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Pour un système robuste de vision industrielle

Qu'est-ce qui fait la robustesse d'un système de vision ? Dans le contexte de la vision industrielle, la robustesse va au-delà de la simple fiabilité, car le système doit maintenir une continuité de fonctionnement indépendamment des variations naturelles de l'environnement dans lequel il est utilisé.

Un système de vision doit être capable de s’adapter aux influences de l'environnement, à la variabilité des objets à inspecter ainsi qu’aux effets des composants utilisés. Le choix des composants les mieux adaptés à chaque système exige un savoir-faire et une expérience approfondis qui sont généralement réservés aux intégrateurs de systèmes et aux fournisseurs spécialisés. Il y a une très grande différence entre une solution qui fonctionne dans un laboratoire d'essai et une solution capable de relever tous les défis d'un environnement industriel difficile.

Les exigences de la vision industrielle

Un système de vision industrielle comprend différents éléments qui interagissent : un éclairage, un objectif, une caméra, un système d’acquisition et de transfert d'images, un logiciel de traitement d'images, de mesure et d’évaluation. Les performances technologiques ne cessant de s’améliorer dans tous les domaines, les capacités offertes par la vision industrielle connaissent également une croissance exponentielle. Mais la complexité globale d’un système de vision reste déterminée par les exigences spécifiques de l'application. Le choix des composants optimaux pour un système robuste doit non seulement être basé sur leur capacité à réaliser la mesure requise (résolution appropriée, fréquence d'images, algorithmes de mesure, etc.), mais doit aussi prendre en compte les exigences mécaniques et les influences extérieures de l’environnement.

Dans un milieu industriel, il peut s’agir de la variabilité des pièces à inspecter, de leur manipulation et positionnement, de vibrations, de la lumière ambiante, de la température, ainsi que de la présence de poussière, d'eau, d'huile ou de rayonnements électromagnétiques. Dans un milieu industriel particulièrement hostile, il peut être nécessaire d'utiliser des boîtiers spécialisés qui protègent les composants. Dans les milieux médicaux par exemple, où l’hygiène doit rester irréprochable, les caméras sont insérées dans des boîtiers étanches, résistants aux lavages à l’eau. Mais le recours à des composants standards de vision reste très souvent possible dans un grand nombre d’applications.

Le milieu industriel : un défi

Les systèmes de vision installés en milieu industriel sont ainsi mis durement à l’épreuve, l’environnement pouvant influer aussi bien sur l’intégrité des composants que sur le résultat des mesures. Cela se constate tout particulièrement lorsque les systèmes sont exposés à de fortes variations de température. La plupart des caméras modernes sont conçues pour des écarts de températures comprises entre -5°C et 65°C. Même si les caméras soumises à ces conditions extrêmes ne subissent aucun dommage, les températures élevées provoquent un bruit accru d’image sur le capteur de la caméra. Il est possible d’y remédier grâce à un éclairage adéquat, suffisamment lumineux pour améliorer sensiblement le rapport signal/bruit.

La température influe également sur les performances de l'éclairage LED, la source lumineuse la plus utilisée en vision industrielle. Au fur et à mesure que les LEDs se réchauffent, leur luminosité diminue. La solution est ici l’utilisation d'un contrôleur d'éclairage qui peut ajuster la puissance lumineuse au profil de compensation de température de la LED. D’autre part, les LEDs génèrent elles-mêmes de la chaleur, ce qui non seulement accélère leur vieillissement, mais peut également les détériorer complètement : il est donc important de prévoir une gestion efficace de la chaleur lors de la conception du système.

D'autres composants peuvent être choisis en fonction de leur résistance thermique. Les PC industriels et embarqués, par exemple, disposent d'une puissance de calcul énorme, tout comme les systèmes de traitement d'images modernes. Cependant, soumis à une large plage de températures sans ventilateur intégré, leur fiabilité sera mise à mal et ils seront sujets à des erreurs. Les écarts de températures influent non seulement sur les composants, mais aussi sur les objets à mesurer. Les fluctuations de température peuvent en effet provoquer une dilatation ou une contraction des composants métalliques, entraînant des écarts par rapport à leurs dimensions réelles et faussant ainsi les résultats de mesure.

Dans les systèmes de mesures 3D, cela peut conduire à des modifications de la géométrie du capteur, menant ainsi à des erreurs de mesure ; à moins que l'étalonnage du capteur ne comprenne une fonction de compensation de température.

Pour concevoir un système de vision robuste et choisir les composants les plus adéquats, il est donc essentiel de prendre en compte les effets possibles des écarts de température. Mais pas seulement : voici une série d’autres facteurs susceptibles d’influencer votre système de vision.

  • Chocs et vibrations - De nombreuses caméras modernes offrent une résistance élevée aux chocs et aux vibrations. Il existe par exemple des câbles spéciaux destinés à la robotique ou aux chaînes porte-câbles pour les applications à caméras mobiles, ou des connecteurs à système de verrouillage pour les applications à fortes vibrations. Au niveau informatique, il existe aujourd’hui des PC résistants et des ordinateurs embarqués qui offrent une grande stabilité mécanique. Dans le secteur optique, les objectifs à focale fixe montés sur des montures métalliques à vis de fixation offrent une protection appropriée contre les chocs et les vibrations, tandis que les filtres protègent la surface de l'objectif .
  • Lumière ambiante - Les filtres de protection contre la lumière du jour permettent d'utiliser les systèmes de vision indépendamment de la lumière ambiante : ils compensent les variations d’intensité lumineuse de l’éclairage ou de la lumière directe du soleil. Les effets de la lumière ambiante peuvent également être minimisés grâce à une LED pulsée à forte intensité lumineuse, un temps d'exposition réduit et une ouverture plus petite. La gamme de longueurs d'onde est également cruciale. Par exemple, les mesures dans le domaine infrarouge ne sont pas exposées aux fluctuations de la lumière visible.

