Развитие на технологиите за машинно зрение в индустриалната автоматизация

СтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7/2015 • 18.12.2015

Развитие на технологиите за машинно зрение в индустриалната автоматизация
Развитие на технологиите за машинно зрение в индустриалната автоматизация
Развитие на технологиите за машинно зрение в индустриалната автоматизация
Развитие на технологиите за машинно зрение в индустриалната автоматизация
Развитие на технологиите за машинно зрение в индустриалната автоматизация

През последното десетилетие технологиите за машинно зрение значително са се развили и са се превърнали в незаменим инструмент на производствената автоматизация. Днес те осигуряват богати възможности за безконтактна инспекция и идентификация на разнообразни по тип изделия и компоненти, прецизно измерване на размери, детекция на дефекти, разчитане на етикети, баркодове и друга кодова символика, проследяване на продуктови партиди, както и направляване на роботи и други автоматизирани машини по време на pick-and-place операции, асемблиране и други сходни манипулации.

Днес системи за автоматизирана инспекция се използват в редица индустрии, сред които производство на полупроводникови и медицински изделия, електроника, фармацевтични продукти, автомобилни компоненти и потребителски стоки, в опаковъчната промишленост, логистиката и др.

Практиката в областта показва, че системите за машинно зрение демонстрират най-добри резултати, когато са интегрирани в самия производствен процес, например за контрол на оборудване или като елемент от затворена управляваща верига. Такова приложение на технологията е например инспекцията на повърхностен монтаж на компоненти върху печатни платки в електронното производство.

 

Перспективи пред системите за машинно зрение
Съвременните системи за машинно зрение са много по-ефективни, лесни за управление, достъпни ценово и мултифункционални от първите такива решения, навлезли преди години в масовата производствена автоматизация. Днес все повече производители инвестират в закупуване и внедряване на технологии за автоматизирана инспекция и идентификация не само в нови, но и в съществуващи производствени линии.

Експертите в областта очакват паралелно с технологичното им развитие, броят и спектърът от приложения на системите за машинно зрение да продължат да нарастват през следващите години. За да стане тази прогноза реалност обаче, системите на бъдещето трябва да притежават три основни характеристики, убедени са пазарните анализатори в сферата на производствената автоматизация.

На първо място, те трябва да са достатъчно бързи, за да се справят с постоянно нарастващите темпове на индустриалното производство. Второ, новите системи за машинно зрение трябва да позволяват лесна и интуитивна интеграция, инсталация и експлоатация. И не на последно място, технологиите за автоматизирана инспекция през идните години трябва стават все по-интелигентни и гъвкави, за да успеят да се адаптират към постоянно усложняващите се производствени операции.

Дори актуалните предложения на пазара днес да не разполагат с всички тези качества в пълна степен, няколко техни характеристики бележат пътя на бъдещото им развитие в очакваната посока.

По-бърз и отзивчив хардуер
От своето начало до днес, индустриалните технологии за машинно зрение са с нарастващо съотношение цена/ефективност. Те са базирани на все по-мощни и компактни процесори, достигащи тактова честота от порядъка на гигахерци. По-високите скорости на визуална инспекция, която усъвършенстваните хардуерни компоненти опосредстват, позволяват непостигана досега производителност на автоматизираните линии и все по-голяма гъвкавост и издръжливост на индивидуалните устройства за машинно зрение.

В процеси и операции, в които темповете на продукцията се лимитират от механични ограничения, възможностите за високоскоростна визуална инспекция осигуряват значителен резерв от процесорна мощ, който може да бъде утилизиран при необходимост. Този резерв позволява разработването на по-интелигентни инструменти за машинно зрение, които могат да опростят значително системното програмиране и да се адаптират и към по-сложни процесни вариации.

До неотдавна системите за визуална инспекция осигуряваха само двоична обработка на чернобели изображения с ниска резолюция. Днешните усъвършенствани решения могат да работят с изображения с много висока резолюция, като в тях се използват сложни изчислителни алгоритми и операции като математическа морфология и др. В допълнение са възможни много повече от една паралелни операции, извършвани върху дадено изображение, в рамките на един фрейм или кадър.

Новите технологии за машинно зрение 
позволяват завъртане на изображението в реално време в синхрон с реалното въртене на инспектирания детайл. За “реално време” доскоро при технологиите за визуална инспекция се считаше стандартната в телевизионното разпространение кадрова честота от 25 Hz. Съвременните дигитални камери за машинно зрение, които работят при по-високи скорости обаче, се нуждаят от обработка на изображенията в по-бързо от “реалното време”.

