I. Contesto del settore

La scelta della telecamera è una delle prime decisioni nei progetti di ispezione con visione artificiale. Una volta finalizzato il tipo di fotocamera, viene stabilita anche la direzione di progettazione di obiettivi, sorgenti luminose, strutture meccaniche e soluzioni di elaborazione delle immagini. Al contrario, se la telecamera selezionata non riesce a soddisfare l'attività di ispezione, nessuna ottimizzazione nelle fasi successive potrà rimediare alla mancata corrispondenza.

Tuttavia, la selezione della fotocamera è spesso eccessivamente semplificata. Molti progetti riutilizzano direttamente l'esperienza di applicazioni simili o adottano configurazioni esistenti consigliate dai fornitori nella fase iniziale. Questo approccio comporta dei rischi: i pezzi variano notevolmente in termini di dimensioni, proprietà superficiali, requisiti di tempo di ciclo e elementi di ispezione. Una configurazione che funziona in modo affidabile per le parti stampate può riscontrare frequenti guasti se applicata a fusioni o componenti verniciati.

La sfida della selezione non sta nel confrontare i valori dei parametri, ma nel tradurre i requisiti di ispezione in requisiti di imaging. Gli elementi di ispezione, la risoluzione richiesta, lo stato di movimento del pezzo, le caratteristiche di riflessione della superficie e il tempo di ciclo consentito determinano collettivamente il tipo e la configurazione della telecamera. Dal punto di vista della pratica ingegneristica, questo articolo illustra gli scenari applicabili e i fattori chiave di selezione per le telecamere a scansione lineare, ad area e 3D.

II. Panoramica del prodotto

Prima di addentrarci nei metodi di selezione, è necessario chiarire il posizionamento di questo articolo. Questo è un articolo scientifico divulgativo che introduce i principi dell'imaging e la logica di selezione delle fotocamere industriali, aiutando i lettori a comprendere i limiti applicabili dei diversi tipi di fotocamere.

HanaVision ha accumulato un'ampia gamma di casi applicativi di telecamere attraverso pratiche ingegneristiche di apparecchiature di ispezione per la visione artificiale. Questi includono una soluzione di ispezione della testata che combina una telecamera a scansione lineare da 8K e telecamere a scansione di area, una soluzione di ispezione della superficie lavorata per blocchi cilindri utilizzando telecamere a scansione di area da 20 MP e una soluzione di misurazione delle dimensioni geometriche che integra multivisione e misurazione 3D. La logica di selezione in questo articolo deriva da queste esperienze ingegneristiche reali.

Va notato che i modelli specifici di fotocamera e le configurazioni dei parametri devono essere determinati in base alle dimensioni effettive del pezzo, alle caratteristiche dei difetti e al tempo di ciclo della linea di produzione. Il presente articolo fornisce un quadro di selezione e criteri di giudizio e non può sostituire la valutazione e la verifica dei singoli progetti.

III. Aspetti tecnici principali

Telecamere a scansione lineare: Scansione di superfici in continuo movimento. Una fotocamera a scansione lineare cattura solo una riga di pixel alla volta. Le immagini complete vengono formate unendo file successive di pixel tramite movimento relativo tra il pezzo e la fotocamera. Il suo punto di forza risiede nell'alta risoluzione senza vincoli di dimensioni del fotogramma: finché la distanza di spostamento è sufficiente, è possibile scansionare pezzi di lunghezza arbitraria. È adatto per scenari in cui i pezzi si muovono con un movimento lineare uniforme ed è richiesta l'imaging continuo ad alta risoluzione, come nastri, piastre e parti allungate. Un prerequisito fondamentale per l'implementazione della scansione lineare è la velocità di viaggio stabile; le fluttuazioni di velocità causano allungamento o compressione dell'immagine lungo la direzione del movimento.

