Лазерный мир

Лора Маршалл // Photonics spectra, апрель 2014 

Лазерное машинное зрение может стать ценным инструментом для производителей, стремящихся улучшить различные области производства: прототипирование, сборку, контроль и тому подобное. Технология обеспечивает улучшенную трехмерную визуализацию на протяжении всего производственного процесса и постоянно развивается.

Чтобы получить более глубокое представление как о технологии, так и о рынке лазеров для машинного зрения, Photonics Spectra взяла интервью у представителей нескольких компаний, которые являются крупными игроками в сфере машинного зрения: Терри Ардена, генерального директора LMI Technologies в Дельте, Британская Колумбия, Канада; Сонг Чанга, вице-президента по инжинирингу в Perceptron в Плимуте, Мичиган; Майкла Данбара, директора по развитию бизнеса в Neptec Technologies в Оттаве, Онтарио, Канада; Майка Фолкнера, директора по продажам и маркетингу в Z- Laser America Inc. в Монреале; Хосе Анхель Гутьеррес Олабаррия, руководитель проектов машинного зрения в Tecnalia Research & Innovation в Дерио, Испания; Уоллес Латимер, менеджер по линейке продуктов для машинного зрения в Coherent Inc. в Уилсонвилле, штат Орегон; доктор Артзай Пикон, исследователь компьютерного зрения в Tecnalia; Майкл Ригни, штатный инженер отдела робототехники и автоматизации отдела производственных систем Юго-Западного исследовательского института (SwRI) в Сан-Антонио; и Боб Тремблей, менеджер по маркетингу продукции в Cognex Corp. в Натике, штат Массачусетс.

Лазеры машинного зрения позволяют оптимизировать автомобильные процессы. Фото предоставлено Coherent Inc.

Вопрос: Что, по вашему мнению, является “следующим важным достижением” лазеров для машинного зрения в целом?

Гутьеррес: Цена, мощность, надежность (температура, жесткие условия эксплуатации), качество (отсутствие пятен, однородность).

Трембле: Безусловно, по мере упрощения использования и развертывания трехмерных лазерных датчиков перемещения мы станем свидетелями расширения использования лазеров в приложениях машинного зрения, таких как трехмерный контроль деталей, измерение объема и дефектоскопия поверхности.

Ригни: Снижение стоимости мощных лазеров позволяет применять их в новых технологических процессах. Уменьшение размеров и веса лазерных систем также важно, поскольку мы разрабатываем решения, интегрированные с мобильными роботизированными манипуляторами. Удаление покрытий с коммерческих и военно-транспортных самолетов, например, осуществляется с помощью мобильного робота / лазерной системы / видения, перемещающегося по самолету в пределах большого рабочего пространства.

Бесконтактные оптические трехмерные измерительные датчики на основе лазеров, такие как Gocator от LMI Technologies, предназначены для различных промышленных применений. Фото любезно предоставлено LMI.

Picon: В случае приложений, основанных на измерениях и контроле качества, долговечность, линейность и стабильность лазера по-прежнему являются основными проблемами при онлайн-измерениях готовых изделий.

Данбар: Я думаю, что следующим важным шагом будет продолжение пути к более компактным и высокоинтегрированным решениям для позиционирования по более низкой цене, которые обеспечат более широкое внедрение в воздушной, наземной и морской среде.

Arden: Лазерные триангуляционные датчики достигли зрелого уровня использования в различных приложениях для встроенных измерений. Это хорошо зарекомендовавшая себя технология, используемая там, где требуется 3D для проведения контроля или оптимизации. Следующим важным шагом станет переход к более коротковолновым лазерам синего цвета для уменьшения отражений от блестящих деталей. Еще одна тенденция, которую я вижу, — это переход к повышению соотношения цены и качества на новый уровень, когда соотношение цены и качества 3D может заменить 2D интеллектуальные камеры, предлагая откалиброванное изображение в оттенках серого по отраженному лазерному лучу для 2D обработки изображений, а также трехмерную карту высот для 3D обработки.

