공정 자동화 및 품질 향상을 위한 머신 비전 솔루션

자료제공 : 코그넥스코리아

머신 비전 시스템이란?
자동화 이미지 협회(AIA)에 따르면, 머신 비전은 모든 산업용/비산업용 애플리케이션에 사용되며 하드웨어와 소프트웨어가 결합되어 이미지 포착 및 처리 기능을 실행할 수 있도록 작동을 안내하는 솔루션이다. 산업용 컴퓨터 비전과 학업이나 교육, 정부, 군에서 사용하는 애플리케이션을 비교해보면, 알고리즘과 접근 방식은 대부분 동일하지만 제약 조건은 각각 다르게 나타난다.
산업용 비전 시스템은 학업/교육 비전 시스템보다 높은 견고성, 신뢰성, 안정성이 요구되며, 일반적으로 정부나 군에서 사용하는 애플리케이션에 적용되는 비전 시스템보다는 훨씬 저렴하다. 따라서 산업용 머신 비전은 저렴한 비용, 일정 수준 이상의 정확성, 높은 견고성 및 신뢰성, 뛰어난 기계 안정성과 온도 안정성을 갖추고 있다.

머신 비전 시스템 활용 예시

머신 비전 시스템은 특수 광학 장치를 사용하여 산업용 카메라 내부에서 보호되는 디지털 센서로 이미지를 획득하며, 이를 통해 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어가 의사 결정을 위한 다양한 특성을 처리, 분석, 측정할 수 있다.
예를 들어 양조장에서는 일정한 양의 술이 병에 들어갔는지 검사하기 위해서 머신 비전을 사용하고 있다. 그림 1과 같이 각 맥주병이 검사 센서를 통과하면, 이 센서는 스트로브 광을 비춰 병의 사진을 찍도록 비전 시스템을 작동시킨다. 비전 소프트웨어는 이미지를 캡처하여 메모리에 저장한 후, 이를 처리, 분석하여 병 안에 있는 술의 양에 따라서 제품의 양호와 불량을 판단한다. 술이 제대로 채워지지 않은 병, 즉 불량이 감지되면 시스템은 병을 거부하라는 신호를 전환기에 보내게 되고, 작업자는 디스플레이에서 불량품을 확인하고 진행 중인 공정의 통계를 볼 수 있다.
뿐만 아니라 머신 비전 시스템은 점화 플러그의 간극을 파악하거나 제조 공정에서 로봇이 부품을 정렬할 수 있도록 위치 정보를 제공하는 등의 객관적인 측정도 수행할 수 있다.

머신 비전의 이점
인간의 시력은 복잡하고 구조화되지 않은 장면을 질적인 측면에서 해석하는 데 최적인 반면, 머신 비전은 속도, 정확성, 반복성 덕분에 구조화된 장면을 양적인 측면에서 측정하는 데 뛰어나다. 머신 비전 시스템은 생산라인에서 1분에 수백, 수천 개의 부품을 검사할 수 있다. 머신 비전 시스템의 카메라와 광학 장치는 너무 작아서 인간의 눈으로는 볼 수 없는 물체의 세세한 부분까지 검사할 수 있다.
테스트 시스템과 테스트 대상인 부품 간의 물리적 접촉을 분리하여 부품의 손상을 방지할 수 있어서 기계적인 구성요소의 마모 및 손상으로 인한 유지보수 비용 및 시간이 줄어든다. 특히 머신 비전은 제조 공정에서 인력의 개입을 최소화하여 유해 환경이나 예상치 못한 위험으로부터 작업자를 보호하고, 공정 운영을 효율적으로 관리한다.
이 외에도 머신 비전 솔루션을 사용하면 부품 검사, 측정, 계측 및 조립 검증을 통한 제품 품질 향상, 반복 작업의 기계화로 생산성 증대, 광학 문자 인식 및 식별을 통한 재고 관리를 자동화할 수 있어서 공정이 보다 효율적으로 진행된다.
또한 머신에 비전을 추가함으로써 성능을 개선하고 설비 노후화를 방지하여 자본 설비비용을 절감하고, 수동으로 진행되던 공정 업무를 자동화함으로써 생산 비용 절감 효과도 가져올 수 있다. 이렇듯 머신 비전 시스템은 생산 시설 안전 강화, 비용 절감, 제품 품질 향상 등 다양한 이점을 제공할 수 있으며, 이에 따라 점점 더 많은 기업이 비전 시스템을 도입하는 추세이다.

