Использование контраста для идентификации изделий Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Александр ЗЫБАЙЛО

info@sensorica.ru

Такие метки, как правило, имеют общий признак — яркий контраст между меткой и фоном. Это может быть специальная метка, нанесенная методом печати (в примере с разрезанием печатного листа на упаковочном оборудовании), или естественный контраст в оформлении производимого изделия. Например, это может быть особенность контрастного дизайнерского оформления наклейки, белые косметические бутылочки на темном фоне конвейера, то есть любые внешние особенности, как самого предмета, так и технологического процесса, которые приводят к образованию яркого контраста цветов. Это свойство и использует сканер контраста.

Применение датчиков контраста настолько широко и многообразно, что нам придется ограничиться только самыми распространенными примерами:

• определение цветных меток в упаковочной и печатной промышленности;

• сортировка изделий по цветовым параметрам в электронной и фармацевтической промышленности;

• определение сварных швов на консервных банках;

• обнаружение акцизных марок на сигаретных блоках;

Использование контраста

для идентификации изделий

Производство и упаковка продукции сопряжены с различными процессами автоматизации. В автоматизированных системах управления часто применяются специальные маркеры или метки для выполнения определенного технологического этапа: подсчета, сортировки или контроля качества. Например, специальные метки наносятся для разрезания упаковочной бумаги, оптические метки используются для подсчета единиц продукции, широкое применение имеют голографические знаки. Метки применяются и для правильного позиционирования объектов в процессе производства, для наполнения емкостей, проверки присутствия наклейки на парфюмерных изделиях или наличия крышки на бутылках и т. д. Кроме того, все большее значение сегодня имеют вопросы защиты оригинальной продукции от фальсификации и подделки, где один из способов борьбы — также специальные метки. При некоторых технологических процессах производства используются невидимые люминесцентные метки, для их считывания необходимы специальные датчики.

• определение материалов в химической промышленности;

• сортировка древесины по цветовому признаку;

• проверка качества цвета в текстильной промышленности и др.

На российском рынке сегодня представлены датчики различных производителей (Omron, Pepperl+Fuchs, Leuze Electronic и др.), потребитель имеет широкую возможность выбора изделий, наиболее полно соответствующих требованиям его конкретной задачи. Речь пойдет о датчиках контраста, производимых компанией SICK. Несмотря на то, что свою официальную деятельность в России компания начала только несколько лет назад, ее продукция широко применялась на отчественном оборудовании многие годы. А в прошлом году компания SICK AG отметила свой 50-летний юбилей.

Приведем основные преимущества датчиков контраста SICK перед другими производителями:

• Пожалуй, SICK — одна из немногих компаний, предлагающих самый широкий модельный ряд датчиков различных модификаций (прямоугольные и цилиндрические корпуса, оптоволоконные, с различными интерфейсами управления, высокоскоростные и т. д.).

• Использование трехцветных светодиодов, которые позволяют работать с метками любого цвета без смены датчика.

• Высокая скорость работы датчиков (особенно важна в печатной промышленности), до 10 мкс.

• Возможность работы с блестящими и бли-кующими поверхностями.

• Режимы обучения teach-in, позволяющие вводить датчик в эксплуатацию всего за несколько минут.

• Цифровые и шкальные дисплеи для контроля рабочего статуса датчика.

Датчики KT5-2 — стандарт

для упаковочной промышленности

Принцип работы фотоэлектрических датчиков контраста основан на сравнении сканируемых цветов с двумя эталонными оттенками цвета, сохраненными в его память при установке. Датчик различает до 30 градаций серого и изменяет состояние выходного сигнала при детектировании разницы в контрасте. Скорость считывания меток достигает 10 000 в секунду. Это позволяет использовать датчики на самом быстром технологическом оборудовании. Датчики других серий, например, KT10W, имеют частоту срабатывания 25 кГц.

Оптические датчики меток КТ5-2 отличаются высокой степенью интеграции. Они предлагают не только регулировку порога срабатывания, но и несколько методов обучения датчика рабочим условиям, а также датчики с трехцветными светодиодами, позволяющими работать с метками любого цвета.

