วิธีการเลือกตัวควบคุมแสงสำหรับระบบเครื่องจักรมองเห็น: คู่มือ

เอ เครื่องควบคุมแสงสำหรับระบบวิสัยทัศน์ของเครื่องจักร ไม่ใช่เพียงแค่แหล่งจ่ายไฟที่วางอยู่ระหว่างแสงกับกล้องเท่านั้น แต่ยังกำหนดความสม่ำเสมอในการขับไดโอดเปล่งแสง (LED) ช่วงเวลาที่แสงส่องมาถึงเมื่อเทียบกับระยะเวลาการรับแสง (exposure) และความเสถียรของภาพเมื่อความเร็วของสายพานหรือสภาพแวดล้อมภายนอกเปลี่ยนแปลง สำหรับผู้รวมระบบ (system integrator) คำถามเชิงปฏิบัติที่แท้จริงจึงไม่ใช่ “ตัวควบคุมรุ่นใดให้แสงสว่างมากที่สุด” แต่เป็น “ตัวควบคุมรุ่นใดสามารถสร้างภาพที่ทำซ้ำได้แน่นอนสำหรับแสง กล้อง และงานตรวจสอบนี้”

คู่มือนี้นำเสนอวิธีการเลือก แสงมองเครื่อง ตัวควบคุมโดยยึดหลักความต้องการเป็นสำคัญ เริ่มต้นจากการวิเคราะห์เป้าหมายการตรวจสอบและลำดับการจับภาพ จากนั้นจึงตรวจสอบข้อกำหนดด้านไฟฟ้า การจับเวลา อุณหภูมิ และการผสานรวม ก่อนจะเปรียบเทียบแบบจำลองต่าง ๆ

เริ่มต้นจากการวิเคราะห์ภารกิจการตรวจสอบ ก่อนพิจารณาแคตตาล็อกของตัวควบคุม

จดบันทึกสิ่งที่ต้องปรากฏในภาพอย่างชัดเจน เช่น องค์ประกอบที่หายไป คุณภาพของการพิมพ์ รอยขีดข่วน มิติของชิ้นงาน รหัสที่ระบุ หรือพื้นผิวของวัสดุ จากนั้นบันทึกข้อมูลเกี่ยวกับวัสดุของชิ้นงาน ลักษณะพื้นผิว ระยะการมองเห็น (field of view) ระยะทำงาน (working distance) ระยะเวลาการรับแสงของกล้อง และความเร็วของสายพาน รายละเอียดเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดว่าควรใช้แสงแบบต่อเนื่อง (continuous) แบบเปิด-ปิดตามจังหวะ (gated) หรือแบบกระพริบเร็ว (strobed)

แนวทางเดิมของฉันในการตรวจสอบชิ้นงานที่มีพื้นผิวเป็นโลหะสะท้อนแสง คือการเลือกแหล่งกำเนิดแสงที่สว่างที่สุดที่มีอยู่ จากนั้นจึงมองหาตัวควบคุมที่ให้กำลังขาออกสูงสุด แต่ปัญหาที่แท้จริงไม่ได้อยู่ที่ความสว่าง ทว่าการสะท้อนแบบกระจก (specular reflections) กลับบดบังความต่างของคอนทราสต์ระหว่างข้อบกพร่องกับพื้นผิวโดยรอบ ด้วยการปรับเปลี่ยนมุมของการส่องสว่าง และควบคุมช่วงเวลาของพัลส์ให้ตรงกับจังหวะที่เหมาะสมในลำดับการทำงานของกล้อง จึงได้ภาพที่มีประโยชน์มากขึ้น หลักการนี้ใช้ได้ผลดีเมื่อพื้นผิวที่ต้องตรวจสอบมีลักษณะด้านและคงที่ — แต่สำหรับชิ้นงานที่มีผิวมันวาวสูง โค้ง หรือมีพื้นผิวเป็นลวดลาย จำเป็นต้องสร้างภาพทดสอบเฉพาะสำหรับแต่ละกรณี

สำหรับโครงการส่วนใหญ่ ควรเลือกรูปแบบเรขาคณิตของแหล่งกำเนิดแสงก่อน เช่น แหวน แท่ง โดม แบบร่วมแกน (coaxial) หรือแบบส่องจากด้านหลัง (backlight) แล้วจึงเลือกตัวควบคุมที่ระบุไว้อย่างชัดเจนว่ารองรับหัวแสงชนิดนั้น ๆ ได้ เครื่องควบคุมแสงสำหรับระบบวิสัยทัศน์ของเครื่องจักร ตัวควบคุมไม่สามารถแก้ไขมุมการส่องสว่างหรือความยาวคลื่นที่ไม่เหมาะสมได้

เลือกโหมดการใช้งานที่เหมาะสม

โหมดต่อเนื่อง

ในโหมดต่อเนื่อง แสงจะเปิดค้างไว้ตลอดระยะเวลาการใช้งาน มักเหมาะสมกับชิ้นส่วนที่อยู่นิ่ง เวลาสัมผัสปานกลาง และกระบวนการที่ภาพคงที่มีความสำคัญมากกว่าความเข้มสูงสุด โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าคอนโทรลเลอร์สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าแบบต่อเนื่องตามที่ต้องการได้ โดยไม่เกินขีดจำกัดอุณหภูมิในการทำงานของแหล่งกำเนิดแสง คอนโทรลเลอร์ที่ระบุคุณสมบัติแบบสตรอบได้ดีไม่ได้หมายความว่าจะเหมาะสำหรับการใช้งานแบบต่อเนื่องโดยอัตโนมัติ

โหมดต่อเนื่องแบบควบคุมด้วยเกตหรือแบบสลับ

การดำเนินงานแบบควบคุมด้วยเกตจะเปิดแหล่งกำเนิดแสงเฉพาะในช่วงเวลาที่กำหนดของแต่ละรอบ โดยปกติจะตอบสนองต่อสัญญาณทริกเกอร์ ซึ่งช่วยลดความร้อนที่ไม่จำเป็นและช่วยแยกการตรวจสอบออกจากแสงแวดล้อม สิ่งที่ต้องตรวจสอบหลักคือความซ้ำได้: โปรดยืนยันประเภทสัญญาณทริกเกอร์ที่รับเข้า ความหน่วงเวลาจากรับทริกเกอร์ถึงส่งออก และความเสถียรของจังหวะเวลาเมื่อใช้งานจริงที่อัตราการผลิตที่แท้จริง

โหมดสต๊อบ (กะพริบเร็ว)

โหมดสตรอบส่งพัลส์ความเข้มสูงในช่วงเวลาสั้น ๆ ที่ซิงค์กับการเปิดรับแสงของกล้อง โหมดนี้เหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์ที่เคลื่อนที่เร็ว เพราะพัลส์สั้นสามารถหยุดการเคลื่อนไหวได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้เวลาเปิดรับแสงนานเกินไปจนไม่สามารถใช้งานจริงได้ อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการใช้งานโหมดสตรอบต้องประเมินเป็นระบบทั้งระบบ ปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความกว้างของพัลส์ อัตราการเกิดซ้ำ (repetition rate) อัตราส่วนการทำงาน (duty cycle) ความยาวของสายเคเบิล และค่าการขับเกิน (overdrive rating) ที่หัวไฟรับได้ ล้วนมีผลต่อประสิทธิภาพทั้งสิ้น การเพิ่มกระแสไฟฟ้าไม่ได้หมายความว่าดีขึ้นเสมอไป เพราะการขับไฟเกินขนาดหรือการระบายความร้อนไม่เพียงพออาจทำให้อายุการใช้งานของ LED สั้นลงและส่งผลต่อความสม่ำเสมอของภาพ

จับคู่ข้อกำหนดด้านไฟฟ้าให้ตรงกับหัวไฟ

อ่านเอกสารข้อมูลจำเพาะของไฟและตัวควบคุมร่วมกัน หัวใจสำคัญของการเปรียบเทียบคือวิธีการส่งออกสัญญาณและช่วงค่าที่รองรับ: การส่งออกสัญญาณแบบกระแสคงที่ (constant-current output) มักได้รับความนิยมมากกว่า เนื่องจากสามารถควบคุมกระแสไฟฟ้าผ่าน LED ได้อย่างแม่นยำ ในขณะที่ช่วงแรงดันไฟฟ้าของตัวควบคุมต้องสอดคล้องกับลักษณะของไฟที่เชื่อมต่อและระยะทางของสายเคเบิล โปรดตรวจสอบจำนวนช่องสัญญาณ (channels) ด้วย ช่องสัญญาณเดียวอาจเพียงพอสำหรับการใช้งานกับไฟเพียงดวงเดียว แต่การตรวจสอบหลายมุมมอง การเปลี่ยนสี หรือการควบคุมโซนต่าง ๆ อย่างอิสระ มักจำเป็นต้องใช้ช่องสัญญาณแยกกัน

ต่อไป เปรียบเทียบช่วงกระแสไฟฟ้าที่ตัวควบคุมรองรับ กับค่ากระแสไฟฟ้าแบบต่อเนื่อง (continuous current) และกระแสไฟฟ้าแบบพัลซ์ (pulsed current) ที่ระบุไว้ในข้อมูลจำเพาะของไฟ ห้ามสมมุติว่าค่าสูงสุดที่ระบุไว้หมายถึงสามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยกับไฟทุกรุ่น โปรดยืนยันประเภทของขั้วต่อ ขั้วไฟฟ้า (polarity) ขีดจำกัดโหลดต่อช่องสัญญาณ ความต้องการแรงดันไฟฟ้าป้อน (supply-voltage requirements) และว่าการจัดวางระบบตามแบบที่เลือกนั้นจำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอกหรือไม่ หากเอกสารข้อมูลจำเพาะระบุค่ากระแสไฟฟ้าแบบสโตร์บ (strobe current) ให้สอบถามเพิ่มเติมว่าค่าดังกล่าววัดภายใต้เงื่อนไขความกว้างของพัลซ์ (pulse width) และอัตราส่วนเวลาทำงาน (duty cycle) แบบใด

การควบคุมจังหวะ การส่องสว่าง และการรับแสงของกล้องต้องทำงานเป็นลำดับขั้นตอนเดียวกัน

ประเมินจังหวะและการประสานงานกับกล้อง

จังหวะมักเป็นปัจจัยที่ทำให้ภาพที่ได้มีความสว่างหรือสามารถตรวจสอบซ้ำได้อย่างแม่นยำ ตัวควบคุมที่เหมาะสมควรรองรับรูปแบบสัญญาณเริ่มต้น (trigger) ที่ใช้โดย แสงมองเครื่อง อุปกรณ์นั้น ๆ, PLC หรือเซนเซอร์ และควรมีความสะดวกในการตั้งค่าค่าหน่วงเวลา ความกว้างของสัญญาณพัลส์ และความเข้มของแสง กล้อง โปรดตรวจสอบว่าตัวควบคุมรองรับการเริ่มต้นด้วยฮาร์ดแวร์ การกำหนดค่าผ่านซอฟต์แวร์ หรือทั้งสองแบบ การเริ่มต้นด้วยฮาร์ดแวร์มักปลอดภัยกว่าเมื่อจังหวะในสายการผลิตมีความแน่นอนสูง เนื่องจากหลีกเลี่ยงความล่าช้าที่ไม่สามารถคาดการณ์ได้จากซอฟต์แวร์

วางแผนลำดับขั้นตอนก่อนการซื้อ: สัญญาณแจ้งว่าชิ้นส่วนอยู่ในตำแหน่ง คำสั่งเริ่มต้นกล้อง ระยะเวลาที่กล้องรับแสง สัญญาณพัลส์ของแหล่งกำเนิดแสง และการบันทึกภาพ จากนั้นตรวจสอบเวลาตอบสนองของตัวควบคุมเทียบกับลำดับที่วางไว้ ขั้นตอนแรกที่ทีมงานหลายทีมมักตรวจสอบคือความเข้มของแสง หรือที่เรียกให้ถูกต้องยิ่งขึ้นคือ ความสว่างบริเวณจุดศูนย์กลางของพื้นที่ภาพ ซึ่งไม่เหมือนกับความแม่นยำของจังหวะ หรือความสม่ำเสมอของการส่องสว่างทั่วทั้งโซนการตรวจสอบ

อย่ามองข้ามความสม่ำเสมอ ความละเอียดของการหรี่แสง และความเสถียร

ข้อกำหนดที่มักถูกมองข้ามง่ายคือความสม่ำเสมอของความส่องสว่าง หากจุดศูนย์กลางของพื้นที่ส่องสว่างมีความสว่างมากกว่าขอบอย่างชัดเจน ค่าเกณฑ์ที่ใช้งานได้ในบริเวณหนึ่งอาจล้มเหลวในอีกบริเวณหนึ่ง ตัวควบคุมไม่สามารถสร้างความสม่ำเสมอทางแสงด้วยตนเองได้ แต่การควบคุมกระแสไฟฟ้าอย่างเสถียรจะช่วยรักษาประสิทธิภาพแสงที่ออกแบบไว้ให้มีความสม่ำเสมอ

ควรพิจารณาความละเอียดของการหรี่แสงและความสามารถในการทำซ้ำด้วย การปรับแต่งอย่างละเอียดมีคุณค่าสูงในระหว่างการติดตั้งระบบ โดยเฉพาะเมื่อต้องการความคมชัดเพียงพอโดยไม่ทำให้บริเวณที่สะท้อนแสงเกินขีดจำกัด โปรดสอบถามว่าการตั้งค่าถูกจัดเก็บอย่างไร สามารถเรียกคืนหลังจากปิด-เปิดไฟใหม่ได้หรือไม่ และอินเทอร์เฟซแบบระยะไกลนั้นรองรับการเลือกระดับแสงที่ต่างกันสำหรับผลิตภัณฑ์แต่ละชนิดตามสูตรการผลิตหรือไม่ หากกระบวนการผลิตใช้ชิ้นส่วนหลายแบบ ความสามารถในการเรียกใช้สูตรการผลิตซ้ำได้จะมีคุณค่ามากกว่าค่ากระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ระบุไว้

วางแผนล่วงหน้าสำหรับขีดจำกัดอุณหภูมิและความน่าเชื่อถือในระยะยาว

ความร้อนเป็นปัจจัยที่ต้องพิจารณาตั้งแต่ขั้นตอนการเลือก ไม่ใช่สิ่งที่นำมาพิจารณาภายหลัง การทำงานอย่างต่อเนื่อง ตู้ควบคุมที่ปิดสนิท อุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้น และสัญญาณกระแสไฟฟ้าแรงสูงที่เกิดซ้ำบ่อยครั้ง ล้วนส่งผลต่อภาระความร้อนทั้งสิ้น โปรดตรวจสอบรอบการทำงานที่อนุญาตสำหรับชุดควบคุมแสงเฉพาะที่ใช้งานจริง ไม่ใช่เพียงแค่ตัวควบคุมโดยลำพัง ควรจัดให้มีระบบระบายอากาศในตู้ควบคุม และเว้นพื้นที่เข้าถึงที่เหมาะสมสำหรับการเดินสายไฟและตัวบ่งชี้สถานะเพื่อการวินิจฉัย

เมื่อคุณหยุดการคัดกรองโดยพิจารณาจากราคาซื้อก่อนเป็นอันดับแรก และเริ่มพิจารณาจากระยะการทำงานที่ใช้งานได้จริง มุมการส่องสว่าง ความเข้มของแสงที่ส่งออก และรอบการทำงานก่อนเป็นอันดับแรก รายการสั้นๆ ที่เหลืออยู่มักจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิง ตัวควบคุมที่มีราคาถูกกว่าแต่ทำให้ระบบการจับภาพไม่เสถียร อาจก่อให้เกิดค่าใช้จ่ายที่สูงกว่ามากในด้านเวลาการปรับแต่ง ข้อผิดพลาดในการตรวจจับที่ไม่ตรงตามความเป็นจริง และค่าบำรุงรักษา

ตรวจสอบข้อกำหนดด้านการรวมระบบและการขยายระบบ

ก่อนตัดสินใจเลือกอย่างสุดท้าย โปรดยืนยันอินเทอร์เฟซที่เครื่องจักรของคุณต้องการ: สัญญาณดิจิทัลสำหรับการกระตุ้น/ควบคุมขาเข้า-ขาออก (digital trigger I/O), การควบคุมความเข้มแบบแอนะล็อก, อีเธอร์เน็ต, การสื่อสารแบบอนุกรม หรือ สัญญาณที่รองรับการทำงานร่วมกับ PLC พิจารณาว่าตัวควบคุมจำเป็นต้องมีเอาต์พุตสำหรับแสดงข้อผิดพลาด การตรวจสอบสถานะ สูตรที่บันทึกไว้หลายชุด หรือช่องสัญญาณอิสระสำหรับสถานีในอนาคตหรือไม่ ระบบการมองเห็นแบบครบวงจรยังต้องประสานงานระหว่างแหล่งกำเนิดแสง กับกล้อง เลนส์ และอุปกรณ์ยึดตรึงเชิงกลอย่างลงตัว การเลือกองค์ประกอบที่เข้ากันได้ตั้งแต่เนิ่นๆ จะช่วยลดภาระงานในการติดตั้งและปรับใช้งาน

สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการคำแนะนำในระดับการใช้งาน HIFLY ผสานรวมความเชี่ยวชาญด้านการให้แสงและการถ่ายภาพสำหรับระบบวิชั่นเครื่องจักร เข้ากับระบบนิเวศที่กว้างขึ้นซึ่งประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสง กล้อง เลนส์ และตัวควบคุม ซึ่งจะช่วยทำให้การหารือเกี่ยวกับความเข้ากันได้ของระบบเป็นไปอย่างเรียบง่าย โดยไม่ต้องสมมุติว่าตัวควบคุมชนิดใดชนิดหนึ่งสามารถใช้ได้กับทุกงานตรวจสอบ

รายการตรวจสอบการเลือกใช้งานจริง

• กำหนดผลลัพธ์ของการตรวจสอบ: ระบุข้อบกพร่องหรือลักษณะเฉพาะ สภาพพื้นผิว ขอบเขตการมองเห็น (field of view) และความเร็วของสายการผลิต
• เลือกวิธีการให้แสง: ตรวจสอบรูปทรงเรขาคณิตของแสงและความยาวคลื่นด้วยภาพตัวอย่างก่อนตัดสินใจเลือกความสามารถในการขับกระแส
• เลือกโหมดการปฏิบัติงาน: ตัดสินใจเลือกระหว่างโหมดทำงานแบบต่อเนื่อง (continuous) แบบเปิด-ปิดตามสัญญาณ (gated) และแบบกระพริบ (strobe) ตามความต้องการด้านเวลาการรับแสง (exposure) และการเคลื่อนที่
• ตรวจสอบความเข้ากันได้ด้านไฟฟ้า: จับคู่ช่วงกระแสคงที่ แรงดันไฟฟ้า จำนวนช่องสัญญาณ ขั้วต่อ และค่าการใช้งานแบบต่อเนื่องและแบบพัลส์ของแหล่งกำเนิดแสง
• ตรวจสอบการจับเวลา: ตรวจสอบประเภทสัญญาณทริกเกอร์ เวลาตอบสนอง ความล่าช้า ความกว้างของพัลส์ และการซิงโครไนซ์กับช่วงเวลาการรับภาพของกล้อง
• ทบทวนเงื่อนไขด้านความร้อน: ประเมินอัตราการใช้งานจริง อุณหภูมิภายในตู้ การระบายความร้อนของ LED และจำนวนชั่วโมงการผลิตที่คาดไว้
• วางแผนการผสานระบบ: ยืนยันอินเทอร์เฟซการควบคุม การจัดการสูตรการตั้งค่า การวินิจฉัยปัญหา และความสามารถในการเพิ่มช่องสัญญาณในอนาคต
• ทดสอบระบบทั้งระบบ: ถ่ายภาพด้วยความเร็วการผลิตจริง และปรับแต่งเฉพาะภายในขอบเขตที่ระบุไว้ในเอกสารสำหรับแหล่งกำเนิดแสงและตัวควบคุม