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La vision industrielle et son intégration dans les processus automatisés

La vision industrielle est une technique bien établie dans un grand nombre d’industries. Elle aide ses utilisateurs à améliorer la qualité et l'efficacité des opérations de fabrication. Technologie innovante, elle permet de procéder à des inspections fiables et rapides, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, ce qui la rend essentielle pour le contrôle qualité. La vision industrielle connaît des avancées technologiques rapides et ne cesse d’ouvrir de nouvelles perspectives.

Des vitesses d’inspection en constante amélioration, l’utilisation de la 3D et des rayonnements invisibles, la combinaison de différentes techniques d’éclairage, l’intégration des capacités d’apprentissage profond et d’apprentissage automatique, l’utilisation accrue de la vision en robotique et dans le domaine de l’embarqué : le progrès ne connaît pas de repos avec la vision industrielle.

A cela s’ajoute l’Industrie 4.0, l'Internet des objets (IoT), le cloud computing, l’emploi accru de l’intelligence artificielle, de l'apprentissage automatique et de bien d'autres technologies. Les utilisateurs et développeurs de systèmes de vision se retrouvent face à des défis majeurs quant au choix du système le mieux adapté à leur application.

Mais la vision industrielle n’est pas réservée aux seuls processus hautement automatisés ; elle peut également être utilisée dans des domaines qui impliquent un nombre important d’opérations manuelles.

Voyons ensemble quatre différents niveaux d’intégration de cette technique dans les processus.

Niveau 1 : l’assistance à l'assemblage manuel

Dans le secteur de la fabrication, un nombre considérable de produits sont assemblés manuellement et font appel à l’habileté de l’opérateur pour que l’assemblage se déroule correctement. Ces produits sont souvent contrôlés visuellement par une autre personne, dans le cadre du processus de contrôle qualité (CQ). Il existe deux façons de gérer un produit ou composant défectueux : soit il est détecté au niveau du CQ et il est rejeté, soit il sera livré au client qui le renverra probablement pour défaut de qualité.

Dans les deux cas, sauf si le produit peut être retravaillé, le fabricant subit des pertes financières et perd en réputation. Même si le composant rejeté peut être retravaillé, il engendrera des coûts supplémentaires.

Assemblage de circuits imprimés avec un système d’inspection Ricoh SC-10 pour assister l’homme.

Si un système de vision industrielle prend en charge les tâches d’inspection, le risque que le client reçoive un produit défectueux sera certainement beaucoup plus faible. Cela conforte certes une réputation, mais ne résout guère le problème des coûts de remaniement. La solution consiste ici à éliminer les défauts dès le stade de la fabrication.

Une nouvelle technique existe pour cela : une caméra « pour assister l’homme » qui intégre les instructions d’assemblage que l’opérateur suit sur un écran. Après chaque action, le système compare le résultat à l'image correcte enregistrée.

Il s’assure ainsi que la manipulation a été bien faite et qu’il ne manque rien. L'opérateur peut alors continuer et passer à l'étape suivante. Si le résultat ne coïncide pas avec l’image, l’erreur est signalée à l'opérateur : un défaut d’assemblage ou une pièce qui manque par exemple. Il peut ainsi la corriger.

Avec ce système, il est possible de contrôler et d’enregistrer toutes les étapes d’assemblage. On obtient ainsi des données qui peuvent être utilisées pour l'analyse et la traçabilité des opérations d'assemblage.

Niveau 2 : L’intégration d’un processus d’assemblage manuel

Cette approche est très efficace pour assurer un assemblage manuel correct d'un produit, mais elle implique un système essentiellement autonome. Il est possible d’aller plus loin en intégrant le processus d’assemblage manuel à un système de contrôle général de l’entreprise.

