> Contrôle de qualité
DOMAINE D'APPLICATION
> INDUSTRIE AUTOMOBILE
> Contrôle de surface à grande vitesse pour pièces moulées complexes
Le système de contrôle CapaCam, de l’Institut Fraunhofer IIS pour
circuits intégrés, situé à Erlangen, détecte les pores, les retassures
et les défauts sur des pièces moulées de formes complexes. Un tel
système vérifie, chaque jour, plusieurs milliers de carters de convertisseurs, de Daimler AG.
La forte pression, exercée sur les coûts dans le secteur de l’industrie
automobile et de ses fournisseurs, ainsi que la contrainte de qualité
«zéro défaut», poussent de plus en plus les fabricants à se doter de
systèmes de contrôle optique automatisés, intégrés aux lignes de
fabrication. C’est particulièrement vrai dans le domaine de la production et de l’usinage de pièces moulées en fonte, entrant dans la
composition de nombreuses pièces montées sur les véhicules,
comme les transmissions, les moteurs ou les châssis.
L’institut Fraunhofer IIS, situé à Erlangen, travaille depuis de
nombreuses années dans le domaine du traitement industriel de
l’image. Ses chercheurs, du département «Traitement de l’image et
technique médicale», ont développé le système CapaCam, dédié au
contrôle des surfaces de pièces moulées. Cette solution, entièrement automatisée, permet d’inspecter toutes sortes de surfaces et
d’alésages de pièces et, par conséquent, de réaliser un contrôle
exhaustif de la qualité, en intégrant le contrôle au processus de production. Se distinguant, grâce à ses temps de contrôle très réduits
et une résolution élevée, ce système est par ailleurs configuré pour
l’inspection d’une multitude de types de pièces. En outre, sa fiabilité
Photo 1: Inspection optique du carter de convertisseur d’une transmission
automatique
est maximale, même si les surfaces sont « difficiles » en raison de
leur géométrie ou de leurs caractéristiques.
Depuis plusieurs mois, le système CapaCam est utilisé chez Daimler
AG, plus précisément à l’usine de Hedelfingen, en Allemagne, pour
vérifier quotidiennement plusieurs milliers de pièces, fabriquées
par des équipes travaillant en trois huit. La majeure partie des
composants du système de traitement d’image a été fournie par
STEMMER IMAGING.
> Des tâches de contrôle indispensables
Parmi les objets-types à contrôler, on trouve les carters de convertisseurs, comme ceux montés dans les transmissions automatiques
pour véhicules de tourisme (photo 1). Le composant est fabriqué
selon le procédé de moulage sous pression de l’aluminium, puis
usiné par enlèvement de copeaux, enfin ébavuré par jet d’eau à
haute pression et séché. Son bon fonctionnement dépend de la
qualité de la surface usinée, dont l’importance est capitale
puisqu’elle assure une fonction d’étanchéité.
«Les défauts, les plus fréquemment rencontrés sur les pièces
moulées, sont les pores et les retassures, soit de petites cavités dans
imaging is our passion
le matériau coulé, susceptibles d’apparaître lors du fraisage d’une
surface», explique Klaus Spinnler. Le responsable du groupe «Traitement industriel de l’image», de l’institut Fraunhofer IIS, explique la
formation de ces défauts et leurs conséquences éventuelles: «Ils
proviennent de bulles, se formant inévitablement pendant le processus de moulage, qui peuvent entraîner l’apparition de défauts
sur la surface. De plus, les surfaces peuvent être endommagées lors
du maniement des pièces et par l’usure d’outillages, arrivés en fin
de vie. Montés sur un véhicule, les composants, présentant ce genre
de défauts, engendreront de coûteux dysfonctionnements».
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> Des géométries diverses
Pour que le système de contrôle fonctionne parfaitement bien, il
est indispensable d’obtenir d’excellentes données d’images des
surfaces à contrôler. A cet effet, le système CapaCam a été doté de
capteurs disposés en fonction des différentes dimensions, géométries et caractéristiques des surfaces, et possède également les
éclairages spéciaux nécessaires, le cas échéant.
Ainsi, la pièce figurant sur la photo n°1 comporte-t-elle, par exemple,
deux surfaces d’environ 3 cm x 3 cm, captées par des caméras
industrielles FireWire d’un prix abordable. Un éclairage indirect à
LED assure une illumination optimale de la surface.
