ES2334984T3 - Procedimiento de caracterizacion en linea de una superficie en movimiento y dispositivo para su puesta en practica. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de caracterización en línea de una superficie (S) en movimiento, preferentemente una chapa galvanizada, que utiliza principalmente: - un primer conjunto, denominado conjunto A, que consiste en por lo menos un microscopio industrial (1) equipado con un objetivo de gran distancia de trabajo (2), una lente de adaptación de cámara, un aparato de adquisición de imágenes (3) con una salida analógica o digital, una iluminación de tipo campo claro y/o campo oscuro que comprende un láser (4), un sensor de distancia (5), y un motor que actúa sobre el desplazamiento lineal según el eje (Z), es decir el desplazamiento según el eje óptico del microscopio con el fin de permitir el enfocado correcto del sistema, estando dicho conjunto A montado sobre un conjunto denominado conjunto D, que comprende dos elementos (B) y (C), permitiendo dicho conjunto D situar el eje óptico, es decir (Z), de manera perpendicular al plano que contiene la superficie (S) observada, consistiendo preferentemente dicho medio en por lo menos dos mesas de rotación motorizadas (B) y (C) que permiten mediante su acción conjugada situar el eje óptico (Z) del microscopio de manera perpendicular al plano de observación que contiene la superficie (S) examinada, estando el conjunto D que soporta el conjunto A eventualmente provisto de un sistema antivibratorio, que permite aislar dicho conjunto de la carpintería metálica, tal como la existente en línea industrial de recocido continuo y galvanización, que debe soportarlo y sometida a diversas vibraciones a menudo presentes en este tipo de procedimiento industrial; - un conjunto de medios, que comprende un ordenador, que permite garantizar por lo menos las operaciones siguientes: - controlar los medios de posicionamiento del eje óptico, es decir por ejemplo el o los motores de regulación de la distancia según el eje óptico (Z) y de posicionamiento de las mesas (B) y (C), - controlar la distancia entre el objetivo (2) del microscopio y la superficie (S) examinada, - actuar sobre la iluminación láser (4) mencionada anteriormente, - decidir la adquisición de imágenes y estando provisto de por lo menos una tarjeta de adquisición de imágenes frame grabber adecuada para trabajar con cámaras en funcionamiento asíncrono, - tratar y analizar las imágenes, - eventualmente, emitir un diagnóstico y realizar el archivado de los resultados, de manera que se efectúan por lo menos las operaciones siguientes: - situar el producto en movimiento que comprende la superficie (S) que va a caracterizarse de manera que puede repetirse dicho posicionamiento en el tiempo; - situar el microscopio (1) de tal manera que el eje óptico (Z) esté perpendicular al plano que comprende la superficie (S) examinada a escala microscópica; - enfocar el sistema óptico de manera que se obtiene una imagen nítida; - iluminar la superficie que va a caracterizarse por medio de una iluminación (4) láser estroboscópica con un tiempo de iluminación cuyo valor es según el cálculo siguiente t = d/V μs siendo V: la velocidad lineal del producto en m/s d: la dimensión de un píxel de cámara en relación con el campo de visión, definido a su vez por la resolución requerida para la aplicación, dimensión dada en μm; y t el tiempo necesario para que el producto recorra d μm, estando definido el valor de tmax según una regla de buena práctica que dice que para congelar un objeto en movimiento, debe iluminarse durante como máximo el tiempo necesario para que se haya desplazado la distancia de 1/4 de píxel, con el fin de evitar un efecto difuso en la imagen obtenida; - utilizar un medio distinto para romper la coherencia del haz que sirve para la iluminación, consistiendo este medio en uno o varios difusores; - efectuar la adquisición de por lo menos una imagen enfocada; - proceder a la adquisición asíncrona de imágenes de la superficie (S) por medio de una tarjeta electrónica de captura de imágenes frame grabber; - tratar y analizar las imágenes adquiridas en tiempo real; comprendiendo el tratamiento y el análisis de las imágenes adquiridas en tiempo real las subetapas siguientes: - liberar la imagen captada de cualquier variación de nivel medio de iluminación y/o de un efecto de reflectancia de la superficie mediante la eliminación del segundo plano, - dividir la imagen adquirida en l*m zonas y asociar a cada zona un parámetro de nitidez ni, - en relación con la definición de un criterio de determinación de la calidad de imagen, calcular un coeficiente de nitidez total p que sirve como criterio de aceptación o de rechazo de la imagen considerada para su tratamiento posterior, siendo dicho coeficiente p el siguiente: p = (Σ pi)/(l*m) siendo pi = 0 si ni < L, si no pi = 1 en la que L: ni: coeficiente de nitidez calculado de la zona 1; umbral de nitidez predefinido, obtenido por calibración en laboratorio o a partir de un gran número de imágenes que se han liberado del segundo plano; pi: coeficiente de ponderación de la zona i; p: coeficiente de nitidez total; - eliminar la imagen analizada si el coeficiente de nitidez total es inferior a un valor determinado como mínimo pmin, siendo preferentemente pmin igual a 0,5; - efectuar una serie de operaciones con el fin de aislar y de calificar los diferentes objetos presentes en la imagen adquirida, a saber: - proceder a una primera clasificación de dichos objetos teniendo en cuenta que se elimina un objeto si este último pertenece a una zona difusa, es decir que responde al criterio ni < umbral de nitidez predefinido L; - efectuar a continuación una segunda clasificación sobre los objetos restantes en función de su superficie y de sus dimensiones, - ponderar cada número N de objetos hallados en una imagen y determinados como pertenecientes a un mismo conjunto mediante el coeficiente de nitidez total de manera que: Nfinal = N/p en la que Nfinal representa el número final de objetos considerados, teniendo en cuenta zonas difusas de la imagen analizada; - utilizar los valores Nfinal obtenidos durante las operaciones de clasificación precedentes para determinar las características de la superficie inspeccionada.
Description
Procedimiento de caracterización en línea de una
superficie en movimiento y dispositivo para su puesta en
práctica.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de caracterización en línea de una superficie en
movimiento, en particular la superficie de una banda de acero en
avance continuo que se ha sometido a un tratamiento de
termogalvanización, así como a un dispositivo para su puesta en
práctica.
La invención se sitúa en el contexto del
desarrollo de los medios de control en línea de los procesos
industriales, es decir en el mismo momento de la operación y
preferentemente de manera continua y en tiempo real, al contrario
que los controles realizados puntualmente y a posteriori y
cuyos resultados sólo sirven para adaptar los parámetros de trabajo
de los productos posteriores con vistas a obtener características
precisas y aún más para evitar los defectos constatados durante los
controles.
El presente procedimiento tiene aplicación en un
gran número de procedimientos de fabricación, especialmente
metalúrgicos, y ello tanto para controlar directamente las
características de superficie de los productos obtenidos, caso de
las bandas laminadas o revestidas, como para la vigilancia del
estado de las herramientas utilizadas, caso de los cilindros del
laminador.
A continuación, la descripción del procedimiento
de caracterización de una superficie, objeto de la presente
invención, se centra en la fabricación de una banda de acero
sometida a una operación de galvanización y después del recocido,
denominada comúnmente "banda tratada mediante
termogalvanización", pero ello no limita en absoluto el alcance
de la invención, la cual puede aplicarse asimismo en el marco de
otros procedimientos de fabricación incluyendo los indicados
anteriormente.
Se conoce bien que el acero constituye un
material de construcción elegido para numerosos campos de
aplicación. Su alta resistencia mecánica, así como su gran aptitud
al conformado, a la soldadura y a la aplicación de revestimientos
de protección o de decoración son propiedades cuyo interés técnico
se reconoce desde hace mucho tiempo. Además, su ventajoso precio de
coste y su fácil reciclado también lo hacen interesante desde el
punto de vista económico.
En particular, el acero se utiliza mucho en la
construcción de automóviles en la que el reciente desarrollo de los
aceros de resistencia ha permitido contribuir a la reducción del
peso de los vehículos y por lo tanto a una mejor conservación del
medio ambiente, especialmente por medio de una disminución del
consumo de carburante y, por lo tanto, de las emisiones
contaminantes asociadas al mismo.
No obstante, el acero está sujeto a la corrosión
por diferentes agentes agresivos, en particular por las sales de
retirada de la nieve en el caso de los vehículos automóviles, y debe
protegerse con el fin de que conserve sus propiedades de
resistencia durante muchos años.
