Automatyka | Diagnostyka | Informatyka

Systemy wizyjnej kontroli jakości przyszłością produkcji

1 grudnia 2006

Kompendium wiedzy z zakresu systemów wizyjnych

Bardzo często systemy wizyjnej kontroli jakości utożsamiane są z systemami monitoringu. Nic bardziej mylnego. Na pewno oba rejestrują obraz, ale systemy wizyjnej kontroli jakości mają dodatkowo za zadanie przeanalizować obraz pod kątem jego poprawności. Wszyscy producenci wiedzą, że wczesne wykrycie usterek produktu na linii produkcyjnej umożliwia zminimalizowanie kosztów związanych z usuwaniem ich na dalszych etapach produkcji. Najczęstsze błędy, jakie występują na liniach, są spowodowane niedokładnością pracy maszyny lub defektem obrabianego obiektu. Badanie poprawności pracy wykonanej przez urządzenie można wykonać na dwa sposoby. Pierwszym, najczęściej jeszcze używanym w automatyce, jest wykorzystanie decyzji człowieka, który porównując obecny efekt pracy urządzenia ze wzorcem, wydaje decyzję o poprawności wykonania zadania. Zdolności percepcyjne człowieka są ograniczone i często nie jest on w stanie nadążyć w poprawnej ocenie szybko przesuwających się półproduktów czy elementów. Jednak decydującym elementem zawodności człowieka jest znużenie wykonywaną czynnością i zmęczenie, które znacznie obniża jego efektywność. Drugi sposób to zastosowanie urządzeń przeznaczonych do kontroli jakości procesu. Są to systemy wizyjne wyposażone w kamery i odpowiednie oprogramowanie, które analizuje uzyskany obraz i na podstawie zaimplementowanych algorytmów przeprowadza właściwą kontrolę. Dwie główne zalety tego typu rozwiązania to duża prędkość kontroli jakości (do kilkunastu analiz na sekundę) i możliwość pracy 24 godziny na dobę. Poprawność działania tego rozwiązania sięga 100%, co sprawia, że zbędne koszty, będące konsekwencją wyprodukowania i sprzedania produktu niespełniającego stawianych mu wymagań, są zminimalizowane.

Kamera ze zintegrowanym oświetleniem

Producenci przemysłowych systemów kontrolnych oferują wiele produktów oraz narzędzi programistycznych do tworzenia systemów kontroli jakości. Najczęściej spotykanymi urządzeniami do przechwytywania obrazu są kamery DVT firmy Cognex oraz systemy firmy SICK. Są łatwe w obsłudze i programowaniu. Dalsza część artykułu będzie oparta na kamerze DVT, jakkolwiek systemy wizyjne innych producentów mają te same możliwości.

Oprogramowanie INTELLECT jest integralną częścią kamer DTV. Ma ono wiele zalet, m.in. to, że jest bezpłatnym systemem z możliwością pracy bez kamery poprzez emulowanie urządzenia. Daje to użytkownikowi możliwość przeprowadzenia wstępnych badań bez narażania się na jakiekolwiek koszty związane z wypożyczeniem lub zakupem sprzętu. Jedyne, co należy mieć, to zdjęcia kontrolowanych obiektów wykonane w odpowiedniej rozdzielczości.

Czujniki wizyjne a systemy wizyjne

Rynek automatyki przemysłowej oferuje dwa rozwiązania do wizyjnej kontroli jakości: czujniki oraz systemy wizyjne. Mimo że w obydwu przypadkach efekt powinien być taki sam, to zrozumienie różnic jest podstawą doboru odpowiedniego rozwiązania do stawianego problemu. Nietrudno zauważyć, że czujniki są inwestycją tańszą, są małe i łatwo konfigurowalne oraz zużywają mniej mocy. Systemy wizyjne mają o wiele bardziej rozbudowaną warstwę sprzętową oraz programową, co daje więcej możliwości zastosowania. Dostarczają też więcej danych na wyjściu (np. wyniki pomiarów) w przeciwieństwie do czujników, które informują jedynie, czy określony warunek jest spełniony, czy nie. Najbardziej złożone czujniki mogą cenowo zbliżyć się do średniej jakości systemu wizyjnego. Wraz z niską ceną wiąże się mała rozdzielczość, czyli także słabsze możliwości w porównaniu z systemami wizyjnymi. Poza tym czujniki nie radzą sobie z trudnymi warunkami panującymi czasami w miejscu pracy.

Analizując możliwości rozwiązania problemu, należy wybrać takie urządzenie, które zapewni 100-procentową skuteczność. I tutaj często popełnia się błąd, polegający na zakupie systemu bez przeanalizowania planów na przyszłość. Zakupiony system jest najlepszym rozwiązaniem w danym momencie. W sytuacji gdy planuje się przyśpieszenie lub urozmaicenie produkcji, zaczynają się problemy, gdyż system wizyjnej kontroli jakości jest za słaby, aby podołać nowym warunkom. Dlatego powinno się zainwestować trochę więcej w system z większymi możliwościami.

Systemy wizyjnej kontroli jakości mają wiele możliwości. Uzyskany z kamery obraz może zostać wstępnie obrobiony przed rozpoczęciem właściwej kontroli. Niektóre z możliwości kamer wizyjnych to:

badanie, czy obiekt występuje, czy nie,
liczenie obiektów,
porównywanie z wzorcem oraz określanie rozmiaru niezgodności,
wymiarowanie (często używane w procesach cięcia, skrawania, wiercenia, gwintowania itp.),
identyfikacja wzorca pod różnymi kątami (kolor, kształt itp.),
detekcja defektów,
monitorowanie kolorów (używane m.in. w przemyśle spożywczym),
identyfikacja obiektu.

Na wyjścia systemu można wystawić nie tylko wartości binarne, ale także analogowe. Stosując odpowiednie moduły, system jest w stanie wyświetlać na monitorze lub panelu obrazy pochodzące z wszystkich kamer, stany ich wyjść oraz prowadzić akwizycję danych bez potrzeby stosowania komputera PC.

Do czego można użyć systemów wizyjnej kontroli jakości? Jak sam zwrot wskazuje, do kontroli. A to, co będziemy kontrolowali, zależy już od nas samych. Przykładowe zastosowania:

badanie poprawności wykonania półproduktu lub produktu,
identyfikacja obiektów,
rozpoznawanie,
czytanie kodów kreskowych 1D, 2D oraz znaków ASCII,
liczenie obiektów,
wymiarowanie i mierzenie.

Coś więcej o systemie

Typowa kamera składa się z obiektywu, zintegrowanego oświetlenia, procesora, pamięci RAM i Flash oraz gniazd zasilającego i komunikacyjnego. Obiektyw ma regulowaną wielkość przesłony, a także możliwość regulacji ostrości, co pozwala na precyzyjne ustawienie kamery na stanowisku pracy. Czas naświetlania matrycy ustawiany jest programowo. Sama matryca może być elementem CCD (Charge Coupled Device) lub CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor). Różnica między ich parametrami jest znaczna, co przedkłada się na jakość i szybkość pracy kamery.

Rozdzielczość pracy najprostszej kamery to 640×480. Droższe urządzenia wyposażone są w przetworniki o rozdzielczości nawet do 1280×1024. Prędkość pracy urządzenia mieści się w przedziale od 8 do 75 obrazów na sekundę i jest uzależniona od ilości obliczeń, jakie musi wykonać procesor dla każdego uzyskanego obrazu. W większości przypadków korzysta się z matryc monochromatycznych. Koszt zakupu takiej kamery jest o wiele niższy niż kamery kolorowej, szybkość pracy jest większa i w większości przypadków informacja o kolorach nie jest potrzebna przy kontroli jakości.

W zależności od typu kamery stosuje się różne rodzaje procesorów. Najczęściej wykorzystywane są układy firm Motorola, Hitachi oraz Texas Instrument. Ich prędkości też są różne w zależności od typu i mieszczą się w granicach od 1x do 8x. Im szybszy procesor, tym większa prędkość przetwarzania obrazu. Oprócz procesora kamera wyposażona jest w dwa rodzaje pamięci: RAM o wielkości (w zależności od typu urządzenia) od 16 do 128 MB oraz od 4 do 16 MB pamięci Flash.

Większość kamer ma własne źródło oświetlenia w postaci pierścienia diod LED dookoła obiektywu. W szczególnych przypadkach, gdy obiekt jest zbyt daleko, niedoświetlony albo uzyskany efekt oświetlenia jest niewystarczający, stosuje się dodatkowe źródła światła i filtry.

Urządzenie komunikuje się poprzez cyfrowe wejścia/wyjścia, DataLink, Modbus oraz Ethernet. W rozwiązaniach firmy Cognex można zastosować moduł SmartLink rozszerzający system o komunikację w sieci Profibus oraz DeviceNet. Dzięki zastosowanemu oprogramowaniu kamera może działać jako autonomiczny serwer FTP, Web oraz OPC. Dodatkowo urządzenie może pracować w oparciu o wgrane do jego pamięci oprogramowanie, co eliminuje potrzebę instalowania komputera do obsługi systemu.

Podłączenie kamery do sieci przemysłowej jest bardzo proste. Stosując kabel sieciowy 8-żyłowy, zakończony końcówkami RJ45, podłącza się kamerę do komputera przez kartę sieciową lub do sieci przemysłowej. Kamera DVT otrzymuje swój numer IP z klasy adresów C i po krótkiej konfiguracji jest gotowa do pracy. Urządzenie wyposażone jest także w konfigurowalne wejścia/wyjścia cyfrowe. Standardowo ma 8 wejść/wyjść napięciowych, ale istnieje możliwość dołożenia dodatkowych modułów I/O. Cyfrowe wejścia/wyjścia stosowane są do komunikacji sieci z kamerą i kamery z urządzeniami współpracującymi z nią.

Ogólny zarys pracy kamery przedstawiony jest na schemacie 1. Obraz pobrany z matrycy CMOS lub CCD zapisywany jest w pamięci RAM. Mikrokontroler, bazując na algorytmach zapisanych do pamięci Flash, wykonuje odpowiednie obliczenia. W zależności od wgranego programu wyniki pracy algorytmu mogą generować różnego rodzaju odpowiedzi. Najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest wystawienie sygnału binarnego. Ale nie tylko takie sygnały można uzyskać. Oprogramowanie jest w stanie czytać kody kreskowe, tekst, zliczać elementy, mierzyć długość, pole powierzchni itd. Sygnały wysyłane z kamery mogą być cyfrowe lub analogowe. Sygnały cyfrowe mogą być wystawiane na wbudowane wyjścia cyfrowe kamery lub wysyłane razem z sygnałami analogowymi do urządzeń w sieci przemysłowej typu sterowniki, przekaźniki, falowniki itp.

Oświetlenie

Dobór oświetlenia to jedna z najważniejszych czynności w trakcie przygotowywania systemu wizyjnego do pracy. Odpowiednie światło zapewnia uzyskanie obrazu o pożądanych parametrach, który zapewni poprawne działanie całego systemu. Często światło padające na badany obiekt zmienia się w zależności od czynników zewnętrznych (ruch słońca, zapylenie, zmienne oświetlenie) i doprowadza w konsekwencji do problemów w prawidłowym działaniu systemu. Dlatego bardzo często używa się dodatkowego źródła dedykowanego systemowi, które zapewnia stałe oświetlenie niezależnie od czynników zewnętrznych. Dobór światła uzależniony jest od wielu czynników i w ostateczności dla każdego systemu parametr ten dobierany jest indywidualnie. Odpowiednio dobrane, musi spełniać następujące warunki:

maksymalny kontrast pomiędzy interesującymi cechami,
minimalny kontrast pomiędzy cechami niebędącymi celem pomiaru,
minimalna wrażliwość na zmiany w procesie.

Bardzo ważnym czynnikiem, który należy uwzględnić w trakcie określania rodzaju użytego oświetlenia, jest rodzaj oświetlanego przedmiotu. Na rysunku 1 zaprezentowanych jest sześć najczęściej spotykanych reakcji obiektu na oświetlenie: absorpcja (pochłanianie światła), odbicie, transmisja, refrakcja (częściowe odbicie), rozproszenie (np. chropowate powierzchnie) oraz emisja.

Kamery systemu wizyjnego najczęściej wyposażone są w zintegrowane oświetlenie w postaci diod LED umieszczonych dookoła obiektywu. W większości przypadków jest to wystarczająca ilość światła, aby wykonać poprawną inspekcję. Diody oświetlają obiekt impulsami świetlnymi o częstotliwości zaprogramowanej w pamięci (impulsy świetlne diod dają więcej światła niż w przypadku ciągłego oświetlenia). Jednak zdarzają się sytuacje, w których należy zastosować specjalne oświetlenie, odpowiednio dobrane do panujących warunków. Często popełnianym błędem jest niewykorzystywanie wszystkich możliwości systemów wizyjnych. Rozbudowana komunikacja po najczęściej spotykanych protokołach daje możliwość dużej integracji z otoczeniem (sterownikami, urządzeniami wykonawczymi itd.). Na przykład połączenie systemu wizyjnego z czytnikiem kodu kreskowego lub systemem RFID daje możliwość sprawdzenia zawartości opakowania (np. zgrzewek z wodą) z etykietą.

Nie bójmy się systemów wizyjnej kontroli jakości. Wymierne korzyści, jakie odczuje przedsiębiorstwo przy ich zastosowaniu, to zmniejszenie ilości produktów niespełniających zadanego kryterium jakościowego, a co za tym idzie, mniejsze straty z tego tytułu. A kto nie chciałby podwyższyć jakości swojej produkcji w konsekwencji poprawić swojego wizerunku u odbiorców?

Krzysztof Blicharski, specjalista ds. systemów wizyjnych.

Autor:

Krzysztof Blicharski