다양한 시각적 도전과제에 대응하는 머신 비전 조명 설계 ‘Dual OverDrive’
머신 비전 및 산업 자동화 분야는 계속해서 상승하는 추세를 보이고 있다. 최근 인력 부족과 코로나19로 인한 업무 중단으로 인해 모든 유형의 비즈니스에서 생산성 향상과 수익 창출을 위한 수단으로 자동화의 중요성이 강조되고 있다.
업계 통계에 따르면 실제로 자동화가 기록적인 속도로 상승곡선을 이루고 있지만, 프로세스가 진화하고 새로운 요구가 발생함에 따라 공급업체는 이러한 도전에 대응하기 위해 제품을 혁신해야 하는 상황에 놓이게 됐다.
부상하는 머신 비전 산업
미국 자동화 발전 협회(A3)에 따르면, 머신 비전은 2014년부터 2016년까지 북미에서 꾸준히 점진적인 성장을 보이다가 2017년 22억 9000만 달러에서 26억 3000만 달러로 큰 폭으로 도약했다. 이듬해인 2018년에는 28억 7000만 달러로 급증하며 북미 시장에서 최고치를 기록했고, 이후 2년 동안은 27억 7000만 달러 (2019년)와 26억 5000만 달러(2020년)로 하락세를 보였다.
그러나 코로나19 팬데믹이 시작된 지 1년 후 머신 비전 시장은큰 폭으로 반등했다. 기업들이 팬데믹으로 인한 업무 중단과 인력 부족으로부터 자신을 보호하고 일반적으로 어려운시기에 생산성과 효율성을 유지할 수 있는 방법을 모색하면서 2021년 북미 지역의 머신 비전 매출은 30억 3000만 달러에 달했다.
로보틱스 수치도 비슷해 보인다. 국제로봇연맹(IFR)의 세계 로봇 보고서에 따르면, 2021년에는 전년 대비 31% 성장하며 팬데믹 이전인 2018년의 기록을 22% 초과하는 사상 최고치의 산업용 로봇이 설치됐다. 또한 A3 수치에 따르면 북미 지역의 로봇 판매량은 2022년 각 분기마다 사상 최고치를 기록했다.
자동화 시스템은 모든 유형의 제조업체와 비즈니스에서 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 머신 비전과 로봇 기술을 통합한 시스템은 지루하고 지저분하거나 위험한 작업에서 사람을 배제하는 동시에 현재 또는 미래에 발생할 수 있는 모든 중단을 방지할 수있다. 또한 이러한 시스템은 효율성을 높이고 생산성을 높이며 수익을 창출할 수 있다.
PC 기반 머신 비전 시스템을 구축하려면 카메라, 케이블, 렌즈, 산업용 컴퓨터, 소프트웨어는 물론 카메라가 ‘볼 수 없는’ 조명을 포함하여 필요한 모든 구성 요소를 지정하고 설계, 통합해야 한다.
Light 엔진 가동
오늘날의 머신 비전 시스템은 점점 더 빠른 속도로 작동하기 때문에 올바른 이미지를 캡처하는 데 도움이 되는 조명이 필요하다. LED 조명을 펄싱(또는 스트로빙)하면 빠르게 움직이는 물체의 이미지를 정지시키는 데 도움이 된다. LED 조명 컨트롤러는 일반적으로 연속 모드(듀티 사이클 없이 무기한 작동하는 열 제약을 충족하도록 설계, 조정 및 테스트된 LED)와 스트로브/펄스(필요할 때만 컨트롤러를 통해 켜지는 LED)의 두 가지 작동 모드를 제공한다.
이러한 컨트롤러를 사용하면 일반적으로 펄스 타이밍을 미세 조정할수 있으므로 카메라 타이밍을 조정할 수 있다. 또한 펄스 모드 작동을 사용하면 LED가 제조업체의 정격을 초과하여 과도하게 구동되어 더 많은 빛을 생성하지만 더 많은 열을 발생시킬 수 있다.
‘OverDrive(오버드라이브)’로 알려진 이 모드에서는 특정 머신 비전 조명을 연속 작동 드라이브의 최대 10배 강도로 스트로브/ 펄싱할 수 있다. 오버드라이브 모드에서 작동하는 조명은 외부 드라이버가 필요하지 않는 LED의 완전한 제어를 위해 통합 스트로브 드라이버를 갖추고 있을 수 있다. 드라이버는 스트로브 작동을 모니터링하여 머신 비전 검사 중에 조명 출력을 최대화해야 한다.
LED 컨트롤러는 조명이 빠르게 소손될 위험이 있으므로 휴식 시간, 즉 듀티 사이클이 되기 전에 설정된 시간 동안만 오버드라이브로 작동하도록 해야 한다.
