Датчики и системы технического зрения Omron

Алексей Никитов
Новости Электроники 6, 2009

Современный уровень автоматизации производства включает концепцию «производство как информационный процесс». При этом, особенно в массовом и серийном производстве, не обойтись без систем технического зрения. Полный спектр таких систем, от простых датчиков изображения до сложных комплексов, производит компания Omron.

В последнее время все более актуальными становятся так называемые адаптивные производственные системы, способные быстро и легко перенастраиваться для решения различного рода задач, позволяющие добиться большей эффективности производства и более широких возможностей конкуренции. Для перехода к адаптивному производству компания должна обладать гибкостью и подвижностью, для чего, в свою очередь, требуются современные технологические решения. Одним из таких решений являются системы технического зрения, которые превращают производство в информационный процесс. Техническое зрение подразумевает распознавание реальных объектов на изображении и определение свойств этих объектов, что позволяет решать одновременно несколько задач контроля с высокой скоростью, точностью и надежностью. Зрение в этом смысле делает такие этапы производства, как каталогизация, транспортировка, оборудование и сборка, гораздо более эффективными, а также позволяет снизить затраты на поддержание и контроль качества.

Комплекс устройств, которые входят в состав системы, включает в себя определенный набор технических средств. Основными являются камера, осуществляющая захват изображения, и блок обработки изображения или контроллер. Дополнительными устройствами, но не менее важными, являются оптика, определяющая границы обзора камеры, подсветка, освещающая объект наблюдения, и дисплей, необходимый для отображения информации в реальном времени и для настройки системы. Эти компоненты могут совмещаться. Например, камера может иметь встроенный объектив с автофокусировкой и интеллектуальную подсветку. А контроллер или блок обработки может иметь встроенный дисплей. Таким образом, обеспечивается компактность системы.

В зависимости от функционала и сложности устройства делятся на датчики изображения и системы технического зрения. Первые отличаются простотой в настройке и использовании, а также небольшим набором функций. Вторые предоставляют широкий выбор инструментов для решения большого круга задач и содержат сложное программное обеспечение. Настройка сложных систем может потребовать подключения внешнего компьютера.

Компания Omron выпускает целый ряд качественных устройств для технического зрения различной сложности, от простых датчиков до сложных систем. Omron предлагает свои решения исходя из требований низкой стоимости, простоты установки и ввода в эксплуатацию. На рисунке 1 представлен спектр основных изделий технического зрения в порядке возрастания функционала от простоты в использовании до максимальной гибкости. Рассмотрим каждую серию подробнее.

Рис. 1. Линейка поставок устройств технического зрения Omron

Серия ZFV

Самыми младшими в линейке изделий для технического зрения Omron являются датчики серии ZFV. Это новые модульные системы обработки изображения. Сами датчики состоят из двух отдельных блоков – камеры со встроенным источником света и модуля обработки данных. Причем существуют две разновидности – с распознаванием цвета и без. В функциональном отношении их возможности одинаковы, однако использование цветовой информации в качестве дополнительного критерия («третьего измерения») позволяет значительно повысить стабильность и надежность системы контроля (рис. 2). В зависимости от модели контроллера на выбор предоставляется до восьми различных инструментов контроля и большое количество разнообразных головок датчиков с дальностью действия до 150 мм.

Рис. 2. Различие в обработке изображения датчика с «серой шкалой» и цветного датчика.

Контрастность лучше.

Блок обработки данных имеет встроенный ЖК-дисплей. Во время работы на дисплее отображаются изображения и результаты измерения, благодаря чему обеспечивается оперативный визуальный контроль процесса измерения. Нет необходимости подключать внешнее устройство для настройки и наблюдения за процессом: такое устройство встроено в датчик и предоставляет всю необходимую информацию (рис. 3).

Рис. 3. Удобный интерфейс и простая настройка датчика ZVF

Переход к настройке параметров и управлению излучением света производится нажатием одной кнопки. Интеллектуальный пользовательский интерфейс позволяет выполнять настройку с помощью нескольких клавиш и встроенного ЖК-дисплея.

Если для решения поставленной задачи одного контроллера недостаточно, функциональные возможности системы можно расширить путем подключения дополнительных контроллеров, соединяя их друг с другом в один ряд. Для выполнения одновременно нескольких задач контроля можно соединить вместе до 5 контроллеров – как с камерами, так и без них (рис. 4).

