Academiejaar Voorwoord

Academiejaar 2006-2007

Voorwoord Het creëren van een thesis is een ernstige opdracht die veel tijd en energie vergt, twee factoren die vaak moeilijk te combineren zijn met een drukke een academische agenda. Het is de kunst een evenwicht te vinden tussen deze verschillende taken. Soms lukt dit, soms niet. Gelukkig heb ik beroep kunnen doen op verschillende personen die mij hierbij enorm hebben bijgestaan. Daarom wil ik ook in eerste plaats mijn externe promotor dhr. Gianni Paddeu, uitdrukkelijk bedanken voor zowel zijn professionele als persoonlijke steun gedurende het volledige academiejaar. Eveneens zijn collega’s bij Stäubli, dhr. David Moons, dhr. Pascal Quartier, wil ik uitvoerig bedanken. Zonder medewerking van de firma Degramec was de realisatie van mijn eindwerk evenzeer niet mogelijk geweest. Zonder enige aarzeling waren ze bereid mee te werken, wat ik enorm apprecieer. Uiteraard dank ik eveneens mijn interne promotor ing. Dieter Vandenhoeke, voor zijn wetenschappelijke ondersteuning van dit eindwerk, alsook de Hogeschool West-Vlaanderen departement PIH. Last but not least een dankjewel aan mijn familie en vriendin voor de mentale ondersteuning. Deze thesis loopt als een rode draad van tijdsinvesteringen doorheen het voorbije academiejaar (2006-2007). Dit gaat van studie en ontwerp, montage, programmatie, het onder de knie krijgen van het visiesysteem, naar het realiseren van de doelstelling. Naderhand bekeken brengt zo’n onderzoek een heleboel werk met zich mee: het concept opstellen, de nodige mensen inlichten, levertijden van fabrikanten in acht nemen, tijdsdruk, opzoekwerk. Vanzelfsprekend moet dit afgelegde traject nog in een verzameling van woorden en zinnen worden gegoten, deze sylabus. Veel leesplezier

Louis Delbarre

I


Inhoudsopgave 1

Inleiding......................................................................................................................... 7 1.1 Voorstelling Stäubli............................................................................................... 7 1.2 Voorstelling Degramec.......................................................................................... 9 1.3 Situering van het eindwerk .................................................................................. 10 1.4 Doelstelling.......................................................................................................... 11 DEEL 1: ROBOT ........................................................................................................ 12 2 De TX90 Robot ........................................................................................................... 13 2.1 Inleiding............................................................................................................... 13 2.2 Definitie robot ..................................................................................................... 13 2.3 Geschiedenis robot .............................................................................................. 13 2.4 Omschrijving ....................................................................................................... 14 2.5 Keuze van de robot .............................................................................................. 15 2.6 Benaming van de robot........................................................................................ 16 2.7 Aansluitingen....................................................................................................... 17 2.8 CS8C Controller .................................................................................................. 18 2.8.1 Opbouw CS8C............................................................................................. 18 2.8.2 Digital BIO input/output board ................................................................... 19 2.9 De Manual control pendant (SP1) ....................................................................... 20 2.9.1 Verschillende modes.................................................................................... 20 2.10 VAL3 Software (version 5.2) .............................................................................. 22 2.10.1 Time-sharing................................................................................................ 22 2.10.2 Multitasking, coöperatieve en preëmptieve multitasking? .......................... 23 2.10.3 I/O bound en CPU bound ............................................................................ 25 2.10.4 Multi-user en Multitasking .......................................................................... 25 2.10.5 Multiprogrammeren..................................................................................... 25 2.10.6 Multiprogrammeren ten opzichte van sequentieel programmeren .............. 26 2.10.7 Synchronisatie en atomiciteit ...................................................................... 26 2.10.8 De voor- en nadelen van gedistribueerde programma's .............................. 27 2.11 Veiligheid omtrent robotica................................................................................. 28 2.11.1 Noodstop procedure..................................................................................... 28 2.11.2 De veiligheidsstandaarden........................................................................... 29 2.11.3 Veiligheidsrichtlijnen betreffende de werk omgeving ................................ 30 2.11.4 Kinney (aangepaste methode, aanraden Stäubli)......................................... 31 3 Ontwerp robotcel ......................................................................................................... 41 3.1 Robotcel............................................................................................................... 41 3.1.1 Tafel............................................................................................................. 41 3.1.2 Tray-eiland................................................................................................... 42 3.1.3 Transportband.............................................................................................. 43 3.1.4 Kaartenhouder ............................................................................................. 46 3.1.5 Stokkenhouder ............................................................................................. 47 3.1.6 Grijper.......................................................................................................... 47 4 Sensor .......................................................................................................................... 52 4.1 Principe................................................................................................................ 52 4.2 Uitgangsfuncties .................................................................................................. 53 4.3 Keuze: de Omron E3Z......................................................................................... 54

Louis Delbarre

II


DEEL 2: MACHINE VISIE ........................................................................................ 55 Machine visie systeem................................................................................................. 56 5.1 Inleiding............................................................................................................... 56 5.2 Waarom machine visie?....................................................................................... 57 5.3 Opbouw machine visie systeem .......................................................................... 57 5.4 Procedure machine visie systeem ........................................................................ 60 5.5 Onderverdeling machine visie ............................................................................. 62 5.5.1 Visie sensoren.............................................................................................. 62 5.5.2 Smart camera ............................................................................................... 63 5.5.3 PC gebaseerde systemen.............................................................................. 63 6 Optica – Lens............................................................................................................... 64 6.1 Inleiding............................................................................................................... 64 6.2 Sferische lenzen................................................................................................... 65 6.3 Optische as........................................................................................................... 65 6.4 Brandpuntsafstand ............................................................................................... 66 6.5 Sferische aberratie ............................................................................................... 67 6.5.1 Chromatische aberratie ................................................................................ 68 6.6 Diafragma ............................................................................................................ 69 6.6.1 Constructie................................................................................................... 70 6.7 Scherptevlak ........................................................................................................ 70 6.8 Scherptediepte ..................................................................................................... 70 6.8.1 F-getal.......................................................................................................... 72 6.9 Verstrooiingscirkels............................................................................................. 73 7 Object .......................................................................................................................... 74 7.1 Reflectie, absorptie en transmissie ...................................................................... 74 7.1.1 Inleiding....................................................................................................... 74 7.1.2 Reflectie....................................................................................................... 75 7.1.3 Absorptie ..................................................................................................... 75 7.1.4 Transparantie ............................................................................................... 75 7.2 Wat is mogelijk en hoe? ...................................................................................... 76 7.2.1 Inleiding....................................................................................................... 76 7.2.2 Positie detectie............................................................................................. 76 7.2.3 Label identificatie ........................................................................................ 77 7.2.4 Vorm- en afmetingscontrole........................................................................ 77 7.2.5 Vergelijkingscontrole tussen object en afbeelding...................................... 78 7.2.6 Oppervlaktecontrole .................................................................................... 79 7.2.7 Patroonherkenning....................................................................................... 79 7.2.8 Tekstherkenning .......................................................................................... 80 8 Belichting .................................................................................................................... 81 8.1 Inleiding............................................................................................................... 81 8.2 Belichtingstijd...................................................................................................... 81 8.3 Diafragma waarde................................................................................................ 81 8.3.1 Bewegingsonscherpte .................................................................................. 82 8.4 Soorten belichting................................................................................................ 83 8.4.1 Inleiding....................................................................................................... 83 8.4.2 Ringlight ...................................................................................................... 83 8.4.3 Spotlight ...................................................................................................... 84 8.4.4 Backlight...................................................................................................... 85 8.4.5 Darkfield ringlight ....................................................................................... 86 8.4.6 Coaxial light ................................................................................................ 86 5

Louis Delbarre

III


8.4.7 Dome belichting .......................................................................................... 87 Camera......................................................................................................................... 88 9.1 Processing methodes ........................................................................................... 88 9.2 Pixel ..................................................................................................................... 89 9.2.1 Binarisatie.................................................................................................... 89 9.2.2 Afmetingen .................................................................................................. 89 9.2.3 Kleurinformatie ........................................................................................... 90 9.2.4 Resolutie ...................................................................................................... 90 9.3 CCD/CMOS ........................................................................................................ 91 9.3.1 CCD............................................................................................................. 91 9.3.2 CMOS.......................................................................................................... 91 9.3.3 Toepassingen ............................................................................................... 92 10 mvBlueLYNX ......................................................................................................... 93 10.1 Inleiding............................................................................................................... 93 10.2 mvBlueLYNX nomenclatuur .............................................................................. 94 10.3 Implementatie ...................................................................................................... 95 10.3.1 Hardware ..................................................................................................... 95 10.3.2 Seriële communicatie .................................................................................. 97 11 De SCS1 Leopard smartcamera............................................................................... 98 11.1 Inleiding............................................................................................................... 98 11.2 USEasy PC graphic user interface setting ........................................................... 99 11.3 Integratie............................................................................................................ 100 11.3.1 Wizard ....................................................................................................... 100 12 Besluit.................................................................................................................... 101 12.1 Algemeen besluit ............................................................................................... 101 12.2 Persoonlijk besluit ............................................................................................. 102 13 Bibliografie............................................................................................................ 103 14 Bijlage.................................................................................................................... 104 14.1 Bereik robot ....................................................................................................... 104 14.2 Dimensies TX90 ................................................................................................ 106 14.3 Microhoekgrijper ............................................................................................... 107 14.4 DSNU ................................................................................................................ 112 14.5 Drukreduceerventiel .......................................................................................... 113 14.6 Hitachi frequentieomvormer.............................................................................. 114 14.7 SCS1 Leopard Smartcamera.............................................................................. 115 14.7.1 Dimensies .................................................................................................. 115 14.7.2 Technische Data ........................................................................................ 116 9

Louis Delbarre

IV


Figuren: Fig. 1.1: Logo Stäubli......................................................................................................................... 7 Fig. 1.2: Vestigingen Stäubli wereldwijd........................................................................................... 8 Fig. 1.3: Logo Degramec BVBA ....................................................................................................... 9 Fig. 1.4: Bedrijfsgebouwen Degramec............................................................................................... 9 Fig. 1.5: Kaartensteker ..................................................................................................................... 10 Fig. 1.6: Plantmachine...................................................................................................................... 10 Fig. 2.1: Vergelijking robot met anatomie arm ................................................................................ 14 Fig. 2.2: Stäubli TX90 en CS8C Controller ..................................................................................... 15 Fig. 2.3: Aansluitingen: pneumatisch en elektrisch ......................................................................... 17 Fig. 2.4. Detail R23 connector ......................................................................................................... 18 Fig. 2.5: CS8C Controller ................................................................................................................ 19 Fig. 2.6: SP1/Teachpannel ............................................................................................................... 20 Fig. 2.7: Automatic mode................................................................................................................. 20 Fig. 2.8: Manual mode ..................................................................................................................... 21 Fig. 2.9: Jog mode............................................................................................................................ 21 Fig. 2.10: Frame-mode ..................................................................................................................... 21 Fig. 2.11: Tool-mode........................................................................................................................ 22 Fig. 2.12: Point-mode – Move-hold ................................................................................................. 22 Fig. 2.13: VAL3 ............................................................................................................................... 22 Fig. 2.14: Structuur VAL3 ............................................................................................................... 24 Fig. 2.15: Remselectieknop.............................................................................................................. 28 Fig. 3.1: Boikon profiel 90x90S , moerbevestiging ......................................................................... 41 Fig. 3.2: Volledige democel zonder veiligheidsvoorziening............................................................ 42 Fig. 3.3: Pot en tray (4x2) ................................................................................................................ 43 Fig. 3.4: Detail Trayhouder .............................................................................................................. 43 Fig. 3.5: Transportband .................................................................................................................... 43 Fig. 3.6: Transportband - detail (aandrijving) .................................................................................. 44 Fig. 3.7: Hitachi L100-037NFU....................................................................................................... 44 Fig. 3.8: Aansluiting forward en reverse motor ............................................................................... 45 Fig. 3.9: Aansluiting uitgang motor + stuursignalen........................................................................ 45 Fig. 3.10: Kaartenhouder.................................................................................................................. 46 Fig. 3.11: Naamkaart........................................................................................................................ 46 Fig. 3.12: DSNU-20-200-PPV-A ..................................................................................................... 46 Fig. 3.13: Stokkenhouder ................................................................................................................. 47 Fig. 3.14: Grijper.............................................................................................................................. 48 Fig. 3.15: Microhoekgrijper ............................................................................................................. 49 Fig. 3.16: Drukregelventiel .............................................................................................................. 49 Fig. 3.17: Vacuümgenerator............................................................................................................. 50 Fig. 3.18: Werkingsprincipe zuiggrijper .......................................................................................... 50 Fig. 3.19: Type zuiger ...................................................................................................................... 50 Fig. 4.1: Principe sensor (I).............................................................................................................. 52 Fig. 4.2: Principe sensor (II)............................................................................................................. 53 Fig. 4.3: ER-sensor........................................................................................................................... 54 Fig. 5.1: Opbouw machine visie...................................................................................................... 57 Fig. 5.2: Machine visie onderdelen .................................................................................................. 58 Fig. 5.3: Toepassingsgebied machine visie...................................................................................... 59 Fig. 5.4: Opbouw machine visie systeem......................................................................................... 60 Fig. 5.5: Prijs vs. Complexiteit......................................................................................................... 62 Fig. 5.6: Visie sensoren.................................................................................................................... 62 Fig. 5.7: Smart camera integratie ..................................................................................................... 63 Fig. 5.8: PC gebaseerde systemen.................................................................................................... 63 Fig. 6.1: Beeldhoek (lenssoorten) en brandpuntafstand ................................................................... 64 Fig. 6.2: Objectief van een fotocamera ............................................................................................ 65

Louis Delbarre

V


Fig. 6.3: Lens in functie van object.................................................................................................. 65 Fig. 6.4: Brandpuntafstand positieve lens ........................................................................................ 66 Fig. 6.5: Brandpuntafstand negatieve lens ....................................................................................... 66 Fig. 6.6: Sferische aberratie.............................................................................................................. 67 Fig. 6.7: Chromatische aberratie ...................................................................................................... 68 Fig. 6.8: Diafragma .......................................................................................................................... 69 Fig. 6.9: Diafragma consequenties................................................................................................... 69 Fig. 6.10: Voorbeeld scherptediepte ................................................................................................ 71 Fig. 6.11: Scherptediepte (Depth of field, DOF).............................................................................. 71 Fig. 6.12: Scherptediepte.................................................................................................................. 71 Fig. 6.13: F-getal .............................................................................................................................. 72 Fig. 7.1: Field of view ...................................................................................................................... 74 Fig. 7.2: Object distance................................................................................................................... 74 Fig. 7.3: Reflectie............................................................................................................................. 75 Fig. 7.4: Absorbtie............................................................................................................................ 75 Fig. 7.5: Transparantie ..................................................................................................................... 76 Fig. 7.6: Implementatie voorbeelden................................................................................................ 76 Fig. 7.7: Barcode en data matrix ...................................................................................................... 77 Fig. 7.8: Vorm- en afmetingscontrole .............................................................................................. 77 Fig. 7.9: Contour match ................................................................................................................... 78 Fig. 7.10: Blobdetectie ..................................................................................................................... 78 Fig. 7.11: Krasdetectie via blob ....................................................................................................... 79 Fig. 7.12: Patroonherkenning ........................................................................................................... 79 Fig. 7.13: Tekstherkenning............................................................................................................... 80 Fig. 8.1: Consequentie belichtingskeuze.......................................................................................... 82 Fig. 8.2: Sluitertijd consequenties .................................................................................................... 82 Fig. 8.3: Extern licht buitenhouden.................................................................................................. 83 Fig. 8.4: Ringlight (LED)................................................................................................................. 84 Fig. 8.5: SpotLight ........................................................................................................................... 84 Fig. 8.6: Backlight............................................................................................................................ 85 Fig. 8.7: Darkfield ringlight ............................................................................................................. 86 Fig. 8.8: Coaxial light....................................................................................................................... 87 Fig. 8.9: Omgevingslicht en coaxiaal licht....................................................................................... 87 Fig. 8.10: Dome light ....................................................................................................................... 87 Fig. 9.1: Thresholding ...................................................................................................................... 88 Fig. 9.2: Pixel ................................................................................................................................... 89 Fig. 9.3: Pixel afmeting 8x8 (binarisatie)......................................................................................... 90 Fig. 9.4: Resolutie ........................................................................................................................... 91 Fig. 9.5: CCD ................................................................................................................................... 91 Fig. 9.6: CDD/CMOS ...................................................................................................................... 92 Fig. 10.1: mvBlueLYNX.................................................................................................................. 93 Fig. 10.2: De status LED’s (-2xx / -4xx).......................................................................................... 96 Fig. 10.3: De LAN LED’s................................................................................................................ 96 Fig. 11.1: SCS1 Leopard Smartcamera............................................................................................ 98 Fig. 11.2: Opbouw SCS1 Leopard ................................................................................................... 98 Fig. 11.3: Usersinterface USEasy .................................................................................................... 99 Fig. 11.4: Logo SCS1 Leopard....................................................................................................... 100

Louis Delbarre

VI


1 INLEIDING 1.1 Voorstelling Stäubli De Stäubli groep werd in 1892 opgericht door de heren Rudolf Schelling en Herrman Stäubli, aan de oevers van het “Lac de Zürich” in Zwitserland. Zeer vlug heeft de firma zich gespecialiseerd in de weefindustrie. Na jaren van uitgebreide textielervaring werden de Stäubli activiteiten gediversifieerd met bijkomende activiteiten, die de Stäubli-traditie van kwaliteit en de vakkennis bij het maken van precisieapparatuur gemeen hebben. Vandaag heeft Stäubli zich gespecialiseerd in de ontwikkeling en productie van drie hoofdproductgroepen: Textiel: Constructeur van voorbereidingssystemen voor de weverij, schachtmachines, nokbewegingen, jacquardmachines en harnassen voor weefmachines. Connectoren: Reeks van snelkoppelingen voor perslucht, hydraulica, alle vloeistoffen, multikoppelingen en snelle matrijswisselsystemen; Robotica: Hogesnelheids- en precisierobots voor het industrieel verven, clean rooms en alle automatiseringsbehoeften.

Fig. 1.1: Logo Stäubli

Het was in 1982 dat Stäubli Faverges een strategische beslissing nam om zich te specialiseren in robotica. Het uitgroeisel begon met de verdeling van het UNIMATION gamma, een pionier in industriële robotica. In 1987 werd het Amerikaans bedrijf UNIMATION opgekocht. Vijf jaar later begon Stäubli’s nieuwe vaardigheid vorm aan te nemen in de RX arm. De lancering van deze RX arm gebeurde nadat deze ontworpen en vervaardigd werd in de fabriek te Faverges. Gestimuleerd door het succes van deze ontwikkelingen, zette Stäubli z’n onderzoek verder en komt zo tot een nieuw concept: TX robots. Met een reputatie van zekerheid en compacte vorm zijn Stäubli robots nu meer dan ooit geïntegreerd in applicaties waar de combinatie van hoge snelheid, hoge precisie en gebruiksvriendelijkheid op de eerste plaats komen.

Louis Delbarre

7


Fig. 1.2: Vestigingen Stäubli wereldwijd

Tegenwoordig is Stäubli een Zwitserse (private) multinationale onderneming, met vestigingen in 40 landen en 11 productie eenheden over de hele wereld (Fig. 1.2). De oprichting van het Stäubli Benelux kantoor te Bissegem, België, was in juni 2000 een feit. Strategisch gelokaliseerd in de weverijenregio (de as Ieper-Kortrijk-Gent), diende Stäubli Benelux (Meensesteenweg 407- 8501 Bissegem–Belgium) aanvankelijk als “Dienst na verkoop” en eveneens als verkoopkantoor van reserve onderdelen voor de textielklanten in België en Noord-Frankrijk. Intussen is de Stäubli vestiging te Bissegem al uitgegroeid en biedt het commerciële technische ondersteuningen in de Benelux.

Louis Delbarre

8


1.2 Voorstelling Degramec Degramec (Fig. 1.3) is gevestigd te Lochristi, middenin één van de grootste tuinbouwgebieden in België. Met een tuinbouwachtergrond als bagage, startten drie broers, industrieel ingenieurs, samen hun eigen bedrijf.

Fig. 1.3: Logo Degramec BVBA

Bij de start ontwikkelde en bouwde Degramec vooral machines voor de tuinbouw. Dit is een sector die nog steeds een belangrijk aandeel in de omzet betekent. Zo is de “Degraplace” een echte nieuwigheid voor de tuinbouw. Het is een mobiele pottenrobot die zowel in de serre als buiten op het land bloempotten op de grond kan plaatsen. De oudste van de drie broers, Miguel Degraeve, heeft voor de start van Degramec heel wat ervaring opgedaan als machine ontwerper voor Siemens in Duitsland. Jochen Degraeve heeft veel van zijn kennis opgedaan bij Ford en Opel, waar hij verantwoordelijk was voor het automatiseren van productielijnen voor nieuwe modellen. De jongste, Valentijn Degraeve, is slechts twee jaar actief met zijn broers, maar heeft zijn kennis nu al onmisbaar gemaakt. Naast de tuinbouwindustrie worden meer en meer andere industrietakken aangesneden waarbij zowel eigen ontwikkelde machines als “standaard” SCARA en 6-assige robots worden geïntegreerd tot volledige productielijnen. Intussen is Degramec uitgegroeid tot een toonaangevende machinebouwer in de regio van Lochristi, maar ook in Duitsland, Nederland en Groot-Brittannië lopen al meerdere applicaties in verschillende industrietakken. Teneinde de nodige uitstraling en efficiënte werking te kunnen garanderen, werd besloten nieuwe bedrijfsruimten te bouwen. Met de opstartfase achter de rug en de gloednieuwe gebouwen is Degramec op dit moment meer dan ooit klaar voor de toekomst.

Ambachtenlaan 13 - IZ Lozen Boer - 9080 Lochristi Fig. 1.4: Bedrijfsgebouwen Degramec

Louis Delbarre

9


1.3 Situering van het eindwerk Het potten van allerhande sierplanten wordt vaak onderschat. De volledige uitwerking was tot voor kort handmatig, arbeidsintensief, tijdrovend en dus vooral heel duur. Verschillende fabrikanten uit de tuinbouwindustrie hebben reeds op dit probleem ingespeeld. Een mogelijke oplossing voor het planten van stekken, het plaatsen van identificatie kaarten en het bijsteken van stokken werd dan ook reeds volledig uitgewerkt. Het resultaat van dit alles is een meterslange machine die weinig tot niet mobiel is en die als investering vrij duur uitvalt. (Fig. 1.5, Fig. 1.6)

Fig. 1.5: Kaartensteker

Fig. 1.6: Plantmachine

Bij verschillende telers van sierplanten is de nood naar mobiliteit hoog. De kleinere telers gebruiken alle nodige ruimte om planten te plaatsen. De investeringen die door de kleinere telers worden gemaakt om concurrentieel te blijven met de grote telers, is dan ook aanzienlijk. Degramec zoekt daarom naar oplossingen voor die problemen. Mobiliteit en kostprijs. Om deze denkpiste te kunnen promoten bij potentiële klanten en op handelsbeurzen, wordt in deze thesis een functionerende democel ontworpen en geprogrammeerd.

Louis Delbarre

10


1.4 Doelstelling Het idee om een functionerende democel te ontwikkeling die bruikbaar is voor het planten van allerhande sierplanten volgde uit eerder besproken probleemstelling. De doelstelling van de thesis is tweedelig. Een eerste doelstelling bestaat uit het ontwerpen van een democel met robot om zoals eerder besproken te kunnen gebruiken op handelsbeurzen. Het tweede deel bestaat uit een studie over de implementatie van een visiesysteem. De uitwerking van de robotcel, gebeurt in verschillende fasen. Het geheel wordt opgedeeld in verschillende deelprojecten om gestructureerd tewerk te kunnen gaan. In de ontwerpfase wordt vertrokken van een algemeen beeld van het te bereiken doel. Na analyse van de mogelijke problemen wordt dit beeld verder verfijnd en zonodig wordt het ontwerp aangepast. Na de ontwerpfase komt het monteren van de cel en het implementeren van de robot met de nodige programmatie. De uiteindelijke robotcel moet aan de volgende eisen voldoen. Een afgewerkt product bestaat uit een pot met plant, met daarbij nog een naamkaart en twee stokken. Eén robotcyclus ziet er als volgt uit: 1. Uit de tray gevuld met acht met bloemaarde gevulde potten, worden de potten één voor één genomen en op de transportband geplaatst. De transportband moet zo worden aangestuurd dat alle acht de potten naast elkaar op de transportband komen te staan. 2. Reeds georiënteerde stekjes worden gegrepen en 3 cm diep in een pot geplant. 3. De robot plaatst twee stokken onder hoek in de pot. 4. Bij elk van de acht potten wordt een kaart geplaatst waarna deze terug in de tray verdwijnt. De strenge veiligheidsnormen die van kracht zijn in de automatisering, zijn ook hier van toepassing. Robots die niet voldoen aan deze normen krijgen geen CE keuring. Ook in niet proces toepassing zijn deze normen van kracht, m.a.w. ook voor deze applicatie die slechts dient om het idee te promoten naar de buitenwereld. Het tweede deel van de thesis is een studie naar de implementatie van een visiesysteem. Een visiesysteem kan namelijk heel wat bijbrengen aan een robotcel. Gedurende de studie van het visiesysteem zullen verschillende problemen worden voorgelegd: 1. 2. 3. 4.

Welke lens is in deze applicatie het best geschikt? Hoe wordt het visiesysteem best geplaatst? Welke belichting moet er worden voorzien? Fabrikant

Louis Delbarre

11


DEEL 1: ROBOT

Louis Delbarre

12


2 DE TX90 ROBOT 2.1 Inleiding Waarom werken met een robot in de plantenindustrie? Het werken met een 6–assige robot heeft tal van voordelen. Algemeen geldend voor iedere robot zijn er de economische voordelen zoals forse besparing op arbeidskosten en het efficiënt gebruik van de stekken. Ook teelttechnische voordelen kunnen niet uit het oog verloren worden: Constante beoordeling en selectie zonder kwaliteitsverloop gedurende het proces, minder beschadiging van stekmateriaal, een uniforme partij planten die sneller en gelijkmatiger wortelen en groeien tijdens het groeiproces, automatische verenkeling van stekjes, oppakken van niet georiënteerde stekjes, sorteren van stekjes, steken van stekjes in trays gevuld met grond, steekpatroon aanpasbaar aan de toegepaste tray. Naast deze economische– en teelttechnische voordelen blijven dan nog de voordelen op ergonomisch vlak: Automatisering is een monotone werkzaamheid, eenvoudige invoer van uitgangsmateriaal, gebruikersvriendelijke bediening met diverse taalinstelling en eenvoudige wisseling van steksoort.

2.2 Definitie robot Een robot is een programmeerbare machine, die meerdere, verschillende taken uit kan voeren. Hierin verschilt het van een numerieke machine, die is geprogrammeerd voor een taak. In de praktijk betekent het dat een robot voor verschillende producten kan worden ingezet, waar een een numerieke machine slechts één (deels variabele) taak kan uitvoeren. Een robot kan vaak zelf van grijper wisselen, om zijn verschillende taken uit te voeren.

2.3 Geschiedenis robot Het woord "robot" werd als eerste gebruikt in de jaren rond 1920 door de Tsjechische toneelschrijver "Karel Capek" in zijn toneelstuk "Rossum's Universal Robots". In het Tsjechisch betekent "robota", "werken". Karel Capek maakte, van een slaaf die alleen maar mag werken, het woord "Robot". In zijn toneelstuk werden robots uitgevonden door een man genaamd "Rossum" dat klinkt naar het woord "wijsheid" in het Tsjechisch. Deze overeenkomsten leidde uiteindelijk tot het algemeen aanvaarde beeld van robots, als: "Intelligente machines die werken".

Louis Delbarre

13


2.4 Omschrijving De TX90 is zo opgebouwd dat deze over 6 roterende assen beschikt, een 6-assige robot. Zo wordt bij ieder van de robot de link gemaakt met de anatomie van de menselijke arm. De robot wordt in 6 delen opgedeeld die onderling verbonden zijn en elk afzonderlijk kunnen roteren. M.a.w. de robot kan praktisch alle bewegingen maken die met de menselijke arm mogelijk zijn. De robotarm genereert bewegingen door servomotoren gekoppeld aan positie sensoren. Elk van deze motoren is voorzien van een parkeerrem. Deze betrouwbare en robuuste verbinding gelinkt met een innovatief telsysteem, laat toe de absolute positie van de robot op elk moment te kennen vertrekkende van een absolute encoder. De nomenclatuur van de robotarm wordt vergeleken met deze van een menselijke arm. Startende van de basis volgt ook de schouder, arm, elleboog, voorarm en pols. Hier stopt de vergelijking echter niet. Elke beweging mogelijk geacht met de arm, is ook mogelijk met de robotarm. Dit helpt bij het denkproces voor het implementeren en programmeren van de robot.

A B

C

D

E Nomenclatuur robot: A: Basis B: Schouder C: Arm

F

D: Elleboog E: Voorarm F: Pols

Fig. 2.1: Vergelijking robot met anatomie arm Louis Delbarre

14


2.5 Keuze van de robot De keuze is in samenspraak tussen de firma’s Stäubli en Degramec gemaakt. De TX90 (Fig. 2.2) uit het robotica gamma van Stäubli kon de beste papieren voorleggen voor dit probleem: Reikwijdte is voldoende groot zodat de verschillende ‘eilanden’ binnen het bereik liggen van de TX90. Snelheid van uitvoering door de robot. Gewicht laat de vereiste mobiliteit toe. Minimale afmetingen van de CS8C controller. Aantal benodigde ingangen van de CS8C controller is voor deze applicatie voldoende.

Fig. 2.2: Stäubli TX90 en CS8C Controller

Louis Delbarre

15


2.6 Benaming van de robot Stäubli heeft verschillende modellen robotten op de markt, met elk hun naam. Deze wordt op volgende manier opgebouwd:

TX

9

0

CR

(1)

(2)

(3)

(4)

(1) TX Serie, zo bestaat ook de RX serie e.a. (2) Maximaal bereik tussen verbinding 1 en 5, uitgedrukt in decimeters1 (3) Aantal actiever verbindingen * 0 = 6 assen (4) De hoofdletter toont een optie aan * S = Standaard * L = Lange versie * XL = Extra lange versie * CR = Clean room toepassing * SCR = Ultra-Clean room toepassing Deze hoofdletters kunnen gecombineerd worden in combinaties.

1

Bijlage: Bereik robot

Louis Delbarre

16


2.7 Aansluitingen

Fig. 2.3: Aansluitingen: pneumatisch en elektrisch

De elektrische bedrading van de arm is samengebracht in het harnas van de robot, inclusief verschillende kabels die voor de voeding van de motoren zorgen (vermogen, remmen, encoder), solenoïde ventielen, de eindeloopschakelaars en deze voor de elektrische aansluiting op de pols. Deze componenten zijn door middel van afneembare connectoren met elkaar verbonden. De bedrading zit binnenin de structuur en geleid door het center van de verbindingen. De bedrading is verbonden aan de armbasis op een plaat, welke verschillende elektrische en pneumatische componenten bezit zoals: Arm controller contactdoos R23 connector, met als doel een elektrische verbinding met de grijper (J1201) Rem ontspanner keuzeschakelaar (2) Rem ontspanner drukknop (3) Pneumatische aansluitingen naar de P1 en de P2 pneumatische netwerken Pneumatische uitlaatdemper ●→ Bevestiging van de arm aan de grond (4) Louis Delbarre

17


R23 Fig. 2.4. Detail R23 connector

Het harnas bevat ook pneumatische leidingen, welke de lucht voorzien naar de solenoïde ventielen (EV1 en EV2). De robot heeft ook een pneumatische aansluiting (P2) dicht bij de flens. De outputs van de solenoïde ventielen EV1 en EV2 zijn in de voorarm: A1 en B1 voor solenoïde ventiel EV1. A2 en B2 voor solenoïde ventiel EV2.

2.8 CS8C Controller 2.8.1

Opbouw CS8C

De CS8C controller wordt gestuurd door een processor, het intelligente gedeelte van de installatie. De processor controleert de robot via digitale vermogen amplifiers toegewijd aan iedere arm. De elektrische energie wordt geconverteerd door de PSM (Power Supply Module) vermogen blok, de RPS (1) vermogen voedingsbron en het ARPS elektrisch vermogen. Deze bezit voeding van de hoofdspanning, geleverd door het elektrische netwerk, aan elk van de bovenstaande elementen die spanning verbruiken om correct te functioneren. Om het systeem los te koppelen van het net, is het nodig om hoofdschakelaar (8) (gelokaliseerd op het front paneel van de controller) op 0 te plaatsen. Voor deze actie is het noodzakelijk eerst alle arm handelingen stop te zetten en de arm power van de robot uit te schakelen.

Louis Delbarre

18


4

3

2

5 7

1

9

11

6

7

8

10 Fig. 2.5: CS8C Controller

1: RPS power supply 2: Connector voor MCP 3: Fast input/outputs 4: Connector met cel (noodstop, veiligheidscontacten deur) 5: Digitaal I/O board (BIO) 6: Ethernet connector

2.8.2

7: Serial connector 8: Power on/off 9: USB connector 10: Anti – statische wrist strap 11: Coder input

Digital BIO input/output board

Het BIO board is bevestigd aan het RSI board. Maximaal 2 BIO boards kunnen worden gebruikt. Een BIO board is verbonden met 16 optocoupler inputs. De signalen zijn genummerd van 0 tot 15 op ieder board en deze komen overeen met de inputs 0 tot 15 en 16 tot 31. Ten tweede met 16 optocoupler outputs, die beschermd zijn tegen piekstromen. De signalen zijn ook hier terug genummerd overeenstemd met een output 0 tot 15 en 16 tot 31. De inputs en outputs moeten gevoed worden door een gelijkgerichte, gefilterde externe voedingsbron.

Louis Delbarre

19


2.9 De Manual control pendant (SP1) De SP1 kan gebruikt worden om de arm onder spanning te plaatsen en zo de bewegingen van de robot te controleren. De SP1 moet geïnstalleerd worden volgens de vereisten van de installatie. Het is zo dat de SP1 zich dicht bij het werkstation moet bevinden. De SP1 is geïnstalleerd in de SP1–houder. De SP1–houder, die buiten de robotcel moet bevestigd zijn, heeft twee functies: - Ervoor zorgen dat de SP1 gemakkelijk te bereiken is voor de operator. - De aanwezigheid van de SP1 detecteren buiten de cel, wanneer de arm wordt verbonden met de voeding.

Fig. 2.6: SP1/Teachpannel

2.9.1

Verschillende modes Automatic mode (productie mode)

Fig. 2.7: Automatic mode

In automatic mode is het vereist de robotcel te sluiten en ervoor te zorgen dat niemand zich binnenin de cel bevindt. Van dan af is de robot onder controle van het gedownloade programma in de CS8Ccontroller. De operator kan in deze mode niets wijzigen aan het programma en kan geen pneumatische ventielen manueel aansturen door de voorgeprogrammeerde toetsen te bedienen. Assen kunnen ook niet met behulp van de werkingsmodes bewogen worden. De bewegingen kunnen in automatische mode op heel hoge snelheid gebeuren. De robot kan worden gestopt door de move/hold button in te drukken. Wanneer de move/hold button opnieuw wordt ingedrukt wordt het programma terug verder uitgevoerd. Een andere methode om de robot tot stilstand te brengen, is de noodstop. Het is echter wel zo wanneer de noodstop wordt geactiveerd, een noodstopprocedure moet worden gevolgd. De noodstop moet eerst worden ontgrendeld, arm power aanschakelen, vervolgens moet de move/hold ingedrukt blijven om de robot op gelimiteerde snelheid (250 mm/s) terug naar de voorgeprogrammeerde homepositie te brengen. Pas dan kan het programma opnieuw gestart worden.

Louis Delbarre

20


Manuel mode (trajectorie aanleren, manuele beweging tot de startpositie)

Fig. 2.8: Manual mode

De robot is onder controle van de operator met de SP1 in de hand of in de SP1 houder. Wanneer de SP1 in de hand wordt gehouden is de dodemansknop te allen tijde ingedrukt om arm power te kunnen krijgen. De dodemansknop heeft drie toestanden. De eerste toestand is onbekrachtigd: de arm power kan niet worden bekrachtigd. De tweede toestand is ingedrukt: de arm power kan bekrachtigd worden en verder kan de operator alle handelingen uitvoeren met de manuele controle pendant. Alle bewegingen die door de robot worden uitgevoerd zijn gelimiteerd tot 250mm/s. De derde toestand is wanneer die helemaal wordt doorgedrukt: de robot gaat onmiddellijk in e-mode (emergency mode, noodstop). Stäubli heeft onderzoek verricht om een veilige werkomgeving te creëren en de dodemansknop is één van de veiligheden die worden ingebouwd. Wanneer een persoon in paniek geraakt heeft deze de natuurlijke reflex om spieren samen te trekken. Wanneer dit gebeurd met de dodemansknop in de hand, wordt de dodemansknop van toestand 2 naar toestand 3 gedrukt. De robot gaat in e-mode. Dit alles is echter niet mogelijk wanneer de manuele controle pendant in de houder geplaatst is. De functie van de dodemansknop wordt softwarematig en hardwarematig (in de houder plaatsen van de SP1) overbrugd. De manuele controle pendant detecteert een magnetisch veld zodat de dodemansknop wordt overbrugd. De verschillende assen kunnen momenteel in de vier mogelijke modes worden bediend: o Jog-mode: deze wordt gebruikt om elk van de 6 assen afzonderlijk te bewegen.

Fig. 2.9: Jog mode

o

Frame-mode: de frame-mode geeft de mogelijkheid om in een gedefinieerd frame (assenstelsel) te bewegen volgens een vooropgesteld XYZ-assenstelsel.

Frame World

Z

X

Y Fig. 2.10: Frame-mode

Louis Delbarre

21


o

Tool-mode: deze mode is van toepassing om met één van de tools te bewegen. Het resultaat is een beweging volgens de coördinaten van de tool. Y

X Z Fig. 2.11: Tool-mode

o

Point-mode: Ideaal voor het gebruik om punten aan te leren (teaching) die worden gebruikt in het programma. Punten kunnen afzonderlijk bereikt worden door gebruik te maken van de move-hold.

Fig. 2.12: Point-mode – Move-hold

2.10 VAL3 Software (version 5.2) VAL3 een open programmeer structuur gebaseerd op IEC 61132-3. VAL3 maakt gebruik van multitasking. De processor in de CS8C controller zal het gedownload programma niet cyclisch doorlopen. Eén van de kenmerken van multitasking is dat verschillende tasks naast elkaar worden uitgevoerd. De structuur van de applicatie wordt afgebeeld in Fig. 2.14.

Fig. 2.13: VAL3

2.10.1 Time-sharing2 In 1960-70 ondernamen onderzoekers de eerste pogingen om multitaskingsystemen te creëren. Dit heette toentertijd "timesharing" omdat het doel was om verschillende gebruikers tegelijkertijd gebruik te kunnen laten maken van een mainframe zodat diens bruikbaarheid toenam. De uitdrukking "Timesharing" is in onbruik geraakt ten voordele van het meer algemene "multitasking".

2

bron: Tel, G. - dictaat bij het vak Gedistribueerd programmeren aan de Universiteit Utrecht, anno 2006

Louis Delbarre

22


2.10.2 Multitasking, coöperatieve en preëmptieve3 multitasking? De allereerste multitasking systemen bestonden uit een reeks gerelateerde programma's die vrijwillig de processor aan elkaar vrijgaven. Deze aanpak, die uiteindelijk door verschillende besturingssystemen werd gebruikt, kennen we vandaag als coöperatieve multitasking. Hoewel het tegenwoordig zelden in grotere systemen gebruikt wordt, gebruikte Microsoft Windows het in de versies voor Windows 95 en gebruikte MAC OS het in de versies voorafgaand aan Mac OS X. Coöperatieve multitasking kent verschillende tekortkomingen. Een dergelijk systeem vertrouwt er namelijk op, dat elk programma op het systeem regelmatig vrijwillig de processor vrijgeeft voor andere processen. Een slecht ontworpen programma of een programma dat "hangt", kan het systeem plat leggen. De ontwerpeisen voor een coöperatief multitaskingprogramma kunnen bijzonder zwaar zijn voor bepaalde toepassingen en kunnen uitmonden in een onregelmatig of inefficiënt gebruik van de systeembronnen. Om dit probleem aan te pakken, gingen de meeste timesharingsystemen preëmptieve multitasking toepassen. Een systeem ontworpen met deze methode hoeft niet meer te vertrouwen op het vrijwillig vrijgeven van de processor, maar kan een hardware interrupt gebruiken om een draaiend programma te onderbreken, waarna het besturingssysteem de controle over het systeem terugkrijgt. Op een later moment kan het besturingssysteem de controle weer teruggeven aan de taak die op precies dezelfde plek weer verdergaat als waar hij onderbroken werd. Taken hoeven dus niet expliciet tijd voor andere taken vrij te maken en programma's kunnen geschreven worden alsof ze continu toegang hebben tot de CPU. Preëmptieve multitasking zorgt er dus voor dat een besturingssysteem makkelijker kan garanderen dat elke taak een deel van de processortijd toegewezen krijgt. Het maakt het ook mogelijk om snel te reageren op belangrijke externe gebeurtenissen zoals binnenkomende data die wellicht direct verwerkt moet worden door een taak.

3

Preëmptief: preventief

Louis Delbarre

23


Fig. 2.14: Structuur VAL3

Louis Delbarre

24


2.10.3 I/O bound en CPU bound Taken kunnen gegroepeerd worden in twee categorieën: zij die wachten op invoer of uitvoer (I/O bound/grens) en zij die de processor volledig gebruiken (CPU bound). In oudere systemen gebruikten taken polling en busywaiting terwijl ze wachtten op nieuwe data. Ze gebruikten daarbij de processor, zonder dat er nuttig werk werd verricht. Met de komst van interrupts en preëmptieve multitasking kunnen processen geblokkeerd worden zolang de gevraagde data niet beschikbaar is. Andere taken kunnen ondertussen wel gewoon gebruikmaken van de processor. Na aankomst van de data, maakt het besturingssysteem de taak weer actief zodat de data door het programma verwerkt kan worden.

2.10.4 Multi-user en Multitasking Multitasking was oorspronkelijk bedoeld om verschillende gebruikers (multi-users) een computer te laten delen. Het werd echter al snel duidelijk dat multitasking nuttig was ongeacht het aantal gebruikers. Besturingssystemen van mainframes tot PC’s ondersteunen het tegenwoordig. Multitasking maakt het mogelijk voor een enkele gebruiker om verschillende applicaties naast elkaar te draaien of om taken op de "achtergrond" te draaien en toch de computer te kunnen gebruiken. Het ontwerpen van een algemeen real-time computer systeem wordt ook mogelijk gemaakt door multitasking. Een aantal verschillende externe gebeurtenissen moet bestuurd worden door een systeem met een enkele processor. In dergelijke systemen kent de interrupt afhandeling prioriteiten toe aan de taken om er zo voor te zorgen dat de belangrijkste taken de meeste processortijd toegewezen krijgen. Multitasking is over de jaren heen behoorlijk verfijnd. Moderne besturingssystemen bevatten mechanismen voor het toekennen van prioriteiten aan taken en ondersteunen ook taken met threads. Threads zijn onafhankelijke subtaken die het geheugen delen met andere threads. Er wordt onderscheid gemaakt tussen multitasking en multithreading. Nieuwe hardwaremogelijkheden zoals SMP 4, NUMA 5, multiprocessing, introduceren zowel nieuwe complexiteiten als nieuwe mogelijkheden.

2.10.5 Multiprogrammeren Multiprogrammeren (ook wel parallel programmeren of gedistribueerd programmeren) is een techniek van programmeren en programma-ontwerp, waarbij een computerprogramma bestaat uit meerdere deelprogramma's die al dan niet gelijktijdig uitgevoerd kunnen worden. Multiprocessor-machines zijn in staat om betere prestaties te behalen door dit soort programmering. Bij multiprogrammeren wordt een enkele taak opgesplitst in meerdere subtaken die relatief onafhankelijk berekend en achteraf weer samengevoegd kunnen worden tot een enkel resultaat. Dit kan binnen een enkele computer zijn of verspreid over meerdere systemen. In het tweede geval is de 4

SMP: Symmetric Multi-Processing, een computerarchitectuur die het mogelijk maakt om een meerdere microprocessoren in een computer te plaatsen. Hierbij worden meerdere processoren op de geheugenbus geplaatst, waarbij de geheugenbesturing bijhoudt welke processor zich met welk geheugen bezighoudt om conflicten te voorkomen. 5 NUMA: Non Uniform Memory Access: vrij vertaald betekent het dat in een computersysteem waar meer dan één microprocessoren tegelijk actief is, elke microprocessor onafhankelijk toegang heeft tot het werkgeheugen (RAM Random Access Memory) van de computer.

Louis Delbarre

25


term distributed computing van toepassing. Multiprogrammeren is het meest effectief bij taken die gemakkelijk in stukken opgedeeld kunnen worden zoals bijvoorbeeld puur wiskundige problemen. Distributed computing (gedistribueerde gegevensverwerking) kan gedefinieerd worden als een methode waar gewerkt wordt door verschillende computers, gelinkt middels een ommunicatienetwerk.

2.10.6 Multiprogrammeren ten opzichte van sequentieel programmeren Een vaak voorkomende beschrijving van de werking van een computer, is die waarin een programma een recept is: een lijst van instructies die één voor één, van begin tot eind, door de computer uitgevoerd worden. Dit model van programma's uitvoeren door een computer staat bekend als sequentiële uitvoering van een programma. Een multiprogramma is een computerprogramma dat bestaat uit een aantal sequentiële programma's die gelijktijdig kunnen worden uitgevoerd. Dat wil zeggen, ieder deelprogramma van een multiprogramma wordt op dezelfde manier uitgevoerd als een sequentieel programma, maar ten opzichte van elkaar kunnen de instructies van de subprogramma's gelijktijdig uitgevoerd worden.

2.10.7 Synchronisatie en atomiciteit Interleaving De techniek van het multiprogrammeren geeft een software-ontwikkelaar extra flexibiliteit in zijn ontwerp, omdat hij de mogelijkheid heeft om een groot programma te verdelen over losse blokken die samenwerken en mogelijk zelfs van de rekenkracht van meerdere processoren tegelijkertijd gebruikmaken. Deze extra flexibiliteit heeft echter wel zijn prijs in termen van extra complexiteit in het ontwerp van de deelprogramma's van een multiprogramma. In een sequentieel programma is het zo dat ieder statement in het programma uitgevoerd wordt in de volgorde waarin de statements in het programma opgeschreven staan. De opvolging van statements en het effect van die statements op het geheugen van de computer ligt duidelijk vast. Bij een multiprogramma is het echter zo dat meerdere programma's tegelijkertijd draaien en dat de precieze volgorde waarin de statements van de verschillende deelprogramma's worden uitgevoerd ligt ook niet vast. De statements van de deelprogramma's kunnen onderling in willekeurige volgorde uitgevoerd worden. Ook is er niets bekend over de snelheid waarmee ieder deelprogramma draait.

Prioriteit

Voor verschillende taken die naast elkaar kunnen worden uitgevoerd kan - afhankelijk van het besturingssysteem - een prioriteit aangeven worden. Bij meer geavanceerde systemen als VMS6 en MVS7 kan de prioriteit van een taak tijdens de uitvoering veranderd worden, bij meer primitieve systemen kan deze prioriteit alleen bij het opstarten worden bepaald.

6

VMS (Virtual Memory System) is het 32-bits besturingssysteem dat computerbedrijf Digital Equipment Corporation ('DEC' of kortweg 'Digital') ontwikkelde voor zijn VAX-minicomputerserie 7 MVS (Multiple Virtual Storage) was het meest gebruikte besturingssysteem voor de IBM System/370 en System/390 mainframecomputers Louis Delbarre

26


Atomiciteit Zoals eerder opgemerkt, is het bij het multiprogrammeren altijd de vraag hoe statements nu precies uitgevoerd worden en welke statements onderbroken kunnen worden en zo onverwachte uitwerkingen kunnen hebben. Bij het multiprogrammeren is het daarom altijd zaak te weten welke statements ondeelbaar zijn (d.w.z. niet onderbroken kunnen worden en dus altijd de verwachte uitwerking hebben). Een dergelijk, ondeelbaar statement, wordt een atomair statement genoemd. Een bijzonder soort van atomair statement is het one-point statement: dit is een statement waarin maximaal één gedeelde variabel maximaal één keer voorkomt (dus ook: wordt uitgelezen of aan wordt toegekend, maar niet beide). Een dergelijk statement is altijd atomair, omdat in een dergelijk statement gebruik wordt gemaakt van het feit dat een computer niet tegelijkertijd kan lezen van en schrijven naar één positie in het geheugen van de computer. Als er dan ook niet van meer dan één gedeelde positie in het geheugen gebruik wordt gemaakt, is het statement per definitie atomair. Bij het algoritme-ontwerp op academisch niveau wordt bijgevolg vaak gestreefd naar algoritmes op basis van one-point statements. De werking daarvan hangt namelijk niet af van bijzondere maatregelen in een programmeertaal. Synchronisatie Het one-point statement lost niet alle problemen op. Het is soms nodig dat deelprogramma's in een multiprogramma op hoger niveau met elkaar rekening houden en niet alleen op het niveau van toegang tot een positie in het geheugen. Bijvoorbeeld toegang tot randapparatuur of situaties waar gezorgd moet worden dat een deelprogramma niet te ver op alle andere voor gaat lopen. In zo’n situaties is het nodig de uitvoering van deelprogramma's te synchroniseren. Synchronisatie komt er altijd op neer dat een deelprogramma tijdelijk stilgezet wordt totdat aan een bepaalde voorwaarde voldaan is. Dit stilzetten is echter ook niet probleemloos: bij onnauwkeurig ontwerp van een multiprogramma dreigt het gevaar van deadlocks (alle deelprogramma's komen stil te staan en blijven eeuwig op elkaar wachten), livelocks (deelprogramma's blijven, in reactie op andere deelprogramma's, steeds nutteloze handelingen herhalen) of individual starvation (het systeem als geheel loopt door, maar één of meerdere deelprogramma's worden zo snel uitgevoerd dat de rest niet meer aan bod komt). Dat laatste gevaar dreigt ook als in een multiprogramma met prioriteiten wordt gewerkt (waarbij een deelprogramma meer recht heeft op processortijd dan andere deelprogramma's).

2.10.8 De voor- en nadelen van gedistribueerde programma's Over het algemeen is het ontwerp van een multiprogramma (gedistribueerd programma) aanzienlijk ingewikkelder dan dat van een sequentieel programma. Daarbij geldt ook nog dat een multiprogramma niet méér problemen op kan lossen dan een sequentieel programma. Toch geniet het multiprogrammeren veel en aanhoudend ook meer en meer aandacht. Een reden daarvoor is voornamelijk dat een multiprogramma weliswaar niet krachtiger kan zijn dan een sequentieel programma, maar wel sneller. Multiprogramma's worden dan ook vaak ingezet om de rekenkracht van vele computers te bundelen in de oplossing van één probleem.

Louis Delbarre

27


Enkele nadelen: Het tegelijkertijd plaatsvinden van bewerkingen op of met, gedeelde resources (zoals variabelen), levert het probleem op. Men moet kunnen inzien dat - elke mogelijke - executie van een gedistribueerd programma (dus alle interleavings van de verschillende deelprogramma's), correct zijn. Dat wil zeggen, voldoen aan de specificaties van het systeem. Worden daar fouten meegemaakt dan kan het absurde resultaten ten gevolg hebben. Bij de uitvoering van gedistribueerde processen moet rekening met de mogelijkheid tot het crashen van bepaalde delen van het systeem. Bij systemen die slecht uit één proces bestaan is het vaak meteen duidelijk, maar hoe is een systeem goed werkend te houden als het uit vele naast elkaar lopende processen bestaat. Kortom de foutbestendigheid is een complexer probleem. Enkele voordelen: Door concurrency (gelijktijdigheid), in systemen wordt het mogelijk verschillende dingen naast elkaar te doen. Denk daarbij aan een besturingssysteem dat vele programma's (processen) naast elkaar kan draaien. Ook in de moderne apparatuur is het nodig dat er tegelijkertijd naar verschillende randapparatuur wordt geluisterd (muizen en keyboards), terwijl het vorige commando nog bezig is met uitgevoerd te worden. Er is meestal minder programmeerwerk vereist. Immers, als er geen volgorde is, hoeft dit ook niet gecodeerd te worden. De compilers en het besturingssysteem zorgen voor een hoger niveau van efficiëntie. Het systeem is flexibeler, er kunnen makkelijker componenten aan worden toegevoegd of aangepast op het moment dat er geen vaste volgorde is in executies. Anders moet er een plaats gevonden worden voor de functie in de gehele sequentie.

2.11 Veiligheid omtrent robotica 2.11.1 Noodstop procedure Situatie wanneer een noodstop zich voordoet:

E-stop ingdrukt op MCP Robotcel E-stop (hier niet aanwezig, er wordt gewerkt via de MCP) Remselectieknop ingeschakeld (Fig. 2.15, nummer 2) Limiet schakelaar wordt geactiveerd

Fig. 2.15: Remselectieknop

Louis Delbarre

28


2.11.2 De veiligheidsstandaarden. Gevaar: De robot is een snelbewegende machine. Deze bewegingen kunnen gevaarlijk zijn. Zorg te allen tijde dat de aanbevolen veiligheidsstandaarden voor robotgebruik van kracht zijn en informeer de operatoren over de mogelijke gevaren.

De robot is een onderdeel van een samengesteld geheel in een robotcel. Het is ontworpen en gebouwd om de robotcel in staat te stellen te voldoen aan de veiligheidsvoorschriften. Onderworpenheid van de robotcel is de verantwoordelijkheid van de hoofdcontractor, welke zeer regelmatig de eigenaar is. “The user must make sure that the staff programming, operating, maintaining or repairing the robot or the robot cell are correctly trained and show the skills necessary to carry out these tasks in full safety.” (fragment van standaard NF EN 775) Het elektrisch materiaal van de robot en de robotcel moeten voldoen aan de standaard EN 60204-1. De kenmerken van de voeding en de aarding moeten voldoen aan de specificaties van de fabrikant. Standaarden bruikbaar Installatie van de robot moet gepland worden in overeenstemming met de standaard instructies.

ISO 10218, 1992 EEC 98 / 37 Standaard EN 775

Standaard EN 292 Standaard EN 294 Standaard EN 418 Standaard EN 953 Standaard EN 954-1 Standaard EN 349 Standaard EN 1050 Standaard EN 1088 Standaard EN 60204-1 Standaard EN 61 000-6-4 Standaard EN 61 000-6-2 Standaard CEI 34-1 Standaard UL 1740 Standaard CSA Z434-03

Standaard NFPA 79 Standaard NFPA 70

Louis Delbarre

Internationale standaarden “Machine Veiligheid" Europese Richtlijnen Industriële handeling robots – veiligheid (ISO 10218:1992 gewijzigd) Algemene principes Veiligheidsafstand Noodstop onderdelen Beschermingselementen Machine veiligheid Minimum speling Risico beoordeling Afsluit mechanismen Elektrische toestellen op machines Elektromagnetische compatibiliteit - Straling Elektromagnetische compatibiliteit - Immuniteit Elektrisch roterende systemen Robots en robot uitrusting Industriële robots en robotsystemen. Algemene veiligheidsaanbevelingen. Elektrische standaard voor industriële machines Nationale Elektrische Code

29


EN 811:1996

EN 894-1:1997

EN 894-2:1997

EN 894-3:2000

EN 999:1998

EN 1037:1995

EN 1088:1995

Veiligheid van machines — Veiligheidsafstanden ter voorkoming van het bereiken van gevaarlijke zones met de onderste ledematen Veiligheid van machines — Ergonomische eisen voor het ontwerpen van informatie- en bedieningsmiddelen — Deel 1: Algemene beginselen voor de interactie tussen de mens en informatie- en bedieningsmiddelen Veiligheid van machines — Ergonomische eisen voor het ontwerpen van informatie- en bedieningsmiddelen — Deel 2: Informatiemiddelen Veiligheid van machines — Ergonomische eisen voor het ontwerpen van informatie- en bedieningsmiddelen — Deel 3: Bedieningsmiddelen Veiligheid van machines — De plaatsing van veiligheidsvoorzieningen in verband met de naderingssnelheid van lichaamsdelen Veiligheid van machines — Voorkoming van onbedoeld starten Veiligheid van machines — Blokkeerinrichtingen gekoppeld aan afscherming — Grondbeginselen voor het ontwerp en de keuze

2.11.3 Veiligheidsrichtlijnen betreffende de werk omgeving Analyse van de veiligheid rond de robotcel: Veiligheid moet in rekening worden gebracht van bij het ontwerp tot het ontwikkelingsproces. Om de installatie te implementeren is het nodig om een studie te maken betreffende de volgende punten: - Plan de veiligheidsstrategie welke het risico reduceert tot een acceptabel niveau. - Beschrijf de taken nodig voor de voorziene applicatie en schat de toegang en/of toenaderingsmogelijkheden in. - Identificeer de bronnen van risico’s, inclusief de tekortkomingen en de methode die wordt gehanteerd om iedere tekortkoming op te vangen. De risico’s kunnen betrekking hebben tot: o De cel o Zijn betrekking met andere items of materiaal o De interactie tussen personen en de cel - Bepaal en schat de risico’s afkomstig van de werking van de cel. o Programmeringsrisico’s o Bedieningsrisico’s o Onderhoudsrisico’s voor de robotcel - Selecteer de beschermende methodes o Gebruik van beschermende middelen o Betekenis van signalisatie o Gehoorzaamheid met de veilige werkingsprocedures. Deze punten zijn afkomstig uit de standaarden toepasselijk op robots (EN 775). Louis Delbarre

30


2.11.4 Kinney (aangepaste methode, aanraden Stäubli)

Risicoanalyse: het geheel van activiteiten die als doel hebben het systematisch en permanent identificeren van gevaren en risicofactoren, en het vaststellen en evalueren van het risico met het oog op het bepalen van de preventiemaatregelen. Gevaar: de intrinsieke eigenschap of capaciteit van een voorwerp, stof, proces of situatie om nefaste gevolgen te hebben of de gezondheid en de veiligheid van de werknemer te bedreigen. Schade: elke belemmering van het fysiek en psychisch goed functioneren van een werknemer. Blootstelling: de mate waarin de werknemers in contact kunnen komen met een gevaar via verschillende wegen: het ademhalingsstelsel, de huid en de slijmvliezen, het spijsverteringsstelsel. Risicofactoren: factoren van collectieve of individuele aard die dermate ingrijpen op het gevaar dat zij de waarschijnlijkheid van het optreden van nefaste gevolgen en de omvang ervan verhogen of terugbrengen. Preventie: het geheel van maatregelen die genomen worden op het niveau van de organisatie als geheel, op het niveau van een groep van werkposten of functies of op het niveau van het individu, met het oog op het voorkomen van risico’s en het vermijden of beperken van schade. Risico: de waarschijnlijkheid dat de nefaste gevolgen zich voordoen in bepaalde omstandigheden van gebruik of blootstelling en de eventuele omvang van deze gevolgen.

Om het risico te berekenen en uit te drukken in een score houden we met volgende zaken rekening: Blootstellingsfrequentie B Dit is de tijd dat men aan het risico wordt blootgesteld

Effect of ernst E Dit is het lichamelijk letsel of de materiële schade die het ongeval met zich meebrengt.

Risico R Wanneer we de cijfers die we gegeven hebben aan de blootstellingfrequentie en de Ernst met elkaar vermenigvuldigen krijgen we de risicoscore. R=BxE

Louis Delbarre

31


Louis Delbarre

32


Louis Delbarre

33


Louis Delbarre

34


Louis Delbarre

35


Louis Delbarre

36


Louis Delbarre

37


Louis Delbarre

38


Louis Delbarre

39


Louis Delbarre

40


3 ONTWERP ROBOTCEL 3.1 Robotcel 3.1.1

Tafel

Degramec heeft de afgelopen jaren een relatie opgebouwd met Boikon als toeleverancier voor profielen. Voor het ontwerp van de robotcel werd deze relatie niet geschonden. De aluminium profielen worden in het ontwerp gebruikt als poten van de tafel, alsook voor de tussenliggende dwarsbalken.

Fig. 3.1: Boikon profiel 90x90S , moerbevestiging

De keuze voor Boikon profielen kan verantwoord worden met volgende criteria: Belangrijkste eigenschappen aluminium profielen: o Hoge traagheids- en weerstandsmomenten bij minimaal gewicht o Harde en slijtvaste geanodiseerde oppervlakken met een laagdikte van 20 µm o Hoge mechanische eigenschappen door speciale legeringen

Voordelen aluminium Boikon profielsysteem: o Onderhoudsvrij. o Snelle en eenvoudige montage door het unieke verbindingssysteem. o Eenvoudig om nadien wijzigingen of uitbreidingen aan te brengen. o Bewerkingen als lassen, slijpen en oppervlaktebehandelingen zijn niet meer nodig. o Prijs/kwaliteit verhouding is zeer goed. o Gebruikte onderdelen zijn na demontage weer te gebruiken. o Grote diversiteit aan toepassingen .

Louis Delbarre

41


Fig. 3.2: Volledige democel zonder veiligheidsvoorziening

De democel heeft als basis een tafel met hoogte 730 mm, breedte 1000 mm en lengte 1200 mm. Daarrond bevinden zich verschillende eilanden, die elk een functie vervullen binnen de democel. Een eiland in de democel is de voorstelling van de aanvoer van het desbetreffende product. Tray en pot worden samen in het tray-eiland geschoven om zo de aanvoer van tray’s te simuleren. De robot plaatst de potten op de transportband om zo een ‘real life’ verwerkingsproces te simuleren. De stokkenhouder voorziet acht stokken voor één enkele cyclus.

3.1.2

Tray-eiland

Het eiland bestaat uit een met laser gesneden, geplooide plaat met daarop gelast een inschuifsysteem voor de tray met potten in. Een voorwaarde om te kunnen verder werken, is dat de tray correct kan gepositioneerd zijn iedere maal een afgewerkte tray vervangen wordt. Een hoge klemsysteem geeft niet de gewenste oplossing, mede omdat de grijper voor de potten kortbij moet passeren voor het uithalen en plaatsen van de potten.

Louis Delbarre

42


Fig. 3.3: Pot en tray (4x2)

Fig. 3.4: Detail Trayhouder

3.1.3

Transportband

De geïmplementeerde transportband (Fig. 3.5) heeft een loopvlak bestaande uit een profiel ontworpen door Degramec. Uitgaande van lange profielen wordt op die manier een op maat transportband gemaakt. Verschillende transportbanden kunnen aan elkaar gekoppeld worden zonder uitsparingen tussen de transportbanden. De aandrijving gebeurt door een 0.22kW motor met 1:10 reductiekast (Fig. 3.6). De frequentieomvormer, Hitachi L100-037NFU, stuurt op zijn beurt de motor naar de gewenste snelheid, met een vooropgestelde ramp-up en ramp-down tijd. Aan het ontwerp wordt voor de democel niets gewijzigd, daar de transportband zijn diensten eerder heeft bewezen en goedgekeurd werd.

Fig. 3.5: Transportband

Louis Delbarre

43


Fig. 3.6: Transportband - detail (aandrijving)

De Hitachi, L100-0.37NFU werd gekozen voor deze eenvoudige implementatie omwille van zijn beschikbaarheid binnen het bedrijf Degramec, alsmede dat voor deze applicatie geen krachtiger en/of complexer frequentieomvormer nodig is. Deze frequentieomvormer blijkt uit documentatie geschikt tot middelgrote transportsystemen. De frequentieomvormer wordt op zijn beurt gestuurd door de controller van de robot.

Fig. 3.7: Hitachi L100-037NFU

Louis Delbarre

44


Fig. 3.8: Aansluiting forward en reverse motor

Fig. 3.9: Aansluiting uitgang motor + stuursignalen

Louis Delbarre

45


3.1.4

Kaartenhouder

Het ontwerp van de kaarthouder bestaat uit een pneumatische cilinder van het reeks DSNU. De cilinder zorgt ervoor dat de kaarten in de buffer goed aangedrukt worden. De robot zal de kaarten één voor één uit de buffer trekken om deze in een pot te plaatsen. De cilinder voldoet aan de volledige slaglengte die de cilinder moet hebben om genoeg kracht te leveren tot de laatste kaart uit de buffer is verwijderd.

Fig. 3.10: Kaartenhouder

Fig. 3.11: Naamkaart

DSNU-20-200-PPV-A

Fig. 3.12: DSNU-20-200-PPV-A

DSNU-20-200-PPV-A gebaseerd op DIN ISO 6432 voor contactloze detectie (magneet). Verschillende bevestigingsmogelijkheden, met en zonder extra bevestigingselementen. Met instelbare eindbuffers.

Louis Delbarre

46


3.1.5

Stokkenhouder

De stokkenhouder (Fig. 3.13) bevat zestien stokken om te verdelen over acht potten. Elke pot bevat uiteindelijk twee stokken. Tijdens de nabewerking, verpakking, zijn deze nodig om het invallen van de plastic verpakkingsfolies te voorkomen.

Fig. 3.13: Stokkenhouder

3.1.6

Grijper

De grijper, misschien wel het belangrijkste onderdeel dat ontworpen werd. Een eis van Degramec om slechts één grijper te gebruiken voor de verschillende acties werd gerealiseerd met het ontwerp afgebeeld in Fig. 3.14. Zowel potten handeling, kaart plaatsen, stokken positioneren en het nemen van een stek gebeurt met één grijper. De lepel kan eenvoudig potten verhandelen van tray naar transportband en omgekeerd. De zuiger wordt gebruikt voor het uittrekken van kaarten uit de kaarthouder en deze in de pot te plaatsen. De microhoekgrijper vervult twee taken, zowel het positioneren van de stokken als het grijpen van een stek.

Louis Delbarre

47


Fig. 3.14: Grijper

Microhoekgrijper HGWM-12-EO-G7

Een microhoekgrijper met uitwendige schroefdraad kan gezien worden als een geminiaturiseerde hoekgrijper. De grijper wordt gebruikt wanneer de materialen en handelingstoestellen zeer klein zijn. De microhoekgrijper wordt gebruikt in de applicatie om de stekjes en stokken te grijpen. De mogelijkheid bestaat er in om zowel extern en intern te grijpen (1). Het grijperbekken wordt pneumatisch aangestuurd met een compressieveer (2). De microhoekgrijper kan slecht monostabiel bediend worden (3), de keuze moet dus op voorhand gemaakt worden of er extern of intern wordt gegrepen. Er zijn ook verschillende mogelijkheden om de microhoekgrijper te bevestigen (met slagcompensatie, met schroefdraad, klemtap of met flensbevestiging).

Louis Delbarre

48


Fig. 3.15: Microhoekgrijper

Drukregelventiel LR-QS-4

De drukregelaar houdt de uitgangsdruk (secundaire zijde), onafhankelijk van drukschommelingen (primaire zijde) en het luchtverbruik, zoveel mogelijk constant. De primaire druk aan de aansluitschroefdraad komt beperkt aan de insteekconnector vrij. De differentiaaldrukregelaar regelt een manueel ingesteld drukverschil tussen de primaire druk op de inschroefdraad en de secundaire druk aan de insteekconnector. Een geïntegreerd terugslagventiel maakt het mogelijk dat aan de aansluitzijde (QS-koppeling) druk onveranderd aan de schroefdraadzijde vrijkomt. Door gebruik te maken van een drukregelaar is het mogelijk de kracht die de microhoekgrijper uitoefent op het stekje en de stok te regelen.

Fig. 3.16: Drukregelventiel

Vacuümgenerator

Gebaseerd op de venturi met de wet van Bernoulli. De Wet van Bernoulli beschrijft het stromingsgedrag van vloeistoffen of gassen en relateert de drukveranderingen aan hoogte- en snelheidsveranderingen. De wet is vooral bekend door de consequentie dat hoe hoger de stroomsnelheid is, hoe lager de statische druk.

Louis Delbarre

49


Fig. 3.17: Vacuümgenerator

Zuiggrijper

De meest gangbare toepassingsmogelijkheden van vacuüm zijn terug te vinden bij het grijpen, opheffen, verplaatsen, draaien en stapelen van voorwerpen. In principe zijn alle voorwerpen met een voldoende groot oppervlak geschikt voor het grijpen met vacuüm. Toch moeten minstens volgende voorwaarden vervuld worden: o Het grijpoppervlak moet plat zijn. Een licht bollend oppervlak kan nog net. o Het oppervlak mag niet te ruw en luchtdoorlatend zijn. o Per cm² grijpoppervlakte mag de kracht niet meer dan 7N bedragen. Het grijpen van voorwerpen gebeurt aan de hand van zuignappen, ook wel zuiggrijpers genoemd. Werkingsprincipe van een zuiggrijper

Fig. 3.18: Werkingsprincipe zuiggrijper

Bij het evacueren van de lucht uit de zuignap ontstaat er een drukverschil ten opzichte van de externe luchtdruk. De hogere omgevingsdruk drukt als het ware het werkstuk tegen de zuignap aan.

Fig. 3.19: Type zuiger

Louis Delbarre

50


Grijper Micro Hoekgrijper Drukregelventiel

Zuignap

Vacuum generator

Aansluitklemmen voorarm robot

P2

A1

B1

A2

B2

Robot

EV1

A

A

EV2 Pneumatische cilinder DSNU 20

Aansluitklemmen

Louis Delbarre

P2

P1

51


4 SENSOR 4.1 Principe Een lichtsensor meet de hoeveelheid licht. De licht sensor bestaat uit een weerstand waarbij de weerstand verandert bij een andere hoeveelheid licht, fotocel. Bij veel licht is de weerstand laag, bij weinig licht is de weerstand hoog. Net zoals schakelaars kan een lichtsensor (fotocel) op verschillende manieren gebruikt worden: Een lichtsensor kan meten: De intensiteit van het licht (hoe licht of donker het is). Wat het verschil is tussen verschillende lichtsensoren. Breek-straal (verschil in licht, opeens donker of opeens licht). Met een lichtstraal en een lichtsensor kan een breek-straal (braek-beam) sensor gecreëerd worden die werkt als een alarm. Gaat een product of persoon door de straal, dan krijgt de sensor geen licht meer. Dit is het onderliggende principe van reflecterende lichtsensoren. De sensor bestaat uit een zender en een ontvanger. Afhankelijk van de plaats van de sensor kunnen hiermee twee soorten sensoren gemaakt worden: Reflecterende sensoren: de zender en ontvanger staan naast elkaar met een voorwerp er tussen. Als er een voorwerp langskomt wordt het licht van de zender weerkaatst in de ontvanger.

Fig. 4.1: Principe sensor (I)

Louis Delbarre

52


Fig. 4.2: Principe sensor (II)

Breek-straal sensoren: De zender en ontvanger staan tegenover elkaar. Voorwerpen worden gedetecteerd als de straal onderbroken wordt. De zender bestaat meestal uit een LED (Light Emitting Diode) en de ontvanger is meestal een photodiode of een phototransistor (deze reageren sneller dan een fotocel).

Met het simpele idee van weerkaatsing van licht kan heel wat gerealiseerd worden: De aanwezigheid van objecten waarnemen De afstand van voorwerpen meten Oppervlak scannen (volgen van lijnen) Rotatiesensor maken (wielen met kleurmerkjes erop om rotatie te tellen) Streepjescode scannen Afstand meten met licht werkt niet altijd. Lichte voorwerpen weerkaatsen meer licht dan donkere. Lichte voorwerpen lijken dan soms ook dichterbij dan donkere voorwerpen die in werkelijkheid dichterbij zijn.

4.2 Uitgangsfuncties Er zijn twee werkwijzen voor de uitgangsfunctie, helder en donker schakelen. Bij zender–ontvanger of reflexsystemen houdt dit het volgende in: Donker schakelen: als er geen lichtontvangst is zal de uitgang geactiveerd worden. Helder schakelen: als er lichtontvangst is zal de uitgang geactiveerd worden.

Louis Delbarre

53


4.3 Keuze: de Omron E3Z Voor het detecteren van afnemende detectiekracht als gevolg van vuil op de lens, biedt de preventiefonderhoudserie E3Z passief preventief onderhoud met behulp van een zelfdiagnoseuitgang de beste oplossing voor deze applicatie. Er wordt een alarm verzonden naar de PLC als het naar de ontvanger verzonden signaal zo onstabiel wordt dat er correctieve handelingen moeten worden verricht. De sensor wordt getriggerd door een signaal van de regelunit en brengt de intensiteit van het verzonden licht terug met 50% (bijvoorbeeld bij de systeemopstarttest) om te controleren of de lichtintensiteit afneemt. Bij een volledige intensiteit kan de ontvanger nog steeds een stabiel signaal ontvangen dat bij de helft van het vermogen onstabiel wordt. Dit biedt een indicatie dat de lenzen bij de volgende onderhoudsperiode moeten worden gereinigd, hoewel de sensor nog steeds meer dan 100% reserve heeft.

De Omron E3Z omvat geavanceerde functionaliteit, zoals een speciaal algoritme voor een gegarandeerd betrouwbare detectie in een breed scala bedrijfsomstandigheden, en geavanceerde pulssynchronisatietechnieken voor een verregaande ongevoeligheid voor omgevingslicht. Geïntegreerde, uiterst gevoelige foto-IC. Eenvoudige en flexibele bediening via de schakelaar Licht aan / Donker aan en schroefpotentiometer. Minimale afwijking van de optische as voor betrouwbare en nauwkeurige uitlijning.

Fig. 4.3: ER-sensor

Louis Delbarre

54


DEEL 2: MACHINE VISIE

Louis Delbarre

55


5 MACHINE VISIE SYSTEEM 5.1 Inleiding Machine visie is een kapstok term die wordt gebruikt van verschillende types van visiesystemen. In het algemeen wordt een machine visie systeem gebruikt in een geautomatiseerd proces om afbeeldingen uit een industriële omgeving te analyseren of implementeren. Machine visie is een relatief nieuwe technologie, die heeft veel te bieden aan de productie industrie naar verbetering van productkwaliteit en veiligheid, alsook het verhogen van de procesefficiëntie en de operationele veiligheid. Machine visie dankt zijn stijgende populariteit aan één doorslaggevende factor: optische detectie is inherent proper, veilig (omdat het een contactloze technologie is) en zeer veelzijdig. Het is mogelijk om dingen te verwezenlijken dat geen andere optische detectie methode kan verwezenlijken. Machine visie systemen voor de industrie kwamen voor het eerst onder serieuze aandacht in het midden van de jaren zeventig. In de jaren tachtig ontwikkelden machine visie systemen langzaam, met de steun van academische onderzoeken, maar er was slechts een kleine interesse van de industrie. In het midden van de jaren tachtig kwam de grote boost in de ontwikkeling en interesse in machine visie systemen. Deze boost kwam er door de grote interesse van grote Amerikaanse autofabrikanten. Daarna kwam een periode van ontgoocheling in de Verenigde Staten. In de late jaren tachtig en vroege jaren negentig groeide de interesse opnieuw, grotendeels door de progressie die werd gemaakt in snelle beeldverwerking en processing hardware. Midden de jaren negentig wordt de rol van de algemene processor herzien en vervangen door een RISC processor, welke een hogere processor snelheid biedt op een standaard platvorm. Vanaf deze periode hebben academische instanties ervoor gezorgd dat het systeem verder wordt verfijnd, wat ervoor zorgt dat visie systemen vertegenwoordigd worden in alle grote sectoren van de productie industrie. Een van de redenen voor de momentele groei van machine visie systemen in de procesindustrie is de dalende kost van de computer. Dit heeft geleidt tot een spreiding van technologie en maakt het mogelijk voor medium grote bedrijven de stap naar machine visie systemen te maken. Machine visie is een toepassing van computer visie in de procesindustrie. Waar computer visie vooral gefocust is op machine gebaseerde afbeelding verwerking, vraagt machine visie ook digitale input/output toestellen. Om de controle over alle machines te houden is een computernetwerk nodig.

Louis Delbarre

56


5.2 Waarom machine visie? Machine visie is een techniek die de handmatige inspectie vervangt of aanvult met digitale camera’s. Om een machine visie systeem te integreren in een applicatie moet de vraag worden gesteld, is machine visie nodig om het probleem op te lossen. Verschillende indicatoren helpen hierbij. Is de applicatie op te lossen met visie? Is er een financiële reden voor investering in machine visie? Is er een budget voor het project? Welke visie technologie moet er worden gebruikt? Hoe kan het systeem worden geïmplementeerd? Welke problemen kunnen er gaande weg ontstaan? Kosten haalbaarheids onderzoek? Wanneer de keuze gemaakt wordt om een machine visie systeem te gebruiken zijn volgende voordelen zeker aan de orde. De arbeidskosten (manuele arbeidskosten zijn vaak hoger dan visie systemen) verhoging van productie rendement, verbetering van de product kwaliteiten, verhoging van de productie snelheid.

5.3 Opbouw machine visie systeem Machine visie is een tak van engineering dat verschillende onderdelen omvat zoals, computertechnologie, optica, mechanische engineering en industriële automatisering. Eén van de meest toegepaste applicaties van machine visie is de inspectie van geproduceerde goederen in de autoindustrie, farmaceutica, voedingsindustrie. Juist zoals menselijke controleurs, gaat machine visie de kwaliteit van het product controleren door gebruik te maken van digitale camera’s, smart camera’s en image processing door gebruik te maken van software.

Fig. 5.1: Opbouw machine visie

Louis Delbarre

57


Computers ‘zien’ niet op dezelfde manier als mensen dat kunnen. Camera’s zijn gelijkwaardig als het menselijke oog en wanneer mensen kunnen vertrouwen op conclusies en veronderstellingen, moet computer apparatuur ‘zien’ aan de hand van onderzoek van iedere pixel of afbeelding, processing van deze gegevens en proberen hieruit een conclusie te nemen a.d.v. kennis gebaseerd op patronen herkenning. Machine visie en computer visie systemen maken het mogelijk om afbeeldingen consistent te verwerken, maar computer gebaseerde afbeelding verwerkingssystemen zijn ontworpen om een eenduidige repetitieve taak uit te voeren, en ondanks opmerkelijke verbeteringen op het gebied van machine en computer visie systemen, kan geen enkele van deze systemen de capaciteiten van de mens evenaren in termen van het begrijpen van een afbeelding.

Afbeelding interpretatie en mechanische interface Afbeelding processing en analyse DATA FLOW

Afbeelding sensor

Feedback Path

Belichting en optica Stuk en mechanische interface

Fig. 5.2: Machine visie onderdelen

Het hoofdtoepassingsgebied voor industriële visie systemen worden aangetroffen in de automatische inspectie en meting, in mindere mate in de robotica visie. Geautomatiseerde visuele inspectie en meting zijn, geneigd sneller te ontwikkelen. Bovendien, kwaliteit gerelateerde controle applicaties zoals inspectie, meting en herkenning zorgen voor meer dan de helft van de machine visie markt.

Louis Delbarre

58


Applicatie categorieën

Localiseren

-

Positie Oriëntatie

Meten

-

Afstand Hoogte Curve Volume

Inspectie

- Aan afwezigheid defecten

Identificeren

-

Codering Teksten Nummers Karakter

Fig. 5.3: Toepassingsgebied machine visie

Alles start met belichting: Zonder licht is er geen afbeelding! Belichting is de meest kritische factor in machine visie toepassingen. Elk object heeft verschillende karakteristieken zoals vorm, materiaal, kleur, afmetingen, etc. Om één/meerdere van de gewenste soorten karakteristieken te onderzoeken is een specifiek type belichting nodig. Door gebruik van filters kan een eenvoudige belichting voor de gewenste applicatie verkregen worden. Het selecteren van de correcte lens voor een visiesysteem is afhankelijk van een aantal factoren zoals: lens formaat, grootte van de camera sensor, belichtingscondities, afstand van het object en resolutie. Lage kwaliteit lenzen kunnen voldoen voor sommige applicaties waar de beeldkwaliteit niet cruciaal is (vb. bewaking). De keuze van de lens wordt cruciaal wanneer afbeeldingen van hoge kwaliteit vereist zijn. Camera’s zijn elektronische ogen die licht converteren naar elektrische signalen of een digitale data stream. In machine visiesystemen worden speciale eisen gesteld voor een camera en daardoor zijn verschillende types voor handen. Een framegrabber koppelt een camera – externe events zoals triggering en stroboscooplicht controle – aan een computer systeem. Echter niet alle framegrabbers zijn gelijk of geschikt voor alle applicaties.

Louis Delbarre

59


Fig. 5.4: Opbouw machine visie systeem

5.4 Procedure machine visie systeem Een typisch machine visie systeem zal bestaan uit verschillende van de volgende componenten: 1. Eén of meerdere digitale of analoge camera’s (zwart-wit of kleur) met een bijpassende lens voor de desbetreffende afbeeldingen. 2. Belichting 3. Camera interface voor het digitaliseren van de afbeelding (framegrabber) 4. Een processor (meestal een PC of een ingebouwde processor, zoals een DSP) 5. Computer software om de afbeelding te verwerken en het detecteren van relevante kenmerken. 6. Een synchronisatie sensor voor het detecteren van het stuk (meestal een optische of magnetische sensor) om de start van de afbeelding verwerking. 7. Input/Output hardware (vb. digital I/O) of communicatie links (vb. netwerk connectie of RS232) om de resultaten door te sturen. De synchronisatie sensor beslist wanneer een stuk in positie is om gecontroleerd te worden. De sensor start de camera om een afbeelding van het stuk te nemen als het voorbijkomt. Meestal gaat hiermee een lichtpuls gepaard. De belichting is zo ontworpen dat de belangrijkste kenmerken geaccentueerd worden en verduisteren of minimaliseren de verschijning van de kenmerken die niet relevant zijn voor de controle van het voorwerp (schaduw en reflecties).

Louis Delbarre

60


De camera afbeelding is vastgelegd door de framegrabber. Een framegrabber is een digitaliseringsmiddel (in de camera aanwezig) dat de output van de camera omzet naar een digitaal formaat (typisch is een 2D array van nummers, corresponderend met het helderheidsniveau van het corresponderende punt in het afbeeldingsveld, pixel) en plaatst de afbeelding in het computergeheugen zodat het kan worden verwerkt door de machine visie software. De software zal verschillende stappen doorlopen om de afbeelding te verwerken. Meermaals is de afbeelding eerst gemanipuleerd om de storingen (korrel) of om verschillende gradaties van grijs te converteren tot eenvoudig zwart-wit (binarisatie). Vervolgens is de initiële simplificatie (de sofware telt, meet, en/of identificeert objecten, afmetingen, defecten of andere kenmerken van de afbeelding). Als eindstap zal de software het object goedkeuren of afkeuren of de gewenste coördinaten doorsturen.

Louis Delbarre

61


5.5 Onderverdeling machine visie

Fig. 5.5: Prijs vs. Complexiteit

5.5.1

Visie sensoren

Visie sensoren (Fig. 5.6) zijn systemen die bestaan uit een beeldchip, optiek, verlichting en evaluatie in één behuizing en worden ontwikkeld voor een specifieke taak. De sensoren worden ingeleerd op kleur of vorm waarna de module geconnecteerd wordt met de besturingseenheid. Na de testen en de nodige controles is de module klaar voor gebruik.

Fig. 5.6: Visie sensoren

Louis Delbarre

62


5.5.2

Smart camera

Smart camera’s (Fig. 5.7) zijn visie systemen met ingebouwde beeld analyse unit, waarbij de applicatie met behulp van een laptop of computer geconfigureerd kan worden. Daarna kunnen ze stand alone ingezet worden in het productieproces.

Fig. 5.7: Smart camera integratie

5.5.3

PC gebaseerde systemen

De PC gebaseerde systemen (Fig. 5.8) zijn “ high speed data streamers “. Dat wil zeggen dat sturen met hoge snelheid gegevens naar vb. een PC, waar de analyse van de gegevens wordt gemaakt. Vooraleer een PC gebaseerd systeem te integreren moet met enkele factoren rekening gehouden worden. Het geschikte hostplatform (Windows XP of andere) moet ter beschikking zijn. De ontwikkelingsomgeving waar in de nodige programmatie kan worden gedaan is C++. Een haalbaarheidsonderzoek is altijd aangewezen om na te gaan of de juiste keuze voor het visiesysteem werd gemaakt. Na de testfase kan overgegaan worden naar de productiefase.

Fig. 5.8: PC gebaseerde systemen

Louis Delbarre

63


6 OPTICA – LENS 6.1 Inleiding Een lens is een transparant, veelal glazen voorwerp waarmee lichtstralen geconvergeerd ofwel gedivergeerd kunnen worden. De meeste lenzen zijn zgn. sferische lenzen, lenzen met twee bolvormige oppervlakken. Daarnaast zijn er ook cilindrische en andere lenzen. Lenzen bestaan in alle geuren en kleuren elk met hun specifieke functie: Standaard lens: algemeen gebruik Groothoek lens: Groot beeldoppervlak van een onderwerp veraf Macrolens: Close-up van onderwerp Telecentric lens: voor nauwkeurige meeting

Fig. 6.1: Beeldhoek (lenssoorten) en brandpuntafstand

Een groothoeklens is een lens met een heel korte brandpuntsafstand. Door de korte brandpuntsafstand wordt een grote beeldhoek verkregen. Een groothoeklens is onder andere bedoeld om heel veel op het beeld te krijgen. Omdat de korte brandpuntsafstand de schijnbare onderlinge afstand tussen objecten vergroot. Deze wordt bijvoorbeeld ook toegepast om een volledig oppervlak een weidser karakter te geven. Het tegenovergestelde van een groothoeklens is een telelens. Groothoeklenzen worden onderverdeeld in lineaire en fisheye lenzen. De eerste groep heeft een ontwerp waarbij rechte lijnen zoveel mogelijk recht weergegeven worden (ten koste van de verhoudingen) en zijn beeldvullend, de tweede groep projecteert vaak een rond beeld, waarbij alleen lijnen die door het midden lopen recht blijven. Objecten aan de rand worden extreem gekromd. Vandaar dat de telelens niet kan gebruikt worden bij meetcamera’s. Het te verwaarlozen verlies aan nauwkeurigheid kan niet worden gegarandeerd.

Louis Delbarre

64


6.2 Sferische lenzen

Fig. 6.2: Objectief van een fotocamera

Met sferische lenzen kunnen beelden vergroot of verkleind worden. Voor veel doeleinden worden groepen van lenzen gebruikt die dan wel objectief worden genoemd. Ook een oculair van een microscoop of telescoop bestaat meestal uit verscheidene lenzen. Het menselijk oog bevat ook een lens. De mate van vergroting of verkleining hangt af van de sterkte van de lens. Deze lenssterkte S is het omgekeerde van de brandpuntsafstand f en wordt uitgedrukt in dioptrie (dpt = m − 1).

S=

1 f

6.3 Optische as De mate waarin een lichtstraal van richting verandert is afhankelijk van de hoek tussen de lichtstraal en het oppervlak van de lens. Als de hoek tussen lichtstraal en lensoppervlak 90° is, vindt geen richtingverandering plaats. Elke lens heeft een optische as waar het licht rechtdoor gaat (aan de voorzijde én aan de achterzijde is de hoek tussen lensoppervlak en lichtstraal een rechte hoek).

Fig. 6.3: Lens in functie van object

Louis Delbarre

65


6.4 Brandpuntsafstand De brandpuntafstand van een lens is de afstand tussen de lens en het punt waar evenwijdig invallende stralen na doorgang door de lens samenkomen of samen zouden komen. Brandpuntsafstanden kunnen uiteenlopen van fracties van enkele millimeters (microscoopobjectieven, fisheye lens van een fototoestel), tot enkele meters (bij een telescooplens). In Fig. 6.4 wordt de brandpuntsafstand f aangegeven. Te zien is dat het licht van een verre lichtbron (de evenwijdige rode lijnen) door de lens gefocusseerd wordt in het brandpunt.

Fig. 6.4: Brandpuntafstand positieve lens

Een negatieve lens heeft een virtueel brandpunt. In Fig. 6.5 is te zien dat het licht van een verre lichtbron, de rode evenwijdige lijnen aan de linkerkant van de figuur, na het passeren van de lens uit elkaar gaan (divergeren). Het virtuele brandpunt is het punt waar deze divergerende lichtstralen schijnbaar vandaan komen.

Fig. 6.5: Brandpuntafstand negatieve lens

Louis Delbarre

66


6.5 Sferische aberratie In de optica worden veel samengestelde lenzen gebruikt. Hiermee kunnen lensfouten (afwijkingen in de afbeelding die via de lens wordt gemaakt) gecompenseerd worden. Een van de belangrijkste afwijkingen is de sferische aberratie. Een bolvormige lens met een nietverwaarloosbare dikte maakt geen perfect brandpunt, zoals geïllustreerd is in Fig. 6.6.

Fig. 6.6: Sferische aberratie

Omdat een bolvormige lens het eenvoudigste is te maken, worden bolvormige lenzen het meeste toegepast. Lenzen met een afwijkende (bijvoorbeeld parabolische) vorm heten asferische lenzen. Met asferische lenzen zijn sommige beeldafwijkingen beter te corrigeren dan met sferische. Ze worden daarom steeds meer toegepast. Zo kan bijvoorbeeld een zeer dunne geperste asferische kunststoflens gecombineerd worden met een sferische lens van glas. Ook worden computergestuurde slijptechnieken toegepast. Het tegenwoordig met computers kunnen berekenen van optiek met asferische lenzen is natuurlijk ook een belangrijke voorwaarde voor de realisatie ervan. Een andere belangrijke lensafwijking is de chromatische aberratie. Hiermee wordt bedoeld dat de verschillende kleuren licht niet dezelfde brandpuntsafstand hebben. Dit wordt veroorzaakt doordat de brekingsindex van het gebruikte lensmateriaal niet voor alle golflengten van het licht gelijk is (dispersie). Er bestaan ook zoomlenzen die een variabele brandpuntsafstand hebben. In dat geval moet gedacht worden aan een lenzenstelsel, waarbij het effectieve brandpunt van het stelsel bepaald wordt door de onderlinge afstand van de verschillende samenstellende lenzen.

Louis Delbarre

67


6.5.1

Chromatische aberratie

Chromatische aberratie is een optische fout van lenzen en lenzensystemen die ontstaat doordat licht van verschillende golflengten door de lens niet op dezelfde manier wordt afgebogen. Wanneer licht door een lens gaat, komt het samen in het brandpunt. Omdat niet elke kleur in hetzelfde brandpunt samenkomt kunnen niet alle kleuren scherp afgebeeld worden. Op de afbeelding wordt dit zichtbaar als verkleuring langs scherpe randen. Dit effect is vaak erger aan de randen van het beeld dan in het centrum doordat de vorm van de afbeelding van een punt daar niet gecentreerd rond dat punt ligt.

Fig. 6.7: Chromatische aberratie

Door samengestelde lenzen te maken van lenzen met een tegengestelde chromatische aberratie waarvan de afwijking van de ene die van de andere tegengaat is het mogelijk lenssystemen te maken die de afwijking nauwelijks vertonen. Voor de corrigerende lens wordt flintglas met een hoge brekingsindex en een hoge dispersie (laag getal van Abbe) gebruikt. Een composietlens die de beelden voor twee kleuren corrigeert heet een 'achromaat 8' en één die voor meer kleuren corrigeert heet een 'apochromaat 9'. Vaak worden in apochromaten duurdere glassoorten gebruikt, waardoor ze meer kosten dan achromaten. Paars ligt het verst van de kleur waar vaak op scherpgesteld wordt, waardoor het de grootste fout heeft. Daarnaast zijn de meeste scherpe contrasten die van een object voor de hemel, waarbij de hemel veel paars bevat. Hierdoor wordt chromatische aberratie vaak zichtbaar als paarse randen, waardoor in het engels vaak de term purple fringing gebruikt wordt. Het fenomeen kan ook waargenomen worden als licht door een raam valt op een zonnige dag. Schaduwen van het raamkozijn hebben dikwijls een "paarse rand" of een andere kleur die iets lichter rond de schaduw ligt. 8

Een achromatische lens is een lens die chromatische afwijkingen corrigeert voor twee golflengten van het licht. Bij objectieven bevinden de twee gecorrigeerde golflengten zich in het blauw-violette en in het gele gedeelte van het spectrum. 9 Een apochromatische lens is een lenscombinatie die chromatische aberraties corrigeert voor drie golflengten van het licht, waarbij met name in het secundaire spectrum de aberratie grotendeels wordt gecorrigeerd.

Louis Delbarre

68


6.6 Diafragma In de optica is een diafragma een (meestal ronde of veelhoekige) opening in de lichtbaan van een lens of objectief die een bepaalde hoeveelheid licht door kan laten of tegenhouden. Het midden van het diafragma valt samen met de optische as van de binnenvallende lichtbundel in het instrument of objectief. Veel fototoestellen hebben een verstelbaar diafragma waardoor de hoeveelheid invallend licht kan worden veranderd. Belichting kan verder worden beïnvloed door het wijzigen van de belichtingstijd met behulp van de sluiter. De iris is het diafragma van het menselijk oog.

Fig. 6.8: Diafragma

Bij een kleiner diafragma wordt de hoeveelheid doorgelaten licht kleiner en neemt de scherptediepte toe. Ook bepaalde lensfouten nemen af bij kleiner diafragma. Daar tegenover staat dat bij kleiner diafragma bepaalde brekings- en buigingsverschijnselen ook weer toenemen, zodat voor de meeste objectieven geldt dat ze bij een lensopening van 2 à 3 stops (onder de maximale opening) optimaal functioneren. Randonscherpte en vignettering die bij volle lensopening (afhankelijk van de kwaliteit van het objectief in mindere of meerdere mate zichtbaar) verdwijnen en ook de middenscherpte is optimaal. Naarmate de lensopening verder wordt verkleind, zal de scherptediepte wel toenemen, maar de scherpte in het scherpstelvlak niet.

Fig. 6.9: Diafragma consequenties

Met de langere belichtingstijd neemt echter ook de kans op bewegingsonscherpte toe.

Louis Delbarre

69


6.6.1

Constructie

Het diafragma van een objectief bestaat meestal uit een aantal metalen plaatjes (lamellen) die samen een cirkelvormige opening vormen (hoe meer lamellen hoe beter een cirkel benaderd wordt). De grootte van de opening (f-opening) kan veranderen en werd gestandaardiseerd. Ze wordt weergegeven door getallen: F-getal. De 'stervorm' die we zien als een punt die op een foto sterk overbelicht wordt (b.v. de zon) is meestal een gevolg van interne reflecties op de inwendige randen van het diafragma. Door het aantal punten van de ster te tellen kan het aantal lamellen van het diafragma gemaakt worden afgeleid. Dit is een optische fout, althans een artefact van veel objectieven waar zo aan gewend geraakt zijn dat ook bij foto's die deze afwijking niet vertonen het effect digitaal kan worden aangebracht om 'echter' te lijken.

6.7 Scherptevlak Het vlak waarop scherp wordt gesteld en waarvoor en waarachter zich de scherptediepte afspeelt. Bij 'normale' camera's ligt dit vlak evenwijdig aan de ‘film’ in het toestel. Bij technische camera's kan het objectief ten opzichte van het ‘film’ vlak worden gekanteld waardoor het scherptevlak heel anders kan komen te liggen. Ook dan wordt de scherptediepte een bandbreedte 'voor' en 'achter' dit vlak, hoewel dit geredeneerd is vanuit de lens en niet vanuit het projectievlak.

6.8 Scherptediepte Scherptediepte (Depth of field, DOF zone) is het verschijnsel dat een lens of objectief dat een scherp lijkende afbeelding van een voorwerp op een vlak (bijvoorbeeld een filmvlak in een camera) projecteert. Voorwerpen die dichter bij of verder weg liggen dan het voorwerp waarop scherp is gesteld, worden dan onscherp weergegeven. De scherptediepte kan worden vergroot (zodat het bereik dat scherp wordt afgebeeld zich uitbreidt) door een diafragma in te stellen dat het gebruikte lensoppervlak verkleint. Dit gaat echter ten koste van de lichtsterkte. Naast het diafragma zijn de afstand tot het scherpstelpunt en de brandpuntsafstand van de lens de factoren die de scherptediepte bepalen. De scherptediepte is dus te beïnvloeden door het veranderen van het diafragma. Een voorwerp kan als eigenschap een bepaalde diepte bezitten. Door de opstelling van de camera, waardoor geen perfect beeld kan worden gevormd. Een speciale techniek kan hiervoor een oplossing bieden. Een reconstructie van twee afbeeldingen wordt gemaakt zodat één scherp beeld ontstaat.

Louis Delbarre

70


Fig. 6.10: Voorbeeld scherptediepte

Fig. 6.11: Scherptediepte (Depth of field, DOF)

Een factor zorgt ervoor dat de DOF niet correct kan existeren.

Hoe groter het getal F2.8 of hoe kleiner de lensopening hoe scherper de scherptediepte (Fig. 6.12).

Fig. 6.12: Scherptediepte

Louis Delbarre

71


6.8.1

F-getal

Fig. 6.13: F-getal

Grafisch weergegeven

Het F-getal of openingsverhouding is een begrip dat in de optica, fotografie en astronomie gebruikt wordt. Het F-getal van een lens of telescoop is gelijk aan de brandpuntsafstand van de lens (f) gedeeld door waarde van het diafragma (D) en staat voor de diameter van de diafragmaopening in millimeters. Dus: F-getal = f/D Het diafragma heeft niet alleen invloed op het lichtverzamelend vermogen van een lens, maar ook op de scherptediepte. F-schaal F/1 F/1.4 F/2 F/2.8 F/4 F/5.6 F/8 F/11 F/16 F/22 F/32 F/45 F/64 Op een camera kan de belichting geregeld worden door het diafragma meer of minder te openen. De lens heeft een maximale opening (kleinste F-getal), vervolgens is elke stap groter een kleinere diafragmaopening. Dit wordt bijvoorbeeld gebruikt als er teveel licht is (diafragma sluiten) of als er te weinig licht is (diafragma openen). De maximale opening hangt af van het soort lens. Lenzen met vast brandpunt zijn eenvoudiger te maken dan zoomlenzen, de maximale opening van een zoomlens is meestal kleiner dan die van een vaste lens. Ook de maximale opening hangt af van de brandpuntsafstand, een lange telelens moet een grote diameter hebben om een "redelijk" F-getal te hebben. De voorste lens van een 400 mm telelens van F/4 is al minimaal 100 mm in diameter. De stappen tussen deze waardes worden ook wel ‘stops’ genoemd. Iedere stop is een factor 2 in de oppervlakte van de opening van de lens, en dus de helft of het dubbele van de doorgelaten hoeveelheid licht. Om de oppervlakte van een cirkel te halveren moet de diameter met een factor 1.4 (vierkantswortel van 2) verkleind worden. Dit geeft de breukgetallen 1/1 1/1.4 1/2 1/2.8 enz. waarvan meestal enkel de noemer genoteerd wordt en waarbij gezegd wordt zegt dat het verschil tussen f2, f2.8, f4, f5.6, f8, f11, f16, f22, f32 een stop is. Gebruikelijk voor een objectief van een camera wordt een diafragmareeks tussen f1.4 en f32 gebruikt.

Louis Delbarre

72


Bij veel objectieven is het ook mogelijk tussenliggende waarden in te stellen, zodat een reeks ontstaat: F1.2, F1.4, F1.6, F1.8, F2.0, F2.2, F2.5, F2.8, F3.2, F3.5, F4.0, F4.5, F5.0, F5.6, F6.3, F7.1, F8.0, F9.0, F10, F11, F13, F14, F16, F18, F20, F22, F25, F29, F32 (en groter). Het laagste getal wordt de lichtsterkte van het objectief genoemd. Een objectief met een diafragma van f1.4 heeft een dubbele lichtsterkte dan een objectief waarbij de kleinste waarde f2 is. De constructie van lichtsterke objectieven vraagt niet alleen meer materiaal, maar is ook ingewikkelder om lensfouten te beperken, hierom zij lichtsterke objectieven veel duurder dan minder lichtsterke objectieven.

6.9 Verstrooiingscirkels Wanneer de diafragmaopening wordt verkleind zal de lichtkegel veel 'spitser' binnenvallen. De cirkels (verstrooiingscirkels) worden dan ook kleiner en dus scherper afgebakend. Om nu te bepalen wat door mensen als scherp wordt beschouwd zijn er afspraken gemaakt en voor het kleinbeeld formaat geldt dat scherp overeenkomt met een verstrooiingscirkel met een diameter kleiner dan 1/30 mm. De scherptediepte is dus het hele gebied (niet alleen op het instelpunt waarop is scherp gesteld, maar ook op gebieden er voor en er achter) waarbij de verstrooiingscirkels kleiner zijn dan 1/30 mm. Dit gebied is overigens niet gelijkmatig verdeeld. De scherpte van het gebied voor het scherpstelvlak is kleiner dan het gebied er achter. Bij de zogenaamde hyperfocale afstand loopt het scherptegebied achter het scherpstelpunt door tot in het oneindige.

Louis Delbarre

73


7 OBJECT De afmeting van het objectief speelt een belangrijke factor bij de keuze van de lens en de belichting. De term “field of view (FOV)”, totaal afmeting beeldoppervlakte (Lxb), is nodig voor het programmeren van een camera.

Fig. 7.1: Field of view

Object distance OD of LTO (lens to object)

Fig. 7.2: Object distance

7.1 Reflectie, absorptie en transmissie 7.1.1

Inleiding

Wanneer een bundel lichtstralen dat zich in de lucht voortplant het oppervlak van een voorwerp raakt, zal een deel van het licht worden teruggekaatst en zal een ander deel door het voorwerp worden geabsorbeerd en zich als gebroken lichtstraal verder voortplanten. Wit licht bestaat uit een mengsel van verschillende kleuren. Bij het invallen van wit licht op een voorwerp, zal dit voorwerp een deel van de lichtstralen terugkaatsen en een ander deel absorberen. De kleur van een voorwerp wordt bepaald door de lichtstralen die het voorwerp in kwestie terugkaatst en die daarna op het menselijk oog invallen (in dit geval de CCD chip van de camera). Lichamen die alle stralen terugkaatsen zijn wit (want wat wordt teruggekaatst is nog steeds een mengsel van alle oorspronkelijk aanwezige kleuren). Voorwerpen die alle stralen absorberen zijn zwart. Niet enkel de kleur heeft invloed op het ingevallen licht, ook het oppervlak van het object speelt een grote rol bij het al dan niet reflecteren of absorberen.

Louis Delbarre

74


7.1.2

Reflectie

Reflectie of weerkaatsing (Fig. 7.3) is de abrupte wijziging van de voortplantingsrichting van een golffront op de overgang tussen twee verschillende media, waardoor het golffront terugkaatst in het medium waaruit het voortkwam. Een reflectie kan gericht zijn, of diffuus. Bij een gerichte reflectie verandert de voortplantingsrichting van het golffront wel, maar blijft de golf gebundeld. Bij een diffuse reflectie daarentegen wordt de voortplantingsrichting verstrooid, en neemt daardoor de intensiteit van het golfverschijnsel na de reflectie snel af. De oppervlakteruwheid van het voorwerp kan ook diffuse reflectie veroorzaken.

Fig. 7.3: Reflectie

7.1.3

Absorptie

Wanneer een lichtstraal op een donker voorwerp kaatst, wordt het licht verzwakt door het voorwerp. Dit verschijnsel wordt absorptie genoemd. Het licht wordt als het ware door het stof opgeslorpt. Slechts een kleine hoeveelheid licht zal bij een donker voorwerp weerkaatst worden en waargenomen door de CCD.

Fig. 7.4: Absorbtie

7.1.4

Transparantie

Transparantie door materialen kan grofweg in twee soorten worden verdeeld. Doorzichtig, er kan erdoor worden gekeken (glas is doorzichtig zoals veel mineralen die als edelstenen beschouwd worden) Doorschijnend, het licht valt er door maar er kan er niet doorheen gekeken worden (vergelijkbaar met matglas). Bij afwezigheid van transparantie is er sprake van opaak of ondoorschijnend, het licht wordt aan het oppervlak teruggekaatst.

Louis Delbarre

75


Fig. 7.5: Transparantie

7.2 Wat is mogelijk en hoe? 7.2.1

Inleiding

Het ontwerpen van een nieuwe applicatie is een kritisch proces. Uitvoerbaarheid van de afbeelding en de processing moet beoordeeld worden vooraleer enige beslissingen genomen worden. Het wordt essentieel geacht een levensechte testruimte ter beschikking te hebben om zo de nodige problemen in te schatten en op te lossen.

Fig. 7.6: Implementatie voorbeelden

7.2.2

Positie detectie

Voor de implementatie van een machine visie systeem in de democel wordt het principe van positiedetectie gebruikt. Vertrekkende van het frame (assenstelsel) van de robot met een vast punt, wordt een identiek frame gecreëerd in de camera. Beide frames worden virtueel op elkaar geplaatst met hetzelfde vaste punt. Een object zal nu een bepaalde offset van het vaste punt liggen. Deze coördinaten worden doorgestuurd naar de robot, zodat deze perfect weet waar het object zich bevindt.

Louis Delbarre

76


7.2.3

Label identificatie

Barcodes zijn alledaags en worden in verschillende applicaties gebruikt voor identificatie en tracking doeleinden. Ze zijn low cost gekend voor hun betrouwbaarheid en eenvoudige implementatie. Van een goede barcodelezer wordt verwacht dat deze snel een symbool kan herkennen in verschillende oriëntaties en contrast en een mogelijk beschadigde barcode kan herkennen.

Fig. 7.7: Barcode en data matrix

Een datamatrix is een moderne 2D barcode die de informatie in vierkante punten (dots) afbeeld. Er zijn diverse belangrijke verschillen ten opzichte van de gewone 1D barcode. Uiterlijk is de data matrix een vierkante barcode. De afmeting van die vierkant neemt toe als er meer karakters in gaan en uiteraard ook als de printresolutie lager wordt. De code kan dus klein zijn, bijvoorbeeld 4x4 mm tot groot bijvoorbeeld 30x30 mm. Bij beschadiging aan een data matrix wordt extra informatie in de barcode opgeslagen, zodat bij een gedeeltelijke beschadiging van de barcode, deze toch te scannen is en de oorspronkelijke informatie correct door de scanner wordt afgegeven. Dit wordt bereikt met een ECC Error Correction. Er kunnen honderden karakters in een enkele data matrix code. Ter vergelijking, in de gewonen 1D barcodes zoals Code128 ligt het praktische maximum op circa 40 karakters omdat de barcode anders veel te lang wordt en de scanners geen superlange barcodes kunnen lezen.

7.2.4

Vorm- en afmetingscontrole

Fig. 7.8: Vorm- en afmetingscontrole

Om gefabriceerde stukken te controleren op hun afmetingen, zoals dikte, straal of hoek, worden meetinstrumenten gebruikt zoals een virtuele schuifmaat. Contour match (vormcontrole) herkent objecten door de vergelijking van de contour karakteristieken. De analyse gebeurt op een gebinariseerde afbeelding met een specifieke drempel (threshold). De groep van zwarte pixels definieert de afbeelding (BinaryImageSet, BIS) De contour wordt gedefinieerd als een pixel opeenvolging dat de binaire afbeeldingsgrens volgt. Deze opeenvolging bestaat uit relaties tussen de aangrenzende pixels. De contour behoord niet tot de BIS. Het algoritme detecteert zowel externe contour (rood) als interne contour (groen). Een template en relatieve informatie (positie, pixel nummer, dimensies, etc.) moeten worden toegewezen vooraleer een target object wordt toegewezen. De informatie wordt genormaliseerd en opgeslaan. Louis Delbarre

77


Fig. 7.9: Contour match

Deze methode garandeert een discrete, gedetailleerde snelle uitwerking. Het geeft een beter resultaat dat de blob analyse, maar het wordt moeilijker om objecten uit de achtergrond te onderscheiden met laag contrast alsook objecten die met elkaar in contact komen of overlappen.

7.2.5

Vergelijkingscontrole tussen object en afbeelding

Voor het vergelijken van objecten met een originele afbeelding wordt veelal blob analyse toegepast. Blob analyse is een welgekende techniek om objecten te isoleren en bepaalde onderdelen van een willekeurige vorm te analyseren naar vorm en positie. Deze techniek combineert afbeeldingsbinarisatie en gekoppelde componenten voor segment analyse. De ontelbare applicatie van deze krachtige methode zijn gerelateerd tot item telling, aanwezigheid- of afwezigheidcontrole, plaatsingscontrole, stukkenherkenning, foutdetectie, … .

Fig. 7.10: Blobdetectie

Blob: afkorting voor Binary Large Object. Een blob is een groep van aangrenzende pixels, elk met een helderheid hoger dat een specifieke drempel. Blobs zijn typische afgeleide van binaire afbeeldingen. Zones met zwart of witte pixels in een afbeelding worden verzameld in geconnecteerde zones, blobs. Een blob wordt herkend bij het onderzoeken van de afbeelding lijn per lijn en niet iedere pixel afzonderlijk. Bij elk interval gekarakteriseerd door dezelfde pixel type (zwart of wit), de start en eindcoördinaten van elke lijn worden opgeslaan. Deze objecten worden gevormd door het continu onderzoeken van de lijnen en het verzamelen van de intervallen met dezelfde pixel type. Deze aanpak versnelt de verwerking betreffende algoritme gebaseerd op elke pixel. De onderzochte objecten kunnen verschillende vormen en complexiteit en kan ook verschillende gaten (boringen) bevatten, welke geteld worden als objecten.

Louis Delbarre

78


Verschillende parameters zijn beschikbaar om de prestaties te verbeteren. Filters dat een object moet respecteren om als blob te worden aanzien, kunnen geïntroduceerd worden. Bijvoorbeeld, een drempelwaarde kan worden ingesteld betreffende het minimum aantal pixels dat een object mag bevatten, en zo uitsluiten dat kleine pixel groepen uitgesloten worden (worden aanzien als storing, noise). Het voordeel door het gebruik van blob analyse bestaat erin met een hoge gedetailleerde snelheid en mogelijkheid tot tolerantie metingen van een object, dimensie en de oriëntatie variaties kunnen ook gedetecteerd worden.

7.2.6

Oppervlaktecontrole

Wordt ook via blob analyse uitgevoerd.

Fig. 7.11: Krasdetectie via blob

7.2.7

Patroonherkenning

Een referentiepunt vinden in een afbeelding is een essentiële stap in het inspecteren en de kwaliteitscontrole. In veel voorkomende situaties garanderen dat de stukken altijd aanwezig zijn op exact dezelfde plaats van de afbeelding wordt niet haalbaar geacht. Patroonherkenning is een algemene tool om willekeurige vormen te vinden in een afbeelding ten opzichte van een referentie beeld. In aanvulling van lokaliseren en herkenning, wordt patroonherkenning ook gebruikt voor het tellen en voor af- of aanwezigheidcontrole.

Fig. 7.12: Patroonherkenning

Louis Delbarre

79


7.2.8

Tekstherkenning

Leesbare tekst wordt aanzien als een voorkeursmanier om items te labelen, met toepassingen als het traceren van seriële nummers, vervaldata, types, lot nummers, … . Optische karakteristiek herkenning maakt van een markering in een digitale afbeelding een string van karakters, om later verder te verwerken. De herkenning gebeurt door isolatie van de karakteristieken. De OCR (Optical Character Recognition) module wordt zo geprogrammeerd zodat de tekst herkend zal worden en omgezet wordt naar een ASCII tekst, gebruik makend van een ‘learning’ procedure of voorgeprogrammeerde karakterbibliotheken. Deze functie maakt het mogelijk om karakters te ‘lezen’. De OCV (Optical Character Verification) wordt gebruikt om de tekst die het beeld bevat de vergelijken met het referentiebeeld, een font zal echter niet herkend worden.

Fig. 7.13: Tekstherkenning

Louis Delbarre

80


8 BELICHTING 8.1 Inleiding De kunst van belichting is het zorgen voor voldoende licht van de juiste intensiteit met de juiste kleur op de juiste plaats. Belichting is hoeveelheid licht welke op een sensor valt. De hoeveelheid licht wordt bepaald door twee factoren. Belichtingstijd: dit is de duur van de belichting uitgedrukt in ms. Ook wel sluitertijd genoemd. Diafragma waarde: bepaalt hoeveel licht er door de opening van de lens gaat. Ook wel F stops genoemd. Belichting wordt geregeld door deze twee factoren en niet door de intensiteit van de lichtbron. Hoe dan ook, een vaste waarde voor deze factoren is niet voor handen, de omstandigheden bepalen welke instellingen er van kracht zijn. Het aangeboden licht moet bepalend zijn voor het resultaat en het omgevingslicht moet tot een minimum gereduceerd worden.

8.2 Belichtingstijd De belichtingstijd of sluitertijd is een term uit de fotografie en machine visie. Het is de tijdsduur die beschrijft hoelang een lichtgevoelige plaat of ander lichtgevoelig element wordt blootgesteld aan het licht. Met lichtgevoelig element kan een chip met fotogevoelige halfgeleiders (digitale camera) bedoeld worden. De belichtingstijd is vaak instelbaar (automatisch of handmatig) over een groot gebied (bijvoorbeeld van 1/2000 tot 2 seconden) duurdere camera's hebben een groter bereik, om grote verschillen in lichtintensiteit aan te kunnen. De belichting is instelbaar in stops waarbij elke stop dubbel zoveel licht doorlaat (F-getal). Bij een te lange belichtingstijd treedt overbelichting op van het beeld. Bij een te korte belichtingstijd wordt het beeld onderbelicht en blijft dan te donker (Fig. 8.1). Een onderbelicht beeld kan door elektronica of software wel opgetrokken worden, maar daarbij verliest de foto aan resolutie: er wordt een duidelijke korrel zichtbaar. Bij de keuze van het visiesysteem moet hiermee rekening gehouden worden.

8.3 Diafragma waarde De juiste belichtingstijd wordt bepaald in combinatie met de grootte van het diafragma en de lichtgevoeligheid van de chip (CCD). Bij een kleiner diafragma (aangegeven met een groter getal), hoort een langere belichtingstijd. Bij een grotere gevoeligheid van de CCD (aangegeven in ASA 10 of DIN 11 of fotogevoelige halfgeleiders in ISO 12) hoort een kortere belichtingstijd. 10

America Standard Association Deutsches Institut für Normung 12 International Organisation for Standardization 11

Louis Delbarre

81


Fig. 8.1: Consequentie belichtingskeuze

8.3.1

Bewegingsonscherpte

Bewegingsonscherpte is in het verschijnsel dat objecten op een beeld onscherp zijn als gevolg van beweging van het object en/of de camera. Dit wordt veroorzaakt doordat tijdens de beweging het object ook in de projectie in de camera beweegt waardoor het fotografisch vlak op meerdere plaatsen door hetzelfde object belicht wordt. Bewegingsonscherpte treedt meestal op doordat er een te lange sluitertijd is gekozen.

Fig. 8.2: Sluitertijd consequenties

Louis Delbarre

82


8.4 Soorten belichting 8.4.1

Inleiding

Belichting wordt gezien als de belangrijkste factor voor het slagen van een machine visie systeem. Een algoritme (programma) mag perfect werken in een testruimte, later in een productie omgeving kan deze falen. De juiste belichting moet worden gekozen voor de desbetreffende toepassing. Niet het enkele object speelt hierin een rol, ook omgevingsfactoren gaan hierin een belangrijke rol spelen. Om de invloedsfactor van omgevingslicht te reduceren is belichting nodig. De belichting zorgt ervoor dat het omgevingslicht geen impact meer heeft op het object dat wordt onderzocht. Verschillende methoden zijn hiervoor ter beschikking.

Fig. 8.3: Extern licht buitenhouden

8.4.2

Ringlight

Deze belichtingsmethode gebruikt een speciale diffusie plaat om een zeer diffuus en homogeen lichtveld te verkrijgen. Er is ook ringlicht belichting apparatuur beschikbaar welke directe LED verlichting gebruiken, die een intensiever maar minder diffuus licht bezorgen. Ringlight wordt beschouwd als een effectieve oplossing voor heel veel stukken, waar de reflectie en schaduwen problemen geven.

Louis Delbarre

83


Fig. 8.4: Ringlight (LED)

8.4.3

Spotlight

Een reeks LED’s zijn in een ring of in een rechthoekige matrix opgesteld en voorzien een zeer helder geconcentreerd licht. De directe lichtbron is geschikt voor niet reflectieve objecten, en overal waar sterke verlichting nodig wordt geacht. Dit type lichtbron bestaat ook in een strobo versie, welke de lichtsterkte verhoogt gedurende de flash.

Fig. 8.5: SpotLight Louis Delbarre

84


8.4.4

Backlight

Backlight lichtbronnen verwezenlijken een zeer homogeen licht over een groot oppervlak. Backlight verlichting kan gebruikt worden voor het meten van een heel nauwkeurige contour van een object of voor het controleren van de transparantie of semi-transparantie van een object.

Fig. 8.6: Backlight

Louis Delbarre

85


8.4.5

Darkfield ringlight

Een ring van LED verlicht het object op een zeer lage hoek tot volledig horizontal. Het laag geplaatste licht accentueert zelfs de kleinste afwijking in het oppervlak. Dit kan van toepassing zijn voor het detecteren van krassen, werktuig tekens en hoeken op reflecterende objecten. Dit type belichting wordt ook uitgevoerd in strobovorm.

Fig. 8.7: Darkfield ringlight

Alleen directe reflectie van hoeken worden waargenomen (Fig. 8.7).

8.4.6

Coaxial light

Coaxiale belichting wordt gezien als de beste oplossing voor zeer reflectiegevoelige stukken en voor stukken die bedekt zijn met een transparante laag (bijvoorbeeld objecten die worden gecontroleerd in hun blister verpakking). Er bestaan twee types van coaxiale verlichting, box type en telecentrische verlichting. Het box coaxiaal verlichtingstype wordt gebruikt voor een machine visie lenzen. De speciale coaxiale telecentrische verlichting voorziet het beste resultaat, maar kan enkel worden toegepast met telecentrische lenzen.

Louis Delbarre

86


Fig. 8.8: Coaxial light

Fig. 8.9: Omgevingslicht en coaxiaal licht

8.4.7

Dome belichting

Voor glanzende bolle en convexe objecten biedt dome (koepel) belichting een diffuus en homogeen licht zonder reflectie.

Fig. 8.10: Dome light

Louis Delbarre

87


9 CAMERA 9.1 Processing methodes Commerciële en open structuren voor machine visie software pakketten bevatten een aantal verschillende verwerkingstechnieken voor de afbeeldingen: • • •

•

• • • •

Pixel counting: telt het aantal donkere of lichte pixels Thresholding: converteert een afbeelding met grijswaarden naar een zwart-wit Segmentation: gebruikt voor het lokaliseren en/of tellen van stukken o Blob (vlek) discovery en manipulatie: onderzoekt een afbeelding voor discrete blobs van geconnecteerde pixels (vb. een zwart gat in een grijs object) als een referentiepunt voor de afbeelding. o Herkenning door componenten: extractie van geons van een visuele input. o Robuuste patronen herkenning: locatie van een object dat geroteerd kan zijn, deels verborgen onder een ander object of variërend van grootte. Barcode lezen: decoderen van een 1D of 2D code ontworpen om gelezen of gescand te worden door de machines. Optische karakter herkenning: geautomatiseerd lezen en een tekst zoals serienummers. Meten: meting van objectafmetingen. Hoekherkenning: het vinden van de hoeken van een object. Template vergelijking: het vinden, vergelijken en/of tellen van specifieke patronen.

In de meeste gevallen zal een machine visie systeem een combinatie uitvoeren van de verschillende processen om een complete inspectie te doen van het object.

Fig. 9.1: Thresholding

Louis Delbarre

88


9.2 Pixel

Fig. 9.2: Pixel

Het woord pixel is een samentrekking van de twee eerste lettergrepen van het Engelse pic-ture el-ement en staat voor een enkele punt (Eng.: dot) op het beeldscherm van de computer of in een digitaal beeld. Veel punten bij elkaar geven een beeld. Alles wat op het scherm te zien is bestaat uit een veelvoud van pixels. Een pixel is het kleinste element van een digitaal beeld. Het aantal pixels op een scherm (uit of aan) is bepalend voor de resolutie van het beeldscherm. Beeldschermen van microcomputers bestaan uit bijvoorbeeld 320 × 200 pixels, 640 × 480 pixels, tot meer dan 1000 × 1000 pixels. Hoe meer pixels beschikbaar zijn, hoe hoger de beeldkwaliteit is.

9.2.1

Binarisatie

Operatie die een grijswaarde afbeelding converteert in een monochrome afbeelding. Een afbeelding gevormd door zwart en witte pixels wordt verkregen. Enkel de meest essentiële informatie van de oorspronkelijke afbeelding wordt behouden. In de meeste gevallen, pixels behorend tot dezelfde object, hebben een zeer gelijkaardige grijswaarde en na de binarisatiie operatie worden deze samengebracht in een wit of zwart gebied. Verschillende operaties kunnen worden uitgevoerd met als enig resultaat een kleiner formaat van de afbeelding (opslagcapaciteit).

9.2.2

Afmetingen

Pixels hebben geen bepaalde grootte. Een beeldscherm met een grote oppervlakte kan evenveel pixels hebben als een scherm met een veel kleinere oppervlakte. Het weergegeven beeld op het kleinere scherm zal er dus beter uitzien aangezien ons oog op het grotere scherm de afzonderlijke pixels kan waarnemen. Dit verschil wordt vooral duidelijk wanneer een bijna horizontale lijn wordt afgebeeld: op het grotere scherm zal gemakkelijk het 'trapeffect' van de lijn zichtbaar zijn. Een maat voor het aantal pixels is DPI (dots per inch). Hiervoor geldt dat een hogere waarde meer detail geeft op hetzelfde oppervlakte. Typische DPI-waarden voor computerschermen liggen tussen de 50 en 100 DPI. Printers hebben vaak hogere DPI-waarden, waarbij foto-printers vaak enorm grote waarden adverteren. Een pixel hoeft ook niet vierkant te zijn: het kan voorkomen dat de horizontale resolutie lager is dan de verticale of andersom. Er zijn dan ook horizontale en verticale DPI-getallen. De verhouding breedte hoogte wordt vaak aangeduid met pixel ratio.

Louis Delbarre

89


Fig. 9.3: Pixel afmeting 8x8 (binarisatie)

9.2.3

Kleurinformatie

Elke pixel heeft een kleur. Die kleur wordt vaak beschreven met één of meerdere bits (een 'bit' is een afkorting voor 'binary digit'). Het aantal bits per pixel bepaalt het aantal kleuren dat een pixel kan weergeven. Een twee-bit pixel kan 4 kleuren weergeven; een 8-bit (één byte)-pixel geeft 256 kleuren weer. In het algemeen kan een pixel 2n kleuren weergeven als n het aantal bits is. Welke verschillende kleuren een pixel kan weergeven hangt niet alleen af van het aantal bits dat beschikbaar is, maar ook van de gebruikte kleurcodering. Er kan worden afgesproken dat iedere primaire kleur een aantal bits krijgt (RGB) of dat iedere unieke combinatie bits verwijst naar een bepaalde kleur in een palet. Dit laatste systeem wordt gebruikt in GIF-plaatjes, die maximaal 256 kleuren kunnen gebruiken. Hoe hoger de schermresolutie en hoe groter het aantal bits per pixel, hoe meer computergeheugen nodig is om alle informatie op het scherm te verwerken. In de allereenvoudigste weergave (1 bit = 1 pixel) kan een pixel alleen 'aan' of 'uit' staan.

9.2.4

Resolutie

Resolutie is in de computertechnologie en in de digitale beeldverwerking een term die wordt gebruikt om het aantal gebruikte pixels op bijvoorbeeld een beeldscherm te beschrijven. Hoe hoger dat aantal, hoe hoger de maximale resolutie van het scherm. Resolutie is eigenlijk het oplossend vermogen van een optisch apparaat. Door de vooruitgang in de technologie werd het mogelijk het oplossend vermogen te verbeteren. Het resultaat was dat op een in afmeting gelijkblijvend oppervlak, meer optisch actieve elementen (pixels) konden worden gerealiseerd. Wanneer de resolutie van een beeldscherm wordt verhoogd, kunnen meer pixels op dat scherm worden getoond. In de loop van de tijd werd het begrip resolutie meer en meer (oneigenlijk) toegepast voor het aanduiden van het absolute aantal pixels in plaats van het aantal pixels per oppervlak.

Louis Delbarre

90


Fig. 9.4: Resolutie

9.3 CCD/CMOS 9.3.1

CCD

Fig. 9.5: CCD

Een Charge Coupled Device of CCD is een chip die bestaat uit reeksen van condensatoren verbonden door elektronische schakelaars. Door de schakelaars beurtelings open en dicht te zetten, kunnen ladingen van de ene naar de andere kant getransporteerd worden. Een oude benaming van dit principe is: "Bucket Brigade Device", naar analogie van de emmertjesbrigade die vroeger bij brand, emmers met water doorgaf.

9.3.2

CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor of CMOS is een halfgeleidertechniek die gebruik maakt van metaal-oxide veldeffecttransistoren. CMOS-schakelingen worden veel gebruikt in geïntegreerde circuits, ook wel IC's genaamd, onder meer vanwege het relatief lage stroomverbruik van de schakelingen. Mede omwille van het lage stroomgebruik wordt CMOS-technologie gebruikt bij het fabriceren van beeldchips. Hierin is het de grootste concurrent van de CCD. Veel van de bewerkingen die bij een CCD achteraf nodig zijn worden in CMOS-chips op de chip zelf uitgevoerd, zoals versterking, ruisreductie en interpolatie. Waar bij een CCD de lading aan het eind van de hele reeks pixels omgezet wordt naar een voltage, gebeurt dit bij CMOS op elke pixel apart. In consumentenapparatuur, zeker waar een zo laag mogelijk stroomgebruik wenselijk is, worden steeds vaker CMOS-sensoren toegepast. Ze zijn ook veel goedkoper om te produceren en daarom worden ze ook steeds vaker in digitale spiegelreflexcamera's toegepast.

Louis Delbarre

91


9.3.3

Toepassingen

CCD's worden toegepast als vertragingslijn in onder andere televisieontvangers maar zijn vooral bekend als de chips die een fotografisch beeld kunnen omzetten in een elektrisch signaal. Hierbij wordt gebruikgemaakt van door lichtfotonen gegenereerde elektronen die in de condensatoren verzameld worden. De chip bevat hier meerdere rijen CCD's die onderling ook weer gekoppeld zijn. Door elektrische spanningen op een bepaalde manier aan te brengen kunnen er in sommige condensatoren elektronen verzameld worden en in sommige niet. De condensatoren die geen lading kunnen verzamelen dienen ervoor om condensatoren die wel lading kunnen verzamelen, elektrisch van elkaar te scheiden. De condensatoren die aan licht blootgesteld worden verzamelen een bepaalde lading elektronen afhankelijk van de hoeveelheid licht. De lading wordt naar het uitleescircuit getransporteerd door de spanningen op de condensatoren op een slimme manier te schakelen. Voor oude, analoge videocamera's werd dit signaal zonder veel nabewerking rechtstreeks als videosignaal afgeleverd. Voor digitale foto- en videocamera's wordt het eerst gedigitaliseerd. De CCD bevindt zich achter de lens van een digitale camera. Het opgevangen licht wordt omgezet in een elektrisch signaal. Dit signaal wordt vervolgens door een andere chip omgezet in een digitaal signaal, bestaande uit uitsluitend 1-en en 0-en. Deze laatste gegevensvorm kan door de computer begrepen worden. Een CMOS-sensor bestaat uit een groot aantal lichtgevoelige fotodioden. Doorgaans liggen deze fotodioden strak gerangschikt in horizontale en verticale banen. Er is echter één probleem: de fotodiodes op de CMOS en CCD zijn kleurenblind. Dit probleem wordt opgelost door een speciale filter op de CCD te plaatsen. Deze filter verdeelt de fotodiodes in drie groepen, één groep die de kleur rood meet, één groep voor groen en één groep voor blauw. Zo ontstaan er dus eigenlijk drie afbeeldingen die gecombineerd worden tot één afbeelding. Dit proces wordt ook wel Software Interpolatie genoemd.

Fig. 9.6: CDD/CMOS

Een voordeel van een CCD is dat deze veel lichtgevoeliger is dan de in conventionele camera's gebruikte film. Daarom worden CCD's veel gebruikt bij astronomie. Wat bij film uren zou kosten om te registreren, kan door middel van een CCD in een paar minuten worden vastgelegd. Een bijverschijnsel van het principe van de CCD is wel dat als een heldere ster in beeld staat deze tijdens het transport van het beeld ook nog de condensatoren ontlaadt, wat dan als een lichte streep in het uiteindelijke beeld te zien is.

Louis Delbarre

92


10 MVBLUELYNX 10.1 Inleiding

Fig. 10.1: mvBlueLYNX

De mvBlueLYNX is een compacte PowerPC met een grijsschaal of kleur videocamera, beschikkend over een flash geheugen en een SDRAM. Het integreert een hoge resolutie CCD of een CMOS sensor. Het compact Linux OS en de interface zorgen voor een voortreffelijke integratie in het netwerk. Om de intelligente camera flexibel en eenvoudig in een industriële applicatie te integreren beschikt de mvBlueLYNX over beeldverwerkingsoftware: mvIMPACT. mvBlueLYNX maakt het ook mogelijk een applicatie te ontwikkelen in C/C++ op een PC en later te installeren op de mvBlueLYNX. De mvBlueLYNX vervangt een complete PC gebaseerd beeldverwerkingssystemen, verschillende sensoren (vb. lichtschermen, kleuren sensoren, laser sensoren, …). De mvBlueLYNX is geschikt voor volgende taken: 2D /3D-metingen OCR, OCV barcode lezen DataMatrix code lezen Patroon herkenning Kleur controle Productie controle en bewaking Robotics Inspectie

Louis Delbarre

93


10.2 mvBlueLYNX nomenclatuur De mvSENSOR werd in november 2002 hernoemd naar mvBlueLYNX Met mvBlueLYNX nomenclatuurschema ziet er als volgt uit: Type: mvBlueLYNX - MXYZAB Betekenis: M: module = single-board version | | | X:mvBlueLYNX generation | case | PCBs | note | ------+------+------------------------| 1 old | old | 50 MHz, old mvSENSOR | 2 new | new | 100 MHz | 3 | | | 4 new | new | 200 MHz |_5 | | 400 MHz, module 6 new | new | 400 MHz | | | Y:sensor type | 0 CMOS | 2 CCD | 4 line scan | | | | | | Z:sensor resolution | | area | line scan | | -----------+---------------| | 0 640x480 | 0.5 K | | 1 1024x768 | 1 K | | 2 1280x1024 | 2 K | | 3 | | | 4 1600x1200 | | | | | | | | | | A:sensor color | | | G gray scale | | | C color | | | | | | | | | | | | B:base system version | | | | _ mimimal version, RS232 only | | | | X extended version with all interferfaces | | | | | | | | | | M X Y Z A B Voorbeelden: mvBlueLYNX-100GX

old mvSENSOR with 640x480 CMOS gray

mvBlueLYNX-400C

new BL, 200 MHz, 640x480, CMOS, color, no interface options

mvBlueLYNX-620GX

new BL, 400 MHz, 640x480, CCD, gray scale

mvBlueLYNX-M520G

mvBlueLYNX module, 400 MHz, 640x480, CCD, gray scale

Louis Delbarre

94


10.3 Implementatie 10.3.1 Hardware In de volgende paragrafen wordt duidelijk gemaakt hoe de basis hardware installatie en de netwerkinstellingen voor communicatie tussen PC en mvBlueLYNX. De mvBlueLYNX connecteren: → Volgende kabels dienen aangesloten te zijn om gebruik te maken van de mvBlueLYNX: 1. 2. 3. 4.

Connecteer de netwerk kabel met de mvBlueLYNX en de PC of netwerk Connecteer de seriële kabel met de mvBlueLYNX en op een vrije COM-poort van de PC. Connecteer indien externe I/O’s gebruikt worden, moeten deze ook verbonden worden Connecteer indien een externe monitor gebruikt wordt, koppel deze dan op de VGA poort.

Note: In this case the PicoGUI may not be started. If necessary please remove the PicoGUI entry from the init sequence with startmv -x after the first boot of the mvBlueLYNX By default the PicoGUI starts automatically on o o

mvBlueLYNX-6xx standard delivery mvBlueLYNX Starterkits

5. Verbindt de voedingskabel en schakel de mvBleuLYNX in.

De LED’s geven de mogelijkheid om te controleren of de connectie goed tot stand is gekomen. De voeding wordt weergegeven met een groen LED(4) op de mvBlueLYNX. De netwerkconnectie wordt zichtbaar wanneer LED(6) groen oplicht en de netwerk data transfer door het pinken van een oranje LED(7). Beide LED’s zijn aanwezig op de RJ45 netwerkconnector.

Louis Delbarre

95


Fig. 10.2: De status LED’s (-2xx / -4xx)

Fig. 10.3: De LAN LED’s

The Status LED’s

Louis Delbarre

Number

Letter

Meaning

1

S

System message: This LED will flash between image acquisition and the end of the snap (when the exposure is finished)

2

X

eXpose: More precisely, this LED flashes during the image acquisition, not only during the expose

3

E

Error: In the case of an error the LED’s X,S,1..4 show a internal error code -> e.g. fatal error, the initialisation was unsuccessful

4

P

Power ON

5

1,2,3,4

User defined: You can set the LED’s with the function \c set_leds(leds)

96


10.3.2 Seriële communicatie De instellingen voor communicatie kunnen gebeuren via terminal programma. Met Windows® is het mogelijk om via het standaard terminal programma HyperTerminal een nieuwe communicatie tot stand brengen met volgende waardes: • • • • •

Bits per seconde: 115200 Data bits: 8 Pariteit: none Stop bits: 1 Flow control: none

Na deze instellingen te hebben ingevoerd verschijnt de Linux® prompt van de mvBlueLYNX in het terminal programma. Login userid en paswoord. Bij de Default instellingen staan userid en paswoord standaard op‘root’. Als de prompt “Listening at port 10000” verschijnt, dan is de mvserver actief.

Louis Delbarre

97


11 DE SCS1 LEOPARD SMARTCAMERA 11.1 Inleiding

Fig. 11.1: SCS1 Leopard Smartcamera

Fig. 11.2: Opbouw SCS1 Leopard

De SCS1 smart camera biedt visuele inspectie en identificatie functionaliteiten, met de eenvoud en dimensies van een geavanceerde sensor. Applicaties omvatten veelvuldige metingen, oppervlaktecontrole en object positionering. Verder is het mogelijk met de SCS1 modellen een OCR/OCV herkenning uit te voeren alsmede een 1D barcode en de 2D datamatrix verwerking. De belichting kan geïntegreerd worden in de behuizing of extern worden aangebracht. De sensor is volledig geïntegreerd apparaat en kan werken in een stand-alone mode. De configuratie wordt tot stand gebracht door een host PC via een Ethernet poort, door gebruik te maken van een gebruiksvriendelijke interface.

Louis Delbarre

98


11.2 USEasy PC graphic user interface setting Een visie applicatie is gebaseerd om vergelijking van het huidig beeld aan het inspectie punt met een referentie template. De SCS1 is gebaseerd op een CMOS image sensor, met 640x480 pixel resolutie, met functies op een 256 level grijsschaal. De ingewikkelde afbeeldingstools benutten de informatie gelinked aan ieder afzonderlijke pixel om het mogelijk te maken, dat de inspectie specificaties gerespecteerd worden.

Fig. 11.3: Usersinterface USEasy

Main menu: omvat alle programma management opties onderverdeeld in categorieën. Toolbar: omvat al de meest frequent gebruikte functies present in het menu. Toolbox: deel van het scherm dat de vierkante iconen bevat, deze stellen de gedetailleerde tools voor, onderverdeeld in categorieën (Triggers, Locators, Controls, Analysis, Output). Image: deel dat de visualisatie van de afbeelding die wordt verwerkt bevat. Status bar: deel algemene informatie bevat zoals de systeem status , geselecteerde tool, cursor coördinaten. Operating list: deze tabel stelt al de operationele stappen voor die nodig zijn om een inspectie door te voeren. De tool name, tool type, operating status (OK/Failure/Error) en het numerieke resultaat worden geaccentueerd bij iedere. Parameters: omvat parameters relatief tot het geselecteerd tool (gedurende de setup). Graph: representeert lichtverdeling en zijn afgeleide.

Louis Delbarre

99


11.3 Integratie 11.3.1 Wizard De creatie van een inspectie gids ij de wizard, laat toe nieuwe gebruikers een configuratie te installeren. Zeven opeenvolgende stappen worden hiervoor doorlopen.

Stap 1: Live: regeling van parameter relatief tot de afbeelding Stap 2: Inspectie type selectie Stap 3: Trigger selectie Stap 4: Locatie selectie Stap 5: Locatie positionering Stap 6: Controle positionering Stap 7: Output selectie

Integratie van de smartcamera wordt uitgevoerd via de handleiding van datasensor.

Fig. 11.4: Logo SCS1 Leopard

Louis Delbarre

100


12 BESLUIT 12.1 Algemeen besluit Met de uitgevoerde optimalisaties als output voldoet dit project aan de doelstellingen. De belangrijkste outputs zijn: -

-

-

-

-

Het ontwerp van de democel wordt gebruikt naar zijn doelstelling. Om naar een productieomgeving over te stappen, wordt aangeraden de grijper te herontwerpen. Advies hieromtrent zou een grotere grijper zijn om vier potten per beweging uit de tray te halen op de transportband te plaatsen. Verder kunnen twee stokken per keer in een pot geplaatst worden. Aan de aan- en afvoer van de tray moeten wijzigingen gebeuren om efficiënter met de aan en afvoer van de potten om te gaan. Wanneer de productie nog sneller/efficienter moet gebeuren kan worden overgegaan naar meerdere robots die elk een deel van het productieproces op zich nemen. Nadeel hiervan echter is het kostenplaatje, de integratie van meerdere robots in een applicatie gaat er logischerwijs voor zorgen dat de prijs sterk toeneemt. Een goede analyse voor de return on investment moet worden gemaakt. Een volledig werkende democel die voldoet aan de vooropgestelde eisen te vinden in de doelstellingen. Bewijs hiervan is de aanwezigheid van de democel om de Agril Flanders beurs in Gent en de IPN Messe in Essen. Op beide beurzen werden interessante verkennende gesprekken gevoerd met geïnteresseerden. Na de beurzen werden nog details aangepast om de democel te optimaliseren. Een naslagwerk over hoe een keuze kan gemaakt worden van een machine visie systeem. De studie vertelt waar rekening mee moet gehouden worden bij de keuze van belichting, lens, enz. Verschillende termen worden uitvoerig besproken en indien nodig verduidelijkt met afbeeldingen en/of voorbeelden. In deze applicatie werd de keuze gemaakt om een backlight als lichtbron te gebruiken met een mvBlueLYNX camera. Deze camera zorgt voor problemen bij het opstarten van de communicatie. De DHCP server en een vast IP adres zijn beiden actief op de camera. De camera moet volledig gereset en hergeïnstalleerd worden. Door de beperkte tijd die nog voor handen was, zijn we overgegaan tot een gebruiksvriendelijkere omgeving en andere camera, de smartcamera SCS1 van Leopard. Met de smartcamera SCS1 van Leopard (gebruik makend van geïntegreerd ringlight) wordt de opgedane kennis uit de studie in de praktijk omgezet. Termen al threshold, edge herkenning, blob analyse, patroonherkenning, enz. worden bestudeerd en uitgewerkt met kleine voorbeelden met behulp van de handleiding.

Een bewijs dat Stäubli en Degramec beiden een positief rapport hebben afgeleverd over deze democel is de aankoop van een SCARA robot bij Stäubli door Degramec. Deze robotcel is reeds volledig operationeel.

Louis Delbarre

101


12.2 Persoonlijk besluit Het is niet altijd even gemakkelijk geweest de motivatie hoog te houden, door enkele tegenslagen die zich voordeden. Gedurende het eerste semester van het academiejaar (2006-2007) werd het ontwerp en de programmatie van robot verzorgd, met het oog op de opgestelde planning. Het doel was om in het tweede semester uitgebreid werk te maken van het visiesysteem. Daar zijn echter wat tegenvallende gebeurtenissen geweest. Tijdens de ontwerpfase heb ik kennis gemaakt met verscheidene nieuwe producten zowel uit de pneumatica, als op vlak van robotica e.a. . Daarom zijn deze niet allemaal geïntegreerd geweest in het eindwerk. Het eindresultaat mag uiteindelijk gezien worden en ik moet persoonlijk toegeven dat ik trots ben dat de democel zowel in Duitsland als Gent op een beurs hebben gestaan. In het tweede semester heb ik werk gemaakt van het visiesysteem, echter na de tegenslagen ben ik niet bij de pakken blijven zitten. In samenspraak met externe en interne promotor heb ik een studie rond een mogelijke implementatie rond een visiesysteem gemaakt. Ondervonden problemen: Stäubli ligt onder contract met een leverancier voor visiesystemen, Cognex. De contactpersoon had ons reeds in september een camera toegewezen. Deze hebben we bij Stäubli nooit ontvangen en de contactpersoon in kwestie heeft niet meer van zich laten horen, ook niet na herhaaldelijk contact te hebben opgenomen. Toen was het probleem niet zo groot, er was nog werk genoeg met ontwerp en programmatie. Dhr. Paddeu nam bij de start van het tweede semester contact op met een volgend contactpersoon. Na een eerste kennismakend gesprek zag alles er veelbelovend uit. De firma was bereid ons een stuk te helpen bij de ontwikkeling van het algoritme en de mogelijke implementatie. Maar toen kwam de kat uit de mouw, het prijskaartje, … . Uiteindelijk werd de firma AIMS Optronics gevonden. Deze mensen waren onmiddellijk bereid een camera ter beschikking te stellen, de mvBlueLYNX. Na problemen met de communicatie en het naderen van de examenperiode werd deze terug ingeleverd. In de korte periode die nog ter beschikking was na de examens zijn kleine tests uitgevoerd met een smartcamera, de SCS1 Leopard van Datasensor. Uiteindelijk heb ik gedurende dit jaar op verschillende vlakken veel bijgeleerd. Op de industriële werkvloer komen nog zoveel meer factoren in aanmerking die op academisch niveau worden gevoeld (leveringstermijnen, leveranciersvergadering, de hulp die niet altijd voor handen is, …). Over visiesystemen die aan een grote opmars bezig zijn in de automatiseringswereld, zijn een aantal termen duidelijk geworden. Ik besef me echter wel dat dit een complexe wereld is en ik slechts kennis heb verworven van het topje van de ijsberg. Nogmaals dank ik allen die geholpen hebben bij de verwezenlijking van mijn eindwerk.

Louis Delbarre

102


13 BIBLIOGRAFIE Software Stäubli Robitics Studio: 3.1.0.12936, © copyright 2004 - 2006, Stäubli SA VAL3 Studio 3.1.0.12741, © copyright 2004 - 2006, Stäubli SA CS8 Emulator Version S5.3, © copyright Stäubli SA SRS – 3D Studio 1.0.0.12912, © copyright 2006, Stäubli SA Transfer Manager 3.1.0.12752, © copyright 2004 – 2006, Stäubli SA SolidEdge V15 Microsoft Visio: tekenen pneumatische schema’s Internet http://www.staubli.com: datasheets, handleidingen, bedrijfsvoorstelling http://www.degramec.be: bedrijfsvoorstelling http://www.festo.be: datasheets, downloaden tekeningen ontwerpfase http://www.shunk.nl: keuze grijper http://www.omron.be: online datasheets voor aansluiting sensor http://www.hitachi.com: aansluiten frequentieomvormer Boeken: SEW eurodrives, het selecteren van aandrijvingen, uitgave 11/2001: berekeningen transportband Opleiding Stegemann Philip, opleiding Programmer VAL3, 11– 15 September 2006

Louis Delbarre

103


14 BIJLAGE 14.1 Bereik robot

Louis Delbarre

104


TX90 Werk bereik R.M max. bereik tussen as 1 en 5 R.M max. bereik tussen as 2 en 5 R.m1 min. bereik tussen as 1 en 5 R.m2 min. bereik tussen as 2 en 5 R.b bereik tussen as 3 en 5 Max. snelheid met gewicht in center van gravitatie Herhaalbaarheid bij constante temperatuur

900 mm 850 mm 200 mm 256 mm 425 mm 10.42 m/s ±0.03 mm

Slingerwijdte, snelheid, resolutie, herhaalbaarheid As Slingerwijdte(°) Werkbereik verdeling(°)

1 360 A ± 180

3 280 C ± 145

4 540 D ± 270

5 255 E + 140

6 540 F ± 270

250

2 277.5 B + 147.5 - 130 200

Nominale snelheid (°/s) Maximale snelheid (°/s) Hoed resolutie (°.10-³)

300

430

350

600

400

400

400

500

450

720

0.057

0.057

0.057

0.057

0.122

0.183

Lage snelheid in manuele stand: 250 m/s op het tool centerpunt en 45°/s op elke verbinding Maximale cartesiaanse snelheid: 2.5m/s

Louis Delbarre

105


14.2 Dimensies TX90

Louis Delbarre

106


14.3 Microhoekgrijper

Louis Delbarre

107


Louis Delbarre

108


Louis Delbarre

109


Louis Delbarre

110


Louis Delbarre

111


14.4 DSNU

Louis Delbarre

112


14.5 Drukreduceerventiel

Louis Delbarre

113


14.6 Hitachi frequentieomvormer

Louis Delbarre

114


14.7 SCS1 Leopard Smartcamera 14.7.1 Dimensies

Louis Delbarre

115


14.7.2 Technische Data

Louis Delbarre

116

Academiejaar Voorwoord

Recommend Documents