Автоматизирана визуална инспекция

Mашинното зрение осигурява иновативни решения за редица задачи в сферата на индустриалната автоматизация. Макар традиционно визуалната инспекция на изделия в много производствени линии да се извършва от хора, те са много по-бавни от машините, а и бързо се уморяват.

В допълнение, квалифицирани инспектори за специфични индустриални приложения, свързани с контрол на качеството, понякога се намират и обучават трудно. В някои случаи особеностите на производствените процеси правят визуалната инспекция от човек почти невъзможна или нежелателна.

Компютърното зрение може напълно пълноценно да замести човешкото дори в критични приложения – агресивни промишлени среди, при повторяеми процеси и т. н.

Автоматизирана визуална инспекция
Автоматизираната визуална инспекция (АВИ) е съвременен метод за автоматична инспекция на производствени процеси.

Благодарение на високата си точност и ефективност, методът се налага като водещ при контрола на качеството на продукцията в редица сектори, като производството на електроника, стъклени изделия, бутилирани напитки и продукти, машинни детайли, лекарствени средства, пакетирани храни и продукти и др.

Сред предимствата на АВИ пред традиционната инспекция в индустрията са безконтактният й характер, по-високото качество и скорост, възможността процесът да се извършва изцяло автоматизирано и др.

Автоматизираната инспекция широко се използва в индустрията от 80-те години на миналия век насам, особено при инспектирането на партиди продукти от един и същи вид, на поточни линии и т. н.

С динамичното развитие на компютърните технологии и визуалните системи решенията за автоматизирана визуална инспекция стават все по-бързи и мощни, все по-компактни и все по-масово внедрявани в различни високотехнологични производствени приложения.

Същност и специфика на метода
АВИ може да бъде разглеждана като замяна или подпомагане на човешкото зрение при визуалната инспекция с машинно зрение, което се реализира с помощта на камери, компютърни системи и друго спомагателно оборудване. На базата на множество заснети двуизмерни изображения на даден обект (изделие, компонент или продукт в индустриалното производство) се изгражда негов триизмерен образ, който бива проверяван за дефекти.

В основата на АВИ са заложени ключови теоретични методи, като проективна геометрия, теория на вероятностите и стохастичните процеси, кинематични изчисления, 3D реконструкция на образи, информационната парадигма за зрението на Дейвид Мар, теория за движението на твърдото тяло, различни методи за обработка на изображения, теорията на изкуствения интелект и др.

Най-ранните разработки в областта са базирани на обработката и анализа на двуизмерни изображения, класифицирани по метода за разпознаване на образи (pattern recognition). В последствие се въвежда интерпретирането на триизмерни обекти чрез двуизмерни образи.

През 80-те години на миналия век зрението вече се разглежда като процес по обработка на информация. Тези изследвания се превръщат в теоретична база на компютърното зрение, при което триизмерната форма на обектите и тяхното пространствено разположение се възстановяват (или конструират) чрез двуизмерни изображения.

Конфигурация и предимства на AVI системите
Автоматизираната визуална инспекция е безконтактен метод за инспекция на обекти посредством технологии, като обработка на изображения, прецизно измерване, разпознаване на образи и изкуствен интелект, опосредствани от компютърно зрение. Базовата конфигурация на една АВИ система включва: източник на светлина (за осветяване на обектите), оптична система, CCD (Charge-Coupled Device или прибор със зарядна връзка) камера/и, устройство за получаване на изображения, модул за обработка на изображения, компютърна система и софтуер за анализ на данни, задвижваща система.

Видеокамерата заснема изображение на инспектирания обект, изпраща го към компютъра чрез видео декодер или т. нар. фрейм грабер.

Софтуерът анализира изображението и взема решение дали обектът преминава успешно инспекцията или не. Условията, в които работи видеосистемата, са прецизно контролирани и трябва да могат лесно да се поддържат в производствената среда.

Препоръчително е станцията за автоматизирана визуална инспекция да бъде монтирана максимално близо до точката от поточната линия, в която най-често възникват дефектите.