Рис. 4. Пример построения модульной системы на базе ZFV

Основные особенности датчиков серии ZVF:

• Интеллектуальный пользовательский интерфейс со встроенным ЖК-дисплеем;
• Возможность расширения;
• Модели с распознаванием и без распознавания цвета;
• До восьми инструментов контроля (в зависимости от версии);
• Регулируемая дальность действия от 5 до 150 мм;
• Длительность цикла 4 мс;
• Восемь дискретных входов/выходов для обмена данными, оперативного контроля и внешнего обучения;
• USB-порт, ПО для удаленного конфигурирования (только для моделей с распознаванием цвета).

Благодаря модульности, простоте и универсальности датчик ZVF может использоваться для решения большинства задач общего назначения, например в высокоскоростных линиях упаковочного производства (рис. 5)

Рис. 5. Пример применения датчика ZVF: проверка напечатанной информации об изделии на высокоскоростной линии упаковки

Серия ZFX

Не так давно Omron стал выпускать новые усовершенствованные датчики серии ZFX. Отличительными особенностями этих датчиков являются высокая функциональность и простое сенсорное управление благодаря наличию встроенного сенсорного экрана и функции автонастройки.

В состав серии ZFX входит два типа контроллеров с возможностью подключения одной или двух камер, а также монохромные или цветные цифровые камеры, как с автофокусировкой и подсветкой различного типа, так и без них. Поле обзора камер варьируется от 5 до 150 мм, что позволяет контролировать объекты различных размеров. Кроме того имеется камера, позволяющая подобрать любую комбинацию линзы/источника света.

Таким образом, можно выбрать оптимальные камеру и контроллер под конкретное приложение. Это дает гибкость в решении любых задач и позволяет минимизировать затраты.

Датчик ZFX позволяет сконфигурировать до 128 критериев контроля для одного изображения и предоставляет на выбор до 20 инструментов или вспомогательных средств контроля (рис. 6). В зависимости от подключенной камеры, инструменты контроля анализируют монохромное или цветное изображение и предоставляют возможность фильтрации и выделения цвета. ZFX имеет такие мощные инструменты, как предварительная обработка изображений, компенсация положения объекта, калибровка и протоколирование данных. Скорость обработки изображений достигает 96 кадров в секунду.

Рис. 6. Контроль по нескольким критериям одновременно при производстве тормозных систем с помощью ZFX

Еще одной отличительной особенностью является наличие у датчиков ZFX интерфейса Ethernet, что позволяет производить обмен результатами измерения и изображениями по сети, считывание и загрузку конфигурации, операции с настройками и многое другое (рис. 7). Помимо Ethernet, датчик имеет USB-интерфейс и более 20 дискретных входов/выходов. Благодаря этому возможна беспрепятственная интеграция в любую технологическую систему.

Рис. 7. Работа датчиков ZFX в сети

Встроенный сенсорный экран обеспечивает оперативный визуальный контроль, отображая в реальном времени изображения и текстовые системные сообщения на всех этапах настройки и измерения, при выборе освещения, фильтрации и при автоматической настройке параметров. Автонастройка – это встроенная интеллектуальная функция, которая позволяет простым нажатием кнопки AUTO установить оптимальные условия измерения. Значения параметров, установленные при автонастройке, можно проверить и изменить на каждом из экранов настройки (рис. 8).

Рис. 8. Удобный интерфейс и легкая настройка ZFX

Еще раз перечислим основные особенности датчиков серии ZFX:

• Функция автонастройки;
• Встроенный сенсорный 3,5 дюймовый экран;
• Большое разнообразие конфигураций датчика;
• Скорость считывания изображений до 96 кадров в секунду;
• Обеспечение до 20 инструментов обработки изображения, при возможности установки до 128 настраиваемых параметров на сценарий;
• Поддержка сетевого интерфейса Ethernet 100BASE-TX/10BASE-T;
• Поддержка последовательных интерфейсов USB2.0, RS-232C, RS-422;
• 33 дискретных входов/выходов;
• Интерфейс карты памяти SD.

Семейство F

Семейство F высокоскоростных систем технического зрения включает в себя несколько серий, от простых в использовании датчиков до гибких и многофункциональных систем технического зрения, позволяющих решать широчайший круг задач. Серии объединены рядом общих особенностей.

