Systemy wizyjne w kontroli jakości procesów produkcyjnych

Efekt działania czujnika to wypracowany sygnał binarny, który kwalifikuje lub odrzuca kontrolowany obiekt. Z kolei bardziej zaawansowane czujniki do wymiany danych mogą wykorzystywać interfejs Ethernet oraz RS-232 lub RS-485.

Zalety systemów wizyjnych w produkcji

Jako zalety czujników wizyjnych należy wymienić stuprocentową kontrolę jakości. Nie mniej istotna pozostaje możliwość wykonywania szybkich pomiarów bez konieczności zatrzymywania linii produkcyjnej. Dzięki współpracy systemu wizyjnego z aplikacjami komputerowymi w automatyczny sposób tworzone są bazy danych oraz statystyki dotyczące jakości. Aplikacje komputerowe bazując na informacjach pozyskanych z systemów wizyjnych są w stanie dokumentować kontrolę zgodnie z przyjętymi kryteriami.

Nowoczesne czujniki wizyjne przede wszystkim cechują się intuicyjnością obsługi, a także elastycznością pracy, dzięki której w zależności od potrzeby mogą być definiowane podstawowe parametry użytkowania, tj. odległość i przestrzeń działania. Komfort użytkowania i serwisowania poprawia interfejs użytkownika, obsługiwany za pomocą wbudowanego kolorowego wyświetlacza. Z pewnością przydatna okaże się modułowość systemu. Tym sposobem w przypadku konieczności rozbudowy aplikację można szybko rozszerzyć poprzez dodanie kolejnych narzędzi kontrolnych.

Czujniki wizyjne stwarzają projektantom możliwość użycia narzędzi analitycznych służących do kontroli jakości, porównywania kontrastu, liczenia krawędzi, porównywania szerokości, rozpoznawania obiektów wzorcowych, a także do kontroli konturu i pozycji.

Bardziej zaawansowane czujniki pozwalają na dokładne porównywanie znaków. Urządzenia te znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie wy
magana jest wysoka wydajność oraz weryfikacja znaków – najczęściej przy sprawdzaniu poprawności nadruków lub etykiet. Należy podkreślić, że jeden czujnik jest w stanie kontrolować kilka parametrów jednocześnie.

Nowoczesne czujniki bazują na wbudowanym oświetleniu. W połączeniu z odpowiednimi szybami dają światło czerwone, zielone, niebieskie lub rozproszone białe bez konieczności prowadzenia dodatkowego okablowania. Pamiętać należy, że dobierając system wizyjny należy uwzględnić odpowiednią szybkość przechwytywania i przetwarzania obrazu.

Firma Keyence oferuje m.in. kamery serii CV-5000. Są to urządzenia, które mają różną rozdzielczość i wielkość, zatem odpowiednie rozwiązanie dobiera się ściśle pod kątem konkretnej aplikacji. Kamery są konfigurowane z poziomu komputera. Jeden kontroler może obsługiwać do czterech kamer. Producent ten oferuje również szeroką gamę oświetlaczy typu backlight, low angle, spot, coaxial, ring, doom i bar. Zapewniają one światło LED czerwone, niebieskie i białe. Emisja ma częstotliwość wynoszącą 100 kHz.

Z oferty firmy Turck wybrać można m.in. czujniki iVu należące do serii PresencePLUS. Urządzenia można konfigurować z poziomu zintegrowanego ekranu dotykowego. Czujnik VE200G1A tej serii zapewnia narzędzia przetwarzania obrazu takie jak kontrola pozycji, wartość szarości, a także analizowanie krawędzi i obiektu, wykrywanie obszarów oraz monitorowanie ciągłości. Oprócz tego dostępne są narzędzia analizy w postaci operacji pomiarowych i matematycznych, do których należy przetwornik obrazu 1/1,8˝ CMOS 0,3 MP.

