RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Tecnologie di lavorazione e controllo delle superfici in pietra naturale

Università di riferimento

Università di PISA - INGEGNERIA MECCANICA,NUCLEARE E DELLA PRODUZIONE - PISA(PI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giovanni TANTUSSI

Descrizione

In accordo con quanto indicato nel modello A, l'UR di Pisa si occuperà di tre attività principali come dettagliato di seguito. Controllo di qualità delle superfici con visione artificiale Le attività dell'UR di Pisa all'interno del presente progetto riguardano il controllo di qualità di manufatti realizzati in materiale lapideo. Tra i controlli presi in esame vi sono i sistemi di visione, in quanto il controllo visivo consente di valutare la maggior parte delle caratteristiche superficiali, cioe` quelle estetiche, di forma e dimensionali. Tali controlli possono essere applicati direttamente in produzione 1. al termine della linea allo scopo di selezionare il materiale difettoso. Le azioni conseguenti potranno essere quindi lo scarto del prodotto, nella peggiore delle ipotesi o, in generale, la classificazione in gruppi di diverso pregio secondo le classi commerciali indicate dal mercato. Tale attività è attualmente svolta manualmente e richiede elevate competenze. La sua automazione può portare quindi benefici economici, nonché una più accurata selezione e l'eliminazione di un'operazione ripetitiva e stressante; 2. a bordo di una singola macchina operatrice, per effettuare un controllo del processo. In questo caso il sistema di visione sarà in grado di fornire un feedback sui parametri di controllo per riportare la situazione nelle condizioni ottimali. I due approcci sono radicalmente distinti. Nel primo caso il sistema di visione sarà addestrato a rilevare la presenza di eventuali difetti e al riconoscimento di caratteristiche estratte dalle immagini dei manufatti. La tipologia e l'entità del difetto, nonché la presenza di altre peculiarità del tipo di materiale esaminato (ad esempio tipo di sfondo, tessiture) saranno quindi date in pasto ad un classificatore per stabilire l'assegnazione alle diverse classi di prodotti (ad esempio, prima, seconda e terza scelta) e l'eventuale scarto. I cosiddetti difetti possono essere quindi anche introdotti dal processo di lavorazione (ad esempio rigature, sbeccature) e vanno distinte da altri elementi che possono essere legati alla variabilità di un prodotto naturale. Nel caso del controllo di processo, il sistema di visione andrà a rilevare, all'interno delle immagini dei prodotti, apposite caratteristiche che hanno una buona correlazione con gli effetti delle lavorazioni sul prodotto, in modo da rilevarle al loro insorgerle prima che si abbia una deriva e il conseguente danneggiamento del prodotto (ad es. rigature dovute all'usura di una mola). Questo studio richiederà l'analisi di una campionatura di situazioni tipiche per diverse condizioni di lavoro rappresentative delle lavorazioni prese in esame, che saranno fornite dai partner. Sarà anche presa in esame la possibilità di eseguire un controllo diretto sull'utensile (ad es. la mola). Tra gli utensili, quelli pluritaglienti sono tra i meno investigati. Il numero di formati e tipi di materiali dipendono dalla disponibilità di campioni resi disponibili dai partner. RISULTATO: verrà sviluppato il prototipo di un sistema di visione artificiale versatile o più prototipi con una serie di algoritmi per le situazione descritte. Esso dimostrerà la fattibilità di un controllo automatico della lavorazione. Prove e controlli delle superfici lavorate In aggiunta ai controlli tramite visione artificiale, sarà investigata l'applicazione di tecniche di misura delle altre caratteristiche fisico-chimiche delle superfici dei manufatti. La ragione di questi controlli è principalmente la necessità di valutare anche il comportamento meccanico del prodotto considerate le funzioni di rivestimento, di protezione e in taluni casi strutturali tipiche dei manufatti in materiale lapideo presi in esame. Considerato la durezza superficiale delle pietre naturali, si impiegheranno sistemi di misura senza contatto per rilevare micro difetti e per calibrare il sistema di visione. Andrà valutato ad esempio se un effetto estetico molto pregevole ottenuto con una certa lavorazione, ad esempio un piacevole effetto scabro, non comporti però effetti negativi a livello microscopico alla superficie che possono ad esempio facilitare una rottura fragile (quindi ad