Сред предимствата на метода са неговата гъвкавост и разходна ефективност, високата прецизност и бързина, както и възможностите за онлайн инспекция и инспекция в реално време.

В зависимост от нивото на автоматизация АВИ системите могат напълно да заместят инспекторите по контрол на качеството в индустриалното производство.
Изискванията за

проектиране и разработване на ефективна система за машинно зрение
варират в зависимост от областта на приложение и са свързани със задачите, които трябва да бъдат изпълнени, условията на производствената среда, необходимата скорост на инспекция, съобразена със скоростта на поточната линия и т.н.

В някои приложения системата трябва да бъде в състояние да разграничава приемливи и неприемливи варианти на продуктите или на дефектите по тях, докато в други тя трябва да даде възможност на оператора да прецени правилни ли са ориентацията и подреждането на обектите, да позволи измерване на тегло и габарити и др.

Не съществува система за автоматизирана визуална инспекция, която да може да се справи с всички задачи и да е подходяща за всяко приложение в индустриалното производство.

Първият въпрос, който трябва да бъде решен при проектирането и конфигурирането на АВИ система за дадено приложение, е да се разбере какъв вид информация ще събира системата и как тя ще се “превежда” в използваеми резултати от инспекцията, на чиято база могат да се приемат или отхвърлят обектите на визуален контрол.

Недостатъци на традиционната визуална инспекция
С усложняване на задачите във визуалната инспекция, инспекторите по контрол на качеството често се оказват недостатъчно надеждни.

Необходимостта от бърза и прецизна инспекция в съвременните високотехнологични промишлени производства, които до голяма степен са автоматизирани и роботизирани, прави машинното зрение много по-полезно от човешкото във визуалния контрол на качеството на продукцията.

В доклада “Предимства и ограничения на системите за автоматизирана визуална инспекция”, публикуван от Департамента по индустриално и системно проектиране на университета в Претория, се посочва, че след внедряването на решения за АВИ в различни контролни асемблиращи линии, процентът на грешки в асемблирането е спаднал средно от 5% на под 0,05%.

Проучването показва още, че автоматизираните системи за визуална инспекция в наблюдаваните приложения са уловили 97% от дефектите в изделията, докато инспекторите са регистрирали едва 78%.

Сред недостатъците на човешката инспекция при визуалния контрол на качеството в индустриалното производство са: невъзможността на човека да остане фокусиран и да открива дефекти с една и съща висока успеваемост в продължение на периоди, по-дълги от 15 минути, рискът от драстично намаляване успеваемостта на инспектора поради различни физиологични и психологически фактори, правопропорционалната зависимост между броя пропуснати/нерегистрирани дефекти и увеличаването на критериите за инспекция, броя на инспектираните обекти и скоростта на инспектиране.

При човека силно негативно влияние могат да окажат умората, напредването на работния ден и дните на работната седмица. Основни недостатъци на визуалната инспекция от хора инспектори са непостоянната успеваемост в регистрирането на дефекти, необходимостта от почивки и паузи, по-ниската скорост в сравнение с машинната инспекция.

Погрешните решения на инспекторите могат да бъдат групирани в два сценария: приемане на дефектен обект за добър и пропускането му през пункта за визуална инспекция; връщане на недефектен обект за поправка, което води до забавяния и излишни разходи.

Предимства и ограничения на системите за визуална инспекция
АВИ системите са лесно адаптируеми към различни типове продукти в индустриалното производство. Те могат да бъдат препрограмирани и офлайн на друг компютър, да работят непрекъснато без нужда от почивка, да реализират визуален контрол с постоянно качество и успеваемост в регистрирането на дефекти.

В допълнение, АВИ решенията са в пъти по бързи от човека, което е от водещо значение във високоавтоматизираните и роботизирани съвременни производства.

За да функционират ефективно обаче, системите за автоматизирана визуална инспекция са силно зависими от доброто осветяване на обектите.

Софтуерът за обработка и анализ на изображения трябва да бъде внимателно подбран и съобразен с хардуерната архитектура на системата (с мощността на процесора за обработка на графични изображения, разделителната способност на видеокамерата, производителността на фрейм грабера и т. н.).

