камеры и таким образом, изменяет функцию отображения. Следовательно, информация о поверхности в функции отображения пропорциональна первой производной поверхности. Это выгодно для проверки дефектов, так как для получения кривизны поверхности, пропорциональной воспринимаемости дефектов, требуется только один вывод данных.
Использование полиномиальных базисных функций для локальной аппроксимации позволяет одновременно фильтровать и оценивать производные полученных данных и решает проблемы с производными в допусках. Уменьшенная вычислительная нагрузка обеспечивает быструю и надежную оценку оптических измерений, что облегчает применение встроенного контроля.

Процедура процесса рефлектометрического измерения.
Базовая рефлектометрическая измерительная установка состоит в основном из жидкокристаллического монитора, который служит источником света, образца с глянцевой поверхностью и камеры. Камера фокусируется не на поверхности образца, а на изображении источника света, который отражается от поверхности. Поэтому образец можно рассматривать как часть оптической установки, геометрия которой влияет на изображение. Поскольку воссоздание формы измеряемого объекта не представляет для нас дальнейшего интереса, нам не требуется никаких знаний о положении камеры и монитора. Кроме того, для нашей цели необходима только двумерная функция отображения, m*= (m*1(u), m*2(u)), которая сопоставляет пиксели монитора с пикселями камеры в зависимости от образца (рис.1).

Рисунок 1.
Схема формирования функции отображения в рефлектометрической установке. Эта функция описывает проекцию пикселей монитора на пиксели камеры, на которые влияет форма детали.

Идеальным методом измерения функции отображения было бы включение и выключение каждого отдельно взятого пикселя и оценка того, какие пиксели изображения камеры изменяют свое значение. Однако этот метод имеет несколько недостатков и потребует огромного количества изображений. Никакая субпиксельная точность не может быть достигнута, камера не может одновременно фокусироваться на поверхности образца и на отраженном изображении. Расфокусировка камеры приводит к размытию картинки из-за низкочастотной характеристики, что приводит к потере информации. Методы двоичного кодирования, такие как визуализация серого кода, позволили бы уменьшить количество требуемых изображений и обеспечить субпиксельную точность. Тем не менее, проблема с потерей информации все равно будет иметь место.
Применение синусоидальных паттернов решает эту проблему, так как такие паттерны состоят только из одной низкой частоты. Поэтому низкочастотная характеристика не изменяет фазу, а только уменьшает контраст рисунка. Используя алгоритм фазового сдвига, известный из обработки сигналов и интерферометрии, достаточно шести изображений для измерения функции двумерного отображения. Тем не менее, алгоритм 4-сегмента, который использует восемь изображений, четыре изображения для u-направления и v-направления соответственно, очень прост в вычислении численно. Монитор генерирует четыре синусоидальных паттерна, которые сдвигаются по фазе на π/2 для каждого направления. Изображения паттернов bk, которые захватываются камерой, математически описываются с помощью формулы (1)

где f0 обозначает смещение в изображении из-за подсветки, f1-захваченную амплитуду, k- коэффициент фазового угла синусоиды (k=0 при (0°), k=1 при (90°), k=2 при (180°), k=3 при (270°) и ϕ- целевая информация о фазе. Информация о фазе вычисляется по четырем изображениям с помощью формулы (2)

Зная периодическую длину синусоидальных паттернов монитора в пикселях, нетривиально преобразовать информацию о фазе в координаты пикселей монитора для соответствующих направлений.
Если предположить, что камера и монитор находятся достаточно далеко от измеряемого образца, то направленность кривизны можно приравнять к производным функции отображения. Таким образом, можно рассчитать кривизну поверхности по производным функции отображения, которые могут быть использованы для контроля качества, как уже упоминалось выше.
Успешное обнаружение дефектов в технологическом потоке для контроля качества деталей, изготавливаемых литьём пластмасс под давлением, требует проверки всей поверхности. Кривизна деталей делает необходимым применение дополнительных камер и, следовательно, дополнительных измерительных изображений. Однако из-за недостатка площади вводится только осмотр одной области поверхности.
Синусоидальный рисунок для измерений был получен с помощью стандартного LCD-монитора, промышленной камеры типа AVT Prosilica 2450C и Matlab фирмы MathWorks. На рис.2 показана облицовочная деталь, разработанная и изготовленная Kunststoff-Institut Lüdenscheid и Wittmann Battenfeld GmbH, которая использовалась при испытаниях, а на рис.3 – деталь у которой на тыльной части образовались следы от кратеров. На показанных деталях были показаны дефекты, полученные путем изменения давления выдержки с шагом 5 МПа в процессе изготовления.

Рисунок 2.
Проверенная деталь (изготовлена Kunststoff-Institut Lüdenscheid и Wittmann Battenfeld GmbH)

Рисунок 3.
Тыльная часть детали, на которой образовались следы от кратеров на лицевой стороне детали.

На рис.4 показано одно из изображений для измерения, которое показывало информацию о функции отображения m*. Можно оценить только ту область детали, которая отражает рисунок монитора в камере. Следы кратеров становятся видимыми из-за сильных изменений кривизны в локализованной области поверхности, как это видно на рис.5. След кратера появляется из-за ее повышенной кривизны по отношению к фону. Сравнение с эталонным образцом дает объективное воспроизводимое значение для восприятия следа кратера с помощью алгоритмов, которые связывают кривизну с восприятием человеческих наблюдателей. Таким образом, выравнивание измеряемых изображений с эталонным изображением достигается применением методов распознавания формы деталей.

Рисунок 4.
Измерение изображения искривленного рисунка. Образец имеет следы от кратеров.

Рисунок 5.
Искривленная часть детали. След кратера ярко выражен.
Результаты на рис.6 показывают значительное влияние выдержки под давлением на заметность следов кратеров, которые определяются в произвольной форме. Поскольку требуется оценка качества объективная и воспроизводимая, можно определить порог восприятия, который указывает, при каком значении порога следы кратеров допустимы. Допустимые отклонения могут быть обозначены на эталонах внешнего вида, описаны в ярлыках к ним и должны быть согласованы между производителем и потребителем. Это предотвращает недопонимание в вопросах по качеству между производителем деталей и их потребителем, поскольку требуемое качество для качественной детали определяется до массового производства и объективно обеспечивается системой машинного контроля.

Рисунок 6.
Усредненные результаты рефлектометрических измерений. Оценка восприятия в произвольных единицах связана с относительным снижением давления выдержки во время изготовления.

Выводы
Контроль качества глянцевых облицовочных деталей с помощью рефлектометрических измерений имеет значительный потенциал во встраивании машинного контроля в поток технологического процесса литья пластмасс под давлением. Измерения при данном методе в отличие от других более объективны и стабильны, так как производятся непосредственно на изображении источника света, который отражается от поверхности детали. Дальнейшая работа будет включать внедрение рефлектометрических измерений в поток технологического процесса и их сочетание с дополнительными методиками оптического контроля.

Исследовательская работа по данной статье была выполнена в Центре экспертизы полимеров Leoben GmbH (PCCL, Австрия) в рамках программы COMET (программа Федерального министерства транспорта, инноваций и технологий и Федерального министерства экономики, семьи и молодежи с участием Института по переработки пластмасс).