esempio compromettere un uso strutturale) o facilitare l'azione erosiva di agenti atmosferici (compromettendo l'esposizione all'aperto) o la resistenza all'usura per sfaldamento (rendendo il materiale inadatto per pavimenti, ma fatta salva l'applicazione per i rivestimenti). In letteratura sono presenti standard che coprono la stragrande maggioranza delle esigenze di misura e prova. L'obiettivo dell'UR di Pisa sarà quindi quello di scegliere, in collaborazione con i partner interessati alle diverse tipologie di lavorazione tradizionali e non, quelle che al meglio caratterizzano gli effetti anche di tipo meccanico sui prodotti, in diverse condizioni di lavorazione di interesse industriale. Considerata l'innovatività di alcune lavorazioni proposte in questo progetto, l'attività di ricerca dell'UR di Pisa comprenderà anche l'individuazione di appositi test appropriati per la valutazione delle qualità meccaniche delle nuove caratteristiche superficiali ottenute. Eventuali tecniche di prova innovative come metodo o come ambito, se individuate, potranno essere valutate anche per un'applicazione in produzione oltre che in laboratorio. Ma non sarà considerata esclusivamente la qualità dei prodotti realizzati nelle condizioni ottimali dai partner. L'UR di Pisa sosterrà i partner anche nella definizione di prove anche per PREVEDERE il comportamento di nuovi materiali da sottoporre a lavorazione. Questa attività ha una ricaduta diretta sul mercato nel caso di produttori che desiderano valutare nuovi materiali che spesso provengono da cave molto lontane dall'impianto di trasformazione. Infine, le stesse tecniche di controllo sviluppate possono prevedere un impiego nei controlli in accettazione dai fornitori. Tra i principali RISULTATI, in sintesi: - selezione e messa a punto di metodologie di prova per valutare le proprietà micro e macromeccaniche dei provini forniti dai partner per i principali processi contemplati da questo progetto; - studio dell'applicabilità dei metodi di prova in produzione e delle eventuali estensioni alla produzione, all'ispezione in ingresso e alla valutazione dei nuovi materiali. Confronto tra tecniche di incisione e controllo dell'incisione superficiale su materiali lapidei Sulle linee di produzione automatizzate, i codici stampati sui prodotti permettono di ricavare informazioni utili per diversi scopi, quali l'identificazione, le operazioni subite e/o l'impiego successivo di parti (rintracciabilità). Inoltre, un flusso informativo crescente interessa la produzione per le esigenze di prodotti certificati, che implica seguirne la storia e la documentazione delle operazioni eseguite. Il vantaggio dei codici alfanumerici, rispetto ai codici a barre è che possono essere interpretati da operatori umani. I principali svantaggi sono legati alla difficoltà di riconoscimento automatico da parte delle macchine. Tra i controlli effettuati dall'UR di Pisa, vi è anche quello della intelligibilità delle marcature eseguite dalle UR di Cassino e Milano, saranno valutate le prestazioni dei due sistemi ottimizzate dalle due UR per una varietà di materiali. La valutazione comprenderà criteri come il contrasto dallo sfondo, l'effetto dell'illuminazione ambiente sulla visibilità, le prestazioni con diversi tipi di caratteri che richiedono percorsi complessi dell'utensile, quali cuspidi, intersezioni ecc. Successivamente, si valuterà la qualità della marcatura eseguita non solo manualmente ma anche con il sistema di visione. Lo scopo della fase di controllo in questo progetto è quella di fornire un'informazione di ritorno alle sedi interessate in modo da tendere ad un risultato ottimale. Si interverrà quindi sul processo di marcatura in modo da consentire anche tale riconoscimento automatico. In tal modo, si potrà valutare la possibilità di automatizzare la scelta delle lavorazioni che deve subire un certo prodotto in base a codici appositamente applicati su di esso. Il riconoscimento di caratteri (OCR) ottenuti tramite idrogetto o laser su pietre naturali è un nuovo tema di ricerca. L'enfasi non è solo sull'identificazione ma sull'intelligibilità. Un simile progetto è stato già sviluppato presso il DIMNP [OCR]. I sistemi di visione artificiale vengono abitualmente usati anche con funzioni OCR, in alcuni casi anche in ambito manifatturiero [PUNCH]. L'OCR comprende una serie di attività, tra cui localizzazione, segmentazione e classificazione [SEG] di ciascun carattere che sono evidentemente influenzate dal tipo di supporto. Ulteriori