Nowoczesne systemy wizyjne bardzo dobrze sprawdzają się przy kontroli jakości wyrobów na liniach produkcyjnych, zwłaszcza tych pracujących z dużymi prędkościami. Systemy wizyjne są też dziś ważnym elementem procesów produkcyjnych funkcjonujących w ramach koncepcji Przemysłu 4.0.
Można powiedzieć, że systemy wizyjne (machine vision) coraz częściej wykorzystuje się w automatyzowaniu procesów produkcyjnych. Obserwuje się też stały postęp w jakości obrazu uzyskiwanego z kamer, w tym obrazu przestrzennego 3D (rozdzielczość, liczba klatek na sekundę itp.). Pozwala to na liniach produkcyjnych kontrolować cechy fizyczne obiektów, takie jak: wymiary, kształt, kolor, stan powierzchni (połysk, chropowatość, oznaczenia itp.), a także rozkład temperatury (kamery termowizyjne). Przetwarzając obraz z kamer, można automatycznie eliminować wadliwe elementy na każdym, również wczesnym etapie produkcji.
Warto zwrócić uwagę, że systemy wizyjne w przemyśle i logistyce to więcej niż tylko kontrola jakości. Na przykład w 2016 r. informowano o wspólnym projekcie firmy Jungheinrich (producent wózków widłowych), hanowerskiego Instytutu Zintegrowanej Produkcji (IPH), firmy Basler AG i Götting KG oraz Instytutu Technicznego Nauk Komputerowych (ITI) na Uniwersytecie w Lubece, dotyczącym opracowania wózka widłowego do obsługi wysokiego składowania, który dzięki kamerom 3D może m.in. interpretować gesty człowieka.
Wykorzystanie systemów wizyjnych w automatyzowaniu kontroli jakości w zakładach produkcyjnych to szybko rozwijający się rynek. Firma badawcza Technavio przygotowała raport „Global Machine Vision Market 20172021”, w którym prognozuje się, że globalny rynek systemów wizyjnych będzie rósł rocznie o blisko 9% (skumulowany roczny wskaźnik wzrostu), głównie w takich zastosowaniach, jak kontrola jakości, wymiarowa i przebiegu procesów. Jak oceniają analitycy z firmy Technavio, rośnie też zapotrzebowanie na elastyczną automatyzację zarówno w przemyśle dyskretnym, jak i procesowym. Według tego raportu najszybszy rozwój nastąpi w krajach APAC (Azja Południowa, Wschodnia i Oceania), zwłaszcza w Chinach, Japonii oraz w Indonezji. W tych państwach szybko będzie rosło wykorzystanie innowacyjnych i tanich kamer, ponieważ zachęca się w nich producentów do opracowywania i wdrażania takich systemów.
Jak ocenia firma badawcza Technavio, globalny rynek systemów wizyjnych jest bardzo rozdrobniony oraz składa się z wielu regionalnych i lokalnych dostawców, oferujących zindywidualizowane systemy sterowania automatyką. Obecnie jako głównych graczy na tym rynku wymienia się takie firmy, jak: Basler, Cognex, KEYENCE, OMRON oraz Teledyne DALSA. W innych opracowaniach wymienia się jeszcze firmę Panasonic i takie chińskie podmioty, jak Daheng New Epoch Technology oraz Shenzhen JT Automation Equipment.
