Systemy wizji maszynowej jako element Przemysłu 4.0 - E-learning Przemysłu Przyszłości

Mikołaj Podgórski
Ekspert współpracujący z FPPP

Każdy zakład, który prowadzi proces produkcyjny, zmuszony jest do przeprowadzania kontroli jakości. Normy jakości narzucane są przez klientów. Dla jednych klientem będzie odbiorca końcowy (klient prywatny, osoba fizyczna, konsument), natomiast dla szeregu przedsiębiorstw klientem jest inna, większa firma. Normy dotyczące jakości zależą od branży i od wytwarzanych produktów. Należy także zauważyć, że są one coraz bardziej rygorystyczne.

Niezależnie od tego, czy na linii produkcyjnej znajdują się amortyzatory, czy wstęga kartonu, która zostanie niedługo zadrukowana jako opakowanie do np. mikrofalówki, klientom końcowym zależy na tym, aby poszczególne cechy produktu nie odbiegały od tych, które zostały zdefiniowane w projekcie.

Naturalnie są pewne produkty, w przypadku których jakość jest na drugim planie, ponieważ z różnych względów klient nie zwraca na nią uwagi. Przykładem może tutaj być kontrola procesu zalewania woskiem znicza cmentarnego. W momencie, gdy klient końcowy – zwykły konsument – kupuje świeczkę w wiodącym markecie, musi otrzymać produkt najwyższej jakości, bez pęcherzy powietrza czy nierówno nalanego wosku. Natomiast w sytuacji, gdy analogiczny produkt kupowany jest na cmentarzu, to oczekiwania dotyczące jego jakości są znacznie niższe. Oczywiście takie sytuacje należą do mniejszości.

Potrzeby kontroli jakości – jak było przed pandemią?

Tempo wdrażania innowacji Przemysłu 4.0 było i jest różne w zależności od regionu geograficznego. W naszej części Europy, ze względu na specyfikę przemysłu, nie był to proces bardzo szybki i gwałtowny. Nie każdy zakład przemysłowy zaangażował się w poprzednią rewolucję w pełny sposób.

Pandemia Covid-19 bardzo mocno wstrząsnęła rynkiem, nie tylko ze względu na zagrożenie zdrowia i życia pracowników, ale również z powodu opóźnień w dostawach półproduktów i komponentów niezbędnych do produkcji. Długie łańcuchy dostaw, które w dobie nieograniczonej globalizacji nie stanowiły problemu, oraz w wielu przypadkach szczupłe podejście do zarządzania magazynem (lean management), w znaczący sposób przełożyło się na problemy produkcyjne. W wielu zakładach kontrola jakości wciąż była wykonywana przez pracowników, przy użyciu ich zmysłów dotyku i wzroku. W sytuacji zagrożenia życia i zdrowia osób zatrudnionych, taki sposób kontrolowania jakości nie sprzyjał produkcji.

Covid-19 i Przemysł 4.0

Wielotygodniowe zamknięcie zakładów produkcyjnych na początku pandemii wpłynęło na procesy sprzedażowe i inwestycyjne oraz przyczyniło się do tego, że ogólna jakość wytwarzanych produktów w znaczący sposób się pogorszyła. Wynikało to z niedyspozycyjności pracowników oraz zahamowania lub spowolnienia inwestycji – zarówno planowanych, jak i tych już trwających. Wielu decydentów, zwłaszcza na szczeblu kierownictwa produkcji, zdało sobie sprawę, że tylko automatyzacja, dostęp do danych oraz sieci informatyczne są w stanie w znaczący sposób poprawić funkcjonowanie zakładów przemysłowych. Wszystkie te nowe elementy procesu produkcyjnego są składowymi Przemysłu 4.0. Oprócz nich jednym ze sztandarowych narzędzi Przemysłu 4.0, który służy do znaczącej poprawy i automatyzacji kontroli jakości jest implementacja systemów wizyjnych – czyli tzw. wizji maszynowej.

Czym są systemy wizyjne?