Telecamere a scansione di area: Acquisizione a pieno formato con esposizione singola. Una telecamera a scansione di area acquisisce un'immagine 2D completa in un unico scatto. Caratterizzate da una struttura semplice, un funzionamento intuitivo e una bassa dipendenza dalle condizioni di movimento, le telecamere a scansione d'area soddisfano la maggior parte dei progetti di ispezione con visione artificiale. Il suo limite è il compromesso tra copertura a scatto singolo e risoluzione: per ottenere sia un ampio campo visivo che un'alta risoluzione, è necessaria una fotocamera con megapixel più elevati o una configurazione di copertura segmentata multi-camera.

Fotocamere 3D: Acquisizione delle informazioni sulla profondità. Basandosi sulla luce strutturata, sulla triangolazione laser o sulla disparità binoculare, le telecamere 3D acquisiscono i dati sulla profondità del pezzo e generano nuvole di punti o mappe di profondità. Sono ideali per la misurazione dimensionale, l'ispezione della planarità e della differenza di altezza e per applicazioni che richiedono la valutazione del profilo geometrico oltre al rilevamento dei difetti superficiali. Il volume dei dati 3D è generalmente molto più grande delle immagini 2D, imponendo requisiti più elevati in termini di potenza di elaborazione e tempo di ciclo.

Soluzioni combinate: Divisione del lavoro tra le diverse fotocamere. Più tipi di telecamere vengono spesso utilizzati insieme in progetti reali. Ad esempio, una telecamera a scansione lineare può rilevare difetti superficiali su pezzi allungati mentre una telecamera a scansione d'area esegue il riconoscimento dei segni; oppure le telecamere a scansione di area gestiscono l'ispezione dei difetti e le telecamere 3D eseguono la misurazione dimensionale. La chiave per i sistemi combinati è assegnare chiaramente i compiti di imaging a ciascuna telecamera ed evitare acquisizioni ridondanti nella stessa stazione.

IV. Funzioni principali

Dal punto di vista ingegneristico, la scelta di una telecamera industriale competente copre i seguenti aspetti.Calcolo della risoluzione: I requisiti di risoluzione sono definiti dalla dimensione minima del difetto rilevabile. Come regola generale, un difetto deve occupare diversi pixel nell'immagine per essere rilevato in modo affidabile. Questo valore viene utilizzato per calcolare all'indietro la risoluzione richiesta e il conteggio dei pixel della fotocamera viene derivato insieme al campo visivo.

Campo visivo e distanza di lavoro corrispondenti: Il campo visivo e la distanza di lavoro determinano congiuntamente la lunghezza focale dell'obiettivo, mentre la distanza di lavoro è vincolata dalla disposizione meccanica e dalla distanza di sicurezza. Questi tre fattori sono reciprocamente restrittivi e devono essere valutati insieme in fase di selezione.

Adattamento alle condizioni di movimento: Lo stato di movimento del pezzo durante l'ispezione determina il tipo di telecamera. I pezzi fermi o in pausa intermittente sono adatti alle telecamere a scansione di area; il movimento continuamente uniforme può utilizzare telecamere a scansione lineare; le applicazioni che richiedono la cucitura di esposizioni multiple durante il movimento necessitano di illuminazione stroboscopica e tempi di esposizione coordinati.

Abbinamento dell'illuminazione per le proprietà della superficie: Metalli, plastica, vetro e superfici verniciate presentano caratteristiche di riflessione molto diverse. La scelta della telecamera deve essere considerata insieme alla progettazione illuminotecnica. Per superfici altamente riflettenti si può adottare la polarizzazione, l'illuminazione diffusa o l'illuminazione angolata; la gamma dinamica della fotocamera influisce anche sulla soppressione degli artefatti delle alte luci.

Bilanciamento del tempo di ciclo e del volume dei dati: L'alta risoluzione e l'acquisizione 3D aumentano la dimensione dei dati e il tempo di elaborazione, che deve essere allineato al tempo del ciclo di produzione. Per requisiti di ciclo ristretto, l'acquisizione parallela multistazione o segmentata può distribuire il carico di elaborazione.

