Borescopio o sonda rotatoria laser? Ispezione interna di fori con diametro di 1,5 mm

Panoramica

L’ispezione interna fori è la parte dell’ispezione dimensionale e dei difetti che rimane più spesso manuale. La ragione è l’accessibilità: un foro è una superficie rivolta verso l’interno e i soli modi per immaginarla sono guardare lungo il suo asse con un sistema ottico sufficientemente piccolo da entrare, oppure ruotare un sensore al suo interno e costruire l’immagine riga per riga. Entrambi gli approcci sono utilizzati in produzione e falliscono in modi diversi.

Una sonda ottica di tipo borescopio fornisce un'immagine reale a colori, rendendola intuitiva per l'operatore ed efficace per la rilevazione visiva di difetti quali graffi, ammaccature e porosità di fusione. Una sonda rotativa laser misura il profilo anziché il colore, risultando immune ai problemi di illuminazione che affliggono le ottiche per fori di piccolo diametro e dotata di una funzionalità di rilevamento collisioni assente nelle sonde ottiche.

Big Bird Industrial (in precedenza Shimada Big Bird Industrial) progetta e costruisce sistemi per la pulizia e la sbavatura di componenti del powertrain automobilistico dal 2001, e i dati di ispezione riportati di seguito provengono da stazioni di produzione, non da impianti di laboratorio.

1. Cosa può e cosa non può fare una sonda ottica per fori

L’approccio ottico prevede l’inserimento di una piccola telecamera o di un sistema costituito da obiettivo e fibre di trasmissione all’interno del foro. La luce viene indirizzata verso l’estremità opposta e l’immagine viene restituita al sensore, direttamente o tramite un fascio di fibre ottiche. Il risultato è un’immagine a colori interpretabile da un operatore umano o da un modello addestrato per la classificazione dei difetti.

Tre configurazioni ottiche

Un obiettivo rigido blindato è la disposizione più comune per fori dritti: un tubo in acciaio inossidabile con ottiche all’estremità, che fornisce una visione frontale o una visione laterale a un angolo fisso. Un obiettivo panoramico a 360 gradi riprende l’intera circonferenza in una sola esposizione, il che risulta efficiente per fori di grandi dimensioni, ma offre una risoluzione limitata per unità di superficie. Una configurazione a occhio di pesce fornisce un ampio campo visivo a breve distanza di lavoro, adatta quindi a tasche poco profonde e svasature.

I tre tipi non sono intercambiabili. Una vista panoramica indica che un difetto esiste da qualche parte sulla circonferenza, ma non ne specifica con precisione la posizione; un obiettivo rigido a visione laterale fornisce una posizione azimutale precisa, ma deve essere ruotato per coprire l’intera circonferenza, con conseguente aumento del tempo di ciclo.

Limite di risoluzione

La risoluzione ottica all'interno di un foro è limitata dall'apertura fisicamente inseribile e dalla distanza di lavoro. Un sistema progettato per un foro minimo di 1,5 mm può risolvere dettagli di 0,01 mm sulla superficie quando le ottiche sono correttamente messe a fuoco, ma questo valore si ottiene a una specifica distanza di lavoro e peggiora man mano che la sonda viene ritratta. La capacità di profondità nella gamma standard va da 50 a 200 mm, mentre configurazioni personalizzate raggiungono i 310 mm.

2. Cosa cambia con una sonda rotativa laser

Una sonda rotativa laser proietta una linea laser sulla parete del foro e ruota all'interno di quest'ultimo, acquisendo un profilo in ogni posizione angolare. Il risultato è una nuvola di punti della superficie interna, anziché una fotografia di essa.

Immunità alla luce ambientale

Poiché la misurazione si basa sulla triangolazione di una linea laser anziché sull’immagine della luce bianca riflessa, la sonda non è influenzata dall’illuminazione ambientale né dal colore della superficie. Ciò elimina due delle principali cause di falsi allarmi nell’ispezione ottica di fori: la luce parassita che penetra nell’apertura del foro e le superfici riflettenti o scure che alterano il contrasto apparente di un difetto.

Rilevamento di collisioni e corpi estranei

Una sonda rotante può rilevare un ostacolo prima di urtarlo, poiché il profilo che sta misurando subisce una variazione improvvisa. Nella pratica, ciò consente alla sonda di identificare corpi estranei all’interno di un foro e di arrestarsi, requisito fondamentale per componenti in cui un truciolo o una nodulatura di fusione potrebbero danneggiare una successiva operazione di lavorazione meccanica. Nei corpi valvola, un corpo estraneo con profilo superiore a 0,25 mm costituisce un evento rilevabile, e con questo metodo sono raggiungibili tempi di ciclo di 14 secondi per un foro cilindrico e di 18 secondi per un foro amplificatore.

3. Selezione in base all’apertura e alla profondità

Il primo criterio di selezione è l’apertura, poiché elimina le opzioni prima che qualsiasi altro fattore entri in gioco. Si eseguono regolarmente ispezioni su fori compresi tra 5 e 40 mm e tra 40 e 120 mm, con un rapporto profondità/diametro pari circa a uno a uno. Oltre tale rapporto, la sonda deve essere più lunga rispetto al proprio diametro, il che aumenta la flessione e riduce la precisione posizionale alla sua estremità.

Compromesso tra profondità e diametro

Una sonda lunga e sottile si flette. Persino una lente rigida con rivestimento protettivo subisce una flessione misurabile oltre i 300 mm, e tale flessione modifica la distanza di lavoro e quindi il fuoco. I sistemi operanti a tale profondità impiegano o un alloggiamento di diametro maggiore oppure accettano una risoluzione inferiore all’estremità più lontana; la specifica tecnica deve indicare le prestazioni effettive alla profondità dichiarata, non il valore ottimale teorico.

4. Limiti di rilevamento e ciò che nascondono

Un limite di rilevamento dichiarato è solitamente una stima ottimale relativa a un difetto di riferimento. Il valore rilevante nella produzione è il limite nella posizione peggiore all’interno del foro, che corrisponde tipicamente all’estremità più lontana e alla zona in cui la sonda si muove alla massima velocità.

L’illuminazione come variabile dominante

Nei sistemi ottici, il contrasto dei difetti dipende dall’angolo di illuminazione rispetto alla superficie. Un graffio su un foro rettificato è visibile con un determinato angolo e invisibile con un altro; per questo motivo le postazioni di ispezione dei fori utilizzano spesso più direzioni di illuminazione, combinandone i risultati. Una postazione che impiega un’unica luce ad anello fornisce un’immagine stabile ma incompleta.

Calibrazione e deriva

Entrambi i metodi richiedono un artefatto di riferimento. Per una sonda ottica, si tratta di un bersaglio con dimensioni note delle caratteristiche alla distanza di lavoro; per una sonda laser, è un cilindro di calibrazione con diametro e gradino noti. Verificare l’artefatto all’inizio di ogni turno è il modo più economico per rilevare la deriva lenta, che altrimenti si manifesta come una variazione nel tasso di falsi allarmi anziché come un messaggio di errore. Una sonda fuori fuoco restituisce comunque un’immagine, e una sonda che ha perso la propria calibrazione restituisce comunque un profilo; nessuna delle due segnala un errore finché qualcuno non confronta il risultato con un pezzo di riferimento.

5. Integrazione in una linea di produzione

Una sonda per fori è un sensore più lento rispetto a una telecamera ad area, quindi viene generalmente spostata verso le caratteristiche piuttosto che viceversa. Ciò implica l’uso di un robot o di un meccanismo a due assi che trasporta la sonda tra i fori, e richiede che la stazione di ispezione conosca la posizione esatta di ciascun foro sul pezzo.

La conseguenza pratica è che il tempo di ciclo varia in proporzione al numero di fori ispezionati, non alle dimensioni del pezzo. Un pezzo con quattro fori critici richiede circa quattro volte il tempo di ispezione di un pezzo con un solo foro, e questo calcolo deve essere incluso nel budget takt prima della definizione della stazione. Quando il numero di fori è elevato, ispezionare per ogni pezzo solo un sottoinsieme di fori, anziché tutti, è spesso l’unico modo per rispettare i tempi della linea.

Domande frequenti

È possibile utilizzare un endoscopio per un’ispezione al 100%?

Sì, purché il meccanismo e il tempo di ciclo lo consentano. Il compromesso più comune consiste nell’ispezionare ogni pezzo per i due o tre fori con il rischio più elevato, mentre gli altri vengono sottoposti a verifica campionaria.

Qual è il diametro minimo di foro ispezionabile?

Fino a 1,5 mm con ottiche dedicate. Al di sotto di tale valore, il diametro della sonda limita sia l’illuminazione sia la risoluzione, e metodi alternativi, come la misurazione con comparatore pneumatico, risultano generalmente più pratici.

Quale metodo gestisce meglio un foro scuro o riflettente?

La sonda rotativa laser, perché non dipende dalla luce bianca riflessa. Una sonda ottica su una superficie scura richiede maggiore illuminazione e produce un contrasto inferiore, il che aumenta sia il tasso di mancati rilevamenti sia quello di falsi allarmi.

Con quale frequenza va calibrata la sonda?

Un controllo di riferimento all’inizio di ogni turno e una nuova calibrazione completa secondo il programma stabilito dal produttore. Il controllo al turno individua i danni meccanici e la deriva del fuoco, ossia i guasti che si verificano tra una calibrazione programmata e l’altra.

Conclusione

La scelta tra una sonda ottica per fori e una sonda rotativa laser è determinata dalla classe di difetto e dalla superficie, non dai valori di risoluzione. Se il criterio è un difetto visibile su un foro accessibile con illuminazione controllata, l’ottica fornisce un’immagine più ricca. Se il criterio riguarda la geometria, la posizione o la presenza di corpi estranei in un foro che potrebbe essere scuro o riflettente, un profilo laser è più affidabile.

Entrambi sono limitati innanzitutto dall’apertura e dalla profondità, quindi la specifica dovrebbe partire da questi parametri. Un limite di rilevamento indicato senza il diametro del foro, la profondità e le condizioni della superficie su cui è stato ottenuto non costituisce una specifica.