On obtiendrait ainsi un système de vision industrielle plus perfectionné pour assister l’opérateur lors de l’assemblage manuel, doté d’une plus large palette d’outils d'inspection et de mesure, tout en conservant le même principe de mise en évidence des erreurs d’assemblage sur un écran. Les instructions d’assemblage et les données de fabrication nécessaires pourraient alors être téléchargées dans le système à partir d’une base de données centrale.

Cette approche permettrait également d’ajouter divers critères de sécurité, comme un lien entre l’identifiant d’un opérateur et une compétence acquise, de sorte que le système puisse vérifier si l’opérateur qui se connecte pour commencer un certain assemblage a bien été formé pour le produit concerné.

De même, toutes les données d’inspection (images incluses) pourraient être réinjectées dans la base de données pour garantir la traçabilité du contrôle pour chaque composant assemblé. La disponibilité d’outils de vision industrielle plus élaborés permet également au système de répondre aux nouvelles exigences au fur et à mesure du lancement de nouveaux produits.

Niveau 3 : L’inspection automatisée

Un nombre considérable d’industries et de processus utilisent des systèmes d'inspection automatisés pour les applications de contrôle qualité. Bien que la configuration de ces systèmes puisse être extrêmement variée, il est primordial que le système de vision industrielle soit intégré au processus et relié à un mécanisme de rejet.

Un produit ou un composant est contrôlé, souvent à grande vitesse, puis accepté ou rejeté en fonction des mesures effectuées. Les systèmes de vision industrielle peuvent aller de la caméra intelligente autonome à point unique, qui effectue toutes les mesures et tous les traitements avant de transmettre un résultat positif/négatif au mécanisme de rejet, jusqu’aux systèmes sur PC qui peuvent être dotés de plusieurs caméras et/ou plusieurs postes d'inspection.

La clé du succès de cette approche réside dans la possibilité d’intégrer le système de vision industrielle au processus, en prenant en compte des facteurs d’espace et d’environnement. Les systèmes de vision industrielle peuvent soit être intégrés à des processus existants soit être incorporés dès le départ dans de nouveaux processus. Avec l’émergence des systèmes de vision industrielle embarqués, ils sont de plus en plus souvent inclus dans des équipements OEM.

Niveau 4 : Contrôle des processus par la vision industrielle

La vision automatisée utilisée comme outil de CQ réduit considérablement le risque de livraison de produits non conformes à l’utilisateur final. En revanche, lorsqu’elle est combinée aux méthodes de contrôle statistique de processus et de renvoi d’information, elle permet non seulement de contrôler les points de mesure critiques, mais aussi d’analyser les tendances de ces mesures et de modifier les processus.

Des interventions peuvent ainsi être menées pour ajuster le processus avant qu'un produit non conforme ne soit fabriqué. Un pas vers l’Industrie 4.0 est une conséquence logique : l’amélioration des processus se fait par l’analyse des mégadonnées (big data) obtenues par le feedback des différents capteurs qui contrôlent le processus. Ces capteurs peuvent être de différents types : des capteurs standard, intelligents voire des sous-systèmes ou systèmes de vision industrielle plus élaborés.

Évaluation des possibilités

Système de finition d’étiquettes Omega SRI avec un sous-système d’inspection des étiquettes de la société AB Graphic

Les quatre niveaux décrits ci-dessus ne donnent qu'un aperçu de la manière dont les systèmes peuvent être utilisés, et ne reflètent pas les extraordinaires possibilités qu’offre la vision industrielle.

Le champ de ses applications va de la mesure des produits et des composants pendant leur fabrication jusqu’à l'inspection de l'intégrité de l'emballage, en passant par la lecture et la vérification de l'impression, des codes-barres et des étiquettes.

Il existe trois catégories de mesures : 1D, 2D et 3D.

  • La mesure 1D sert à déterminer les positions, les distances ou l’angle des arêtes.