Entre los numerosos materiales utilizados para
proteger el acero contra la corrosión, el cinc ha resultado ser
particularmente interesante, debido especialmente a su
comportamiento de sacrificio, muy conocido por los expertos en la
materia. A nivel industrial, se aplican actualmente dos técnicas
principales de deposición de cinc sobre el acero, a saber la
deposición electrolítica y el procedimiento por inmersión denominado
"en caliente" o "de temple". Al situarse en el marco de
la industria del automóvil, se constata que no sólo las necesidades
del automóvil se orientan hacia chapas cada vez más resistentes y
finas con el fin de disminuir el peso de los vehículos, sino que
además los revestimientos de cinc utilizados en el automóvil son con
frecuencia aleados con el hierro del acero para obtener un
recubrimiento de Fe-Zn más adecuado para la
soldadura, la pintura y que proporciona mejores rendimientos
anticorrosión.
\vskip1.000000\baselineskip
Estos revestimientos de cinc o de aleaciones de
cinc se realizan mediante una sucesión de etapas que pueden
resumirse tal como sigue:
- -
- un recocido de recristalización continua de la chapa con el fin de proporcionarle las propiedades mecánicas necesarias para su utilización final y de preparar la química de superficie de la chapa para hacer que sea compatible con la etapa posterior de galvanización mediante temple en caliente, y
- -
- una etapa de galvanización mediante temple en caliente en un baño de cinc o de aleación de cinc en fusión que contiene un contenido en aluminio inferior al 0,25%
- -
- por último se crea eventualmente una capa de aleación de Fe-Zn realizando un recocido de formación de aleación, de ahí el nombre de tratamiento "galvanneal" o "galvannealing" ("termogalvanización") (para "galvanizing + annealing" ("galvanización + recocido")).
\vskip1.000000\baselineskip
Este recocido de formación de aleación,
ampliamente aplicado en la actualidad, consiste en calentar una
banda galvanizada, inmediatamente después de su salida del baño de
revestimiento, para provocar un fenómeno de recocido de difusión
entre la capa de cinc depositada y el hierro del sustrato, de manera
que se obtiene una aleación de hierro-cinc que
contiene generalmente entre el 7 y el 13% de hierro, de manera ideal
entre el 9 y el 11,5%.
El acero que se ha sometido a un revestimiento
mediante termogalvanización presenta una buena adherencia a la
pintura, una alta resistencia a la corrosión y una buena
soldabilidad, especialmente durante la soldadura por puntos.
No obstante, se observará que dicho acero
termogalvanizado no siempre está libre de defectos, tales como
pulverización o exfoliación durante el conformado con prensa. Estos
defectos están directamente relacionados con la composición y la
estructura de las fases intermetálicas de Fe-Zn
formadas durante la fase de calentamiento del proceso de
realización del producto termogalvanizado. Las cinéticas de
formación y de crecimiento de estas diferentes fases
(Fe-Zn, Fe-AI o
Fe-Al-Zn) están relacionadas con los
parámetros que definen las condiciones de funcionamiento tales como
la composición química del acero que forma el sustrato tratado, la
composición química del baño de revestimiento y las características
del ciclo de calentamiento, a saber el tiempo, la temperatura y la
evolución en el tiempo de esta última.
A la vista de los elementos desarrollados
anteriormente, un control óptimo del procedimiento de
termogalvanización requeriría conocer en tiempo real las
características del revestimiento formado sobre la superficie de
acero, eventualmente tomando como parámetro analizado el contenido
en hierro en la aleación realizada en superficie.
Este enfoque basado en la determinación en línea
de la tasa de hierro ha sido objeto de un gran número de
desarrollos, especialmente a nivel de los sensores, calibres de
rayos X y otros, sin por ello desembocar en una solución que
facilite resultados aceptables y fiables durante su utilización en
el contexto de la producción industrial de bandas de acero
termogalvanizado.
La mayoría de las investigaciones en este campo
están orientadas a un modelado de la cinética de crecimiento de la
tasa de hierro en la aleación formada en superficie del acero
termogalvanizado y ello en función del ciclo térmico aplicado. Los
algoritmos procedentes de este enfoque permiten controlar la
operación de termogalvanización procediendo a una o varias
mediciones de temperatura durante el ciclo de calentamiento
realizado durante dicha operación y correlacionando el o los
valores medidos con la tasa de hierro que se supone que se realiza
al mismo tiempo que se tienen en cuenta otros parámetros
representativos de la línea industrial investigada, incluyéndose
dichos parámetros en el algoritmo de control procedente del modelado
de dicha línea.
Este modo de proceder es relativamente fácil en
la fase final del proceso de termogalvanización, es decir, cuando
se realiza la aleación, lo que corresponde a una emisividad
\varepsilon elevada de la chapa (\varepsilon > 0,7), pero su
aplicación es muy difícil en la primera mitad del ciclo de
calentamiento en la que se tiene una emisividad s muy baja
(\varepsilon < 0,3), siendo la chapa galvanizada muy brillante.
El procedimiento anterior sigue dependiendo de un control indirecto
basado en mediciones puntuales realizadas en el laboratorio y no
permite un control rápido de la operación de termogalvanización con
vistas a limitar las piezas defectuosas en una línea
industrial.
El documento de G. MOREAS, Y. HARDY,
"Caractérisation des tôles galvannealed", La Revue de
Métallurgie-CIT, junio de 2001, páginas
599-606, que es la versión actualizada de una
presentación en Journées Sidérurgiques Internationales 2000 de la
ATS (13-14 de diciembre de 2000), describe un sensor
de inspección de superficie de tipo microscopio industrial de gran
aumento para el control de la calidad en línea del revestimiento de
termogalvanización. En el procedimiento de termogalvanización, la
densidad de superficie de la fase intermetálica \zeta es una
característica de la calidad del revestimiento. Para estimar esta
densidad, el sistema óptico, situado a 20 mm de la superficie del
producto, adquiere imágenes en las que se identifican claramente los
cristales \zeta y cuyo tratamiento permite caracterizar el
porcentaje de hierro en el revestimiento. La resolución espacial es
de 1 \mum, el posicionamiento vertical presenta una precisión de 1
\mum y el sensor puede adquirir más de dos imágenes por segundo.
Instalado en la línea de producción, este sensor obtiene
permanentemente imágenes cuyo tratamiento proporciona la
información necesaria para el control de parámetros en línea.
La presente invención tiene por objetivo
proponer un procedimiento basado en un enfoque innovador ya que
utiliza el análisis de imágenes obtenidas mediante observación
visual microscópica de la superficie de la banda de acero que se
somete al procedimiento de termogalvanización. El principio de base
del montaje requerido para obtener las imágenes en cuestión se
conoce en sí mismo y se describe en la siguiente publicación:
Moreas, G; Hardy, Y Centre de
Recherches Metallurgiques (Bélgica) Advanced Sensors for Metals
Processing 15-27 de agosto de 1999 ISSN:
0-919086-92-6.
El procedimiento de caracterización, objeto de
la presente invención, no adolece de los inconvenientes mencionados
anteriormente relacionados con un control indirecto y permite
obtener, tras el tratamiento de la imagen obtenida mediante
visualización microscópica, una señal proporcional a la tasa de
hierro, incluso directamente proporcional a la tasa de
espolvoreado, estando las dos cantidades fuertemente
correlacionadas, y esto de manera sencilla y económica, sin
perjudicar a la productividad de las líneas de revestimiento
existentes en las que puede ponerse en práctica fácilmente.
Además, el procedimiento de la invención también
permite caracterizar directamente la fase Fe-Zn que
aparece en superficie y memorizarla en forma de archivo de
imagen.
El procedimiento de caracterización se define en
la reivindicación 1. El dispositivo que pone en práctica el
procedimiento se define en la reivindicación 12.
