Камера машинного зрения в промышленном исполнении. Воплощение замысла

Распространение той или иной технологии влечет за собой ее адаптацию к различным сферам применения. Камеры машинного зрения, зачастую работающие не в "тепличных" условиях эксплуатации, должны быть к этому готовы. Как создаются камеры машинного зрения для промышленных применений? Об этом настоящая статья.

Машинное зрение сегодня востребовано в самых разных отраслях: в обрабатывающей промышленности, на сборочном производстве, в сельском хозяйстве, в интеллектуальных системах управления транспортом и обеспечения безопасности. Во многих случаях системы работают в труднодоступных местах и в суровых условиях эксплуатации, что предъявляет повышенные требования к конструкции и качеству изготовления каждого экземпляра. Вот лишь неполный перечень условий, при которых камеры должны сохранять полную работоспособность и бесперебойно обеспечивать высокое качество изображений:

• широкий диапазон температуры окружающей среды;
• пыль и влажность;
• находящиеся в движении и создающие вибрации машины и механизмы;
• разнообразные источники электромагнитного излучения.

Мало назвать камеру промышленной, нужно подтвердить это результатами тестов и испытаний. Для обеспечения надежного решения испытания начинаются на самых ранних этапах жизненного цикла изделия – при проектировании и конструировании и заканчиваются тщательным контролем качества каждого экземпляра на финальных этапах производства. Большинство применяемых у нас в стране стандартов повторяют или имеют в основе своей стандарты Международной электротехнической комиссии (МЭК, англ. – International Electrotechnical Commission, IEC), и мы будем в основном ссылаться на них. Настоящий материал не охватывает все многообразие доступных тестов, но призван дать представление о наиболее популярных подходах к созданию промышленных камер машинного зрения, специально разработанных для сложных условий эксплуатации.

Хорошее начало – необходимое условие успеха

Создание новой камеры начинается с выбора технических решений, материалов и компонентов на этапе проектирования. Итеративная процедура совершенствования конструкции представляет собой серию циклов из испытаний, анализа выявленных проблем, модификации проекта и следующих испытаний, вплоть до получения результата, удовлетворяющего заданным техническим требованиям. Для сокращения времени ведущие производители используют методологию стресс-тестов: на этапе проектирования – HALT (Highly Accelerated Life Tests), о ней речь пойдет ниже, и HASS (Highly Accelerated Stress Screens) в процессе производства, о которой мы поговорим во второй части нашей статьи. Согласно HALT прототипы будущей камеры подвергаются воздействиям (экстремально высокие и низкие температуры, вибрации, удары), существенно превышающим предполагаемые условия эксплуатации. Целью является не прохождение того или иного испытания, а выявление узких мест и совершенствование конструкции. То есть прототипы подвергаются, по сути, намеренному, контролируемому разрушению. Поэтому в качестве воздействия зачастую используются комбинации факторов, не встречающиеся в обычной жизни, но позволяющие быстро выявить скрытые недостатки. Примером может быть серия термоударов – быстрое перемещение работающих прототипов из холодного в горячий отсеки климатической камеры с большой разницей температур. Помимо экстремальных стресс-тестов этап проектирования включает также серию стандартных проверок на вибро- и ударопрочность для случайных и гармонических воздействий, на электромагнитную совместимость и устойчивость к электростатическим разрядам.

Рис. 1. Камеры приготовлены для вибрационных тестов

Испытания на механические нагрузки

Камера машинного зрения часто работает в составе сложной промышленной установки или линии, содержащей много движущихся частей. Основание, на котором установлены камеры, может быть подвержено резким сменам направления и внезапным ударам. Станки, механизмы, моторы и другие движущиеся части всегда будут источником вибраций, несмотря на усилия инженеров максимально снизить их уровень (рис. 1 – вибрационное тестирование камер). Телам вращения свойственны гармонические возбуждения. Для определения устойчивости к гармоническим колебаниям проводятся серии испытаний гармоническим (синусоидальным) сигналом переменной частоты. Тесты помогают выявить недостатки конструкции, связанные с резонансом. Резонансные явления вызывают разрушение и возникают при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной резонансной частотой изделия. Причиной резонанса может быть, например, безобидный на вид высокий компонент, плохо закрепленный на печатной плате. В ходе испытаний на камеры оказывается настолько сильное воздействие, что уровень акустического шума от вибрации стенда требует защиты ушей. Проверке подвергается не только прочность внутренних компонентов, но и инженерные решения по креплению камеры и объектива. В табл. 1 приведены международные стандарты, в соответствии с которыми проводятся такие испытания.

Таблица 1. Международные стандарты

Камеры машинного зрения, способные выдерживать механические нагрузки, – предпочтительный выбор во многих задачах, в том числе и за рамками промышленного производства, например для установки на автомобилях, сельскохозяйственной технике, автомобильных и железнодорожных мостах и дорожных конструкциях.

Испытания на электромагнитную совместимость (ЭМС)

Электродвигатели, системы питания и регуляторы на современном предприятии генерируют электромагнитное излучение гораздо более высокого уровня, чем бытовая или офисная техника. Для того чтобы убедиться в бесперебойной работе устройства в промышленных условиях, на камеру воздействуют электромагнитными шумами, бросками напряжения питания и другими способами. В табл. 2 представлена программа испытаний промышленных камер машинного зрения на электромагнитную совместимость канадского производителя LUCID Vision Labs, Inc.

Таблица 2. Программа ЭМС-тестов IEC 61000-6-2

Отдельно проверяется невосприимчивость к электростатическим разрядам (рис. 2).

Рис. 2. Испытания электростатическим разрядом

В заданные точки работающей, передающей изображения камеры разряжается специальный генератор электростатического разряда (ЭСР) (зеленые точки – воздушный разряд, красные – контактный). Камера получает порядка 50 разрядов (25 каждой полярности) до ±8 кВ контактным способом и до ±15 кВт – воздушным.

Соответствие стандартам – залог безопасной для других устройств работы камеры

Камеры, как любые электронные устройства, сами являются источником электромагнитного излучения. Для исследования излучения в области электромагнитных полей и помех, которые могут взаимодействовать с другими устройствами, в России применяются международные стандарты, призванные ограничить такие излучения. В частности, в России это ГОСТ IEC 61000-6-3 "Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 6–3". Устройства с плохо продуманной конструкцией излучают сильные электромагнитные помехи и не проходят испытания. Причиной тому могут быть некачественные комплектующие, неправильное их расположение, отсутствие заземления, неэффективность цепей питания и др.

С другой стороны, соответствие камеры стандартам подтверждает правильность инженерных решений, оптимизированные и эффективные подходы к питанию устройства и, как результат, безопасность совместной работы с другими приборами.

Отличная конструкция – необходимое, но недостаточное условие успеха

Описанные выше тесты и испытания помогают разработчикам создать прочную и надежную конструкцию. Это необходимое, но недостаточное условие для того, чтобы ваш конкретный экземпляр камеры обладал способностью противостоять внешним воздействиям. Важно, чтобы в ходе производства камеры были соблюдены все необходимые технологические нормы и правила. Убедиться в этом помогут производственные испытания, тесты и другие меры контроля качества, о которых мы поговорим во второй части статьи.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" №1/2021

Изображения предоставлены автором

Фото: https://ru.freepik.com