Jak projektować systemy wizyjne i rozwiązywać pojawiające się problemy?

| Technika

Systemy wizyjne są ważnym komponentem linii produkcyjnych. Wykorzystuje się je głównie w kontroli jakości, do wykrywania wybrakowanych egzemplarzy wśród obiektów inspekcji i sterowania, na przykład robotami przemysłowymi, do lokalizacji obiektów i naprowadzania na nie. Jeśli jednak nie spełniają one swojej funkcji, błędnie uznając za wadliwe wyroby dobrej jakości lub odwrotnie, nie rozpoznając defektów, albo gdy kierowane przez nie mechanizmy chybiają celu, przestają być wiarygodnym narzędziem. Wówczas trzeba jak najszybciej zdiagnozować i rozwiązać problem. W artykule przedstawiamy przykładowe przyczyny nieprawidłowości w działaniu systemów wizyjnych oraz sposoby ich unikania, a gdy już wystąpią, ich usuwania.

Jak projektować systemy wizyjne i rozwiązywać pojawiające się problemy?

Wyróżnić można generalnie dwa scenariusze. W pierwszym system wizyjny nie spełnia oczekiwań od razu po zainstalowaniu. W takim przypadku przyczyną są błędy projektowe. Inna możliwość to pogorszenie zaobserwowane w funkcjonowaniu systemu wizyjnego, który jest już bezproblemowo użytkowany od dłuższego czasu. Każda z tych sytuacji wymaga innego podejścia.

Komponenty systemów wizyjnych

Opracowanie projektu stanowiska z systemem wizyjnym, które będzie spełniać wszystkie wstępne założenia, a potem po wdrożeniu na linii produkcyjnej będzie działało zgodnie z oczekiwaniami, nie jest łatwym zadaniem. Aby je zrealizować, należy dobrze orientować się w specyfice jego poszczególnych komponentów, zależnościach między nimi i ich wpływie na jego parametry wymagane do jego prawidłowego funkcjonowania. Ważne są też warunki, w jakich będzie działał i specyfika obiektów poddawanych analizie w danym systemie wizyjnym.

Typowy system zautomatyzowany, na przykład kontroli jakości, ma cztery główne segmenty. Pierwszym jest sekcja wizyjna, na którą składają się: układ rejestracji obrazu, układ optyczny, oświetlenie oraz układ przetwarzania obrazu. Jej zadaniem jest zarejestrowanie obrazu obiektu inspekcji oraz jego obróbka w celu wyodrębnienia informacji, pozwalających zdecydować, czy spełnia postawione kryteria. Pozostałe segmenty współpracują z sekcją wizyjną, odpowiadając za automatyzację. Jednym z nich jest mechanizm transportowy.

Transport i sortowanie

Jest on wymagany, żeby obiekt badania znalazł się w polu widzenia sekcji wizyjnej. Można to zrealizować na jeden z dwóch sposobów: manipulując kamerą lub przesuwając obiekt inspekcji, przykładowo na przenośniku taśmowym. Mechanizm transportowy współpracuje z czujnikami, które monitorują położenie i orientację przedmiotu, by ustalić, kiedy znajduje się on w pozycji właściwej do zarejestrowania jego obrazu albo wykonania kolejnych działań – na przykład w przypadku wykrycia przedmiotu wybrakowanego jego usunięcia z taśmociągu.

Mechanizm odrzucania obiektów, które nie przeszły kontroli jakości pozytywnie, to kolejna sekcja stanowiska. Zwykle jest on zaprojektowany tak, by automatycznie odrzucał kolejne przedmioty, o ile system inspekcji nie zasygnalizuje jego sterownikowi, że dany obiekt został zaakceptowany. Takie podejście zabezpiecza przed wprowadzeniem do obiegu wadliwych przedmiotów w razie, gdyby doszło do awarii systemu inspekcji.

Jak uniknąć błędów projektowych?

Opracowując projekt systemu wizyjnego, trzeba zapewnić odpowiednie pole widzenia kamery. Musi być wystarczająco duże, żeby obejmowało cały obiekt inspekcji, a przynajmniej ten jego fragment, który jest istotny dla oceny jego jakości w systemach jej kontroli lub zlokalizowania w systemach naprowadzania. Jednocześnie nie może być za duże, inaczej obraz nie będzie miał wystarczającej rozdzielczości. Przyjmuje się generalnie, że rozdzielczość systemu wizyjnego powinna być co najmniej od pięciu do dziesięciu razy większa od wymiaru najmniejszego szczegółu obiektu poddawanego inspekcji, który powinien być rozróżnialny i mierzalny na jego obrazie.