«Les surfaces planes de plus grandes dimensions, jusqu’à 40 cm x
40 cm, sont saisies par le système CapaCam au moyen d’un numériseur à caméra linéaire, spécialement conçu à cette fin», poursuit
Spinnler. «Monté sur un chariot linéaire, il ne lui faut pas plus de
quelques secondes pour se placer au-dessus du composant.» La caméra linéaire, commandée par un déclencheur local, est connectée
à une échelle graduée en verre, située dans le chariot linéaire, ce qui
permet de saisir une image numérique haute résolution, cadrée
avec exactitude. Un éclairage linéaire, issu de LED d’une grande
longévité, assure une illumination adaptée sur toute la ligne captée
par la caméra.
Outre des surfaces planes, de tels composants comportent souvent
aussi des alésages, par exemple pour les raccordements aux con-
Photos 2: Vue d’ensemble du système d’inspection doté de deux stations de contrôle
duites de lubrifiant, qui doivent être vérifiés afin d’en détecter toute
porosité. Selon la profondeur de l’alésage, il est nécessaire d’utiliser
des optiques grand-angle. «Nous avons aussi choisi ce procédé
dans la dernière application du système pour un alésage de 15 mm
de diamètre», explique Spinnler. Selon lui, dans les cas où l’alésage
est trop profond pour permettre un contrôle exhaustif, il est possible
d’utiliser des endoscopes, munis d’optiques panoramiques. Ainsi, la
profondeur de l’alésage n’est-elle pas un obstacle pour un contrôle
rapide de la surface interne. La technologie PanCam de l’institut
Fraunhofer IIS, reposant sur un traitement mathématique de
l’image panoramique, est déjà utilisée dans l’industrie depuis des
années ; elle est compatible avec le système CapaCam.
> Un endoscope aux capacités accrues
Lorsque les alésages sont larges, la technique actuelle de
l’endoscopie atteint toutefois ses propres limites. C’est pourquoi,
les chercheurs de l’institut Fraunhofer ont développé une tête de
caméra spéciale, ressemblant à un périscope pour les alésages de
grande taille. «Celle-ci est dotée d’une caméra linéaire, d’une source
de lumière à LED, développée par l’institut Fraunhofer IIS, selon les
exigences du client, et d’une optique à vision latérale pour saisir
toute la surface d’un alésage de 150 mm de diamètre, situé dans le
carter de convertisseur. En tournant sur lui-même à 360°, ce
périscope, extrêmement sensible, saisit entièrement le pourtour
des alésages et détecte infailliblement les défauts, même si les
alésages sont larges», dit Spinnler.
Selon la pièce et le contrôle à réaliser, le système CapaCam peut
être équipé de divers modules de capteurs et adapté pour satisfaire
à chaque exigence. Le cadre logiciel, sur lequel est basé le système,
permet de contrôler par chevauchement plusieurs pièces, chacune
étant placée sur un poste de contrôle à part, un procédé également
mis en œuvre dans l’installation réalisée chez Daimler (photo 2). Le
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cœur du logiciel d’application est composé d’algorithmes puissants,
développés par l’institut Fraunhofer IIS, et dédiés à l’inspection des
surfaces. Afin de respecter les cadences de production imposées
par le client, l’architecture de l’application est extensible et permet
des configurations différentes, allant de l’ordinateur isolé jusqu’au
traitement, réalisé en parallèle, dans diverses grappes d’ordinateurs.
Une jonction extensible, d’un ou plusieurs ordinateurs industriels,
assure alors une analyse rapide de toutes les données d’image
saisies, afin de trier les pièces automatiquement. Dans le cas du
contrôle des carters de convertisseurs, chez Daimler, il s’agit de deux
machines à processeurs double cœur, dotées au total de quatre
unités centrales Pentium avec 3,6 GHz. Ainsi, des exigences élevées
du client, telles que la réduction de moitié du temps de contrôle,
peuvent être satisfaites en doublant le nombre d’ordinateurs. La
simple modification d’un fichier de configuration permet à une
installation de fonctionner avec 8 processeurs, par exemple.
L’intégration à la ligne de fabrication est réalisée, en souplesse, via
un bus industriel standardisé.
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> Adaptation automatique de la zone de contrôle
Les zones de contrôle à évaluer peuvent être définies, de façon interactive, dans le programme de configuration du logiciel CapaCam,
dans les limites liées aux divers angles de vision des caméras. Ainsi,
la personne en charge de la qualité choisit librement les surfaces à
inspecter dans le détail.
