Systemy wizyjne – nieodzowny element nowoczesnej kontroli

Od jakiegoś czasu rolę wzroku przejmują z powodzeniem systemy wizyjne, których stosowanie zapewnia znaczne zwiększenie stopnia automatyzacji przemysłu. Omawiane systemy umożliwiają obserwację cyklów produkcyjnych, co z kolei daje szansę na zautomatyzowanie procesów decyzyjnych oraz zapewnienie bezpieczeństwa oraz wysokiej jakość produkcji.

Oko w przemyśle

Podstawowym składnikiem każdego systemu wizyjnego jest element zbierający różnego rodzaju informacje z otoczenia. Ze względu na wymiar ekonomiczny, często taką rolę odgrywają czujniki wizyjne. W ofercie firm z branży automatyki można znaleźć różne ich rodzaje.

Jedną z grup czujników wizyjnych dostępnych na rynku są czujniki koloru. Ich zasada działania opiera się na wysyłaniu światła na kontrolowany obiekt i porównywaniu parametrów odbitego promieniowania z wartościami wzorcowymi. Kolejną grupę czujników stanowią sensory, które wykrywają różnicę kontrastu na badanych powierzchniach. Przykładowym zastosowaniem tych elementów są maszyny drukarskie, w których za ich pomocą wykrywane są określone znaczniki na różnego typu tłach. Innymi rodzajami czujników wizyjnych są czujniki skali szarości oraz czujniki jasności, których zasada działania polega na wykrywaniu jasnych i ciemnych pól na badanej powierzchni. Wszystkie wyżej wymienione sensory znajdują zastosowanie w kontrolowaniu jakości, dzięki nim można sprawdzać zgodność danego przedmiotu z wzorcem, wykrywać różnego rodzaju defekty lub braki.

Kolejną grupę czujników stanowią sensory laserowe. Są one stosowane w pomiarze odległości od badanego obiektu oraz w wykrywaniu profilu geometrycznego przedmiotu poddawanego analizie. Za ich pomocą można przykładowo dokonywać detekcji różnego rodzaju produktów na taśmie produkcyjnej, sprawdzać ich kontury czy wykrywać szczeliny. Czujniki tego typu można znaleźć w ofercie wielu firm, np. Omron Electronics oferuje serię czujników ZX2 punktowych oraz wyświetlających linię pomiarową, a Baumer charakteryzującą się wysoką odpornością na wpływ zewnętrznego oświetlenia serię OADM20. Wśród czujników wizyjnych można również znaleźć sensory fotoelektryczne. Gdy na drodze między nadajnikiem i odbiornikiem zostaje wykryty obiekt, w wyniku zmiany natężenia światła, dochodzi do zmiany określonej wielkości elektrycznej. Dzięki takiemu zachowaniu czujnika, można dokonywać detekcji różnych przedmiotów. Tego rodzaju sensory znajdują zastosowanie w wizyjnych systemach bezpieczeństwa oraz aplikacjach opierających się na sprawdzaniu obecności określonych elementów na pożądanym miejscu.

Powyżej przedstawiono oczywiście tylko wybrane grupy czujników znajdujących zastosowanie w przemysłowych systemach wizyjnych. Wielu producentów oferuje swoim klientom czujniki łączące więcej niż jedną funkcjonalność, czyniąc swój produkt bardziej uniwersalnym i pożądanym do nieco bardziej skomplikowanych aplikacji. Przykładem takich urządzeń są czujniki SBSI-Q firmy Festo oraz BVS E firmy Balluff. Możliwość równoczesnej kontroli wielu cech danego obiektu daje większą gwarancję jakości wytwarzanych produktów. Inną drogą na uatrakcyjnianie swoich produktów jest ich ukierunkowywanie na konkretną branżę przemysłową. Najlepszym tego przykładem jest dedykowany dla branży drukarskiej, a oferowany przez firmę Pepperl+Fuchs Sp. z o.o, czujnik do weryfikacji arkuszy VOS412 – BIS.

