Bezkontaktowe pomiary koloru

Przykładowo kolor metalicznego lakieru stosowanego w przemyśle motoryzacyjnym jest bardzo trudny do odróżnienia wśród odcieni szarości lub złota. Jest to istotne przy dopasowywaniu podzespołów - np. lusterek do karoserii czy zderzaków do czujników systemu wspomagającego parkowanie. Ponadto standardowe czujniki mogły wykrywać jedynie ograniczoną liczbę kolorów, nie umożliwiały szybkich zmian ustawień oraz obsługi powierzchni wielokolorowych.

Na szczęście postęp w elektronice, optyce i oprogramowaniu przyczynił się do powstania czujników mierzących intensywność oraz odcień koloru. Dostarczają one operatorowi wiedzy nie tylko na temat wykrytego koloru, ale także jego dokładnego odcienia. Przyczynia się to do zwiększenia czułości czujnika, dzięki czemu może on zignorować połysk i odróżnić niewielkie zmiany odcieni, a co za tym idzie - uelastycznić proces produkcji oraz zwiększyć precyzję odczytu.

KLASYFIKACJA

Porównanie urządzeń do identyfikacji kolorów

Urządzenia spełniające funkcje czujnika koloru można podzielić na kilka kategorii (patrz tabela). Typowe czujniki koloru są prostymi urządzeniami stosowanymi do sprawdzenia, czy badany obiekt ma właściwy kolor, jednak nie powinny być mylone z kalibrowanymi urządzeniami do precyzyjnego pomiaru spójności kolorów.

Zaawansowane systemy do identyfikacji kolorów wykorzystują wiele punktów pomiarowych i mogą odróżniać kolory, które dla ludzkiego oka wydają się niemal identyczne. Mogą one również raportować tolerancje koloru, co jest ostatnim etapem kontroli jakości.

Konwencjonalne czujniki są stosowane w szybkich aplikacjach produkcyjnych i wykorzystują trzy pomiary (czerwony, zielony, niebieski) do odróżnienia kolorów wyraźnie różniących się między sobą, a ich wyjściem jest dyskretny sygnał tak/nie.

Obecnie istnieje jednak możliwość stosowania szybkich czujników koloru nowej generacji w aplikacjach, do których kiedyś nadawały się jedynie drogie systemy do identyfikacji kolorów.

Rys. 1. Uproszczony schemat czujnika koloru

Czujnik koloru składa się z nadajnika i odbiornika światła odbitego od obiektu podlegającego inspekcji. Tym pierwszym od niedawna są białe diody LED - dawniej funkcję źródła światła pełniły trzy diody: czerwona, zielona i niebieska. Aby poprawić jakość rozróżniania kolorów w czujnikach stosuje się kompensację zmian starzeniowych diody LED.

Odbiornik jest z kolei typowo zbudowany z detektorów mierzących natężenie poszczególnych składowych światła odbitego. Światło, zarówno padające, jak i odbite od obiektu inspekcji transmitowane jest z reguły za pośrednictwem światłowodów. W sensorach koloru stosuje się również kompensację zewnętrznego oświetlenia.

PROGRAMOWALNE CZUJNIKI KOLORU

Typowy czujnik koloru zawiera białą LED o dużej intensywności świecenia, emitującą w kierunku celu modulowane światło. Odbicie od celu zostaje poddane analizie pod kątem składowych RGB oraz ich intensywności. Jeśli odczytane wartości znajdują się w zaprogramowanym przedziale, to zostaną przypisane do konkretnego koloru.

Informacje te są następnie wykorzystywane do sprawdzenia koloru wyprodukowanych elementów oraz do weryfikacji prawidłowości ich montażu. Niektóre czujniki korzystają z przestrzeni barw CIELab, czyli przestrzeni przeciwstawnych kolorów, w której składowa L oznacza jasność, a składowe a i b przeciwstawne barwy. Cechą przestrzeni CIELab jest to, że definicje barw są niezależne od metod ich generowania i odtwarzania.

Czujnik koloru analizuje sygnał odbity z całego oświetlanego obszaru, zatem jeśli powierzchnia jest dwukolorowa, to zamiast dwóch oddzielnych kolorów wykryje on ich kombinację. Jest to istotne w aplikacjach, w których analizowany obiekt ma teksturę lub deseń, jak np. w sytuacji wielokolorowych okryć siedzeń samochodowych. W takim przypadku odpowiedni byłby duży obszar kontrolny, który umożliwi czujnikowi efektywniejsze uśrednienie sygnału z badanej różnorodnej powierzchni.

Do możliwości czujników zalicza się zarówno proste funkcje uczenia, jak i zaawansowane oprogramowanie, które służy do prezentacji wyników w czasie rzeczywistym i umożliwia dostęp do ustawień tolerancji każdego koloru oraz ogólnych ustawień sensora. Na przykład sortowanie, bazujące na znajomości niewielkiej liczby znacznie różniących się od siebie kolorów, może być realizowane przy użyciu tanich czujników, jednak skomplikowane aplikacje wymagają pełnej kontroli ustawień dostępnej w najbardziej zaawansowanych czujnikach koloru.

