Iluminación para rayaduras en superficies metálicas: campo oscuro sin conjeturas

Casi toda inspección de rayaduras fallida empieza igual: se instala un anillo luminoso potente, la imagen se ve limpia y uniformemente iluminada, y las rayaduras siguen invisibles. La luz no es demasiado débil. La geometría es incorrecta, y ninguna corriente la arreglará.

Esta nota trata de la geometría: qué hace realmente el campo oscuro sobre el metal, cómo fijar el ángulo en lugar de adivinarlo y dónde deja de funcionar el método. No cita tasas de detección, porque pertenecen a una pieza concreta, a una población de rayaduras concreta y a un criterio de aceptación concreto, y ninguna de ellas se traslada bien entre proyectos.

Por qué una imagen limpia y uniformemente iluminada oculta las rayaduras

Sobre una superficie mecanizada o pulida, una rayadura es un cambio de pendiente, no un cambio de color. Con iluminación de ángulo alto, tanto la superficie plana como los flancos de la rayadura envían luz hacia la lente, de modo que ambos aparecen brillantes y el contraste se desploma. Cuanto mejor es la iluminación — uniforme, difusa, sin deslumbramiento —, tanto más completamente desaparece la rayadura.

El campo oscuro invierte la geometría. La fuente se coloca fuera de la cuña especular que capta la cámara (la «W de iluminación» en el tratamiento estándar de la iluminación frontal). Una superficie plana refleja la luz rasante alejándola de la lente y aparece oscura; los flancos de la rayadura, inclinados respecto a la superficie, dispersan luz de vuelta hacia la lente y aparecen brillantes. El contraste proviene de la pendiente, por lo que sobrevive en piezas donde el contraste basado en el brillo no tiene nada que aprovechar.

La prueba práctica de si una superficie es candidata al campo oscuro es simple: si puede verse en ella una lámpara o una ventana reflejadas, el campo oscuro funcionará. Si la superficie parece uniformemente mate desde todos los ángulos, la misma dispersión que hace funcionar el campo oscuro ya está ocurriendo por todas partes, y el fondo se elevará junto con el defecto.

Ángulo: elegirlo a partir del presupuesto de sombras, no de un catálogo

La iluminación de ángulo bajo abarca aproximadamente de 5° a 30° sobre la superficie. Los ángulos más bajos rechazan la reflexión de la superficie plana con mayor completitud, lo que aumenta el contraste del defecto; pero una característica elevada de altura h proyecta una sombra de aproximadamente h / tanθ, y esa sombra puede ocultar el defecto situado detrás. A 10°, una rebaba de 0.5 mm proyecta una sombra de unos 2.8 mm de largo — en una pieza densa eso equivale a varias características de ancho.

El ángulo no es, pues, un parámetro libre que minimizar. Lo fijan dos requisitos enfrentados: lo bastante inclinado para que las sombras no se traguen las regiones vecinas, y lo bastante rasante para que la superficie plana permanezca oscura. En la práctica, comience con 20–30° para piezas con características altas y 10–15° para superficies planas con rayaduras finas, y luego verifique girando una rayadura de referencia en cuatro orientaciones.

El acimut decide si una rayadura es visible o no

Una rayadura es un surco con dos flancos. La luz que llega perpendicular al surco se dispersa con fuerza desde ambos flancos; la luz que llega paralela a él produce principalmente sombra a lo largo del surco y mucha menos señal. Una sola barra de luz tiene por tanto un punto ciego sistemático a 90° de su orientación preferida, y ese punto ciego es invisible en la imagen — el operador simplemente ve «sin defectos» en esa mitad de la pieza.

La solución no es más potencia, sino más direcciones: barras opuestas con un ángulo incluido de 120–180°, o un anillo de ángulo bajo de cuatro cuadrantes. Cuando una única dirección es inevitable, gire la pieza o la luz entre capturas y fusione las imágenes. Vale la pena fabricar la muestra de referencia con rayaduras en al menos cuatro orientaciones, porque un conjunto de validación con una sola dirección de rayadura dará por bueno un montaje que pasa por alto la mitad de la población real.

Barras, anillos y el límite de rugosidad

Las barras de luz son la opción flexible: una barra para una orientación conocida, dos opuestas para orientación mixta, cuatro para una comprobación omnidireccional. Los anillos de ángulo bajo son más compactos y simétricos, lo que conviene a piezas cilíndricas, donde cualquier preferencia de acimut girará con la pieza. Ambos funcionan según el mismo principio; la elección es mecánica.

El límite es la rugosidad superficial. El campo oscuro depende de que la superficie plana permanezca oscura. A medida que aumenta el Ra, más superficie dispersa en ángulos que la lente puede ver, el fondo se eleva y el contraste cae. Las superficies granalladas, de fundición en arena y fuertemente cepilladas suelen ser malas candidatas; las superficies lapadas, rectificadas, torneadas y pulidas son buenas. Las superficies texturizadas también producen un fondo moteado que vence a la segmentación basada en umbrales — en esos casos, la iluminación difusa de ángulo alto con filtrado de supresión de textura suele ser más estable, aunque ópticamente sea menos elegante.

