Systémy strojového 3D vidění v nabídce Turck

In-line 3D skenování a inspekce ve výrobních a kontrolních linkách jsou moderní způsoby, jak zpřesnit jejich automatizaci, zajistit 100% kontrolu kvality či optimalizovat funkci linky při současném zefektivnění využití materiálů (např. při jeho dělení). Systémy snímání obrazu ve 3D totiž umožňují kompletní měření geometrie předmětů včetně jejich tvarů a povrchů.

Pro plnou automatizaci výrobních linek s minimalizací lidské obsluhy je jednou z největších a nejdůležitějších výzev realizovat plně automatickou funkci monitorování a zaměření předmětu před rozhodnutím, jak s ním dále manipulovat. Běžné použití základních 1D snímačů přiblížení nebo 2D kamer obvykle zajišťuje jen základní kontrolu předmětu pro jednoduché vyhodnocení ano/ne, tedy zda daný předmět buď splňuje, nebo nesplňuje přednastavené referenční parametry. Následně je buď puštěn dál do procesu, nebo je zcela vyřazen. Tento způsob zpracování neumožňuje dostatečně efektivní využití všech produktů: každá změna výroby vyžaduje změnu nastavení snímačů a nestandardní produkty mohou způsobit kolizi, zablokování nebo chybnou funkci linky, kterou následně musí řešit přivolaný pracovník, či dokonce servisní technik.

Jestliže však automatizovaný systém má kompletní informace s naměřenými hodnotami o tvaru, rozměrech či natočení získané prostřednictvím 3D snímání či skenování, může daleko lépe přizpůsobit svoji funkci konkrétní situaci a produktu nebo alespoň lépe předem předvídat možné problémy. Výhodou 3D snímačů je také jejich univerzalita, protože je možné měřit nejen celkové rozměry, ale i úhly, náklony, natočení, rozměry částí, dutin a otvorů nebo počítat povrch, objem apod. Tím lze optimalizovat zpracování předmětů (např. optimalizace krájení potravin či obrábění materiálů podle jejich skutečných rozměrů nebo profilu). A rovněž je výhodou odolnost proti vlivu vnějšího osvětlení.

Turck a 3D snímače Gocator

Společnost Turck CZ je mimo jiné i zastoupením společnosti LMI Technologies, která dodává široký sortiment 3D optických senzorů řady Gocator.

Společnost LMI Technologies (LMI) se dlouhodobě specializuje na bezkontaktní 3D skenovací a kontrolní systémy. Pod označením Gocator nabízí kompaktní, předem kalibrované snímače, kde jsou skenování, měření i vyhodnocení integrovány v jednom zařízení bez externí jednotky (obr. 1). Snímače se nastavují a ovládají kompletně prostřednictvím běžného webového prohlížeče, takže není nutné instalovat na počítač speciální software. 3D skenování i vyhodnocení probíhají v reálném čase.

Senzory Gocator jsou určené především pro průmyslové linky, kde snímače namontované na pevné rámy nebo roboty kontrolují různé parametry a kvalitu nepohybujícího i pohybujícího se předmětu. Krytí IP67 umožňuje přímé nasazení v průmyslových podmínkách. Odlehčená a kompaktní konstrukce dovoluje připevnit je i přímo na robotické paže. Rovněž lze vzájemně propojit a synchronizovat několik snímačů a vytvořit celý kontrolní systém, který se pak z uživatelského pohledu chová jako jeden snímač s velmi velkým rozsahem. Soustavu dvou a více snímačů tak lze využít k vyhodnocení velmi velkých nebo členitých tvarů bez potřeby s předmětem otáčet nebo pohybovat snímači.

Výrobce LMI si také dává záležet na co nejjednodušším použití a instalaci. Všechny 3D snímače Gocator jsou již z výroby předem zkalibrovány, takže zprovoznění zahrnuje jen mechanickou instalaci snímače, připojení snímače prostřednictvím Ethernetu na počítač s libovolným operačním systémem, otevření webového prohlížeče, připojení na kokpit GoPxL a dokončení konfigurace snímače podle konkrétní úlohy. Podporovány jsou i průmyslové komunikační protokoly pro různé typy PLC nebo řídicí systémy robotů, jako jsou např. Modbus TCP či EtherNet/IP. Zpracování a vyhodnocení dat ve snímači umožňuje v něm přímo přesně porovnávat každý naskenovaný předmět s přednastavenými referen­čními parametry. Naměřené hodnoty rozměrů, vzdáleností a výsledky detekce lze i ukládat a exportovat. Navíc vizualizační rozhraní GoHMI, opět instalované přímo ve snímači, dovoluje přizpůsobit zobrazení např. pro běžné operátory strojů.

