Fil conducteur pratique pour l’eclairage de machine ideal

SYSTEMES DE VISION, PARTIE 1

Les machines doivent devenir plus intelligentes pour continuer de satisfaire aux souhaits du marché. Toutes sortes de capteurs aident à prévoir la rétroaction nécessaire vers la commande. Une branche spéciale dans cette sensorique concerne les systèmes de vision. Leur bon fonctionnement dépend de la qualité de l’éclairage. Nous traitons ce sujet dans cette première partie d’article. Une seconde partie dans le second Motion Control de l’année approfondira le choix entre les différents appareils et techniques présents aujourd’hui sur le marché.

Quatre avantages importants de la vision machine

Aujourd’hui les systèmes vision contribuent d’une belle manière à l’efficacité de nos systèmes de production mais pourtant il reste une grande zone inexploitée où ces composants pourraient apporter une plus-value. Mais où se situe précisément cette plus-value? Réduire les erreurs est une première application. Les erreurs de production sont supprimées et n’atterrissent pas chez les clients. La réputation est moins écornée et les frais de remplacement sont moins élevés mais cela permet aussi d’intervenir plus tôt en cas de fréquents problèmes. Vous ne devez pas attendre les plaintes des clients avant d’agir car c’est souvent trop tard dans ce cas. Dans la pharmacie ou l’alimentation, ceci peut par exemple être un problème sérieux.

Le travail plus efficace est un corollaire: comme les chutes sont moins nombreuses, vous utilisez vos matières premières de façon plus efficace et vous devez moins retravailler les pièces de rebut.

La saisie des pièces ne peut pas se passer en fait d’un système de vision décent. La vision détecte la position exacte de chaque pièce et la transmet au robot ou à la machine pick & place.

La localisation des pièces est facilitée par des systèmes de vision. Chaque pièce peut être identifiée pendant le processus de production et logistique. Cela peut aider à optimiser le stock et organiser les livraisons en flux tendu.

Le talon d’achille des systemes de vision

De belles applications mais quiconque veut implémenter un système d’inspection robuste et fiable est vite confronté à l’importance de la qualité de l’éclairage. Une analyse approfondie des caractéristiques environnantes est vitale. Chaque situation est différente et des facteurs très différents jouent aussi un rôle: type d’éclairage, géométrie, l’interaction avec la pièce, réflexions de la pièce, incidence externe de la lumière, pour n’en citer que quelques-uns. Dans bien des cas, le bon réglage d’un système d’inspection sera un travail de longue haleine et une expérimentation par essais et erreurs, ce qui induit souvent la frustration de l’utilisateur. Les retards, les pièces cassées, les machines coincées et les multiples réinitialisations sont les conséquences primaires possibles, les clients en attente en sont les secondaires. Le fait que de nombreux systèmes de production sont aujourd’hui développés pour traiter diverses pièces est un défi supplémentaire pour la vision machine.

Le marché est explosif

Avant de vous empêcher de démarrer un tel système, nous voulons aussi vous communiquer la bonne nouvelle. Il y a quelques années encore, il n’y avait pas du tout de marché pour les systèmes de vision machine, ce qui nécessitait de revenir à des solutions traditionnelles pour éclairer les pièces. Les lampes à incandescence et surtout les tubes TL étaient encore récemment les appareils d’éclairage les plus usités pour ce genre d’applications. Les conséquences se devinent: un éclairage bancal et les mauvaises prestations qui en résultent. Heureusement, un sérieux revirement est en cours depuis quelques années. L’arrivée des systèmes de picking et la percée de la robotique à grande échelle n’y sont pas étrangère.

qu’est-ce que la lumiere?

Pour bien comprendre l’importance de la lumière, nous devons hélas évoquer pas mal de théorie, c’est une matière qui compte de nombreux facteurs en interaction.
Le type de source lumineuse est un premier facteur que nous illustrons ici. Les lampes à incandescence ont disparu depuis tout un temps, aujourd’hui la fluorescence, le halogène, le LED, les halogénures métalliques et le xénon font la loi dans la vision machine avec surtout les trois premiers en guise d’exécutions les plus populaires dans l’application moyenne. Les halogénures métalliques et le xénon sont essentiellement utilisés dans des installations volumineuses ou là où une source lumineuse très claire est nécessaire.

