Aumente a qualidade da produção:imagens digitais de alta velocidade aprimoram a visão mecânica tradicional

A visão mecânica é uma ferramenta comprovada de controle de processo para uma variedade de aplicações de automação industrial. Tradicionalmente, essa tecnologia integra sensores de imagem comerciais prontos para uso (COTS), módulos de iluminação e processadores para orientar, inspecionar ou identificar peças à medida que elas se movem ao longo das linhas de produção. Em comparação com os operadores humanos, os sistemas de visão industrial são rápidos, precisos e repetíveis, melhorando a qualidade do produto, reduzindo as taxas de refugo e aumentando a produtividade em ambientes de produção em ritmo acelerado.

Embora os benefícios operacionais sejam claros, a imagem digital de alta velocidade expande ainda mais os benefícios, capacidades e casos de uso da visão mecânica. Graças à sua alta resolução, taxas de quadros rápidas e recursos de streaming, as câmeras de alta velocidade permitem a visão mecânica em aplicações desafiadoras que exigem análise em tempo real ou longos tempos de registro, como fabricação de semicondutores, lançamentos de ônibus espaciais, inspeção ferroviária e muito mais. Por essas razões, os sistemas de visão mecânica de alta velocidade capturam o que os sistemas de visão tradicionais não conseguem, lançando luz sobre processos muito pequenos ou muito rápidos para serem vistos pelo olho humano.

Principais recursos das câmeras de visão mecânica de alta velocidade

As câmeras de visão mecânica de alta velocidade diferem das câmeras tradicionais de visão mecânica de várias maneiras. No lugar de sensores COTS ou de dispositivo de carga acoplada (CCD), as câmeras de alta velocidade integram sensores semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) personalizados. Quando projetados especificamente para aplicações de alta velocidade, os sensores CMOS oferecem velocidade e sensibilidade incomparáveis, levando a inspeções mais detalhadas e maiores rendimentos em aplicações de visão mecânica, como detecção de defeitos, medição de peças e muito mais. Câmeras de visão mecânica de alta velocidade que incorporam sensores CMOS com vários megapixels alcançam qualidade de imagem excepcional mesmo em taxas de quadros desafiadoras.

Recursos desejáveis

Câmeras de visão mecânica de alta velocidade estão ganhando terreno em aplicações de ciências biológicas, testes de balística, impressão 3D e muito mais.
Não é suficiente que as câmeras de visão artificial simplesmente sejam mais rápidas; eles devem ser projetados para lidar com isso. Além das taxas de quadros rápidas superiores a 67.000 fps, é importante ter em mente os seguintes recursos ao selecionar câmeras de alta velocidade para aplicações de visão mecânica:

Resolução: As câmeras de visão artificial Phantom incorporam sensores CMOS de até 9 megapixels. Esses sensores multimegapixel – juntamente com os pequenos tamanhos de pixel das câmeras – produzem imagens mais detalhadas em taxas de quadros rápidas.

Sensibilidade à luz: Geralmente, quanto menor o tamanho do pixel, maior o detalhe da imagem – o que é especialmente importante em aplicações que requerem um microscópio. Os sensores CMOS apresentam tamanhos de pixel tão pequenos quanto 5,6 micrômetros, resultando em alto ISO nativo. Como resultado, essas câmeras alcançam excelente qualidade de imagem, apesar dos baixos tempos de exposição necessários para aplicações de visão mecânica de alta velocidade.

Tempo de exposição: As câmeras fantasmas têm tempos de exposição tão baixos quanto 1 microssegundo. Esse recurso, juntamente com alta sensibilidade à luz e tamanhos de pixel pequenos, congela suficientemente o movimento de alta velocidade e elimina o desfoque de movimento.

Intervalo dinâmico: A faixa dinâmica entra em ação quando uma imagem tem muitos tons ou quando um objeto tem quase a mesma cor do fundo. Quanto maior for a faixa dinâmica de uma câmera, maior será a definição de sombreamento que o sensor poderá detectar. As câmeras de visão artificial Phantom têm uma faixa dinâmica entre 54,8 e 59,7 decibéis, tornando-as adequadas para aplicações mais escuras, como inspeção de semicondutores.

Além de sensores altamente personalizados, as câmeras de visão mecânica de alta velocidade utilizam tecnologia de cabo CoaXPress (CXP) de cobre, permitindo-lhes transferir grandes quantidades de dados para capturadores de quadros de back-end compatíveis e padrão da indústria em tempo real. Essa capacidade de transmitir dados instantaneamente evita o demorado processo de salvar dados na RAM limitada da câmera antes de baixá-los para um computador. Quando combinadas com unidades DVR disponíveis no mercado, essas câmeras de streaming também suportam aplicações de gravação mais longas no setor aeroespacial, como dinâmica de foguetes, dinâmica de aviões e balística, apenas para citar alguns.

O protocolo CXP6 é atualmente o método padrão de transferência de dados mais rápido. Cada cabo de cobre atinge taxas de transferência de dados de 6,25 gigabits por segundo da câmera para a máquina receptora backend. O padrão CXP12 mais recente dobra essa taxa, tornando tanto o CXP6 quanto o CXP12 ideais para câmeras que exigem alto rendimento.
Graças à sua sensibilidade à luz e às rápidas taxas de quadros, as câmeras de streaming de alta qualidade são ideais para inspeção de semicondutores.
Embora a maioria das câmeras de visão artificial forneçam até 2 gigapixels por segundo de transferência de dados, as câmeras de streaming mais rápidas do mundo alcançam velocidades de transferência direta de dados de até 9 gigapixels por segundo. Essas câmeras dividem e transmitem imagens em fileiras e, em seguida, juntam cada imagem novamente usando um algoritmo simples, possibilitando taxas de quadros e resoluções mais altas. Ao contar com GenICam, uma interface de programação genérica, essas câmeras também facilitam a configuração e integração em sistemas existentes.

Configurações em tempo real versus configurações de gravação longa

A configuração de back-end em sistemas de visão artificial de alta velocidade depende de diversas variáveis, incluindo a taxa de quadros necessária, a resolução e o tempo de gravação. Para análise em tempo real, os usuários podem utilizar até 16 canais CXP6 padrão na câmera de streaming. Enquanto os cabos CXP6 permitem comunicação de até 68 metros, os conectores de fibra óptica alcançam distâncias maiores, de até 200 quilômetros. Os usuários também podem utilizar a entrada/saída de uso geral (GPIO) da câmera para sinalização e sincronização rápidas e flexíveis.

Outros componentes de hardware e software incluem:

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  Frame grabber específico do aplicativo e placa frame grabber CXP6;
  
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  Software, incluindo API de captura de quadros, Matlab®, LABVIEW ou qualquer ferramenta de visão de pós-processamento;
  
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  Hardware de processamento de imagem, normalmente um microprocessador GPU ou FPGA;
  
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  Um computador com slots PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Gen3.
  

Embora a maioria das aplicações de alta velocidade ocorra em centenas de milissegundos, as aplicações de visão mecânica podem exigir tempos de gravação mais longos – de vários minutos a meia hora, por exemplo – para acomodar eventos como lançamentos de ônibus espaciais. Para superar os desafios de armazenamento associados a uma quantidade tão grande de dados, as câmeras de visão mecânica de alta velocidade podem transmitir dados diretamente para uma unidade DVR, que possui vários terabytes de espaço. Essa configuração plug-and-play permite que os usuários armazenem facilmente os dados recebidos para análise posterior.

Expansão dos aplicativos tradicionais de visão mecânica

Graças às câmeras de visão mecânica de alta velocidade, os fabricantes podem obter imagens com maior resolução e precisão de gravação. Esses recursos aumentam a velocidade da linha e os volumes de produção, diminuem os gargalos e reduzem os custos por unidade. Ao mesmo tempo, essas câmeras de streaming podem capturar alvos em escala nanométrica que, de outra forma, seriam difíceis de ver — e muito menos analisar — ​​usando câmeras de visão mecânica tradicionais, transformando a visão mecânica de uma ferramenta de controle de processo em uma ferramenta de diagnóstico. Como resultado, a visão mecânica está ganhando força em setores como ciências biológicas, fabricação de semicondutores, produtos farmacêuticos e muito mais.

Algumas das áreas de aplicação mais recentes para visão mecânica de alta velocidade incluem:

Inspeção de semicondutores: As câmeras de visão mecânica de alta velocidade estão desempenhando um papel cada vez mais importante na fabricação de semicondutores, uma indústria impulsionada pelo rendimento. Especificamente, eles identificam e sinalizam rapidamente defeitos nas peças assim que surgem, reduzindo os custos e o tempo de inatividade relacionados aos defeitos, melhorando o rendimento e mantendo os tempos de inspeção no mínimo.

Câmeras de visão mecânica de alta qualidade atingem o equilíbrio necessário entre sensibilidade à luz, relação sinal-ruído e taxas de quadros rápidas exigidas por aplicações de semicondutores, que normalmente envolvem escalas de tamanho submícron. Com resolução total de 4.096 × 2.304, a câmera de streaming Phantom S990, por exemplo, possui tamanhos de pixel de 6,75 μm, ruído de 9,6e e velocidades de gravação de 938 fps, gerando imagens de alta qualidade que permitem ao software de imagem detectar variações sutis entre as áreas claras e escuras, indicando um defeito.

Espectrômetros de alta velocidade: Usados em muitas aplicações alimentícias e de bebidas, farmacêuticas e agrícolas, os espectrômetros de alta velocidade difratam a luz branca em vários comprimentos de onda para criar um espectro de absorção, tornando possível detectar a presença de certos materiais. Uma aplicação emergente para esse processo envolve a verificação da composição química de comprimidos farmacêuticos usando câmeras de visão mecânica de alta velocidade. As câmeras gravam os tablets enquanto eles se movem ao longo de uma esteira. Então, com base na luz difratada, absorvida e transmitida que chega à lente, a câmera pode sinalizar tablets defeituosos, ao mesmo tempo em que mantém as linhas de produção em movimento.

Graças às suas rápidas velocidades de gravação e sensibilidade à luz, as câmeras de streaming de alta velocidade são ideais para esta aplicação emergente. Além de fornecer um método de inspeção sem contato, essas câmeras podem inspecionar facilmente dezenas de comprimidos dentro do mesmo campo de visão simultaneamente, melhorando o rendimento em operações farmacêuticas críticas.

Recursos de transmissão da câmera

Em aplicações de streaming de visão de máquina, os dados de imagem fluem diretamente para um capturador de quadros e um PC ou DVR de gravação longa por meio da tecnologia de cabo CXP. Os usuários podem acessar imediatamente esses dados para uma aplicação em tempo real ou para gravação longa e são limitados apenas pela quantidade de armazenamento no PC ou DVR.

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  Outros recursos de câmeras de streaming de alta velocidade incluem:
  
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  Profundidade de bits configurável - 8/12 bits, 8/10 bits
  
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  Alimentado pela tecnologia CXP6 para alguns streamers que consomem menos de 27 volts
  
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  Conformidade com GenICam para fácil integração
  
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  Compatibilidade com capturadores de quadros PCIe3 CXP6
  
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  GPIO fornece recursos de sinalização comuns e avançados
  
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  Transferência de dados escalonável para necessidades reduzidas de dados
  

Inspeção ferroviária: Câmeras de visão artificial de alta velocidade têm o potencial de mudar a forma como os sistemas ferroviários são inspecionados. Ao contrário das câmeras de visão mecânica tradicionais, que perdem um tempo valioso durante o ano devido à chuva, neve ou tempestades de poeira, as câmeras de streaming fornecem alta taxa de quadros, resolução e sensibilidade à luz necessárias para enxergar em condições climáticas difíceis. Ao contrário da maioria das câmeras, elas também lidam com luz branca sem o uso de filtros de lente adicionais.

Outras áreas de aplicação emergentes para câmeras de streaming incluem ciências biológicas, como diagnóstico de células; identificação do frasco e hemólise; testes de balística; soldagem a laser; e impressão 3D.

Este artigo foi escrito por Uma Gobena, engenheira de aplicação de visão, Vision Research (Wayne, NJ). Para mais informações, acesse aqui  .