Con vistas a permitir una comprensión fácil de
la descripción de la presente invención, se hará referencia a las
figuras 1, 2, 3 y 4, que son respectivamente:
- la figura 1 es una representación esquemática
en alzado del conjunto utilizado para poner en práctica el
procedimiento de la invención;
- la figura 2 es una representación esquemática
de perfil del mismo conjunto que el de la figura 1;
- la figura 3 es el esquema de principio de
funcionamiento del conjunto utilizado para poner en práctica el
procedimiento de la invención, y
- la figura 4 muestra, por una parte, la
evolución del hierro valorado químicamente sobre una banda de acero
tratada según diferentes temperaturas y, por otra parte, el
porcentaje de hierro calculado según el procedimiento de la
presente invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Según la presente invención, un procedimiento de
caracterización en línea de una superficie (S) en movimiento,
preferentemente una chapa galvanizada, que utiliza
principalmente:
- -
- un primer conjunto, denominado conjunto A, que consiste en por lo menos un microscopio (1) industrial equipado con un objetivo (2) de gran distancia de trabajo, preferentemente > 5 mm, una lente de adaptación de cámara, un aparato de adquisición de imágenes con una salida analógica o digital, como por ejemplo una cámara (3) CCD, una iluminación de tipo campo claro ("bright field") y/o campo oscuro ("dark field") que comprende un láser (4), un sensor (5) de distancia y un motor que actúa sobre el desplazamiento lineal según el eje (Z), es decir el desplazamiento según el eje óptico del microscopio con el fin de permitir el enfocado correcto del sistema, estando dicho conjunto A montado sobre un conjunto denominado conjunto D, que comprende dos elementos (B) y (C), por ejemplo dos mesas de rotación (B) y (C), permitiendo dicho conjunto D situar el eje óptico, es decir (Z), de manera perpendicular al plano que contiene la superficie (S) observada, consistiendo preferentemente dicho medio en por lo menos dos mesas de rotación motorizadas (B) y (C) que permiten mediante su acción conjugada situar el eje óptico (Z) del microscopio perpendicularmente al plano de observación que contiene la superficie (S) examinada, estando el conjunto D que soporta el conjunto A eventualmente provisto de un sistema antivibratorio, que permite aislar dicho conjunto de la carpintería metálica, tal como la existente en línea industrial de recocido continuo y galvanización, que debe soportarlo y sometida a diversas vibraciones a menudo presentes en este tipo de procedimiento industrial;
- -
- un conjunto de medios, que comprende un ordenador, que permite garantizar por lo menos las operaciones siguientes:
- \bullet
- controlar los medios de posicionamiento del eje óptico, es decir por ejemplo el o los motores de regulación de la distancia según el eje óptico (Z) y de posicionamiento de las mesas (B) y (C),
- \bullet
- controlar la distancia entre el objetivo (2) del microscopio y la superficie (S) examinada,
- \bullet
- actuar sobre la iluminación (4) láser mencionada anteriormente,
- \bullet
- decidir la adquisición de imágenes y estando provisto de por lo menos una tarjeta de adquisición de imágenes ("frame grabber") adecuada para trabajar con cámaras en funcionamiento asíncrono,
- \bullet
- tratar y analizar las imágenes,
- \bullet
- eventualmente, emitir un diagnóstico y realizar el archivado de los resultados,
se caracteriza esencialmente porque se efectúan
por lo menos las operaciones siguientes:
- -
- situar el producto en movimiento que comprende la superficie (S) que va a caracterizarse de manera que puede repetirse dicho posicionamiento en el tiempo, preferentemente en el caso de una banda de acero en avance, y aplicar dicha banda mediante tracción sobre esta última sobre la superficie de un rodillo;
- -
- situar el microscopio (1) de tal manera que el eje óptico (Z) esté perpendicular al plano que comprende la superficie (S) examinada a escala microscópica, preferentemente en el caso de una banda (S) de acero en avance y que pasa sobre un cilindro (6), el eje óptico (Z) del sistema cruza ortogonalmente el eje (7) del cilindro y está comprendido en un segmento de arco comprendido entre la primera línea de contacto entre la banda que soporta la superficie (S) y el cilindro (6) y la última línea de contacto entre la banda que soporta la superficie (S) y el cilindro (6) con el fin de colocarse en un lugar del rodillo en el que el producto se adapta perfectamente a la forma del cilindro (6) y por lo tanto en el que la posición de su superficie sólo es función de la posición del rodillo (6) y de la propia superficie (S);
- -
- enfocar el sistema óptico de manera que se obtiene una imagen nítida;
- -
- iluminar la superficie que va a caracterizarse por medio de una iluminación de tipo estroboscópico, preferentemente se utiliza una iluminación (4) láser estroboscópica con un tiempo de iluminación cuyo valor es según el cálculo siguiente
t = d/V
\mus
- \quad
- siendo
- V:
- la velocidad lineal del producto en m/s
- d:
- la dimensión de un píxel de cámara en relación con el campo de visión, definido a su vez por la resolución requerida para la aplicación, dimensión dada en \mum, por ejemplo 1 \mum, para una superficie galvanizada y sometida a aleación (termogalvanización); y
- t
- el tiempo necesario para que el producto recorra d \mum,
- \quad
- estando definido el valor de t_{max} según una regla de buena práctica que dice que para congelar un objeto en movimiento, debe iluminarse durante como máximo el tiempo necesario para que se haya desplazado la distancia de 1/4 de píxel, con el fin de evitar un efecto difuso en la imagen obtenida;
- -
- utilizar un medio distinto para romper la coherencia del haz que sirve para la iluminación, consistiendo preferentemente este medio en uno o varios difusores;
- -
- efectuar la adquisición de por lo menos una imagen enfocada;
- -
- proceder a la adquisición asíncrona de imágenes de la superficie (3) por medio de una tarjeta electrónica de captura de imágenes "frame grabber"; preferentemente en el caso de una banda de acero en avance y que pasa sobre un cilindro, puesto que dicho cilindro presenta siempre un defecto de redondez asociado a las tolerancias de construcción, variando la distancia objetivo/plano de observación según un ciclo temporal que es función de la velocidad de avance en línea en el lugar de inspección, situar el sistema de manera que la distancia de enfocado esté dentro del intervalo de variación de distancia asociado al defecto de redondez del cilindro de manera que la superficie de observación pasa periódicamente por una posición de enfocado;
- -
- tratar y analizar las imágenes adquiridas en tiempo real; consistiendo el tratamiento por lo menos en una operación que tiene el objetivo de liberar la imagen captada de cualquier variación de nivel medio de iluminación y/o de un efecto de reflectancia asociado al producto, de manera que se elimina el segundo plano;
- -
- analizar la imagen en tiempo real definiendo un criterio de determinación de la calidad de la imagen obtenida, por ejemplo el nivel de nitidez de dicha imagen, dividir la imagen adquirida en l*m zonas, estando preferentemente l y m comprendidos entre 6 y 10 en el marco del análisis de una banda de acero galvanizado, asociar a cada zona un parámetro de nitidez n_{i}, evaluar dicho parámetro n_{i} para cada zona, calcular un coeficiente de nitidez total que sirve de criterio de aceptación o de rechazo de la imagen considerada para su tratamiento posterior;
- -
- realizar una serie de operaciones con el fin de aislar y de calificar los diferentes objetos presentes en la imagen adquirida;
- -
- proceder a una primera clasificación de dichos objetos identificados mencionados anteriormente teniendo en cuenta que se elimina un objeto si este último pertenece a una zona difusa, es decir que responde al criterio n_{i} < umbral de nitidez predefinido L;
- -
- efectuar a continuación una segunda clasificación sobre los objetos restantes en función de su superficie y de sus dimensiones,
\newpage
- -
- ponderar su número respectivo por medio del coeficiente de nitidez total mencionado anteriormente mediante la aplicación de las siguientes fórmulas:
p = (\Sigma
p_{i})/(l*m)
si n_{i} < L, p_{i} = 0,
\hskip0.5cm si no p_{i} =
1
- en la que
- n_{i}
- coeficiente de nitidez calculado de la zona i;
- L
- umbral de nitidez predefinido, obtenido por calibración en laboratorio o a partir de un gran número de imágenes que se han liberado del segundo plano;
- p_{i}
- coeficiente de ponderación de la zona i;
- p
- coeficiente de nitidez total;
- dado que cada número N de objetos encontrados en una imagen y determinados como que pertenecen a un mismo conjunto se pondera mediante el coeficiente de nitidez total de manera que:
N_{final} =
N/p
- en la que N_{final} representa el número final de objetos considerados, teniendo en cuenta zonas difusas de la imagen analizada;
- -
- eliminar la imagen analizada si el coeficiente de nitidez total es inferior a un valor determinado como mínimo p_{min}, preferentemente p_{min} = 0,5;
- -
- utilizar los valores obtenidos durante las operaciones de clasificación precedentes para determinar las características de la superficie inspeccionada, por ejemplo la tasa de hierro, el espolvoreado, la densidad de cristales.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación, un ejemplo de cálculo del
coeficiente de nitidez:
siendo pixel_{i} [k] [j] = valor
del píxel de la línea k y de la columna j de la zona
i.
\vskip1.000000\baselineskip
En el contexto de la forma de realización
mencionada anteriormente, conviene precisar en lo que se refiere
a:
Se denomina distancia de trabajo a la distancia
entre la superficie observada y la cara delantera del objetivo.
Deben tenerse en cuenta dos aspectos para el enfocado del sistema.