Хардуерните възможности на новите технологии позволяват нестандартни високи скорости на заснемане и обработка на визуални данни. Възможно е както обработването на по-голям обем от данни, снет със стандартна скорост от изображения с по-висока резолюция, така и на същия обем данни от визуален материал със стандартно качество, но снет при много по-високи скорости.

Технологичните подобрения в областта на хардуера за машинно зрение водят до налагането на пазара на системи с все по-компактни размери. Така от огромни установки за визуална инспекция днешните инструменти за машинно зрение са се смалили до единични платки с размери от порядъка на няколко милиметра. Освен с по-висок капацитет и ефективност, новите хардуерни технологии се отличават и с много по-ниска консумация на енергия. Така хардуерните конфигурации стават все по-достъпни ценово, все по-опростени и икономични, което позволява “доближаването” им (в пряк и преносен смисъл) до производствения процес.

Смарт камери 
Водеща технологична тенденция в областта на системите за машинно зрение са интелигентните (смарт) камери. Те представляват индустриална система за визуална инспекция от типа “всичко в едно”, при която всички необходими компоненти са побрани в компактен корпус с изключително малки габаритни размери. Тези решения разполагат с цифрова периферия и индустриални комуникационни технологии за безпроблемна интеграция в съществуващи производствени платформи за автоматизация.

Смарт камерите типично се състоят от: сензор за изображения (CCD- или CMOS матрица), схема за дигитализация на снетото изображение, процесор, памет за програмно осигуряване и съхранение на данни, комуникационен интерфейс (RS232, Ethernet и др.), вградени цифрови входове и изходи, в отделни случай оптична система и осветително LED устройство, вградена приложно-ориентирана операционна система в реално време и др.

Изключително лесни за експлоатация, индустриалните смарт камери за визуална инспекция се отличават с огромен процесорен ресурс в компактни размери, усъвършенствана интегрираност, бързодействие и индустриален IP 67 корпус, който позволява приложението им в широк спектър от индустриални среди със специфични условия.

Смарт камерите са базирани на последните достижения в технологиите за машинно зрение и осигуряват усъвършенствани възможности за визуална инспекция и идентификация и се оказват подходящо решение дори за най-високоскоростните производства. Всички необходими за визуалната инспекция операции се извършват в компактния корпус на самата камера.

Най-съвременните и компактни модели смарт камери се отличават с резолюция, която достига до 5 мегапиксела, цветни и монохромни версии в зависимост от изискванията на приложението и непостигани досега скорости на визуална инспекция. Основни предимства на смарт камерите са тяхната компактност и лесна интеграция, както и лесното валидиране в редица сектори като автомобилостроене, фармация и други, в които този процес типично е сложен.

PC-базирана визуална инспекция
През последното десетилетие PC-базираните системи за визуална инспекция също са широко разпространени в индустрията поради нарастващите скорости на стандартните компютърни процесори. Ключово предимство на тези технологии е възможността за комбиниране на софтуерни и хардуерни компоненти от различни производители в обща система за машинно зрение. Основен плюс е и универсалността на PC-компонентите както за персонални потребителски, така и за индустриални компютърни конфигурации, работещи под стандартни операционни системи.

Модулният характер на компонентите за визуална инспекция и все по-достъпните им цени позволяват на потребителите в областта на производствената автоматизация сами да конфигурират персонализирани PC-базирани системи за машинно зрение, както и да ги мащабират спрямо обемите и темповете на производство. Внедряването на цялостна, готова за инсталиране система за визуална инспекция от оторизиран доставчик, разбира се, би решила много потенциални проблеми и разходи, свързани с евентуални технологични и технически несъответствия между отделните компоненти.

Достижения в областта на графичните технологии
Последното поколение графични енджини позволява “побирането” на цялостна визуална система на единична PCI (Peripheral Component Interconnect) платка. Новите компактни системи са достъпни като автономни модули с “plug-in” възможности за свързване към базовата платформа (чрез слот).