La fluorescence et les sources halogènes populaires ont reçu la compagnie du LED ces dernières années. La qualité du LED a été fortement améliorée ces dernières années, tant en termes de qualité que d’intensité. C’est devenue une très bonne alternative à la fluorescence et à l’halogène, quoiqu’on utilise encore souvent des lampes fluorescentes pour éclairer de grandes surfaces. Si l’utilisateur veut une excellente flexibilité, un output stable et une longue durée de vie, le LED est un bon choix. Une chose est sûre: aborder toutes vos applications avec un seul type de source lumineuse n’est peut-être pas la meilleure option. Pour mieux indiquer les différences, il faut une bonne compréhension des diverses propriétés lumineuses dans l’application, le second pilier de connaissances important pour opérer un bon choix. A son tour, nous pouvons le scinder en quatre éléments importants:

• La disposition de l’installation: comment se comportent la pièce, la lumière et la caméra l’un vis à vis de l’autre dans l’espace?
• La forme de la lumière qui atteint la pièce.
• Longueur d’onde et couleur. Celles-ci ont une influence sur la façon dont la lumière est réfléchie et absorbée par la pièce et l’environnement.
• La filtration qui filtre certaines longueurs d’onde.

Une fois que ces aspects sont pris en compte et analysés, on peut se mettre au travail. Il s’agit de maximiser le contraste sur la pièce tout en minimisant le contraste sur les espaces justes à côté. Par ailleurs, la continuité revêt aussi une énorme importance. Pour optimiser le contraste, vous pouvez par exemple positionner la pièce autrement. Mais vous pouvez tout autant adapter le positionnement de la caméra ou de la source lumineuse.

Un exemple: les caméras pour lesquelles l’éclairage est monté autour du boîtier de la lentille. Si vous l’orientez droit sur la pièce – d’un point de vue intuitif, c’est logique –, le faisceau lumineux annulaire peut causer une tache foncée au centre de la pièce à inspecter. Dans la plupart des cas, ceci peut être résolu en orientant la caméra à côté de la pièce afin que la pièce soit éclairée par un faisceau lumineux égal. Par ailleurs, le contraste peut être adapté par le réglage de la source lumineuse.

Attention pour l’environnement détection

Hormis la caméra, la lumière et la pièce, l’environnement est important pour la qualité de l’inspection. Nous pouvons scinder cet environnement en deux grands espaces: l’environnement d’inspection immédiat dans la machine et l’environnement externe. L’environnement immédiat peut constituer une limite parce que l’implantation d’autres éléments peut avoir une influence négative. Songez aux bras de robot ou au gantry d’un système pick & place qui se déplacent constamment entre la pièce et la source lumineuse, mais d’autres structures peuvent aussi constituer un obstacle. Des parois transparentes qui réfléchissent, un brouillard d’huile dans certaines applications ou des structures de machine fixes peuvent aussi limiter les possibilités de choix.

Pour l’environnement extrême, la lumière ambiante présente est surtout un point névralgique. Les malfaiteurs sont ici essentiellement l’éclairage du hall d’usine et la lumière du jour fluctuante mais les sources lumineuses d’autres stations d’inspection ou l’éclairage machine peuvent aussi causer des problèmes. Pour affronter ces écueils, plusieurs pistes peuvent être suivies. Travailler avec une lumière stroboscopique à courtes impulsions diminuera l’influence de la lumière ambiante mais c’est cher et de plus, toutes les sources lumineuses ne supportent pas cette technique. Une seconde méthode est la filtration mais en tout cas le travail avec des caméras couleur exige toujours une lumière blanche multispectrale. Les filtres qui ne laissent passer qu’une certaine longueur d’onde ne sont pas efficaces ici car ils bloquent aussi la lumière blanche. Dans ces cas, la séparation physique de l’espace de détection est une option, quoique des filtres short pass adaptés (IR blockers) qui filtrent efficacement la lumière ambiante puissent aussi être utilisés.

Interaction entre source lumineuse et pièce

L’action entraîne une réaction, idem pour la lumière. Une pièce éclairée aura une influence sur la lumière. Celle-ci dépend de plusieurs propriétés de la pièce, comme la forme, la structure de surface, les propriétés réfléchissantes et la couleur. La combinaison de ces propriétés détermine le volume d’informations pouvant être captées par la caméra et a donc un impact direct sur la qualité de l’inspection, le picking et la mesure.

Deux exemples illustrent ceci:

• Un code imprimé au dessous d’une canette de coca cola peut être préoccupant. La surface courbée réfléchit la lumière d’une façon complètement différente de celle de la surface plate d’un carton à boire.
• L’inspection d’un circuit imprimé connaît des problèmes comparables. La combinaison des hauteurs des composants crée des ombres, certaines surfaces (bandes imprimées, branchements, boîtiers) produisent constamment des réflexions variables.

La réflexion et/ou absorption de la lumière dépend aussi de la couleur du matériau. Ceci peut être important pour créer de meilleures contrastes. C’est possible en diffusant la lumière avec une couleur adaptée, afin de réaliser davantage de contraste.

La nature du matériau est un point d’attention suivant. Certains plastiques ne renvoient qu’une longueur d’onde et sont pour le reste opaques. D’autres ne renvoient rien du tout mais créent une certaine diffusion, d’autres encore renvoient la lumière mais dans une longueur d’onde complètement différente. La lumière IR peut offrir une solution dans le travail des plastiques car elle agit mieux que les systèmes à courtes longueurs d’onde sur les polymères par exemple

En résumé

Une bonne compréhension des propres conditions d’application constitue la base d’un projet de vision machine réussi. Le plan par étapes et questions ci-dessous peut constituer un fil conducteur

1 Inspection environnement immédiat

Propriétés physiques machine:

• Où placer la caméra, la lentille, l’éclairage dans la machine?
• Quelle est la dimension et la forme de l’espace de travail?
• Quelles sont les dimensions minimales et maximales possibles de la caméra?
• Où placer l’éclairage, quelle distance jusqu’à la pièce?
• Existe-t-il des conditions pouvant compliquer la lecture (vibrations, fumée …)?
• Note-t-on une influence de la lumière naturelle ou d’autres sources lumineuses dans l’environnement?

Propriétés pièce:

• Est-ce un objet mobile ou immobile?
• Si mobile: à quelle vitesse? Est-elle constante? Quel est le temps de cycle?
• Toutes les pièces sont-elles positionnées de la même manière?

Ergonomie et sécurité

• Un opérateur peut-il se déplacer dans la zone de travail?
• Une lumière stroboscopique ou une lumière très intense est-elle possible?

2 Interaction source lumineuse/pièce

Surface pièce

• Propriété réfléchissante: diffuse, réfléchissante ou quelque part entre les deux
• Forme: plane ou courbée
• Texture: lisse, polie, rugueuse ou autre
• Topographie: y a t-il des élévations/tassements

Composition et couleur

• Métal/non-métallique, polymère, autre plastique, alimentation,
• Couleur de la pièce par rapport au support
• Transparent, semi-transparent ou opaque
• Comportement infrarouge

3 Pollution lumineuse

• Impact lumière ambiante
• Impact autres sources lumineuses

4 Tenir compte des piliers importants de la lumière

• Interaction entre l’emplacement de la source lumineuse, de la caméra et de la pièce
• Différences de couleur entre la pièce et le support
• Tenir compte du comportement lumineux
• Bonne utilisation des filtres

5 Choisissez la bonne source lumineuse et technique lumineuse

• Fluorescence, halogène, LED ou autre?
• Besoin d’un support blanc ou noir, d’une lumière diffuse ou d’un rétroéclairage ?
• Qualité de la caméra