Auteur: Karl D’haveloose

Sensoren en visietechnologie bestaan in alle formaten en toepassingen. Straks in februari vind je het mondiale gamma aan systemen en toepassingen onvermijdelijk op Indumation.be 2024. Verbeteringen en betaalbaarheid hebben het gebruik van visionsystemen voor inspecties uitgebreid, maar er zijn verschillende factoren die in overweging moeten worden genomen voordat tot de aanschaf wordt overgegaan. De vraag die we ons vooral stellen, is een beetje zoals je ze (al llikkebaardend) in de autoshowroom krijgt : ‘Wat is je budget?’.

Technologische vooruitgang resulteerde in nieuwe sensoren van hogere kwaliteit, waardoor machinevision-camera's meer mogelijkheden en functionaliteiten kunnen bieden tegen lagere kosten dan ooit tevoren. Deze factoren motiveren bedrijven in steeds meer branches en groottes om deze nieuwe, verbeterde en betaalbaardere camera's te gebruiken. Ongeacht de sector zijn er echter een aantal factoren, die in acht moeten worden genomen bij het zoeken naar een vision-oplossing. Al tientallen jaren gebruiken bedrijven visionsystemen voor inspectiedoeleinden, wanneer hun producten van hoge waarde zijn of wanneer ze een potentieel risico inhouden als zich een defect voordoet. Nu wordt visioninspectie betaalbaarder voor bedrijven die kwaliteitsproducten willen produceren, zelfs als deze geen hoge waarde hebben of een potentieel gevaar dreigt bij pannes. Voorbeelden hiervan zijn ijzerwaren, zoals spijkers en schroeven, golfkarton en plastic verpakkingen.

Lijn- of gebiedscan?

Foto: Area-scancamera's worden gebruikt om discrete onderdelen te inspecteren, zoals farmaceutische flessen of frisdrankblikjes.

Het type camera dat een fabrikant nodig heeft, of het nu een line-scan- of area-scancamera betreft, hangt af van de toepassing. De meeste mensen begrijpen de technologie achter een area-scancamera: deze is immers verwant aan een digitale camera met hoge resolutie. Area-scancamera's produceren 2D-beelden met horizontale en verticale elementen.

Lijnscancamera's zijn moeilijker te doorgronden. Line-scancamera's kijken naar één lijn en bouwen dan een 2D-beeld op door het object ten opzichte van de camera te bewegen, terwijl ze voortdurend schijfjes van één lijn nemen. Als het object niet in een praktisch beeldveld past, overweeg dan een line-scancamera. De meest gebruikelijke applicatie van line-scancamera's is voor toepassingen, waarbij een ‘web wordt geïnspecteerd, zoals grote rollen papier, stof, aluminium, staal of glasplaten.

Als de toepassing bestaat uit het inspecteren van een rol papier van 50.000 meter, is het niet mogelijk om dit in één enkele opname te doen met een area-scancamera. Een line-scancamera is bij dit soort toepassingen beter geschikt, omdat het object, zoals de rol papier, al beweegt als onderdeel van het normale productieproces. De line-scancamera verzamelt lijnen van de papierrol in meerdere 2D-beelden. Als elk beeld 1.000 lijnen lang is, zal de camera 1.000 lijnen opnemen in 1 2D-beeld en vervolgens lijnen 1.001 tot en met 2.000 opnemen voor het volgende beeld, enzovoort. De camera breekt de 50.000 meter lange rol papier in 2D-beelden, maar er gaat niets verloren in dit proces.

Foto : Lijnscancamera's worden gebruikt om een 'web', zoals rollen papier, te inspecteren.

Voor veel machinevision-toepassingen valt de keuze standaard op een area-scancamera. Als de toepassing bestaat uit het inspecteren van aluminium blikjes, glazen flessen of discrete componenten, dan is dit waarschijnlijk de juiste keuze. Een line-scancamera wordt gebruikt in gevallen waarin een area-scancamera geen zin heeft, bijvoorbeeld als een hogere resolutie nodig is dan de areacamera kan geven of als het object iets is, dat niet in een normaal gezichtsveld kan worden vastgelegd.

Resolutievereisten

Resolutie is een belangrijke overweging bij het kiezen van een machinevision-camera. Om de resolutie te berekenen, moet je de grootte van het gezichtsveld kennen en weten wat het kleinste kenmerk is dat moet worden opgelost. De term ‘kenmerk’ verwijst meestal naar defecten in een product of een zeer klein element op het object. Het kenmerk kan iets zijn dat er hoort te zijn, zoals een klein gaatje in een printplaat, of het kan iets zijn dat er niet hoort te zijn, zoals een kras op een aluminium plaat. In deze gevallen is het nodig om te detecteren wat dat kenmerk is en of het een defect is of iets is dat er hoort te zijn.

