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機器視覺 定焦未來製造
 

【作者: 王明德】   2016年07月01日 星期五

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相較於其他自動化技術,機器視覺雖然尚屬新興發展,但做為自動化領域一環,應用已逐漸成熟;在技術上各種新元件及介面的導入,讓視覺應用大放異彩,而各類技術的相互競逐,工業相機規格已百花齊放。


早期在工業自動化的流程中,最常看見的景象就是一批檢視人員站在傳輸帶的兩側,對產品進行檢測。這種人工檢驗作業雖然適應力大、知覺度高;但是人工作業往往隨著作業人員的身體、精神狀況影響,而有相當出入;檢驗的準確性更容易因設備的複雜度、工作時間、工作壓力而下降。


完善系統整合提升效益

機器視覺的系統整合相當重要,必須透過全方位佈局提供軟硬體元件與技術整合,才能達成最精準的效益。

導入機器視覺後,透過視覺分析進行品質管控檢測,以及定位量測等工作,同時配合運動控制系統,在檢測過程中,機器視覺負責影像檢測,發現品質不合產品,立即做出判斷,讓運動控制設備執行剔除動作,提昇自動化程度,將人力成本降到最低。既然存在相當的優勢,這樣的新興技術即成為自動化技術發展的一項重點。



圖1 : 機器視覺已成為生產過程中的關鍵技術之一。
圖1 : 機器視覺已成為生產過程中的關鍵技術之一。

機器視覺做為自動化系統的一環,系統整合相當重要,必須透過全方位佈局提供軟硬體元件與技術整合,才能達成最精準的效益。一個典型的工業機器視覺系統,工業相機、工業鏡頭、影像擷取、光源、系統平台軟體,在選擇過程中存在很多問題主要貫串其中的兩個重點,也是機器視覺最基本的項目,就是「取像」與「通訊連結」。


而這些部分,也可以從目前工業相機的發展趨勢上進行分析,兆鎂新 Technica


Account Manager曾慶國指出,觀察工業相機的發展,會發現近年的變化,愈來愈趨近應用導向,在應用要求下,包括解析度逐漸提升、取像即時性要求提高,以及因應不同待測要求的光感應攝影機的問世,都是在不同應用面向中所做的技術提升。


CCD淡出 CMOS躍居主流


圖2 : 與相機與主機板整合的板機產品因非整機,其設計彈性相當大。(圖片來源:兆鎂新提供)
圖2 : 與相機與主機板整合的板機產品因非整機,其設計彈性相當大。(圖片來源:兆鎂新提供)

解析度與光感應,均是透過取像的感光元件達成。過去工業相機的感光元件多是以CCD為主,這也是市場上的主流應用,CCD具備高靈敏度、低圖像雜訊的特點,自然成為工業相機感光元件的首選;不過現在半導體技術蓬勃發展,帶動CMOS的技術提升,加上生產成本較低,導入相關技術可有效降低機器視覺系統的整體造價,在此態勢下,CCD逐漸失去市場,尤其在市場主力Sony關閉CCD產線後,CMOS幾乎已獨佔市場,以兆鎂新為例,近年來的產品就以CMOS為大宗,近期推出的GIGE VISION 33 系列就採用Sony IMX 174感光組件,


曾慶國表示以CCD抗雜訊的技術較佳,在動態成像的水準較高,較常用於科學研究與工業高端應用;至於CMOS,它的特色在於省電、體積小,加上製程成本較低,取像較為快速,適合一般工業自動化應用上高速檢測的需求,不過近期CMOS的效能已不遜於CCD,因此市場上CCD的應用已漸少,CMOS躍居主流。


在傳輸介面部份,曾慶國則指出,隨著這幾年機器視覺產業的發展,對於產品品質記錄及可後續追溯性檔案的需求也逐漸提升,機器視覺已成為生產過程中的關鍵技術之一,通訊的要求也被更形重視,目前機器視覺的兩大主流介面為GigE Vision與USB3.0。


GigE Vision與USB 3.0 並肩主宰市場

USB 3.0介面的高傳輸、高啟動速度、隨插即用、小體積等特色,讓它成為機器視覺領域的新寵兒。

GigE Vision與一般機器視覺攝影機最大差異在於使用了乙太網路技術,GigE Vision採用了IEEE 802.3標準,可同時使用TCP與UDP兩種通訊協定,TCP的特點在於保證可確實傳送,為了解決過去工控業界對乙太網路穩定性的疑慮,GigE Vision在接收封包後,都會主動回傳訊息,若有遺失,系統會立即處理,至於UDP雖然在傳輸穩定性上不如TCP,不過傳輸效率方面則有所提昇,GigE Vision兼具兩種標準之長,提供了穩定度與速度均佳的選擇。


在傳輸距離方面,GigE Vision有效傳輸距離可達100公尺,相對於IEEE 1394的4.5公尺、Camera Link的7公尺、USB3.0的3公尺都更長,現在機器視覺的應用越來越廣,在部份量測範圍較大之處,檢測時X、Y軸的距離都必須加長,此時傳輸距離成為機器視覺設計時,相當重要的考量。


頻寬部份,四種標準每秒的傳輸速率依序為IEEE 1394的64 MB/S、GigE Vision的100 MB/S、Camera Link的650 MB/S、USB3.0的3公尺,現在檢測對精細度要求越來越高,影像解析度也一再提高,傳輸頻寬成為標準制定時的重點,就目前標準來看,Camera Link的頻寬居各標準之首,不過如果計算單位平均成本,Camera Link反而最高,成本與效率要如何拿捏,端視使用者狀況。



圖3 : 機器視覺應用已逐漸成熟;在技術上各種新元件及介面的導入,而各類技術的相互競逐,工業相機規格已百花齊放。(圖片來源:兆鎂新提供)
圖3 : 機器視覺應用已逐漸成熟;在技術上各種新元件及介面的導入,而各類技術的相互競逐,工業相機規格已百花齊放。(圖片來源:兆鎂新提供)

USB 3.0介面的高傳輸、高啟動速度、隨插即用、小體積等特色,讓它成為機器視覺領域的新寵兒,過去USB 3.0被質疑的原因,主要原因來自於對USB 2.0的尷尬情結,USB雖然已是在中階領域被廣泛接受的標準,但尷尬的是它在工業應用上的穩定性仍有待提升;加上其缺乏傳統工控I/O通訊埠必須「鎖上」的架構,以及傳輸距離的相關限制,不過後相關疑慮逐漸被克服,大約從2012 年,開始有廠商推出USB 3.0介面的工業相機,尤其在2013年符合工業規範的USB3.0標準制定完成後,相關介面的工業相機陸續上市,如今已成為與GigE Vision比肩的工業相機兩大主流傳輸介面。


泛用與專用並行

傳統製造業與電子業仍為機器視覺的最主要應用,不過近年來非製造端的商業應用也逐漸崛起。

在應用領域部份,曾慶國指出,傳統製造業與電子業仍為機器視覺的最主要應用,不過近年來非製造端的商業應用也逐漸崛起,例如VR(虛擬實境)就會使用多台工業等級相機以環景接圖的方式建構虛擬場景,另外3D掃描也是機器視覺的重要趨勢,3D掃描以至少兩台工業相機加上影像軟體,建構檢測物的3D外觀形狀,不過目前2D的面區域檢測仍為機器視覺的主流應用,像兆鎂新就以2D為主3D為輔,架構完整產品線。


至於現在自動化領域逐漸走向「行業化」設計,意即針對單一產業如電子、醫療、運輸等領域設計專用產品,曾慶國表示,機器視覺作為整體自動化系統衣部份,針對單一市場設計產品的需求並不高,目前多數廠商的產品仍都設計為泛用型,兆鎂新也是如此,不過為了滿足不同需求的客戶,兆鎂新也有專案設計服務,例如與相機與主機板整合的板機產品就是一例,這類型產品因非整機,其設計彈性相當大,可提供客戶更多元的選擇,曾慶國最後表示,隨著應用快速擴張,機器視覺在軟硬體兩端的設計都必須更靈活,方能貼近應用端,創造出更高產品效益。


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