Problemy elektryczne i komunikacyjne

KAMERY, KOMUNIKACJA, OPROGRAMOWANIE

Kamera zawiera przetwornik, na którym obiektyw odwzorowuje obraz obiektu. Rejestruje ona tę informację i przesyła dalej. Kamery klasyfikuje się ze względu na rodzaj przetwornika obrazu (CCD, CMOS) oraz dzieli na monochromatyczne i kolorowe, jak również na matrycowe oraz linijkowe.

Przedostatnie rejestrują sekwencję obrazów odwzorowujących poruszający się obiekt. Obraz w kamerze linijkowej jest tworzony krokowo, linia po linii. Dzięki temu wykorzystuje się je m.in. w pomiarach obiektów obracających się i materiałów w postaci arkuszy, jak: papier, szkło, blachy stalowe i materiały włókiennicze. Jeżeli z kolei chodzi o interfejsy komunikacyjne, w które wyposaża się kamery, to są to m.in.: IEEE 1392 (FireWire), USB oraz GigE Vision.

Systemy wizyjne generalnie można podzielić na kilka grup. Jedną z nich są te współpracujące z komputerem (PC-based). Kamera jest do niego podłączona bezpośrednio lub za pośrednictwem modułu akwizycji obrazu. Choć ich zaletą jest elastyczność w zakresie konfiguracji systemu i dostępność narzędzi programowych, zazwyczaj wymagają od programistów dużej wiedzy i najlepiej sprawdzają się w większych systemach.

Oddzielną kategorię stanowią kamery inteligentne. Ich podstawowymi elementami są: przetwornik obrazu, obiektyw, układ mikroprocesorowy i komunikacyjny, a czasem także oświetlacze i układy sterowania oświetleniem. Integrują one więc większość komponentów systemów wizyjnych, a zarazem są często prostsze w konfiguracji i obsłudze niż inne ich typy.

Kompletny system wizyjny w jednej obudowie zrealizowany z wykorzystaniem kamery inteligentnej to w wielu przypadkach lepsze rozwiązanie niż użycie kamery połączonej z oddzielnym komputerem, na przykład w ograniczonej przestrzeni albo warunkach sterylnych.

Dopełnieniem systemów wizyjnych jest oprogramowanie do przetwarzania i analizy obrazów. Implementuje się w nim różne algorytmy umożliwiające tworzenie różnych aplikacji kontrolno-pomiarowych. Przykładami są: algorytmy dopasowywania wzorca, detekcji krawędzi i optycznego rozpoznawania znaków (Optical Characeter Recognition, OCR). Dwa pierwsze przedstawiamy w ramce.

Rozwiązywanie problemów, cz. 3

Zdarza się, że źródłem problemu jest sam obiekt inspekcji, a nie system wizyjny. Jeżeli nic się nie zmieniło, poza tym, że na przykład obiekt, chociaż wygląda tak samo, jak wcześniej, jest jednak wykonany z innego materiału, może się okazać, że przez to odbija światło inaczej niż poprzedni. W takim przypadku wymagana jest zmiana oświetlenia.

Podobnie, jeżeli w międzyczasie wprowadzono zmiany w obrębie linii produkcyjnej, mogło dojść do niezamierzonej modyfikacji takich parametrów jak odległość robocza lub pole widzenia kamery, przez co obiekt na zdjęciach będzie mniejszy lub większy niż wcześniej. Mogło to też spowodować powstanie odblasków tam, gdzie ich wcześniej nie obserwowano. Jeżeli nie można przywrócić pierwotnych ustawień, w takim wypadku powinno się zastosować filtry albo polaryzatory.

Czasami zmieniają się również zewnętrzne warunki w otoczeniu linii inspekcji. Przykładem jest sytuacja w pewnym zakładzie, w którym system wizyjny po uruchomieniu przez kilka miesięcy działał bez problemu. Po tym czasie jednak nagle zaczął wzrastać wskaźnik jego błędów, ale co ciekawe, miało to miejsce tylko popołudniami. Od razu domyślono się zatem, że źródłem tego problemu prawdopodobnie jest zmienność oświetlenia zewnętrznego.

Jak wykazała dalsza analiza, wcześniej nie przysparzało ono takiego kłopotu, ponieważ system wizyjny został zaprojektowany i zainstalowany w porze letniej, kiedy ze względu na wyższe położenie słońca na niebie po południu jego promienie nie wpływały na oświetlenie w hali produkcyjnej. Kiedy jednak nadeszła zima i zmniejszyła się wysokość słońca na niebie, w rezultacie więcej promieni słonecznych zaczęło docierać do pomieszczeń zakładu. W tych, w których zainstalowano system wizyjny, okazało się szczególnie dokuczliwe.

