Bedre kunnskap om muligheter og begrensninger gir bedre grunnlag for å vurdere aktualiteten av slike systemer. Vi har alliert oss med salgssjef Helge Jordfald hos den norske vision pioneren Tordivel. Første del handlet om bruksområder og reduksjon i produksjonskostnader. Denne delen dekker spesifikasjon av krav, samt valg av kamera, linse og belysning – en slags ”startpakke".
En forutsetning for et vellykket vision system er å bruke tid og ressurser på følgende:
- Velge og spesifisere hvilke detaljer på objektet som skal inspiseres
- Sikre seg at vision systemet lager gode nok bilder slik at detaljene kan inspiseres i henhold til kravene
- Start enkelt
Det enkle er best
Normalt er det noen få og viktige krav som initierer investeringen. Men underveis, og med oppdagelsen av de mange mulighetene som vision systemer gir, kommer det ofte en rekke problemer som ønskes løst i tillegg.
Det kan være vanskelig å kvantifiseres disse nye oppgavene tilstrekkelig, og dermed umulig å inspisere uten grundige forundersøkelser. På denne måten kan man gjøre en grei oppgave til en håpløs oppgave, hvor forventningene aldri blir oppfylt.
”Keep it simple”, konsentrer deg om de viktige kravene som er grunnlaget for investeringen. De andre problemene kan du starte med når systemet er satt i drift, og over tid kan alt sannsynligvis løses på en tilfredstillende måte.
Hvordan setter jeg kravene?
Det måler dimensjoner, form, arealer, vinkler etc. Dette betyr at alle parametere i kravspesifikasjonen må spesifiseres som en grenseverdi, med en tilhørende toleranse. Dette er enkelt når dimensjoner inspiseres, men kan være vanskelig ved inspeksjon av flekker på en overflate eller ujevnheter på en kant. Noen ganger må det også spesifiseres hvordan det skal måles, for å sikre at resultatet alltid blir riktig.
Høyt volum eller null feil?
Ja takk – begge deler! Dessverre er det ikke så enkelt, spesielt i første driftsperiode. Vet idriftssettelse av et vision system er det vanlig å oppleve at produksjonsvolumet (av godkjente produkter) går ned. Dersom toleransene er snevre, kan fallet bli dramatisk. Dette skyldes flere faktorer:
- Større variasjoner i produktene enn i det sett av produkter som var grunnlaget for konfigureringen
- Lysforholdene i fabrikken er ikke kontrollert godt nok
- Produksjonen arbeider ikke på nominelle verdier, men tett på grenseverdiene
Husk at et vision system verken kan garantere en visst produksjonsvolum eller ”null feil”. Det utfører bare de målinger det er blitt konfigurert til å gjøre med en viss målenøyaktighet, og kontrollere dette mot grenseverdier. Men ved å bruke systemet som et verktøy og forbedre det over tid, kan man få kontroll på alle disse faktorene og få den etterlengtete Ole Brum-løsningen, ”begge deler”.
Alle gode ting er fire
Hvordan få et godt bilde? Dagens vision systemer har mange teknikker og algoritmer, som behandler bilder for å finne detaljene det er ønskelig å inspisere. Men selv de mest avanserte funksjoner kan ikke kompensere for et dårlig bilde – ”søppel inn gir søppel ut”.
Det er derfor vitalt å bruke tid og ressurser på å få et godt bilde, slik at inspeksjonen blir pålitelig og repeterbar. Kvaliteten på bildet avhenger av oppgaven. Noen oppgaver kan gjøres med et lavkost kamera, mens andre krever flere kameraer og/eller kamera(er) med høy oppløsning og høy kvalitet. Det er fire elementer som tilsammen gir et godt bilde:
- Kamera med tilstrekkelig oppløsning og kvalitet
- Linse som passer til objektets størrelse og avstand til produktet, med en akseptabel fortegning
- Belysning av objektet for å gi tilstrekkelig kontrast rundt de detaljer som skal måles
- Beskyttelse mot eksternt lys for å sikre en konstant belysning
Kamera
Det finnes i dag et stort utvalg av kameraer som kan benyttes. Den tradisjonelle metoden for å koble kameraer til en PC er en ”Framegrabber”. Multimediarevolusjonen har frembrakt nye standarder for tilkobling av digitale kameraer. USB (Universal Serial Bus) og Firewire Imaging (IEEE1394) er kamera-grensesnitt som finnes på alle PC-er, og gir tilgang til mange typer digitale kameraer.
Det er også et stort utvalg av såkalte Smart-kameraer eller Vision sensorer. Dette er kameraer med innbygget PC. Det benyttes en PC med software for å konfigurere systemet, deretter kan de operere som en selvstendig enhet. Uansett hvilken løsning som velges, så er de valg og overveielser, som må gjøres for å få et godt bilde, de samme. Denne artikkelserien omfatter teknikker og problemstillinger for alle typer systemer.
Bildedetaljer
Et digitalt bilde består av N piksler i x retning, og M piksler i y retning. Hvert piksel inneholder informasjon om farge/gråtone. Et VGA kamera har 640 x 480 piksler, og XGA kameraer 1024 x 768. Vi tar for oss svart/hvitt-kameraer i denne artikkelen.