Датчики контроля поверхности на основе машинного зрения и триангуляции позволяют проводить трехмерные измерения в жарких условиях. Фото любезно предоставлено Tecnalia.

Фолкнер: Качество линий специально улучшает однородность; т. е. Уменьшает эффект “заячьих ушек”, обычно встречающийся в оптических проекциях Powell line. Другим фактором является надежность в отношении условий окружающей среды, таких как экстремальные температуры, пыль и жидкости, влияющие на производительность лазера.

Chung: Комплексные приложения на основе трехмерного сканирования в областях контроля, обратного проектирования и быстрого прототипирования для поддержки индустрии трехмерной печати. Более совершенные алгоритмы для улучшения сбора данных с более высоким разрешением и точностью, использующие преимущества повышения вычислительной мощности SOC (системы на кристалле), доступной благодаря развитию технологий мобильных вычислений, то есть трехмерного сканирования на мобильном телефоне.

Латимер: С точки зрения технологий, одной из наиболее важных новых тенденций является разработка все более мощных и надежных источников в сине-зеленой части спектра. Также важным является внедрение все более компактных и высокофункциональных лазерных источников, что позволяет устанавливать их непосредственно на руки роботов. Традиционно сложные системы машинного зрения создавались на больших механических порталах, а детали размещались под ними. Эти системы могут включать десятки датчиков, позволяющих выполнять различные задачи контроля. Но сейчас тенденция отходит от этого и переходит к использованию на производственной линии нескольких небольших индивидуальных роботов. Каждый из этих роботов способен двигаться независимо и, следовательно, осматривать детали со всех сторон. Этот подход становится все более популярным, поскольку он уменьшает количество необходимых датчиков, тем самым снижая стоимость и одновременно повышая гибкость системы. То есть, выполняя различный набор движений, один робот может исследовать различные типы деталей.

Этот рыночный спрос на гибкость также приводит к снижению цены лазера. Лазер определенной мощности и длины волны может подходить для решения одной задачи и не подходить для решения другой. Следовательно, для создания более гибких и функциональных систем машинного зрения может потребоваться несколько лазеров с различной длиной волны, мощностью, выходным лучом и оптико-механическими характеристиками. Но, конечно, разработчики систем хотят добавить всю эту функциональность с минимальными дополнительными затратами.

Вопрос: Каким, по-вашему, был рынок лазеров для машинного зрения за последние несколько лет? Как вы думаете, куда движется рынок?

Гутьеррес: Я думаю, что он растет, даже в условиях кризиса.

Данбар: Произошел и продолжает происходить сдвиг в сторону более интеллектуальных систем, которые выполняют функции, отличные от простого получения X миллионов точек.

Чанг: Все больше компаний, производящих сенсоры, переходят к разработке трехмерных линейных сканеров, берясь за более сложные приложения для машинного зрения. Приложения для промышленного 3D-зрения получат гораздо более широкое распространение в ближайшие годы.

Трембле: Что ж, если вы говорите о считывании штрих-кодов в логистике, продуктах питания и напитках или даже розничной торговле, то, безусловно, наблюдается тенденция к снижению, поскольку все больше лазерных сканеров вытесняются считывателями изображений. Считыватели на основе изображений не только работают лучше, но и обеспечивают более высокую скорость считывания, обеспечивают обратную связь по производительности и не требуют частой замены, поскольку в них нет движущихся частей. Напротив, в области машинного зрения наблюдается тенденция к росту, поскольку наш трехмерный датчик DS1000 соединяет лазер с датчиком 2d-изображения для создания трехмерного топографического представления, которое позволяет измерять и проверять объекты с точностью до микрона.

Трехмерные лазерные датчики перемещения позволяют проводить инспекцию пищевых продуктов и другие промышленные применения.

Фолкнер: Применение лазеров в машинном зрении было очень эффективным, несмотря на экономические условия. За последние годы рынок [наших] продуктов увеличился более чем вдвое, и эта тенденция продолжает расти.