Warto zastanowić się nad najistotniejszymi cechami, które należy brać pod uwagę podczas doboru odpowiedniego czujnika wizyjnego do konkretnej aplikacji. Kluczowym zadaniem jest poddanie danego procesu analizie w celu określenia wszelkich jego cech krytycznych. Ich wyszczególnienie ułatwia dobór odpowiedniego rodzaju czujnika. Przykładowo, jeżeli krytycznymi cechami wytwarzanego na danej linii produkcyjnej produktu są jego kształt i wymiary, to należy poszukiwać czujnika wykrywającego profil geometryczny, w celu weryfikacji jakości pod kątem tych parametrów. Znając typ czujnika, należy ocenić, jak szybko czujnik powinien wykonywać operacje, do których został przeznaczony w danej aplikacji. Nie bez znaczenia pozostają również kształt, obudowa, mocowanie i stopień ochrony poszukiwanego elementu.

Obserwacja zaawansowana

Gdy aplikacja wymaga bardziej zaawansowanych rozwiązań wizyjnych, czujniki mogą okazać się niewystarczające. Wtedy pojawia się potrzeba skorzystania z kamery, dzięki której można otrzymać dokładny obraz wybranego wycinka przestrzeni. Na jego podstawie można przeprowadzić wnikliwą, wielowątkową analizę za pomocą odpowiedniego oprogramowania i zaszytego w nim algorytmu, odpowiednio dobranego do konkretnej aplikacji. Interpretacja obrazu uzyskanego z kamery umożliwia kontrolowanie i porównywanie jednocześnie kilku parametrów obiektu, np. koloru, kształtu i wymiarów. Kamery realizują również detekcję oraz określanie pozycji badanych obiektów, ich identyfikację, rozpoznawanie, zliczanie czy skanowanie.

Podczas rozważań na temat kamer stosowanych w wizji przemysłowej, warto zastanowić się nad definicją kamery inteligentnej. Zasadniczo chodzi o to, że kamera określana mianem inteligentnej, oprócz układu do zapisu obrazów, ma procesor odpowiadający za automatyczny wybór odpowiednich, pożądanych przez użytkownika informacji z rejestrowanego obrazu. Wybór ten dokonuje się bez używania zewnętrznych modułów wspomagających.

Przy doborze kamery do danej aplikacji należy zastanowić się nad minimalnymi wymaganiami, które musi spełniać, aby sprawdzić się w rozpatrywanej aplikacji. Obok rozdzielczości ekranu oraz rodzaju matrycy, warto zwrócić uwagę na szybkość przetwarzania obrazu mierzoną w klatkach na sekundę. Istotny jest również typ obudowy urządzenia, stopień jego ochrony oraz sposób mocowania. W ofercie firm specjalizujących się w branży systemów wizyjnych można znaleźć bardzo wiele różnych serii urządzeń. W ramach jednej serii istnieje również często możliwość wyboru wśród różnych rozdzielczości, tak jak ma to miejsce np. w serii CORSIGHT oferowanej przez firmę C&C Partners, a nawet różnych rodzajach matryc, jak ma to miejsce np. w serii kamer VS-06, którą można znaleźć w ofercie Stoltronica.

Na rynku przeważają kamery monochromatyczne. W większości serii kamer różnych producentów nie ma wersji kolorowych produktów. Jeżeli jednak występują, są to pojedyncze modele, które dodatkowo często mają słabsze parametry względem wersji monochromatycznych. Oczywiście należy również zwrócić uwagę na ekonomiczny aspekt podczas rozważania różnic pomiędzy obiema wersjami. Zdecydowana większość kamer używanych w systemach wizyjnych w automatyce ma matrycę mniejszą niż 1/2˝ i może przetworzyć nie więcej niż 64 klatki/s. Oczywiście zdarzają się większe matryce, przykładem niech posłuży model kamery Datalogic T49 (2/3˝) oraz większe szybkości przetwarzania, jak ma to miejsce np. w kamerze Vcnano Z0010, gdzie dochodzi ona do 120 klatek/s. Jest to jednak zdecydowanie mniejsza grupa urządzeń w szerokiej gamie produktów oferowanych na rynku.

