Камера машинного зрения, предназначенная для непрерывного использования на заводе, на обрабатывающем участке, автосборочном конвейере или другом производстве, должна выдерживать тяжелые условия эксплуатации: широкий температурный диапазон, находящиеся в движении и создающие вибрации механизмы, пыль и влажность, разнообразные источники электромагнитного излучения, сохраняя при этом возможность непрерывного захвата и передачи изображения.
Нельзя забывать о влиянии конструкции устройства на оптимизацию стоимости его обслуживания, предотвращающего снижение производительности или даже поломки ввиду естественного износа в условиях реального производства. Что на самом деле делает камеру машинного зрения готовой к работе в сложных промышленных условиях?
Недостаточно назвать камеру «промышленной» - необходимо подтвердить это серьезной программой испытаний.
Эта статья представляет читателю уникальные спецификации, программы тестирования и соответствующие стандарты, которые помогут ему идентифицировать изделия с проверенной надежностью и стабильной функциональностью, такие как линейка матричных камер TritonTM и 3D ToF камер Helios2TM – по-настоящему промышленных устройств, разработанных и изготовленных для круглосуточной эксплуатации в тяжелых условиях.
FACTORY TOUGH
Способность по-настоящему промышленной камеры работать в заводских условиях должна быть подтверждена исчерпывающим набором тестов. В отличие от бытовой или коммерческой электроники, промышленное оборудование подвергается постоянным воздействиям: вибрациям машин, электромагнитному излучению, броскам напряжения и др.
При подборе оборудования стоит обращать внимание, что далеко не все камеры машинного зрения при изготовлении проходят тесты на «выживание» в подобных условиях.
Для того, чтобы быть уверенным в конечном результате тесты начинаются на самых первых шагах жизненного пути изделия. Уже на стадии проектирования и прототипирования (Рисунок 1) конструкция проходит через серию тестов.
На этом этапе разработчики убеждаются в способности выбранного решения выдерживать экстремальные температуры, механические удары, различные виды вибраций и электромагнитных шумов, броски напряжений и другие воздействия. Для ускорения процесса, в дополнение к «домашним» тестам, привлекаются сторонние лаборатории. Кроме того, камеры испытываются и сертифицируются на соответствие международным стандартам на электромагнитную совместимость, уровни напряжений и опасные вещества. С началом серийного производства тестирование продолжается уже в его процессе и завершается контролем качества. Все готовые камеры проходят программу внутренних испытаний: функциональные климатические, на соответствие уровню защиты от пыли и влаги, на точность центровки сенсора и качество изображения согласно стандарту EMVA 1288.
Таким образом подтверждается способность промышленной камеры работать в сложных условиях эксплуатации рядом с механизмами, станками и источниками электромагнитных помех.
ПРОВЕРКА НА ПРОЧНОСТЬ
Проверка на прочность проводится на прототипах, чтобы убедиться в нужной функциональности и прочности конструкции. В ходе испытаний изделие подвергается экстремальным воздействиям, много превосходящим привычные условия эксплуатации. Испытания на прочность помогают выявить слабые места разработки до начала ее серийного производства. Полученные результаты – предмет тщательного анализа и, при необходимости, изменений в конструкции. В последнем случае – обновленный вариант снова подлежит испытаниям.КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Что мы делаем? Проверяется способность конструкции камеры противостоять экстремально высоким и низким температурам в климатической камере. Значения температур намного превосходят те, что используются потом в температурных тестах в ходе производства.Программа состоит из набора функциональных тестов, таких как циклы подачи питания, транслирование видеопотока и др. Стандарт.
Какого-то определенного стандарта нет, но за основу взята программа ускоренных ресурсных испытаний HALT (Highly Accelerated Life Testing). Почему это важно? На этом этапе определяются слабые места конструкции до запуска ее в серийное производство. Во время испытаний контролируются все параметры работы камеры, что дает возможность инженерам улучшить конструкцию и исправить ошибки.
Таким образом, снижается вероятность того, что какие-то инженерные просчеты перейдут в серийный продукт.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ: УДАРЫ И ВИБРАЦИИ
Что мы делаем? Проверяем способность выдерживать механические воздействия. Камера монтируется на электродинамическом испытательном вибростенде (Рисунок 5), который генерирует механические воздействия различной частоты и силы вдоль осей X,Y и Z.(Рисунки 3 и 4).
Почему это важно?
Оборудование часто работает в составе сложной промышленной установки или линии, содержащей много движущихся частей. Основание, на котором установлены камеры, может быть подвержено резким сменам направления и внезапным ударам. Испытания на вибро- и ударопрочность подтверждают надежность конструкции камеры.
Проверке подвергается не только прочность внутренних компонентов, но и конструкция крепления камеры и объектива. Камеры машинного зрения, способные выдерживать механические нагрузки - предпочтительный выбор во многих задачах и за рамками промышленного производства. Например, для установки на автомобилях (плохие дороги) и мобильных роботах (столкновения в движении).
ВИБРОИСПЫТАНИЯ (ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ)
Что мы делаем?Проверяем возможность камер выдерживать гармонические колебания. На камеры оказывается сильное воздействие – уровень акустического шума от вибрации стенда требует защиты ушей. Частота гармонических колебаний для камер LUCID изменяется плавно от 58 до 500 Гц со скоростью 1 октава в минуту. Поддерживается максимальное ускорение в 10g (20g размах, полная амплитуда синуса). Воздействие повторяется для трех осей X, Y и Z. Стандарт: IEC / DIN EN 60068-2-6 Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытание Fc и руководство: Вибрация синусоидальная.
Почему это важно?
Несмотря на усилия инженеров максимально снизить уровень вибраций - станки, механизмы, моторы и другие движущиеся части будут всегда создавать их. Телам вращения свойственны гармонические возбуждения. Некоторые из этих гармоник постоянны и не заметны человеческому глазу. Испытания синусоидальным сигналом переменной частоты помогают выявить недостатки конструкции, связанные с резонансом.
ИСПЫТАНИЯ НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ СОВМЕСТИМОСТЬ
Что делаем?Проверяем устойчивость камеры к электростатическим разрядам и промышленным электромагнитным полям. Для того, чтобы убедиться в бесперебойной работе устройства в промышленных условиях, на камеру воздействуют электромагнитными шумами, бросками и падением напряжения питания и другими способами (Рисунок 7).
Стандарт. IEC / DIN EN 61000-6-2. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 6-2. Общие стандарты. Стандарт помехоустойчивости для промышленных сред.
Почему это важно?
Без тестов на электромагнитную совместимость нельзя быть уверенным, что камера машинного зрения сохранит работоспособность в промышленной обстановке в условиях электромагнитного излучения (Рисунок 8). Множество мощных приводов, систем питания и силовых устройств производят уровни электромагнитного излучения куда большие, чем можно встретить в быту или в офисе.
Частотноуправляемые приводы, Источники питания, Сервомоторы, Конвейеры, Осветители
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Что мы делаем?Ранее мы фокусировались на предельных воздействиях, которые может выдержать камера. Однако требуется исследовать излучения и камеры, в первую очередь, в области электромагнитных полей, которые могут воздействовать на другие устройства.
Существуют глобальные стандарты, призванные ограничить такие излучения. Им должны соответствовать все камеры, также как любые другие электронные приборы, продаваемые в том или ином регионе.
Стандарт. IEC / DIN EN 61000-6-3, Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 6-3. Общие стандарты. Стандарт электромагнитного излучения для жилых, коммерческих и легких промышленных обстановок. FCC Class A (коммерческий/ промышленный США), FCC Class B (жилые помещения, США), CE (EMC 2014/30/EU).
Почему это важно?
Устройства с плохо продуманной конструкцией излучают сильные электромагнитные помехи и не проходят испытания.
Причиной тому могут быть некачественные комплектующие, неправильное их расположение, отсутствие заземления, неэффективность цепей питания и другие. С другой стороны, соответствие камеры стандартам подтверждает правильность инженерных решений, оптимизированные и эффективные подходы к питанию устройства и, как результат, безопасность совместной работы с другими приборами.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
Тестированию с целью контроля качества подлежит каждая камера в ходе серийного производства. Тестирование даёт уверенность в функциональных возможностях и производительности, выявляет изделия с дефектами или функциональными отклонениями. ИСПЫТАНИЯ В КЛИМАТИЧЕСКОЙ КАМЕРЕ. ТЕРМОУДАР.Что мы делаем?
Каждая камера подвергается циклическому испытанию в климатической камере с перепадом температур: от высокой (верхний порог), до низкой (нижний порог). Пороги устанавливаются с небольшим превышением рабочих температур, чтобы гарантированно достичь их уровня.
Во время температурных циклов периодически выполняется функциональное тестирование: включение/выключение питания, захват и передача изображений, проверка контрольной суммы (CRC) chunk’ов и соотношения сигнал/шум (SNR).
Контролируется соответствие номинальным значениям величины потери данных (bit errors) и потребление. Циклические испытания в климатической камере продолжаются несколько часов. (Рисунок 9) Стандарт. Какого-то определенного стандарта нет, но за основу взята программа ускоренных стресс тестов HASS (Highly Accelerated Stress Screening).
Почему это важно?
Циклические испытания помогают выявить камеры с дефектами прежде, чем они попадут в руки заказчика. Кроме того, они подтверждают Рисунок 9. Цикл испытаний работоспособность изделий в расширенном диапазоне температур
ПРОВЕРКА КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ СОГЛАСНО СТАНДАРТА EMVA 1288
Что мы делаем?