Por una parte, el sistema debe situarse inicialmente de manera que
el eje óptico sea lo más perfectamente posible perpendicular a la
superficie que va a observarse. Por otra parte, dada la poca
profundidad del campo disponible asociada a limitaciones técnicas,
sólo puede obtenerse una imagen correcta si el nivel medio de la
topografía a escala microscópica de la superficie que va a
observarse se encuentra en un intervalo, preferentemente en el
medio, relativamente limitado definido por los siguientes valores:
distancia de trabajo \pm profundidad media de campo de la lente
del objetivo (2); en la actualidad técnicamente son posibles
distancias de trabajo de 10 mm a 30 mm con una profundidad de campo
de 5 \mum a 15 \mum. Debido a ello, la distancia entre la
superficie y el sensor debe medirse de manera muy precisa y muy
reproducible.
Por otra parte, conviene mantener lo mejor
posible el eje óptico (Z) perpendicular a la superficie (S)
observada.
En el marco de la presente invención, estos dos
posicionamientos (eje (Z) y distancia objetivo (2) - superficie
(S)) se realizan de manera automática. Se realiza un posicionamiento
inicial y a intervalos regulares, especialmente durante el reinicio
de la instalación y/o cuando el sistema analiza un número demasiado
grande de imágenes difusas (por ejemplo > 50%) y/o una variación
de distancia sensor/producto que se sale del intervalo de variación
permitido actualmente por la técnica, lo que corresponde a una
profundidad de campo de 5 a 15 \mum.
El posicionamiento del eje óptico
perpendicularmente al plano de observación puede realizarse por
medio de 2 mesas de rotación y del sensor de distancia. El
procedimiento consiste en situar el sistema de manera que para un
movimiento de cada mesa, la señal de distancia sea el mínimo de su
valor.
En lo que se refiere a la regulación de la
distancia entre el sistema y el cilindro, se utilizan dos
procedimientos. Un posicionamiento absoluto basándose en un valor
de enfocado predeterminado en el laboratorio y un posicionamiento
más preciso basándose en un análisis de contraste de las imágenes
obtenidas en diferentes posiciones. Por último, se realiza entonces
la adquisición de imágenes enfocadas tal como se explica a
continuación adaptando la iluminación al modo de desplazamiento del
producto inspeccionado.
\vskip1.000000\baselineskip
Al estar avanzando el producto que va a
observarse, y ser los aumentos requeridos importantes, se necesita
una iluminación de tipo estroboscópico con el fin de congelar la
imagen y evitar un efecto de arrastre de esta última. El tiempo de
iluminación no puede ser superior al tiempo necesario para recorrer
la distancia correspondiente, en una buena práctica, a un 1/4 de
píxel. Teniendo en cuenta, por ejemplo, una cámara CCD de 768
píxeles x 576 píxeles que está acoplada a un objetivo 20x de gran
distancia de trabajo (20 mm) y con una profundidad de campo de 7
\mum, una lente de adaptación de cámara de 5x que proporciona un
campo de visión de 250 \mum x 190 \mum, para un producto que
avanza a una velocidad de 2 m/s y un campo de 190 \mum de
longitud: 1/4 de píxel de cámara corresponde entonces a 0,08 \mum
de campo de visión. Tiempo necesario para recorrer esta distancia:
0,08*1/(2*10^{6}) = 40 ns.
Teniendo en cuenta la cámara mencionada
anteriormente, para un producto que avanza a una velocidad de 10 m/s
y un campo de 800 \mum de longitud: 1/4 de píxel de cámara = 0,35
\mum. Tiempo necesario para recorrer esta distancia:
0,35*1/(10*10^{6}) = 35 ns. Por consiguiente, dados los tiempos de
iluminación, debe utilizarse una iluminación láser.
También se utilizan 2 difusores, el primer
difusor, por una parte, amplía el haz láser y rompe una parte de su
coherencia, y, por otra parte, evita atacar la entrada de la fibra
con un haz demasiado concentrado y por lo tanto deteriorarla. El
segundo difusor amplía de nuevo el haz láser y también rompe una
parte de su coherencia. El acoplamiento de los 2 difusores y de la
fibra óptica permite romper la coherencia del haz láser y por lo
tanto evitar un fenómeno de interferencias a nivel de la imagen
formada.
La adquisición de imágenes, por ejemplo en el
caso de chapas termogalvanizadas, es de tipo asíncrono por medio de
una tarjeta "frame grabber". Al estar colocado el sistema
enfrente de un cilindro que presenta un defecto de redondez, la
distancia objetivo/plano de observación varía según un ciclo
temporal en función de la velocidad de línea en el lugar de
inspección. Inicialmente, el sistema se sitúa de manera que la
distancia de enfocado esté preferentemente en el medio del
intervalo de variación de distancia asociado al defecto de redondez
del cilindro. De esta manera, la superficie de observación pasa
periódicamente por una posición de enfocado. Esta posición se
evalúa continuamente por un ordenador que, cuando se alcanza la
distancia requerida, activa la adquisición de la imagen y el
impulso de iluminación láser. La velocidad de línea y la
periodicidad de enfocado permiten una frecuencia de adquisición
teórica mínima de 1 a 3 imágenes por segundo.
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Las imágenes adquiridas se tratan y analizan en
tiempo real. En un primer momento, el tratamiento consiste en
liberarse de cualquier variación de nivel medio de iluminación o de
reflectancia del producto mediante eliminación de segundo plano. A
continuación, al estar la imagen dividida en l*m zonas, se evalúa un
parámetro de nitidez n_{i} para cada zona y también se calcula un
coeficiente de nitidez total p.
Una serie de operaciones permite por último
aislar y calificar los diferentes objetos presentes en la imagen.
Si un objeto pertenece a una zona difusa (n_{i} < umbral de
nitidez L), se elimina del recuento. Los objetos restantes se
clasifican por último en función de su superficie y de sus
dimensiones, y su número respectivo se pondera por el coeficiente
de nitidez total p mencionado más arriba.
Según un modo de realización del procedimiento,
objeto de la presente invención, se elimina la influencia
perturbadora del segundo plano volviendo a evaluar de manera regular
la respuesta del sistema calculando una imagen formada atribuyendo
a cada píxel la media aritmética del valor de los píxeles
correspondientes obtenida sobre la totalidad de las imágenes
consideradas, por ejemplo 50 imágenes. Esta media corresponde a una
imagen del segundo plano común a todas las imágenes adquiridas y se
resta píxel por píxel de cada imagen adquirida dicha media con el
fin de uniformizar la iluminación, lo que permite aprovechar las
imágenes adquiridas incluso durante la deriva de ciertos
componentes constitutivos del sistema de medición, tales como el
láser, la cámara, etc., y eventualmente se calcula este segundo
plano durante la inicialización del sistema o de manera permanente,
estando disponible una nueva imagen cada 0,5 s.
Según otra forma de realización del
procedimiento, objeto de la presente invención, por una parte, se
divide la imagen obtenida después de la uniformización de la
iluminación en l*m zonas, por ejemplo de dimensión (768/l)*(576/m)
píxeles, y se calcula en cada una de las zonas i un parámetro de
nitidez n_{i} utilizando las transiciones de un píxel al píxel
adyacente sumando los valores absolutos de las diferencias de nivel
de un píxel al píxel adyacente para obtener este parámetro de
nitidez n_{i} y se memorizan dichos parámetros n_{i} con vistas
a una utilización posterior, y, por otra parte, se establece un
coeficiente de nitidez total p basándose en una prueba sobre cada
zona, y por último, se compara cada parámetro de nitidez n_{i} con
un valor umbral previamente determinado en función del producto
inspeccionado, y se considera que la zona i cuenta como 0 si el
parámetro de nitidez n_{i} es inferior a este umbral, y se
considera que la zona i cuenta como 1/(l*m)ésimo dentro del
coeficiente de nitidez total p en caso contrario.
Según otro modo de realización preferido del
procedimiento, objeto de la presente invención, se binariza la
imagen obtenida después de la operación de eliminación del segundo
plano basándose en un procedimiento de máxima entropía que consiste
en optimizar la cantidad de información contenida en la imagen
resultante, lo que da lugar a un número máximo de objetos que se
discriminan y pueden evaluarse y se determinan y clasifican los
objetos presentes en la imagen binarizada con vistas a detectar los
elementos característicos de la estructura, tales como los
cristales, estableciendo la lista de los objetos presentes en la
imagen resultante.
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Según otra forma más de realización preferida
del procedimiento, objeto de la presente invención, en la que se
inspecciona una banda de acero termogalvanizado, se calcula la
superficie, el centro de gravedad, la anchura y la altura de la
elipse de inercia para cada objeto; se realizan para cualquier
objeto catalogado las pruebas siguientes:
- a.