Analiza otrzymanego obrazu

Otrzymany za pomocą kamery obraz należy poddać analizie. W tym celu wykorzystuje się najczęściej dedykowane oprogramowanie, które znacząco ułatwia, przyspiesza oraz czyni efektywniejszą pracę projektantów i operatorów systemów wizyjnych.

Jednym z takich programów w swojej ofercie może pochwalić się firma C&C Partners sp. z o.o. Nosi ono nazwę Adaptive Vision Studio. Środowisko ma wbudowany Programator Panelu Operatorskiego – HMI Designer. Zaletą prezentowanego systemu jest możliwość stosowania setek gotowych filtrów, które można zaadoptować do swoich rozwiązań. Ciekawą cechą omawianego środowiska jest również możliwość dostosowania kształtu interesującego obszaru do indywidualnych potrzeb.

Innym oprogramowaniem obsługującym zadania związane z systemami wizyjnymi w automatyce jest Common Vision Blox , który znajduje się w ofercie firmy Stemmer Imaging. Firma zapewnia setki przykładowych programów, które mogą posłużyć za bazę w budowaniu własnych rozwiązań oraz modułowość licencjonowania, dzięki której można selekcjonować przydatne funkcjonalności oprogramowania. Ponadto interesująca jest niezależność oprogramowania od stosowanego sprzętu. Stosowany sprzęt nie determinuje budowy algorytmów, dzięki czemu na każdym etapie można dokonać wymiany urządzeń, co nie będzie miało wpływu na pisany program.

Również firma Siemens posiada w swoim portfolio oprogramowanie dedykowane do zastosowań wizyjnych – SIMATIC Visionscape. Ciekawostką są wstępnie przygotowane konfiguracje do zastosowań w przemyśle farmaceutycznym, opakowań i elektronicznym. Obok szerokiej gamy narzędzi do przetwarzania obrazu, na wyróżnienie zasługują narzędzia do wykrywania niedoskonałości i wszelkiego rodzaju wahań oraz do detekcji znaków.

Kontrola jakości

Jednym z głównych zastosowań systemów wizyjnych jest kontrola jakości wytwarzanych produktów. Za pomocą czujników i kamer można zbadać przykładowo kontur przedmiotu, zgodność ilości krawędzi, porównać wymiary, zweryfikować prawidłowość umiejscowienia danego elementu, skontrolować stan powierzchni, wzór nadruku czy też ocenić barwę. Już na podstawie tego wyliczenia można zauważyć, jak szerokie spektrum zastosowań mają systemy wizyjne w różnego rodzaju gałęziach przemysłu, jak branża spożywcza (ocena prawidłowości zamknięcia produktu, poziomu cieczy oraz kompletności informacji wymaganych przepisami na opakowaniu), farmaceutyczna (kontrola oznakowania, poprawność zamknięcia opakowań, kompletność produktu), motoryzacyjna (jakość poszczególnych elementów, jakość montażu podzespołów), elektroniczna (poprawność montażu płytek i modułów), transport i logistyka (poprawność zapakowania, kontrola efektów paletyzacji).

Warto wspomnieć o optycznym rozpoznawaniu obrazów – algorytmie OCR (ang. Optical Character Recognition), który doskonale sprawdza się przy odczytywaniu numerów seryjnych danych produktów. Algorytm zapewnia rozróżnianie i rozpoznawanie znaków. Innym, szczególnie ciekawym algorytmem jest algorytm OCV (ang. Optical Character Verification), który umożliwia porównywanie drukowanych tekstów z wzorcowymi ciągami znaków. Przedstawicielami czujników ze zintegrowanymi kontrolerami są czujniki typu P4O1 firmy 
Turck sp. z o.o.

Przykładem specjalizowanego systemu wizyjnego jest VISION VS-8 oferowany przez firmę RENEx , który jest dedykowany do kontroli obwodów drukowanych i SMT. Ciekawym elementem tego systemu jest obrotnica ukośna, która umożliwia otrzymywanie lepszego obrazu elementów trójwymiarowych, takich jak złącza lutowane na płytkach.