difficoltà sono legate all'orientamento imprevedibile [ORIENT], all'impossibilità di evincere dal contesto [GEN] e alla non omogeneità dello sfondo. Le tecniche di analisi delle immagini prese in esame in questo progetto tengono quindi conto del particolare tipo di materiale (lapideo) e delle lavorazioni cui viene sottoposto (incisione idrogetto e laser). In particolare si prevede di agire prevalentemente sulle tecniche di illuminazione (di tipo strutturato) per rilevare l'effetto tridimensionale. Inoltre sarà necessario un'intensa attività di pre-elaborazione per filtrare i disturbi presenti sullo sfondo scabro del marmo grezzo. Le reti neurali mostrano notevoli prestazioni quali classificatori [ANN] [ORIENT]. Sono anche disponibili librerie commerciali che saranno utilizzate per l'identificazione propriamente detta. I RISULTATI di queste attività saranno quindi: - rapporto dettagliato e sintetico di valutazione delle tecniche di incisione esaminate, basate sulle analisi dei campioni e delle informazioni richieste e fornite dalle UR di Cassino e Milano; - progetto e prototipo di un sistema di visione per il riconoscimento dei caratteri sui campioni citati. Gli aspetti più innovativi di tale sistema saranno presumibilmente l'architettura, le tecniche di illuminazione e gli algoritmi di pre-elaborazione. Diffusione delle conoscenze e trasferimento in ambito industriale Sebbene il progetto sia di ricerca, i collegamenti con il mercato sono fondamentali e assorbiranno circa il 30% dell'investimento in risorse umane. Tale attività di diffusione ha un duplice scopo 1. fare conoscere e comprendere ai potenziali utilizzatori i benefici ottenibili della tecnologia sviluppata che altrimenti rimarrebbe mera speculazione; 2. inoltre, per quanto riguarda i sistemi di visione artificiale una delle fondamentali difficoltà non è soltanto sviluppare un algoritmo innovativo, ma comprendere quale esigenza deve soddisfare. Relativamente al problema del trasferimento alle imprese esistono numerose opzioni che saranno valutate e selezionate in termini di efficacia e successivamente attuate e verificate (secondo la logica del ciclo virtuoso di Deming PDCA). Segue un sintetico elenco delle specifiche azioni che si intende intraprendere per la diffusione delle conoscenze acquisite e sviluppate: - In aggiunta alla pubblicazione scientifica, sarà curata anche la pubblicazione su riviste specializzate con elevato impatto in ambito industriale. - Verrà progettato un portale per facilitare la comunicazione tra università e industria. Tale azione ha il duplice scopo (i) di stimolare la ricerca con problematiche di vivo interesse industriale e (ii) di favorire il passaggio dei frutti della ricerca al mercato. L'idea innovativa alla base di questa iniziativa è quella di affrontare in modo sistematico le problematiche di linguaggio e comunicazione per favorire la facilità d'uso e la capacità di interazione sia dal lato delle aziende, sia dal lato dell'università. Il portale dovrebbe fungere da raccoglitore dinamico di esigenze/soluzioni. - Verrà attivato un intenso programma seminariale con corsi interni alle università interessate (allo scopo di attuare un trasferimento attraverso gli studenti che andranno sul mercato dopo la laurea). In particolare, si terrà una giornata informativa su un tema specifico, di richiamo per le aziende, nell'ambito delle applicazioni dei sistemi di visione artificiale, al termine del primo anno. Saranno invitate aziende potenzialmente interessate per attivare contatti con potenziali collaboratori o utenti finali. Al termine del secondo anno si terrà un convegno per la presentazione dei principali risultati del progetto alla comunità industriale, in una sede opportuna, ad esempio presso una fiera. - Sarà preparato e adeguatamente diffuso (ad esempio tramite il portale realizzato) del materiale informativo (anche multimediale) sugli argomenti oggetto del presente progetto di ricerca, ma trattato ad un livello divulgativo per essere indirizzato non solo a ricercatori o specialisti, ma anche a manager di aziende/imprenditori, addetti alla produzione, responsabili della qualità. Oltre allo sviluppo ed implementazione del portale, nel corso del progetto (da comprendere fra i RISULTATI) potranno essere poste le basi per l'eventuale realizzazione di un'azienda spin-off dell'Università specializzata sulle applicazioni dei sistemi di visione, che beneficerà dei risultati delle ricerche sviluppate e raccolte nell'ambito del progetto.