Zastosowanie czujników wizyjnych

Spektrum zastosowania systemów wizyjnych jest bardzo szerokie, ponieważ obejmuje wiele gałęzi przemysłu. Warto mieć na uwadze aplikacje odpowiedzialne za sterowanie maszynami pozycjonującymi opakowania. Z kolei w przemyśle farmaceutycznym wspomagana jest kontrola napełniania blistrów. Z systemów wizyjnych bardzo często korzysta również przemysł elektroniczny. Chodzi tutaj o aplikacje przeznaczone do kontrolowania obecności i położenia elementów elektronicznych. Możliwe jest przy tym sprawdzanie poprawności pozycjonowania i działania wskaźników wraz z weryfikacją zawartości opakowań. Warto wspomnieć o systemach wizyjnych pracujących w fabrykach przemysłu kosmetycznego. W takich aplikacjach systemy mogą odpowiadać za kontrolę położenia etykiet wraz ze skuteczną weryfikacją ułożenia opakowań.

W przemyśle maszynowym systemy wizyjne są istotnym elementem procesów wykorzystujących wizualną kontrolę powierzchni po zakończonej obróbce mechanicznej. Czujniki wizyjne mogą również sprawdzić wymiary kształtów, taśm i przewodów.

Ważnym tematem jest praca systemów wizyjnych w przemyśle spożywczym, np. na liniach butelkowania. W szczególności wykrywane są defekty takie jak mikropęknięcia, pęknięcia czy zgniecenia. Systemów wizyjnych nie brakuje w punktach kontrolnych gdzie wykrywane są zanieczyszczenia w butelkach. Jest możliwe zliczanie puszek, butelek, a także kontrolowanie zawartości i stanu opakowań oraz terminów przydatności. Systemy wizyjne czytają kody z butelki, po czym dane są wprowadzane do bazy danych.

Są również aplikacje bazujące na systemach wizyjnych odpowiedzialnych za kontrolowanie obecności i jakości wydruku. Sprawdzany jest stan zamknięcia oraz wykrywana jest rdza na metalowych zamknięciach.

Systemy wizyjne cieszą się dużym uznaniem w przemyśle motoryzacyjnym. Chodzi np. o kontrolę kokpitów samochodów, które są mocowane na wózkach transportowanych a te na specjalnych karuzelach. Należy podkreślić, że kontrolę przeprowadza się w czasie, gdy kokpit jest przemieszczany na linii produkcyjnej. Miejsce kontroli stanowi specjalnie wyodrębniony moduł, którego długość wynosi 2 m. Dla zapewnienia skutecznej pracy systemu muszą być zagwarantowane warunki pozwalające na właściwą ekspozycję kontrolowanych elementów. Konieczne jest zatem zastosowanie odpowiednich urządzeń naświetlających.

System wizyjny złożony jest z części statycznej i ruchowej. Część statyczna zawiera urządzenie elektryczne i elektroniczne. Z kolei podzespoły elektroniczne odpowiedzialne za kontrolowanie punktów są w części ruchomej.

Istotną rolę odgrywa specjalistyczne oprogramowanie komputerowe nadzorujące pracę systemu. Przede wszystkim pobiera i analizuje obraz z kamer.

Innym przykładem wykorzystania systemów wizyjnych może być kontrola nakrętek na linii produkcyjnej. W pierwszej kolejności mierzona jest szerokość szczeliny między rantem butelki a nakrętką. Tym sposobem gromadzone są informacje o poprawności dokręcenia. Niewłaściwie dokręcone butelki trafiają do transportera buforowego. Ważna jest uniwersalność układu, co pozwala na pracę z butelkami o różnych pojemnościach. Istotną rolę odgrywa odpowiednie oświetlenie miejsca wykonywania kontroli.

Firma Balluff oferuje m.in. system BVS-E Advanced. System jest stosowany do kontroli procesów wymagających rozpoznawania pozycji w zakresie 360°, przy czym różne cechy są łączone logicznie. Producent w ramach tej serii oferuje również mniej zaawansowany system o nazwie BVS-E Standard. Ma on 20 miejsc w pamięci i do dyspozycji jest siedem narzędzi dowolnie obracanych. Użytkownik może zaprogramować do 25 cech. Kilka czujników może pracować w ramach jednej sieci.