  • La mesure 2D est très riche. Elle inclut les mesures de surface, de forme, de périmètre, de centre de gravité, de qualité de l'aspect d’une surface, les mesures sur les arêtes ainsi que la présence et l'emplacement des éléments. La mesure 2D permet également de vérifier la concordance de forme d’un objet par rapport à un modèle. La lecture et la vérification des caractères et des textes ainsi que le décodage de codes 1D ou 2D en sont d’autres applications essentielles.

  • Les méthodes de mesure 3D fournissent des informations de hauteur qui permettent de mesurer les volumes, les formes et les qualités de surface, comme les creux, rayures et bosses, ainsi que la concordance de forme 3D. Les matériaux produits en rouleaux continus ou en feuille, comme le papier, les textiles, les films, les laminés, les plastiques, les métaux, le verre ou les revêtements, sont généralement contrôlés à l’aide de systèmes de vision industrielle linéaires continus pour détecter et identifier les défauts.

Avec la lecture des identifiants uniques sous forme de codes 1D ou 2D, alphanumériques ou même en braille, la vision industrielle joue un rôle important dans l’inspection en fin de ligne pour le suivi et la traçabilité des applications dans des secteurs aussi divers que l’aérospatial, l’automobile, l’alimentaire, la santé ou la pharmacie. Les informations inscrites sur les emballages, comme les numéros de lot ou les dates de péremption et d'expiration, constituent également des informations essentielles pour les produits alimentaires ou pharmaceutiques, les dispositifs médicaux ou les cosmétiques.

Prélèvement de pièces avec un robot guidé par la vision 3D de LMI Technologies

La vision industrielle revêt également une importance croissante dans la robotique. Les robots industriels s’utilisent déjà très largement dans la production. Avec l’émergence des robots collaboratifs (les « cobots ») et le développement rapide de la vision 3D, ces deux techniques s’associent de plus en plus. C’est le cas par exemple avec la robotique guidée par la vision ou les bras robotisés pour la collecte aléatoire d’objets (random bin picking).

Ici, la vision industrielle identifie l'emplacement précis de l'objet et transmet ces coordonnées au robot. Les progrès considérables accomplis dans les interfaces vision/robot facilitent considérablement ce processus.

Dans la pratique

La technologie de vision industrielle englobe tous les composants d’un système de vision : caméras, objectifs, systèmes optiques, cartes d'acquisition, ordinateurs, logiciels, câbles, etc. L’expertise revêt une importance considérable, dans la mesure où elle permet de choisir les composants les plus adéquats pour créer une solution adaptée à une application spécifique.

Parmi les fournisseurs de technologies de vision industrielle leaders du marché européen, STEMMER IMAGING propose à ses clients des produits de vision innovants, un savoir-faire de qualité et une grande expérience. L’entreprise fournit des solutions sur mesure, elle prend en charge la configuration des produits, livre des sous-systèmes qui facilitent l’intégration d’applications verticales et développe des solutions spécifiques pour OEM.

Cette grande flexibilité est essentielle lorsqu'il s'agit de développer des systèmes qui seront intégrés dans d'autres installations ou processus de fabrication. Les bibliothèques et les boîtes à outils de vision, même les plus élaborées, sont de plus en plus nombreuses à tenir sur de petites cartes de vision embarquée, généralement basées sur une architecture ARM. Lorsque l’application requiert de nombreux équipements, cette miniaturisation est un réel avantage financier.

Cette grande flexibilité, ainsi que la possibilité d’utiliser des caméras à faible coût, voire des caméras en version carte, permet d'intégrer la vision industrielle dans de nombreux produits et processus à des coûts relativement bas, impossibles à réaliser auparavant. A cela s’ajoute les techniques d’apprentissage profond et d’apprentissage automatique qui, associées à la vision industrielle, permettent d’élargir les perspectives.

Cela s’applique notamment à l’inspection de produits organiques, dont les caractéristiques changent avec le temps. Utilisées avec des systèmes embarqués peu coûteux, elles permettent de composer des systèmes extrêmement économiques.