- eliminar el objeto si el centro de gravedad del objeto pertenece a una zona considerada como difusa basándose en que el coeficiente n_{i} establecido anteriormente es inferior a un umbral predefinido;
- b.
- eliminar el objeto si es una línea horizontal de un espesor comprendido entre 1 y 3 píxeles, preferentemente de un píxel de espesor, ya que se considera como correspondiente a un parásito;
- c.
- contar el objeto entre los objetos muy grandes si la superficie del objeto es superior o igual a un umbral predefinido denominado "VeryBigArea_{Thres}" según el tipo de acero termogalvanizado;
- d.
- se cuenta el objeto entre los objetos grandes si la superficie del objeto es superior o igual al umbral predefinido "BigArea_{Thres}" e inferior al umbral "VeryBigArea_{Thres}" según el tipo de acero termogalvanizado;
- e.
- contar el objeto entre los objetos pequeños si la superficie del objeto es inferior al umbral predefinido "SmallArea_{Thres}" predefinido según el tipo de acero termogalvanizado;
- f.
- si los puntos c, d y e no se verifican, determinar la relación (altura de objeto/anchura de objeto) y contar solamente los cristales cuya relación esté comprendida entre 0,2 y 0,5, preferentemente 0,3, con el fin de determinar los cristales \zeta presentes en la imagen.
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Los cristales \zeta presentan una anchura de
aproximadamente 1 \mum como mínimo y pueden alcanzar 20 \mum de
longitud, es decir una relación de 0,05. Los cristales detectados en
superficie son aquellos que reflejan la luz en la dirección
adecuada para ser observados. Ahora bien, todos estos cristales no
están en un plano horizontal, sino que pueden encontrarse en planos
de orientaciones diversas. Por consiguiente, la relación de su
anchura con respecto a su longitud puede variar cuando se observan
únicamente en una dirección perpendicular a la superficie.
Un estudio sobre imágenes electrónicas
(profundidad de campo importante) muestra que los cristales están
orientados de manera aleatoria y que no existe dirección
privilegiada.
Aceptar una relación superior a 0,05 como
criterio de aceptación permite tener en cuenta cristales de
direcciones no contenidas exclusivamente en planos perpendiculares
al eje óptico del sistema. Esto aumenta el número de cristales
detectados y mejora la precisión del sistema. No obstante, la
experiencia muestra que esta relación no puede superar 0,3 ya que
otros objetos, que no son cristales \zeta, se cuentan como tales y
dispersan la medición.
Según un modo de realización del procedimiento,
objeto de la presente invención, se mide la reflectancia en el
lugar observado por el microscopio, se analizan por lo menos dos
valores obtenidos para longitudes de onda predefinidas, y
preferentemente se calcula la relación de los valores obtenidos.
Este modo de proceder permite operar
simultáneamente varios tipos de mediciones (espolvoreado, tasa de
hierro,...) en línea sobre una banda de acero galvanizada, con el
fin de obtener las características del revestimiento. Se analiza
por una parte la imagen obtenida a través de un microscopio y se
valida el alcance haciendo intervenir mediciones pirométricas, que
ofrecen una posibilidad de extrapolación muy fiable de los
resultados obtenidos basándose en la imagen microscópica en la
anchura total de la banda inspeccionada. Además, se ha constatado
que durante la inspección de la superficie de una banda
termogalvanizada, es difícil aplicar el procedimiento de medición,
objeto de la presente invención, debido a un efecto de saturación de
las mediciones que se debe a una proporción demasiado elevada de
hierro en la formación de la aleación de revestimiento
analizada.
Según un modo de realización preferido del
procedimiento, objeto de la presente invención, se procede a
mediciones pirométricas en las longitudes de onda de 0,85 \pm
0,05 \mum y 1,1 \pm 0,05 \mum y se utiliza dicha medición
para validar el resultado obtenido mediante la medición de
imágenes.
La operación de validación se entiende como un
medio para declarar una medición por imágenes como que está
relacionada con la zona (% de Fe) en la que es de aplicación el
procedimiento de medición de la presente invención.
A modo de ejemplo, se procede como sigue para
establecer la correlación con el porcentaje de hierro y el
espolvoreado. La figura 4 muestra dos gráficas, una representativa
del porcentaje de hierro valorado químicamente (valores
identificados por puntos en X), y otra que procede del cálculo de la
aplicación del procedimiento de la presente invención (valores
identificados por un trazo continuo). La figura 4 es la
representación de una medición del porcentaje en hierro que
presenta en la abscisa el tiempo y en la ordenada el porcentaje de
hierro.
\vskip1.000000\baselineskip
Se ha constatado que para los revestimientos que
presentan un porcentaje en hierro inferior a 7 o superior a 12, el
procedimiento, objeto de la presente invención, tal como se ha
descrito anteriormente, presentaba una limitación en su forma de
ponerse en práctica industrialmente. Esta limitación está asociada a
un cambio de la superficie inspeccionada, a saber:
- -
- para una tasa de hierro de inferior al 7%, se constata una ausencia de objetos asociados a los cristales y que pueden calificarse como anteriormente;
- -
- para un porcentaje de hierro superior al 12%, se constata que las imágenes obtenidas ya no pueden diferenciarse de las imágenes obtenidas para un contenido en hierro del 12%, no siendo ya sensible el aspecto de la superficie del producto a un incremento de la tasa en hierro.
\vskip1.000000\baselineskip
Utilizando el número de cristales \zeta
definido anteriormente y el número de pequeños objetos (small area
Thres), se establecen 2 correlaciones.
La primera con el porcentaje de hierro, la
segunda con el espolvoreado.
Los coeficientes de correlación así obtenidos
son del orden de 0,84.
Los pequeños objetos pueden interpretarse como
cristales \zeta o como parte de superficie en la que se ha
formado una aleación insuficiente. Cuanto mayor es el porcentaje de
hierro, más elevado será el espolvoreado, y más disminuye el número
de cristales \zeta presentes en superficie. El intervalo de
medición para el porcentaje de hierro es del 7-12%.
Fuera de este intervalo, el sensor óptico asociado invalida la
medición.
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La presente invención se refiere asimismo a un
dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento descrito
anteriormente.
El dispositivo de puesta en práctica del
procedimiento de caracterización en línea de una superficie en
movimiento, en particular la superficie de una banda de acero en
avance continuo que se ha sometido a un tratamiento de
termogalvanización, objeto de la presente invención, según
cualquiera de los modos de realización citados anteriormente, se
caracteriza esencialmente porque se utiliza un microscopio
industrial equipado con un objetivo de aumento comprendido entre 5x
y 30x de gran distancia de trabajo, es decir superior a 10 mm, con
la profundidad de campo más importante posible con un mínimo igual
o superior a la mitad de la rugosidad de punta a punta, en general
15 \mum, comprendiendo una lente de adaptación de cámara de
aumento comprendido entre 2,5x y 5x, una cámara CCD que, acoplada
al objetivo y a la lente de adaptación, proporciona un campo de
visión de entre 125 \mum y 2.000 \mum de anchura esencialmente
con una resolución espacial del sistema de por lo menos 0,5 \mum,
debiendo adaptarse el conjunto de objetivo y lente a la aplicación
en función del campo de visión y de la resolución espacial
requerida, comprendiendo dicho microscopio una iluminación de tipo
campo claro (bright field) y/o campo oscuro (dark
field) constituida por un láser pulsado, por ejemplo un láser
YAG de 532 nm, de energía regulable hasta 10 mJ, con un tiempo de
iluminación regulable de 0 a 10 ns, comprendiendo una fibra óptica
que acopla la salida láser a la entrada de iluminación del
microscopio, estando asociada dicha fibra a 2 difusores, uno
situado entre la salida del láser y la entrada de la fibra óptica,
y el otro entre la salida de la fibra óptica y la entrada de
iluminación del microscopio, comprendiendo un sensor de distancia
(de tipo triangulación láser) de gran precisión (por lo menos 1/5 de
la profundidad de campo) y de gran repetibilidad (por lo menos 1/5
de la profundidad de campo, preferentemente 1 \mum como mínimo),
situado a una distancia de 10 mm como mínimo de la superficie de la
banda y que mide variaciones en un intervalo de por lo menos -2 mm
a +2 mm, estando montado dicho sensor de manera que la zona a la que
apunta este sensor corresponde a la zona observada por el
microscopio, y por último un motor montado sobre la regulación Z
(correspondiendo el eje Z al eje óptico del sistema) del microscopio
con el fin de enfocar correctamente el
sistema.
sistema.
Según otra forma de realización del dispositivo,
objeto de la presente invención, se utiliza por lo menos una mesa
de rotación motorizada que presenta una precisión y una
repetibilidad de como mínimo 0,6º +/- 0,1º con el fin de situar el
eje óptico del sistema en un plano perpendicular al plano de
observación.
Según otra forma de realización del dispositivo,
objeto de la presente invención, se utiliza un sensor cuya
precisión mínima requerida es, en el caso de la observación del
revestimiento termogalvanizado, de 1/5 de la profundidad de campo,
por ejemplo 1,4 \mum.
La siguiente descripción se centra
voluntariamente en la aplicación del procedimiento de
caracterización de una superficie, objeto de la presente invención,
en el marco de la inspección de una superficie de una banda de
acero termogalvanizado. Esta elección pretende simplificar la
descripción y no es en absoluto limitativa en cuanto a los campos
de aplicación del dispositivo en cuestión. La descripción hará
referencia a las figuras adjuntas en las que se señalan ciertos
elementos.
\vskip1.000000\baselineskip
Según un modo de realización preferido del
dispositivo de puesta en práctica del procedimiento, objeto de la
presente invención, dicho dispositivo comprende por lo menos los
elementos siguientes:
- -
- un microscopio industrial equipado con un objetivo 20x de gran distancia de trabajo (20 mm) y con profundidad de campo de 7 \mum así como con una lente de adaptación de cámara de 5x;
- -
- una cámara CCD 768 x 576 píxeles, que, acoplada al objetivo y a la lente de adaptación, proporciona un campo de visión de 250 x 190 \mum, con una resolución espacial final de 0,5 \mum como mínimo;
- -
- una iluminación de tipo campo claro (bright field) y/o campo oscuro (dark field) constituida por un láser pulsado YAG de 532 nm, energía regulable hasta 10 mJ, con un tiempo de iluminación regulable de 0 a 10 ns, por una fibra óptica que acopla la salida láser a la entrada de iluminación del microscopio, por 2 difusores, preferentemente de vidrio esmerilado, uno situado entre la salida del láser y la entrada de la fibra óptica, y el otro entre la salida de la fibra óptica y la entrada de iluminación del microscopio; ampliando por una parte el primer difusor el haz láser y rompiendo una parte de su coherencia, evitando así atacar la entrada de la fibra con un haz demasiado concentrado y por lo tanto deteriorarla; ampliando el segundo difusor de nuevo el haz láser y rompiendo asimismo una parte de su coherencia, permitiendo el acoplamiento de los 2 difusores y de la fibra óptica romper suficientemente la coherencia del haz láser y por lo tanto evitar un fenómeno de interferencias al nivel de la imagen formada;
- -
- un sensor de distancia (tipo triangulación láser) de gran precisión (0,5 \mum como mínimo) y de gran repetibilidad (1 \mum como mínimo), situado a una distancia de 10 mm como mínimo de la superficie de la banda de acero en avance y que mide variaciones en un intervalo de -2 a +2 mm, estando montado este sensor de manera oblicua con el fin de que la zona a la que apunta este sensor corresponda a la zona observada por el microscopio;
- -
- un motor montado sobre la regulación Z del microscopio con el fin de enfocar correctamente el sistema;
- -
- una mesa de rotación motorizada (B) sirve de soporte para el conjunto citado anteriormente asociado al microscopio industrial, presentando dicha mesa motorizada una precisión y una repetibilidad de como mínimo 0,6º con el fin de situar el eje óptico Z del sistema en un plano perpendicular al plano de observación;
- -
- una segunda mesa de rotación motorizada (C) de precisión y de repetibilidad de como mínimo 0,6º apoya a la primera mesa (B) con el fin de situar el eje óptico perpendicularmente al plano de observación;
- -
- un ordenador que controla el conjunto formado por las diferentes partes A, B y C... y que comprende una tarjeta de adquisición de imágenes ("frame grabber"), que puede trabajar con cámaras en funcionamiento de reinicialización asíncrona; una tarjeta de entradas/salidas analógicas y digitales, con una resolución de 16 bits sobre las entradas analógicas; una tarjeta de instrucciones de los 3 motores mencionados anteriormente; un programa de adquisición y de tratamiento de datos; debiendo permitir la resolución de la tarjeta de entradas/salidas que se requiere para la señal de distancia proporcionada por el sensor de triangulación láser, que se consiga una precisión de por lo menos 1,4 \mum necesaria para el buen posicionamiento y el buen enfocado de la imagen requeridos por la poca profundidad de campo del objetivo utilizado;
- -
- un rodillo sobre el que se aplica el producto inspeccionado por el efecto de tracción que se produce sobre la banda durante el avance o por un medio distinto apropiado que garantice esta función, estando situado dicho rodillo enfrente del conjunto que comprende el microscopio y sus dos mesas de posicionamiento, preferentemente, el eje óptico del sistema pasa por el centro del cilindro y está situado en un lugar del rodillo en el que el producto se adapta perfectamente a la forma del cilindro y por lo tanto en el que la posición de su superficie sólo es función de la posición del rodillo y del tipo de producto;
- -
- un sensor óptico está asociado al microscopio, teniendo dicho sensor como objetivo, en el marco de la medición del porcentaje de hierro y de espolvoreado de las chapas termogalvanizadas, validar la medición obtenida mediante tratamiento de imágenes fuera del intervalo del 7%-12% de hierro; la validación consiste en un acoplamiento de las informaciones proporcionadas por una parte mediante el análisis de la imagen obtenida por el microscopio y mediante las mediciones pirométricas que utiliza el sensor óptico.
\vskip1.000000\baselineskip
El análisis de las mediciones pirométricas
facilita información complementaria por ejemplo sobre la estructura,
y permite validar las mediciones obtenidas a través del microscopio
sobre el conjunto de la anchura de la banda.
El procedimiento de la presente invención
permite por lo tanto efectuar un control de la termogalvanización
de dos formas diferentes. Por una parte, permite cerrar el bucle de
regulación del calentamiento mediante una medición directa de la
tasa de hierro alcanzada en el revestimiento examinado, en vez de
mediante una medición indirecta de la temperatura como es el caso
de ciertos procedimientos tradicionales conocidos, y, por otra
parte, permite situar el punto de funcionamiento del procedimiento
de termogalvanización en función de la fase obtenida en superficie
y no del % de hierro realizado, obteniéndose dicho % de hierro en
los procedimientos conocidos mediante el análisis posterior del
producto y no mediante la medición directa en línea en el transcurso
del tratamiento.
Se observa asimismo que al adaptar ciertos
parámetros tales como el aumento (cambio de objetivo y/o de lente
intermedia), la cámara (utilización de una cámara en color, de una
cámara de alta resolución espacial), la iluminación (utilización de
uno o varios láser de longitudes de onda diferentes para la
iluminación), puede aplicarse el procedimiento de caracterización
de una superficie en avance, objeto de la presente invención, a
otros campos de aplicación, como por ejemplo, la calificación de
rugosidad determinista, la cuantificación de los cráteres (forma,
profundidad), la determinación del floreado, la detección de óxidos
en superficie, el control del descascarillado (detección de las
fisuras y del descascarillado de la capa de óxido), la observación
de cilindros de laminado en caliente para detectar los carburos, las
fisuras profundas, las fisuras finas y redes de fisuras,
habitualmente más difíciles de observar, en resumen, un amplio
número de defectos y de características observables en la
superficie de cualquier tipo de materiales.