Punkty odblaskowe mogą spowodować, że kolor zostanie odczytany jako jaśniejszy, niż jest w rzeczywistości. Część czujników koloru używa do korekcji tego problemu specjalnych algorytmów, pozwalających zignorować punkty odblaskowe. Wymaga to jednak relatywnie szerokiej wiązki oraz czułej elektroniki sensora w celu utrzymania odpowiedniej odległości operacyjnej.

W typowej aplikacji operator programuje czujnik na konkretny kolor, umieszczając próbkę przed sensorem. W trakcie procesu mogą zdarzyć się błędy identyfikacji, gdy kolor jest tylko nieznacznie ciemniejszy lub jaśniejszy, jednak wciąż spełnia wymagania jakościowe. W takiej sytuacji operator może metodą prób i błędów określić idealny zakres tolerancji oraz przeprogramować ustawienia czujnika.

Sensor wielokanałowy może być zaprogramowany do rozpoznawania wielu kolorów, po jednym na kanał. Każde wyjście jest alarmowym sygnałem dyskretnym, co umożliwia prostą identyfikację kolorów i przydaje się do sortowania oraz innych aplikacji, w których wystarczające jest kryterium tak/nie.

Inne procesy wymagają jednak gruntownej analizy i mechanizm prostej weryfikacji tak/nie może być niewystarczający. Czujniki koloru nowej generacji mają trzy dodatkowe wyjścia reprezentujące składowe RGB, co przyczynia się do bardziej inteligentnej kontroli nad procesem produkcji.

KONIEC ZE ŚLEPYM PROCESEM

Identyfikacja kolorów z wykorzystywaniem pomiarów RGB

Gdy identyfikacja koloru nie powiedzie się, operator analizuje proces i dokonuje niezbędnych poprawek. Problem polega na tym, że inżynier wie o powstałym błędzie, jednak nie zna jego przyczyn oraz poziomu rozbieżności. Możliwym powodem może być np. nałożenie zbyt cienkiej warstwy farby ze względu na zatkaną końcówkę elementu wykonawczego.

Przyczyną nieprawidłowego odcienia może być przestarzały element. Odczyt bliski granicom tolerancji może z kolei świadczyć o zbyt konserwatywnych ustawieniach. Powyższe kwestie muszą zostać rozwiązane poprzez analizę intensywności pojedynczych odczytów RGB (patrz druga z tabel).

Jeśli odczyty intensywności koloru są przekazywane na wyświetlacz pulpitu sterowniczego, to operator w czasie rzeczywistym widzi, czy nie są one zbyt wysokie lub zbyt niskie, dzięki czemu może podjąć odpowiednią reakcję, zanim wystąpi błąd. To pozwala na wyznaczenie trendów i szczegółową analizę odczytów sensora.

Nowoczesne sensory charakteryzują się możliwością zaprogramowania tolerancji każdej składowej RGB oddzielnie dla każdego kanału, co zapewnia lepszą kontrolę procesu. Na przykład operator może określić, że przypisanie odczytu do konkretnego koloru zależy od danego poziomu czerwieni, podczas gdy akceptowalny poziom niebieskiego i zielonego może być ustawiony z większą tolerancją.

Przykłady czujników koloru

Czujniki kolorów colorCONTROL ACS 7000 firmy Micro-Epsilon: pomiar online: 25 Hz - 2 kHz, przestrzeń barw: XYZ, L* a*b*; L* u* v*; RGB, regulowana, rozpoznawanie barw z listy nauczonych kolorów, rozdzielczość spektralna: 5 µm, współpraca z przeglądarką internetową, zapewnienie kontroli jakości online i ciągłej dokumentacji pomiarów, interfejsy: Ethernet/EtherCAT, RS-422, I/ O cyfrowe.
Czujniki kolorów E3X-DACLR firmy Omron: oddzielny wzmacniacz, niewielka głowica, łatwa w instalacji w ograniczonej przestrzeni, identyfikacja do czterech kolorów, czas odpowiedzi: od 60 µs do 2 ms, możliwość zdalnego uczenia.
Czujniki koloru CS8: możliwość zapisu jednego lub czterech kolorów, zasięg 12,5 mm lub 60 mm, krótki czas odpowiedzi do 85 µs, wysoka rozdzielczość barwna, precyzyjna plamka świetlna, wysoka rozdzielczość geometryczna, metalowy korpus z dwoma otworami wylotowymi światła (zamienne).
Czujniki koloru BFS 33M True Color firmy Balluff: przestrzeń barw CIELab (bardzo wysoka jakość i wiarygodność rozpoznawania barw), zasięg: 80 mm (z dodatkową soczewką 400 mm), trzy wejścia cyfrowe, interfejs szeregowy.
Aplikacje montażowe mogą zyskać na zastosowaniu czujników z pamięcią wielu kolorów, ponieważ układ sterowania może rozpoznawać elementy według schematu kolorystycznego. Na przykład firma montująca części samochodowe musi być pewna, że futryna, pokrowiec fotela, szew i deska rozdzielcza pasują do siebie kolorystycznie, mimo że każdy z tych elementów nieznacznie różni się odcieniem beżu.

