Utilizzare i progressi dei sensori ToF (tempo di volo) 3D per misurare l'altezza di picco e il livello di riempimento durante la produzione

È convinzione comune che il progresso tecnologico sia un processo lineare e chiaro. Il settore dei semiconduttori promuove questa percezione pubblicando una "roadmap" della tecnologia di processo e della riduzione dei nodi a cinque e dieci anni di distanza, facendo sembrare il tutto un'estrapolazione molto prevedibile degli sviluppi passati.

Ovviamente, in molti casi la realtà del progresso è molto diversa. Chiunque, guardando alla tecnologia delle valvole termoioniche nel 1947, avrebbe escluso eventi dirompenti come il transistor nelle previsioni a breve e medio termine. E, guardando ai transistor e ai circuiti nei primi anni Cinquanta, non avrebbe mai immaginato un circuito integrato che apparve alla fine di quel decennio.

I progressi tecnologici non sono solo il risultato di questi eventi dirompenti, rivoluzionari e spesso imprevisti. In molti casi, sono dovuti al fatto che i professionisti di un settore vedono, sfruttano e utilizzano gli sviluppi di altre discipline non correlate. Ad esempio, molti dei progressi nella tecnologia dei processi allo stato solido sono dovuti alla disponibilità di elementi e composti di base altamente raffinati e purificati e di progressi ottici per i telescopi spaziali.

Un altro esempio di questo sfruttamento dei progressi interdisciplinari, o 1+1 > 2, riguarda i sistemi e i sensori del tempo di volo (ToF), che sono diventati sempre più necessari per i sistemi avanzati di apprendimento automatico (ML) e di visione artificiale (CV).

I sistemi ToF si sono diffusi nell'ultimo decennio. Sebbene i loro principi fondamentali siano noti da tempo, le implementazioni pratiche sono state difficili o poco praticabili. Ora, grazie a sistemi di calcolo veloci e potenti e ai progressi dei prodotti ottici di base, come i fotosensori e i laser controllabili, il ToF si sta diffondendo rapidamente.

Cos'è il ToF?

Tutti i sensori ToF misurano le distanze utilizzando il tempo che un segnale ottico (fotoni) impiega per viaggiare tra due punti, dall'emettitore del sensore a un bersaglio e poi indietro al ricevitore del sensore. Si tratta di un principio simile a quello del radar, che utilizza la trasmissione di energia a radiofrequenza e le riflessioni di ritorno. La tecnologia ToF e la sua praticità sono accelerate dall'impiego nella ricerca di veicoli a guida autonoma e nella robotica intelligente e abilitata alla visione.

Esistono due forme di ToF: diretto e indiretto (Figura 1). I sensori a ToF diretto inviano brevi impulsi di luce della durata di pochi nanosecondi e poi misurano il tempo che impiega parte della luce emessa per tornare indietro. I sensori a ToF indiretto, invece, inviano una luce continua e modulata e misurano la fase della luce riflessa per calcolare la distanza da un oggetto. La scelta di quale utilizzare dipende dall'applicazione.

Figura 1: Il sensore a ToF diretto utilizza brevi impulsi di luce e temporizzazioni precise (a sinistra); l'approccio indiretto utilizza un'uscita modulata in modo continuo e misure di fase relative (a destra). (Immagine per gentile concessione di Terabee/Switzerland)

Le telecamere convenzionali non ToF mappano solo immagini bidimensionali, orientate al colore, di singoli pixel tracciati in una griglia. I sensori ToF ad alta precisione, tuttavia, aggiungono la terza dimensione alle fotografie tradizionali con un rapporto di pixel di quasi 1:1.

A questo scopo creano una "nuvola di punti" per rappresentare visivamente un singolo pixel nelle coordinate X, Y e Z del campo visivo della fotocamera. I sensori ToF possono persino aggiungere una terza dimensione ai video che nel loro senso più elementare sono una raccolta di immagini. Creano così una nuvola di punti dinamica e tridimensionale e un flusso video in tempo reale con mappatura della profondità.

Non limitati ai veicoli

L'utilità del ToF va al di là dei veicoli autonomi, come dimostrano i sensori ToF 3D serie ZMX di Banner Engineering (Figura 2). L'unità ZMX-3DE2500HF, con la sua sorgente di luce infrarossa (IR) a 850 nm, può misurare e monitorare oggetti all'interno di un'area 3D e fornire una soluzione a sensore singolo per applicazioni di riempimento sulle linee di produzione. È in grado di rilevare sia l'altezza di picco che il livello medio di riempimento.

Figura 2: Il sensore ToF 3D serie ZMX è in grado di misurare, monitorare e rilevare l'altezza di picco e il livello medio di riempimento nelle linee di produzione. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

La serie ZMX presenta un ampio campo visivo (FOV) di 60° × 45° con una risoluzione di 272 × 208 pixel e una distanza compresa tra 200 e 2500 mm. Poiché il sensore è in grado di rilevare oggetti di qualsiasi dimensione, forma o orientamento, è uno strumento ideale per le applicazioni industriali e di produzione automatizzate in cui materiali, prodotti o pacchetti si accumulano in un'area definita. Un'altra caratteristica interessante è che è completamente autonomo e non richiede un controller o un PC separato. Le impostazioni da definire sono poche e possono essere effettuate in pochi minuti. Anche il collegamento fisico è semplice: richiede un cavo di alimentazione e un cavo Ethernet.

Un sensore serie ZMX può essere usato per:

• Monitorare il contenuto dei contenitori che raccolgono articoli da uno scivolo o da un trasportatore in un sistema automatizzato. Rilevare oggetti all'interno di un'area tridimensionale combinando immagini digitali e migliaia di punti di misurazione laser.

Ad esempio, quando viene messo un bidone per raccogliere una quantità di piccole scatole rettangolari, il contenuto si accumula e forma una pila dalla forma imprevedibile. Per stabilire con precisione quando il bidone è pieno, un sensore deve essere in grado di rilevare le variazioni dell'altezza di riempimento sull'intera superficie del bidone.

• Riconoscere l'altezza massima degli oggetti, indipendentemente dal punto più alto all'interno dell'area di rilevamento. È utile anche per calcolare il volume di riempimento. Un singolo sensore 3D è un sistema eccellente per garantire che i contenitori vengano riempiti in modo uniforme, evitare il riempimento eccessivo, tener traccia delle velocità di riempimento e regolare con precisione le velocità di lavorazione.
• Semplificare le applicazioni che altrimenti richiederebbero più sensori a punto singolo. Un singolo sensore 3D è più facile da installare e monitorare e offre prestazioni più affidabili. Le tecnologie tradizionali a punto singolo potrebbero non essere affidabili, quando si misura un accumulo di forme.

Ad esempio, un singolo laser potrebbe indicare un livello basso percependo uno spazio tra due oggetti, oppure un sensore a ultrasuoni potrebbe non ricevere alcuna lettura perché il segnale viene riflesso da un oggetto con una forma o un'angolazione strana (Figura 3). Un sensore ZMX posizionato centralmente, invece, fornisce una copertura completa dell'area in tutte e tre le dimensioni.

Figura 3: Un sensore a ultrasuoni potrebbe essere fuorviato da spazi vuoti sul target o da riflessi strani (a sinistra). Un sistema ToF fornisce invece una copertura completa dell'area 3D (a destra). (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Poi c'è la semplicità di configurazione

Le interconnessioni fisiche sono semplici, poiché queste unità hanno solo due connettori e alcuni utili LED di segnalazione. Uno è un connettore M8 femmina per Ethernet e l'altro è un connettore circolare M8 maschio che trasporta l'alimentazione c.c. (da 12 a 30 V c.c.) e fornisce due canali di I/O digitali (Figura 4).

Figura 4: L'unità sensore serie ZMX è dotata di indicatori LED di facile utilizzo e di una semplice interconnessione di cablaggio tramite due connettori circolari M8. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Mentre i collegamenti elettrici sono abbastanza semplici, una delle sfide dei sensori di posizione e di area è quella di impostarli in modo che vedano ciò che devono vedere: né più né meno.

Fortunatamente, la serie ZMX rende questa configurazione relativamente facile. Il software Banner 3D Configuration mostra le informazioni necessarie per impostare e regolare i parametri del sensore e tutte le impostazioni di connettività e I/O (Figura 5).

Figura 5: Impostazione e configurazione della serie ZMX sono semplificate dal potente pacchetto software Banner 3D Configuration. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Questo software divide l'area di lavoro in diversi riquadri:

1. I parametri del riquadro immagine includono lo zoom, le coordinate x, y, z, il colore dell'immagine e la selezione della vista.

2. Il riquadro immagine mostra l'immagine corrente acquisita dal sensore. Consente inoltre di presentare un file precedentemente salvato per la visualizzazione mentre si è scollegati dal sensore, di salvare un file immagine e di attivare manualmente il sensore quando la modalità Trigger è impostata su External o Software.

3. Il riquadro Connessione (Connection) abilita la connessione a un sensore.

4. Il riquadro Controlli sensore (Sensor Controls) controlla la modalità Trigger e l'uscita dell'illuminazione.

5. Il riquadro Livello di riempimento (Fill Level) include opzioni per la regione di interesse e i controlli del sensore, nonché dati in tempo reale sul riempimento e sull'altezza di picco.

6. Il riquadro Comunicazioni (Communications) imposta il protocollo di comunicazione del sensore e l'opzione DHCP.

7. Il riquadro Manutenzione sensore (Sensor Maintenance) include informazioni sul sensore e opzioni per aggiornare il firmware, ripristinare le impostazioni predefinite o precedenti ed eseguire il backup delle impostazioni correnti del sensore.

Conclusione

Spesso è difficile rilevare, misurare e monitorare in modo coerente e accurato gli oggetti all'interno di un'area tridimensionale per individuare l'altezza di picco e i livelli medi di riempimento in ambienti di produzione reali. Il sensore ToF 3D serie ZMX di Banner Engineering utilizza le più recenti innovazioni nella tecnologia hardware e negli algoritmi software ToF basati sull'ottica per risolvere questi problemi e rendere molto più facile fornire risultati coerenti e affidabili. È supportato da uno strumento di configurazione grafico che semplifica notevolmente la configurazione, l'installazione e l'uso effettivo.

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1: Sensore ToF (tempo di volo) 3D serie ZMX

https://www.bannerengineering.com/us/en/company/new-products/zmx-series.html#/

2: Guida rapida al sensore ToF (tempo di volo) 3D serie ZMX

https://info.bannerengineering.com/cs/groups/public/documents/literature/229164.pdf

3: Manuale di istruzioni sul sensore ToF (tempo di volo) 3D serie ZMX

https://info.bannerengineering.com/cs/groups/public/documents/literature/230551.pdf

4: Eliminare i falsi allarmi di inceppamento del trasportatore per aumentare la produttività dell'automazione di fabbrica

https://www.digikey.com/en/articles/eliminate-conveyor-jam-false-alarms-to-boost-factory-automation-productivity