Laser Line Triangulation Sensors for Geometry Measurement in Hot Forging Industry: Design, Prototype and Inline Integration

This research presents a Non-Destructive-Inspection (NDI) system based on Laser Line Triangulation technology (LLT) for geometry measurement applied to inline quality control of a hot forging industrial use case for Zero-Defect-Manufacturing within the HE project openZDM. The application proves challenging as the optical sensors have to be implemented in harsh industrial conditions while covering a wide measurement range, as they have to measure the straightness of steel bars, up to 1 m long, which are processed to form trailing arms. Addressing the limitations of the commercially available solutions, this research presents the prototype of two replicas of high-resolution LLT sensors for wide measurement range. One of the LLT sensors designed is peculiarly innovative as it allows inspection on high-temperature products, up to 1200 °C which is critical given the low contrast of the laser line with respect to the glowing surface of the hot incandescent bar. This research proposes solutions to improve SNR (Signal to Noise Ratio), optimizing the sensor performances both hardware and software side. This dissertation covers all the steps of the design and development of the LLT sensors prototype, from the initial CAD drawing, assembly, calibration and finally inline installation in production line. The application is fully automatic with 100% product inspection in less than 800 ms per product. The NDIs are fully integrated to the factory digital infrastructure, communicating through MQTT with the production line PLC and the openZDM platform for data sharing and error management. Thus, the LLTs prototype development proves successful as the systems are fully operative and integrated in production line, withstanding harsh environmental conditions for more than one year of permanent inline installation, while maintaining stable performance as it has been confirmed by results of the Measurement System Analysis.

Questa ricerca presenta un sistema di ispezione non distruttiva (NDI) basato sulla tecnologia di triangolazione laser (LLT) per la misurazione geometrica, applicato al controllo qualità in linea nell’industria della forgiatura a caldo per Zero-Defect-Manufacturing nell'ambito del progetto HE openZDM. L'applicazione è sfidante poiché i sensori ottici devono essere implementati in condizioni industriali ostili e coprire un ampio campo di misura per misurare la rettilineità di barre di acciaio lunghe fino a 1 m, che vengono lavorate per forgiare sospensioni meccaniche. Visti i limiti delle soluzioni disponibili in commercio, questa ricerca presenta il prototipo di due repliche di sensori LLT ad alta risoluzione per un ampio campo di misura. Uno dei sensori progettati è particolarmente innovativo in quanto consente l'ispezione di prodotti ad alta temperatura, fino a 1200 °C, che risulta critica visto il basso contrasto della linea laser rispetto alla superficie della barra calda incandescente. Questa ricerca propone soluzioni per migliorare il rapporto segnale/rumore, ottimizzando le prestazioni del sensore sia dal punto di vista hardware che software. La tesi copre tutte le fasi dello sviluppo dei prototipi LLT, dal disegno CAD iniziale, all'assemblaggio, la calibrazione e infine l'installazione in linea di produzione. L'applicazione è completamente automatica, garantendo un'ispezione del 100% dei prodotti. Gli NDI sono completamente integrati nell’infrastruttura digitale dell’industria e comunicano tramite MQTT con il PLC e la piattaforma openZDM per la condivisione dei dati. Pertanto, lo sviluppo del prototipo LLT si è rivelato un successo, poiché i sistemi sono pienamente operativi e integrati in linea di produzione, resistendo a condizioni ambientali difficili per più di un anno di installazione permanente e mantenendo al tempo stesso prestazioni stabili come è stato confermato dai risultati della Measurement System Analysis.