ORGANIZACJA SYSTEMU WIZYJNEGO

Organizując stanowiska z systemem wizyjnym, trzeba pamiętać o kilku ważnych kwestiach, dzięki którym będzie on działał prawidłowo. Na przykład pole widzenia kamery musi być na tyle duże, aby obejmowało cały obiekt albo tę jego część, której obraz powinien być rejestrowany.

Jednocześnie pole widzenia kamery nie może pokrywać zbyt dużego obszaru, bowiem wtedy obraz nie będzie miał wystarczająco dużej rozdzielczości. Jak pokazuje praktyka, rozdzielczość systemu wizyjnego, czyli odległość między dwoma szczegółami, które rozróżnia, powinna być co najmniej od pięciu do dziesięciu razy większa niż najmniejszy spodziewany defekt. Rozdzielczość systemu wizyjnego ma też wpływ na dokładność pomiarów przez niego wykonywanych.

Jakość zarejestrowanego obrazu jest kluczowa dla prawidłowego, zgodnego z oczekiwaniami, działania systemu wizyjnego. Aby wyniki na przykład kontroli jakości były spójne i wiarygodne, kontury obiektu powinny wyraźnie kontrastować z tłem. Ułatwia to ustalenie jego względnego położenia oraz wyznaczenie rozmiarów. Kluczem do uzyskania odpowiedniego kontrastu jest zapewnienie odpowiedniego oświetlenia.

Równie ważne jest to, żeby jasność i kontrast rozkładały się jednolicie na całym obrazie. Pozwala to na rozróżnienie na nim konturów obiektu. Równomierność rozkładu jasności i kontrastu zależą zarówno od oświetlenia, jak i ustawień obiektywu.

Kolejną ważną kwestią jest dostosowanie szybkości, z jaką przemieszczają się obiekty poddawane inspekcji do szybkości przetwarzania obrazów. Najlepiej, jeżeli jest ona tak dobrana, aby między zapisem kolejnych zdjęć był zachowany odpowiedni odstęp czasowy. Margines bezpieczeństwa będzie rekompensował opóźnienia powodowane przykładowo zmianami: szybkości przenośnika albo odległości między kolejnymi obiektami.

Jeżeli komponenty systemu wizyjnego będą wystawione na działanie takich czynników, jak: brud, substancje oleiste, wilgoć i pyły, dobrym rozwiązaniem jest umieszczenie kamery w osłonie. Łatwiej jest ją wyczyścić niż zabrudzony obiektyw. W przypadku, gdy podejmie się tego osoba niedoświadczona, może niechcący go zniszczyć albo zmienić jego ustawienia.

Trzeba również podjąć odpowiednie kroki, aby ochronić komponenty systemu wizyjnego przed gorącem, wibracjami i uderzeniami, na przykład przez zamocowanie kamery, oraz zaburzeniami elektromagnetycznymi. Dobrze, jeżeli kamery są zasilane z niezależnego stabilnego zasilacza, zaś kable komunikacyjne trzeba odizolować od kabli innych maszyn, które mogą emitować zaburzenia.

Czytniki kodów 2D nadzorują montaż

Pewien producent metalowych podzespołów dla przemysłu motoryzacyjnego chciał zorganizować system znakowania i śledzenia przepływu podzespołów podczas ich montażu. Zakładał, że między kolejnymi jego etapami elementy będą oznaczane, a symbole te posłużą później do ich identyfikacji w celu sprawdzenia, czy zostały prawidłowo zamontowane.

W pierwszym kroku element bazowy miał być znakowany kodem 2D, poddawanym weryfikacji na następnym stanowisku, na którym pracował robot spawalniczy. Jeśli sprawdzenie dało pozytywny wynik, do elementu przymocowywano inne. Kolejnym etapem była wizyjna kontrola jakości spawów. Informacja o tych, które wymagały poprawki, była przesyłana na kolejne stanowisko.

Niewłaściwie zespawane elementy były na nim rozpoznawane na podstawie kodu 2D i dokonywano niezbędnych poprawek. Następnie zespawane części trafiały na stanowisko malowania. Z tym krokiem wiązało się jedno z większych wyzwań w realizacji tego systemu. Obawiano się bowiem, że jeżeli oznaczenia będą zbyt płytko wykonane, pokrycie ich powłoką farby pogorszy kontrast między symbolami a tłem. Utrudniłoby to ich rozpoznawanie.

Aby tego problemu uniknąć, zdecydowano się na znakowanie metodą mikroudarową (dot peen). Do nanoszenia symboli używane się w niej igły z diamentową albo karbidową końcówką. Uderzając w detal, wybija ona na jego powierzchni mikrootworki rozmieszczone gęsto obok siebie. Łącząc się ze sobą, tworzą one linie symboli. Napis jest widoczny dzięki różnicy w sposobie odbijania światła przez otworki i gładkie tło.