Technologie warte uwagi
Jak mówi Maciej Napierała, kierownik działu sprzedaży w firmie Automatech, systemy wizyjne rozwijają się nieustannie. Coraz większą popularność zdobywają rozwiązania wielokamerowe, w których kilka kamer pracuje wspólnie z jedną obsługującą je jednostką centralną, a także systemy pozwalające na trójwymiarową analizę produktu. Dają one możliwość nie tylko pełnej analizy obrazu 2D, jak ma to miejsce w tradycyjnych systemach wizyjnych, ale jednocześnie dodatkowo analizę produktu w trzecim wymiarze i automatyczne wygenerowanie jego modelu 3D. Ponadto są one całkowicie niezależne od warunków oświetlenia i dużo skuteczniejsze w pracy z materiałami odbijającymi światło lub o kolorach utrudniających standardową kontrolę wizyjną. Takie systemy pozwalają na zastosowanie kontroli wizyjnej w tych obszarach, w których dotychczas było to bardzo trudne lub wręcz niemożliwe. Jak dodaje Maciej Napierała, przykładami takich aplikacji jest branża oponiarska, gdzie pojawiła się dzięki nim możliwość swobodnego automatycznego odczytu napisów na oponach. Podobnie we wszystkich przypadkach, w których nie występuje kontrast wystarczający na zastosowanie kontroli za pomocą tradycyjnych systemów wizyjnych. Jako przykłady podaje branżę spożywczą, w której systemy 3D pozwalają na znacznie efektywniejszą analizę, chociażby w sektorze produkcji słodyczy – analiza zawartości/wypełnienia bombonierki z ciemną wytłoczką i ciemnymi pralinami czy analiza poprawności kształtu i wielkości oraz wytłoczeń na tabliczce czekolady.
Również Szymon Marciniuk, inżynier aplikacyjny do spraw systemów wizyjnych i czytników kodów Cognex w firmie Eltron, podkreśla znaczenie technologii 3D. Jak mówi, w wielu przypadkach system 3D może zastąpić kilka kamer 2D kontrolujących ten sam obiekt oraz wykonać inspekcje wykraczające poza możliwości standardowych kamer. Obecnie rozwijanych jest wiele odrębnych technologii pozwalających na analizę trójwymiarową, np. systemy pasywne wykorzystujące dwa obrazy płaskie, wykonane w różnych położeniach kamery (systemy dwukamerowe lub z kamerą ruchomą) albo wykorzystujące analizę cieniową, pozwalającą na odtworzenie powierzchni przestrzennej na podstawie intensywności na obrazie płaskim. Niektóre z tych technologii są na tyle nowe, że możliwości ich zastosowania w przemyśle (choćby do kontroli jakości czy prowadzenia robotów) są ciągle odkrywane i weryfikowane. Jak uzupełnia Szymon Marciniuk, poza optymalizacją algorytmów, podnoszeniem rozdzielczości i wydajności standardowych systemów wizyjnych, wielu czołowych producentów wprowadziło do oferty systemy wielokamerowe. Pozwalają one, najczęściej za pośrednictwem dedykowanego kontrolera, na płynną wymianę danych między kamerami w systemie i tworzenie złożonych aplikacji.
Robert Goncerz – Chief Solutions Architect w firmie SKK (firma zajmuje się m.in. integracją w zakresie autoidentyfikacji) zgadza się, że dzięki zastosowaniu skanerów 3D i układów laserowych odwzorowujących zarys można np. obliczać gabaryty, pojemności i wymiary. Gdy coś jest pakowane, to warto wiedzieć, jakie ma gabaryty. Takie rozwiązania optyczne klasy 3D wykorzystują firmy spedycyjne do pomiaru paczek i sprawdzania, czy spełniają one określone kryteria. Przynosi to im wymierny zysk finansowy. Tak samo jest w systemach do optymalizacji załadunku. Jednak jak twierdzi Robert Goncerz, rozwiązania 2D mogą nadal pozostać na rynku.
Jego zdaniem, przedstawiając systemy bezdotykowej kontroli wyrobów, warto spojrzeć na zagadnienie z punktu widzenia ich użytkowników w zakładach przemysłowych. Dlatego podzieliłby systemy wizyjne na dwie podstawowe grupy: systemy wizyjne czy też czytniki, w których odczytuje się jedno-, dwuwymiarowe kody kreskowe albo inne, np. systemy rozpoznawania tekstu (OCR), oraz takie, w których programuje się, jak ma wyglądać wzorzec, i sprawdza, czy dany element spełnia oczekiwania pod względem jakościowym. Jak dodaje, systemy wizyjne można też pogrupować pod względem linii produkcyjnej i funkcji, jaką pełnią. Może to być kontrola kodowa, czyli np. odczytuje się, czy karton opakowania ma kod kreskowy zgodny z tym, jaki powinien na nim być. Taką walidację prowadzą choćby producenci kosmetyków przy produkcji kontraktowej, w której raz używają opakowań typu A, innym razem typu B itp. Chodzi o wyeliminowanie pomyłek i nie ma znaczenia, czy system „czyta” kod, czy też rozpoznaje kształt opakowania. Według Roberta Goncerza drugim obszarem są kontrole jakości produktowej, w trakcie których sprawdzane jest, czy półprodukt, produkt lub opakowanie jest odpowiedniej jakości (porównując jego obraz ze wzorcem).