Серия КТ5-2 — это серия универсальных датчиков с самыми широкими возможностями. Она представлена и моделями со шкальными светодиодными дисплеями, и моделя-

ми для оптоволоконных кабельных систем. Перечислим все эти возможности.

Модели KT5-2 Display имеют шкальный дисплей, который визуально отображает работу датчика, насколько точно сканер детектирует различные уровни контраста. Чем больше светодиодов горит в шкале, тем выше качество сканирования датчика. Такие модели оснащены трехцветным светодиодом, который позволяет работать с метками различного цвета и фактуры.

Подсерия КТ5-2 включает модели с разными методами настройки датчика: ручной настройкой, со статическим и динамическим обучением, а также с полностью автоматической настройкой сканера контраста. Динамический режим обучения удобен в тех случаях, когда доступ к датчику ограничен или нежелательна остановка оборудования. В зависимости от условий эксплуатации, выпускаются модели с зеленым или трехцветным светодиодом. Также некоторые модели с зеленым светодиодом имеют аналоговый выходной сигнал.

KT5L — это модели с лазером, предназначенные для безошибочного обнаружения самых маленьких меток на больших рабочих расстояниях.

KTL5 — датчики с оптоволоконными кабелями, их применение оправдано в условиях ограниченного пространства, когда использование стандартных датчиков невозможно из-за их габаритных размеров.

Вне зависимости от подвида датчиков, все модели не чувствительны к отражающим качествам рабочих объектов, другими словами, они одинаково эффективно работают с любыми блестящими поверхностями. Кроме того, датчики выпускаются в литых металлических корпусах, поэтому обладают высокой герметичностью, позволяющей им работать в любых, даже самых тяжелых, условиях эксплуатации.

Зависимость работы датчика от целевого объекта

Многие сканеры контраста чувствительны к цвету метки. Это связано с тем, что в их корпусе установлен светодиод определенного цвета, красный или зеленый. Таким образом, датчики с красным источником излучения не реагируют на красные метки, а датчики с зеленым светодиодом — на зеленые. Поэтому многие потребители вынуждены согласовывать цвет метки с поставщиками продукции.

Иначе обстоит дело с датчиками контраста SICK. Производитель предусмотрительно интегрировал в устройство трехцветный светодиод со схемой управления. В зависимости от цвета метки, датчик сам выбирает, какой цвет излучения использовать. Поэтому потребителям продукции SICK не придется производить замену оборудования при производстве новой продукции с метками другого цвета.

Рабочие характеристики и параметры датчиков метки

Рабочий диапазон сканирования

Это расстояние от лицевой стороны линзы датчика до объекта. Дальность действия сканеров контраста данной серии составляет 10, 20 и 40 мм (рис. 1).

Точность/допуски рабочего диапазона датчика

Это изменения в расстоянии рабочего диапазона (например, 3 мм), в пределах которого не происходит ошибочного срабатывания датчика. Значение параметра зависит от уровня контраста (рис. 2).

Размеры световой метки

Это площадь поверхности сканируемого материала, покрытая излучением светодиода датчика, расположенного на номинальном рабочем расстоянии (рис. 3).

W —

1 !

Рис. 3. Световая метка

Положение световой метки

Данный параметр определяется горизонтальным или вертикальным расположением линзы по отношению к длинной стороне корпуса датчика. Чем больше световая метка датчика совпадает по размерам с меткой сканируемого материала, тем лучше параметры срабатывания датчика (рис. 4).

Сторона излучения датчика Датчики серии КТ5-2 дают пользователю возможность выбрать, на какой стороне датчика будет расположен источник излучения (рис. 5).

Задержка срабатывания

Присутствует задержка включения/ выключения величиной 20 мс (рис. 6).

Сканирование блестящих поверхностей Фактура материала не влияет на результаты измерений, при необходимости при измерении кодов на блестящих поверхностях можно использовать наклонный монтаж датчика (рис. 7).

Напряжение питания

Сканеры контраста работают от источника постоянного тока в широком диапазоне питающего напряжения, от 10 до 30 В. Сканеры имеют несколько степеней защиты: выход р защищен от короткого замыкания, вывод У8 защищен от переполюсовки питающего напряжения, а схема датчика имеет подавитель помех и шумов. Пользователь

может задать «направление» срабатывания датчика, при переходе от темного к светлому, или наоборот.

