artikel

Visionsysteem nog te vaak zoekplaatje voor fabrikant

Algemeen

Visionsystemen zijn zeer geschikt voor het controleren van de oppervlakte van voedingsmiddelen. De diverse systemen hebben bijna onbegrensde mogelijkheden. De belangrijkste beperking is de fabrikant zelf. Die heeft lang niet altijd goed voor ogen wat het systeem moet kunnen.

Visionsystemen zijn zeer geschikt voor het controleren van de oppervlakte van voedingsmiddelen. De diverse systemen hebben bijna onbegrensde mogelijkheden. De belangrijkste beperking is de fabrikant zelf. Die heeft lang niet altijd goed voor ogen wat het systeem moet kunnen.

Vreemde voorwerpen zitten niet alleen in het product, maar ook aan de buitenkant van het product. Denk aan vormafwijkingen of bijvoorbeeld de zogeheten donkere bakkorrels in koekproducten afkomstig van de vorige batch. Röntgen- en metaaldetectors herkennen dergelijke productafwijkingen niet omdat de eigenschap van deze afwijkingen niet of te weinig verschilt van het product zelf. Visionsystemen zijn daarvoor de uitgelezen apparatuur. Daarbij maken we onderscheid tussen visionsensoren, smart camera’s en datastreamers. De complexiteit van het systeem neemt daarbij toe met de functionaliteit.

Visionsensoren
Met name de visionsensoren zijn snel en eenvoudig te implementeren. In de bakkerij-industrie kunnen visionsensoren bijvoorbeeld snel worden geconfigureerd voor het opsporen van vorm- en/of kleurafwijkingen bij koekjes. Gezien de beperkte functionaliteit van deze sensoren wordt dus al niet meer gesproken van programmeren, maar van configureren ofwel het aaneenschakelen van meerdere componenten. Zo kan de SICK Inspector, een sensor voor zogeheten ‘pixel count’ (pixel count, edge pixel Count, vaak gebruikt voor oppervlaktebepalingen) en ‘contour’ inspecties, met de bijgeleverde software binnen tien minuten worden geconfigureerd voor maximaal zestien verschillende producten, waarbij per product tot 32 inspecties worden uitgevoerd.

Smart camera’s
Smart camera’s hebben een uitgebreidere functionaliteit dan sensoren, maar zijn daardoor tegelijkertijd complexer. De zogeheten bibliotheken met functies (‘tools’) bieden hier enkele honderden mogelijke functies. Daardoor kan de gewenste functionaliteit vrijwel op maat worden geprogrammeerd. Het uitgaand signaal kan zowel serieel (datacommunicatie waarbij informatie over het product kan worden verstuurd) als binair (schakeling waarbij een signaal wordt afgegeven zonder verdere inhoud) of een combinatie van beide zijn. Hetzelfde geldt voor de inhoud van het bericht. Zo kan een sensor binair aan bijvoorbeeld een pusher doorgeven dat deze een koekje moet uitstoten en tegelijkertijd een PC de informatie doorsturen waarom dit koekje is verwijderd (zoals maatafwijkingen en volumefouten)
Bij het gebruik van smart camera’s is een stappenplan noodzakelijk. Dat kan de gebruiker zelf opstellen of in de vorm van een zogeheten haalbaarheidsonderzoek (feasibility study) door een integrator of fabrikanten van dergelijke systemen laten opstellen. Zeker bij een eerste applicatie is dit aan te raden, zelfs noodzakelijk, ook al worden hier veelal kosten voor berekend.
Een dergelijk onderzoek wijst namelijk uit of de beoogde applicatie haalbaar is met het door de leverancier of integrator aangeboden systeem. Desgewenst kan de klant werkingsgaranties eisen.
Smart camera’s zijn net zo slim als de software waarmee ze worden geleverd en geprogrammeerd. De functionaliteit van deze systemen hangt daarmee dus sterk af van degene die het haalbaarheidsonderzoek uitvoert.

Datastreamers
Datastreamers zijn camera’s die voor verwerking van hun afbeeldingen afhankelijk zijn van pc’s met daarop software van derden. De flexibiliteit van dergelijke systemen met soms tot enkele duizenden tools is extreem. Dankzij de aparte pc voor de dataverwerking hebben ze een veel grotere rekencapaciteit dan de smart camera’s. Die capaciteit is zeker noodzakelijk als er veel bewerkingen op hoge snelheid moeten worden uitgevoerd of grote databestanden moeten worden verwerkt.
Datastreamers zijn (afhankelijk van de uitvoering) meestal goedkoper dan smart camera’s, maar de initialisatietijd (de tijd die nodig is om een werkende applicatie te realiseren) is vele malen groter dan bij smart camera’s.
Door het ontbreken van een interne verwerkingsunit is de behuizing van dergelijke systemen ook kleiner dan die van smart camera’s en/of vision-sensoren.
De functie van de datastreamer is beperkt tot het enkel en alleen uitsturen van afbeeldingsinformatie. Het ‘plaatje’, de daadwerkelijke interpretatie van de afbeelding, wordt uitgevoerd in de pc met daarop visiongerelateerde al dan niet zelf ontwikkelde software.