Kolejna ważna kwestia to dostosowanie szybkości przetwarzania obrazów do prędkości, z jaką przedmioty mają być kolejno podawane na stanowisko z systemem wizyjnym. Jeśli na przykład przepustowość taśmociągu wynosi dziesięć przedmiotów na sekundę, czas rejestracji i obróbki ich obrazu powinien być krótszy niż 100 milisekund. Przy ustalaniu marginesu bezpieczeństwa dla tej wielkości trzeba pod uwagę wziąć m.in. takie kwestie, jak: zmiany prędkości przenośnika, odstępy między kolejnymi obiektami inspekcji oraz opóźnienia, które mogą wystąpić z różnych przyczyn.

Jakość i kontrast. cienie i odblaski

Kluczowa dla wiarygodności informacji uzyskiwanych z systemów wizyjnych jest jakość obrazu. Aby uzyskać spójne wyniki inspekcji, trzeba też zapewnić duży kontrast między tłem a detalami poddawanymi ocenie, dzięki temu bowiem układ przetwarzania obrazu z większą dokładnością będzie w stanie wyznaczyć takie wskaźniki, jak wymiary, rozstaw, położenie. Decydujące dla uzyskania dobrego kontrastu jest odpowiednie oświetlenie. Kolejny wymóg to równomierność jasności i kontrastu w całym polu widzenia kamery. Oprócz właściwie dobranego oświetlenia wpływa na to jakość soczewek układu optycznego.

Projektując system wizyjny, należy też uwzględnić specyfikę obiektów, których obraz będzie on rejestrował. W tym celu przeprowadza się testy, weryfikując, jak sprawdza się on w przypadku różnych typów detali – znaczenie ma zwłaszcza typ materiału i wykończenia powierzchni, ze względu na to, że w zależności od tych cech obiekty mogą w różny sposób odbijać światło.

Tutaj ważna uwaga dotycząca instalacji – częstym powodem problemów, które występują po zainstalowaniu systemu wizyjnego, okazują się zmiany w oświetleniu wprowadzane samowolnie na miejscu przez monterów. Poza tym projektanci powinni się orientować w wyposażeniu oraz sposobie organizacji całego stanowiska, w przeciwnym razie po zainstalowaniu systemu wizyjnego okazać się może, że jego działanie zakłócają niespodziewane cienie czy odblaski.

Uwaga na wibracje!

Projekt powinien też obejmować rozwiązania konstrukcyjne zapewniające stabilność mechaniczną, szczególnie jeżeli komponenty systemu wizyjnego będą narażone na silne wibracje. Przykładowo sposób zamocowania kamery powinien być na tyle sztywny i trwały, aby nie wprawiały ją w ruch drgania ani uderzenia, ani nie przenosiły się na nią wibracje z sąsiednich komponentów. Z kolei w układach optycznych ze stałą ogniskową należy zastosować mocowania soczewek zapobiegające ich rozregulowaniu pod wpływem wibracji.

Ponadto, jeżeli wiadomo, że system wizyjny będzie pracował w uciążliwych warunkach, w których narażony będzie na zabrudzenie, kontakt z olejami, dużą wilgotność lub zapylenie, dobrze jest zabezpieczyć kamerę obudową. Tę bowiem łatwiej jest wyczyścić z zewnątrz. Zapobiega się też w ten sposób sytuacji, w której nieostrożna osoba może podczas czyszczenia uszkodzić optykę lub zmienić ostrość kamery.

Poza tym kamera powinna być izolowana elektrycznie i wyposażona w stabilny zasilacz. Kable komunikacyjne z kolei muszą być odseparowane od źródeł silnych zaburzeń, na przykład kabli silnika.

Kategorie problemów

Innego podejścia wymaga sytuacja, w której system wizyjny, działający po zainstalowaniu prawidłowo, zaczyna źle funkcjonować. Przyczynę czasem można ustalić szybko, a czasami zajmuje to więcej czasu.

Generalnie większość problemów występujących w systemach wizyjnych można podzielić na trzy kategorie: mechaniczne, elektryczne, optyczne. Puntem wyjścia w zgrubnym określeniu, z którą grupą powodów mamy do czynienia w konkretnym przypadku, jest odpowiedź na pytanie, czy pogorszenie nastąpiło nagle, czy raczej zaobserwowano jego stopniowe postępowanie.

Jeżeli mamy do czynienia z drugą sytuacją, najbardziej prawdopodobne jest to, że przyczyną jest problem w układzie optycznym lub z oświetleniem – przykładowo soczewka jest zabrudzona lub źródło światła się zużywa. W związku z tym, że obecnie dominującym źródłem światła są diody LED, ten drugi powód można w zasadzie wykluczyć. Jeżeli jednak wciąż wykorzystywane są świetlówki, trzeba się liczyć z tym, że ich światło będzie wraz z upływem czasu ciemniało.