오버드라이브 모드에서 작동하는 LED는 다양한 머신 비전 애플 리케이션에 유용할 수 있지만, 특히 물체나 컨베이어라인이 고속으로 움직이고 물체의 움직임을 정지시키기 위해 밝은 스트로브가 필요하지만 장시간 노출을 사용할 수 없는 작업에 적합하다. 예를 들어 물류, 식음료, 소비재, 제약 분야 등이 여기에 해당할 수 있다.
조명은 프로세스가 발전하고 새로운 과제가 발생함에 따라 계속 진화하는 기술의 대표적인 예이다. 물류 시나리오를 예로 들어 보겠다. 반사율이 높은 플라스틱 랩과 배송용 봉투는 바코드 판독과 광학 문자 인식(OCR) 애플리케이션에 어려움을 준다. 플라스 틱은 반사율이 높기 때문에 캡처된 이미지에 핫스팟이 생겨 카메 라나 코드 리더기가 그 아래 바코드를 판독할 수 없게 만들 수 있다.
편광판은 반사 표면의 반사를 줄여주지만, 이러한 필터는 사용 가능한 빛의 대부분을 제거하여 대비를 감소시키고 바코드 판독을 어렵게 만든다. 그러나 기존의 오버드라이브 조명 모드를 훨씬 뛰어넘어 광 출력을 높이는 새로운 전자 설계가 플라스틱 랩문제를 극복하는 데 도움이 될 수 있다.
‘Dual’ vs ‘Deca’
새로운 전자식 디자인의 LED 라이트는 표준 오버드라이브와 새로운 ‘Deca(데카)’ 오버드라이브의 두 가지 오버드라이브 엔진을 결합한 ‘Dual OverDrive(듀얼 오버드라이브)’ 모드를 제공한다.
Smart Vision Lights의 표준 ‘오버드라이브’ 모드는 그 자체로 5배 이상의 출력을 제공한다. 연속 모드의 5배 이상의 출력을 제공하며, 이는 다른 많은 제조업체의 낮은 오버드라이브 모드보다 더 밝다.
새로운 ‘데카’ 모드를 사용하면 최종 사용자는 연속 모드보다 10배 더 밝은 1밀리초의 광 펄스를 얻을 수 있다. 듀얼 오버드라이브 설계로 결합된 표준 오버드라이브와 데카 오버드라이브는 사용자가 스트로브 지속 시간을 통해 조명 모드를 선택할 수 있는 단일 통합 유닛을 형성한다. 듀얼 오버드라이브 모드는 항상 1ms 의 데카 모드로 시작하여 10배 더 밝은 광 펄스를 제공한다.
노출이 1ms를 초과하여 계속되면 조명은 출력을 확장하기 위해 표준 오버드라이브 모드로 전환된다. 듀얼 오버드라이브는 두 모드의 작동을 하나의 기능으로 원활하게 결합한다.
오버드라이브 모드가 있는 다른 조명과 마찬가지로 듀얼 오버 드라이브 조명은 번아웃을 방지하기 위해 연속 모드에서 작동하는 조명보다 듀티 사이클이 더 짧다. 듀티 사이클 값은 백분율로 표시되며, 켜져 있는 조명과 휴지 상태인 조명의 총 비율을 나타낸다. <그림1>은 데카 모드에서 1ms, 표준 오버드라이브 모드에서 최대 5ms 동안 작동하고 3.5% 듀티 사이클에 165ms의 휴식 기간을 갖는 LHI300 LED 조명의 예를 보여준다.
<그림1> 듀얼 오버드라이브 모드에서 LHI300 조명의 듀티 사이클
데카 오버드라이브 라이트의 듀티 사이클이 짧으면 사용자에게 예상대로 영향을 미치지 않거나 전혀 영향을 미치지 않을 수도 있다. 예를 들어, 3% 듀티 사이클에서 펄스 폭이 100µs인 애플리케이 션은 3.3ms마다 Deca OverDrive 펄스를 반복할 수 있다. 프레임 속도로 환산하면 300fps에 해당한다.
펄스 폭이 500µs이고 듀티 사이클이 3%인 애플리케이션도 60fps로 실행할 수 있으므로 많은 산업용 머신 비전 애플리케이션에 적합하다. 또한 500µs의 Deca OverDrive는 연속 모드에서 5ms보다 더 많은 빛을 제공한다.