Przy wykorzystaniu systemów wizyjnych 2D bardzo dobrze i szybko kontroluje się np. narzędzia, bo porównuje się dany przedmiot do wzorca. Nie potrzeba mocnych procesorów do obróbki obrazu, bo są tylko dwa wymiary. To coraz częściej stosowany sposób kontroli jakości. Można w ten sposób sprawdzać formy wtryskowe do produkcji batonów czy ciastek. Robert Goncerz przywołuje tu przykład jednego z producentów batonów, który musiał wycofać całą partię produktów z rynku, ponieważ uszkodzeniu uległa forma, a pochodzące z niej elementy plastiku mogły trafić do któregoś z opakowań z gotowym produktem. Stosunkowo prosty i szybki system wizyjny 2D pozwala natychmiast wykryć usterkę i zatrzymać dalszą produkcję. Jeśli kontroluje się narzędzia, to można od razu wykryć wadliwe produkty.
Jak dodaje Robert Goncerz, mimo że dostępne są bardzo dobre rozwiązania pracujące z kamerami kolorowymi, często klienci wybierają rozwiązania czarno-białe pracujące w odcieniach szarości, bo łatwo można w nich wyostrzyć kontury lub doświetlić innym spektrum światła, co uwypukli np. wady krawędzi. Oczywiście, że urządzenia dostępne na rynku mają coraz większe możliwości i do lamusa odchodzą zwykłe liniowe skanery kodów kreskowych, zastępowane są przez kamery, dla których nie ma znaczenia orientacja i położenie kodu.
Jak wybrać system i partnera?
Szymon Marciniuk uważa, że dobierając system wizyjny do aplikacji, należy pamiętać o jego najważniejszych cechach. Po pierwsze, sam system wizyjny nie może być w pełni traktowany jako narzędzie pomiarowe czy kontrolne. W celu oceny jego możliwości i uzyskiwanych dokładności należy spojrzeć na stanowisko globalnie, uwzględniając warunki oświetlenia środowiska pracy i zakłócenia, które mogą na nim wystąpić. Każde stanowisko kontroli wizyjnej jest osobnym systemem, o którego parametrach decyduje dużo więcej czynników niż tylko użyta kamera.
Jak dodaje ekspert, urządzenia do kontroli wizyjnej można podzielić na trzy podstawowe grupy:
-> czujniki wizyjne, w których kamera jest zintegrowana z optyką i oświetleniem, wyposażona w narzędzia wizyjne samodzielnie przetwarzające obraz; dedykowane są one do prostych kontroli OK/NOK;
-> kamery inteligentne, które podobnie jak czujniki wizyjne są zdolne przeprowadzić analizę obrazu „na pokładzie”, dysponują jednak dużo większą mocą obliczeniową, pozwalającą na obróbkę zdjęć wyższej rozdzielczości i zastosowanie złożonych algorytmów. Najczęściej wyposażone są w lepszej jakości optykę i współpracują z oświetlaczami zewnętrznymi. Zastosowanie kamer inteligentnych obejmuje większość gałęzi przemysłu i rodzajów aplikacji, od kontroli OK/NOK przez złożone inspekcje montażu po aplikacje pomiarowe;
-> systemy typu PC Base, w których kamera służy tylko do rejestrowania obrazu. Cała analiza odbywa się w komputerze z dedykowanym oprogramowaniem. Tego rodzaju systemy mają zastosowanie w najtrudniejszych i specyficznych aplikacjach wymagających dużej elastyczności.