Ciekawym przedstawicielem systemów wizyjnych jest CVS Trevista, który można odnaleźć w portfolio firmy Stemmer Imaging. Omawiany produkt jest przeznaczony do badania powierzchni, a jego wyróżnikiem jest odpowiednie radzenie sobie z trudnymi pod kątem analizy wizyjnej materiałami, takimi jak błyszczące powierzchnie metalowe. System zawiera oświetlenie w postaci kopuły naświetlającej oraz sterownik, którego rolę spełnia komputer klasy PC. System jest w stanie wykryć defekty o głębokości zaledwie kliku mikrometrów.

Analizując powyższe przykłady specjalistycznych systemów wizyjnych, można zauważyć, że ich odbiorcami będzie wąska grupa. Zaletą zdecydowania się na zaimplementowanie danego specjalizowanego systemu w swojej aplikacji jest to, że przy niewielkim nakładzie pracy można przystosować go do pożądanej funkcjonalności. Mało tego, jest to rozwiązanie przetestowane, a szansa na to, że jego wdrożenie zakończy się sukcesem, jest bardzo spora i na pewno większa niż podczas budowy systemu od podstaw.

Wizyjne systemy bezpieczeństwa

Jednym z kluczowych zastosowań systemów wizyjnych w przemyśle jest zapewnienie bezpieczeństwa pracy. Dzięki urządzeniom wizyjnym możliwym staje się zapewnienie ochrony operatorom i osobom postronnym przed sytuacjami zagrażającymi ich zdrowiu i życiu. Wykrycie przez dany wizyjny system bezpieczeństwa sytuacji niebezpiecznej, powoduje natychmiastowe powzięcie działań prowadzących do minimalizacji ryzyka wypadku. Jest to realizowane przez wyłączenie odpowiednich elementów ruchomych, całych urządzeń lub też części linii technologicznych. Istotną rolę w tego typu systemach odgrywa sterownik bezpieczeństwa, który otrzymuje informacje z różnego rodzaju elementów wizyjnych (czujniki, kamery), przetwarza je i wysyła odpowiednie komendy do urządzeń wykonawczych w celu jak najszybszej ich reakcji na występującą sytuację niebezpieczną.

Jedną z firm posiadających w swojej ofercie wizyjne systemy bezpieczeństwa jest Pilz. W jej portfolio można znaleźć system o nazwie SafetyEYE, który wyróżnia się możliwością monitorowania pod kątem zachowania bezpieczeństwa stref trójwymiarowych. Sam monitoring odbywa się za pomocą urządzenia, które składa się z trzech kamer, nie wymagających kalibrowania. Opisywane urządzenia należy umieścić nad strefą, którą użytkownik chce zabezpieczyć. Drugą część systemu stanowi moduł analizy, który odbiera dane otrzymane z kamer, a następnie wysyła odpowiednio przetworzone przez siebie informacje do wbudowanego, programowalnego systemu bezpieczeństwa. Cechą charakterystyczną prezentowanego systemu jest krótki czas potrzebny na jego wdrożenie. Konfiguracja stref ostrzegania i wykrywania oraz diagnostyka z nimi związana odbywa się z użyciem dedykowanego oprogramowania SafetyEYE Configuratora.

Zdecydowanie bardziej ekonomicznym rozwiązaniem zapewniającym zabezpieczenie wyznaczonej strefy jest stosowanie wielowiązkowych barier optycznych z programowalnym sterownikiem bezpieczeństwa. Pojawienie się jakiegokolwiek obiektu między nadajnikiem i odbiornikiem znajdującymi się w barierach optycznych powoduje przerwanie wiązek świetlnych, a co za tym idzie pojawienie się sygnału elektrycznego na wyjściu urządzenia, który jest impulsem do powzięcia działań przez sterownik. Ten realizuje odpowiednie działania zmierzające do minimalizacji ryzyka wystąpienia sytuacji niebezpiecznej, realizując algorytm, który został zaprojektowany przez programistę. Świetlne bariery bezpieczeństwa mają jednak ograniczone możliwości funkcjonalne.

