Como Incrementar la Producción y Mejorar el Control de Calidad de su Empresa mediante Sistemas de Visión Artificial

Por: Salvador Giró – Director del Grupo INFAIMON
InTech México Automatización
Julio Septiembre 2007

Desde hace ya algunos años en distintas Escuelas de Ingenieros se imparte una asignatura de visión artificial. Sin embargo, la gran mayoría de técnicos de este país aún desconocen que esta tecnología puede ser de gran utilidad para el proceso productivo y para el control de calidad en sus respectivas compañías.

Los primeros pasos de esta tecnología se remontan a la década de los 60, aunque por aquel entonces nadie era capaz de suponer que la visión artificial pudiera tener ningún tipo de utilidad en la industria. En aquellos días tanto la tecnología de las cámaras de TV, como de los ordenadores era tan incipiente, que difícilmente nadie hubiera podido imaginar su rápida evolución, los derroteros que tomarían con el tiempo y su posible uso conjunto en la industria.

No fue hasta principios de los 90, que empezó a implementarse con asiduidad la tecnología de visión en la industria. En esos momentos la mayoría de las aplicaciones a resolver eran relativamente simples, en cuanto a número de procesos y tiempo de ejecución, pero frecuentemente su precio era tan elevado que difícilmente podía ser amortizado en un tiempo razonable para la gran mayoría de industrias.

La rápida evolución de los ordenadores, durante la década de los noventa y principios de este siglo ha hecho que la visión industrial en la actualidad permita solventar prácticamente todo tipo de aplicaciones con unos precios realmente muy competitivos.

¿Para qué se utiliza la Visión Industrial?

El porcentaje más elevado de aplicaciones donde la visión industrial está siendo aplicada es en los procesos de control de calidad de la producción. Aunque, los sistemas actuales son diversos, en principio, la metodología de trabajo se basa en la colocación de una cámara al final de una cadena de fabricación, que se ocupa de capturar en continuo las imágenes de los productos fabricados.

Las imágenes capturadas se transfieren a un procesador, donde se determina si el objeto analizado cumple con los requisitos de calidad exigidos. De no ser así, el procesador de visión puede dar una orden al sistema para separar el objeto defectuoso, o bien en el caso de tratarse de sistemas de inspección en continuo (Ej. bobina de papel) guardar en un fichero la posición donde se ha localizado el defecto, para posteriormente informar al cliente final sobre esta circunstancia.

Dado que la potencia de cálculo de los nuevos procesadores es cada vez mayor, la visión industrial empieza a utilizarse también en el reconocimiento de objetos y determinación de sus coordenadas, de este modo se está usando en aplicaciones de manipulación conjuntamente con robots.

En general, los sistemas de visión artificial se están instalando en aplicaciones donde· la inspección realizada mediante visión humana no llega a cumplir los requisitos que exige el cliente final. En la industria automovilística, por ejemplo, se está exigiendo a los proveedores O defectos, requisito imposible de alcanzar con visión humana. Además, las constantes mejoras experimentadas en esta tecnología hacen que estos sistemas sean amortizables muy rápidamente.

Existe un sinfín de aplicaciones en las que la velocidad de producción es tan elevada, que el único mecanismo posible para su inspección es la visión artificial. Ejemplos de estas aplicaciones los tenemos en la industria papelera, textil, metalúrgica, etc.

Por último, y dada la constante reducción de precios de estos productos y el aumento de sus prestaciones, la visión artificial está substituyendo a numerosos sistemas de palpación electromecánica o a sistemas con múltiples foto-sensores.

Relación entre la dificultad de las Aplicaciones y el Sistema de Visión Adecuado

La dificultad de una aplicación de visión viene determinada por diversos parámetros: número de inspecciones sobre un mismo objeto, complejidad de las medidas, resolución y su relación con las tolerancias, número de objetos a inspeccionar por segundo, etc…

Dependiendo de la complejidad de estas aplicaciones, la solución de visión puede ser muy variada, siendo factores determinantes tanto el precio del propio sistema de visión, como el tiempo disponible y coste total de la implementación.

En la actualidad existen numerosos sistemas de visión. En este artículo se han clasificado dependiendo del grado de dificultad de la aplicación a resolver. Se han determinado cuatro categorías distintas:

  • Cámaras inteligentes
  • Sistemas integrados multicámara
  • Sistemas basados en PC
  • Sistemas multiprocesador

Cámaras Inteligentes

Los primeros diseños industriales de cámaras inteligentes se desarrollaron en Europa a principios de los años 90. Estos sistemas se basaban en un sensor CCD de 256 x 256 píxeles e incorporaban un procesador DSP que permitía hacer el análisis de las imágenes. La velocidad de proceso no era muy elevada y su robustez, como sistema industrial, dejaba bastante que desear.