<그림2> 처음 2ms 동안의 연속, 표준 오버드라이브 및 듀얼 오버드라이브 모드의광 축적량과 시간 비교
<그림2>는 동일한 LED를 사용하는 연속, 표준 오버드라이브및 듀얼 오버드라이브의 세 가지 모드를 보여준다. 트리거 후 첫번째 밀리초에는 데카 모드가 표준 오버드라이브의 2배의 출력 및 시간 경과에 대해 두 배, 연속 모드 작동에 대비하여 10배의 빛을 제공한다. 1밀리초가 지나면 데카 모드가 종료되고 듀얼 오버 드라이브 엔진이 표준 오버드라이브로 변경된다.
이 시점에서 두모드의 누적 속도는 동일해지지만 듀얼 오버드라이브는 첫 번째 밀리초에 추가로 누적된 빛을 가지는 이점이 있다.
밝은 조명, 저전력
많은 스마트 카메라와 기타 머신 비전 구성 요소는 훨씬 낮은 임계값으로 제한되어 있어 오버드라이브 조명의 더 높은 버스트를 지원할 수 없다. 공장 현장에서 흔히 볼 수 있는 공급 라인은 NEMA Class 2 공급 라인 규정을 준수하기 위해 항상 공급 전력을 100W(24VDC에서 4A) 이하로 유지해야 한다.
새로운 듀얼 오버드라이브 기술을 사용하면 더 큰 조명에서도 전류 소모량을 피크 3A 미만으로 제한할 수 있으며, 대부분의 모델이 2A 미만을 유지한다. 충전 관리 회로와 결합된 새로운 온보드 에너지 저장 및 전력 관리 설계는 일관된 낮은 전력 소모를 유지하면서 강력한 조명을 발광할 수 있도록 도와준다.
듀티 사이클의 휴식 기간 동안 커패시터 저장 뱅크가 천천히 충전되므로 소스에서 높은 전류를 끌어오지 않고도 장시간에 걸쳐 완전 충전에 도달할 수 있다.
<그림3> 에너지 저장 및 전력 관리 시스템을 보여주는 회로 설계 예시
통조림 라인 속도 향상
최근 애플리케이션에서 새로운 듀얼 오버드라이브 조명은 초당 100개의 부품을 생산하는 통조림 라인에 배치됐다. 이전 설계에 서는 오버드라이브 모드에서 작동하는 바 조명을 사용하여 캔에서 40~50밀리초의 노출 시간을 실행했는데, 픽셀 블러로 인해 변동이 발생했다.
이 설정에서 LED의 게인은 12배로 설정되었고, 그 결과 이미지가 노이즈가 심하고 시스템에서 요구하는 만큼 선명 하지 않았다. 이 조명을 4개의 듀얼 오버드라이브 조명으로 교체 함으로써 통합업체는 노출 시간을 40에서 50 밀리초에서 12 밀리초로, 움직임 블러와 게인을 제거했다.
이 애플리케이션에서 통합 업체는 하루만에 조명을 교체할 수있었는데, 다운타임 비용을 고려할 때 매우 중요한 부분이다. 이를 위해 새로운 듀얼 오버드라이브 조명은 사용 편의성과 공간을 고려하여 설계됐다. 라이트는 링과 선형 형식으로 제공되며, 카메 라의 트리거 출력을 통한 직접 연결과 제어를 제공한다. 선형 조명은 300mm 또는 600mm 길이로 제공되며, 어떤 크기의 패키 지도 조명할 수 있는 터널 시스템을 생성하는 데 사용될 수 있다.
반면, 링 조명은 선택적인 마운팅 플레이트를 통해 가장 일반적인 기계 비전 카메라 하우징에 직접 장착할 수 있다. 또한, 이 조명은 카메라, 조명 및 컨트롤러에 연결되는 새로운 통합형 케이블을 갖추고 있으며 최대 15미터까지 도달할 수 있다.
물류 산업과 그 밖의 분야에서 자동화 애플리케이션이 계속 발전함에 따라 시스템을 구동하는 기술도 계속 발전해야 한다. 가시 광선 기반 머신 비전 시스템의 핵심 기술인 조명도 마찬가지이다. 오늘날 많은 고속 검사 시스템은 카메라나 바코드 리더기에 적합한 이미지를 캡처하기 위해 모션 블러나 게인 없이 짧은 노출 시간에 밝은 조명을 필요로 한다.
물류 애플리케이션에서 플라스틱 랩 문제를 해결하기 위해 Smart Vision Lights의 ‘Lightgistics 시리즈’ 머신 비전 조명을 사용하면 최종 사용자가 편광판, 광학 필터 또는 추가 확산을 부착하는 동시에 다양한 애플리케이션에서 조명에 큰 전력 요구 사항을 추가하지 않고도 모든 속도를 처리할 수 있는 탁월한 광출력을 유지할 수 있다.
자료제공: Smart Vision Lights(www.smartvisionlights.com)