Široké možnosti skenování a měření v jednom snímači

Zmíněné 3D senzory Gocator využívají ke skenování prostoru laserovou triangulaci i proužkovou projekci. Profily předmětů lze měřit v režimu jednoho bodu nebo několika bodů (měření vzdálenosti jednotlivých definovaných míst nebo bodů na povrchu předmětu od čela snímače či podložky), linie (odměření celého zakřiveného povrchu předmětu v řezu) nebo v režimu celého 3D obrazu „snapshot“ (snímkování celého 3D povrchu viditelného ze strany čela snímače). Zatímco první dva režimy využívají laserovou triangulaci a používají se pro velmi rychlé skenování povrchu a profilu pohybujících se předmětů velikosti od 10 mm po 2,0 m s rozlišením až 4K, resp. 2,5 μm, režim „snapshot“ využívá režim proužkové projekce povrchu předmětu. Ten je vhodný k měření statického předmětu do velikosti desítek centimetrů. To je vhodné pro úlohy, v nichž se předmět na chvilku zastaví (např. před další manipulací).

Konkrétně zatímco nejjednodušší bodové senzory Gocator řady G1 (obr. 2) se obvykle používají jen k základnímu měření rozměrů objektů (zejména tloušťky nebo výšky povrchu materiálů), liniové univerzální senzory Gocator řady G2 (obr. 3) fungují jako laserové profilometry pro pohybující se objekty. Používají promítanou laserovou linii k měření tvarů průřezů dílů a povrchů materiálů. Umožňují vytvářet i 3D obraz celého dílu pro provádění přesných tvarových, povrchových a objemových měření při in-line pohybu běžnou rychlostí (typicky na výrobním dopravníku). Například laserové liniové senzory G2400 s velkým rozlišením a vy­užívající současně červený a modrý laser umožňují spolehlivé skenování a měření i leštěných zrcadlových povrchů. Modré světlo vyvolává vysoký kontrast kontur předmětů s téměř absolutní odolností proti vlivu okolního světla. Senzory Gocator řady G3 (obr. 4) jsou nejvíce propracované a pracují v režimu snap­shot. To je ideální pro robotické úlohy pick and place.

Novinkou jsou in-line konfokální senzory Gocator řady G4 (koaxiální konfokální snímače) a G5 (dvouosé konfokální snímače; obr. 5) pro vysoce lesklé a transparentní pohybující se objekty. Například snímače G5500 mají mimořádně velké rozlišení 3D skenování všech typů materiálů, včetně zakřivených skel a zrcadel nebo i vícevrstvých skel (více je v textu na rastru).

Nejnovější funkce a režimy

Kvalita skenování a měření nezávisí jen na snímací optice, ale stejně tak i na funkcích softwarového vyhodnocení. Například nový režim HDR v senzorech Gocator 2610, 2618 a 2629 zvyšuje kvalitu skenování na náročných objektech dříve náchylných na přeexponování (např. vysoce reflexní metalické povrchy). Optimalizované vyhlazení povrchu je určeno k redukci šumu. To uživatelům umožňuje dosáhnout vyšší přesnosti lokalizace, měření a identifikace geometrických vlastností na většině objektů a jejich povrchů.

Praxe a použití

Mezi typické příklady použití strojového 3D vidění patří:

• inspekce v automobilovém průmyslu – čtení a rozpoznávání vyražených kódů, např. VIN (OCR – Optical Character Recogni­tion), měření spár a lícování, kontrola komponent a jejich správného osazení, měření drsnosti brzdových destiček, inspekce kompletnosti bateriového modulu, inspekce nanesení lepidel, kontrola částí elektromotorů, měření izolačních vrstev apod.,
• měření a inspekce v nábytkářském průmyslu – např. měření nábytkářských polotovarů, inspekce kompletnosti a kvality nábytku, inspekce kvality povrchu a tvarů okenních a dveřních rámů,
• in-line inspekce dílů – např. inspekce výlisků, optimalizace zpracování potravin, měření rozměrů balíků a detekce jejich defektů, nahodilé defekty vzhledu (např. i 3μm škrábance na skle telefonu), měření drsnosti s rozlišením až 1 µm, inspekce spotřební elektroniky,
• optimalizace robotické montáže – kompletní inspekce a měření montovaných dílů.

