SANXO-Systems Finn-Magyar Méréstechnikai és Automatizálási Kft. -100%-os eredmény az autóiparban: GigE kamerákkal végzik az autóalvázak minőségellenőrzését

Naponta több mint 1000 gépkocsi hagyja el az egyik vezető autógyártó vállalat gépsorát Dél-Németországban. Minden gépkocsi eltérő színű és különöző motor konfigurációval, felszereltséggel rendelkezik. Egy dologban viszont megegyeznek: minden egyes alkatrész a helyén található az élvédőktől a bepattanó szegecsig. A gépi látásnak kulcsfontosságú szerepe van a nagy pontossú mérések kivitelezésében: a munkafolyamatok különböző állomásain ezek a nagy sebességű kamerák ellenőrzik, hogy minden alkatrész a helyén van-e és hogy egyik sem hiányzik.

1. ábra: A jelenlegi alvázvizsgáló rendszer 12 IDS GigE kamerával van felszerelve

A német IDS-Imaging egyik fontos partnercége robotvezérlési és minőség-ellenőrzési specialista az autóiparban és több éve optikai vizsgálati rendszereket kínál autóipari vállalatoknak. A tanulmány tárgyául szolgáló alvázvizsgáló rendszer 12 db IDS GigE kamerával van felszerelve, amelyek megbízhatóan szolgáltatnak képeket a rendszerhez.

Az első kamerás tesztrendszert már használják az autógyártás korai fázisában: mielőtt az alvázkeret és a karosszéria összeillesztésre kerül, számos műanyag kötőelemet kell ellenőrizni, melyek több mint 80 nyílás tömítését látják el az alváztestben. Ezeknek fontos szerepük van az alváz összeszerelésekor és festésekor, mivel meggátolják a nedvesség bejutását az alváz belsejébe. Következésképpen egy darab ellenőrzését sem lehet kihagyni. Az ellenőrzési rendszer erre az IDS uEye sorozat GigE CCD kameráit használja.

Az ellenőrzés a gyártási folyamat ideje alatt zajlik, amíg a járműveket a gyártósoron egy szállítószalagon mozgatják körülbelül 5 m/perces sebességgel. Amint a vizsgált jármű legelől lévő pontja elhalad az ellenőrzési rendszer fénysorompója előtt, a mérési és elemzési folyamat elkezdődik. Egy inkrementális szögadó a szállítószalaggal összekötve, megadja a jármű pontos helyét az ellenőrzési rendszernek, ami azután ezt az információt arra használja, hogy triggerelje a képrögzítést. A helyzetüktől függően, a rendszer ipari kamerái több képet készítenek az alvázról, így annak minden része egymás után ellenőrizhető és kiértékelhető, ahogy a jármű halad előre a szállítószalagon.

Öt nagyfrekvenciájú fluoreszcens fényforrás biztosítja szórt fényével az alváz egyenletes megvilágítását, ezt kiegészítve, a halogén lámpák a kerékívek megvilágítását látják el. A nagyon érzékeny monokróm CCD szenzoroknak köszönhetően az UI-6230HE-M típusú kamerák kiváló képminőséget biztosítanak még rövid expozíciós idő alatt is. A járműtestek eltérő fényezési színei azonban különös kihívást jelentenek a képkészítés és kiértékelés szempontjából. Fényezés során mindig előfordulhat, hogy a festék rákerül a kerékívek és alváz egy részére. Ez nagyon megnehezítheti a képkészítést, hiszen a képkészítés körülményei gyakran váltakoznak a nagyon tükröződő felület és a nagyon sötét háttér között. Azonban a fekete műanyag dugaszokat stabilan meg kell találni. A uEye kamera ezt a problémát is megoldja: beállítja az optimális expozíciós paramétereket a képkészítéshez, automatikusan meghatározza a szenzor erősítését az Auto Gain funkció használatával. Ez a kép fényerősségét egy átlagos értéken tartja az expozíciós idő megváltoztatása nélkül.

