Machine Learning – No sin mi hardware

Fraunhofer IWU

Sistema óptico de inspección como referencia para una interacción óptima entre software y hardware

Un software inteligente aprende de manera autónoma a detectar, diferenciar y evaluar fallos ópticos. La instalación descrita inspecciona al paso piezas pequeñas lacadas. Con ello automatiza el proceso de control de calidad en la producción de las piezas pequeñas. El hecho de que el software sea capaz de ver los fallos se lo debe al hardware correspondiente. La instalación ha sido desarrollada por el instituto Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU, con sede en la localidad alemana de Chemnitz. Del soporte para cámaras, iluminación, ordenadores y de la técnica de transporte se encargó el mk.

Un número de piezas elevado y la mejor calidad posible: las piezas individuales, especialmente las destinadas al sector del automóvil, deben cumplir unos altísimos requisitos de producción. Un grado de automatización cada vez mayor unido a máquinas inteligentes abre las puertas a la resolución de tales tareas.

Máquinas inteligentes: suena fácil y es un concepto muy extendido. Pero, ¿qué significa, en realidad, que ciertas máquinas sean inteligentes? Al fin y al cabo, una máquina solo puede contar con aquellos conocimientos que los programadores le hayan aportado. Entonces, ¿no son tan inteligentes? No es así. Las máquinas son capaces de aprender de manera autónoma, reconocer patrones y analizar diferentes datos.

El instituto Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU en Chemnitz ha desarrollado una instalación que verifica piezas pequeñas lacadas de negro para el sector del automóvil en busca de fallos ópticos. Lo hace de forma completamente automática. Y, lo que es más: el software no solo identifica los patrones de fallo conocidos, no, también aprende de manera autónoma a detectar, diferenciar y evaluar fallos.

Software inteligente

"Para el desarrollo de esta instalación empleamos nuestro entorno de desarrollo, Xeidana®.", explica Alexander Pierer, empleado científico del área de Automatización y monitorización. Alexander Pierer es responsable de investigación y desarrollo en el terreno de la automatización y supervisión de las tecnologías de fabricación. En este proyecto asumió la dirección y participó en el desarrollo del software.

"El software implementado en este caso es capaz de, por ejemplo, combinar los datos de sistemas de sensores diferentes o redundantes". Esta fusión de sensores ofrece la posibilidad de ampliar el espectro de defectos detectables y la fiabilidad evaluativa vinculada a ello.

Mediante procedimientos de detección de estructuras, el software es capaz de localizar nexos complejos en conjuntos de datos e identificar patrones. "Y así es como aprende la máquina", afirma Alexander Pierer. Gracias a ello, las piezas también pueden clasificarse conforme a criterios "blandos", similares a la percepción humana, como "correcto" o "incorrecto".

Alto rendimiento con alta tecnología

19 cámaras, con 35 imágenes por segundo en resolución Full HD, se encargan de comprobar al paso hasta 250 piezas pequeñas en busca de fallos visibles. El palet portapiezas, con las piezas pequeñas que deben ser verificadas, es transportado a 18 metros por minuto a través del sistema, pasando por debajo de las cámaras. En un periodo de tres a cuatro segundos, las cámaras llegan a tomar 360 imágenes que serán evaluadas en ciclos de 30 segundos. "En este caso, para el procesamiento de datos apostamos por lo que se denomina un procesamiento de datos paralelo masivo, involucrando a 14 centros de cálculo y al procesador gráfico. Así, seríamos capaces de equipar la instalación con el doble de cámaras o con principios de sensor adicionales sin ninguna complicación y así verificar, en un futuro, otras características como p. ej. la tonalidad o el grosor del lacado. En el concepto de la instalación se han planificado las reservas correspondientes en lo referente a los espacios constructivos mecánicos y a las interfaces de software", añade Alexander Pierer. Mediante deflectometría, las cámaras detectan irregularidades en un rango de µm. Los arañazos y objetos extraños se detectan en un rango de décimas de milímetro.

Unas potentes lámparas LED se encargan de iluminar los productos desde tres puntos. Para evitar imágenes borrosas por el movimiento y efectos provocados por la luz ajena, los productos deben iluminarse muy brevemente y a alta intensidad: los flashes de luz dentro del rango de 10 µs ayudan a las cámaras a captar imágenes de gran precisión.

Interacción entre software y hardware

En tales proyectos, el software y el hardware deben interactuar a la perfección. "Para la instalación, todavía necesitábamos la técnica de transporte y el cerramiento al completo, los soportes de cámara, las carcasas para ordenadores y un puesto de trabajo", explica Alexander Pierer. En proyectos previos, Pierer ya había tenido buenas experiencias con el especialista en técnica de perfiles y transporte Maschinenbau Kitz GmbH, de la localidad alemana de Troisdorf. "Habíamos quedado muy satisfechos con las colaboraciones anteriores. Y también en este proyecto, mk volvió a satisfacer nuestros requisitos y con creces".