Żaden system wizyjny nie może kontrolować cech niewidocznych na zdjęciu, dlatego ważniejszy od kamery i umiejętności programisty jest właściwy dobór optyki i oświetlenia. Jest to złożone zadanie i najczęściej wymaga testów przed wdrożeniem. W tej dziedzinie również pojawia się wiele nowinek technologicznych, które potrafią zmienić niewykonalną aplikację w prostą kontrolę. Zdaniem eksperta przed przystąpieniem do tworzenia stanowiska kontroli wizyjnej warto sprawdzić, z jakimi urządzeniami ma się ono komunikować. Czasem, mimo że zadanie wydaje się wystarczająco proste dla czujnika wizyjnego, niezbędne może się okazać zastosowanie kamery inteligentnej ze względu na przesyłanie dużej ilości danych albo wymagane protokoły komunikacyjne.
Według Szymona Marciniuka jako najważniejsze kryteria wyboru właściwego systemu lub integratora należy wymienić: optymalne dopasowanie do potrzeb, wartość oferty, referencje, doświadczenie oraz termin realizacji danej aplikacji. Coraz częściej jednak spotyka się on z sytuacją, w której wstępnie wybrany partner, pomimo spełnienia większości kryteriów, nie jest w stanie wyprodukować lub zintegrować danej aplikacji w satysfakcjonującym terminie.
Dla pewnych działów najważniejszym kryterium wyboru jest cena, jednak dla działów bezpośrednio związanych z produkcją bez wątpienia najważniejszymi będą wiedza i wsparcie techniczne. Mówimy tu o fachowym podejściu przy tworzeniu aplikacji oraz o wsparciu posprzedażowym. W wielu przypadkach odbiorca danej aplikacji musi się liczyć ze zmiennymi, o których sam dowiaduje się dopiero po zintegrowaniu całego systemu. Wtedy właśnie bardzo ważną rolę odgrywa wsparcie techniczne dostawcy. W takiej sytuacji najlepiej jest, jeśli dostawca dysponuje własnym działem technicznym, często wyspecjalizowanym, np. działem wizyjnym i każdy projekt przed wdrożeniem jest walidowany, zatwierdzany przez specjalistów.
Jak mówi Szymon Marciniuk, polscy przedsiębiorcy, wybierając integratora czy producenta maszyn specjalnych, kierują się przede wszystkim wiedzą o jego płynności finansowej i satysfakcją z wcześniejszych kontaktów z firmą. Z badań wynika, że głównym źródłem wiedzy o wiarygodności potencjalnego kontrahenta są opinie innych przedsiębiorców i znajomych oraz posiadane przez niego referencje. Poza kwestiami formalnymi ważne jest, aby dział realizacji zamówień klienta na każdym etapie wyboru dostawcy blisko współpracował z działem technicznym, aby realnie określić faktyczną wartość danego projektu.
Robert Goncerz uważa, że nie warto inwestować w rozwiązania o bardzo wysokiej jakości obrazu, jeśli takich nie potrzeba. O czym należy pamiętać, dobierając rozwiązanie? Im większe powierzchnie są skanowane i więcej detali ma być uzyskanych na obrazie, tym bardziej potrzebna jest wysoka rozdzielczość. Jednak im jest ona większa, tym dłuższy jest czas ekspozycji i potrzeba wyższych mocy obliczeniowych, by przetworzyć obraz do postaci cyfrowej.
Jeśli chcemy uzyskać wyniki szybko, ale przy ograniczonych nakładach finansowych na sprzęt, to rozwiązania muszą być uproszczone i dopasowane do oczekiwań. Należy również pamiętać, że takie rozwiązania mają określony czas życia technicznego i to, co teraz jest trudne do wykonania, za kilka lat może być standardem.
Rozwiązania
Na rynku jest dziś dostępnych wiele rozwiązań z zakresu bezdotykowej kontroli wyrobów. Trudno nawet wymienić tylko te najbardziej znane. Przykładowo Cognex oferuje nową kamerę – IS7000G2. Kamery serii IS7000 drugiej generacji wyróżniają się m.in.: algorytmami, Surface FX (technika wyodrębnienia), PatMax redline (lokalizacja części w obrazie), wymiennymi i konfigurowanymi przez użytkownika modułami oświetleniowymi oraz optyką. Ma wbudowany oświetlacz z możliwością wyzwalania strefowego. Znacząco skrócono też czas obróbki obrazu dzięki zastosowaniu silniejszego procesora i zoptymalizowanych algorytmów. Innym przykładem są profilometry laserowe In-Sight – narzędzie pomiarowe o wysokiej dokładności i szerokim zastosowaniu. Dostępnych jest kilka wariantów głowic (z laserem czerwonym i niebieskim), różniących się polem widzenia i dokładnością pomiaru. Głowice laserowe są też wykorzystywane jako część bardziej złożonych systemów firmy Cognex, takich jak: system dwugłowicowy – połączenie dwóch głowic laserowych w jeden system za pośrednictwem kontrolera VC200, co otwiera kolejne możliwości kontroli, takie jak pomiar grubości i kontrola detali o dużych gabarytach. Natomiast system 3D pozwala na rejestrowanie i analizę pełnego obrazu przestrzennego powstałego przez zeskanowanie obiektu głowicą profilera.