Арден: За последние несколько лет наблюдается исключительный рост спроса на технологии машинного зрения на основе лазеров. Частично это связано с общим снижением стоимости бесконтактных трехмерных измерительных датчиков. Мы стремимся к простоте использования, чтобы инженеры-технологи могли шире использовать эту технологию на производстве. Благодаря технологии камеры с более низким уровнем шума и повышенной чувствительностью мощность лазера может быть снижена до уровня 2-го класса безопасности для глаз, что упрощает установку датчиков. Измерения на основе синего лазера начинают набирать популярность из-за более низкого уровня шума и более короткой длины волны, которые уменьшают отражения, возникающие на блестящих поверхностях деталей.

Picon: Растет число более продвинутых приложений, таких как оценка качества горячей (> 1000 ° C) продукции в режиме реального времени, включая сложные алгоритмы искусственного интеллекта. Приложения для классификации материалов или биомедицинской диагностики (например, спектроскопия пробоя под воздействием лазера (LIBS), флуоресценция, рамановская спектроскопия) также растут, особенно в биомедицинском секторе, где востребованы конечные приложения, а не просто научно-исследовательские проекты.

Ригни: Распространение лазерных модулей и компонентов для структурированного освещения является захватывающим. Мы с нетерпением ожидаем большего разнообразия конфигураций компонентов, что может снизить затраты на разработку систем с уникальными требованиями.

Решения для машинного зрения на основе волоконных лазеров обеспечивают универсальность и улучшенное разрешение линий для промышленного использования.

Латимер: Очевидно, что недавний экономический спад оказал негативное влияние на рынок машинного зрения, но сейчас он вернулся к своим прежним уровням роста, которые традиционно выражались однозначными цифрами. Тем не менее, я определенно вижу впереди великие дела. В частности, потенциал роста в Корее и Китае огромен, поскольку производители в этих странах переводят свое производство с трудоемких моделей на более высокоавтоматизированные процессы, уделяя все большее внимание качеству и надежности конечного продукта. Это открывает большие возможности для машинного зрения. Эти области получат более широкое распространение по мере снижения стоимости компонентов машинного зрения.

Кроме того, я вижу потенциал для распространения продуктов машинного зрения на области, которые они традиционно не обслуживали. Классическая задача машинного зрения — это та, в которой система используется для визуализации механических элементов с целью управления действиями в процессе производства. Но я думаю, что те же продукты могут использоваться и для задач, которые я классифицирую как автоматизированное получение изображений. В этом случае они действуют по сути как система машинного зрения для компьютеров, позволяя им выполнять сложные задачи, традиционно выполняемые людьми. Это может быть мониторинг и оценка всевозможных объектов, таких как дорожное движение, поезда и самолеты, или даже интерпретация медицинских изображений.

Вопрос: Каковы самые большие проблемы, связанные с внедрением лазеров для машинного зрения?

Гутьеррес: Для промышленного сектора: цена, надежность и запасы.

Dunbar: Размер, цена и признание новых технологий на традиционных рынках.

Picon: Для систем контроля качества в сложных условиях, таких как контроль изделий из горячекатаной стали, долговечность, линейность и стабильность лазеров, что требует кратковременной замены лазера. В случае высокоточных трехмерных измерений каждый раз при замене лазера требуется трудоемкая калибровка.

Трамбле: Конечно, некоторые изначально обеспокоены безопасностью лазера. Однако, как только они понимают, что наши лазеры в основном безопасны для глаз при правильной эксплуатации, обычно это не проблема.

Ригни: Безопасность лазеров является потенциальной проблемой. У наших клиентов самый разный опыт применения лазеров. [Мы обладаем] обширным опытом в определении требований лазерной безопасности для систем, которые мы разрабатываем, и их соблюдении.

Арден: Самой большой проблемой является разъяснение ценности лазерного сканирования как средства получения как двумерных, так и трехмерных данных для более эффективных решений сложных задач контроля. Этого можно достичь, сосредоточив внимание на простоте использования и внедрив ”умные» возможности в конструкцию сенсора. То, что я называю “умным”, — это способность проводить трехмерные измерения и принимать управляющие решения (сортировка, прохождение / сбой, оповещения) в рамках одного предварительно откалиброванного устройства. Это упрощает и успешно внедряет инженеры-технологи, а не узкоспециализированные интеграторы машинного зрения. Именно по этой причине мы создали линейку продуктов Gocator.