Каждая камера подвергается тесту с использованием источника равномерного излучения (flat field) в соответствие со стандартом EMVA 1288 (EMVA: European Machine Vision Association – европейская ассоциация машинного зрения). Результаты тестов должны укладываться в заданный диапазон (Рисунок 10).
Измеряются уровень темнового шума, емкость насыщения, неоднородность фоточувствителности, неоднородность темнового сигнала, нелинейность.
Стандарт: EMVA 1288 – Определение характеристик сенсоров изображения и камер. Почему это важно? Измерения подтверждают стабильность рабочих характеристик от изделия к изделию.
Образец, не прошедший испытание, изымается и отправляется на дополнительные исследования. Поскольку большинство производителей камер тестируют свою продукцию в соответствие со стандартом EMVA 1288 - пользователи, на основании результатов, могут сравнивать качество изображения для камер с разными сенсорами от многих поставщиков. (Рисунок 11).
ИСПЫТАНИЕ ЦИФРОВЫХ ЛИНИЙ (GPIO)
Что мы делаем?Проверяем логические уровни для сигналов цифровых линий ввода и вывода. Соответствующие уровни цифровых сигналов подаются на камеру в качестве триггера захвата изображений.
Стандарт. Нет, но принятый в ПЛК уровень логики 24В повышает помехоустойчивость сигналов более высокого напряжения в зашумленной промышленной среде.
Почему это важно?
Часто в заводских условиях камеры машинного зрения взаимодействуют с другими устройствами: либо получают от них, либо передают им сигналы синхронизации и триггера. Для входных сигналов важна установка большего значения напряжения логического уровня для исключения ложных срабатываний в условиях высоких электрических помех.
Для этого в камерах TritonTM и Helios2TM предусмотрена возможность настройки логических уровней для надежной синхронизации в зашумленных условиях.
ACTIVE SENSOR ALIGNMENT
ЦЕНТРОВКА СЕНСОРА ОТНОСТИТЕЛЬНО КРЕПЛЕНИЯ ОБЪЕКТИВА
Что мы делаем?Измеряем наклон, центровку сенсора и расстояние (BFD: back focal distance) относительно отверстия объектива.
Стандарт. Нет. Но измерения во время процедуры центровки сенсора при его монтаже (Active Sensor Alignment) гарантируют точное позиционирование сенсора для каждого изделия.
Почему это важно?
По сравнению с обычным механическим позиционированием сенсора, с применением прокладок и пассивных техник, процедура центровки Active Sensor Alignment обеспечивает точное положение сенсора относительно отверстия объектива (Рисунок 13).
Это критически важно для получения ясного и резкого изображения по всему сенсору от центра до периферии. Таким образом, обеспечивается стабильное качество изображения от камеры к камере, что дает разработчикам систем уверенность в неизменности положения камеры в серии.
IP67 ИСПЫТАНИЯ (ПРОНИКНОВЕНИЕ ВОДЫ И ПЫЛИ)
Что мы делаем?Проверяем пыле- и влагозащищенность корпуса камеры. Выполняются тесты под давлением и с погружением. (Рисунок 15).
Стандарт. IP67 (стандарт IEC 60529, Рисунок 14) предполагает что камера должна быть пыленепроницаема и выдерживать 30-ти минутное погружение на глубину до 1 м.
Почему это важно?
Для электронного оборудования влага и пыль представляют серьезную опасность. Особенно это значимо для обрабатывающего производства, где станки режут, сверлят и моют детали.
Обработка овощей и фруктов также сопряжена с влажными процессами со струями воды и частицами грунта. Для обеспечения непрерывной работы в промышленных условиях камера в исполнении IP67 является естественным выбором.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Не все камеры машинного зрения предназначены для использования в суровых условиях промышленного производства. Некоторые производители декларируют, что их камеры готовы для работы в промышленных применениях в режиме 24/7, но при этом должны быть указаны соответствующие критерии, стандарты и предоставлены результаты испытаний.
Настоящий материал представляет собой обзор таких испытаний, и хотя не охватывает всё многообразие доступных тестов, например для медицинских или военных задач, он в полной мере дает представление о наиболее популярных испытаниях и параметрах камер машинного зрения, специально разработанных для промышленных применений. LUCID использует свой огромный опыт в разработке камер машинного зрения для изготовления по-настоящему готовых к промышленному применению устройств.
Промышленные 2D и 3D Factory Tough камеры
В частности, камеры Triton и Helios2 спроектированы, изготовлены и проверены для работы в тяжелых условиях эксплуатации с точки зрения электромагнитной совместимости, ударо- и вибростойкости, IP67 пыле- и влагозащищённости.
Предлагая инновационные продукты в промышленном исполнении, LUCID предоставляет разработчикам возможности создания наиболее надежных и долговечных систем машинного зрения для своих заказчиков.