V. Criteri di selezione

Fattori chiave da confermare durante la selezione della telecamera:

• Tipo di compito di ispezione: rilevamento di difetti superficiali, misurazione dimensionale, riconoscimento di segni o valutazione del profilo; ciascuno impone requisiti distinti per la fotocamera.
• Dimensione minima del difetto rilevabile: determina i requisiti di risoluzione.
• Campo visivo: definisce la combinazione di fotocamera e obiettivo.
• Distanza di lavoro: vincolata dalla struttura meccanica, determina congiuntamente la lunghezza focale con il campo visivo.
• Lo stato del movimento del pezzo: movimento stazionario, intermittente o continuo, determina il tipo di telecamera.
• Proprietà della superficie del pezzo: le caratteristiche di riflessione determinano lo schema di illuminazione e la selezione della gamma dinamica della telecamera.
• Tempo del ciclo di ispezione: definisce il tempo di acquisizione disponibile per parte e la fattibilità di layout multistazione.
• Condizioni ambientali: polvere, olio, temperatura, vibrazioni e relativo impatto sulla protezione e sul montaggio della fotocamera.
• Interfaccia dati e distanza di trasmissione: definisce l'architettura di trasmissione dei dati e il percorso dei cavi.
• Compatibilità con il sistema di ispezione: le telecamere devono coordinarsi con i moduli di controllo della luce e di elaborazione degli algoritmi.

VI. Composizione del sistema e principio di funzionamento

Il sottosistema di imaging di un sistema di ispezione di visione artificiale è costituito da telecamere, obiettivi, sorgenti luminose e strutture meccaniche; la fotocamera è solo un componente.

Il flusso di lavoro della fotocamera con scansione dell'area è relativamente semplice: una volta che il pezzo è in posizione, la fotocamera viene attivata per l'esposizione, catturando un fotogramma completo. L'immagine viene trasmessa all'unità di elaborazione per il rilevamento o la misurazione dei difetti.

Il funzionamento della telecamera a scansione lineare si basa sul movimento sincronizzato. Un encoder fornisce segnali a impulsi sincronizzati con il movimento del pezzo. La fotocamera attiva l'acquisizione in linea in base agli impulsi e i dati della linea vengono uniti in sequenza in un'immagine completa. L'encoder garantisce un accurato ridimensionamento dell'immagine lungo la direzione del movimento. Pertanto la precisione della scansione lineare dipende non solo dalla risoluzione della fotocamera ma anche dalla stabilità del meccanismo di movimento.

Il funzionamento della fotocamera 3D varia in base al principio sottostante. I sistemi di luce strutturata proiettano schemi di luce e analizzano la distorsione dello schema sulle superfici del pezzo; i sistemi di triangolazione laser scansionano le linee laser e ricostruiscono i contorni; I sistemi di disparità binoculare abbinano i punti caratteristici da due punti di vista per calcolare la profondità. Indipendentemente dalla tecnologia, l'output sono dati del pezzo 3D per la valutazione dimensionale e del profilo.

Nei progetti pratici, queste tre modalità di imaging sono spesso integrate in un unico sistema di ispezione con divisione dei compiti: le telecamere a scansione di area gestiscono la maggior parte dei compiti di riconoscimento e dei difetti superficiali; le telecamere a scansione lineare eseguono scansioni ad alta risoluzione su superfici lunghe; Le telecamere 3D effettuano misurazioni dimensionali e di profilo.

VII. Procedura di selezione

Si consiglia di seguire questa sequenza per la selezione della telecamera:

1. Definire la lista di controllo per l'ispezione. Elenca tutti gli elementi di ispezione, contrassegna ciascuno come rilevamento difetti, misurazione dimensionale, riconoscimento o valutazione del profilo e specifica la dimensione minima rilevabile per ogni attività.
2. Determinare i requisiti di risoluzione. In base alla dimensione minima del difetto rilevabile e all'esperienza ingegneristica consolidata, definire la copertura di pixel richiesta per i difetti, quindi calcolare all'indietro il conteggio dei pixel della fotocamera combinato con il campo visivo. Per le attività di misurazione dimensionale, anche gli obiettivi di precisione della misurazione vengono presi in considerazione nel budget della risoluzione.
3. Confermare il campo visivo e la distanza di lavoro. Impostare il campo visivo in base alle dimensioni del pezzo, determinare la distanza di lavoro utilizzabile dalla disposizione meccanica e dalla distanza di sicurezza; entrambi vincolano la selezione dell'obiettivo.
4. Seleziona il tipo di fotocamera. Il movimento uniforme e continuo del pezzo determina se è applicabile la scansione lineare; il requisito dei dati di profondità decide se sono necessarie telecamere 3D; le telecamere a scansione d'area sono utilizzabili per la maggior parte degli scenari rimanenti.
5. Configura lo schema di illuminazione. Selezionare il tipo di illuminazione corrispondente alle caratteristiche della superficie del pezzo e verificare la compatibilità della gamma dinamica della fotocamera. Le scelte di illuminazione e telecamera si influenzano a vicenda e devono essere convalidate insieme.
6. Calcolare il tempo del ciclo. Somma dei tempi di acquisizione, trasmissione ed elaborazione, quindi confronta con il ciclo di produzione. Se i tempi vengono superati, prendere in considerazione la progettazione di più stazioni parallele o il miglioramento delle prestazioni di elaborazione.
7. Convalidare con campioni fisici. Dopo aver selezionato la soluzione, eseguire il test con campioni di pezzi reali per verificare il contrasto dei difetti, la risoluzione e le prestazioni del ciclo. Questo passaggio è obbligatorio: le prestazioni di corrispondenza dell'illuminazione della telecamera non possono essere previste in modo affidabile solo dai parametri.

VIII. Scenari applicativi

Le tipiche applicazioni delle telecamere a scansione lineare includono l'ispezione superficiale di nastri e piastre in continuo movimento e la scansione ad alta risoluzione di parti allungate. La soluzione di ispezione offline della testata finita di HanaVision adotta una telecamera a scansione lineare 8K abbinata a telecamere a scansione di area, dove la telecamera a scansione lineare effettua la scansione di un'ampia area.

Le telecamere a scansione d'area coprono la più ampia gamma di applicazioni tipiche: ispezione dei difetti basata su stazione, verifica degli errori di assemblaggio, lettura dei marchi e ispezione dell'aspetto. Gli esempi includono una soluzione di ispezione dei difetti della superficie lavorata del blocco cilindri che utilizza una fotocamera a scansione di area da 20 MP con illuminazione extra-large ad alta luminosità e una soluzione di ispezione della superficie verniciata che utilizza una fotocamera da 1,6 MP con otturatore globale e illuminazione strutturata incorporata.

Le tipiche applicazioni della fotocamera 3D includono la misurazione delle dimensioni geometriche, l'ispezione della planarità e della differenza di altezza. Ad esempio, un sistema di misurazione dimensionale 3D multivista per pezzi metallici; in una soluzione di ispezione visiva di assiemi in leghe di alluminio-magnesio, le telecamere a scansione di area vengono integrate per valutare le relazioni geometriche dell'assieme.

IX. Punti chiave della selezione

• Non scegliere una fotocamera prima di aver definito i requisiti. Chiarire innanzitutto gli elementi da ispezionare e la dimensione minima del difetto rilevabile, quindi ricavare la configurazione della fotocamera.
• Una risoluzione più alta non è sempre migliore. Una risoluzione eccessiva aumenta il volume dei dati e il carico del ciclo e amplifica l'interferenza della struttura della superficie.
• La precisione della scansione lineare dipende dalla stabilità del movimento. Le soluzioni a scansione lineare non possono offrire vantaggi se non è possibile garantire una velocità costante del meccanismo di movimento.
• Valuta in anticipo il volume dei dati 3D. L'elaborazione della nuvola di punti richiede maggiore potenza di calcolo e tempi più lunghi rispetto alle immagini 2D.
• L'illuminazione e la telecamera devono essere considerate insieme. Le sfide su superfici altamente riflettenti vengono solitamente risolte dalla progettazione dell'illuminazione piuttosto che dai parametri della fotocamera.
• Scambia la quantità di fotocamera e il campo visivo. La copertura segmentata multi-camera riduce i requisiti di risoluzione per fotocamera ma aumenta la complessità di calibrazione e sincronizzazione.
• La validazione del campione è obbligatoria. La stima dei parametri restringe le opzioni; la configurazione finale deve essere verificata tramite test fisici.

X. Confronto tra i tipi di fotocamera

Differenze tra le dimensioni chiave per i tre tipi di fotocamera:

Per quanto riguarda la risoluzione e l'area di imaging: le telecamere a scansione di area presentano un reciproco compromesso tra la risoluzione del singolo fotogramma e il campo visivo; le telecamere a scansione lineare non sono limitate dalla lunghezza del fotogramma e possono coprire una lunghezza illimitata tramite il movimento. Le fotocamere 3D considerano la precisione della profondità come metrica principale e la loro risoluzione laterale è generalmente inferiore rispetto alle fotocamere 2D equivalenti.

Dipendenza dal movimento: le telecamere a scansione d'area hanno la più ampia adattabilità sia per target fissi che in movimento. Le telecamere a scansione lineare richiedono un movimento uniforme e continuo. Le fotocamere 3D sono sensibili al movimento; Anche i sistemi di scansione 3D richiedono un movimento coordinato, mentre le fotocamere 3D per istantanee tollerano meglio il movimento ma hanno un costo maggiore.

Volume dei dati: la dimensione dei dati delle immagini 2D è relativamente gestibile; I dati delle nuvole di punti 3D sono in genere molto più grandi e richiedono maggiori capacità di trasmissione ed elaborazione.

Attività di ispezione tipiche: le telecamere 2D si adattano ai difetti superficiali e alle attività di riconoscimento; Le telecamere 3D si adattano alla valutazione dimensionale e del profilo. Per i pezzi che richiedono entrambi, sono comuni le configurazioni ibride.

XI. Domande frequenti

D: Come decidere rapidamente tra telecamere a scansione lineare e ad area? R: Controllare se il pezzo si muove continuamente a velocità costante e se è necessaria l'imaging ad alta risoluzione a lungo raggio. Se il pezzo è fermo o intermittente, o se la zona di ispezione rientra in un campo visivo, le telecamere a scansione di area sono generalmente più semplici e più affidabili. Se sono necessari movimento continuo e copertura lunga, si possono prendere in considerazione le telecamere a scansione lineare.

D: È necessario utilizzare fotocamere ad alto megapixel per il rilevamento di piccoli difetti? R: Non necessariamente. Il conteggio dei pixel di un difetto nell'immagine è determinato sia dalla risoluzione che dal campo visivo. Con un campo visivo ridotto, una fotocamera a media risoluzione abbinata a un obiettivo adeguato può soddisfare i requisiti. Calcolare i requisiti di risoluzione è più efficace che scegliere direttamente l'hardware ad alto pixel.

D: Le telecamere 3D possono sostituire le telecamere 2D per l'ispezione dei difetti? R: La sostituzione completa non è possibile. Le fotocamere 3D eccellono nelle attività relative al profilo e alle dimensioni, ma le immagini 2D forniscono informazioni più dirette su colore, contenuto stampato e graffi superficiali sottili. I due tipi di telecamera sono destinati a compiti di ispezione diversi e vengono spesso utilizzati insieme.

D: Perché utilizzare telecamere a scansione di area insieme a telecamere a scansione lineare? R: Perché i compiti di ispezione sono diversi. Le telecamere a scansione lineare sono adatte per la scansione continua di ampie aree, mentre le telecamere a scansione area offrono una maggiore flessibilità per la lettura dei contrassegni e l'ispezione delle caratteristiche locali. La soluzione di ispezione della testata di HanaVision adotta la combinazione di una telecamera a scansione lineare 8K e telecamere a scansione di area.