Это демонстрационный прототип лазерной системы селективного удаления покрытий на основе машинного зрения. 

Фолкнер: Я думаю, что самая большая проблема для лазеров в машинном зрении та же, что и для 2-D машинного зрения: поиск новых применений внутри и особенно за пределами производственных помещений. Мы нашли много новых применений “вне производственных цехов”, где наши высокоинтенсивные [лазерные проекторы] были очень хорошо приняты рынком.

Chung: Стоимость и простота использования при реализации решений. Традиционно решения для машинного зрения все еще относительно дороги и сложны в реализации. Эти препятствия можно преодолеть, поскольку все больше компаний активно работают над решением проблем.

Латимер: К сожалению, я думаю, что наша самая большая проблема заключается не в технологиях, а, скорее, в недостатке знаний о безопасности лазеров на рынке. Это заставляет потенциальных клиентов избегать использования лазеров, поскольку они не уверены, как с ними обращаться. Таким образом, обучение рынка здесь, безусловно, является критической необходимостью.

Кроме того, на рынке наблюдается инерция. Люди, которые традиционно использовали люминесцентные лампы или светодиоды для их применения, неохотно переходят на лазерный источник, поскольку первоначальная стоимость обычно выше. Иногда специалистам трудно понять, что с помощью лазера машинного зрения можно добиться существенной экономии времени, поскольку они могут обеспечить более быстрый контроль или улучшить результаты.

Вопрос: А какие области применения, по вашему мнению, процветают – и почему?

Гутьеррес: Триангуляция и измерения. Трехмерная информация становится важнее с каждым днем.

Arden: Приложения для лазерного сканирования большого объема в жестких промышленных условиях процветают. Примером может служить лесная промышленность. На лесопильных заводах выпускается большое количество быстро движущихся изделий, которые необходимо сканировать на предмет формы, чтобы определить наилучшую стратегию распила бревен на готовые пиломатериалы.

Фолкнер: Хотя мы работаем в таких прикладных областях, как автомобилестроение, медицина, общее производство, биофотоника и так далее, мы наблюдаем значительный рост во всех областях применения. Возрождение перепрофилированного производства создало большой спрос на автоматизацию как часть процесса контроля качества.

Чанг: Сложные и высоконастраиваемые приложения технологий машинного зрения по-прежнему остаются основными приложениями для поставщиков систем технического зрения, но все больше готовых решений могут стать основными в ближайшие годы из-за роста темпов внедрения технологий на потребительском рынке.

Данбар: Автоматизация машин в горнодобывающей промышленности процветает, потому что рентабельность инвестиций при высоких капитальных затратах очень высока, наряду с повышением безопасности внутри транспортных средств и вокруг них.

Технологии машинного зрения на основе лазеров улучшают технологические процессы в автомобильной и других отраслях промышленности.

Трембле: К числу наиболее перспективных областей применения относятся бытовая электроника, автомобилестроение, продукты питания, напитки и логистика, где предоставляемая трехмерная информация позволяет более полно осмотреть деталь.

Ригни: приложения для трехмерного зондирования процветают благодаря наличию достаточной производительности процессоров и зрелых программных библиотек для анализа в реальном времени. Недавнее распространение недорогих трехмерных датчиков (включающих лазерные генераторы изображений) позволило разработать новые области применения. Трехмерное восприятие поддерживает большую часть нашей работы со стационарными и мобильными роботами в динамичных средах.

Picon: онлайн-контроль горячих изделий быстро развивается. Кроме того, большой потенциал демонстрируют приложения для определения химических характеристик материалов и изделий в режиме онлайн (на основе гиперспектральной визуализации или LIBS). Запросы на подобные приложения выросли на 50 процентов в 2013 году.

Опубликовано на https://www.photonics.com/Articles/Market_Growing_for_Laser-Based_Machine_Vision/a56039