Parametryzowanie czujników

Parametryzując typowe czujniki wizyjne do wyboru są dwie możliwości. Do dyspozycji jest bowiem monitor z ekranem dotykowym lub oprogramowanie komputerowe będące narzędziem konfiguracyjnym. Ustawianie parametrów pracy może być przeprowadzone w czasie rzeczywistym, zatem nie trzeba zatrzymywać linii produkcyjnej. Przydatnym rozwiązaniem jest funkcja automatycznego konfigurowania i dostrajania, dzięki której wybiera się optymalne warunki pomiarowe samoczynnie przez oprogramowanie konfiguracyjne. Oprócz tego automatycznie dobrane ustawienia można sprawdzić i zmienić na poszczególnych ekranach konfiguracji.

Ustawienia mogą być zabezpieczone hasłem z jednoczesnym ograniczeniem przełączania z trybu pracy na tryb konfiguracji. Do ekranu trybu pracy można dodawać często zmieniane konfiguracje. W efekcie zyskuje się możliwość szybkiego korygowania ustawień.

Wyniki analizy samoczynnie zapisują się w dzienniku, z kolei próbki są przesyłane do oprogramowania na bieżąco. Można sprawdzić dane z uwzględnieniem skali czasowej. Pomocne są przy tym wykresy oraz korekta warunków oceny. Jeżeli oprogramowanie obsługuje kilka czujników, to wyświetlacz będzie udostępniał obraz z czujnika, który wykrył defekt.

Popularność systemów wizyjnych wynika przede wszystkim z racji możliwości ich szybkiego konfigurowania. Stąd też wiele urządzeń bazuje na funkcji asystenta. Tym sposobem system konfiguruje się krok po kroku z możliwością bieżącego podglądu wprowadzonych zmian konfiguracyjnych. Wraz z wprowadzeniem i zapisaniem ustawień system rozpoczyna pracę samodzielną. Jeżeli konieczna jest szybka konfiguracja systemu, np. podczas pracy linii produkcyjnej to warto zadbać o specjalny programator z oprogramowaniem. W efekcie czujnik wizyjny może być konfigurowany w miejscu jego montażu. Łatwą obsługę programatora zapewni kolorowy wyświetlacz przedstawiający proces programowania.

Firma Automatech oferuje m.in. zintegrowany system wizyjny Cognex In-Sight Micro. Ważne są niewielkie wymiary systemu. W serii 7000 zastosowanie znalazł autofokus, optyka oraz zintegrowane oświetlenie, przy czym jest możliwe sterowanie oświetleniem zewnętrznym. Odporność urządzeń na działanie warunków środowiskowych zapewnia stopień ochrony IP67.

Z oferty firmy Pepperl+Fuchs wybrać można m.in. czujniki wizyjne zaprojektowane z myślą o weryfikacji arkuszy. Chodzi tutaj m.in. o czujnik BIS510 monitorujący poprawną kolejność arkuszy na potrzeby pracy chociażby maszyn do zszywania lub składu. Ten sam producent oferuje również czujniki serii PHA. Przykładowym ich zastosowaniem jest pozycjonowanie urządzeń, które odpowiadają za obsługę wysokich stelaży magazynowych. W konstrukcji stelaży mogą być wykrywane okrągłe otwory wraz z ich odchyleniem od położenia standardowego.

Cechy czujników wizyjnych

Typowy czujnik wizyjny bazuje na wbudowanym układzie analizy obrazu. Nie mniej ważny jest również układ wejść i wyjść, optyka oraz odpowiednio dobrane urządzenie oświetlające. Wszystkie te właściwości składają się na skutecznie realizowaną inspekcję wizyjną.