Qué medir en lugar de «se ve mejor»

Tres números hacen defendible un montaje de campo oscuro:

• Contraste defecto-fondo a una exposición fija, medido sobre una rayadura conocida, no sobre la imagen de mejor aspecto.
• Uniformidad del fondo en todo el campo, porque una esquina brillante enmascarará allí los defectos. Un muestreo de nueve puntos es suficiente.
• Cobertura de orientación: la misma rayadura vista con acimutes de 0°, 45°, 90° y 135°, con el contraste mínimo registrado.

Mantenga la exposición fija entre candidatos. Si la comparación se hace en la «mejor exposición» para cada geometría, el resultado mide la paciencia del operador y no la iluminación.

Combinar el campo oscuro con la medición

Muchas celdas necesitan tanto una dimensión como una comprobación de superficie. Aquí es donde el campo oscuro se vuelve caro: una lente telecéntrica rechaza la mayor parte de la luz dispersa, de modo que la imagen es tenue, y aumentar la exposición para compensar cuesta rendimiento. Cuando la medición es el requisito principal, la disposición habitual es un canal transmitido independiente para la silueta y un canal de ángulo bajo para la superficie, cada uno con su propia receta, en lugar de una iluminación de compromiso. Las ventajas e inconvenientes de las geometrías transmitida y de ángulo bajo para metrología se tratan en iluminación para medición telecéntrica.

Para el metal plano reflectante cuyo defecto es una marca o una abolladura en lugar de una rayadura, la iluminación coaxial suele ser la herramienta más adecuada, y la lógica de selección es distinta: iluminación coaxial para metal reflectante expone cuándo corresponde aplicarla.

Hardware que encaja con la geometría

En el terreno de POMEAS, la geometría se cubre con barras y anillos de ángulo bajo. La gama de iluminación para visión artificial incluye barras de luz para iluminación rasante opuesta y de cuatro lados, anillos difusos para superficies que requieren menos direccionalidad, y un controlador de cuatro canales que permite equilibrar cada lado de forma independiente — lo cual importa, porque un montaje de cuatro lados desequilibrado pasa por alto una orientación de forma sistemática, no aleatoria.

Cuando la pieza es un cilindro torneado o rectificado, un anillo de ángulo bajo mantiene la geometría simétrica a medida que la pieza gira, de modo que el brillo no pulsa una vez por revolución. Esa es una ventaja mecánica que vale más que una pequeña ganancia en salida pico.

Preguntas frecuentes

¿Puedo encontrar rayaduras con un anillo de luz normal si bajo el brillo?

No. El brillo no es geometría. Atenuar un anillo de ángulo alto mantiene la iluminación dentro de la cuña especular, de modo que las zonas planas siguen devolviendo luz y el contraste sigue siendo bajo. La fuente tiene que moverse fuera de esa cuña — físicamente, no eléctricamente.

¿Cuánto debe bajar el ángulo?

Comience con 20–30° cuando la pieza tiene características altas, y con 10–15° cuando la superficie es plana y las rayaduras son finas. Luego compare la longitud de la sombra (aproximadamente h / tanθ) con el espaciado de las características, y verifique con una rayadura de referencia girada en cuatro orientaciones.

¿Por qué toda la imagen se aclara en algunas piezas?

Porque la superficie es difusa en lugar de especular: la rugosidad dispersa la luz en todas direcciones, incluso hacia la lente. El campo oscuro no puede separar un defecto de un fondo que dispersa del mismo modo; esas piezas necesitan otra estrategia.

¿Necesito cuatro luces o bastan dos?

Dos barras opuestas cubren la mayoría de las orientaciones pero dejan una zona ciega residual a 90° de su eje. Cuatro lados, o un anillo de cuatro cuadrantes, eliminan la preferencia. Si se sabe que la población de rayaduras va en una dirección, una barra más una validación girada es defendible.

¿Ayuda una lente telecéntrica con el campo oscuro?

Ayuda a la medición, no al contraste superficial. Un diafragma telecéntrico rechaza gran parte de la luz dispersa, de modo que las imágenes de campo oscuro son más tenues. Use óptica telecéntrica cuando las dimensiones importan y acepte el coste de luz, o separe las dos funciones en canales independientes.

Qué enviar para una revisión de iluminación

Envíe una pieza buena y una pieza con rayaduras representativas, el acabado superficial (Ra o proceso), el campo de visión, la distancia libre disponible para una fuente de ángulo bajo y el criterio de aceptación expresado con palabras. Una fotografía de la imagen actual es útil, pero solo si se indican la geometría de iluminación y la exposición — de lo contrario, describe un síntoma sin su causa.