Systémům strojového 3D vidění rozhodně patří budoucnost a bez nich se žádná skutečně plně automatizovaná výrobní linka neobejde. Jejich použití je vhodné jak na začátku linek pro identifikaci komponent, během zpracováním pro přesné změření rozměrů a pozice a následnou optimalizaci pracovního procesu a také na konci linky pro kontrolu kvality výsledné montáže a diagnostiku parametrů hotového produktu. Jsou to zkrátka oči každé moderní automatizované linky.

(Turck, s. r. o.)

Řádkové konfokální zobrazení

Liniové konfokální zobrazení (Line Confocal Imaging, LCI) je specializovaná optická metoda pro měření mikroskopických rozměrů a tomografických struktur.

Metoda je založena na optickém jevu zvaném laterální chromatická aberace. Bílé světlo vycházející z vysílače se při průchodu optickou soustavou rozdělí na souvislé spektrum vlnových délek – ohniska jednotlivých vlnových délek jsou laterálně posunuta. Při fotografování se tato vada odstraňuje celkem jednoduchou softwarovou transformací, ale snímače G4 a G5 ji naopak vy­užívají k měření. Zjednodušeně řečeno, na senzor dopadne světlo té vlnové délky, na kterou je soustava „zaostřena“. Výškové rozdíly se tedy na senzoru projeví změnou barvy dopadajícího světla.

Měřicí metoda je k dispozici v axiálním provedení pro jednobodové a vícebodové měření (snímače G4) a v mimoosém provedení pro liniové snímání (snímače G5).

Každý snímač má dvě optické soustavy – osvětlovací a snímací. Ve vysílači konfokálního senzoru je jako zdroj světla výkonná bílá LED. Světlo obsahuje všechny viditelné vlnové délky a prochází osvětlovací optickou soustavou, která má pro každou barvu světla trochu posunuté ohnisko. V případě liniového snímání tedy vznikne vertikální ohnisková rovina s posunutými ohniskovými liniemi pro různé vlnové délky (u bodového snímání je místo roviny vertikální přímka).

Snímací optická soustava obsahuje různé optické prvky, jako jsou štěrbinové clony a hranoly. Cílem je přenést světlo dané vlnové délky a intenzity z každé horizontální linie ohniskové roviny do spektrální kamery. V kameře se na základě dominantní vlnové délky a informace o nejvyšší intenzitě každého datového bodu vytvoří pole bodů. Dominantní vlnová délka odražená na senzor CMOS závisí na vzdálenosti mezi vysílačem a každým z měřených bodů.

Na přijímač liniového snímače se odráží celá ohnisková rovina a snímač analyzuje tisíce měřených bodů najednou. Na základě získaných dat jsou vytvořeny 2D a 3D obrazy měřeného předmětu.

Liniové konfokální zobrazování má mnoho výhod:

• analýzy nevyžadují žádné další filtrování, zobrazování vychází ze surových dat, a proto nedochází ke zkreslení,
• je možné měřit všechny typy materiálů a povrchů: zrcadlové, průhledné, průsvitné, zakřivené, konvexní, konkávní, měkké, křehké, porézní,
• je možné měřit předměty s kombinacemi libovolných barev a světlých a tmavých nebo lesklých a matných povrchů,
• metoda má rozlišení a přesnost na úrovni laboratorního měření a je vhodná pro vysokorychlostní zobrazování.

Metoda je vhodná např. pro analýzu drsnosti průhledných i neprůhledných povrchů, detekci defektů ve vícevrstvých součástech, pro analýzy posunu, výšky kroku, tloušťky vrstvy, vzduchových mezer, vůle, vzdálenosti, úhlu, plochy, objemu a koplanarity v různých průmyslových odvětvích, analýzu velikosti otřepů v kovoprůmyslu, analýzu integrity těsnění lékařských obalů nebo pro různé analýzy při výrobě elektronických součástek a desek plošných spojů.                                              

(Bk)

Obr. 1. Systémy strojového 3D vidění – kompletní sortiment

Obr. 2. Gocator, rodina G2 – laserové profiloměry pro pohybující se objekty

Obr. 3. Gocator, rodina G3 – snímače snapshot pro stacionární objekty

Obr. 4. Gocator G5: kombinace simultánní 3D topografie, 3D tomografie a 2D intenzitních dat umožňuje přesné skenování široké škály materiálů