머신 비전 시스템의 유형
머신 비전 시스템은 크게 1D, 2D, 3D 비전 시스템으로 나뉜다.

1D 비전 시스템
1D 비전 시스템은 한 번에 전체 그림을 보는 것이 아니라 한 번에 한 라인씩 디지털 신호를 분석한다. 일반적으로 종이, 금속, 플라스틱, 기타 부직포 시트, 롤 제품과 같은 연속 공정에서 제조된 재료의 결함을 감지하고 분류한다.

2D 비전 시스템

특정 애플리케이션에서 라인 스캔 시스템은 영역 스캔 시스템에 비해 강점을 가지기도 한다. 예를 들어, 원형 또는 원통형 부품을 검사할 때 부품의 전체 표면을 다루기 위해서는 다중 영역 스캔 카메라가 필수적이다. 그러나 단일 라인 스캔 카메라는 전면에서 부품을 회전시키면서 이미지를 펼쳐서 표면 전체를 포착한다. 라인 스캔 시스템은 카메라가 부품의 바닥을 보기 위해 컨베이어의 롤러 사이를 들여다봐야 하는 경우와 같이 좁은 공간을 검사하는데 많이 사용되며, 일반적으로 기존 카메라보다 훨씬 더 높은 해상도의 이미지를 제공한다. 라인 스캔 시스템은 움직이는 부품이 있어야 이미지를 생성할 수 있기 때문에 계속해서 움직이는 제품에 적합한 시스템이다.

3D 비전 시스템
3D 머신 비전 시스템은 일반적으로 멀티 카메라 또는 하나 이상의 레이저 변위 센서를 포함한다. 로봇 가이드 애플리케이션에서 멀티 카메라 3D 비전은 부품 방향 정보를 로봇에게 제공한다.
이 시스템에서는 멀티 카메라가 서로 다른 위치에 설치되고 3D 공간에서 객관적인 위치에 대한 ‘삼각측량’이 수행된다.

이에 비해, 3D 레이저 변이 센서 애플리케이션은 일반적으로 표면 검사 및 용적 측정을 포함하며, 단일 카메라에서 3D 결과를 생성한다. 하이츠맵(height map)은 물체에 반사된 레이저의 위치 변위로부터 생성된다. 라인 스캔과 유사하게 제품 전체를 스캔하려면 물체 또는 카메라를 이동해야 한다. 보정된 오프셋 레이저를 사용하면 변위 센서가 표면 높이 및 평면성과 같은 매개변수를 20㎛ 내의 정확성으로 측정할 수 있다.
기술의 발달과 함께 머신 비전 솔루션 역시 점점 더 좋은 성능을 제공하고 있다. 과거와 비교해 봤을 때 월등히 높은 해상도의 이미지와 빠르고 정확한 판독이 가능해졌다.
특히 최근에는 머신 비전 시스템에 3D 기술의 도입이 확대되고 있다. 3D 머신 비전 시스템은 검사 대상의 외관상의 길이나 폭, 높이, 기울기, 부피 등과 관련된 3차원 검사가 가능하다. 무엇보다 명암, 조명이 열악한 환경에서도 정확하고 빠르게 검사를 진행하고 오류를 판독할 수 있다. 앞으로 3D 비전 기술이 머신 비전 업계의 판도를 바꾸는 핵심 기술로 부상할 것으로 기대된다.