Elimine Erros Ocultos: Produção Industrial

NOTA DE APLICAÇÃO NA PRODUÇÃO INDUSTRIAL
Living up to Life
Elimine Erros Ocultos:
Produção Industrial
Usando sistemas óticos telecêntricos para otimizar a precisão e reprodutibilidade de imagens
industriais
Elimine Erros Ocultos
Usando sistemas óticos telecêntricos para otimização da precisão e reprodutibilidade de imagens de inspeção
AUTOR
Clinton Smith
Gerente de Produto na Divisão Industrial da Leica Microsystems AG
Introdução
Longe dos olhos, longe do pensamento... Nunca mais.
Quando o primeiro microscópio foi inventado em 1590, os cientistas ficaram maravilhados com sua nova
capacidade de VER pequenos objetos e características do mundo natural que antes eram invisíveis e, assim,
aparentemente inexistentes. Com a constante miniaturização de peças e produtos na fabricação automatizada
ao longo das últimas cinco décadas, o uso do microscópio vem passando, cada vez mais, do campo da ciência
para a indústria. Hoje, os microscópios são empregados em uma infinidade de aplicações de montagem e
inspeção sempre que há necessidade de visualização e medição de amostras minúsculas.
As imagens que agora temos são maiores, nítidas e luminosas. Com imagens tão impressionantes, é fácil
concluir que o que vemos tem as dimensões precisas, porém nem sempre isso ocorre. Ao estudar um ponto
cuja distância da lente não é conhecida com precisão ou que não esteja localizado diretamente no eixo ótico
do sistema de lentes de um microscópio, os princípios fundamentais da ótica podem produzir distorções que
levam a erros de observação e medição.
A ótica padrão pode ser suficiente para inspeção de objetos muito bidimensionais, como os traços em uma
placa de circuito impresso, ou para a análise qualitativa de objetos não planos. No entanto, para a medição
ou comparação precisa de características de um objeto tridimensional, como a superfície curva de uma peça
moldada por injeção, estes erros são problemáticos.
A escolha de um microscópio com a ótica correta pode reduzir consideravelmente os erros ocultos, gerando
resultados que são mais precisos e mais reprodutíveis – dois atributos que são essenciais na inspeção e
medição ótica moderna.
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Figura 1: Primeiro microscópio conhecido
(final do século XVI)
NOTA DE APLICAÇÃO NA PRODUÇÃO INDUSTRIAL – ELIMINE ERROS OCULTOS
Tipos de erros
2.1. Erro de aumento
O erro de aumento é um fenômeno em que um objeto colocado em frente a objetiva parece ser menor ou maior
do que o mesmo objeto colocado mais próximo ou mais distante (Figura 2). Este erro é comum em microscópios
que utilizam a ótica padrão. Porém, ele passa a ser relevante quando se tenta medir repetidamente uma série
de objetos que não estão em distância consistente da lente da objetiva, ou ao se medir múltiplas características
que estão em diversas alturas de um produto muito tridimensional.
O erro de aumento reduz a precisão da medida de amostras e pode levar um controlador a reprovar peças
boas ou aprovar peças ruins, aumentando o retrabalho e os custos de descarte em nível de montagem. Este
erro também reduz a reprodutibilidade dos resultados quando a distância da amostra à lente varia, como na
inspeção manual, na nova inspeção após o retrabalho ou na nova inspeção após uma etapa da montagem que
muda a altura da amostra.
Figura 2: Um exemplo de erro de
aumento usando dois tarugos de mesmo
diâmetro, mas com alturas diferentes.
A visualização em perspectiva mostra o
tamanho relativo (à esquerda). Quando
os mesmos itens são vistos de cima (à
direita), o tarugo mais alto parece maior
por estar mais perto da lente.
2.2. Erro relacionado ao zoom
O erro de aumento também causa um erro secundário ao usar a função zoom. O zoom e o foco em lentes não
telecêntricas podem causar variações não intencionais e descontroladas no aumento. Isto reduz a precisão da
medição para inspeção.
O “zoom livre”, manual, tem outro impacto negativo sobre a reprodutibilidade. A reprodutibilidade é definida
como a capacidade de voltar às mesmas configurações para repetição dos testes e novamente realizar, de
forma confiável, o exame em uma data posterior com a obtenção dos mesmos resultados, Uma vez que,
nas estações de controle, é rotina usar configurações diversas de forma alternada para diferentes peças e
montagens, a alta reprodutibilidade é essencial. O retorno confiável às mesmas configurações de teste com o
zoom livre, manual, é muito difícil, e a variação resultante pode gerar inconsistência das medidas de um teste
para outro.
2.3. Erro de paralaxe
O erro de paralaxe (também conhecido como erro de perspectiva) é causado pelo erro de aumento na
visualização de objetos que são altamente tridimensionais, ou na comparação de objetos que estão em alturas
diferentes no trajeto ótico. Os pontos no campo de visão que estão alinhados verticalmente, na realidade,
parecem não estar mais em alinhamento.
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Este erro é criado ao se observar o objeto de um ângulo de inclinação (não perpendicular) (Figura 3). Um
exemplo comum na microscopia é o aparente movimento de um retículo à visualização ótica relativa à amostra
em análise quando o usuário move a cabeça de um lado para o outro. O mesmo efeito pode ser observado ao
se medir a característica de uma amostra segurando-a em frente ou atrás da borda de uma régua ou com uma
pinça, modificando a altura entre o objeto e o dispositivo de medição.
Figura 3: Imprecisão de medida
provocada pelo erro de paralaxe.
Na imagem à esquerda, o cartucho está
centralizado no campo de visão e a medida
na tela é de 4,62 mm do centro do orifício
(longe da objetiva) até a borda do mesmo
(próximo da objetiva).
Na imagem à direita, a mesma medida não
está centralizada e a distância muda para
5,12 mm.
O erro de paralaxe também faz com que características que se projetam da superfície do produto pareçam se
curvar para fora do eixo ótico (o centro do campo de visão). A direção e a magnitude da inclinação aparente
variam conforme a posição da característica analisada no campo de visão (Figura 4). Esta distorção dificulta a
reprodução do teste a não ser que a amostra seja fixada para estar sempre na mesma posição.
Figura 4: O erro de paralaxe faz com
que características elevadas (à esquerda)
pareçam se inclinar e distanciar do centro
do campo quando vistas de cima (à
direita).
Telecentricidade nos microscópios modernos
Com tantos erros ocultos na ótica dos microscópios padrão, pode parecer impossível inspecionar de forma
confiável qualquer material que necessite de informação quantitativa. No entanto, a análise cuidadosa do
projeto ótico de um microscópio pode evitar este problema. Por exemplo, alguns microscópios possuem ótica
telecêntrica que elimina ou reduz consideravelmente as imprecisões e perda de reprodutibilidade causadas por
erros de aumento, zoom e paralaxe.
As lentes telecêntricas existem há décadas, mas foram consideradas “exóticas” ao longo do século XX e
relegadas a aplicações periféricas. A tecnologia passou a ser amplamente empregada nos últimos dez anos
com a expansão do uso de técnicas de imagens mecânicas e medição visual de controle de qualidade na
produção industrial.
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NOTA DE APLICAÇÃO NA PRODUÇÃO INDUSTRIAL – ELIMINE ERROS OCULTOS
A telecentricidade é a característica de um sistema ótico em que todos os raios principais (o raio central de
cada feixe de raios) que passam pelo sistema são muito colimados e quase paralelos ao eixo ótico. Um sistema
ótico pode ser telecêntrico no espaço da imagem (o lado da lente ocular/câmera), no espaço do objeto (o lado
da objetiva) ou em ambos. A telecentricidade é conseguida por meio da colocação de um interruptor (stop) ótico
(uma tela opaca com um pequeno orifício central) atrás do ponto focal da lente composta (Figura 5).
Em termos mais simples, ao visualizar um objeto através da lente telecêntrica, o usuário está vendo
“diretamente” todos os pontos do campo de visão. Por outro lado, com a ótica não telecêntrica, o usuário
visualiza bem apenas o que está exatamente no centro do campo de visão e somente em um ângulo.
Figura 5: Diagramas dos raios de
sistemas ópticos telecêntricos.
Os raios principais são paralelos ao eixo
ótico no espaço do objeto (acima), no
espaço da imagem (no centro) ou em
ambos (abaixo).
Vantagens da telecentricidade no espaço do objeto (lado da objetiva)
O projeto de um microscópio com telecentricidade dá ao sistema diversas propriedades óticas que melhoram
muito a precisão da medição, reduzem a distorção e aumentam a reprodutibilidade dos resultados.
4.1. Aumento constante
A propriedade mais importante do sistema ótico telecêntrico é o aumento constante com a variação da distância
entre a amostra e a objetiva do microscópio. Este conceito pode ser difícil de entender, pois não enxergamos de
forma telecêntrica. Ao olho humano, os objetos mais próximos parecem maiores do que os mais distantes. Isto
funciona bem na visualização normal, mas, ao criar imagens de produtos que devem ser medidos de maneira
precisa e passível de reprodução, o aumento constante é fundamental.
O aumento constante melhora a repetitividade na inspeção de amostras de diferentes alturas porque o tamanho
aparente do objeto não é alterado pela sua distância da lente da objetiva (Figura 6). O aumento constante
também permite a medição mais precisa de formatos tridimensionais complexos, como uma peça grande cujas
superfícies também apresentam várias alturas.
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Figura 6: Objetos de mesmo diâmetro em
diferentes distâncias da lente (da Figura
2), visualizados através da ótica de uma
câmera padrão (à esquerda) e da ótica de
uma câmera telecêntrica (à direita).
Ao medir características usando um retículo ou gratícula na tela, o aumento constante assegura que a distância
entre pontos mais elevados não pareçam artificialmente maiores do que a mesma distância entre os mais
baixos. O aumento constante também melhora a reprodutibilidade ao visualizar novamente uma amostra
visualizada previamente em uma altura diferente.
4.2. Melhor zoom
Um importantíssimo benefício do aumento constante é permitir o uso reprodutível e confiável da função
zoom. Ao eliminar o erro de aumento, as lentes telecêntricas minimizam as variações não intencionais e não
controláveis do aumento causadas pelo movimento da objetiva ao zoom e foco. Isto melhora muito a precisão
da medição ótica. Quando acopladas a um mecanismo de posicionamento do tipo click-stop ou zoom integrado,
as lentes telecêntricas podem proporcionar a funcionalidade de zoom de forma precisa e altamente passível
de repetição.
4.3. Desfocagem simétrica
Com a ótica telecêntrica, as características de uma amostra podem ser medidas com precisão mesmo que
estejam fora de foco porque os objetos que não estão no ponto de melhor foco são desfocados de maneira
simétrica. Isto faz com que a posição central seja constante e permite a localização precisa de características
e bordas sem distorção. Com a desfocagem simétrica, não é mais necessário que o usuário mantenha todos os
pontos de uma amostra em foco simultâneo.
4.4. Ausência de erro de paralaxe (erro de perspectiva)
A eliminação do erro de paralaxe é essencial à obtenção de resultados que sejam precisos e reprodutíveis
na análise de objetos que sejam altamente tridimensionais, como ao medir características pequenas em
vários pontos de uma peça grande (Figura 7). O uso da ótica telecêntrica assegura que o formato aparente e a
localização de características no objeto não variem se a peça for movida para outro ponto do campo de visão
(ou se a peça for removida e inspecionada novamente em outro local).
Figura 7: Comparação de características
elevadas (da Figura 4) visualizadas através
da ótica comum (à esquerda) e da ótica
telecêntrica (à direita).
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NOTA DE APLICAÇÃO NA PRODUÇÃO INDUSTRIAL – ELIMINE ERROS OCULTOS
4.5. Igualdade das linhas de visualização em todos os pontos do campo de visão
Com a ótica comum, a linha de visualização é perpendicular ao plano de inspeção apenas no centro do campo
de visão e todos os demais pontos são vistos em ângulo. Isto significa que as características em nível mais
baixo, que não estejam centralizadas em relação ao campo de visão, podem ser ocultas pelas características
elevadas adjacentes. Como a ótica telecêntrica é desenvolvida para visualização direta de todos os pontos
no campo de visão, estes problemas são eliminados. Isto permite a visualização de pontos difíceis, como o
diâmetro interno de dois tubos paralelos afastados um do outro ou das porções inferiores de orifícios profundos
que estejam fora da linha de eixo ótico (Figura 8).
Figura 8: Comparação das imagens de
uma peça complexa vista através da ótica
comum e da óptica telecêntrica.
As linhas de visualização das porções
inferiores de orifícios profundos são
parcialmente obstruídas pelas bordas
superiores dos orifícios quando vistas de
forma não centralizada com ótica padrão
(à esquerda).
Alternativas às lentes telecêntricas
5.1. Software
É um engano comum entre os usuários de equipamentos com ótica telecêntrica acreditar que há um mecanismo
de software para ajuste da imagem e obtenção do aumento constante e redução de outros erros. Embora isso
seja parcialmente possível, muitas das vantagens das lentes telecêntricas não podem ser reproduzidas de
forma precisa pelo software.
Quando visualizada com a ótica telecêntrica (à direita), toda a superfície da porção
inferior do orifício é visível.
5.2. Certificação e calibragem ótica
Outro engano comum entre os microscopistas é que a certificação terceirizada da ótica de cada microscópio
assegura a precisão e a reprodutibilidade da inspeção. Na verdade, as normas governamentais geralmente
certificam os equipamentos de calibragem, mas não certificam instrumentos individualmente.
Os fabricantes de microscópios podem realizar calibragens internas em instrumentos individuais, mas aqui outra
desvantagem da capacidade de zoom livre passa a ser importante. Após a calibragem inicial pelo fabricante, a
variação introduzida pela configuração de zoom dificulta a reprodução das condições de calibragem em campo.
As calibragens realizadas no momento da fabricação podem ajudar a reprodutibilidade ao aumentar a
consistência do desempenho entre microscópios produzidos pelo mesmo fornecedor. No entanto, a calibragem
não é capaz de eliminar os erros que são causados por princípios óticos fundamentais das lentes não
telecêntricas, como o paralaxe e a ausência de aumento constante.
Conclusão
Os sistemas óticos dos novos equipamentos de microscopia podem estar sujeitos a uma variedade de erros
ocultos. A análise cuidadosa do projeto ótico usado no equipamento é extremamente importante. O emprego de
microscópios com sistemas óticos telecêntricos reduz ou elimina muitos destes erros para otimizar a qualidade
da imagem, a precisão e a reprodutibilidade da medição.
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