En los años transcurridos desde entonces, el concepto sigue siendo el mismo, pero la tecnología ha evolucionado a tal velocidad que ha permitido desarrollar sistemas de visión integrados en microcámaras que permiten resolver las aplicaciones de visión básicas con gran resolución, calidad, precisión y robustez.

Las cámaras inteligentes son, por tanto, sistemas de visión completos y compactos ensamblados en el cuerpo de una cámara. Incorporan el sensor (CCD o CMOS), el procesador, que habitualmente se trata de un DSP-, las memorias de programación y de imagen así como los puertos de comunicación con el exterior (Ethernet, l/O, RS-232, …). En algunas ocasiones llevan ensamblados también la óptica y el sistema de Iluminación.

Estas cámaras se pueden dividir en dos subcategorías:

  • Cámaras inteligentes que incorporan un software de fácil manejo y que puede ser utilizado por usuarios no expertos. Uno de los mejores ejemplos de esta filosofía son las cámaras de DataSensor.
  • Cámaras inteligentes que incluyen librerías de programación y que permiten desarrollar cualquier aplicación, pero que deben ser programadas específicamente. Ideales para Integradores de sistemas y OEM. El fabricante más avanzado en este tipo de cámaras es Vision-Components.

Estos sistemas permiten solucionar aplicaciones que no requieran una gran velocidad de proceso y que no necesiten varias cámaras al mismo tiempo. Ejemplos de aplicaciones donde se utilizan estos sistemas son: Lectura de códigos de barras y de matriz, OCR, medidas de objetos, determinación de distancias.

La incorporación a estas cámaras de conexión Ethernet permite controlar el funcionamiento del sistema desde cualquier ordenador conectado a la red de la fábrica, o fuera de ella. Además esta conexión hace posible transferir todos los datos estadísticos procedentes de las cámaras inteligentes, al sistema de gestión de la producción.

Sistemas Integrados Multicámara

Los sistemas integrados multicámara están basados en un procesador de reducidas dimensiones que permite la conexión a varias cámaras. En este caso el procesador acostumbra a ser un Pentium de última generación, con el que se alcanzan grandes velocidades de proceso. Uno de los sistemas más avanzados es eI IPD-VAxx de DALSA, que pueden incorporar programas de fácil manejo y de altas prestaciones como son los iNspect y Sherlock, o puede estar acompañado de librerías de programación del tipo Sapera Processing, para que el usuario pueda programar sus propias aplicaciones. Así, este sistema puede utilizarse tanto por un usuario final sin ningún conocimiento de visión, como por usuarios experimentados que quieran desarrollar sus propios algoritmos de visión bajo unas potentes librerías de software.

Los sistemas inteligentes multicámara han sido diseñados para aplicaciones en las que se requiere cierta velocidad, por encima de las 5 piezas por segundo, así como también para aplicaciones donde se deben analizar varias caras de un mismo objeto. En este caso cada una de las cámaras, analiza una faceta del objeto de forma síncrona. Estos sistemas son capaces de conectar cámaras de alta velocidad y alta definición, tanto analógicas como digitales.

Al igual que las cámaras inteligentes poseen puertos de comunicación, que les permiten su conexión con cualquier elemento de la cadena de producción, de forma local o remota. Sistemas

Basados en PC

Los sistemas de visión basados en plataforma PC se han venido utilizando desde los inicios de esta tecnología. En la actualidad, con la aparición de las cámaras inteligentes y los sistemas multicámaras, los sistemas basados en PC se han ido relegando a las aplicaciones más complejas o a las aplicaciones que requieren conexiones de cámaras especiales, o que necesitan unas altas prestaciones en cuanto a velocidad de proceso, o en cuanto a dificultad en los algoritmos y programas disponibles.

Estos sistemas están basados en placas de captura de imágenes, también denominadas frame grabbers, que se insertan en el interior de un ordenador (preferiblemente industrial), y que pueden conectar todo tipo de cámaras, dependiendo específicamente del tipo de aplicación. Uno de los principales fabricantes de este tipo de placas es DALSA, que cuenta con una completa gama para resolver cualquier tipo de aplicación.

Las ventajas inherentes a estos sistemas son múltiples, por una parte, es posible realizar cualquier tipo de aplicación, ya que la base es el PC. Por otra, los programas que se hayan desarrollado en el pasado son utilizables en cualquier momento, de forma que si crecen los requisitos de potencia de hardware, sólo es necesario cambiar el PC y la placa de captura, y la aplicación alcanzará el rendimiento deseado. Además, el software no queda nunca obsoleto, ya que la base de programación es estándar.

