Kamery systemu wizyjnego znajdują zastosowanie w coraz większej liczbie systemów produkcyjnych – kontrolują procesy produkcyjne, sortują produkty lub sprawdzają ich jakość. Wielu nie docenia jednak znaczenia oświetlenia w procesie uzyskiwania precyzyjnych, powtarzalnych zdjęć przez kamery.
„Oświetlenie jest kluczowym elementem każdego systemu wizyjnego maszyn” – twierdzi ekspert B&R ds. systemów wizyjnych maszyn, Andreas Waldl. To właśnie oświetlenie określa sposób, w jaki kamera odbiera rejestrowany obiekt. Dwoma czynnikami o decydującym znaczeniu są – oprócz intensywności, kąta i długości fali wiązki – precyzyjna synchronizacja i inteligentne sterowanie.
Najczęściej spotykane w tej dziedzinie rozwiązanie polega na obsłudze przechwytywania obrazu, sterowania oświetleniem i strobowaniem za pomocą cyfrowych wejść i wyjść. Po prostu nie ma producentów oferujących kompletny zestaw sensorów systemów wizyjnych, lamp i sterowników stroboskopowych. „W przypadku każdego rozwiązania systemu wizyjnego maszyn mamy zwykle czterech różnych dostawców sprzętu” – wyjaśnia Waldl – „Jeden dostarcza kamerę, drugi sterownik stroboskopowy, inny lampy, a jeszcze inny sterownik PLC dla maszyny”.
Ścisła synchronizacja
Zważywszy na wszelkie opóźnienia i niedokładności związane z przesyłaniem informacji pomiędzy tymi systemami za pośrednictwem cyfrowych I/O, możliwość ich synchronizacji jest poważnie ograniczona. Nie można na przykład ustawić stroboskopu w taki sposób, aby zadziałał dokładnie w momencie otwarcia przesłony kamery. „Jedyne co można zrobić to wydłużyć czas trwania impulsu stroboskopowego, aby mieć pewność, że będzie włączony podczas naświetlania obiektywu kamery” – wyjaśnia Waldl. Taki sposób jednak radykalnie skraca okres użytkowania diod świetlnych.
Można go wydłużyć, zmniejszając natężenie światła, ale to z kolei wymaga dłuższego czasu ekspozycji. W zastosowaniach wymagających dużej szybkości dłuższa ekspozycja może spowodować rozmycie obrazu. Inna opcja polega na wzmocnieniu sygnału sensora kamery. „W tym przypadku skutkiem jest wyższy poziom szumu i niższa jakość uchwyconego obrazu” – podkreśla Waldl. „To prawdziwe błędne koło.”
W rozwiązaniu systemu wizyjnego oferowanym przez B&R - kamera, sterownik stroboskopu i oświetlenie są częścią tego samego systemu sterowania. Zalety takiego rozwiązania są oczywiste: sterowanie oświetleniem oraz systemem automatyki jest zsynchronizowane z dokładnością poniżej mikrosekundy, dlatego impulsy świetlne mogą być bardzo krótkie. Wydłuża to żywotność diod, zapewniając jednocześnie ostry obraz nawet bardzo szybko poruszających się obiektów. System zapewnia również wyjątkowo jednolity i wysoce powtarzalny sposób oświetlenia. Ogólnym efektem jest wyższa jakość produkcji.
Duża intensywność
„Dzięki niezwykle krótkiemu impulsowi stroboskopowemu diody mogą działać nawet przy prądzie przekraczającym trzykrotnie natężenie znamionowe” – zauważa Waldl. B&R jest w stanie zapewnić poziom intensywności niemożliwy do osiągnięcia przy konwencjonalnym oświetleniu ciągłym. Rozwiązanie ogromnie skraca czas ekspozycji i zmniejsza szum, zapewniając jednocześnie odporność na działanie światła zewnętrznego.
„Warunki oświetleniowe w halach, w których stoją maszyny, są trudne, w dodatku zmieniają się w ciągu dnia – mówi Waldl – dlatego światło zewnętrzne jest przyczyną ciągłych problemów.” Wyeliminowanie tego czynnika może znacznie poprawić jakość wyników pomiarów i kontroli. Konstruktorzy maszyn mogą osiągnąć ten cel albo umieszczając maszynę w nieporęcznej, kosztownej obudowie, albo stosując wysokowydajne oświetlenie stroboskopowe.