Odpowiednie czujniki są dobierane do aplikacji, gdzie wymagana jest duża prędkość przetwarzanego obrazu. Uniwersalność czujników pozwala na dobranie funkcji ściśle pod kątem konkretnej aplikacji. Wiele systemów dopasowuje funkcje samoczynnie. Przyda się również funkcja OCR. Wiele czujników bazuje na złączach pozwalających na podłączenie kilku kamer. Z kolei do przechowywaniach danych i obrazów służy gniazdo kart Compact Flash.

W wielu aplikacjach sprawdzą się czujniki z funkcjonalnością pozwalającą porównywać znaki. Chodzi o systemy, gdzie trzeba mieć na uwadze wysoką wydajność z weryfikacją znaków – np. poprawność informacji na etykietach lub nadrukach. Za pomocą jednego czujnika można kontrolować kilka parametrów przedmiotów.

Ważna jest funkcja kalibracji obrazu. To właśnie dzięki niej wyniki kontroli obiektów są wiarygodne również podczas ruchu i przy dowolnym kącie odchylenia.

Współpraca z systemami zewnętrznymi

Czujniki wizyjne dobiera się również pod kątem współpracy z systemami zewnętrznymi. W niektórych aplikacjach sprawdzą się wyjścia NPN i PNP, które można konfigurować. Nie mniej ważna jest również komunikacja bazująca na sieci Ethernet oraz web API. Takie rozwiązanie umożliwi skuteczną wymianę danych, np. na potrzeby obsługi HMI. Na rynku nie brakuje również czujników z wbudowanym web serwerem.

Firma Sick oferuje m.in. kamery serii ScanningRuler. Bardzo często wykorzystuje się je gdy konieczne jest przetwarzanie obrazu 3D w zrobotyzowanych aplikacjach chwytających. Dzięki danym zebranym przez kamerę mogą być generowane algorytmy lokalizujące części na potrzeby kompletacji oraz pozycji chwytania do pracy robotów. Źródło światła wbudowane w kamerze jest laserowe, zatem można wykonywać pomiary trójwymiarowo.

W zakresie systemów wizyjnych warto zwrócić uwagę na ofertę firmy OMRON. Można z niej wybrać m.in. czujniki serii ZFX. System pozwala na skonfigurowanie do 20 procedur kontrolnych. W efekcie pracy czujnika dostępne są komunikaty systemowe, obrazy i informacje zwrotne. W zależności od potrzeb aplikacyjnych czujnik ma jedną lub dwie kamery. Kolorowy lub monochromatyczny obraz może być przetworzony zapewniając przy tym próbniki i filtry kolorów.

Kompleksowa identyfikacja

Kompleksowa identyfikacja w automatyce przemysłowej wykorzystuje szereg zaawansowanych rozwiązań z inteligentnymi kamerami. Ważny jest również komputer, który może być zintegrowany z czujnikiem lub stanowić odrębne urządzenie. Aplikacje bazujące na inspekcji przedmiotów mających różne wysokości wykorzystują kamery 3D. Co prawda wystarczyłyby kamery 2D, ale konieczna byłaby optyka ze zmienną ogniskową. Dzięki trzeciemu wymiarowi można wyznaczyć objętość badanego obiektu. Możliwe jest przy tym analizowanie czarnych obiektów na czarnym tle oraz białych obiektów na białym tle. Istotną rolę odgrywa rozpoznawanie obiektów również przy niskiej wartości kontrastu. Kamery 3D zapewniają szereg dodatkowych informacji dotyczących obiektu. Chodzi tutaj m.in. o refleksyjność powierzchni, stopień rozproszenia światła czy połysk.

Jako spektrum zastosowania kamer 3D należy wymienić systemy robotyki oraz linie produkcyjne, gdzie trzeba sprawdzać ciągłość, identyfikować kształty czy rozpoznawać obiekty pod względem wysokości.