2. ábra: Halogén és fluoreszcens lámpák biztosítják az alváz egyenletes megvilágítását

A másik két rendszer a gyártási vonalon - ami 12 db uEye GigE kamerával van felszerelve – biztosítja annak ellenőrzését, hogy a bepattanó szegecsek és csavarok megfelelően vannak-e rögzítve a majdnem kész jármű kerékívére. A jármű mindkét oldalán 6–6 kamera fókuszál a kerékívekre és a díszítőelemekre különböző látószögekből. Az adatok Két GigE hálózati kártyán és kapcsolón keresztül kerülnek a multikamerás rendszerből ipari PC-re, ami azután kiértékeli a képeket. Az elemzésre használt szoftver főként a német kutatók által kifejlesztett speciális algoritmusokat használja, hogy nyitott környezetet biztosítson bármilyen testreszabáshoz. A szoftver könnyen bővíthető: további mérések és még több kamera adható a rendszerhez. Ezért a szoftvermérnökök olyan kamerát választottak az IDS-től, amely rugalmas képkészítő programozást biztosít modern szoftvercsomaggal (SDK). A uEye SDK több mint 140 függvénye LabVIEW, C++/C# vagy VB- alapú applikációkkal vezérelhető. Az ActiveX komponens és a DirectShow interfészen kívül az IDS kamerák támogatják az új GenICamTM gépi látás szoftver szabványt. Mivel a meghajtó kompatibilitás biztosított az összes uEye kamerasorozat között, nincs szükség programozásra, amikor másik USB 2.0 vagy GigE modellre váltunk.

3. ábra: A GigE uEye HE kamera által készített képeket elraktározzák a mérési lépések dokumentálálására, ami fontos szolgáltatás a 100%-os ellenőrzés során

A kép analizálásán kívül az alkalmazási szoftvernek van egy másik fontos feladata: a mérési lépések dokumentálása. A memóriában képes akár 10 000 befejezett mérési adat tárolására, beleértve a kapcsolódó képeket és eredményeket is. Ezek a mérések a későbbiekben áttekinthetők és szükség esetén meg is ismételhetők. A rendszer eme tulajdonsága különösen fontos az autóiparban jellemző 100%-os ellenőrzésnél. Amennyiben az ellenőrző rendszer alkatrészhiányt fedez fel, megjelöli az adott mérést és küld egy hibaüzenetet. A gyártási vonalnak azonban tovább kell működnie, hiszen a hiányzó alkatrész felszerelése késleltetné a további termelést. Így egy speciális állomást alakítottak ki a gyártási folyamatban, ahol utólagosan elvégzik a hiányzó alkatrészek beszerelését anélkül, hogy fennakadást okoznának a termelésben.

Alapos betanítás és tesztelés után az ellenőrzési rendszereket 2009 decemberében integrálták a termelési környezetbe. A rendszerrel és a GigE kamerákkal elért kiváló eredményeknek köszönhetően a jövőben más állomásokra is várható további ellenőrzési rendszerek beépítése.

A hasonló autóipari megoldásokra alkalmas LabVIEW programozási környezetben kifejlesztett, a National Instruments Vision függvénykönyvtárára épülő Modular-X önnálló képfeldolgozó és automatizációs szoftver is ugyancsak a népszerű IDS Imaging uEye kamerákat részesíti előnyben. Számtalan alkalmazás, úgymint alvázszámellenőrzés, szílerek méretének detektálása, alkatrészek méretének ellenőrzése, felvitt tömítőanyag folytonosságának ellenőrzése kivitelezésére alkalmas. A Vision 2012-es Stuttgarti szakkiállításon nagy figyelmet kapott Modular-X könnyen kezelhető, megbízható megoldást kínál a legtöbb autóipari minőségellenőrzési feladatra.

A szoftercsomag

A Modular-X a National Instruments által fejlesztett LabVIEW programozási nyelven íródott, és a LabVIEW és a Vision Development Module függvényeit használja és kínálja föl a felhasználó számára könnyen kezelhető formában. A programcsomag két részből áll:

Editor, ahol a felhasználó a minőségellenőrző applikációt fejleszti. Egyszerű lépések sorozatával és esetlegesen ciklusba szervezéssel hozza létre a kívánt tesztprogramot (Session).