В состав каждой серии входит отдельный котроллер с возможностью подключения от двух до четырех камер (в зависимости от серии). Подключаемые высокоскоростные построчные камеры обладают функцией ограничения площади сканирования, что позволяет достигнуть времени задержки срабатывания до 2 мс. Кроме этого, камеры могут иметь встроенную интеллектуальную подсветку, которая позволяет снять все вопросы относительно подбора надлежащего освещения. Оператор может управлять зоной освещения и уровнем освещенности, используя меню контроллера, при этом непосредственно источник света регулировать не требуется. Сведения о положении источников света сохраняются вместе с другими данными, что позволяет операторам изменять условия освещенности в соответствии с конкретной рабочей обстановкой. Поскольку значения параметров хранятся в цифровом виде, такие же условия освещенности можно воспроизводить на разных установках.

Все серии имеют слоты подключения карт памяти Compact Flash для хранения изображений и данных измерения, а также данных для расширения функционала.

Контроллеры не имеют встроенного ЖК-монитора, но дают возможность подключения внешнего дисплея и поддерживают пользовательский графический интерфейс с системой раскрывающегося меню. При этом пользователь может настраивать интерфейс так, как ему удобно, для более простого и наглядного анализа отображаемых данных. В качестве интерфейса управления применяется дистанционный пульт. На рисунке 9 показан общий состав систем технического зрения семейства F.

Рис. 9. Общий состав систем технического зрения семейства F

Рассмотрим каждую серию подробнее.

Серия F160

Датчики технического зрения серии F160 являются одними из самых простых в использовании из семейства F. Благодаря использованию высокоскоростных камер и специальных алгоритмов ускоренной обработки для всех режимов работы F160 позволяет до четырех раз увеличить скорость считывания изображения и от двух до десяти раз увеличить скорость предварительной обработки по сравнению со стандартными системами.

К контроллеру F160 можно подключать до двух камер одновременно. Он позволяет применять до 50 инструментов контроля и обрабатывать до 32 сценариев. В функционал системы добавлены алгоритмы оптического распознавание алфавитных и специальных символов (Quest OCR/OCV) со встроенными библиотеками шрифтов, технология Variable Box для автоматической настройки границ области измерения и функция Flexible Search для поиска одинаковых объектов с незначительными отличиями, распознавание перевернутых объектов, классификация, автокомпенсация смещения положения и прочие. Количество вариантов сохраняемых конфигураций может быть расширено благодаря наличию слота для подключения карты памяти Compact Flash.

Для настройки параметров контроллера F160 нет необходимости внешнего программирования.

Отличительные особенности системы F160:

• Возможность подключения двух камер;
• Высокая скорость считывания изображений (минимально 2 мс на одно изображение);
• Алгоритмы ускоренной обработки для всех режимов работы;
• Оптическое распознавание/контроль символов;
• Настраиваемый пользовательский интерфейс;
• Защита паролем;
• Слот карты памяти Compact Flash для сохранения данных и изображений;
• Хранение 32 вариантов конфигурации в энергонезависимой памяти и свыше 1000 – на карте памяти;
• Обмен данными через RS-232 и через 35 дискретных входов/выходов.

Благодаря быстрой работе датчик изображения F160 идеален для применения в высокоскоростных линиях.

Серия F210

Серия F210 – высокоскоростная система технического зрения с полнофункциональным программным обеспечением. F210 специально разработана для быстрого и точного решения широкого круга задач обнаружения, измерения и позиционирования в области контроля качества на автоматизированном промышленном производстве. С развитием технологий требования к решению подобных задач возрастают. Реализованные в F210 высокоэффективные алгоритмы обеспечивают высокую скорость и точность измерений. Среди этих алгоритмов – технология кодирования границ (Edge Code), функция точного распознавания и функция распознавания символов (QUEST OCR/OCV) и многое другое. Программные средства системы F210 позволяют выбирать из приблизительно 70 инструментов обработки. Они же обеспечивают легкость и гибкость конфигурирования задач контроля благодаря наличию операций ветвления и условных переходов. Для анализа результатов производимого контроля предусмотрена функция оперативного мониторинга процесса.

Кроме того, для изготовителей оборудования и поставщиков комплексных систем, разрабатывающих системы контроля на базе технического зрения для реализации узкоспециальных задач, предусмотрена возможность создания макрофункций. Также можно создавать специализированные программы, в которых могут быть использованы практически все функции системы.

Отличительные особенности системы F210:

• Дополнительная гибкость при создании систем контроля благодаря наличию операций ветвления и условных переходов;
• Программирование макрофункций для адаптации системы к конкретным условиям применения;
• Технология кодирования границ (Edge Code) для реализации высокоточного контроля;
• Алгоритм точного распознавания для проверки качества печати;
• Высокоскоростное оптическое распознавание/контроль символов;
• Возможность подключения двух камер;
• Функция оперативного мониторинга для анализа результатов контроля;
• Гнездо для карты памяти Compact Flash для сохранения данных и изображений;
• 35 дискретных входов/выходов, RS-232C/422A.

Серия F250

Серия F250 представляет собой еще более функциональную систему технического зрения высшего класса.

В ней реализованы новые технологии компании Omron для пятидесятикратного повышения разрешающей способности, включая алгоритмы кодирования границ (Edge Code Detection) и выявления дефектов (Defect Detection), состоящие в выявлении границ и перепадов на изображении для сверхточного обнаружения объектов; алгоритм точного распознавания (Fine Matching) для обнаружения микродефектов и погрешностей на этикетках и изображениях; усовершенствованный алгоритм Quest OCR/OCV для надежного распознавания символов и автоматической проверки кодов (дат, номеров партий и т.д.). Встроенная функция оперативного мониторинга с возможностью настройки предельных значений для сигнализации аварийных ситуаций может использоваться для контроля качества продукции. Реализованная на новой быстродействующей аппаратной базе, поддерживающей удвоенную скорость работы камер, функция компенсации положения объекта выполняется в реальном времени при сдвиге объекта.

Система F250 также поддерживает возможность создания макрофункций и специализированных программ, как и использование до 70 инструментов контроля. Кроме того F250 имеет встроенный интерфейс Ethernet.

Особенности системы F250:

• Средства контроля на базе быстродействующих аппаратных средств для применения в системах с исключительно высокой скоростью протекания процессов;
• Средства определения положения объекта в режиме реального времени для автоматической компенсации положения или направления;
• Дополнительная гибкость при создании систем контроля благодаря наличию операций ветвления и условных переходов;
• Программирование макрофункций с целью адаптации системы к конкретным условиям применения;
• Технология кодирования границ (Edge Code) для реализации высокоточного контроля;
• Алгоритм точного распознавания для проверки качества печати;
• Высокоскоростное оптическое распознавание/контроль символов;
• Возможность подключения четырех камер;
• Функция оперативного мониторинга для анализа результатов контроля;
• Два гнезда для карт памяти Compact Flash для сохранения данных и изображений;
• 67 дискретных входов/выходов, RS-232C/422A;
• Интерфейс Ethernet.

Серия F500

Система технического зрения серии F500 – система высокого разрешения с возможностью доступа, просмотра и редактирования данных по сети. F500 готова к работе в сети, так как имеет встроенный порт Ethernet, что позволяет производить высокоскоростную передачу изображений и данных техконтроля, а также загрузку и считывание параметров с любого компьютера, работающего в сети. В системе предусмотрена возможность записи/протоколирования изображений и результатов контроля с целью документирования и последующего детального анализа.

Система F500 может работать одновременно с двумя цифровыми камерами высокого разрешения (1kx1k). Благодаря этому F500 идеально подходит для задач, требующих высокой точности измерений.

Система F500 конфигурируется с ПК с помощью дополнительного программного обеспечения “Vision Composer NET”. Используя высокоскоростную сеть Ethernet, пользователь может настраивать и обслуживать как отдельную систему технического зрения, так и сеть таких систем с одного центрального ПК (рис. 10).

Рис. 10. Сеть систем технического зрения под управлением одного ПК с помощью Vision Composer NETОсновные особенности системы F500:

• Два порта для подключения цифровых камер. F500ETN: камеры высокого разрешения (1kx1k);
• Порт Ethernet 10/100 Base TX;
• Другие коммуникационные порты: USB, RS232/422, 33 дискретных входа/выхода;
• Встроенный простой в использовании графический интерфейс;
• Возможность конфигурирования на ПК с помощью программы Vision Composer NET;
• Расширенные функции протоколирования и сохранения данных;
• Усовершенствованные инструменты контроля (например, технология кодирования границ) для высокоточного контроля;
• Алгоритм точного распознавания для проверки качества печати.

Xpectia

Самой высокотехнологичной системой в линейке Omron является Xpectia. Это представитель нового класса систем технического зрения с распознаванием реальных цветов, с высокой разрешающей способностью, с поддержкой трехмерных и двумерных измерений одновременно, с интуитивно-понятным интерфейсом.

В модельный ряд Xpectia входят контроллеры со встроенным сенсорным экраном или без него, поддерживающие подключение до четырех камер. Имеются монохромные и цветные цифровые камеры с разрешением светочувствительной матрицы от 0,3 Мп (640x480) до 2 Mп (1600x1200), камеры с автозумом (переменным фокусным расстоянием), со встроенным объективом с автофокусировкой и интеллектуальной подсветкой, камеры для трехмерного измерения. Применен набор сменных объективов с фокусными расстояниями 5...100 мм и диафрагмами F1,4...F2,8, которые позволяют работать с любой произвольной зоной обзора. Есть возможность работы с внешним освещением.

Подобно человеческому глазу, Xpectia может распознавать более 16 миллионов цветов и идентифицировать любой объект независимо от его цветовой гаммы, размера или расстояния (рис. 11).

Рис. 11. Стабильное распознавание в реальном цвете с помощью Xpectia без фильтрации и выделения отдельных цветов

В результате достигается полная стабильность измерений в таких условиях как:

• поверхности, требующие фильтрации различных цветов;
• неблагоприятные условия освещения;
• блестящие объекты;
• низкий контраст между объектом и общим фоном.

Все это раньше создавало трудности для надежного измерения.

Критерии контроля, улучшенные благодаря работе с реальным цветом:

• поиск;
• края;
• площадь;
• дефект;
• точное совпадение;
• допуски на отклонения;
• OCR/OCV (распознавание символов).

Быстрая, компактная двухмегапиксельная UXGA-камера, которая входит в состав системы, позволяет контролировать одновременно крупные и мелкие детали, а также обнаружение мелких дефектов на крупных деталях. При этом обеспечивается сверхвысокая точность контроля. Подобные задачи с помощью камер со стандартным разрешением решить невозможно, поскольку для них требуется перенастройка под каждую из задач (рис. 12).

Рис. 12. Измерение одновременно мелких и крупных деталей благодаря камере высокого разрешения

Для реализации сложных 3D-функций в системе Xpectia используются расчеты, основанные на принципах стерео. Трехмерные измерения могут производиться на довольно большом расстоянии от объекта (до двух метров). Благодаря этому можно легко обследовать объекты сложной формы, которые нельзя расположить горизонтально. При этом одновременно может проводиться как двумерный, так и трехмерный контроль, например, измерение ориентации и обнаружение выемок или выступов детали.

Благодаря наличию сенсорного экрана, множества автоматических функций и интуитивно-понятного интерфейса можно легко настроить систему, создавая последовательности шагов обработки путем редактирования блоксхемы. В процессе настройки предусмотрены справочные сообщения, направляющие действия пользователя. При этом нет необходимости подсоединения к компьютеру.

Система имеет в своем распоряжении более 80 критериев и функций для контроля и обработки изображений.

В Xpectia предусмотрена программа моделирования, которая позволяет производить отладку автономно. Т.е. можно проверить реализуемость системы, испытать, протестировать, произвести точную настройку параметров и устранить неисправности до подключения к производственному оборудованию, что значительно сокращает сроки пуска и обслуживания. Моделирование осуществляется с помощью ПК (рис. 13).

Рис. 13. Моделирование и настройка системы без подсоединения к оборудованию

Отличительные свойства Xpectia:

• Создание последовательностей и схем принятия решений;
• Адаптируемость: открытая и программируемая система;
• Прикладные программные пакеты;
• Интерфейс Ethernet для связи между ПК и ПЛК с использованием TCP/IP или EthernetIP;
• Скоростные камеры: 80 кадр/с;
• Система распознавания истинного цвета: 16 млн. цветов;
• Видеокамеры с высоким разрешением: 2 млн. пиксел;
• Двумерный и трехмерный контроль;
• Простое управление с помощью сенсорного экрана;
• Платформа промышленного ПК.

Преимущества:

• Отсутствие дефектов: распознавание реального цвета повышает общую достоверность контроля;
• Экономичность: простота установки, настройки и обслуживания сберегает время;
• Целесообразность: оптимальный подбор компонентов системы;
• Гибкость: выбор функций с учетом специфики применения;
• Актуальность в будущем: соответствие не только сегодняшним, но и завтрашним требованиям к техническому контролю.

Заключение

Ознакомившись с разнообразием различных систем технического зрения, их функциональностью, можно сказать, что возможности, которыми они обладают, позволяют использовать их в любой отрасли промышленности. Это и автомобилестроение, и деревообработка, и сборочные и упаковочные линии, обрабатывающая промышленность, фармацевтика, робототехника, логистика и многое другое. Подобная универсальность и гибкость позволят производителю быть на пике технологического превосходства сейчас и на долгие годы вперед.