Selon Spinnler, malgré des qualités de surface hétérogènes pouvant
aussi comporter des traces d’usinage et d’eau, le logiciel détecte les
défauts importants avec fiabilité. De nombreuses années d’expériences ont permis d’optimiser et d’améliorer continuellement les
performances des algorithmes du logiciel CapaCam.
Spinnler mentionne une autre particularité du nouveau logiciel
CapaCam: «Il permet l’adaptation automatique de la zone de
contrôle, dans les limites configurables, à la forme de la pièce
moulée. La surface maximale de la zone à contrôler est garantie,
sans déclenchement de fausses alarmes gênantes par des contours
d’objets de taille variable.»
La nomenclature de pores, employée, renferme les prescriptions de
qualité, relatives aux pièces moulées courantes dans l’industrie
automobile et sert à l’évaluation de l’importance des défauts détectés en tenant compte de paramètres tels que les écarts au bord
entre les pores, les écarts au bord des surfaces à traiter et également les règles spéciales pour pores particuliers. En s’appuyant sur
des modèles livrés avec le logiciel, l’opérateur peut en outre définir
ses propres catégories de pores et les affecter aux zones de contrôle. Grâce à cette souplesse offerte par le système CapaCam, l’opérateur peut simultanément assurer une parfaite qualité et traiter un
débit de pièces élevé.
CapaCam gère les variantes de pièces via une banque de données
de paramètres, dont la taille dépend uniquement de la capacité de
l’ordinateur. Les paramètres de contrôle, pour chaque type de pièce,
y sont sauvegardés et gérés. Grâce à l’emploi de modèles, l’opérateur peut saisir rapidement et sûrement de nouveaux types de
pièces. Une préparation automatique de l’installation, lors du
changement de type permet d’éviter les temps d’arrêt et diminue
les coûts de main d’œuvre.
La fiabilité du fonctionnement du système CapaCam en matière de
traitement d’image est, selon les cas, assurée par:
4 caméras avec liaison via interface FireWire
2 caméras linéaires reliées aux ordinateurs via carte
d’acquisition CameraLink
Divers objectifs compacts
3 éclairages à LED standard
3 autres éclairages spéciaux à LED, développés par l’institut
Fraunhofer IIS, selon les exigences du client.
«Lors de la configuration et de l’optimisation de situations de prises
de vues difficiles, le soutien, que STEMMER IMAGING nous a apporté
sous forme de nombreuses positions d’essai, s’est révélé très précieux pour résoudre la tâche et choisir les composants les mieux
adaptés», résume Spinnler. Un problème, souvent sous-estimé, est
le câblage adapté aux environnements industriels pour caméras
dotées d’interfaces numériques. «Là aussi, nous avons pu relever
des défis et satisfaire les clients, quand il s’agissait de respecter des
longueurs de transmission limitées ou de recourir à des câbles
mobiles dans le numériseur; STEMMER IMAGING a mis à notre disposition les accessoires adaptés, tels des répéteurs ou des câbles
adaptés aux chemins d’entraînement.»
” notre partenaire fraunhofer iis
L’institut Fraunhofer IIS pour circuits intégrés (www.iis.fraunhofer.de), dont le siège social se trouve à Erlangen, et disposant d’autres sites à Nuremberg, Fürth
et Dresde, est le plus grand institut de la société Fraunhofer. Spécialisé dans la recherche et le développement en Sciences Appliquées, il travaille pour des entreprises industrielles et des services publics. L’institut développe des systèmes et des appareils microélectroniques, ainsi que les circuits intégrés et les logiciels
correspondants nécessaires. Les chercheurs travaillent, entre autres, dans les domaines de la microélectronique, des techniques cinématographique et médicale
et du traitement d’image, appliqué aux techniques de contrôle optique et de contrôle par radiographie, destinées à l’automation dans la construction mécanique
et la construction d’équipements. Ce sont des domaines, dans lesquels le codage de signaux audio et vidéo et leur standardisation internationale jouent un rôle
primordial. L’institut Fraunhofer IIS a développé, entre autres, le procédé de codage audio mondialement connu, mp3.
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PP-IIS1-01/2009 ∙ Sous réserve de modifications techniques et d‘erreurs.
> Soutien précieux
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