Z oferty rynkowej warto wymienić Compact Vision Systems SBOC-Q/SBOI-Q firmy FESTO – jest to nie tylko system czujników do przechwytywania danych obrazu, ale także kompletna jednostka do przetwarzania obrazu, zintegrowany sterownik PLC oraz interfejsy do komunikacji z kontrolerami wyższego poziomu. Narzędzia oprogramowania CheckKon i CheckOpti sprawiają, że konfigurowanie zadania do przetwarzania obrazu jest proste, a użytkownik tworzy obrazy referencyjne oraz określa kryteria inspekcji. W jednym programie można połączyć 256 różnych parametrów, a w kamerze zapisać do 256 programów inspekcji.
W ofercie firmy Balluff też (poza czujnikami wizyjnymi BVS E) znajduje się SmartCamera do wykonywania zadań z zakresu śledzenia produktów i kontroli jakości. Kamera odczytuje kody 1D, 2D oraz napisy (OCR). Rezultaty są przesyłane do nadrzędnych systemów za pomocą standardowych interfejsów przemysłowych. Urządzenie wyposażono w port IO-Link, który pozwala na podłączenie dowolnego urządzenia, np. kolumny sygnalizacyjnej SmartLight. Najważniejsze cechy podawane przez producenta to: interfejsy komunikacyjne (Profinet, IO-Link oraz Ethernet), możliwość podłączenia urządzenia IO-Link bezpośrednio do kamery, zaimplementowany w urządzeniu software oraz wytrzymałe wykonanie przeznaczone do pracy w warunkach przemysłowych.
Z kolei firma Turck dostarcza na rynek serię czujników wizyjnych serii PresencePLUS. To urządzenia kompaktowe do inspekcji wizyjnych i identyfikacji. Czujniki wizyjne iVu, jak podaje producent, mają wypełnić lukę pomiędzy zaawansowanymi rozwiązaniami do analizy obrazu i typowymi czujnikami fotoelektrycznymi. Można je konfigurować bezpośrednio, wykorzystując zintegrowany ekran dotykowy. Ich zastosowanie upraszcza aplikacje, bo mogą zastąpić większą liczbę zwykłych czujników. Dostępne są z różnymi wykonaniami obudów.
To oczywiście tylko kilka przykładów z naszego rynku.
Podsumowanie
Od kilku lat systemy wizyjne znajdują coraz więcej zastosowań w zakładach produkcyjnych, zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym. Rozwija się oferta kamer inteligentnych i obniżają się ich ceny. Analitycy zwracają też uwagę na włączanie kontroli termicznej w systemach wizyjnych. Podaje się, że systemy wizyjne do kontroli procesów produkcyjnych w produkcji półprzewodników, elektroniki i samochodów stanowiły w 2016 r. nawet blisko 60% całkowitego popytu.
Dziś można uznać, że kontrola wizyjna takich parametrów, jak kształt, wymiary, kolor, etykiety, napisy itp. pozwala zastosować ją przy produkcji praktycznie każdego dowolnego elementu. Podkreśla się też łatwość wdrożenia tego rodzaju rozwiązań, bo nie ma potrzeby modyfikowania już istniejących linii produkcyjnych.
Zawsze w rozwiązaniach wizyjnych kluczem jest dobrej jakości oświetlenie – dobrane do potrzeb. Na pewno warto zainteresować się wszystkimi rozwiązaniami i stale śledzić ich rozwój.
Autor: Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do odbiorców z branży automatyki przemysłowej.