Dla kanałów 1, 2 i 3 zaprogramowane są profile każdego koloru, reprezentujące poszczególne elementy. Podczas montażu maszyna pobiera części w określonej kolejności, więc w przypadku niedopasowania sterownik ma informację, dla którego elementu wystąpił błąd.

W innej przykładowej aplikacji mamy do dyspozycji beżowe, szare oraz srebrne tapicerki, każda z rodziną pasujących kolorów. Zatem czujnik powinien być w stanie zapisać w pamięci dane 12 kolorów. Popyt na tego rodzaju czujniki jest napędzany przez tańsze oraz bardziej wydajne układy półprzewodnikowe. Nowe czujniki umożliwiają również modyfikację ustawień produkcyjnych bez konieczności przeprogramowania, co jest kluczowe dla produkcji wieloseryjnej z częstymi zmianami kolorów.

O czym pamiętać, wybierając i instalując czujniki kolorów?

Wybierając sensor koloru, należy zwrócić uwagę na kilka kwestii. Warto się na nie zdecydować w realizacji takich zadań, jak badanie jednorodności koloru w obrębie danej serii produktu i sortowanie na jego podstawie. W niektórych wypadkach trzeba je jednak zastąpić czujnikami kontrastu.

Typowo czas odpowiedzi sensorów koloru wynosi bowiem 1 ms albo mniej. Jest to wartość wystarczająca w większości zastosowań. Jeżeli jednak wymagane jest wykrywanie jednego koloru z większą szybkością, lepiej wybrać sensor kontrastu - czujniki te zwykle pracują nawet 10-krotnie szybciej niż czujniki koloru.

Z drugiej strony czujniki koloru ze względu na koszty, prostotę i szybkość w zadaniach wymagających wyłącznie rozpoznania barwy są lepszym wyborem niż sensory wizyjne. Te ostatnie należy jednak wybrać, jeżeli oprócz koloru określić trzeba na przykład orientację obiektu lub porównać jego kształt ze wzorcem.

W niektórych zastosowaniach wystarczy, że sensor rozpoznaje kilka kolorów. Im więcej, tym jednak jest on bardziej wszechstronny - 10 barw to na przykład minimum w przypadku zastosowań w przemyśle motoryzacyjnym.

Jeżeli powierzchnia obiektu inspekcji jest silnie odblaskowa, czujnika koloru nie należy montować prostopadle - lepiej jest zainstalować go pod kątem. Im większa ma być odległość między sensorem a detalem, tym większa musi być jego czułość. Wyniki pomiarów trzeba też odpowiednio interpretować, na przykład przez ustawienie odpowiednich wartości progowych, jeżeli dystans między czujnikiem a obiektem inspekcji się zmienia.

SENSORY KOLORU W PRODUKCJI PROCESOWEJ

Obecnie można stosować czujniki koloru w pomiarach, które dotychczas wymagały skomplikowanego wyposażenia. Zautomatyzowany system może przekazywać różnicę kolorów wykrytą przez czujnik jako wejście do akcji korekcyjnej. Na przykład dwuprocentowy niedostatek koloru niebieskiego spowodowałby dodanie proporcjonalnie większej ilości niebieskiej farby niż w przypadku jednoprocentowego braku. Dzięki takiemu podejściu regulator może dokonać drobnych regulacji podczas procesu.

Do aplikacji, które mogą na tym zyskać, zalicza się produkcja elementów z restrykcyjną specyfikacją kolorów. Na przykład produkcja tkanin wymaga jednolitości wewnątrz partii farby. Poziomy intensywności RGB mogą być stale monitorowane a dokonanie niewielkiej zmiany koloru następuje przez zwiększenie lub zmniejszenie ilości odpowiedniej farby. Również operacje drukowania, procesy formowania wtryskowego oraz systemy malowania lub nakładania powłok wykorzystują monitorowanie jakości koloru podczas procesu.

Ponadto funkcję podejmowania decyzji o zgodności kolorów może zamiast czujnika wykonywać regulator. Na początku istnieje możliwość ustalenia własnego algorytmu sterowania kolorem. Regulator, wykorzystując uzyskane z sensora dane o intensywności koloru, może podejmować i gromadzić decyzje o zgodności dla praktycznie nieograniczonej liczby kolorów.

Grzegorz Michałowski
Monika Jaworowska

Powiązane treści