D: Qual è il fattore più spesso trascurato durante la selezione? A: Coordinamento tra illuminazione e telecamera. Molti problemi di qualità dell'immagine derivano da un'illuminazione non corrispondente e dalle proprietà della superficie del pezzo piuttosto che da parametri insufficienti della fotocamera. L'illuminazione deve essere inclusa nella decisione di selezione.

D: La validazione del campione è assolutamente necessaria? R: Fortemente consigliato. Il calcolo dei parametri restringe le opzioni di configurazione, ma le prestazioni reali di telecamere, obiettivi e illuminazione non possono essere previste esclusivamente dalle specifiche, soprattutto per pezzi riflettenti, trasparenti o scuri. Il test dei campioni è il modo più efficace per mitigare il rischio di selezione.

XII. Manutenzione

Essendo il cuore dell'imaging dei sistemi di ispezione visiva, la manutenzione della telecamera influisce direttamente sulla stabilità dell'ispezione.

Manutenzione ordinaria: ispezionare la pulizia dell'obiettivo e del finestrino della telecamera a ogni turno; regolare la frequenza di pulizia in base ai livelli di polvere e olio in loco. Utilizzare strumenti dedicati e liquidi detergenti per evitare graffi sul rivestimento.

Monitoraggio dello stato: verificare periodicamente che le impostazioni di esposizione e guadagno della fotocamera rimangano invariate e che i tempi di attivazione funzionino normalmente. Per le telecamere a scansione lineare, verificare la sincronizzazione tra i segnali dell'encoder e l'acquisizione dell'immagine. Per le fotocamere 3D, convalidare la validità dei parametri di calibrazione.

Controlli ambientali: Ispezionare la rigidità del montaggio; la vibrazione provoca la sfocatura dell'immagine e la deriva della calibrazione. Controllare i sistemi di raffreddamento ad aria o ad acqua (se in dotazione); il funzionamento prolungato ad alta temperatura riduce la qualità dell'immagine e la durata. Esaminare l'usura dei cavi sui gruppi in movimento, poiché i cavi delle telecamere sono componenti vulnerabili nelle macchine in movimento.

Calibrazione: Per i sistemi di visione di livello di misurazione, eseguire revisioni periodiche della calibrazione e registrare i dati per tenere traccia delle tendenze della deriva. La deriva della calibrazione spesso segnala un montaggio allentato o una variazione della temperatura ambiente.

XIII. Riepilogo e prospettive

L'essenza della scelta delle telecamere industriali è tradurre i requisiti di ispezione in requisiti di imaging. Le attività di ispezione definiscono il tipo di informazioni; la dimensione minima del difetto rilevabile definisce la risoluzione; lo stato del movimento del pezzo definisce il tipo di telecamera; le caratteristiche della superficie dettano l'abbinamento illuminotecnico; il tempo di ciclo limita il volume di dati consentito. Rispondere a queste cinque domande restringe i tipi di fotocamere adatti.

Questo articolo delinea i principi, i limiti dell'applicazione e i fattori di selezione per le telecamere a scansione lineare, ad area e 3D, illustrati dai casi sul campo di apparecchiature per l'ispezione visiva di HanaVision. È importante sottolineare che la stima dei parametri seleziona solo i candidati; le configurazioni finali devono essere convalidate con campioni fisici.

Diverse tendenze meritano attenzione per il futuro. Innanzitutto, l'integrazione di fotocamere e potenza di calcolo: alcune fotocamere sono dotate di elaborazione on-edge per eseguire il filtraggio preliminare al momento dell'acquisizione e ridurre il carico di trasmissione dei dati. In secondo luogo, il miglioramento continuo della risoluzione e della velocità dell'imaging 3D consente l'ispezione completa in linea anziché il campionamento. In terzo luogo, la standardizzazione della calibrazione e della sincronizzazione per i sistemi multi-camera riduce le barriere di integrazione per le soluzioni ibride. Essendo il punto di ingresso dell'intero sistema, la scelta della telecamera determina in gran parte il limite prestazionale superiore della configurazione di ispezione.