Claims (15)
1. Procedimiento de caracterización en
línea de una superficie (S) en movimiento, preferentemente una chapa
galvanizada, que utiliza principalmente:
- -
- un primer conjunto, denominado conjunto A, que consiste en por lo menos un microscopio industrial (1) equipado con un objetivo de gran distancia de trabajo (2), una lente de adaptación de cámara, un aparato de adquisición de imágenes (3) con una salida analógica o digital, una iluminación de tipo campo claro y/o campo oscuro que comprende un láser (4), un sensor de distancia (5), y un motor que actúa sobre el desplazamiento lineal según el eje (Z), es decir el desplazamiento según el eje óptico del microscopio con el fin de permitir el enfocado correcto del sistema, estando dicho conjunto A montado sobre un conjunto denominado conjunto D, que comprende dos elementos (B) y (C), permitiendo dicho conjunto D situar el eje óptico, es decir (Z), de manera perpendicular al plano que contiene la superficie (S) observada, consistiendo preferentemente dicho medio en por lo menos dos mesas de rotación motorizadas (B) y (C) que permiten mediante su acción conjugada situar el eje óptico (Z) del microscopio de manera perpendicular al plano de observación que contiene la superficie (S) examinada, estando el conjunto D que soporta el conjunto A eventualmente provisto de un sistema antivibratorio, que permite aislar dicho conjunto de la carpintería metálica, tal como la existente en línea industrial de recocido continuo y galvanización, que debe soportarlo y sometida a diversas vibraciones a menudo presentes en este tipo de procedimiento industrial;
- -
- un conjunto de medios, que comprende un ordenador, que permite garantizar por lo menos las operaciones siguientes:
- \bullet
- controlar los medios de posicionamiento del eje óptico, es decir por ejemplo el o los motores de regulación de la distancia según el eje óptico (Z) y de posicionamiento de las mesas (B) y (C),
- \bullet
- controlar la distancia entre el objetivo (2) del microscopio y la superficie (S) examinada,
- \bullet
- actuar sobre la iluminación láser (4) mencionada anteriormente,
- \bullet
- decidir la adquisición de imágenes y estando provisto de por lo menos una tarjeta de adquisición de imágenes "frame grabber" adecuada para trabajar con cámaras en funcionamiento asíncrono,
- \bullet
- tratar y analizar las imágenes,
- \bullet
- eventualmente, emitir un diagnóstico y realizar el archivado de los resultados,
de manera que se efectúan por lo menos las
operaciones siguientes:
- -
- situar el producto en movimiento que comprende la superficie (S) que va a caracterizarse de manera que puede repetirse dicho posicionamiento en el tiempo;
- -
- situar el microscopio (1) de tal manera que el eje óptico (Z) esté perpendicular al plano que comprende la superficie (S) examinada a escala microscópica;
- -
- enfocar el sistema óptico de manera que se obtiene una imagen nítida;
- -
- iluminar la superficie que va a caracterizarse por medio de una iluminación (4) láser estroboscópica con un tiempo de iluminación cuyo valor es según el cálculo siguiente
t = d/V
\mus
- siendo
- V: la velocidad lineal del producto en m/s
- d: la dimensión de un píxel de cámara en relación con el campo de visión, definido a su vez por la resolución requerida para la aplicación, dimensión dada en \mum; y
- t el tiempo necesario para que el producto recorra d \mum,
- estando definido el valor de t_{max} según una regla de buena práctica que dice que para congelar un objeto en movimiento, debe iluminarse durante como máximo el tiempo necesario para que se haya desplazado la distancia de 1/4 de píxel, con el fin de evitar un efecto difuso en la imagen obtenida;
- -
- utilizar un medio distinto para romper la coherencia del haz que sirve para la iluminación, consistiendo este medio en uno o varios difusores;
- -
- efectuar la adquisición de por lo menos una imagen enfocada;
- -
- proceder a la adquisición asíncrona de imágenes de la superficie (S) por medio de una tarjeta electrónica de captura de imágenes "frame grabber";
- -
- tratar y analizar las imágenes adquiridas en tiempo real; comprendiendo el tratamiento y el análisis de las imágenes adquiridas en tiempo real las subetapas siguientes:
- -
- liberar la imagen captada de cualquier variación de nivel medio de iluminación y/o de un efecto de reflectancia de la superficie mediante la eliminación del segundo plano,
- -
- dividir la imagen adquirida en l*m zonas y asociar a cada zona un parámetro de nitidez n_{i},
- -
- en relación con la definición de un criterio de determinación de la calidad de imagen, calcular un coeficiente de nitidez total p que sirve como criterio de aceptación o de rechazo de la imagen considerada para su tratamiento posterior, siendo dicho coeficiente p el siguiente:
p = (\Sigma
p_{i})/(l*m)
siendo p_{i} = 0 si n_{i} <
L, \hskip0.5cm si no p_{i} =
1
- en la que
- L: n_{i}: coeficiente de nitidez calculado de la zona 1; umbral de nitidez predefinido, obtenido por calibración en laboratorio o a partir de un gran número de imágenes que se han liberado del segundo plano;
- p_{i}: coeficiente de ponderación de la zona i;
- p: coeficiente de nitidez total;
- -
- eliminar la imagen analizada si el coeficiente de nitidez total es inferior a un valor determinado como mínimo p_{min}, siendo preferentemente p_{min} igual a 0,5;
- -
- efectuar una serie de operaciones con el fin de aislar y de calificar los diferentes objetos presentes en la imagen adquirida, a saber:
- -
- proceder a una primera clasificación de dichos objetos teniendo en cuenta que se elimina un objeto si este último pertenece a una zona difusa, es decir que responde al criterio n_{i} < umbral de nitidez predefinido L;
- -
- efectuar a continuación una segunda clasificación sobre los objetos restantes en función de su superficie y de sus dimensiones,
- -
- ponderar cada número N de objetos hallados en una imagen y determinados como pertenecientes a un mismo conjunto mediante el coeficiente de nitidez total de manera que:
N_{final} =
N/p
- en la que N_{final} representa el número final de objetos considerados, teniendo en cuenta zonas difusas de la imagen analizada;
- -
- utilizar los valores N_{final} obtenidos durante las operaciones de clasificación precedentes para determinar las características de la superficie inspeccionada.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el caso de puesta en práctica sobre una banda de acero en avance,
caracterizado porque se posiciona la banda aplicando dicha
banda mediante tracción sobre esta última sobre la superficie de un
rodillo.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el caso de una banda de acero en avance y que pasa sobre un
cilindro (6), caracterizado porque se posiciona el
microscopio (1) de tal manera que el eje óptico (Z) del sistema
cruza ortogonalmente el eje (7) del cilindro y está comprendido en
un segmento de arco comprendido entre la 1ª línea de contacto entre
la banda que soporta la superficie (S) y el cilindro (6) y la última
línea de contacto entre la banda que soporta la superficie (S) y el
cilindro (6).
\newpage
4. Procedimiento según las reivindicaciones 2 ó
3, en el caso de una banda de acero en avance y que pasa sobre un
cilindro, dado que dicho cilindro presenta siempre un defecto de
redondez asociado a las tolerancias de construcción, variando la
distancia objetivo/plano de observación según un ciclo temporal que
es función de la velocidad de avance en línea en el lugar de
inspección, caracterizado porque se procede a la adquisición
de imágenes de la superficie (S) posicionando el sistema de manera
que la distancia de enfocado esté dentro del intervalo de variación
de distancia asociado al defecto de redondez del cilindro de manera
que la superficie de observación pasa periódicamente por una
posición de enfocado.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el contexto del análisis de una banda de acero termogalvanizada,
caracterizado porque l y m están comprendidos entre 6 y
10.
6. Procedimiento según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se elimina la
influencia perturbadora del segundo plano volviendo a evaluar de
manera regular la respuesta del sistema calculando una imagen
formada atribuyendo a cada píxel la media aritmética del valor de
los píxeles correspondientes obtenida sobre la totalidad de las
imágenes consideradas.
7. Procedimiento según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el parámetro de
nitidez n_{i} se calcula utilizando las transiciones de un píxel
al píxel adyacente sumando los valores absolutos de las diferencias
de nivel de un píxel al píxel adyacente para obtener este parámetro
de nitidez n_{i}, porque se memorizan dichos parámetros n_{i}
con vistas a una utilización posterior, y porque se establece un
coeficiente de nitidez total p basándose en una prueba sobre cada
zona.
8. Procedimiento según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se binariza la
imagen obtenida después de la operación de eliminación del segundo
plano basándose en un procedimiento de máxima entropía que consiste
en optimizar la cantidad de información contenida en la imagen
resultante, lo que da lugar a un número máximo de objetos que se
discriminan y pueden evaluarse y porque se determinan y clasifican
los objetos presentes en la imagen binarizada con vistas a detectar
elementos característicos de la estructura, tales como cristales,
estableciendo la lista de los objetos presentes en la imagen
resultante.
\vskip1.000000\baselineskip
9. Procedimiento según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se inspecciona
una banda de acero termogalvanizada, porque se calcula la
superficie, el centro de gravedad, la anchura y la altura de la
elipse de inercia para cada objeto, y porque se realizan para
cualquier objeto catalogado las pruebas siguientes:
- a.
- eliminar el objeto si el centro de gravedad del objeto pertenece a una zona considerada como difusa basándose en que el coeficiente n_{i} establecido anteriormente es inferior a un umbral predefinido;
- b.
- eliminar el objeto si es una línea horizontal de un espesor comprendido entre 1 y 3 píxeles, preferentemente de un píxel de espesor, ya que se considera como correspondiente a un parásito;
- c.
- contar el objeto entre los objetos muy grandes si la superficie del objeto es superior o igual a un umbral predefinido denominado "VeryBigAreaThres" según el tipo de acero termogalvanizado;
- d.
