PRAKTISCHE LEIDRAAD VOOR DE IDEALE MACHINEBELICHTING

VISIONSYSTEMEN, deel 1

Machines moeten slimmer worden om te blijven voldoen aan de wensen van de markt. Allerlei sensoren helpen daarbij om de benodigde terugkoppeling te voorzien naar de sturing. Een speciale tak in deze sensoriek zijn de visionsystemen. De goede werking daarvan staat of valt met de kwaliteit van de belichting. Dit onderwerp behandelen we in dit eerste deelartikel. Een tweede deel in de tweede Motion Control van dit jaar gaat dieper in op de keuze tussen de verschillende toestellen en technieken die vandaag op de markt zijn.

Vier belangrijke voordelen van Machine Vision

Visionsystemen leveren vandaag een mooie bijdrage aan de efficiëntie van onze productiesystemen, maar toch is er nog een groot onontgonnen gebied waar deze componenten een meerwaarde zouden kunnen betekenen. Maar waar ligt die meerwaarde nu precies?

Reduceren van fouten is een eerste toepassing. Productiefouten worden eruit gehaald en belanden niet bij klanten. Dat betekent niet enkel minder reputatieschade en minder vervangkosten, maar laat ook toe om eerder in te grijpen bij frequente problemen. U hoeft niet te wachten op klachten van klanten voor u in actie kan schieten, want dan is het vaak al te laat. In de farma of voeding kan dit bijvoorbeeld een serieus probleem vormen. Efficiënter werken hangt hiermee samen: omdat er minder uitval is, gebruikt u uw aangekochte grondstoffen efficiënter en moet u minder herwerkingen uitvoeren van de uit­gevallen werkstukken.

Picken van stukken kan eigenlijk niet zonder fatsoenlijk werkend visionsysteem. Vision detecteert de exacte positie van elk werkstuk en geeft dit door aan de robot of pick & place-machine.

Tracken van werkstukken wordt makkelijker met visionsystemen. Elk stuk kan geïdentificeerd worden tijdens het productie- en logistieke proces. Dat kan helpen bij de optimalisatie van de stock en de organisatie van just-in-timeleveringen.

De achilleshiel van visionsystemen

Mooie toepassingen, maar wie een robuust en betrouwbaar inspectiesysteem wil implementeren wordt algauw geconfronteerd met het belang van de belichtingskwaliteit. Een grondige analyse van de omgevingskarakteristieken is broodnodig. Niet alleen is elke situatie weer anders, er spelen ook zeer diverse factoren een rol: verlichtingstype, geometrie, sensorkarakteristieken, de interactie met het werkstuk, reflecties van de machine of van buitenaf, kleur van het werkstuk, externe lichtinval, om er maar enkele op te noemen.

In vele gevallen zal het goed krijgen van een inspectiesysteem een werk van lange adem en van trial-and-error worden, dikwijls tot frustratie van de gebruiker. Vertragingen, kapotte stukken, vastlopende machines en veelvuldige resets zijn de mogelijke primaire gevolgen, wachtende klanten de secundaire.

Dat veel productiesystemen vandaag ontwikkeld worden om diverse werkstukken te behandelen, vormt een bijkomende uitdaging voor machine vision.

Markt is explosief

Voor we u er helemaal van weerhouden om überhaupt te starten met een dergelijk systeem, willen we ook goed nieuws melden. Tot voor enkele jaren was er helemaal geen markt voor machinevisionsystemen, waardoor er terug­gegrepen werd naar traditionele verlichtingsoplossingen om stukken te belichten. Gloeilampen en vooral tl-buizen waren tot voor kort de meest gebruikte verlichtingstoestellen voor dit soort toepassingen. De gevolgen laten zich raden: manke belichting en de resulterende slechte prestaties. Gelukkig is er al enkele jaren een stevige kentering aan de gang. De komst van pickingsystemen en de doorbraak van robotica op grote schaal is daar niet vreemd aan.

Wat is licht?

Om een goed begrip te krijgen over het belang van licht moeten we helaas heel wat theorie doorspartelen, het is dan ook materie met zeer veel op elkaar inspelende factoren. Het type lichtbron is een eerste factor die we hier tegen het licht houden. Gloeilampen zijn al een tijdje verdwenen, vandaag maken fluorescentie, halogeen, led, metaalhalide en xenon de dienst uit in machine vision met vooral de eerste drie uit de opsomming als populairste uitvoeringen in de gemiddelde toepassing. Metaalhalide en xenon worden voornamelijk gebruikt in uit de kluiten gewassen installaties of daar waar er een zeer heldere lichtbron nodig is.