Przyczyny mechaniczne i elektryczne

Kiedy z kolei system wizyjny przestaje działać raptownie, najczęstszym powodem jest problem mechaniczny – na przykład na skutek nadmiernych wibracji lub uderzenia w kamerę obiektyw lub oświetlenie uległy przesunięciu z właściwej pozycji, przez co nie są już nakierowane na obiekt inspekcji. Jeżeli dalsza analiza wykluczy jednak i tę kategorię przyczyn, najprawdopodobniej wystąpił jakiś problem elektryczny.

Dobra wiadomość jest taka, że taki jest zwykle łatwy do wykrycia – wskazują na niego zazwyczaj kontrolki stanu połączeń elektrycznych na kamerze lub w innych komponentach, alarmujące o odłączeniu kabla. Mniej oczywisty problem zaliczany do tej kategorii dotyczy sieci komunikacyjnej, w której pracuje system wizyjny. Przykładowa przyczyna to zbyt duży ruch sieciowy, przez który wydłuża się czas reakcji układu przetwarzania obrazu albo dochodzi do zrywania połączeń.

Problemy optyczne

W ustaleniu konkretnej przyczyny bardzo pomocna jest analiza ostatnich i archiwalnych obrazów zarejestrowanych przez system wizyjny. Przeglądając je, trzeba sobie zadać pytanie, czy najnowsze zdjęcia są jaśniejsze, czy ciemniejsze niż poprzednie? Czy pojawiły się na nich jasne plamy, a może cienie? Czy nastąpiło przesunięcie środka? Jeśli przykładowo zauważymy lekkie rozmycie, kamera prawdopodobnie jest narażona na wibracje albo czas naświetlania może być zbyt długi. Jeśli okaże się, że czas ekspozycji jest zbyt długi, może to z kolei oznaczać, że fotografowany obiekt nie jest wystarczająco oświetlony.

Skutki problemów z soczewkami są z kolei zwykle zlokalizowane, na przykład w postaci zmiany ostrości obrazu, jasnych punktów, przyciemnionych rogów. To może wskazywać na ich niewspółosiowość. Sprawdzenie mechanizmu regulacji ostrości, przysłony oraz powiększenia może również ujawnić szereg problemów, które mają wpływ na jakość obrazu. Niestety, problem z obiektywem przeważnie oznacza, że uległ on uszkodzeniu, na przykład na skutek uderzenia, wibracji albo porysowania soczewek. W takim wypadku zwykle trudno sobie poradzić bez specjalistycznej pomocy.

Przyczyny zewnętrzne

Jako potencjalną przyczynę pogorszenia działania systemu wizyjnego powinno się także brać pod uwagę zmianę właściwości fotografowanego obiektu. Na przykład zastąpienie materiału, z którego wykonane są detal, innym, który charakteryzuje się mniejszym lub większym współczynnikiem odbijania światła albo innym wykończeniem powierzchni niż poprzedni, może spowodować błędy. Oprócz tego mogły też zajść jakieś zmiany w otoczeniu – na przykład odległość robocza i pole widzenia systemu wizyjnego mogły ulec zmianie w wyniku przeorganizowania linii produkcyjnej, przez co obraz obiektu jest zbyt mały lub za duży.

Podobnie zmiany w oświetleniu mogą powodować odbicia tam, gdzie ich wcześniej nie było – jeżeli na przykład system wizyjny został zainstalowany latem, w zimie może się okazać, że na jego działanie negatywnie wpływa naturalna zmiana oświetlenia w pomieszczeniu zachodząca w związku ze zmianą pory roku.

Podsumowanie

Oprogramowanie zazwyczaj nie jest źródłem problemów, chyba że zostało zmienione. Jeśli przykładowo ostatnio dokonano jego aktualizacji, przywrócenie poprzedniej wersji pozwala się upewnić, czy błąd występuje w nowym oprogramowaniu, czy jednak raczej wystąpiła awaria sprzętu.

Na koniec warto dodać, że podczas rozwiązywania problemów z systemem wizyjnym należy się powstrzymać z natychmiastowym dokonywaniem zmian w jego konfiguracji, by uzyskać doraźną poprawę. Aby bowiem zapewniać trwałe polepszenie, należy najpierw zlikwidować podstawową przyczynę, zwykle mechaniczną, optyczną lub elektryczną. W przeciwnym razie zmiana ustawień nie tylko nie rozwiąże problemu, ale może jeszcze pogorszyć sprawę, maskując oznaki awarii i tym samym jeszcze utrudniając znalezienie właściwej przyczyny.

 

Monika Jaworowska