Время срабатывания

Короткое время срабатывания 50 мкс обеспечивает отличную повторяемость — ив случае контроля высокоскоростных объектов.

Последней и, пожалуй, одной из главных характеристик является скорость срабатывания датчика — 10-25 кГц. Отметим, что «усредненная» рыночная модель оптического датчика метки имеет частоту срабатывания 4 кГц.

Настройка датчиков метки

Обычно для датчиков контраста необходимо время — для настройки датчика на целевой объект. Поскольку такие объекты могут меняться в процессе работы (например, в печатной промышленности), датчики требуют постоянного инженерного обслуживания.

Самый простой способ настройки датчика — это его ручная регулировка (последняя цифра маркировки 1). С помощью переменного резистора (рис. 8) устанавливается принцип срабатывания датчика — на темное или светлое, а светодиод function является индикатором выходного сигнала (желтый). Второй потенциометр предназначен для регулировки чувствительности датчика к кон-

трасту. Зеленые светодиоды служат индикаторами направления вращения.

Приведем пример установки темной метки на светлом фоне. Для этого необходимо установить верхний потенциометр в положение dark (темный кружочек), поместить метку в зону работы датчика и навести ее на светодиод. Затем повернуть нижний регулятор чувствительности, пока не загорится светодиод function. Теперь необходимо поместить фрагмент фона в рабочую зону действия датчика. Для этого нужно поворачивать регулятор чувствительности, пока не загорится светодиод function. Подсчитайте число вращений и верните назад регулятор на половину значений сделанных вращений.

Методы обучения

Однако ручная настройка — это уже «дела давно минувших дней». Современные технологии предлагают пользователям различные методы обучения. Такие датчики имеют два режима: рабочий и режим обучения. В рабочем режиме датчик контраста изменяет выходной сигнал в зависимости оттого, что находится в зоне его контроля — метка или фон. При этом уровни включения и выключения задаются пользователем заранее.

U______________I____________I

Ор Л_____________П___________П.

°N и и и

Ор Л_____________________________П___________________П.

°N и и и

Рис. 9. Рабочий режим датчика

Режим обучения может быть динамическим или статическим. Однако следует заметить, что уже само применение технологии обучения сводит процесс настройки к минимальному набору действий. Статическое и динамическое программирование, а также установка выходов осуществляются с помощью кнопок на датчике или подачей импульсов на вход внешнего обучения. В процессе стати-

ческого или динамического программирования на основании контраста между меткой и фоном датчик автоматически выбирает цвет свечения 3-цветного излучающего светодиода: красный, зеленый или голубой. Статическое обучение

При статическом обучении достаточно разместить в зоне контроля датчика объект и нажать на кнопку teach (рис. 10). Датчик запомнит индивидуальные световые условия.

Компания SICK выпускает датчики со статическим обучением только метки (последняя цифра маркировки датчика 2) или метки и фона (последняя цифра маркировки 6).

Перед светодиодом датчика необходимо разместить метку, а регулятор контраста (потенциометр, рис. 10) установить в положение fine (небольшой контраст) или coarse (значительный контраст). Одно нажатие на кнопку teach (или активизация соответствующего сигнала управления) — и обучение датчика завершено. В качестве подтверждения загорится светодиод Q. Порог срабатывания сохранится после выключения питания. Для установки двух уровней контраста процедура повторяется еще раз (рис. 11).

Таким образом, статический обучающий режим teach-in позволяет одновременно проводить сразу две настройки: уровня контраста и цвета метки. Срабатывание на темное или светлое устанавливается датчиком автоматически.

Динамическое обучение

При обучении в динамическом режиме (последняя цифра маркировки 3) датчик анализирует серию изменяющихся состояний при чередовании меток и фона, вычисляет и запоминает порог срабатывания. Такой режим используется для программирования чувствительности в реальных условиях работы оборудования. Так же как и статическое обучение, динамическое обучение позволяет одновременно проводить настройки двух параметров: уровня контраста и цвета метки.