De populaire fluorescentie en halogeenbronnen hebben de laatste jaren het gezelschap gekregen van led. De kwaliteit van led heeft de afgelopen jaren een ferme boost gekregen, zowel de stabiliteit als de intensiteit is sterk verbeterd. Het is dan ook een zeer goed alternatief geworden voor fluorescentie en halogeen, al wordt er voor de verlichting van grote oppervlaktes nog vaak fluorescentielampen gebruikt. Wil de gebruiker een prima flexibiliteit, een stabiele output en een lange levensduur, dan is led een goede keuze. Eén ding staat wel als een paal boven water: al uw applicaties met slechts één type lichtbron aanpakken, is wellicht niet de beste optie.

Om de verschillen beter te kunnen duiden, is een goed begrip nodig van de diverse licht­eigenschappen in de applicatie, de tweede belangrijke kennispijler om een goede keuze te kunnen maken. Die kunnen we op zijn beurt opdelen in vier belangrijke onderdelen:

• De opbouw van de installatie: hoe verhouden het werkstuk, het licht en de camera zich tegenover elkaar in de ruimte?
• De vorm van het licht dat op het stuk valt.
• Golflengte en kleur. Die hebben een invloed op hoe het licht gereflecteerd en geabsorbeerd wordt door het werkstuk en de omgeving.
• Filtering die bepaalde golflengtes wegfiltert.

Eens deze zaken in acht genomen en geanalyseerd werden, kan er mee aan de slag gegaan worden. Het is hierbij zaak om het contrast te maximaliseren op het werkstuk, terwijl het contrast op de ruimtes ernaast net zo minimaal mogelijk moet blijven. Daarnaast is ook continuïteit enorm belangrijk. Om het contrast te optimaliseren, kan je bijvoorbeeld zorgen voor een andere positionering van het werkstuk. Maar je kan evengoed de positionering van de camera of de lichtbron aanpassen. Een voorbeeld hiervan zijn camera’s waarbij de verlichting rond de behuizing van de lens gemonteerd zit.

Als je die recht op het werkstuk richt – intuïtief is dat logisch – kan de ringvormige lichtbundel zorgen voor een donkere vlek in het midden van het te inspecteren stuk. Dat kan in de meeste gevallen opgelost worden door de camera naast het werkstuk te richten zodat een egale lichtbundel het stuk verlicht. Contrast kan daarnaast ook aangepast worden door afregeling van de lichtbron.

Aandacht voor de detectie-omgeving

Naast camera, licht en werkstuk is ook de omgeving van groot belang voor de kwaliteit van de inspectie. Die omgeving kunnen we opdelen in twee grote ruimtes: de onmiddellijke inspectie-omgeving in de machine en de externe omgeving. De onmiddellijke omgeving kan een beperking vormen omdat andere onderdelen een negatieve invloed kunnen hebben door hun inplanting. Denk aan robotarmen of de gantry van een pick & place-systeem die voortdurend tussen werkstuk en lichtbron bewegen, maar ook andere structuren kunnen een obstakel vormen. Doorschijnende wanden die reflectie geven, oliemist in bepaalde toepassingen of vaste machinestructuren kunnen zo de keuzemogelijkheden verder beperken.

Bij de externe omgeving is vooral het aan­wezige omgevingslicht een heikel punt. Boosdoeners zijn hier voornamelijk de fabriekshal­verlichting en fluctuerend daglicht, maar ook lichtbronnen van andere inspectiestations of machineverlichting kunnen problemen opleveren. Om deze hinderpalen aan te pakken kunnen meerdere paden bewandeld worden. Werken met strobelicht met korte pulsen zal de invloed van omgevingslicht verminderen, maar is duur en bovendien kunnen niet alle lichtbronnen deze techniek aan. Een tweede methode is filtering, maar bij het werken met kleurencamera’s is sowieso altijd multispectraal wit licht vereist. Filters die slechts een bepaalde golflengte doorlaten, zijn hier niet efficiënt, want ze blokkeren ook het wit licht. In die gevallen is het fysiek afschermen van de detectieruimte een optie, al kunnen er ook aangepaste short pass filters (IR blockers) gebruikt worden die wél effectief het om­gevingslicht filteren.

Interactie tussen lichtbron en werkstuk

Op actie volgt reactie, en dat geldt ook voor licht. Een werkstuk dat beschenen wordt, zal een invloed uitoefenen op het licht. Die is afhankelijk van meerdere eigenschappen van het stuk, zoals de vorm, de oppervlaktestructuur, de reflecterende eigenschappen en kleur. De combinatie van deze eigenschappen bepaalt hoeveel informatie de camera kan capteren en heeft dus een rechtstreekse impact op de kwaliteit van de inspectie, picking of meting.

Twee voorbeelden illustreren dit:

• Een code die op de onderkant van een colablikje gedrukt staat, kan voor hoofdbrekens zorgen. Het gebogen oppervlak heeft een compleet andere reflectie van het licht dan het platte oppervlak van een drinkkarton.
• Ook de inspectie van een printplaat kent vergelijkbare problemen. De combinatie van hoogtes van de componenten zorgt voor schaduwen, bepaalde oppervlaktes (printbanen, aansluitingen, behuizingen) leveren dan weer voortdurend wisselende reflecties op.

De reflectie en/of absorptie van licht hangt ook af van het kleur van het materiaal. Dat kan van belang zijn om een betere contrastwerking te creëren. Dat kan dan door licht uit te sturen met aangepaste kleur, zodat er meer contrast gerealiseerd wordt.

De aard van het materiaal is een volgend belangrijk punt. Sommige plastics sturen enkel een bepaalde golflengte terug en zijn voor de rest opaak. Andere sturen helemaal niks uit maar zorgen voor een interne diffusie, nog andere sturen het wel terug maar in een compleet andere golflengte. IR-licht kan bij het werken van plastics een uitweg bieden want het werkt beter in dan de systemen met korte golflengtes op bijvoorbeeld polymeren. 

Samengevat

Een goed begrip van de eigen applicatieomstandigheden vormt de basis voor een succesvol machinevisionproject. Onderstaand stappen- en vragenplan kan hierbij een leidraad vormen

1 Inspectie onmiddellijke omgeving

Fysieke eigenschappen machine:

• Waar kunnen camera, lens, verlichting geplaatst worden in de machine?
• Hoe groot en welke vorm heeft de werkruimte?
• Welke zijn de mogelijke minimum- en maximumafmetingen van de camera?
• Waar kan de verlichting geplaatst worden, welke afstand is er tot het werkstuk?
• Zijn er omstandigheden die de uitlezing kunnen bemoeilijken (trillingen, rook …)?
• Is er invloed van daglicht of andere lichtbronnen in de omgeving?

Eigenschappen werkstuk:

• Is het een bewegend of stilstaand object?
• Indien bewegend: aan welke snelheid? Is die constant? Welke cyclustijd is er?
• Zijn alle werkstukken op dezelfde wijze gepositioneerd?

Ergonomie en veiligheid

• Kan een operator zich in het werkveld begeven?
• Is stroboscopisch licht of zeer intens licht mogelijk?

2 Interactie lichtbron/werkstuk

Oppervlakte werkstuk

• Reflecterende eigenschap: diffuus, weerspiegelend of ergens tussenin
• Vorm: vlak of gebogen
• Textuur: glad, gepolijst, ruw of ander
• Topografie: zijn er verhogingen/inzinkingen

Samenstelling en kleur

• Metaal/non-metaal, polymeer, ander plastic, voeding,
• Kleur van het werkstuk ten opzichte van de ondergrond
• Transparant, semitransparant of opaak
• Infrarood gedrag

3 Lichtpollutie

• Impact omgevingslicht
• Impact andere lichtbronnen

4 Rekening houden met belangrijke pijlers van licht

• Interactie tussen locatie lichtbron, camera, en werkstuk
• Kleurverschillen tussen werkstuk en ondergrond
• Rekening houden met lichtpatroon
• Goed gebruik van filters

5 Kies de juiste lichtbron- en techniek

• Fluorescentie, halogeen, led of andere?
• Witte of zwarte ondergrond, diffuuslicht of backlight nodig?
• Kwaliteit van de camera