Definities
Het programmeren of configureren wordt, evenals de keuze voor sensor, smart camera of datastreamer, bepaald door de aangevraagde functionaliteit. Daar schort het in de praktijk nogal eens aan. Een veel gehoorde kreet bij het opstellen van testopstellingen en demo’s luidt: ‘als hij x kan, is het dan ook mogelijk om…’. Dergelijke, later bedachte ‘extra’ functies kunnen de insteek van de toepassing van een bepaald type teniet doen en tot teleurstelling van beide partijen leiden. Ook hier luidt het adagium: bezint eer gij begint.
In tegenstelling tot de medewerker waarvoor het visionsysteem veelal in de plaats komt, kan een visionsysteem niet rationeel denken. Fout is fout. Zeker bij voedingsmiddelen met variatie in vorm en kleur is het maken van een goede definitie absolute noodzaak. Definities van inspecties worden te vaak bedacht door kantoormensen, terwijl de beste indicator daarvoor aan de band zit. Deze kwaliteitsmedewerker inspecteert dagelijks duizenden producten en kent het product met zijn excessen en grensgevallen. Het is dan wel zaak om de betreffende medewerker al in de eerste beslissingsfase erbij te betrekken en openheid van zaken te geven over het voortbestaan van zijn/haar baan, zodat de verstandhouding goed blijft.

Resolutie
Een vaak gemaakte fout is dat bij de specificatie van de hardware niet de gewenste resolutie, maar de gewenste reproduceerbaarheid van het systeem wordt opgegeven. Leveranciers hanteren al een theoretische ‘vision vuistregel’ van vier pixels per gewenste meeteenheid. Wanneer de opdrachtgever ook nog extra zekerheden inbouwt, leidt dit tot een te grote nauwkeurigheid met navenante kosten in tijd en geld. Daarnaast levert elke beeldpuntresolutie extra data op waardoor het systeem onnodig trager wordt. Vaak kan worden volstaan met een VGA-camera (640×480 pixels) in plaats van een XGA-camera (1024×768 pixels).

2D en 3D
De resolutie van een afbeelding is afhankelijk van het gebied waarin de opname wordt gemaakt. Als voorbeeld kunnen we een vierkant koekje (75×75 mm) gebruiken waarbij van de rand bijvoorbeeld maximaal 0,5 mm afgebrokkeld mag zijn. De benodigde visioncamera moet met het oog op een goede reproduceerbaarheid per 0,5 mm (de toegestane tolerantie) dus 4 pixels hebben. Dat houdt in dat de resolutie van de camera 0,125 mm moet zijn. Om het hele koekje met 0,125 mm te kunnen bekijken, moet de totale resolutie altijd groter zijn dan 600 pixels (de breedte van het koekje (= 75 mm) gedeeld door de gewenste resolutie (= 0,125 mm). Een camera met een resolutie van 640×480 voldoet voor deze applicatie dus niet; men zal moeten uitwijken naar een 1024×768 camera.
Voor 3D-systemen is de nauwkeurigheid ook afhankelijk van het gebied waarin de opname gemaakt wordt. SICK IVC-3D heeft een resolutie van maximaal 2048 pixels in de breedte. Voor onze IVC-3D50 die een zichtveldbreedte heeft van 180 mm houdt dit in dat het systeem 0,09 mm per pixel resolutie heeft. Reken hier ook met de standaard 4 pixel regel en reproduceerbaar zou dit systeem met 0,4 mm kunnen meten. In de transportrichting is 0,4 mm haalbaar, echter is de scansnelheid afhankelijk van de hoogte van het zichtveld. Als voorbeeld is voor koekjes een zichtveldhoogte van 25 mm normaal; praktische snelheid van het transportsysteem zou 0,8 m/sec kunnen zijn. In het kort: het is mogelijk met een IVC-3D50 een koek van 400x180x25 mm (LxBxH) met een resolutie van 0,4 mm te scannen bij een transportsnelheid van 0,8 m/sec. De inspectiecapaciteit van dit systeem zou liggen op 7.200 koeken per uur (zou de koek 200 mm lang zijn, dan zou dit aantal worden verdubbeld).

Additionele mogelijkheden
Behalve de traditionele 2D en 3D kunnen ook minder bekende typen inspecties worden uitgevoerd, bijvoorbeeld de zogeheten ‘scatter’ en ‘gloss’ metingen. Daarbij wordt op ontraditionele wijze gebruikgemaakt van de lichtabsorberende of -reflecterende eigenschappen van producten. Met behulp van een scatter meting kan bijvoorbeeld de korsteigenschap van koekjes of de dikte van een glaceerlaag worden gecontroleerd.
Met behulp van een ‘gloss’ meting kan worden nagegaan of de afwerking met glanzende toppings als eigeel of chocolade het product afdoende bedekt.
Camera’s als de SICK high-end kunnen zowel 2D, 3D, gloss en scatter metingen uitvoeren.

CMOS versus CCD
Halfgeleiders zetten in de camera het licht om in een spanning, een digitale waarden tussen 0 en 255. Al deze waarden naast elkaar vormen het beeld. Het aantal halfgeleiders bepaalt dus de resolutie van de camera. Er zijn twee typen halfgeleiders: CCD of CMOS. Welk type de voorkeur heeft, hangt af van de applicatie(omstandigheden). CMOS halfgeleiders zijn sneller en hebben minder stroom nodig, maar zijn minder lichtgevoelig dan de CCD-halfgeleiders.

Reageer op dit artikel