Для обучения датчика необходимо установить срабатывание на темное или светлое с помощью потенциометра на панели датчика (L или D) и нажать на кнопку teach (рис. 12). Теперь можно включить оборудование, и датчик автоматически настроится на уровень контраста «метка - фон». Если уровень кон-

оо

о

Рис. S. Переменный резистор

fine

U<t о о

н RUN

coarse

О TEACH

Рис. 10. Датчик со статическим обучением

Состояние Состояние

выхода выкл Датчик устанавливает выхода вкл

пороговое посередине м запрограмм состой значение ежду обоими ированным ниями

Выход ВЫКЛ Выход ВКЛ

(нет сигнала)

Сдвиг с помощью ручной установки

(сигнал вызывает насыщение)

Рис. 11. Процедура установки уровня контраста

Рис. 12. Датчик с динамическим обучением

Рис. 14. Датчик с автоматическим динамическим обучением

1 П 1 14 і V

-L^-LfU

Порог срабатывания 1-1____

п

Рис. 13. Движение меток в процессе обучения

Система обозначений

KT5G—2N 1 1 З 1

1 2 3 4 5 6 7 8

1 — серия.

2 — источник света:

G — зеленый светодиод, W — трехцветный светодиод.

3 — номер разработки.

4 — тип выходного сигнала Q: N — NPN, P — PNP.

5 — направление излучения:

1 — горизонтальное, 2 — вертикальное.

6 — зона контроля: 1 — 10 мм, 2 — 20 мм, 4 — 40 мм.

7 — схема задержки: 1 — отсутствует, 2 — 20 мс,

5 — аналоговый выход без таймера.

8 — режим обучения:

1 — ручной, 2 — статический teach-in на метку,

3 — динамический teach-in, 4 — автоматическое обучение,

6 — статический teach-in на метку и фон.

В данной статье мы подробно рассмотрели модельный ряд популярных датчиков контраста серии КТ5-2. Все описанные режимы работы применимы и для датчиков других серий. В таблице приведены сравнительные характеристики датчиков контраста SICK различных серий. ■

Таблица. Сравнительные характеристики датчиков контраста SICK различных серий

траста недостаточен для нормальной работы датчика, замигает светодиод Q. Скорость движения меток в процессе обучения может составлять 25-300 мм/с (рис. 13).

Автоматическое динамическое обучение

Последний метод обучения — автоматический динамический (последняя цифра маркировки 4). Для него обучения вообще не требуется. Потенциометр на панели датчика позволяет проводить сразу две настройки: срабатывание на темное или светлое и уровень контраста (fine или coarse, рис. 14).

Следующий пример показывает работу датчика при установках на большой уровень контраста и срабатывание на темное (рис. 15). Метод внешнего программирования

Все методы обучения доступны посредством кнопки teach, а также могут осуществляться методом внешнего программирования, с помощью внешнего сигнала ЕТ. В этом режиме можно не только установить задержку включения и выключения, но и заблокировать кнопку регулировки во избежание несанкционированного изменения установок. Программирование проводится с помощью последовательности входных импульсов.

Серия

KT6-2

KT8/

KT8L

Внешний вид

Ч.І

Источник излучения

Белый, 450-650 нм

Красный, зеленый

Цилиндрический корпус для монтажа в ограниченном пространстве

Светодиодный индикатор работы

Широкий выбор крепежных аксессуаров

Небольшой корпус

Регулировка чувствительности

Частота переключений до 10 кГц

Миниатюрный корпус

Настройка teach-in

Автоматическая регулировка для блестящих поверхностей

Крепкий металлический корпус

Расположение светодиода на фронтальной или поперечной стороне корпуса

Автоматическая регулировка для блестящих поверхностей

Широкий модельный ряд

Регулируемые пороги срабатывания

Несколько обучающих режимов teach-in

Модели с лазерами и оптоволокном

Металлический корпус

Модели с CAN-bus интерфейсом

Модели с лазером

Автоматическая коррекция наклона

Частота срабатывания — 30 кГц

Высокая скорость

Высокое разрешение

Автоматическая коррекция наклона

Настройка teach-in

Частота срабатывания — 30 кГц

Особенности

KT1M

KT2

KT3

RGB, белый

RGB

RGB

RGB

RGB