Otra ventaja adicional es la gran variedad de librerías de programación disponibles en el mercado, que pueden funcionar sobre estos entornos y que permiten resolver cualquier aplicación de visión. Librerías de este tipo son: Common Vision Blox, SAPERA, entre otros. Estos sistemas basados en PC pueden utilizar también sistemas de desarrollo fácil, como Sherlock, que permiten generar aplicaciones sin necesidad de saber programar y a la vez alcanzar potencias que con los otros sistemas, comentados anteriormente, no es posible lograr.

Una de las características interesantes de los sistemas de visión basados en plataforma PC es que pueden incorporar múltiples placas de captura en un mismo sistema, controlando desde un mismo PC múltiples líneas de producción.

Las aplicaciones que se pueden resolver con estos sistemas son múltiples, alcanzando en la actualidad procesos inimaginables hace algunos años.

Recientemente con la incorporación del nuevo bus PCI Express y los nuevos procesadores Dual Core alcanzan velocidades de cálculo que permiten realizar más del 95% de las aplicaciones de visión sobre el entorno Pe. De esta forma, se pueden solventar aplicaciones de varios centenares de imágenes por segundo, incorporar sobre un mismo sistema varias cámaras de alta definición (hasta 4000 x 3000 píxeles) y hacer funcionar en paralelo múltiples cámaras lineales de hasta 12.000 píxeles por línea.

Estos sistemas son capaces de realizar identificaciones muy complejas de texturas, clasificaciones de objetos, o determinación de defectos en cualquier aplicación industrial.

Sistemas Multiprocesador

Los sistemas multiprocesador son parecidos a los sistemas basados en PC, ya que las placas de proceso y captura residen en un entorno Pe. En este caso las placas incorporan procesadores a bordo, que permiten hacer los análisis en la propia placa sin necesidad de utilizar el procesador del Pe. Estos sistemas se utilizan en aplicaciones donde se requiera mucha potencia de cálculo y donde los sistemas basados en PC y frame grabbers no puedan solventar la aplicación.

Uno de los productos más avanzados es la ANACONDA y XCelera 64 de DALSA, que incorpora en cada placa unos procesadores y FPGAs así como un bus de alta velocidad.

En un mismo sistema pueden utilizarse múltiples placas con procesador y tantas cámaras como sean precisas. Aunque los sistema multiprocesador sólo se utiliza en entornos con muy altos requisitos, aún existen aplicaciones que sólo pueden resolverse mediante estos equipos.

La ventaja de esta metodología reside en que al estar basada en tecnología Wintel (Windows+lntel), cualquier programa desarrollado sobre entorno PC puede funcionar sobre un entorno multiprocesador con ligeras variaciones.

Aplicaciones donde se utilizan este tipo de sistemas son aquellas que requieren múltiples cámaras de alta velocidad o alta definición y que precisan un proceso muy intenso. Una aplicación típica sería la inspección de papel en continuo, que se efectúa a velocidades superiores a los 15 metros por segundo y que precisa resoluciones por debajo de medio milímetro, para ello se deben utilizar múltiples cámaras lineales de muy alta velocidad.

Otras aplicaciones donde se utilizan estos sistemas están relacionadas con la industria militar y aeroespacial, donde la velocidad de respuesta es realmente crítica.

¿Qué posibilidades tiene su empresa de utilizar un Sistema de Visión?

Como se ha podido comprobar en los apartados anteriores, hay un sistema de visión para cada aplicación. La complejidad de la aplicación determinará el tipo de sistema que debe utilizarse para resolverla y por tanto el precio.

En la actualidad se puede afirmar que existen sistemas de visión, que son capaces de resolver problemas simples, cuyo precio está situado por debajo de los 2000 euros y que además pueden ser instalados por el propio usuario. Sin embargo hay aplicaciones que necesitan sistemas de visión muy complejos y que precisan la colaboración de una ingeniería especializada en visión para ponerlos en funcionamiento.

Los altos rendimientos y la fiabilidad de estos sistemas están comprobados, siempre y cuando se ponga en manos de profesionales y especialistas en este campo.

Esperamos que este artículo haya servido para que tome en consideración en un futuro los sistemas de visión cuando se encuentre con problemas de control de calidad de la producción en su empresa.

Acerca de INFAIMON

Tras muchos años de experiencia en el campo de la visión INFAIMON puede proveerle de cualquier tipo de componente o sistema visión industrial y aconsejarle acerca de la mejor opción, según sus necesidades. La rentabilidad de un sistema de visión es clara y la amortización de la inversión se hace en la mayoría de ocasiones en menos de un año.

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