Czujników wizyjnych nie brakuje w ofercie firmy Ifm Electronic. Chodzi tu np. o czujniki wizyjne serii O2V. Bardzo często wykorzystuje się je przy sprawdzaniu obecności obiektów łącznie z ich kompletnością, pozycją i rozmiarem. Dokładność czujnika jest regulowana. Czujnik bardzo często stosuje się do analizy liczby pikseli i liczby otworów oraz rozmiarów obiektu – zewnętrznych i wewnętrznych. Do konfiguracji urządzenia może być użyta przeglądarka internetowa.

Czytniki kodów SBSI-B zapewniające czytanie kodów kreskowych 1D i kodów matrycowych 2D łącznie z kodami trudnymi do odczytania to przykładowe produkty firmy Festo. Oprócz tego producent ten oferuje systemy serii SBOx-M, które zaprojektowano pod kątem diagnostyki oraz monitorowania szybkich sekwencji.

Czujniki wizyjne VS XF100M03I10EP firmy Baumer w zakresie lokalizacji części pozwalają na lokalizację części na konturach, krawędziach oraz okręgach. Z kolei w zakresie geometrii jest możliwa analiza charakterystycznych krawędzi oraz pozycji punktu. Czujnik ma rozdzielczość 752 × 480 px a zastosowany przetwornik jest typu 1/3” CMOS, monochrom. Podświetlenie wykorzystuje zintegrowaną diodę podczerwieni LED (860 nm).

Czujniki wizyjne CS50 zaprojektowano z myślą o pracy z odległości do 1 m. Urządzenia udostępniają pięć zintegrowanych narzędzi pozwalając na zliczanie, lokalizowanie, wykrywanie obecności, a także logikę i pomiar. Jako akcesoria dobiera się doświetlenie w kolorze czerwonym (CS 50 BM2-2-ES-G1) lub doświetlenie w kolorze białym (CS 50 BM2-2-ES-G5). Oprócz tego wybrać można filtry polaryzacyjne i wymienne panele LED (podczerwień, czerwony, niebieski, biały). Dostępne są również filtry wzmacniające kontrast (podczerwień, czerwony, niebieski).

Z oferty firmy B&R wybrać można proste czujniki wizyjne oraz zaawansowane inteligentne kamery. Niektóre rozwiązania mogą być integrowane z systemami automatyki. Na kompleksowy system składają się odpowiednie kamery, akcesoria oświetleniowe oraz oprogramowanie. Do dyspozycji jest szereg narzędzi programistycznych.

Z oferty firmy Sels wybrać można m.in. kamerę wizyjną Sensopart V20-RO-A2-R12 o rozdzielczości 1,3 Mpx. Średnica obiektywów wraz z ogniskowymi wynosi 12 mm. Ważne jest wbudowane źródło światła led. Urządzenie obsługuje standardy komunikacyjne RS-422, RS-232, Ethernet, EtherNet/IP oraz Profinet.

Wytrzymałe obudowy

Wytrzymałość na uderzenia zapewnia obudowa czujników i kamer wykonana z odlewu aluminiowego. Ochronę przed działaniem czynników zewnętrznych gwarantuje wysoki stopień ochrony osiągający IP67. Tym sposobem urządzenie nie dopuszcza do wnętrza kurzu oraz wody. W razie potrzeby nabyć można obudowy odporne na chemiczne środki czystości.

Jeżeli czujnik będzie ma pracować w trudnym środowisku, to jego konstrukcja powinna zapewnić prostą i szybką wymianę szyby przedniej, która na niektórych liniach produkcyjnych może być zarysowana.

Oprogramowanie nadzorujące

Funkcjonalność oprogramowania zarządzającego pracą systemów wizyjnych jest bardzo szeroka. Odpowiada ono nie tylko za sterowanie pracą czujnika, ale również za filtrowanie i obsługę urządzenia oświetlającego. Ważna jest przy tym możliwość konfigurowania przy wykorzystaniu sieci Ethernet. Tworzone są statystyki z kontroli jakości oraz bazy danych. Kontrola jakości jest przeprowadzana w oparciu o przyjęte kryteria.