  • Poussière, saleté et eau - De nombreuses caméras sont disponibles dans des boîtiers IP65/67, les protégeant efficacement contre la poussière, la saleté et les projections d'eau. La poussière, la saleté, la vapeur ou les liquides peuvent se déposer sur la LED ou l’objectif et réduire ainsi la quantité de lumière atteignant le capteur. Ce problème peut être résolu de différentes façons : en augmentant le gain de la caméra, en utilisant un logiciel approprié de traitement d’image ou en ajustant la puissance de sortie de la LED.

Ces facteurs, ainsi que d'autres, influent sur la qualité des images produites par le capteur. Il est donc particulièrement important de les prendre en compte car de la qualité irréprochable de l’image découle la justesse des mesures.

Les mesures

Les mesures sont effectuées en fonction de la configuration du système de vision industrielle. Les caméras intelligentes intègrent des fonctions de capture, de traitement et d'évaluation des images. Les systèmes embarqués compacts pour applications exigeantes de vision et d'automatisation nécessitant l'utilisation de plusieurs caméras assurent ces fonctions dans l'unité informatique. Pour les systèmes basés sur PC, le logiciel est installé sur le PC. La précision et la reproductibilité des résultats de mesure dépendent des algorithmes logiciels utilisés et de leur précision de l’ordre du sous pixel.

Les produits logiciels et les bibliothèques de haute qualité offrent souvent des outils logiciels plus robustes que les systèmes à bas prix ou open source. Mais souvent ces différences ne peuvent être évaluées que par comparaison directe et dans des environnements de test différents. Les systèmes de vision actuels tolèrent de légères variations au niveau de la taille ou de la forme des produits et sont capables de classer de manière fiable les produits naturels qui présentent inévitablement des différences. Mais même avec les systèmes les plus robustes, des influences extérieures peuvent conduire à de mauvais résultats de mesure. De fortes vibrations par exemple peuvent provoquer des images floues ; la position de l’objet peut également variée, entraînant un changement d’angle de vue lors de l’inspection. Si les objets se déplacent, des temps d'exposition trop longs peuvent aussi causer un flou cinétique.

« What you see is NOT what you get »

Un piège bien connu pour l'utilisateur débutant en vision industrielle est la différence significative entre l'œil humain et la caméra, même la plus sophistiquée. Les yeux s'ajustent automatiquement pour faire face à une grande plage dynamique, tandis qu'une caméra fixe est incapable de voir simultanément des zones très claires et très sombres. La lumière du soleil ou l'ombre du machiniste peuvent changer de façon significative les images de la caméra, là où l'œil humain compense inconsciemment ces effets.

Planification et spécification d'un système de vision industrielle

La planification, la spécification et la mise en œuvre d'un système de vision adapté à l'application recherchée doivent aller au-delà du simple choix des composants les plus robustes. L'une des solutions consiste à utiliser les normes VDI/VDE/VDMA 2632 pour la vision industrielle, publiées par la société VDI/VDE pour les techniques de mesures et d’automatisation, et élaborées en collaboration avec la société allemande VDMA Machine Vision.

La deuxième partie de ces normes est intitulée « Lignes directrices pour l'élaboration d'un cahier des charges pour le système », et met particulièrement l'accent sur la représentation et la description des influences perturbatrices, ainsi que sur leurs effets. Dans ce cadre, le processus de rédaction du cahier des charges doit commencer par l’évaluation en détail de l’application, en cherchant à :

  • identifier la tâche de mesure exacte à entreprendre
  • identifier l'objectif exact du test, les caractéristiques à valider, les parties de l'échantillon à valider, les exigences particulières.
  • identifier tous les détails de l'objet test, tels que les différents types possibles, les procédés préliminaires, la contamination de l'objet, sa stabilité thermique et mécanique.
  • décrire avec précision le site en ce qui concerne le positionnement, l’état des machines et les influences perturbatrices sur l'environnement.
  • décrire avec précision le processus, y compris l'intégration, les interfaces, les contraintes spatiales et les modes de fonctionnement.
  • déterminer les informations supplémentaires, telles que l'interface homme-machine, le mode opératoire, la visualisation, etc.

Suivre les normes VDI/VDE/VDMA 2632-2 permet non seulement de définir la solution optimale, mais garantit également l'utilisation d'une terminologie cohérente, où les termes et définitions sont identiques pour tous, notamment lors d’une demande de devis auprès de plusieurs fournisseurs. Ceci garantit ainsi la comparabilité exacte de deux systèmes.

STEMMER IMAGING organise une série de formations en coopération avec l'European Imaging Academy afin de mieux sensibiliser à la manière dont la directive VDI/VDE 2632-2 peut contribuer à une intégration réussie d’un système de vision industrielle sur les lignes de production. Pour les utilisateurs qui souhaitent mettre en œuvre un projet de vision, ces formations sont idéales. Ils y apprennent à poser les bonnes questions aux fournisseurs, à évaluer la qualité d’une offre et à reconnaître si elle est complète. De cette façon, les utilisateurs peuvent être sûrs d’obtenir un système de vision vraiment robuste.