Благодарение на тези възможности е възможно прехвърлянето на сложни операции, свързани с визуална обработка, като мониторинг и контрол на продукцията, от PC-базираната система към автономните графични подсистеми за машинно зрение, което намалява натоварването на централния процесор. Чрез свързването на множество автономни графични модули с различни спецификации към една компютърна базова платформа, могат да се реализират паралелно с един и същи изходен ресурс широк набор от операции, засягащи различни аспекти на визуалната инспекция.

Съвременните графични подсистеми типично работят под многозадачна операционна система в реално време, която позволява извършването на изчерпателна гама от задачи в областта на машинното зрение. Това осигурява значително предимство пред конвенционалните PC-базирани системи, които използват стандартни операционни системи без възможности за работа в реално време.

За разлика от широко използваните доскоро мултимедийни фрейм грабери (графични карти за запис и обработка на видеосигнали), едноплатковите графични подсистеми позволяват работата на една базова платформа с множество различни входящи устройства, като аналогови видеосистеми, дигитални камери и др. Разработени специално за системи за машинно зрение, тези продукти позволяват превключване на сигнала между успешно заснети кадри, което невинаги е налично като възможност при мултимедийните грабери.

Основни предимства на plug-in графичните подсистеми са по-лесната интеграция в индустриалните комуникационни мрежи, както и потенциалът за отдалечен мониторинг и диагностика на системата за машинно зрение и отделните й компоненти.

Улеснено внедряване и експлоатация
Интуитивното управление на една индустриална система отдавна не означава само опростен графичен интерфейс. Съвременните интелигентни технологии за машинно зрение намаляват потребността от експертни познания на персонала и позволяват бърза и лесна интеграция в производствената автоматизация, както и усъвършенстван последващ контрол.

Повечето достъпни на пазара високотехнологични решения включват вградени графични потребителски интерфейси и множество лесни за избиране опции за персонализиране на приложението съобразно конкретните изисквания. Тези възможности позволяват генерирането на индивидуални програми за визуална инспекция за дадени производствени линии или продуктови партиди, задаване на широк набор от работни параметри и признаци за проследяване, събиране, архивиране и извеждане на данните от инспекциите в хронологичен план и лесно локализиране и изолиране на дефектни продукти или цели партиди от производствения цикъл.

Приложенията за машинно зрение в съвременните производства 
могат условно да бъдат описани като последователност от операции, изпълнявани от високоефективни, гъвкави и интелигентни, ориентирани спрямо конкретната задача инструменти.

Те извършват високоскоростна комплексна обработка и анализ на изображения с висока резолюция и визуални данни с големи обеми, като намесата на оператор в целия процес е елиминирана или минимална. Това значително повишава нивото на автоматизация в модерните индустриални съоръжения и свежда до минимум рисковете от пропускане на дефектни, неправилно етикетирани или повредени продукти, свързани със субективния човешки фактор.

Днес системните интегратори и OEM производителите разработват все по-персонализирани потребителски интерфейси за отделните производствени операции или индустрии, улеснявайки и ускорявайки допълнително внедряването им в индустриалната автоматизация. Най-често те са базирани на действащите в дадения отрасъл стандарти, като така правят покриването на изискванията им значително по-лесно.

Една от последните разработки в областта, която скъсява периода на разработка и времето за интеграция на системите за машинно зрение, е компонент-базираният софтуер. Той включва всички базови функционални блокове и библиотеки, необходими за генерирането на програма за автоматизирана инспекция, като така позволява на потребителите сами да програмират оборудването си и да персонализират работата му.

Възможности за бъдещо развитие на технологиите за машинно зрение
Описаните дотук технологични тенденции в областта на софтуера и хардуера за машинно зрение ще продължат да се развиват динамично и в бъдеще, убедени са експертите в областта на автоматизираната визуална инспекция. По-високите капацитети и скорости на работа на хардуерните компоненти, нарастващата интелигентност на софтуерните инструменти и голямото разнообразие от персонализирани решения за машинно зрение за конкретни задачи в индустриалното производство ще позволят по-прецизни операции, по-малко разходи, свързани с дефектна продукция, и по-високо ниво на автоматизация в бъдеще.

Благодарение на намаляващите си цени и усъвършенствани възможности по отношение на скоростта, издръжливостта, лесната интеграция и експлоатация, технологиите за машинно зрение са достигнали етап от своето развитие, в който са се превърнали в задължителен инструмент на производствената автоматизация с дългосрочна разходна ефективност, който носи множество ползи за производителите.

Новият брой 2/2018

брой 2-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО
Top