กล้องภาพถ่ายอุตสาหกรรมเทียบกับกล้องอุตสาหกรรม: ความแตกต่างที่สำคัญที่ควรรู้

อะไรคือสิ่งที่กำหนดกล้องวิชันแมชชีน?

ข้อกำหนดทางเทคนิคหลัก: โกลบอลชัตเตอร์, ความแม่นยำของทริกเกอร์ และการเชื่อมต่อผ่าน SDK

กล้องวิชันสำหรับเครื่องจักรอุตสาหกรรมไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อความทนทานเท่านั้น แต่ยังต้องให้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอทุกครั้งที่ใช้งาน สิ่งใดที่ทำให้กล้องเหล่านี้โดดเด่น? ก็คือการใช้เทคโนโลยีชัตเตอร์แบบโกลบอล (global shutter tech) ซึ่งสามารถจับข้อมูลภาพทั้งหมดในเวลาเดียวกัน จึงไม่เกิดภาพเบลอจากการเคลื่อนไหว แม้วัตถุจะเคลื่อนที่เร็วกว่า 5 เมตรต่อวินาที อีกหนึ่งคุณสมบัติสำคัญคือการทริกเกอร์ด้วยฮาร์ดแวร์ที่ทำงานได้ละเอียดถึงระดับไมโครวินาที ทำให้มั่นใจได้ว่าทุกอย่างจะสอดคล้องกันอย่างแม่นยำกับการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์หรือการทำงานของสายพานลำเลียง และด้วยการผสานรวม SDK ผ่านมาตรฐาน GenICam กล้องเหล่านี้สามารถทำงานร่วมกับระบบ PLC ส่วนใหญ่และแพ็กเกจซอฟต์แวร์วิชันได้อย่างราบรื่น ผลลัพธ์ที่ได้คือ บริษัทต่างๆ สามารถนำระบบควบคุมคุณภาพมาใช้งานได้เร็วขึ้นมาก โดยไม่จำเป็นต้องเขียนไดรเวอร์เฉพาะเองตั้งแต่ต้น ซึ่งตามรายงานของอุตสาหกรรมระบุว่าสามารถประหยัดเวลาในการติดตั้งได้ประมาณสองในสามของเวลาปกติ

การประยุกต์ใช้งานหลัก: การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ, การนำทางหุ่นยนต์, และการวัดขนาดระดับซับพิกเซล

ข้อมูลจำเพาะทางเทคนิคของระบบนี้เปิดโอกาสให้ใช้งานได้สามด้านที่สำคัญมากในภาคการผลิต เมื่อพูดถึงงานตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติ หรือ AOI เซนเซอร์ชัตเตอร์โกลบอลความละเอียดสูงสามารถตรวจจับข้อบกพร่องเล็กๆ บนแผ่นวงจรพิมพ์ได้แม่นยำเกือบสมบูรณ์แบบ คืออัตราการตรวจจับสูงถึง 99.9% มาพูดถึงการนำทางหุ่นยนต์กันบ้าง การประมาณค่าพิกัด 3 มิติแบบเรียลไทม์ทำให้เครื่องจักรสามารถวางชิ้นส่วนได้อย่างแม่นยำและสม่ำเสมออย่างยิ่ง โดยมีความคลาดเคลื่อนเพียงประมาณ ±0.05 มม. ในการดำเนินการหยิบและวาง จากนั้นคือการวัดขนาดระดับซับพิกเซล ซึ่งใช้เซนเซอร์ที่ผ่านการปรับเทียบแล้วร่วมกับคณิตศาสตร์ขั้นสูง เพื่อให้เห็นรายละเอียดที่เล็กกว่าขนาดของพิกเซลเดียว สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการจัดแนวเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งผู้ผลิตต้องการค่าความคลาดเคลื่อนที่ต่ำกว่าหนึ่งไมโครเมตร อะไรคือสิ่งที่ทำให้ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นได้? ระบบกล้องเหล่านี้มองการถ่ายภาพในเชิงการวัดที่แม่นยำ ไม่ใช่เพียงแค่การถ่ายภาพธรรมดา ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมพวกเขาจึงสามารถให้ผลลัพธ์ที่โดดเด่นเช่นนี้ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่แตกต่างกัน

กล้องอุตสาหกรรมคืออะไร

ลำดับความสำคัญในการออกแบบ: ตัวเรือนทนทาน ช่วงอุณหภูมิการใช้งานกว้าง และการปิดผนึกกันฝุ่นกันน้ำระดับ IP67+

เมื่อพูดถึงกล้องอุตสาหกรรม ผู้ผลิตมักจะให้ความสำคัญกับการรักษาระบบให้ทำงานได้อย่างเชื่อถือได้มากกว่าการจับภาพที่สมบูรณ์แบบ กล้องเหล่านี้โดยทั่วไปจะมาพร้อมกับตัวเรือนที่แข็งแรง ทำจากโลหะหรือพลาสติกเสริมแรง ซึ่งสามารถทนต่อการใช้งานที่รุนแรง การสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง หรือแม้แต่สารเคมีที่รุนแรงโดยไม่เสียหาย ส่วนใหญ่รุ่นต่างๆ สามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิกว้างขวาง ตั้งแต่ลบ 20 องศาเซลเซียส ไปจนถึง 70 องศาเซลเซียส และโดยปกติจะมีมาตรฐาน IP67 หรือสูงกว่าในการป้องกันฝุ่นและน้ำ ทำให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมต่างๆ เช่น โรงงานแปรรูปอาหารที่ต้องทำความสะอาดเป็นประจำ คลังเย็น หรือสถานที่ใดๆ ที่ต้องการการตรวจสอบกลางแจ้ง คุณสมบัติด้านการออกแบบ เช่น ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟ ขั้วต่อที่เรียบง่ายอย่างขั้ว M12 และเฟิร์มแวร์ที่เรียบง่าย ช่วยให้กล้องเหล่านี้ทำงานต่อเนื่องได้นานขึ้น อย่างไรก็ตาม ความทนทานที่เพิ่มขึ้นมักจะต้องแลกมากับบางสิ่ง เช่น ตัวเลือกการทริกเกอร์ที่ซับซ้อน การถ่ายโอนข้อมูลความเร็วสูง หรือการปรับแต่งเซนเซอร์อย่างละเอียด มักจะถูกมองข้ามเมื่อออกแบบเพื่อความทนทานเป็นหลัก

กรณีการใช้งานทั่วไป: การตรวจสอบกระบวนการอย่างต่อเนื่อง, OCR พื้นฐาน, และการเฝ้าสังเกตในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

สิ่งที่กล้องเหล่านี้โดดเด่นจริงๆ คือสถานการณ์ที่ต้องการการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องมากกว่าความละเอียดของภาพในแต่ละพิกเซล ตัวอย่างเช่น การเฝ้าสังเกตระดับของของเหลวในถังตลอดทั้งวัน การตรวจสอบว่าสายพานลำเลียงยังทำงานได้ตามปกติหรือไม่ หรือเพียงแค่ตรวจสอบว่าเครื่องจักรไม่เกิดขัดข้อง นอกจากนี้ยังสามารถจัดการงานอ่านตัวอักษรเบื้องต้น (OCR) เพื่ออ่านหมายเลขซีเรียลหรือแยกประเภทพัสดุได้อีกด้วย และแน่นอนว่าต้องไม่ลืมจุดที่มีสภาพแวดล้อมหนักหน่วง ซึ่งกล้องทั่วไปคงใช้งานได้ไม่ถึงนาที เช่น ภายในพื้นที่ทำเหมืองลึก หรือบริเวณที่มีสารกัดกร่อนในสถานีบำบัดน้ำเสีย ตามรายงานอุตสาหกรรมฉบับล่าสุดปี 2023 ผู้จัดการโรงงานส่วนใหญ่ให้ความสำคัญกับความทนทานต่อสภาพแวดล้อมมากกว่าคุณภาพของภาพสำหรับการใช้งานเหล่านี้ ซึ่งก็เข้าใจได้ เพราะภาพที่คมชัดจะมีประโยชน์อะไร ถ้ากล้องพังหลังจากใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเพียงหนึ่งสัปดาห์ สำหรับการปฏิบัติงานจริงแล้ว สมรรถนะที่เชื่อถือได้ย่อมเหนือกว่าสเปกที่หรูหราเสมอ

ความแตกต่างเชิงหน้าที่ที่สำคัญ: การทำให้อัตโนมัติ สมรรถนะ และการผสานรวม

การควบคุมและซิงโครไนซ์แบบเรียลไทม์: การทริกเกอร์ด้วยฮาร์ดแวร์, เฟรมกราบเบอร์, และความหน่วงที่กำหนดได้อย่างแน่นอน

การจับเวลาแบบกำหนดได้คือสิ่งที่ทำให้กล้องวิชันซิสเต็ม (machine vision cameras) มีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อระบบอัตโนมัติแบบลูปปิด เครื่องเหล่านี้ใช้ทริกเกอร์แบบฮาร์ดแวร์ในการประสานช่วงเวลารับแสงกับสัญญาณภายนอก เช่น สัญญาณพัลส์จากอินโคเดอร์ หรือเอาต์พุตจาก PLC ได้อย่างแม่นยำถึงระดับเศษส่วนของไมโครวินาที เมื่อนำมาใช้ร่วมกับเฟรมกรับเบอร์ จึงสามารถถ่ายโอนภาพได้ในเวลาไม่ถึงหนึ่งมิลลิวินาทีอย่างสม่ำเสมอ แต่สำหรับกล้องที่ใช้ทริกเกอร์ผ่านซอฟต์แวร์นั้น จะติดขัดอยู่กับการรอระบบปฏิบัติการจัดสรรงาน ทำให้เกิดความล่าช้าประมาณ 10-50 มิลลิวินาที ซึ่งเป็นที่น่ารำคาญใจสำหรับทุกคน (Vision Systems Design รายงานไว้ในปี 2023) ลองจินตนาการถึงสายพานลำเลียงที่เคลื่อนที่เร็ว 1 เมตรต่อวินาที ความล่าช้าเพียงห้ามิลลิวินาที หมายถึงตำแหน่งคลาดเคลื่อนไปถึงห้ามิลลิเมตร ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้งานประกอบที่ละเอียดที่สุดล้มเหลวได้ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมระบบทัศน์เครื่องจักรที่จริงจังจึงต้องอาศัยเส้นทางการประมวลผลภาพเฉพาะทางและระบบปฏิบัติการแบบเรียลไทม์ตั้งแต่เริ่มต้น ไม่มีที่ว่างสำหรับการคาดเดาเมื่อความแม่นยำคือสิ่งสำคัญ

เกณฑ์การวัดประสิทธิภาพการถ่ายภาพ: ไดนามิกเรนจ์, อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR), และความสม่ำเสมอในระดับพิกเซลสำหรับการวัด

การได้มาซึ่งค่าการวัดที่แม่นยำจำเป็นต้องใช้ระบบถ่ายภาพที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับความละเอียดแม่นยำ ไม่ใช่เพียงแค่ค่าประมาณ การ์ดกล้องเครื่องจักรรุ่นใหม่สามารถให้ช่วงไดนามิกมากกว่า 120 dB ซึ่งหมายความว่ากล้องเหล่านี้สามารถจับรายละเอียดเล็กๆ ในพื้นที่มืดของยางสีดำด้าน ขณะเดียวกันก็ยังสามารถตรวจจับแสงสะท้อนจากพื้นผิวโครเมี่ยมที่สว่างจ้าได้พร้อมกัน กล้องประเภทนี้โดยทั่วไปมีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) อยู่ระหว่าง 40 ถึง 50 dB ทำให้รักษาระดับคอนทราสต์ที่ดี และขอบที่คมชัดไว้ได้ระหว่างการตรวจสอบในสภาพแสงที่สลัว ซึ่งเหนือกว่ากล้องอุตสาหกรรมทั่วไปที่มักให้ค่าต่ำกว่า 35 dB โดยในระดับนี้ สัญญาณรบกวนจากพื้นหลังจะเริ่มรบกวนค่าการวัดขนาด การสอบเทียบในโรงงานช่วยให้มั่นใจว่าเซนเซอร์เหล่านี้จะคงค่าเบี่ยงเบนไว้ที่ประมาณ 0.05% ตลอดทั้งพิกเซลทั้งหมด ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวัดระดับย่อยพิกเซลที่มีความแม่นยำสูงมาก จากการศึกษาระบบตรวจสอบด้วยแสงแบบอัตโนมัติ พบว่าความไม่สม่ำเสมอเพียง 2% ในการตอบสนองของเซนเซอร์ อาจนำไปสู่การปฏิเสธชิ้นงานผิดพลาด คิดเป็นมูลค่าประมาณ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อปี ตามรายงานการวิจัยของสถาบันโพนีแมนในปี 2023 นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมอุปกรณ์ระดับการวัดที่แท้จริงจึงแตกต่างจากกล้องอุตสาหกรรมทั่วไป เมื่อพิจารณาถึงผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอ

เหตุใดจึงมีความสับสนในศัพท์ทางเทคนิค—และวิธีการเลือกอย่างถูกต้อง

มีความคล้ายคลึงกันมากระหว่างคำเรียกกล้องมองภาพด้วยเครื่องจักร (machine vision) และกล้องอุตสาหกรรม เนื่องจากทั้งสองประเภทมักได้รับการออกแบบให้มีความทนทานผู้ผลิตมักจะกล่าวถึงคุณสมบัติต่าง ๆ เช่น การป้องกันตามมาตรฐาน IP67 และการทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิสุดขั้ว แต่เมื่อมองลึกลงไปภายใต้ความคล้ายคลึงกันเหล่านี้ จะเห็นถึงความแตกต่างที่สำคัญ กล้องอุตสาหกรรมถูกออกแบบมาเพื่อความทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ในขณะที่กล้องสำหรับระบบ machine vision มุ่งเน้นไปที่การวัดค่าอย่างแม่นยำสำหรับกระบวนการทำงานแบบอัตโนมัติ ปัญหาจะเกิดขึ้นเมื่อบริษัทพยายามใช้อุปกรณ์ระดับอุตสาหกรรมในงานที่ต้องการความแม่นยำสูงระดับเศษส่วนของพิกเซล หรือการซิงค์เวลาในระดับไมโครวินาที ความต้องการดังกล่าวไม่ได้ถูกออกแบบไว้ใน DNA ของกล้องอุตสาหกรรม

เพื่อการเลือกอย่างถูกต้อง:

• ให้ความสำคัญกับความต้องการของการประยุกต์ใช้งาน : เลือก กล้องวิชั่นแมชชีน หากการใช้งานของคุณต้องการโหมดชัตเตอร์แบบกลอปเปอร์ (global shutter), การทริกเกอร์ด้วยฮาร์ดแวร์ที่น้อยกว่า 1 ไมโครวินาที หรือการผสานรวม SDK ที่สอดคล้องกับมาตรฐาน GenICam — สำหรับงาน AOI, การนำทางหุ่นยนต์ หรือการวัดขนาด สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่คุณสมบัติเสริม แต่เป็นพื้นฐานสำคัญ
• ประเมินความต้องการด้านสิ่งแวดล้อม : เลือกกล้องชนิด กล้องอุตสาหกรรม เฉพาะสำหรับการตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง, OCR พื้นฐาน หรือการเฝ้าระวังในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง — โดยให้ความสำคัญกับความทนทานต่อแรงกระแทก, ความสามารถในการทำความสะอาดด้วยน้ำ หรือการทำงานตลอด 24/7 มากกว่าความแม่นยำของภาพ
• พิจารณาความซับซ้อนของการผสานระบบ : ระบบเครื่องจักรเพื่อการมองเห็น (machine vision) ต้องการไดรเวอร์ที่ได้รับการรับรอง ความเข้ากันได้กับเฟรมกราบเบอร์ และการสื่อสารที่แน่นอน (deterministic) กับ PLC หรือซอฟต์แวร์ด้านวิชัน กล้องอุตสาหกรรมโดยทั่วไปทำงานเป็นแหล่งสัญญาณวิดีโอแบบอิสระ
• ตรวจสอบขีดจำกัดด้านประสิทธิภาพอย่างละเอียด : สำหรับการตรวจสอบเชิงปริมาณ ต้องกำหนดให้มีไดนามิกเรนจ์ ≥70dB อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) >40dB และความสม่ำเสมอของพิกเซล <0.1% เกณฑ์เหล่านี้แทบจะไม่พบในโมเดลกล้องอุตสาหกรรมที่วางตลาดเพื่องานด้านวิชัน

เลือกกล้องให้เหมาะสมกับระดับความแม่นยำ ความเร็ว และความลึกของการผสานระบบอัตโนมัติของคุณ — ไม่ใช่แค่ตามค่าระดับการป้องกันตัวเรือนเท่านั้น