Systemy wizyjne, analogicznie do ludzkiego oka, służą do analizy otoczenia w procesach produkcyjnych. Nie chodzi tutaj o monitoring, który pozwala na zapewnienie bezpieczeństwa pracowników, a o kamery i innego rodzaju systemy wizyjne, które zbierają zdjęcia i dane dotyczące produkowanych elementów. Systemy wizyjne składają się z:

Specjalistycznych kamer/sensorów wizyjnych, które pozwalają na konwersję fotonów (światła) na sygnał elektroniczny, czyli na zrobienie zdjęcia.
Elementów optycznych, takich jak obiektywy. Służą one do uzyskania określonego powiększenia, jakości obrazu oraz pola widzenia.
Specjalistycznych oświetlaczy, które mają za zadanie doświetlenie obiektu w taki sposób, aby uwidocznić jego cechy i wady.
Elektroniki do zbierania i przetwarzania danych, która zasadniczo służy do przyjęcia danych z kamery, zapisania ich oraz przetworzenia w taki sposób, aby możliwe było uzyskanie zaplanowanego efektu.
Oprogramowania, które jest w stanie przetworzyć uzyskane dane w odpowiedni sposób, tak aby zdecydować, czy np. obrazowany detal ma określoną wadę czy nie.

Implementacja systemów tego typu pozwala na znacznie łatwiejsze osiągnięcie wymagań produkcyjnych obecnych w różnych branżach m.in. motoryzacyjnej (automotive), materiałowej, farmaceutycznej czy spożywczej. Oczywiście, w zależności od dobranej architektury systemu wizyjnego, możliwe jest użycie go do spełniania różnych zadań w przemyśle. Najczęściej są to role związane ze zwiększeniem wydajności linii produkcyjnych oraz lepszą kontroli jakości. Jednak nie wyczerpuje to spektrum możliwości zastosowania systemów wizyjnych. Na przykład mogą one wspierać proces kontroli zgodności opakowania z jego zawartością dzięki szybkiej identyfikacji kodów QR lub kodów kreskowych.

System wizyjny, wizja maszynowa, skanery 3D, systemy hiperspektralne – z czym to się je?

Dotychczasowe problemy w zakresie kontroli jakości, z którymi można było się spotkać w trakcie produkcji, dotyczyły raczej typowej kontroli na powtarzalnym cyklu produkcyjnym i na produkcie, który nie miał zbyt skomplikowanej geometrii lub nie musiał być kontrolowany pod kątem dużej ilości wad. W ostatnich latach, w odpowiedzi na takie problemy, powstały tzw. pudełkowe rozwiązania wizyjne, oparte o kamery kilku wiodących producentów. Były i są to produkty, które doskonale sprawdzają się w nieskomplikowanych zastosowaniach i mogą być obsługiwane przez utrzymanie ruchu na obiekcie produkcyjnym. W wielu zakładach produkcyjnych zlokalizowanych w Polsce i zasilanych zagranicznym kapitałem, takie systemy są na porządku dziennym już od kilku lat. Takie rozwiązania implementowane są w tej chwili nie tylko przez wyspecjalizowanych producentów linii czy automatyków, ale również przez integratorów np. rozwiązań robotycznych, dopiero zaczynających pracę z systemami wizyjnymi. W znaczący sposób ułatwia to zakładom implementację wizji maszynowej w celu kontroli jakości.

Oczywiście problemy pojawiają się, gdy opisywany system wizyjny składający się z oświetlacza, kamery, obiektywu, elektroniki oraz oprogramowania z różnych powodów przestaje być wydolny. Jego działanie może być też niewystarczające z powodu częstego przezbrajania linii albo występowania problemów losowych. W takich sytuacjach zakłady produkcyjne skłaniają się ku użyciu bardziej specjalistycznych produktów, które razem z doświadczonym integratorem pozwalają na uzyskanie lepszych efektów. Są to:

skanery 3D,
systemy spektralne,
kamery linijkowe,
specjalistyczne rozwiązania z zakresu wizji maszynowej, zaprojektowane tak, aby spełnić wymagania klientów.

Skanery 3D – co daje pełna geometria produktu?

Skanery 3D, dzięki wykorzystaniu różnych technologii – od triangulacji laserowej po światło strukturalne – pozwalają na zobrazowanie elementu nie tylko w dwóch wymiarach (tak jak to robią kamery), ale również w trzecim wymiarze, z rozdzielczością sięgającą nawet pojedynczych mikronów, co umożliwia np. stworzenie mapy chropowatości powierzchni. Dotychczas skanery były wdrażane w specjalistycznych aplikacjach związanych np. z pozycjonowaniem elementów elektronicznych na płytkach PCB czy specjalistyczną metrologią. Ostatnio, dzięki miniaturyzacji, możliwa jest implementacja takich urządzeń również w innych dziedzinach, związanych m.in. z przemysłem drzewnym (np. sprawdzanie jakości drewna i pomiar jego objętości w celu optymalizacji wycinania elementów), przemysłem farmaceutycznym i pokrewnymi (np. sprawdzanie grubości taśm jako półproduktów do produkcji plastrów) czy motoryzacyjnym (automotive) (sprawdzanie napisów na oponach, sprawdzanie skomplikowanej geometrii elementów pneumatycznych itp.).

Oczywiście skanery 3D, poza ogromem możliwości jakie dają w zakresie kontroli jakości, mają też szereg wad. Są to rozwiązania znacznie droższe niż zwykłe kamery. Bez specjalistycznego oprogramowania obróbka pozyskanych danych jest zdecydowanie trudniejsza. Warto też wspomnieć, że w szeregu aplikacji doświadczony integrator rozwiązań wizyjnych będzie w stanie zaproponować rozwiązania oparte o kamery, a nie o skanery 3D.

Systemy spektralne – zobaczyć to, czego nie widzi ludzkie oko

W gruncie rzeczy każda kamera jest systemem spektralnym, który pozwala na obrazowanie w paśmie widzialnym (pasma czerwone, niebieskie i zielone). To, co wyróżnia niektóre rozwiązania, to możliwość prowadzenia obserwacji w bardziej sprecyzowanych, węższych oknach spektralnych, co pozwala na zauważenie tego, czego nie widzi ludzkie oko.

Takie możliwości daje np. stosowanie filtrów spektralnych, które filtrują światło padające na sensor w normalnej kamerze. Możliwe jest także obrazowanie produktów kamerami multi- i hiperspektralnymi. Dzięki nim obserwacje mogą być prowadzone nawet w setkach bardzo wąskich pasm spektralnych. Tego typu kamery pozwalają z łatwością odróżnić elementy, które obserwowane gołym okiem są do siebie podobne np. ryż i tworzywo sztuczne o kształcie ryżu. Daje to duże pole do użycia tego typu kamer w przemyśle spożywczym lub farmaceutycznym. Gdy doda się do tego możliwość bardzo precyzyjnego odczytywania koloru, to zakres możliwości stosowania tego typu kamer jest bardzo duży.

Jednym z jego elementów jest oczywiście sama kamera z oświetleniem, ale bardzo istotne w całym procesie kontroli jakości z użyciem kamer spektralnych jest przetwarzanie danych. Normalna kamera, pracująca w pasmie widzialnym obrazuje produkt w de facto trzech kolorach. Kamera hiperspektralna jest w stanie to zrobić w np. dwustu kolorach, co znacznie zwiększa ilość danych, które trzeba przetworzyć. Struktura takich danych (tzw. hypercube) jest również inna niż zwykłego zdjęcia, przez co trzeba być specjalistą w tej dziedzinie, żeby przedstawić klientowi wiarygodne wyniki. Należy także zauważyć, że są to rozwiązania, które niekoniecznie zmieszczą się w każdym budżecie.

Kamera linijkowa – idealna do procesów ciągłych

W coraz większej liczbie procesów produkcyjnych mamy do czynienia z wstęgami materiału, papieru lub innego produktu, czy też po prostu z wielkogabarytowymi elementami, przesuwającymi się ruchem jednostajnym na taśmie. W pierwszym przypadku obrazowanie zazwyczaj dokonywane jest przy bardzo dużej prędkości przesuwu, sięgającej nawet kilkunastu metrów na sekundę. Przy drugim typie użycia liczy się natomiast wielkość obiektu, który normalnie byłby praktycznie niemożliwy do zobrazowania jedną kamerą.

Ze względu na trudności w łączeniu kilku zdjęć obiektu w jedno, w takich sytuacjach bardzo dobrze spisują się kamery linijkowe. Są to sensory, które nie mają dwuwymiarowej matrycy spotykanej w normalnych kamerach (czyli np. 2048 x 1024 pikseli), ale mają jedną linię (rząd) np. dwunastu tysięcy pikseli. Pozwala to na zobrazowanie zdecydowanie większego (szerszego) pola widzenia. Z drugiej strony wymaga to „składania” zdjęcia linijka po linijce, co nie jest proste i wskutek np. niedoskonałości mechanicznych bądź złej pracy enkodera, może doprowadzić do powstania wadliwego obrazu, który nie będzie nadawał się do przetworzenia.

Coraz ostrzejsza kontrola jakości w przemysłach np. papierniczym bądź materiałowym sprawia, że kamery linijkowe stają się coraz bardziej popularne. Należy jednak pamiętać, że bez dokładnego odczytu ruchu elementu obrazowanego i bez dużych umiejętności tworzenia zdjęć linijka po linijce, może to być mało użyteczne, drogie rozwiązanie, które nie rozwiąże problemów zakładu produkcyjnego.

Systemy szyte na miarę – czy w dzisiejszych czasach mają sens?

Wszystkie opisane powyżej specjalistyczne rozwiązania są, w mniejszym lub w większym stopniu, dopasowywane do potrzeb użytkownika. Ze względu na to, że system wizyjny to nie tylko kamera, ale też oprogramowanie czy oświetlenie, nie zawsze da się połączyć wszystkie te elementy w jeden system bez wprowadzenia modyfikacji. Opisywane wcześniej typowe systemy wizyjne, oparte o rozwiązania i produkty wypracowane przez zachodnie firmy, nie są elastyczne i rzadko kiedy pozwalają na znaczną personalizację. Mnogość problemów produkcyjnych, częste zmiany (przezbrojenia) linii, czy też postępująca robotyzacja sprawiają, że coraz częściej poszukiwane są rozwiązania z jednej strony przygotowane pod potrzeby konkretnego klienta, a z drugiej strony oparte o komponenty lub składowe systemu, które już wcześniej wykazały swoją wartość w innych implementacjach. Nie każdy integrator jest w stanie wdrożyć takie systemy, bowiem poza kwestiami dotyczącymi hardware, bardzo istotne jest oprogramowanie, które w tej sytuacji będzie stało za wynikami systemu wizyjnego. Są to na tyle specjalistyczne rozwiązania, że obecnie w Polsce jest tylko kilku integratorów o odpowiednim doświadczeniu, którzy mogą wdrażać tego typu systemy.

Co czeka polski przemysł, jeżeli chodzi o kontrolę jakości?

Postępujące zmiany w przemyśle, czyli odbudowa po pandemii czy koncepcja Przemysłu 4.0, będą wprowadzać coraz większe zmiany w procesach produkcyjnych. Rozwój technologii, który być może trochę spowolnił z powodu problemów z dostępnością półprzewodników czy aluminium, nabiera coraz większego tempa i trzeba zdać sobie sprawę, że Polska, jako kraj, który jest siedzibą zagranicznych firm produkcyjnych, będzie musiała znacząco przyspieszyć rozwój swojego przemysłu. Istotna w tym wszystkim będzie nie tylko robotyzacja, dalsza automatyzacja, IoT (Internet of Things), ale również kontrola jakości, która będzie wymuszać jeszcze większą optymalizację produkcji. Dostęp do kapitału unijnego, który może współfinansować wdrożenia nowych technologii oraz badania i rozwój sprawia, że polski przemysł ma szansę na skrócenie dystansu do organizacji z Europy Zachodniej. Jednym z kluczowych obszarów, które usprawnią działania rodzimych przedsiębiorstw, jest implementacja lepszej kontroli jakości. Systemy wizyjne, jako jedne z niewielu narzędzi Przemysłu 4.0 wprowadzają wymierne korzyści, które w bardzo krótkim czasie są w stanie wygenerować oszczędności, które mogą być wykorzystane do finansowania kolejnych innowacji.

Sprawdź też: