POWRÓT

SEMESTR V

Zastosowanie komputerowej analizy obrazu do oceny i kontroli produkcji oraz analizy zmian przestrzennych


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Systemy wizyjne w inżynierii produkcji
Skanery laserowe - zastosowania przemysłowe
Skanery laserowe w zastosowaniu lidar
Inteligentne miasta


 

Systemy wizyjne w inżynierii produkcji (https://www.magazynprzemyslowy.pl/)

     
   

     Ważnym etapem produkcji, który występuje niezależnie od rodzaju wytwarzanych elementów, jest kontrola jakości. Ciągły postęp w dziedzinie techniki mikroprocesorowej sprawia, że coraz częściej do tego celu wykorzystuje się komputerową analizę i przetwarzanie obrazu. Obraz z sensora wizji przetwarzany jest na postać cyfrową, a następnie całościowo lub częściowo poddawany analizie.

     Analiza komputerowa może mieć bardzo szeroki zakres – zazwyczaj dotyczy:

  • geometrii badanego obiektu,
  • kontroli wymiarów,
  • oceny koloru,
  • struktury lub innych cech fizycznych,
  • procesów produkcyjnych,
  • zachowania punktów w określonym obszarze, co pozwala np. konstruować inteligentne systemy ochrony lub monitorować ruch na drodze.

     Systemami wizyjnymi stosowanymi w inżynierii produkcji do kontroli jakości z reguły nazywa się kamery usytuowane na produkcji, wykorzystywane do kontroli czynności procesu wytwarzania i dozoru pracowników. Ograniczenie systemu tylko do dozoru pracowników jest błędnym podejściem.
     Współczesna technika stwarza nowe możliwości i pozwala ukierunkować system wizyjny na kontrolę jakości i kompatybilności z ustalonym modelem obiektu bądź schematem zachowania. Niedokładność maszyn i narzędzi, defekty półfabrykatów, uszkodzenia obrabianych elementów, a także błąd operatora przyczyniają się do powstawania usterek w procesie produkcji, których wczesna diagnostyka pozwoli na redukcję dodatkowych kosztów i uzyskanie końcowego produktu o najwyższej jakości. Nowoczesne systemy wizyjne zapewniają stały nadzór, pomagają sprostać wymaganiom rynku i pomagają w rozwiązywaniu ww. problemów.

Wizja komputerowa (na rysunku - schemat automatycznego systemu kontroli wizyjnej)
     Systemami i algorytmami wizyjnymi (z ang. Machine vision) określa się zastosowanie wizji komputerowej (z ang. computer vision) w przemyśle. Coraz częściej pełnią one;

  • funkcję kontroli jakości lub ją wspomagają,
  • wykorzystywane są do monitorowania parametrów maszyn i produkcji oraz nadzoru nad procesami wytwarzania i ich bezpieczeństwem.

     Prostota układu, niskie koszty eksploatacji, wysoka wydajność i elastyczność zastosowań oraz możliwość realizacji skomplikowanych zadań to główne zalety systemów wizyjnych, dzięki czemu stosuje się je w wielu gałęziach przemysłu.
     Wizja komputerowa skupia się głównie na przetwarzaniu obrazu, natomiast wizja maszynowa wymaga dodatkowych urządzeń I/O (wejście/wyjście), a także sieci komputerowych do transferu wcześniej wygenerowanych informacji, koniecznych dla pozostałych składowych cyklu przemysłowego, np. przenośników taśmowych. Wizja maszynowa jest podsystemem inżynierii produkcji, korzysta z zagadnień informatyki, mechaniki, optyki i automatyki przemysłowej. Podstawową różnicą między systemem a sensorem wizji jest poziom zaawansowania układu kontroli wizyjnej. System wizyjny jest bardziej rozbudowany pod względem programowym i sprzętowym, w związku z czym przeprowadzone analizy charakteryzują się wysoką dokładnością, a ich zakres może być o wiele szerszy. Ponadto może dostarczyć dodatkowych danych, potrzebnych na kolejnym etapie produkcji, bądź tworzyć statystyki porównawcze, wymagane m.in. przez logistykę. Wszystko to wiąże się jednak ze znacznym kosztem systemu i znacznie dłuższym niż przy użyciu sensora czasem praktycznej realizacji pomysłu.
     Sensor jest prostszy w użyciu i serwisie oraz znacznie tańszy. Jego rozmiary i mały pobór mocy sprawiają, że można go zainstalować niemal wszędzie. Niestety mała cena okupiona jest mniejszą rozdzielczością natywną obiektywu, co wiąże się z gorszą jakością obrazu, a w rezultacie – analizy.
     Wizja maszynowa wraz z powiązanymi z nią systemami znajduje coraz szersze zastosowanie w rozwiązywaniu problemów inspekcji przemysłowej, pozwalając na automatyzację procesu inspekcji przy zwiększeniu jej dokładności i wydajności (rys. 1 przedstawia schemat automatycznego systemu kontroli wizyjnej).

Elementy systemu wizyjnego (na rysunku - schemat blokowy systemu wizyjnego)
     Do standardowych elementów tworzących przemysłowe systemy wizyjne zalicza się kamerę cyfrową wraz z obiektywem, źródło światła (tzw. oświetlacze) oraz komputer wyposażony w kartę akwizycji obrazu i kartę wejść/wyjść, analizujący dane z kamery lub wykorzystywany do zaprogramowania jej pracy. Często spotykanym rozwiązaniem jest integracja komputera z kamerą we wspólnej obudowie. Budowę przykładowego systemu wizyjnego przedstawiono na rysunku – z uwzględnieniem dodatkowych mechanizmów pozycjonujących i transportujących przedmiot poddawany kontroli.
     Kamery są najważniejszym elementem systemów wizyjnych. Dobór odpowiednich urządzeń tego typu, dokonywany na podstawie cech mierzonego materiału, ułatwia tworzenie programu wizyjnego, a także zmniejsza problemy z selekcją prawidłowego oświetlenia. Ze względu na sposób przesyłania sygnału do komputera wyróżnia się kamery cyfrowe i analogowe.

     Analogowe komunikują się z komputerem za pośrednictwem specjalnego przewodu BNC oraz karty akwizycji obrazu, która zmienia impuls analogowy na cyfrowy. Taki sposób przesyłu danych nie jest jednak efektywny. Dodatkowo kamery analogowe nie umożliwiają zmiany czasu ekspozycji obrazu. Jakiekolwiek modyfikacje w jej ustawieniach przeprowadzane są manualnie, za pomocą przycisków zlokalizowanych na korpusie. Kamery cyfrowe również komunikują się z komputerem za pośrednictwem specjalnego przewodu i karty akwizycji obrazu, ale mogą być podłączone poprzez złącza dużych szybkości, np. IEEE1394 (Fire Wire). Kolejna możliwość to bezpośrednie ich podłączenie do komputera, dzięki czemu pomija się problemy związane z konfiguracją sprzętu i zyskuje szybszy przesył danych.

Zastosowania
     Przemysłowe systemy wizyjne mają szerokie spektrum zastosowań. W dużej mierze używane są do kontroli jakości. Do najistotniejszych funkcji należą tu akwizycja obrazu, jego przetwarzanie i klasyfikacja oraz integracja technologii z procesem. Najpopularniejsze zastosowania wizji maszynowej to kontrola poprawności oraz kompletności wykonania i montażu, kształtu i wymiarów, identyfikacja oznaczeń, określenie położenia, a także inspekcja powierzchni elementów. Przykłady zastosowań przemysłowych systemów wizyjnych przedstawiono w tabeli.

  • Przemysł motoryzacyjny; kontrola poprawności instalacji podzespołów, kontrola wymaiarów, kontrola ilości wykonanych elementów, wspóldziałanie z robotami przemysłowymi, identyfikacja montowanych elementów.
  • Przemysł spożywczy; kontrola formy opakowania i poprawności zamknięcia, monitorowanie wypełnienia opakowania.
  • Przemysł elektroniczny; kontrola położenia elementów na płycie montażowej, kontrola wykonania płyt montażowych, monitorowanie produkcji elementów.
  • Przemysł farmaceutyczny; sprawdzenie zawartości opakowania przed zakmnieciem, kontrola obecności zabezpieczenia i zamknięcia opakowań, znakowanie i sprawdzanie terminu ważności.

Stosowanie systemów wizyjnych pozwala na uzyskanie powtarzalnej jakości wyrobów i dokładności, wczesną identyfikację wad, skrócenie czasu kontroli ze względu na wysoką efektywność, zapewnia też mobilność i elastyczność w dostosowaniu do potrzeb użytkownika.

Do góry


 

Skanery laserowe - zastosowania przemysłowe

     
   

Skaning 3D

     Skaning 3D jest metodą skanowania obiektów o zróżnicowanych formach i kształtach. Stosuje się go m.in. w inżynierii odwrotnej i przy kontroli jakości. Jest to proces, który pozwala odtworzyć geometrię danej powierzchni. Ten sposób skanowania powstał w związku z zapotrzebowaniem na możliwość utworzenia brakującej dokumentacji technicznej poszczególnych rzeczy (dokumentacji trójwymiarowej lub płaskiej), a także precyzyjnego odtworzenia różnych obiektów i detali. Dzięki skanowaniu 3D proces ten stał się o wiele szybszy i prostszy, dlatego dziś nie wymaga już czasochłonnego projektowania od samych podstaw.

     Skanowanie laserowe 3D jest niezwykle istotne dla optymalizacji procesów technologicznych. Z tego względu odgrywa ogromną rolę we współczesnym przemyśle oraz budownictwie. Pozwala poznać strukturę, właściwości, wymiary i zastosowanie każdego przedmiotu/elementu konstrukcyjnego, dzięki czemu można odwzorować go na poziomie 1:1. Minimalizuje koszty, pomaga określić stopień zużycia danej rzeczy, zaprojektować formę odlewniczą dla jej dalszej produkcji, oraz stworzyć pełną dokumentację techniczną. Dodatkowo skanowanie 3D wykorzystuje się do inwentaryzacji oraz oceny stanu technicznego obiektów budowlanych i inżynieryjnych.
     Są idealnymi narzędziami dla celów dokumentacji 3D w architekturze, inżynierii, budownictwie jak również dla bezpieczeństwa publicznego/kryminalistyki oraz projektowania produktów. Zastosowania - w inżynierii budowlanej, zastosowania przemysłowe, pomiary i infrastruktura, kryminalistyka i bezpieczeństwo publiczne.
Budownictwo

  • Kontrola elewacji: Trójwymiarowa kontrola szkieletów budynków oraz elementów fasad przed montażem końcowym.
  • Analiza konstrukcji i konserwacja: Szybka i oszczędna kontrola nośności konstrukcji oraz ich zużycia.
  • Monitorowanie postępu prac budowlanych: Bezproblemowe przechwytywani i monitorowanie postępu prac budowlanych dla celów prawnych i technicznych.
  • Obiekty architektury: Precyzyjne rejestrowanie geometrii istniejących obiektów na potrzeby modyfikacji lub rozbudowy.

     Skanowanie 3D odbywa się za pomocą odpowiedniego sprzętu. Skaner może wykorzystywać światło strukturalne lub laserowe. Wówczas oświetla obiekt światłem strukturalnym i analizuje dany przedmiot (pozyskuje jego geometrię). Jego matryca rejestruje dane dla poszczególnych punktów. Drugi rodzaj, skaner z dalmierzem laserowym, działa na innej zasadzie. Oblicza czas, w którym wiązka lasera odbiła się od przedmiotu i powróciła. Na podstawie uzyskanych w ten sposób informacji oprogramowanie tworzy obraz 3D.

Ochrona zabytków
     Planowanie zmian konstrukcyjnych: Dane skanowania dostarczają dokładny trójwymiarowy model aktualnego stanu budynku. Na ich podstawie zarządcy obiektów mogą przeanalizować możliwości wykorzystania pomieszczeń przed rozpoczęciem właściwego planowania. Planowanie zmian technicznych: Model wirtualny umożliwia wcześniejsze przedstawienie i sprawdzenie zmian infrastruktury technicznej, w tym instalacji rurowych, kanałów wentylacyjnych oraz linii elektroenergetycznych. Daje to solidną podstawę do sporządzenia projektu zmian.

Inżynieria przemysłowa

  • Modele produktów i elementów, dla których nie ma planów konstrukcyjnych i/lub danych CAD
  • Rozbudowa wnętrz: dokładna dokumentacja CAD 3D kompleksowych wnętrz statków, samochodów lub samolotów stanowiąca podstawę do planowania przebudowy
  • Dokumentacja produkcyjna: kompletna dokumentacja 3D postępu prac produkcyjnych, np. złożonych elementów konstrukcyjnych maszyn
  • Kontrola jakości: precyzyjna trójwymiarowa dokumentacja i kontrola wymiarów dużych i skomplikowanych elementów konstrukcyjnych, takich jak łopaty wirnikowe, turbiny, śruby napędowe itp.
  • Przebudowa i rozbudowa: precyzyjna dokumentacja 3D stanu faktycznego stanowiąca podstawę do planowania przebudowy i rozbudowy obiektów.
  • Produkcja zewnętrzna: możliwość produkcji na wymiar poza terenem zakładu dzięki dokładnym danym CAD 3D i kontroli wymiarów.
  • Zarządzanie zasobami: uproszczenie kompleksowego zarządzania usługami i procesami wewnętrznymi, konserwacji, szkoleń itp. dzięki kompleksowym danym 3D, symulacjom i treningom w przestrzeni wirtualnej.
  • Nadzór prac budowlanych: polepszenie koordynacji działań wykonawców z różnych branż oraz obszerna dokumentacja i nadzór wszystkich prac.

Do góry


 

Skanery laserowe w zastosowaniu lidar

     
   

     Skaning laserowy znany najcześciej pod nazwą lidar (ang. Light Detection and Ranging) należy do grupy aktywnych systemów teledetekcyjnych, wykorzystujących do obrazowania promieniowanie najcześciej z zakresu bliskiej podczerwieni tzw. NIR (ang. Near InfraRed). Dzieki temu jest niezależny od warunków oświetleniowych, co oznacza że obrazowania skanerem lidarowym można dokonywaa nawet w nocy przy braku światła słonecznego, gdyż urządzenie zasilane jest niezależnym źródłem energii. W ogromnym uproszczeniu, lidar składa sie zazwyczaj z modułu generującego światło lasera (nadajnika, diody), systemu wiruj1cych luster (ich zadaniem jest równomierne odchylenie wiązki i tym samym jej rozrzucenie po obiekcie badan), teleskopu skupiającego promieniowanie powracające (odbite) oraz rejestruj1cego go detektora. Nadajnik i detektor podlegają jednostce kontrolującej sterowanej komputerem.

Skanowanie laserowe stosowane jest zarówno w pomiarach naziemnych, jak i lotniczych. W pomiarach naziemnych technologię tę realizują dwa systemy: tachimetry skanujące oraz skanery laserowe.
Skaning laserowy możemy podzielić na:

  • Naziemny skaning laserowy (z ang. TLS – Terrestrial Laser Scanning)- w skrócie reprezentowany jest przez naziemne skanery 3d, które za pomocą lasera są w stanie pozyskać miliony punktów 3d poprzez rejestracji ich współrzędnych XYZ oraz parametry intensywności odbicia. Tak pozyskane dane mogą zostać zaimportowane do aplikacji typu CAD lub 3D i być dowolnie przetwarzane jako chmura punktów.
  • Lotniczy skaning laserowy (z ang. ALS – Airborne Laser Scanning)
  • Mobilny skaning laserowy (z ang. MLS – MobileAirborne Laser Scanning)- w skrócie jest metodą pozyskiwania informacji 3D przy pomocy skanera zintegrowanego na poruszających się platformach takich jak łodzie, pociągi oraz samochody. Ta metoda również nazywana jest jako kinematyczny skaning laserowy.
  • Satelitarny skaning laserowy (ang. SLS) - skaning laserowy przeprowadzony z pułapu orbity okołoziemskiej. Do tej pory jedynym instrumentem wykorzystującym tę technikę był Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) zamontowany na satelicie ICESat. Średnica plamek lasera (ang. beam; footprint) wysyłanego z orbity znajdującej się na wysokości 600 km, na powierzchni Ziemi wynosi około 70 m, a jej środki oddalone są od siebie o około 172 m. Dokładność określenia wysokości tym urządzeniem wynosi ą10 cm (dla niezróżnicowanych obszarów o spadku do 1°) i jest uzależniona od orientacji zewnętrznej samego satelity wykorzystującego sygnały GPS oraz kamer śledzących położenie gwiazd tzw. Stellar Reference System (SRS). Pomimo, iż ICESat konstruowano z myślą o obserwacji obszarów polarnych (lodowców i lodu morskiego), to znane są prace badawcze dotyczące wykorzystania tych danych w wielu innych dziedzinach (np. dla potrzeb inwentaryzacji szaty roślinnej).

     Skanery laserowe stosowane są w pomiarze i projektowaniu instalacji przemysłowych, których stopień skomplikowania jest tak duży, że pomiar metodami klasycznymi nie przynosi pożądanego efektu. Także przy pracach podziemnych (kopalnie, tunele) ich zastosowanie ułatwia pozyskanie maksymalnych informacji. Skanowanie laserowe staje się konkurencyjną metodą dla fotogrametrycznych pomiarów naziemnych, których proces opracowania jest kosztowny i długotrwały.

Do góry


 

Inteligentne miasta

     
   

     Jedno z pierwszych tzw. inteligentnych miast powstało w południowo-koreańskim Songdo. Ma ono uczynić życie jego mieszkańców wygodniejszym i bezpieczniejszym przy jednoczesnej oszczędności energii i zasobów. Niezbędne do prawidłowego funkcjonowania miasta dane pomiarowe, spływają do wysokowydajnego data center zaprojektowanego przez ekspertów z firmy Ritta.
     W inteligentnych miastach takich jak Songdo, najnowocześniejsza technika ma pomóc w podjęciu walki ze zmianami klimatycznymi. Za pomocą sieciowych technologii informacyjnych i komunikacyjnych, systemów chmurowych oraz Internetu rzeczy, które są zarządzane przez jednolitą platformę, największe miasta świata mają w przyszłości przekształcić się w inteligentne aglomeracje.

     Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planami inżynierów oraz specjalistów ds. IT, inteligentne miasta będą zarządzane znacznie taniej i oszczędniej, a jakość życia mieszkańców tego typu miejsc ulegnie poprawie. Sondgo to nowoczesna przestrzeń biznesowa i jedno z pierwszych miast zbudowanych od podstaw według nowoczesnych założeń urbanistycznych. Ma ono sprzyjać środowisku oraz zapewnić mieszkańcom dom nieopodal pracy, tak by nie tracić czasu na przemieszczanie się.
Nowoczesna technologia ukryta w przedmiotach
     Do zorganizowania wygodnego życia w inteligentnym mieście niezbędne jest ciągłe zbieranie i analiza danych pomiarowych. Do tego celu opracowana została techniczna platforma, która przetwarza strumień danych w czasie rzeczywistym oraz dostarcza informacje. Aby wszystko działało sprawnie, podstawowym warunkiem jest stabilna infrastruktura z wysokowydajnymi serwerami, sieciami i komputerami. System musi bardzo szybko reagować na różnego rodzaju zdarzenia i odbiegające od normy sytuacje.

Do góry


 

 (C) 2019 - 2020 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved