뛰어난 안정성과 신뢰성을 제공하는 산업용 카메라를 식별하는 기준
LUCID
머신 비전 카메라가 공장, 프로세싱 플랜트, 제조, 자동차 및 기타 중공업에서 지속적인 사용을 위해 설계되려면 까다로운 조건을 견뎌야 한다. 즉 광범위한 온도, 지속적으로 움직이고 진동하는 기계, 먼지 및 습기 노출 및 여러 전자기 노이즈 소스 등에서 중단없이 완벽하게 이미징 해야 한다.
카메라 설계에서 고려해야 할 주요 과제는 성능 저하 또는 산업 마모로 인한 고장으로 비용이 많이 드는 유지 보수를 줄이는 방법이다. 그렇다면 머신 비전 카메라가 이러한 거친 산업 환경에 적합한 이유는 무엇일까?
본문은 소비자가 Triton™ 영역 스캔 카메라 및 Helios™2(3D ToF 카메라)와 같은 신뢰성과 기능적 일관성을 가진 카메라를 식별하는 데 도움이 되는 사양, 테스트 및 표준을 소개한다.
공장용 견고한 카메라
공장용 카메라는 산업용으로 테스트하고 인증돼야 한다. 주거용 또는 상업용 전자 장치와 달리 산업용 제품에 사용되는 장치는 기계 진동, EMI 잡음, 전력 서지 등과 같은 지속적인 스트레스를 받을 수 있다.
하지만 모든 머신 비전 카메라가 이러한 산업적 스트레스를 견디기 위해 테스트되는 것은 아니므로 어떤 카메라를 검색해야 하는지 아는 것이 중요하다. 카메라 엔지니어는 카메라 품질과 안정성을 보장하기 위해 수명 초기부터 테스트를 시작한다.
테스트는 카메라 설계 및 프로토타이핑 단계(그림 1)에서 시작되며 카메라 하드웨어 설계는 여러 스트레스 테스트를 통해 검증된다. 이 검증 단계에서 카메라는 극심한 온도, 물리적 충격, 연속 및 무작위 진동, 전자기 노이즈, 전력 서지 등을 테스트 받는다. 이러한 테스트 일부는 공인된 기관에서 실시하고 다른 테스트는 내부에서 수행한다.
카메라는 전자기 방출, 전압 수준 및 유해 물질에 대한 국제 규정 준수에 대해 테스트 및 인증을 받는다. 검증 단계가 완료되면 카메라 테스트는 생산 중에 단위 테스트를 계속 받는다. 이 단계에서 모든 카메라 장치는 내부 장치 테스트를 거친다. 테스트에는 열 사이클링 기능 테스트, 진입 테스트, 센서 정렬 테스트 및 EMVA 1288 이미지 품질 테스트가 포함된다. 모든 테스트는 기계, 장비 및 전자기 간섭등이 존재하는 산업 환경에서 완벽하게 작동하는 견고한 카메라를 보장한다.
검증 테스트 사이클
테스트는 카메라 프로토타이핑 단계에서 이루어지며, 기능과 견고한 디자인에 대해 테스트한다. 이러한 테스트는 작업 중에 발생하는 수준을 훨씬 뛰어 넘는 극한의 한계까지 수행한다. 검증 테스트는 양산이 시작되기 전에 설계의 약점을 찾아내는 것이 목표다. 테스트에서 약점이 발견되면 조사를 시작하고 재설계를 시작한다. 그 후 카메라가 통과할 때까지 다시 테스트된다.
극한 온도 사이클링 테스트
열 챔버 내의 극심한 고온 및 저온에 대해 카메라 설계를 테스트한다(그림 2). 고온 및 저온 온도는 테스트 중에 발생하는 열 충격 테스트 보다 훨씬 높다. 테스트 중에 카메라는 전원 순환 및 이미지 스트리밍과 같은 기능 테스트를 반복적으로 받는다.
표준: 표준은 없으며 HALT(Highly Accelerated Life Testing)는 프로토 타입 테스트를 위한 프레임 워크로 사용된다.
이 단계는 시리즈 생산이 시작되기 전에 카메라의 약점을 식별하기 위해서 실시한다. 테스트 중에 엔지니어가 문제를 개선하고 수정할 수 있도록 카메라에서 모든 오류를 모니터링한다. 이 테스트는 설계 결함을 줄이는 데 도움이 된다.
충격 및 충돌 그리고 무작위 진동 테스트
카메라가 물리적 충격을 견딜 수 있는 능력을 테스트한다. 카메라는 X, Y, Z 축(그림 3 및 4)을 따라 다른 주파수와 심각도에서 펄스를 생성하는 충격 시험기(전기 역학 셰이커, 그림 5)에 장착된다.
표준: IEC/DIN EN 60068-2-27 환경 테스트, IEC/DIN EN 60068-2-64 Part 2-64, 테스트 Fh- 진동, 광대역 무작위 및 안내
산업용 기계는 움직이는 부품의 복잡한 시스템 내에서 작동한다. 움직이는 부품에 장착된 카메라는 갑작스러운 방향 변화와 우발적인 충격에 노출된다. 충격 및 진동 테스트는 카메라의 구조 설계를 검증한다.
이는 카메라 내부 부품의 견고함뿐만 아니라 카메라의 장착 설계 및 렌즈 장착 강도도 테스트 하게 된다. 충격과 진동을 견딜 수 있는 카메라는 자동차(고르지 않은 도로) 및 이동 로봇(경로 찾기 충돌)과 같은 많은 분야에서 유용하기 때문이다.
진동(SINUSOIDAL) 테스트
진동의 고조파 패턴을 견딜 수 있는 카메라의 능력을 테스트한다. 이 테스트는 전기 역학 셰이커가 귀 보호가 필요할 만큼 큰 소리를 생성하는 수준에서 진동한다. 전기 역학 셰이커는 10g 피크(20g 피크-피크)에서 고조파 주파수를 낮음에서 높음(LUCID 카메라의 경우 58 ~ 500Hz, 스윕 속도 분당 1 옥타브, 그림 6)을 통과한다. X, Y 및 Z 축에 대해 수행된다.
표준: IEC/DIN EN 60068-2-6 환경 테스트– 파트 2-6, 테스트 Fc- 진동(사인파)
기계, 엔진, 모터 등 움직이는 부품은 항상 진동을 생성한다. 회전, 맥동 또는 진동하는 힘은 고조파 진동을 방출한다. 이러한 고조파 진동 중 일부는 사람의 눈으로 감지되지 않을 수 있다. 사인파 테스트는 카메라 설계의 약점이 나타난다. 디자인의 공명은 흔들림 주파수와 일치할 때 카메라에 불균형적 스트레스를 줄 수 있다. 공진에 취약한 설계의 예로는 다이빙 보드처럼 진동하는 PCB 부품이 있다.
EMC 테스트(전자기 호환성)
정전기 방전 및 전자기 간섭에 대한 카메라 내성을 테스트한다. 카메라는 전자기 노이즈, 전력 서지, 전압 강하 및 간섭에 노출되어 있다. 이는 장치가 산업 환경에서 사용될 때 고장없이 작동하기 위한 것이다.
표준: IEC/DIN EN 61000-6-2(일반 표준-산업 환경에 대한 내성 표준)
적절한 EMC 테스트가 없으면 머신 비전 카메라가 산업 환경의 전자기를 견딜 수 있다는 보장이 없다(그림 7). 산업 환경에 비해 더 높은 수준의 전자기 간섭을 생성하는 모터, 전원 시스템 및 장치로 테스트한다. 이 테스트는 카메라가 완전히 작동하고 이미지를 스트리밍하면서 더욱 강한 전자기장, 더욱 높은 전도 노이즈 수준, 더 큰 전력 서지 및 정전기 방전을 견딜 수 있는지 확인한다.
유닛 테스트
유닛 테스트는 시리즈 생산 중에 각 카메라 유닛에 적용되는 품질 보증 테스트를 의미한다. 유닛 테스트는 카메라 기능 및 성능을 확인하고 결함이나 성능 이상이 있는 모든 유닛을 구별하는데 도움이 된다.
열충격 테스트
카메라는 고온(상한)과 저온(하한) 온도를 번갈아 가며 열 챔버에서 테스트된다. 상한 및 하한은 카메라가 한계에 도달하도록 정의된 작동 온도보다 약간 높게 설정된다. 기능 테스트는 열 순환 내내 주기적으로 실행된다.
기능 테스트의 예로는 전원 순환(켜기 및 끄기), 지속적인 이미지 스트리밍 및 잡기, 이미지 청크 CRC 검사, 신호 대 잡음비(SNR) 검사가 있다. 비트 오류를 확인하고 전력 소비 수준을 모니터링하여 허용 오차 수준을 유지하는지 확인한다. 이 열 순환은 여러 시간에 걸쳐 계속 반복된다(그림 9).
표준: 없음. 그러나 HASS(Highly Accelerated Stress Screening)는 단위 테스트를 위한 프레임 워크로 사용된다.
온도 순환은 고객에게 도달하기 전에 결함이 있는 카메라를 선별한다. 또한 각 카메라 장치가 정의된 온도 내에서 문제없이 올바르게 작동하도록 보장한다.
EMVA1288 이미지 품질 임계 값 테스트(이미지 성능 테스트)
카메라는 EMVA 1288 표준(EMVA, European Machine Vision Association)에 따라 이미지 품질을 측정하기 위해 플랫 필드 조명 장치에서 테스트된다. 테스트 결과는 허용 오차 범위 내에 있는 품질 수준에 도달해야 한다(그림 10). 시간적 다크 노이즈, 채도 용량, 광 응답 불균일성, 다크 신호 불균일성 및 선형성 오류에 대한 결과가 측정된다.
표준: EMVA 표준 1288-이미지 센서 및 카메라 특성화 표준
동일한 모델의 카메라 유닛이 일관된 이미지 품질 성능을 갖도록 한다. 이미지 품질 임계값에 도달하지 않은 장치는 제거된다. 거의 모든 카메라 제조업체가 EMVA 1288 표준을 기반으로 이미지 품질 테스트를 수행한다. 이를 통해 사용자는 서로 다른 카메라 센서와 여러 카메라 제조업체 간에 표준화된 이미지 품질 결과를 볼 수 있다(그림 11).
GPIO 신호 테스트
GPIO 입력 및 출력 신호는 올바른 전압 임계값에 대해 테스트된다. 성공적인 이미지 캡처를 트리거링하기 위해 적절한 전압 신호가 카메라로 전송된다.
표준: 없음, 그러나 Triton 및 Helios2의 24V PLC 로직 레벨은 시끄러운 산업 환경에서 더욱 높은 전압 신호를 허용한다.
머신 비전 카메라는 공장 현장의 다른 장치와 함께 사용된다. 이러한 장치는 카메라를 트리거링 하거나 반대로 카메라가 외부 장치를 트리거 하도록 동기화된다. 입력 신호의 경우, 높은 수준의 전기적 노이즈로 인해 잘못된 트리거링이 발생할 수 있으므로 트리거링을 위해 높은 임계 전압을 수신하도록 카메라를 설정해야 한다. 이를 허용하기 위해 Triton 및 Helios2 카메라는 소음이 심한 환경에서 안정적인 트리거링을 위한 가중 임계값이 포함되어 있다.
능동형 센서 정렬 테스트(장착 플랜지 정렬 테스트에 대한 센서)
센서 기울기, 이미지에서 렌즈 마운트까지 후면 초점 거리(BFD)를 측정한다.
표준: 없음, 그러나 능동 센서(광) 정렬은 모든 장치를 실시간으로 측정한다(그림 12).
기존의 기계식 센서 배치와는 다르게 심과 수동 배치 기술(shims and passive placement techniques)을 사용하는 능동 센서 정렬은 렌즈 배럴이 올바르게 정렬되도록 한다(그림 13). 이는 센서의 중앙에서 가장자리까지 평면 전체에 걸쳐 선명한 이미징을 제공한다.
이를 통해 장치마다 일관된 이미지 품질이 생성되므로 엔지니어가 각 장치에 대한 카메라 조정에 대해 걱정할 필요없이 확실히 설계할 수 있다.
IP67 테스트(먼지 및 물 성분)
먼지와 물의 침입으로부터 카메라 케이스를 테스트한다. 압력 및 침수 테스트를 수행한다(그림 15).
표준: IP67(IEC 표준 60529, 그림 14)은 카메라에 먼지(방진)가 들어가지 않아야 하며 30분 동안 최대 1미터의 방수 기능을 제공해야한다.
모든 전기 장치의 경우 먼지와 습기는 매우 해로운 영향을 미칠 수 있다. 이는 기계가 사용되는 산업 환경에서 더욱 두드러진다. 예를 들어 과일 및 채소 가공 공장은 토양에서 먼지 입자를 가져오고 물 스프레이에서 수분을 가져온다. 안정적인 카메라 작동을 유지하려면 IP67 카메라를 선택하는 것이 중요하다.
외부 IP67 인클로저가 한동안 사용되어 왔지만 카메라에 IP67 보호 기능이 내장되어 있으면 애플리케이션 공간을 잘 활용할 수 있다.
추가 IP67 엔클로저가 필요하지 않으면 설계자는 조립 시간이 단축되고 유지 관리가 쉬운 콤팩트한 시스템을 구축할 수 있다.
결론
모든 머신 비전 카메라가 산업 공장의 열악한 환경을 견디도록 제작된 것은 아니다. 많은 카메라 제조업체에서 카메라가 연중무휴 24시간 운영에 적합하다고 말할 수 있지만, 먼저 테스트 및 보고를 통해 기준과 표준을 충족해야 한다. 카메라 제조업체는 다양한 카메라 사양을 살펴보는 데 시간이 많이 걸릴 수 있다. 따라서 공장에 맞는 견고한 카메라를 선택하는데 있어 가장 큰 과제는 올바른 테스트 표준이 무엇인지를 아는 것이다. 본문은 산업 환경을 위해 설계된 카메라 사양과 테스트 기준을 소개했다. LUCID의 Triton 및 Helios2 카메라는 EMC 산업 내성, 충격 및 진동 인증, IP67 방진 및 방수 인증을 받았다.
자료 제공: LUCID(www.thinklucid.com)