Executor vagy végrehajtómodul, amely az Editorban létrehozott applikációt (sessiont) képes futtatni, igény esetén egyedi felhasználói felülettel. Előnye, hogy kisebb erőforrást igényel, futtatásra optimalizált, mindemellett alkalmas kliens-szerver architektúrában való használatra is (4. ábra).

4. ábra: Kliens-szerver architektúra

Az Editorban minden megtalálható, ami egy optikai méréshez szükséges. A program menüje logikus felépítésű, követi egy reális optikai mérés sorrendjét.

Képbeolvasás és kalibrálás

5. ábra: A logikusan felépített menüsor

Ha a felhasználó balról jobbra halad az 5. ábrán megjelenített függvénypalettán, akkor láthatja, hogy az első lépés (Acquire Images) a képbeolvasást végzi egy képalkotó eszközről, vagy szimulációs lépésként képeket olvas be egy kiválasztott könyvtárból. A Modular-X sokféle kamerát támogat, köztük az IDS uEye, Ximea CURRERA-R kompakt és egyéb USB, FireWire, GigE típusokat. A sok mérés megköveteli a kamerák kalibrálását annak érdekében, hogy mérési adatokat valós mértékegységekben lehessen kiértékelni (például mm-ben vagy mikronban), de a kalibráció nem csak ezt a célt szolgálja. Segítségével lehetőség nyílik a perspektivikus és nemlineáris torzítások – például a 6. ábrán látható hordótorzítás – kiküszöbölésére.

6. ábra: Hordótorzítás (bal) és a kalibráció által korrigált kép (jobb)

Előfeldolgozás

A képbeolvasást követi az úgynevezett előfeldolgozás vagy szűrés (Image Enhancement). Ezek a függvények a felhasználók számára lényeges információk kiemelésére szolgálnak. Lehetőség nyílik képsimító, binarizáló, élkihangsúlyozó eljárások (7. ábra) objektumszűrők használatára.

7. ábra.: Élkihangsúlyozás előtt (bal) és utána (jobb) Laplace-operátor (2D-s szűrő alkalmazásával)

Képi információk kiértékelése

Miután megtörtént a kép előfeldolgozása, a különböző kereső algoritmusok és mérések használatával (Locate Features, Check of Presence és Measure Features) megkezdődhet a képen lévő információk kiértékelése (8. ábra).

Jellemzően először a terméket keressük meg a képen. Ehhez a lépéshez számtalan kitűnő algoritmus nyújt segítséget (Match Pattern, Golden Maching, Geometric Matching). A legtöbb standard képfeldolgozó eljárás könnyen érthető egy mérnök vagy technológus számára. Minden – az általános 2D-s ipari képfeldolgozásban használt – eljárás megtalálható, köztük olyanok, mint a különböző éltípusok és objektumok keresése, minta és koordináta-rendszer illesztése, geometriai műveletek (kör- és egyenesillesztés) és különféle mérőeszközök használata (például távolságmérés, intenzitás- és kontrasztmérés).

8. ábra. Egy csatlakozó minőségellenőrzése és a Modular-X kezelőfelülete

Információfeldolgozás

Ha a kiértékelés után keletkezett információ további feldolgozást igényel, akkor ehhez nyújt segítséget a matematikai modul (9. ábra). Itt megtalálhatók a trigonometrikus, exponenciális, logaritmus és a statisztikai függvények is. Miután az eredmények rendelkezésre állnak, a Quality mérnökök specifikációja szerint eldönthetik, hogy a mérési adatok függvényében a vizsgált tárgy megfelel-e a vele szemben előírt minőségi elvárásoknak vagy sem. Ezeket a lépéseken belül a limitek megadásával vagy az alkalmazásba programozói eszközökkel elágaztatásokat beiktatva lehet megvalósítani. Ezenfelül a Modular-X-ben ciklusok is szervezhetők, amellyel lehetőség nyílik bonyolultabb szekvenciális mérések implementálására is (10. ábra). A ciklikus mérési eredményeket indexálhatjuk is a könnyebb-egyszerűbb kiértékelés érdekében.

9. ábra: A matematikai modul

10. ábra: Elágaztatás és ciklusszervezés

Párhuzamos képfeldolgozás

Amennyiben az alkalmazás több kamera párhuzamos futtatását kívánja meg, úgy a Modular-X-ben futtatható párhuzamos méréssorozatokkal (session) ez megvalósítható. Ha a feldolgozóegység több processzorral rendelkezik, úgy a különböző sessionok automatikusan külön processzoron futnak.

Kommunikáció

Mivel a Modular-X ipari környezetbe szánt szoftver, egy automatizált rendszerben tudni kell kommunikálnia a gyártósorokon lévő – a gyártási folyamatba beavatkozó és irányító – programozható logikai vezérlőkkel. A Modular-X támogatja a National Instruments által gyártott digitális I/O kártyákkal megvalósított, soros-vonali (RS232) és az Ethernet kommunikációt is. Ezáltal – a mérés eredményétől függően – lehetőség nyílik a termelési folyamatba történő beavatkozásra. Ezenkívül a nyílt LabVIEW interfész bármilyen egyedi vagy sztenderd kommunikációs protokoll futtatását lehetővé teszi.

Termékazonosítás

Manapság egy optikai mérőrendszerrel szemben már egyre több helyen elvárás, hogy a termelésben képes legyen egy terméket azonosítani. Erre kínál megoldást a kódolvasó lépés, amellyel lehetőség nyílik vonalkódok és DTM-kódok (Barcode és Data Matrix) olvasására (11. ábra). A megoldás nagy előnye, hogy egy kameraeszközzel és egy kiértékelő PC-vel egy lépésben lehet megtenni a termék azonosítását és a termék minőségellenőrzését, így jelentős költséget takaríthatunk meg.

11. ábra. Modular-X session futtatása fejlesztői környezetben

Nyílt interfész

Érdemes kiemelni a program nyitottságát. A felhasználó saját kódját, megoldását hozzá tudja adni a rendszerhez, utat biztosítva a nyílt, rugalmas és a legjobb egyedi megoldásokhoz.

Rendszer-alrendszer, gyors fejlesztési lehetőség

A Modular-X programot lehet futtatni szerver-kliens architektúrában, lehet TestStand-ből meghívni, de emellett – amennyiben a gépi látás és kiértékelés, mint részfeladat van jelen egy projektben –, a Modular-X modult, mint egy alrendszert, be lehet ágyazni egy nagyobb LabVIEW alkalmazásba.

A Modular-X Fejlesztői Csomag használatának nagy előnye, hogy lényegesen lerövidül a fejlesztésre fordított idő, továbbá a mérés betanítását, vagyis a session létrehozását továbbra is könnyedén megtehetjük Modular-X Editorral. Ezután a fejlesztői csomag segítségével a Modular-X Editorral elkészített és beállított méréssort (session) közvetlenül hívhatja saját LabVIEW fejlesztői környezetében. A Modular-X Fejlesztői Csomag számos előre elkészített VI-t tartalmaz, amelyek segítségével a képfeldolgozási folyamat explicit vagy implicit módon is kezdeményezhető a felsőbb LabVIEW program futásától függően. A mérési adatok kinyerése is rendkívül egyszerűen történik. A lépés nevére hivatkozva visszakapjuk a mérés eredményeit. Így lehetőség van utólagosan újra kiértékelni, illetve felülbírálni a sessionban beállított PASS/FAIL kondíciókat.

Összegezve: a Modular-X széles körben alkalmazható, rendkívül rugalmas és hatékony képfeldolgozási megoldás a gyártás során felmerülő minőségi problémák automatikus detektálására. Nagy előnye a logikus felépítettség és a könnyű használhatóság, ugyanakkor a sokrétű függvényeknek, a párhuzamosan futtatható szálaknak (session) és ciklusba szervezhetőségnek köszönhetően szinte bármilyen feladatra be lehet tanítani.

SANXO-Systems Finn-Magyar Méréstechnikai és Automatizálási Kft.

1221 Budapest, Arany J. u. 87/B

Tel/fax: +36 1 226-2624

Mobil: +36 30 327-1100

E-mail: sandor.toth@sanxo.hu