Czujniki bazują na wielu metodach pomiarowych obejmujących m.in. położenie kształtu, typy obiektów czy porównywanie sceny przy zapisanym wzorcu. Może być przy tym przeprowadzana analiza niejednokrotności powierzchni, jasności obszarów, szerokości obszarów (wykrywanie krawędzi) oraz obecności ciągu znaków. Warto również wspomnieć o możliwości wykrywania brakujących liter, zliczaniu elementów oraz identyfikacji powierzchni w oparciu o kolor.

Oświetlacze

Dla prawidłowej pracy systemu wizyjnej kontroli jakości ważne jest odpowiednie oświetlenie obiektu. Stąd też niejednokrotnie zastosowanie znajdują oświetlacze typu backlight, zapewniające podświetlenie obiektu od dołu. Tym sposobem obraz dla kamery jest widoczny jako zaczernione pole z kształtem obiektu, jaki jest badany. Oświetlacze tego typu bardzo często są wykorzystywane w procesach związanych z kontrolą wykrywania nieobecności lub obecności obiektu lub otworów w obiekcie.

Wiele aplikacji wymaga również oświetlaczy typu Ring Light (bright field, dark field) – tzw. oświetlacze pierścieniowe. W takim rozwiązaniu wykorzystywany jest kształt pierścienia zamontowanego na kamerze. W tym zakresie stosuje się oświetlacze pola jasnego – tzw. bright field oraz oświetlacze pola ciemnego – tzw. dark field. Oświetlacze typu bright field cechuje równomierne i stabilne oświetlanie obiektu, ale te cechy nie są eksponowane. Z kolei oświetlacze typu dark field cechują się niewielkim kątem w stosunku do obiektu. Zapewnia to lekkie przyciemnienie powierzchni, które są oświetlane przy wyeksponowaniu krawędzi kontrolowanego obiektu.

Niejednokrotnie zastosowanie znajdują również oświetlacze typu diffuselite oraz axial diffuselite będące źródłem światła rozproszonego. Oświetlacze diffuselite mają postać kopuł umieszczanych nad badanym obiektem. To właśnie dzięki nim zyskuje się równomierne rozchodzenie światła w każdym kierunku, zatem przedmiot oświetlany jest w całości. W oświetlaczach axial diffuselite specjalne lustro o strukturze półprzepuszczalnej ma za zadanie kierowanie światła wzdłuż osi optycznej kamery. Oświetlacze diffuselite oraz axial diffuselite eliminują refleksy świetlne na oświetlanych powierzchniach ze względu na to, że światło bezpośrednim strumieniem nie kieruje się na przedmiot. W efekcie spektrum zastosowania tych oświetlaczy obejmuje aplikacje, gdzie konieczne jest oświetlenie dużych, odblaskowych powierzchni.

Podsumowanie

Najważniejszą zaletą wizyjnych systemów kontroli jakości jest stuprocentowa kontrola jakości produkcji. Pomiary wykonywane są przy tym szybko i nie trzeba zatrzymywać linii technologicznej. Ważna jest przy tym elastyczna praca i intuicyjna obsługa łącznie z definiowaniem kluczowych parametrów pracy systemu – np. odległość czy przestrzeń działania. Nie można zapomnieć o budowie modułowej, dzięki czemu system można łatwo rozbudować dodając kolejne narzędzia kontrolne i dodatkowe elementy.

Najbardziej rozbudowanymi rozwiązaniami są systemy wizyjne. Są one przystosowane do współpracy ze specjalistycznym oprogramowaniem. W wielu aplikacjach systemy wizyjne współpracują z innymi urządzeniami automatyki takimi jak chociażby sterowniki PLC. Przydatnymi rozwiązaniami są inteligentne kamery wizyjne. Ich funkcjonalność pozwala na samodzielne przeprowadzenie kompleksowej kontroli wizyjnej. Natomiast najprostszymi urządzeniami jakie mogą znaleźć zastosowanie w procesach związanych z kontrolą wizyjną, są czujniki wizyjne.

źródło: Automatyka 10/2018