Oczy robota

Ciekawym zastosowaniem systemów wizyjnych jest branża robotyki, w tym roboty mobilne. Bogate doświadczenie ma tu Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP, który opracował aż dziewięć różnych typów urządzeń należących do tej kategorii. Są one wykorzystywane między innymi przez policję, wojsko oraz straż graniczną i idealnie nadają się do realizacji zadań specjalnych.

Jednym ze wspomnianych modeli jest robot wspomagająco – neutralizujący EXPERT dedykowany do przeprowadzania akcji w środkach transportu. Urządzenie posiada aż sześć kamer: po jednej na manipulatorze, na chwytaku, z przodu, z tyłu robota oraz dwie bo bokach przednich gąsienic. Każda z nich posiada oświetlacz LED, a większość wyposażona jest w podgrzewacze. Główna kamera jest ruchoma, kolorowa, ma możliwość dużego zbliżenia, a ponadto posiada duży zakres pola widzenia. Dzięki opisywanemu systemowi wizyjnemu możliwa jest zdalne sterowanie urządzeniem oraz inspekcja zagrożonych przestrzeni bez zagrożenia życia operatora.

Nietuzinkowy sposób na przemieszczanie przedmiotów za pomocą manipulatora i systemu wizyjnego ma w swoim portfolio firma Fanuc. Chodzi o czujnik FANUC 3D Area Sensor, który umożliwia rozpoznanie i wybieranie losowo porozrzucanych obiektów z pojemnika, w celu ich pobrania i przeniesienia w ustalone miejsce. Zintegrowany z czujnikiem system pozwala na zwiększanie efektywności całego procesu, dzięki efektywnemu doborowi kolejności pobieranych elementów. Istotną zaletą prezentowanego rozwiązania jest pełna integracja czujnika z robotem. Zasada działania czujnika opiera się na projekcji światła strukturalnego, dzięki któremu możliwe staje się budowanie map 3D.

Również pakiety oprogramowania, które są dostępne w ofercie producentów i integratorów systemów zrobotyzowanych, powinny być przystosowane do systemów wizyjnych, będących wyposażeniem dodatkowym robotów. Przykładowym pakietem obsługującym systemy wizyjne jest KUKA.VisionTech. Jest on uzupełnieniem układu sterowania KR C4 dedykowanego dla urządzeń produkowanych przez firmę Kuka. Pakiet umożliwia rozpoznawanie obiektów dwuwymiarowych, detekcję kodów, optyczne rozpoznawanie znaków oraz kontrolę jakości. Niewątpliwą zaletą systemu wizyjnego firmy Kuka jest kamera wykonana w obudowie IP67.

Widzieć więcej

Wniosek, który wynika z powyższego przeglądu urządzeń systemów wizyjnych stosowanych w automatyzacji i robotyzacji jest taki, że elementy składające się na te systemy są jednymi z istotniejszych dla optymalnego funkcjonowania urządzeń automatyki. Prawdziwa jest teza przytoczona we wstępie do artykułu, w której przyrównano funkcjonalności systemów wizyjnych do zmysłu wzroku człowieka. Kontrolowanie przebiegu procesów produkcyjnych oraz ich prawidłowe zabezpieczenie są fundamentami sukcesów w branży przemysłowej. W związku z tym można być pewnym, że branża systemów wizyjnych będzie się nadal prężnie rozwijać, a jej elementy będą spełniać coraz śmielsze oczekiwania ich odbiorców. Dzięki powszednieniu rozwiązań wizyjnych, można również liczyć na zwiększenie komfortu pracy operatorów maszyn oraz zwielokrotnianie efektywności produkcji. Ponadto odbiorca końcowy będzie mógł cieszyć się produktami coraz wyższej jakości.

PIAP-OBRUSN

* Tabele produktów dostępne są w wersji drukowanej i PDF czasopisma

źródło: Automatyka 6/2017