Gråtoneverdien for sort er 0, og 256 for hvitt. Billedbehandlingen går grunnleggende ut på å finne linjer/buer fra kontrast/gråtone-endringer eller arealer, og detaljer med gråtoneverdier innefor gitte verdier.
Det areal som bildet omfatter kalles Field of View (FOW). Kamera og størrelsen på FOW gir pikseloppløsningen (hvor stort et piksel er i millimeter). Objektet, eller detaljen(e) av objektet som skal inspiseres, vil bestemme hvor stor FOW som trengs, og toleransene for målingene vil bestemme hvor stor pikseloppløsninger det er behov for.
Flere vision systemer har funksjoner som gjør det mulig å måle i sub-piksel området.
Linse
Valg av linse er avhengig av hvilken FOW (Field of View) som det er behov for, og kameraets avstand til objektet. For å få gode bilder er det ofte ønskelig å montere kamera 1 – 2 meter fra objektet for å minimere perspektiv og linse fortegning.
Når disse to parametere er valgt, kan det beregnes hvilken linse man trenger. Dersom toleransene er små, er det viktig å velge linser med minimal linsefortegningen, og i tilegg må det utføres en linsekalibrering i vision systemet.
La det bli lys
Belysningen er en meget viktig del av vision systemet, og har to hovedoppgaver:
- Belyse objektet tilstrekkelig for å fremheve de kontraster som er ønsket
- Sikre et konstant lys, og dermed et gi et robust system som virker 24 timer i døgnet 365 dager i året
Det er omtrent umulig å forutsi nødvendig belysning uten å eksperimentere. Derfor er det viktig å sette av tid og ressurser til dette. Dersom objektet beveger seg, må lukkertiden justeres for ikke å miste oppløsning.
Er bevegelsen på 100 millimeter per sekund (6 meter i minuttet), vil en lukkertid på 1 ms gi en maksimal oppløsning på 0,1 mm, uavhengig av pikseloppløsningen. I tilegg må lysnivået økes slik at den totale lysmengde blir tilstrekkelig for å få fram de ønskede kontraster. Dette kan kreve spesiallys som fiberoptisk lys eller lavspennings spotlights.
Ved korte lukkertider (<20ms) må det ikke benyttes lys som er modulert med nettfrekvensen (dvs. standard lysrør og vanlige lyspærer), da disse vil gi varierende og ukontrollerte lysforhold.
Det bør brukes høyfrekvente lysrør, lavspenningspærer med DC forsyning eller LED lys. Ved indeksering eller lav hastighet, derimot, kan de fleste typer lys brukes. Det kan være fornuftig å kontakte spesialister ved problemer med belysningen.
Forfra….
Den mest vanlige teknikken er å belyse objektet fra samme side som kameraet. Denne type lys egner seg spesielt for applikasjoner hvor detaljer på en overflate skal inspiseres. Eksperimenter med antall lyskilder, avstand til objektet og vinkel. Ofte er det enklere å inspisere skyggen enn selve detaljen. Direkte eller diffust lys kan brukes. Ved diffust lys blir kontrastene mindre, men noen av detaljene blir klarere.
Dersom objektet reflekterer mye lys, er diffust lys helt nødvendig. En enkel metode for å lage diffust lys er å rette lyskildene opp mot et buet tak i metall, som så sender lysstråler i alle retninger ned mot objektet.
Ringlys er en type LED (spesiallys) som egner seg for sirkulære objekter. I såkalte Dark Field-lyskilder er LED lampene montert i vinkel. Ved å bruke disse, eller montere andre lyskilder i meget liten vinkel, vil skygger og kontraster fra ujevnheter bli tydelige.
….eller bakfra…
Baklys gir en silhuett av objektet, og er en enkel og sikker metode som bare krever en lyskilde (gjerne diffus). Den krever tilgang til begge sider av objektet. Typiske bruksområder er måling av dimensjoner og arealer samt inspeksjon av hull og kanter.
…og lysbeskyttelse
I produksjonslokalet, hvor vision systemet skal i drift, er det alltid lyskilder. Dette lyset egner seg ikke til belysning for et vision system. Sola kan i tilegg gi et meget varierende lys, som i perioder kan sette vision systemet helt ute av spill. Kamera og belysning må i tilstrekkelig grad bygges inn, slik at eksternt lys ikke skaper problemer.
Teamwork!
Det er kombinasjonen kamera og belysning som gir et godt bilde. Det er ikke uvanlig å bruke tid på å teste ut flere varianter før løsningen er i boks. Ofte blir løsningen en annen enn først antatt. Det kan derfor være fornuftig å velge fleksible systemer.
I noen situasjoner lar det seg ikke gjøre å lage et godt nok bilde. Da må enten kravene reduseres, eller akseptere at detaljen(e) ikke kan inspiseres med et vision system. Det er tross alt bedre å finne ut av dette på et tidlige tidspunkt, enn etter måneders prøving uten å lykkes.