Równomierne oświetlenie
Aby aplikacja systemu wizyjnego mogła uzyskać spójne wyniki, obiekty muszą być oświetlone możliwie równomiernie. Można to osiągnąć dzięki inteligentnie zaprojektowanym lampom. W rozwiązaniu B&R każda dioda świetlna posiada specjalną soczewkę, która zapewnia równomierną emisję światła. Lampy są fabrycznie skalibrowane przez B&R, zatem nie ma potrzeby dokonywania ręcznej kalibracji u klienta lub podczas produkcji seryjnej. Wahania temperatury i upływ czasu wpływają na natężenie światła generowanego przez diody, jednak inteligentne lampy B&R automatycznie kompensują te efekty.
Elastyczne stosowanie
„Rozwiązanie z zakresu systemu wizyjnego, które tylko jedną określoną funkcję wykonuje naprawdę dobrze to o wiele za mało” – podkreśla Waldl. W dobie rewolucji przemysłowej 4.0 i Przemysłowego Internetu Rzeczy możliwość natychmiastowego przestawienia produkcji na inny artykuł staje się czymś oczywistym, a rozwiązanie systemu wizyjnego dla maszyn musi ten fakt uwzględniać. W przypadku w pełni zintegrowanego rozwiązania B&R sprawa jest prosta: wszystkie parametry mogą być przechowywane w recepturach i wprowadzane do programu stosownie do potrzeb.
Użytkownik może w dowolnym momencie dostosować kolor światła, czas trwania lub ogniskową impulsów stroboskopowych, czas naświetlania kamery lub kąt nachylenia pasków świetlnych – wystarczy zmienić kilka ustawień oprogramowania. Przy pomocy tych samych komponentów oświetlenia można uzyskać zarówno iluminację jasnego pola, jak i ciemnego pola, zmieniając jedynie parametry.
Znaczenie koloru
„Wielu konstruktorów maszyn nie docenia możliwości, jakie daje stosowanie błysków lampy w różnych kolorach” – zauważa Waldl. Poprzez wybór koloru można na przykład podkreślić lub ukryć określone cechy produktu lub znaki rejestracyjne. Dlatego B&R oferuje każdy ze swoich produktów oświetleniowych – także zintegrowane z kamerą diody świetlne – nawet w czterech różnych kolorach, w tym w podczerwieni i ultrafiolecie.
Dzięki różnym kolorom diod można wykonać wiele zdjęć produktu w różnych warunkach oświetleniowych, aby uchwycić różne właściwości. Można je wykonywać w sekwencji tak szybkiej, że wystarczy tylko jedna kamera.
Konfiguracja, a nie programowanie
„Nawiasem mówiąc – dodaje Waldl – konfiguracja systemu wizyjnego maszyn nie wymaga już prawdziwego programowania w tradycyjnym znaczeniu.” Firma B&R opracowała gotowe komponenty oprogramowania, które umożliwiają użytkownikom konfigurowanie aplikacji metodą ”drag & drop”. Komponenty oprogramowania systemu wizyjnego maszyn można po prostu połączyć z innymi komponentami implementującymi takie elementy jak sterowanie ruchem, zarządzanie użytkownikami, zarządzanie recepturami i systemy alarmowe. Są one integralną częścią sieci maszyny, dlatego kompleksowa diagnostyka jest dostępna w czasie rzeczywistym. Firma B&R drastycznie zmniejszyła koszty ogólne rozwoju aplikacji sytemu wizyjnego maszyn.
Przygotował: Stefan Hensel, redaktor działu komunikacji korporacyjnej B&R
Andreas Waldl, kierownik produktu ds. zintegrowanych systemów wizyjnych maszyn w B&R
Gama produktów oświetleniowych B&R
Gama produktów oświetleniowych B&R obejmuje elastyczne listwy świetlne, pierścienie świetlne i podświetlenie. Dostępne są kamery z maksymalnie 64 wbudowanymi diodami świetlnymi. Każda lampa posiada zintegrowany sterownik stroboskopowy i może emitować światło diod nawet o czterech różnych kolorach jednocześnie. Można wybrać światło białe, wiele innych widocznych kolorów, a także podczerwień i ultrafiolet. Umożliwia to osiągnięcie prawidłowego kontrastu, koloru i intensywności oświetlenia, w zależności od aplikacji.
Uniwersalne listwy świetlne B&R posiadają elektroniczną regulację kąta w przedziale od -40° do 90°. Listwy świetlne są również dostępne jako wstępnie zmontowane lampy pierścieniowe w zestawach po cztery, sześć lub osiem sztuk. Systemy oświetleniowe B&R są zintegrowane z siecią maszyny poprzez złącze hybrydowe M12, zapewniające również niezbędne zasilanie prądem stałym o napięciu 24 V, dlatego do ich zainstalowania potrzebny jest tylko jeden kabel. Drugie połączenie hybrydowe umożliwia okablowanie w konfiguracji łańcuchowej z dodatkowymi lampami lub kamerami.