En este proyecto, era clave poder dotar de una gran flexibilidad al ajuste de las cámaras. Para garantizar una verificación completa de las piezas, las cámaras debían poder ajustarse libremente en los tres planos, con una precisión de 1/10mm. En esta ocasión, los constructores de mk, de la mano de los empleados del IWU, dieron con una solución eficiente y flexible hecha a medida de los requisitos.

Alexander Pierer, Fraunhofer IWU, Chemnitz
Habíamos quedado muy satisfechos con las colaboraciones anteriores. Y también en este proyecto, mk volvió a satisfacer nuestros requisitos y con creces.

Dando vida a un concepto

Gabriel Jaramillo, constructor responsable en mk, aportó las ideas adecuadas para este caso concreto: "Recibimos una esquematización del concepto por parte del cliente, en la que se veía en qué ángulo se ajustarían las cámaras y el aspecto que podría tener todo ello. Y lo construimos". Este modelo de concepto lo creó Dirk Hoffmann, constructor del instituto Fraunhofer IWU: "La colaboración con los constructores de mk resultó excelente", afirma Dirk Hoffmann. "Han dado vida a nuestro anteproyecto demostrando una gran competencia".

Ni los requisitos más especiales fueron un problema. Así, por ejemplo, los materiales empleados debían estar libres de sustancias que impidan la reticulación de la pintura (LABS), además de contar con diseño antiestático. Las carcasas para ordenadores, los soportes para el monitor y el teclado y, como componente central de la instalación, un transportador de correa dentada ZRF-P 2010, sobre el que se transporta el palet portapiezas a través de toda la instalación, también formaron parte del alcance del proyecto. El motor se encuentra conectado directamente al eje de accionamiento, reduciéndose así las necesidades de espacio y el mantenimiento. La posición de accionamiento puede seleccionarse libremente a lo largo de toda la longitud del transportador, facilitando la integración de éste. Un encoder rotativo conectado al motor del transportador se encarga de decirle al software, con una precisión de centésimas de mm, en qué tramo del transportador se encuentra el palet portapieza.

La totalidad del área de cámaras debía equiparse con un cerramiento opaco. "No necesitábamos una cámara oscura como tal, ya que la intensidad de la iluminación de exposición breve nos permitía compensar la mayor parte de los efectos provocados por la luz ajena", aclara Dirk Hoffmann. "No obstante, el cerramiento debía contar con un diseño opaco, especialmente para garantizar la protección contra deslumbramientos para los operadores y a su vez proteger el sistema óptico". Asimismo, la instalación debía poder abrirse de forma rápida y sencilla para su mantenimiento.

Sistema modular

La instalación de mk supo cumplir todos estos requisitos. Un componente clave para dicho éxito fue el amplio sistema modular de mk, compuesto por técnica de perfiles y técnica de transporte, con el que incluso es posible dar forma a soluciones de sistema.

"Para nosotros, la tarea no supuso grandes obstáculos", afirma Gabriel Jaramillo. Para la mayor parte pudo recurrir a la gama estándar de mk, adaptándola en algunos casos. El empleo de los componentes estándar, por otro lado, se refleja positivamente en el precio. "La relación calidad-precio nos ha convencido", confiesa Alexander Pierer. Al fin y al cabo, recibió exactamente lo que necesitaba. "Ya en nuestras dependencias, la instalación está funcionando a la perfección y nos satisface completamente". La integración final de la totalidad de la misma en las instalaciones del cliente final está pendiente. La instalación se integrará entre la fabricación/lacado y la separación de piezas NOK. Gracias a las ranuras de sistema del sistema de perfiles de mk, no se esperan grandes dificultades en la integración del hardware.

El futuro

Para el cliente final, la instalación supone un control total y al 100 % de todos los componentes. Hasta ahora, el control se llevaba a cabo de forma visual por parte de los empleados. Con la verificación automatizada, se espera que el control de calidad se realice con mayor exactitud y rapidez. El personal queda libre para otras tareas que no pueden encomendarse a máquinas. Y es que, pese a toda su inteligencia, las máquinas siempre tendrán grandes dificultades para llegar a aprender determinadas capacidades de las personas, y algunas de ellas no llegarán a aprenderlas nunca.

El software y los componentes de hardware específicos para cada tarea se desarrollan a la perfección en el mismo instituto Fraunhofer IWU. Sin embargo, la técnica de transporte y el montaje mecánico de las instalaciones no forman parte de la actividad principal del IWU. Alexander Pierer está plenamente convencido de cara a una futura colaboración con mk: "Volveremos a recurrir a mk sin duda alguna para futuros proyectos para conseguir todo aquello que requiera nuestro software, tan igual de importante".

Sobre Fraunhofer IWU

El Instituto Fraunhofer de Máquinas-Herramienta y Tecnología de Formación IWU es un motor de innovaciones en el campo de la investigación y el desarrollo de ingeniería de producción. Fraunhofer IWU abre el potencial, desarrolla soluciones, mejora las técnicas y promueve innovaciones en ciencia e investigación por contrato. En foco: componentes y procesos, tecnologías y procesos, sistemas de máquinas complejas: toda la fábrica.

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