Enhancing optical measuring systems for manufacturing process control

Modern industries are stressed by the market for a crazy and continuous reduction of time-to-market and an increase of required quality of final products. Manufacturing should evolve in order to satisfy market, by increasing the process complexity and fighting against requirements (in terms of batch sizes and tolerances). Production should be fast and accurate and this implies that measuring systems have to be faster, more flexible and possibly in-line, in order to continuously adjust the process. Optical metrology seems to be the perfect solution for this challenging context. However, optical metrology is characterized by binding physical limitations that reduce accuracy and sometimes applicability. Nevertheless, the exponential increase of computational power helps the evolution and optimization of optical measuring systems by permitting real time corrections and fast post-process. The aim of this work is the development of different correction and numerical methods to enhance optical measuring system capabilities. Confocal microscopy, optical CMM (coordinate measuring systems) and X-ray computed tomography are analysed in different types of applications, ensuring a reduction of measuring process variability and increasing measurement accuracy. Algorithms developed specifically for quantification and minimization of influencing factors are presented and implemented for real time correction and control of manufacturing process. Void pixels in confocal microscopy are studied and managed, thus reducing variability of surface roughness parameters and increasing capabilities of measuring instrument for micro-milling process control. Optical systems are analysed for thread measurements proposing a correction method for inline, fast and reliable evaluation of threads geometry. Finally, surface roughness is taken into account for correction of computed tomography dimensional measurements. Different technologies applied in different fields are joined by the common need of correction for enhancing measuring capabilities.

L’industria moderna è messa sotto pressione dalla costante riduzione del tempo disponibile per l’immissione sul mercato dei prodotti e dall’incessante aumento dei requisiti richiesti sui prodotti finali. I sistemi di produzione devono dunque evolversi per poter soddisfare il mercato, incrementando la complessità dei processi e confrontandosi continuamente con le richieste (in termini sia di produttività sia di tolleranze). La produzione deve quindi essere veloce e allo stesso tempo accurata: questo implica che i sistemi di misura, per poter controllare continuamente il processo, debbano essere a loro volta veloci, flessibili e possibilmente in linea. Per poter essere competitivi in questo contesto appare evidente che i sistemi ottici siano un’ottima soluzione. Tuttavia, la metrologia ottica è vincolata da alcune limitazioni fisiche insite nella tecnologia che ne inficiano l’accuratezza e talvolta l’applicabilità. Ciononostante, l’aumento esponenziale della potenza di calcolo ha aiutato notevolmente lo sviluppo e l’ottimizzazione dei sistemi di misura ottici, permettendo l’applicazione delle correzioni in tempo reale e accelerando il processo di elaborazione dei dati raccolti. L’obiettivo di questo lavoro è lo sviluppo di diverse correzioni e metodi numerici che assicurino un miglioramento delle caratteristiche di alcuni sistemi di misura ottici. Microscopia confocale, macchine di misura a coordinate ottiche e tomografia computerizzata ai raggi X vengono analizzate in diversi campi di applicazione, assicurando una riduzione della variabilità dei processi produttivi attraverso un miglioramento dell’accuratezza della misura. Gli algoritmi, sviluppati specificatamente per quantificare e minimizzare i fattori di influenza, sono presentati e implementati in modo da permettere una correzione in tempo reale delle misure e un maggior controllo del processo di produzione. I void pixels nella microscopia confocale vengono analizzati e controllati al fine di ridurre la variabilità dei parametri di finitura superficiale e aumentare le capacità e l’applicabilità di tale tecnologia per il controllo del processo di micro-fresatura. I sistemi ottici vengono analizzati anche per la misura delle filettature, proponendo un metodo di correzione flessibile, affidabile e applicabile direttamente sulla linea di produzione. Il metodo studiato permette di ottenere i parametri geometrici che descrivono le filettature direttamente dalla proiezione d’ombra senza la necessità di alcun input da parte dell’operatore. Infine, la rugosità superficiale viene considerata e analizzata per ridurre la variabilità delle misure geometriche nella tomografia computerizzata. Tecnologie molto diverse applicate in campi molto diversi sono qui legate dalla comune necessità di migliorare le capacità e le potenzialità dei sistemi di misura.