В допълнение, рядко една и съща АВИ конфигурация може да бъде използвана за визуален контрол на различни производствени процеси или в производство на различни продукти. Сред ограниченията на тези системи е и фактът, че те не притежават същинска интелигентност по смисъла на изкуствения интелект, а следват прости зададени правила.

Приложения на AVI решенията в автоматизираната инспекция
Автоматизираната инспекция днес е неразделна част от индустриалното производство. Компютърното зрение е в основата на автоматизираната инспекция, като включва геометрично измерване и автоматичен визуален контрол на продуктите.

АВИ системи се използват за визуална инспекция на формата и повърхностните дефекти на различни изделия. Сред разпространените приложения на тези системи са: проверка на качеството на отпечатани символики върху продукти и опаковки (етикети, маркировки, баркодове и др.), както и състоянието на самите опаковки, проверка за качество на различни контейнери и складови единици, проверка на пълненето и запечатването на контейнерите, проверка на качеството на електронни и механични компоненти и т. н.

АВИ решения се използват широко в електронната индустрия и по-специално в автоматизираната инспекция на печатни платки и интегрални схеми.

Специализирани системи за автоматизирана инспекция се внедряват все по-често и в автомобилостроенето, опаковъчната и текстилната промишленост, машиностроенето, дървообработката, фармацевтичната, козметичната, хранително-вкусовата и бутилиращата индустрия и т. н.

АВИ, заедно с рентгеновата инспекция, е ключова в митническата дейност, където товарите могат да бъдат безконтактно инспектирани, без да бъдат разопаковани, което пести ценен човешки и материален ресурс.

Технологичното развитие в сферата на автоматизираната визуална инспекция
обединява напредъка в следните три направления: 1) интелигентна инспекция, при която визуалният модел на обекта и информация по критериите за инспекция се получават от CAD система, обектите, локацията и траекторията им са предварително зададени, а самите обекти се манипулират от индустриални роботи, които ги поставят на определените за целта места; 2) онлайн инспекция и инспекция в реално време; 3) високопрецизна инспекция.

Комбинирана инспекция
Системите за автоматизирана визуална инспекция, в зависимост от степента им на автоматизация, могат да бъдат използвани в помощ на инспекторите по контрол на качеството или вместо тях.

За много производствени приложения са подходящи комбинирани решения, включващи машинно и човешко зрение, при които степента на успеваемост при регистрирането на дефекти е по-висока от тази при традиционната инспекция от човек.

Предимствата на комбинираната инспекция са по-ниските капиталовложения във видео- и компютърна техника, по-бързото имплементиране на решението и съкращаване времетраенето на инспекцията в сравнение с конвенционалните практики.

Така инспекторът може да преглежда изображения на инспектираните обекти с висока резолюция вместо директно да наблюдава продуктите на поточната линия. Степента на човешка намеса може да бъде различна в зависимост от приложението и критериите за инспекция.

Станцията за комбинирана инспекция може да бъде с ниска, средна или висока степен на автоматизация, включително и напълно автоматизирана, при която инспекторът играе ролята само на краен супервайзър.

Образно-базираните системи в помощ на инспекторите
Образно-базираните системи за автоматизирана визуална инспекция са рентабилно решение за приложения, в които е необходимо система за машинно зрение да подпомага работата на инспектора.

Практиката показва, че машинната интелигентност е почти незаменима в осигуряването на постоянно висока успеваемост при регистрирането на добре описани дефекти. Когато е необходимо да бъдат направени дедуктивни изводи, присъщи на човешкия интелект обаче, машинните системи се оказват недостатъчни.

Внедряването на комбинирано решение, включващо станция за визуална инспекция с образно-базирана система и един инспектор, може да се окаже икономична и ефективна алтернатива на инсталирането на скъпа цялостна АВИ платформа или закупуването на много отделни ръчни уреди за инспекция, които да бъдат използвани от операторите по отделните точки на производствената линия.