Do rozpoznawania oznaczeń zdecydowano się wykorzystać czytniki kodów kreskowych. Podczas testów przeprowadzonych w zakładzie ustalono optymalne odległości, które powinna dzielić czytnik i obiekt w zależności od rozmiarów jego oznaczeń oraz tego, czy został już pokryty powłoką malarską, czy nie i odpowiedni kąt odczytu.

JAK EFEKTYWNIE TESTOWAĆ SYSTEM WIZYJNY?

Na etapie organizacji systemu wizyjnego, przed oddaniem go do użytku, poddaje się go testom. Podczas takiego sprawdzenia ważne jest, aby przetestować go na przykładowych obiektach różnego typu, tzn. w przypadku systemu kontroli jakości, zarówno na tych, które powinny być rozpoznane jako pełnowartościowe, jak i tych wybrakowanych.

Próbki powinny być jak najbardziej podobne do obiektów, które będą poddawane inspekcji. Nawet ich cechy, które mogą się wydawać nieistotne ze względu na to, że zadaniem systemu wizyjnego będzie analiza innych ich właściwości, mogą mieć znaczenie. Na przykład, choć system wizyjny będzie miał za zadanie wykrywać śruby zbyt krótkie lub źle nagwintowane, inaczej może się wywiązywać z tego zadania w przypadku elementów, które wykonano ze stali, a inaczej w przypadku tych z mosiądzu, nawet jeżeli będą miały taki sam kształt. Wynika to stąd, że oba metale w nieco inny sposób odbijają światło.

Systemy wizyjne testuje się, wykonując setki próbnych badań na danym zestawie obiektów, aby uzyskać pewność, że wyniki jego inspekcji są statystycznie spójne i wiarygodne. Pozwala to też dostosować do potrzeb tolerancję, z jaką wykrywa braki. Celem jest uzyskanie równowagi między liczbą błędów, czyli liczbą pełnowartościowych egzemplarzy uznanych błędnie za uszkodzone, a liczbą tych wybrakowanych, dla których wynik inspekcji był pozytywny.

Na etapie testów wykrywa się również różne błędy spowodowane niewłaściwą instalacją komponentów systemu wizyjnego. Przykładem są cienie rzucane przez osłony i odbicia od urządzeń i elementów konstrukcyjnych w otoczeniu, w którym wpływają na jakość rejestrowanych obrazów.

Rozwiązywanie problemów, cz. 4

Jeżeli w trakcie działania system wizyjny przestaje dostarczać wiarygodnych wyników może się okazać, że przyjęto nadmiernie zaniżone założenia projektowe. Prawidłowo zaprojektowany oraz zainstalowany system kontroli wizyjnej maszyny powinien bowiem (z wyjątkiem sytuacji, kiedy zmodyfikowano linię produkcyjną, zmieniły się warunki otoczenia albo wymagania w zakresie inspekcji), działać długo i bezawaryjnie.

SYSTEMY WIZYJNE - ROZWIĄZYWANIE PROBLEMÓW

Właściwie zaprojektowany i zainstalowany system wizyjny powinien działać prawidłowo. Jeżeli po jakimś czasie od uruchomienia przestaje wykrywać defekty i sygnalizuje je dla pełnowartościowych wyrobów, traci na wiarygodności. By ograniczyć straty przez to powodowane, trzeba szybko odkryć powód problemu i go usunąć. Bywa to proste, jeżeli przyczyna jest oczywista, ale zdarza się też, że trudno ją odkryć.

Generalnie przyczyny, dla których system wizyjny nie działa zgodnie z oczekiwaniami, można podzielić na trzy kategorie ze względu na ich charakter. Są to problemy natury: mechanicznej, elektrycznej lub optycznej. Warto od razu zaznaczyć, że lepiej powstrzymać się od wprowadzania zmian w ustawieniach oprogramowania, dopóki nie wykluczymy, że powód dysfunkcji nie należy do żadnej z tych grup. Ważną wskazówką co do rodzaju awarii jest to, czy pogorszenie działania systemu wizyjnego nastąpiło nagle, czy pogłębiało się stopniowo.

Postępujące pogarszanie się jakości i ostrości obrazu może zasygnalizować oprogramowanie systemu wizyjnego. W takim przypadku z dużym prawdopodobieństwem źródłem problemu jest zmniejszanie się ilości światła, które dociera do kamery.

Możliwe tego przyczyny to m.in. gromadzenie się zanieczyszczeń na soczewkach albo starzenie się źródła światła. To ostatnie wraz z upowszechnianiem się lamp LED występuje coraz rzadziej.

Częściej jednak zauważalne jest nagłe pogorszenie się. Wtedy w pierwszej kolejności trzeba przeanalizować co się zmieniło od czasu, gdy system wizyjny działał poprawnie. Przyczyna raptownej zmiany ma zwykle charakter mechaniczny. Przykładowo na skutek wibracji albo uderzenia przesunięciu mógł ulec któryś z komponentów systemu, przeważnie kamera albo oświetlenie. Łatwo to naprawić i zapobiec powtarzaniu się tego problemu w przyszłości przez mocniejsze zamocowanie obluzowanego elementu.

Szymon Jankowski

Induprogress

W jakich aplikacjach i branżach najczęściej stosowane są rozwiązania wizyjne?

Systemy wizyjne znajdują zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu, w których wykorzystuje się wizualną kontrolę jakości produktów oraz zintegrowany z wizją system montażu. Ze względu na wysokie normy jakościowe produktów, kontrolę wizyjną najczęściej wykorzystuje się w branży farmaceutycznej i spożywczej oraz w zautomatyzowanych liniach montażowych w elektronice i motoryzacji.

W ostatnim czasie zauważyć można wzrost znaczenia kontroli detali przed montażem, bezpośrednio po produkcji, co ma na celu minimalizację liczby odpadów oraz uchronienie linii przed ewentualnymi przestojami.

Jakie są typowe problemy z wdrażaniem systemów wizyjnych? Co można poradzić ich odbiorcom?

Podstawowym problemem przy omawianych wdrożeniach jest precyzyjne określenie przez klienta końcowego rodzaju wad, które mają być wykrywane. W zależności od ich rozmiarów i możliwości wykrywania zmienia się bowiem konfiguracja sprzętowa. Odbiorcy powinni także możliwie dokładnie opisać parametry procesu oraz swoje oczekiwania względem kontroli.

Integracja systemu zwykle polega na specjalistycznym doborze komponentów potrzebnych do zrealizowania danej aplikacji i przeszkoleniu osoby integrującej aplikację z konfiguracji tego systemu. Czasami zdarza się, że odbiorcy posiadają już w swoim zakładzie zintegrowany system zrealizowany na podobnych komponentach i są w stanie samodzielnie wdrożyć system.

Czy klienci są bardziej zainteresowani prostszymi systemami bazującymi na czujnikach wizyjnych czy kompletnymi rozwiązaniami wizyjnymi o dużej wydajności przetwarzania?

Czujniki wizyjne mają zwykle ograniczoną liczbę metod kontroli oraz możliwości konfiguracji sprzętowej (kamera, obiektyw, oświetlacz), stąd wykorzystywane są do mniej wymagających aplikacji. Ze względu na dużą wydajność produkcji oraz coraz większe wymagania odbiorców częściej stosuje się kompletne systemy o dużej wydajności. Dodatkowym atutem systemów jest większa elastyczność, jeśli chodzi o ewentualne dodanie w przyszłości dodatkowych metod oraz sposoby podłączenia i wymiany danych z zewnętrznymi urządzeniami.

PROBLEMY ELEKTRYCZNE I KOMUNIKACYJNE

Tematy numerów APA w przyszłości

Nagłe pogorszenie się działania systemu wizyjnego może być także spowodowane problemem natury elektrycznej. Najprościej jest zdiagnozować rozłączenie się kabli, gdyż najważniejsze komponenty systemu wizyjnego, jak kamera czy oświetlacze, wyposażone są we wskaźniki świetlne, które sygnalizują problem z zasilaniem. Do tej grupy zalicza się także problemy z komunikacją między komponentami systemu.

W takim przypadku najlepiej sprawdzić wszystkie połączenia, a przynajmniej te, które gdy zostaną przerwane, to dana funkcja systemu nie będzie działać. Na przykład jeśli zdjęcia wyrobów w ogóle nie są wykonywane, to prawdopodobnie do kamery nie dociera sygnał wyzwalający, na przykład z powodu przerwania jej połączenia z czujnikiem, który wykrywa obecność obiektu inspekcji na stanowisku kontroli wizyjnej.

Jeżeli z kolei mimo informacji z systemu wizyjnego o wykryciu wybrakowanego wyrobu zostaje on przetransportowany na kolejne stanowisko, prawdopodobnie nie zadziałał mechanizm odrzucania takich produktów. Może to oznaczać przerwanie połączenia pomiędzy jego sterownikiem, a na przykład komputerem, na którym zainstalowano oprogramowanie do przetwarzania obrazu.

W ramkach przedstawiamy więcej informacji na temat rozwiązywania problemów w działaniu systemów wizyjnych.

Monika Jaworowska