- contar el objeto entre los objetos grandes si la superficie del objeto es superior o igual al umbral predefinido "BigAreaThres" e inferior al umbral "VeryBigAreaThres" según el tipo de acero termogalvanizado;
- e.
- contar el objeto entre los objetos pequeños si la superficie del objeto es inferior al umbral predefinido "SmallAreaThres" predefinido según el tipo de acero termogalvanizado;
- f.
- si los puntos c, d y e no se verifican, determinar la relación altura de objeto/anchura de objeto y contar solamente los cristales cuya relación esté comprendida entre 0,2 y 0,5, preferentemente 0,3, con el fin de determinar los cristales \zeta presentes en la imagen.
\vskip1.000000\baselineskip
10. Procedimiento según una o varias de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se mide la
reflectancia en el lugar observado por el microscopio, se analizan
por lo menos dos valores obtenidos para longitudes de onda
predefinidas; y preferentemente se calcula la relación de los
valores obtenidos.
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
caracterizado porque se procede a unas mediciones
pirométricas en las longitudes de onda de 0,85 \pm 0,05 \mum y
1,1 \pm 0,05 \mum y porque se utiliza dicha medición para
validar el resultado obtenido mediante la medición de imágenes.
12. Dispositivo de puesta en práctica del
procedimiento de caracterización en línea de una superficie en
movimiento, en particular la superficie de una banda de acero en
avance continuo que se ha sometido a un tratamiento de
termogalvanización, según una u otra de las reivindicaciones 1 a 11,
que comprende un microscopio industrial equipado con un objetivo de
aumento comprendido entre 5x y 30x de gran distancia de trabajo, es
decir superior a 10 mm, con la profundidad de campo más importante
posible con un mínimo igual o superior a la mitad de la rugosidad
de punta a punta, en general 15 \mum, que comprende una lente de
adaptación de cámara de aumento comprendido entre 2,5x y 5x, una
cámara CCD que, acoplada al objetivo y a la lente de adaptación,
proporciona un campo de visión de entre 125 \mum y 2.000 \mum
de anchura esencialmente con una resolución espacial del sistema de
por lo menos 0,5 \mum, debiendo adaptarse el conjunto de objetivo
y lente a la aplicación en función del campo de visión y de la
resolución espacial requerida, comprendiendo dicho microscopio una
iluminación de tipo campo claro y/o campo oscuro constituida por un
láser pulsado, de energía regulable hasta 10 mJ, con un tiempo de
iluminación regulable de 0 a 10 ns, que comprende una fibra óptica
que acopla la salida láser a la entrada de iluminación del
microscopio, que comprende un sensor de distancia de tipo
triangulación láser de gran precisión, a saber por lo menos 1/5, de
la profundidad de campo y de gran repetibilidad, a saber por lo
menos 1/5 de la profundidad de campo, preferentemente 1 \mum como
mínimo, situado a una distancia de 10 mm como mínimo de la
superficie de la banda y que mide variaciones en un intervalo de por
lo menos -2 mm a +2 mm, estando montado dicho sensor de manera que
la zona a la que apunta este sensor corresponde a la zona observada
por el microscopio, y por último un motor montado sobre la
regulación Z, correspondiendo el eje Z al eje óptico del sistema
del microscopio con el fin de enfocar correctamente el sistema, y en
el que dicha fibra está asociada a 2 difusores, uno situado entre
la salida del láser y la entrada de la fibra óptica, y el otro
entre la salida de la fibra óptica y la entrada de iluminación del
microscopio, comprendiendo el dispositivo además un ordenador
adaptado para realizar las etapas de adquisición y de análisis de
las imágenes obtenidas definidas en una de las reivindicaciones 1 a
11.
13. Dispositivo según la reivindicación 12,
caracterizado porque se utiliza por lo menos una mesa de
rotación motorizada que presenta una precisión y una repetibilidad
de como mínimo 0,6º +/- 0,1º con el fin de situar el eje óptico del
sistema en un plano perpendicular al plano de observación.
14. Dispositivo según las reivindicaciones 12 ó
13, caracterizado porque se utiliza un sensor cuya precisión
mínima requerida es, en el caso de la observación del revestimiento
termogalvanizado, de 1/5 de la profundidad de campo.
15. Dispositivo según una u otra de las
reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque comprende por
lo menos los elementos siguientes:
- -
- un microscopio industrial equipado con un objetivo 20x de gran distancia de trabajo de 20 mm y con profundidad de campo de 7 \mum así como con una lente de adaptación de cámara de 5x;
- -
- una cámara CCD 768 x 576 píxeles, que, acoplada al objetivo y a la lente de adaptación, proporciona un campo de visión de 250 x 190 \mum, con una resolución espacial final de 0,5 \mum como mínimo;
- -
- una iluminación de tipo campo claro y/o campo oscuro constituida por un láser pulsado YAG de 532 nm, energía regulable hasta 10 mJ, con un tiempo de iluminación regulable de 0 a 10 ns, por una fibra óptica que acopla la salida láser a la entrada de iluminación del microscopio, por 2 difusores, preferentemente de vidrio esmerilado, uno situado entre la salida del láser y la entrada de la fibra óptica, y el otro entre la salida de la fibra óptica y la entrada de iluminación del microscopio; ampliando por una parte el primer difusor el haz láser y rompiendo una parte de su coherencia, evitando así atacar la entrada de la fibra con un haz demasiado concentrado y por lo tanto deteriorarla; ampliando el segundo difusor de nuevo el haz láser y rompiendo asimismo una parte de su coherencia, permitiendo el acoplamiento de los 2 difusores y de la fibra óptica romper suficientemente la coherencia del haz láser y por lo tanto evitar un fenómeno de interferencias al nivel de la imagen formada;
- -
- un sensor de distancia de tipo triangulación láser de gran precisión de 0,5 \mum como mínimo y de gran repetibilidad de 1 \mum como mínimo, situado a una distancia de 10 mm como mínimo de la superficie de la banda de acero en avance y que mide variaciones en un intervalo de -2 a +2 mm, estando montado este sensor de manera oblicua con el fin de que la zona a la que apunta este sensor corresponda a la zona observada por el microscopio;
- -
- un motor montado sobre la regulación Z del microscopio con el fin de enfocar correctamente el sistema;
- -
- una mesa de rotación motorizada (B) sirve de soporte para el conjunto citado anteriormente asociado al microscopio industrial, presentando dicha mesa motorizada una precisión y una repetibilidad de como mínimo 0,6º con el fin de situar el eje óptico Z del sistema en un plano perpendicular al plano de observación;
- -
- una segunda mesa de rotación motorizada (C) de precisión y de repetibilidad de como mínimo 0,6º apoya a la primera mesa (B) con el fin de situar el eje óptico perpendicularmente al plano de observación;
- -
- un ordenador que controla el conjunto formado por las diferentes partes A, B y C, etc., y que comprende una tarjeta de adquisición de imágenes "frame grabber", que puede trabajar con cámaras en funcionamiento de reinicialización asíncrona; una tarjeta de entradas/salidas analógicas y digitales, con una resolución de 16 bits sobre las entradas analógicas; una tarjeta de instrucciones de los 3 motores mencionados anteriormente; un programa de adquisición y de tratamiento de datos; debiendo permitir la resolución de la tarjeta de entradas/salidas que se requiere para la señal de distancia proporcionada por el sensor de triangulación láser, que se consiga una precisión de por lo menos 1,4 \mum necesaria para el buen posicionamiento y el buen enfocado de la imagen requeridos por la poca profundidad de campo del objetivo utilizado;
- -
- un rodillo sobre el que se aplica el producto inspeccionado por el efecto de tracción que se produce sobre la banda durante el avance o por un medio distinto apropiado que garantice esta función, estando situado dicho rodillo enfrente del conjunto que comprende el microscopio y sus dos mesas de posicionamiento, preferentemente, el eje óptico del sistema pasa por el centro del cilindro y está situado en un lugar del rodillo en el que el producto se adapta perfectamente a la forma del cilindro y por lo tanto en el que la posición de su superficie sólo es función de la posición del rodillo y del tipo de producto;
- -
- un sensor óptico está asociado al microscopio, teniendo dicho sensor como objetivo, en el marco de la medición del porcentaje de hierro y de espolvoreado de las chapas termogalvanizadas, validar la medición obtenida mediante el tratamiento de imágenes fuera del intervalo del 7%-12% de hierro; consistiendo la validación en un acoplamiento de las informaciones proporcionadas por una parte mediante el análisis de la imagen obtenida por el microscopio y mediante las mediciones pirométricas que utiliza el sensor óptico.
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