Bij de vraag hoe klein een kenmerk is dat moet worden gedetecteerd, is de voor de hand liggende reactie van velen om een camera te kopen die ‘alles’ detecteert. Deze benadering is niet altijd realistisch of noodzakelijk. Resolutie is één van de belangrijkste elementen, die de camerakosten bepalen. Het is belangrijk om zoveel resolutie te krijgen als nodig is, maar niet te veel. De vuistregel luidt meestal als volgt: om een kenmerk van een bepaalde grootte nauwkeurig te kunnen detecteren, moet je rekenen op ten minste 3 pixels, die dat gebied bestrijken. Het is niet altijd mogelijk om een kenmerk te detecteren door een enkele pixel te interpreteren. Meerdere pixels over het kenmerk kunnen ervoor zorgen dat het geen aberratie is. Als je bijvoorbeeld een kenmerk van slechts 1/100 inch wilt detecteren, kies dan een pixelgrootte die 3 keer zo klein is, oftewel 3/1.000 inch.

Hoe hoger de resolutie, hoe eenvoudiger het is om objecten te identificeren. Maar het is wel essentieel om de kosten van het systeem af te wegen tegen de benodigde resolutie. Voordat je een beslissing neemt, moet je eerst wat testen uitvoeren. Leen een camera van een fabrikant of gebruik een fotocamera met hoge resolutie om een idee te krijgen van hoeveel resolutie vereist is om te zien wat er moet worden vastgesteld.

Beeldsnelheid

Als de toepassing een discreet onderdeel moet inspecteren, zoals een blik, fles of zuiger, hoeveel van deze onderdelen moeten dan per seconde worden geïnspecteerd? Hoeveel componenten zullen er voorbij één punt in de ruimte bewegen in een bepaalde tijdsperiode? Zijn het er 3 per seconde of 50 per minuut? De camera moet minstens met deze snelheid opnemen. Het is beter om over extra marge te beschikken. Als de toepassing vraagt om een camera die met 25 fps opneemt, kies dan een camera die met 30 fps opneemt. Dit geeft wat ruimte voor fouten.

Voor line-scancamera's is iets meer rekenwerk nodig om de juiste opnamesnelheid te bepalen, maar erg moeilijk is het echter niet. Zodra je de resolutie hebt bepaald, zoek je uit hoe snel het object beweegt en bepaal je hoeveel lijnen er in 1 seconde moeten worden opgenomen om de benodigde resolutie te verkrijgen. Als je een pixelresolutie van 3/1.000 inch nodig hebt en het object beweegt met 100 inch per seconde, dan heb je een minimale lijnscan-camerasnelheid van 33.333 lijnen per seconde nodig of een lijnsnelheid van 33,3 kHz.

Interconnectie-standaarden

Er zijn verschillende interconnectie-standaarden om uit te kiezen. De selectie is afhankelijk van enkele eisen: de snelheid en de afstand tussen de camera en de computer. Als snelheid een prioriteit vormt, zoek dan een interconnectie met snelheden, die hoog genoeg zijn om gegevens van de camera naar de hostcomputer over te brengen. Enkele standaarden met hogere snelheden zijn Camera Link, Camera Link HS, 5 of 10 GigE en USB3 Vision. Camera Link HS is één van de snelst beschikbare interconnecties, maar vereist een framegrabber. USB3 Vision is niet zo snel als Camera Link HS, maar hier is de USB-verbinding is echter meestal in de computer ingebouwd. Een framegrabber of extra hardware om de gegevens te verkrijgen, is dus overbodig.

Sommige mensen kiezen voor de GigE Vision, omdat deze gebaseerd is op de Gigabit Ethernet-specificatie en lange afstanden kan overbruggen tussen de camera en de computer. Als de camera zich op grote afstand (meer dan 10 à 15 meter) van de computer moet, is GigE Vision een goede keuze. Een 1 GigE-verbinding is langzamer dan de Camera Link- en USB3 Vision-standaarden, maar het kan de enige keuze zijn als de camera ver van de computer af staat. De snelheid kan worden verhoogd door 5- of 10-GigE-apparaten te kiezen, maar de hogere GigE-snelheden hebben invloed op de maximale kabellengte en vereisen ook ethernetkabels met hogere prestaties om de gegevensintegriteit te behouden.

Voor toepassingen die een 1-GigE-verbinding nodig hebben voor de afstand, werken fabrikanten aan het reduceren of elimineren van deze snelheidsbarrière. Sommige fabrikanten gebruiken methoden om gegevens over te brengen, die lijken op compressie om de effectieve snelheid van GigE Vision te verhogen met behoud van het voordeel van de lange afstand tussen camera en computer. Wanneer de toepassing GigE Vision-vereist is, praat dan met de fabrikant om te zien wat zij te bieden hebben om de efficiëntie te bevorderen.

Lichtgolflengte

De golflengte van het licht is niet voor elke toepassing van belang. Voor sommige toepassingen moet de camera echter gevoelig zijn voor bepaalde lichtgolven. Bij valuta-inspectie kunnen er bijvoorbeeld beveiligingsfuncties zijn, die alleen zichtbaar zijn in UV- of infraroodlicht. Zorg er in dat geval voor dat de camera gevoelig genoeg is voor die golflengte om een succesvolle inspectie uit te voeren. Er is ook een lichtbron nodig met overeenkomstige golflengte-eigenschappen, zodat de camera het kenmerk in kwestie kan visualiseren. Voor de meeste toepassingen wordt wit licht of breedbandlicht gebruikt en zou elke standaardcamera moeten voldoen. Als de inspectie speciale verlichting vereist, zorg er dan voor dat de camera geschikt is voor de vereiste lichtgolflengte.

In sommige gevallen, zoals bij de echtheidskenmerken op geld, wordt UV- of infraroodlicht gebruikt als onderdeel van het inspectieproces. In dergelijke gevallen moet de camera gevoelig zijn voor de vereiste lichtgolflengte.

Omgeving

Veel visionsystemen worden geïnstalleerd op locaties die erg warm zijn. Camera's bestaan uit gevoelige elektronische apparatuur en worden beïnvloed door temperatuur. Elke camerafabrikant levert specificaties voor de bedrijfstemperatuur van zijn producten. Als de omgeving deze specificaties overschrijdt, betekent dit meestal niet dat de camera niet werkt. In plaats daarvan betekent het dat de prestaties van de camera kunnen afnemen, naarmate de grenzen van deze specificaties worden overschreden. De meest voorkomende manier waarop de prestaties afnemen in een warme omgeving, is dat de camera ‘luidruchtiger’ wordt. Dit betekent dat er onbedoelde helderheidsvariaties in het beeld zijn. Ook heeft het overschrijden van de temperatuurspecificaties meestal een negatieve invloed op de levensduur van de camera. Om het toestel binnen de specificaties voor de bedrijfstemperatuur te houden, hebben veel fabrikanten methodes om warmte af te voeren. Als je overweegt een camera te kopen, zorg er dan voor dat je de omgevingstemperatuur beoordeelt, de specificaties van de camera onderzoekt en de opties bespreekt, die de fabrikant kan bieden om de camera naar behoren te laten werken.

Maatwerkcamera’s

Wanneer er plannen zijn om na verloop van tijd een grote hoeveelheid camera's aan te schaffen, zijn fabrikanten wellicht bereid om enig maatwerk te bieden. Als er slechts één of twee vision-systemen nodig zijn voor één of twee lijnen in een fabriek, zijn de aankoopopties waarschijnlijk beperkt tot camera's met standaardfuncties en -mogelijkheden. Als er echter gedurende meerdere jaren jaarlijks 1.000 vision-systemen noodzakelijk zijn, bieden sommige fabrikanten een hoge mate van maatwerk. In dergelijke situaties kan het mogelijk zijn om dure en onnodige functies te verwijderen of een functie toe te voegen, die niet in het standaardproduct is opgenomen. Als je op lange termijn van plan bent om een groot aantal camera's aan te schaffen, is het de moeite waard om dit aan te geven bij de fabrikant om te zien of er over één van deze opties kan worden onderhandeld.

Budget

Net als resolutie en snelheid vormen de kosten een essentiële factor in de aankoopbeslissing. Op het moment dat de beslissing werd genomen om een visionsysteem aan te schaffen en te installeren, werden de kosteneffectiviteit van de technologie en de ROI (return on investment)-projecties waarschijnlijk onder de loep genomen. Deze beoordelingen zullen het camerabudget bepalen.

Net als bij het overwegen van de resolutie, zullen de kosten bepalen wat er met een visionsysteem kan worden bereikt. Hoewel het aantrekkelijk zou zijn om een product tot op atomair niveau te inspecteren, kan die mate van resolutie onbetaalbaar zijn. Kopers moeten de kosten van het visionsysteem afwegen tegen de ROI.

Een manier om het camerakeuzeproces te benaderen is door omgekeerd te werken en de kosten eerst in overweging te nemen. Dat voorkomt dat kopers een weg inslaan met de aanschaf van een camera die de kosten onbetaalbaar maakt.

Snelle tips voor het kiezen van een camera ( budget first – features after)

- Bepaal eerst je budget, want dat bepaalt de resolutie.

- De resolutie van de camera moet - minimaal - een dekking van 3 pixels bieden van het gebied van een functie.

- Kies een camera met een beeldsnelheid, die iets hoger ligt dan wat nodig is.

- Laat de snelheid en de afstand tussen de camera en de computer de interconnectiestandaard van de camera bepalen.

- Zorg ervoor dat de camera goed kan functioneren in de licht- en omgevingsomstandigheden, waarin de inspecties worden uitgevoerd.