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机器视觉 定焦未来制造
 

【作者: 王明德】2016年07月01日 星期五

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相较于其他自动化技术,机器视觉虽然尚属新兴发展,但做为自动化领域一环,应用已逐渐成熟;在技术上各种新元件及介面的导入,让视觉应用大放异彩,而各类技术的相互竞逐,工​​业相机规格已百花齐放。


早期在工业自动化的流程中,最常看见的景象就是一批检视人员站在传输带的两侧,对产品进行检测。这种人工检验作业虽然适应力大、知觉度高;但是人工作业往往随著作业人员的身体、精神状况影响,而有相当出入;检验的准确性更容易因设备的复杂度、工作时间、工作压力而下降。


完善系统整合提升效益

机器视觉的系统整合相当重要,必须透过全方位布局提供软硬体元件与技术整合,才能达成最精准的效益。

导入机器视觉后,透过视觉分析进行品质管控检测,以及定位量测等工作,同时配合运动控制系统,在检测过程中,机器视觉负责影像检测,发现品质不合产品,立即做出判断,让运动控制设备执行剔除动作,提升自动化程度,将人力成本降到最低。既然存在相当的优势,这样的新兴技术即成为自动化技术发展的一项重点。



图1 : 机器视觉已成为生产过程中的关键技术之一。
图1 : 机器视觉已成为生产过程中的关键技术之一。

机器视觉做为自动化系统的一环,系统整合相当重要,必须透过全方位布局提供软硬体元件与技术整合,才能达成最精准的效益。一个典型的工业机器视觉系统,工业相机、工业镜头、影像撷取、光源、系统平台软体,在选择过程中存在很多问题主要贯串其中的两个重点,也是机器视觉最基本的项目,就是「取像」与「通讯连结」。


而这些部分,也​​可以从目前工业相机的发展趋势上进行分析,兆镁新 Technica


Account Manager曾庆国指出,观察工业相机的发展,会发现近年的变化,愈来愈趋近应用导向,在应用要求下,包括解析度逐渐提升、取像即时性要求提高,以及因应不同待测要求的光感应摄影机的问世,都是在不同应用面向中所做的技术提升。


CCD淡出 CMOS跃居主流


图2 : 与相机与主机板整合的板机产品因非整机,其设计弹性相当大。 (图片来源:兆镁新提供)
图2 : 与相机与主机板整合的板机产品因非整机,其设计弹性相当大。 (图片来源:兆镁新提供)

解析度与光感应,均是透过取像的感光元件达成。过去工业相机的感光元件多是以CCD为主,这也是市场上的主流应用,CCD具备高灵敏度、低图像杂讯的特点,自然成为工业相机感光元件的首选;不过现在半导体技术蓬勃发展,带动CMOS的技术提升,加上生产成本较低,导入相关技术可有效降低机器视觉系统的整体造价,在此态势下,CCD逐渐失去市场,尤其在市场主力Sony关闭CCD产线后,CMOS几乎已独占市场,以兆镁新为例,近年来的产品就以CMOS为大宗,近期推出的GIGE VISION 33 系列就采用Sony IMX 174感光组件,


曾庆国表示以CCD抗杂讯的技术较佳,在动态成像的水准较高,较常用于科学研究与工业高端应用;至于CMOS,它的特色在于省电、体积小,加上制程成本较低,取像较为快速,适合一般工业自动化应用上高速检测的需求,不过近期CMOS的效能已不逊于CCD,因此市场上CCD的应用已渐少,CMOS跃居主流。


在传输介面部份,曾庆国则指出,随着这几年机器视觉产业的发展,对于产品品质记录及可后续追溯性档案的需求也逐渐提升,机器视觉已成为生产过程中的关键技术之一,通讯的要求也被更形重视,目前机器视觉的两大主流介面为GigE Vision与USB3.0。


GigE Vision与USB 3.0 并肩主宰市场

USB 3.0介面的高传输、高启动速度、随插即用、小体积等特色,让它成为机器视觉领域的新宠儿。

GigE Vision与一般机器视觉摄影机最大差异在于使用了乙太网路技术,GigE Vision采用了IEEE 802.3标准,可同时使用TCP与UDP两种通讯协定,TCP的特点在于保证可确实传送,为了解决过去工控业界对乙太网路稳定性的疑虑,GigE Vision在接收​​封包后,都会主动回传讯息,若有遗失,系统会立即处理,至于UDP虽然在传输稳定性上不如TCP,不过传输效率方面则有所提升,GigE Vision兼具两种标准之长,提供了稳定度与速度均佳的选择。


在传输距离方面,GigE Vision有效传输距离可达100公尺,相对于IEEE 1394的4.5公尺、Camera Link的7公尺、USB3.0的3公尺都更长,现在机器视觉的应用越来越广,在部份量测范围较大之处,检测时X、Y轴的距离都必须加长,此时传输距离成为机器视觉设计时,相当重要的考量。


频宽部份,四种标准每秒的传输速率依序为IEEE 1394的64 MB/S、GigE Vision的100 MB/S、Camera Link的650 MB/S、USB3.0的3公尺,现在检测对精细度要求越来越高,影像解析度也一再提高,传输频宽成为标准制定时的重点,就目前标准来看,Camera Link的频宽居各标准之首,不过如果计算单位平均成本, Camera Link反而最高,成本与效率要如何拿捏,端视使用者状况。



图3 : 机器视觉应用已逐渐成熟;在技术上各种新元件及介面的导入,而各类技术的相互竞逐,工​​业相机规格已百花齐放。 (图片来源:兆镁新提供)
图3 : 机器视觉应用已逐渐成熟;在技术上各种新元件及介面的导入,而各类技术的相互竞逐,工​​业相机规格已百花齐放。 (图片来源:兆镁新提供)

USB 3.0介面的高传输、高启动速度、随插即用、小体积等特色,让它成为机器视觉领域的新宠儿,过去USB 3.0被质疑的原因,主要原因来自于对USB 2.0的尴尬情结,USB虽然已是在中阶领域被广泛接受的标准,但尴尬的是它在工业应用上的稳定性仍有待提升;加上其缺乏传统工控I/O通讯埠必须「锁上」的架构,以及传输距离的相关限制,不过后相关疑虑逐渐被克服,大约从2012 年,开始有厂商推出USB 3.0介面的工业相机,尤其在2013年符合工业规范的USB3.0标准制定完成后,相关介面的工业相机陆续上市,如今已成为与GigE Vision比肩的工业相机两大主流传输介面。


泛用与专用并行

传统制造业与电子业仍为机器视觉的最主要应用,不过近年来非制造端的商业应用也逐渐崛起。

在应用领域部份,曾庆国指出,传统制造业与电子业仍为机器视觉的最主要应用,不过近年来非制造端的商业应用也逐渐崛起,例如VR(虚拟实境)就会使用多台工业等级相机以环景接图的方式建构虚拟场景,另外3D扫描也是机器视觉的重要趋势,3D扫描以至少两台工业相机加上影像软体,建构检测物的3D外观形状,不过目前2D的面区域检测仍为机器视觉的主流应用,像兆镁新就以2D为主3D为辅,架构完整产品线。


至于现在自动化领域逐渐走向「商业化」设计,亦即针对单一产业如电子、医疗、运输等领域设计专用产品,曾庆国表示,机器视觉作为整体自动化系统衣部份,针对单一市场设计产品的需求并不高,目前多数厂商的产品仍都设计为泛用型,兆镁新也是如此,不过为了满足不同需求的客户,兆镁新也有专案设计服务,例如与相机与主机板整合的板机产品就是一例,这类型产品因非整机,其设计弹性相当大,可提供客户更多元的选择,曾庆国最后表示,随着应用快速扩张,机器视觉在软硬体两端的设计都必须更灵活,方能贴近应用端,创造出更高产品效益。


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