Beckhoff Vision: TwinCAT Vision 소프트웨어를 보완해 주는 하드웨어 포트폴리오 - Technical Report

고객에게 견고하고 매력적인 디자인과 탁월한 확장성, 장기적인 가용성을 제공하는 Beckhoff의 새 비전 하드웨어 구성품 © Beckhoff

Beckhoff는 PC 기반 제어 기술 전문업체로 모든 기계 기능들을 단일 제어 플랫폼에 통합하기 위한 방법을 끊임없이 모색해왔다. 2017년 TwinCAT Vision 출시 이후로, 소프트웨어에서의 이미지 처리 기능을 구현하기 위해 노력했다. 종합적인 비전 하드웨어 포트폴리오의 출시로 Beckhoff의 비전 솔루션이 완성되었다고 할 수 있다.

Bernd Stöber, Senior Product Manager Vision, Beckhoff Automation © Beckhoff

소프트웨어에서 조명까지 이미지 처리 시스템에 필요한 모든 구성요소를 망라하는 Beckhoff비전은 머신빌더와 엔드유저에게 종합적인 시스템을 제공한다. EtherCAT 기반 제어 기술에 원활하게 통합되는 Beckhoff 비전을 통해 사용자는 모든 프로세스에서 고도로 정확한 동기화, 엔지니어링 및 하드웨어 비용 절감, 시운전 간소화, 기술 지원 등과 같은 강력한 경쟁 우위를 확보할 수 있다. 비전 포트폴리오에는 TwinCATVision 소프트웨어뿐만 아니라 다음과 같은 하드웨어 구성요소까지 포함되어 있다.

•VCS2000 구역 스캔 카메라

•견고한 VOS2000 및 VOS3000 C 마운트 렌즈

•막대형, 패널형, 링형 디자인의 멀티컬러 LED 조명(VIB2000, VIP2000, VIR2000)

•카메라, 조명, 초점형 렌즈로 구성된 일체형 유닛(Vision Unit Illuminated, VUI)

다양한 온도 범위에서 유연하게 사용할 수 있으며, 렌즈 보호 튜브를 갖춰 IP65/IP67 하우징에도 장착 가능한 견고한 산업용 카메라 © Beckhoff

산업용 이미지 처리를 위한 최적의 설계 및 콘셉트

Beckhoff에서의 개발 프로세스는 극초기부터 산업용 비전 구성요소와 전체 이미지 처리 시스템 측면에서 산업용 적합성을 극대화하는 데 초점이 맞춰졌다. 설계적 측면으로는 IP65/IP67, 양극 산화 처리 알루미늄, 강화 유리 하우징, 세정제, 기타 화학 물질에 대한 높은 저항력을 가진 매끄러운 유리 표면, 유연한 마운팅과 어플리케이션을 가능하게 하는 다양한 옵션, 비산 방지 장치(옵션) 등이 있다. Beckhoff 자체 시설에서 비전의 개발 및 생산이 모두 이루어지기 때문에, 기술이나 품질 측면에서 모든 요소들이 완벽하게 조율된 최고 수준의 일체형 솔루션을 보장한다는 점도 큰 이점이다.

원활한 통합(개별 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소가 전체 시스템뿐만 아니라 기계 제어 시스템에도 통합되는 것)은 산업용 이미지 처리 분야에서 상당한 어플리케이션 가능성을 제공하며, 반대로 기계 및 시스템 측면에서도 최적화를 이루는 데 도움을 준다. 이는 비전 시스템을 모든 제어 프로세스 및 기계 시퀀스와 매우 정밀하게 동기화할 수 있음을 의미하는 것이기도 하다. 또한 표준 자동화 어플리케이션에 구현되기 때문에 다른 모든 구성요소와의 상호 작용에 있어서도 일관성이 보장된다. 이에 더해, 카메라 시스템 및 조명을 어플리케이션 요구사항에 따라 개별 또는 일체형으로 장착할 수 있다. 아울러 이러한 통합 개념은 프로젝트 계획 관점에서도 상당한 이점을 제공하는데, 엔지니어링 작업과 하드웨어 비용을 줄여주고 시스템 통합, 시운전, 지원을 간소화해 준다.

EtherCAT 시스템에 완전히 통합되기 때문에 실시간 어플리케이션의 구현을 완벽하게 지원하며 원활하게 처리한다. 예를 들어, 이미지 캡처 및 노출을 위한 간소화되고 동기화된 트리거 신호가 시스템으로부터 직접 생성되도록 할 수 있다. 이에 더해, 비전 시스템을 모든 제어 프로세스 및 클라우드 기반 서비스에 간편하게 연결하고 동기화할 수 있으며, 강력하고 편리한 EtherCAT 진단 기능의 통상적인 이점을 모두 활용할 수 있다. 기계적 관점에서 볼 때 전반적으로 이러한 요소들은 반응 시간 단축, 사이클 속도 향상, 처리 절차 가속화를 통해 프로세스 효율 향상으로 이어지는데, 이 모든 것은 하드웨어 및 배선 작업시간 단축과 설치 공간 및 시스템 설치 면적 최소화가 뒷받침되기에 가능한 일이다.

산업용 이미지처리기술 을 기계 및 시스템 제어에 포괄적으로 통합해주는 Beckhoff 비전 © Beckhoff

정확한 평가를 가능하게 하는 강력한 카메라

VCS2000 시리즈 구역 스캔 카메라는 해상도가 최대 24메가픽셀인 컬러 및 모노 CMOS 센서를 사용하여 산업용 이미지 처리를 위한 고품질의 데이터를 생성한다. 다른 비전 작업 및 이미지 분석 기능에는 다양한 기존의 소니 센서(픽셀 피치 3.45 µm 및 2.74 µm)를 사용할 수 있다. 높은 프레임 속도와 2.5 Gbit/s라는 빠른 이미지 데이터 전송 속도를 지닌 카메라는 EtherCAT 동기화 어플리케이션에서 자동 시각적 검사 및 정밀 제품 추적에 이상적이다.

2.5 Gbit/s라는 비용 효율적인 전송 속도 덕분에 카메라의 잠재적 성능을 온전히 활용할 수 있다. 이는 향상된 프레임 속도를 활용하고 케이블 길이에 상관없이 산업용 LAN 기술을 통해 매우 빠른 반응 시간을 구현하는 데 필수적인 전제 조건이다. 또한 이러한 특성은 비전 시스템이 Beckhoff의 강력한 산업용 PC와 완벽하게 어울리도록 해준다.

이 견고한 산업용 카메라는 기존의 국제 GigE Vision 표준을 지원하고 다양한 온도 범위에서 유연하게 사용할 수 있다. 열경화 처리 무반사 유리로 제작되는 렌즈 보호 튜브는 초점 위치의 불변성을 보장하고 추가 하우징 없이도 세제 및 취급에 따른 영향에 대해 높은 내성이 있다. 아울러 신축적인 장착 옵션 및 광축에서의 얕은 설치 깊이(연결부 포함)는 탁월한 기계 설계 자유도를 부여한다.

두 개의 그립, 초점, 조리개 조정을 용이하게 하기 위한 두 개의 회전형 고정 링과 안전한 고정을 위한 두 개의 M3 고정 나사로 최적화된 렌즈 핸들링 © Beckhoff

장착 편의성을 고려하여 설계된 견고한 C 마운트 렌즈

나사산형 C 마운트 연결부를 채택하여 범용적으로 사용할 수 있는 VOS2000 및 VOS3000 시리즈의 고해상도 렌즈는 견고하고 손쉽게 장착이 가능한 디자인 덕분에 혹독한 산업 환경에서 사용하기에 이상적이다. 소형 나사를 사용하여 초점 및 고정 조리개를 손쉽고 정밀하게 조정하고 고정할 수 있다. 또한 렌즈에는 광대역 무반사 코팅(420 ~ 1050 nm)이 되어 있는데, 멀티컬러 LED 조명과 잘 어울린다. 뿐만 아니라, 최대 10g의 내진동성 및 내충격성을 갖추고 있어 가시광선 및 근적외선 범위에서 안정적인 측정을 구현한다.

Beckhoff가 제공하는 렌즈 시리즈는 다음과 같다. VOS2000은 포맷 크기가 최대 11 mm(2/3 inch)인 이미지 센서에 맞게 광학적으로 설계되었으며, VOS3000은 이미지 서클이 최대 19.3 mm(1.2 inch)인 최대 이미지 해상도에 적합하다. VOS3000 시리즈는 범용 광대역 무반사 코팅(VIS-NIR)에 더해 대형 이미지 서클에 대해 최대 850 nm의 스펙트럼 범위에서 탁월한 색수차 보정 기능을 제공한다.

세 가지 디자인(사진은 VIP2000 패널형 디자인)으로 이미지 처리에서 정밀한 평가를 위해 필수적인 토대를 제공하는 멀티컬러 LED 조명 구성품 © Beckhoff

유연하고 에너지 효율이 높은 고정밀 조명

세 가지 디자인(막대형/VIB2000, 패널형/VIP2000, 환상형/VIR2000)의 멀티컬러 LED 조명은 지속적인 고품질 이미지를 위한 일정한 조명 조건을 조성한다. 이는 이미지 처리에서 정밀한 평가를 위해 필수적인 요소이다. 또한 조명은 스펙트럼 조정 펄스 모드에서도 검사 대상과 주변 간에 가능한 최상의 콘트라스트를 형성한다.

조명 어셈블리의 광색은 색상 및 명도와 관련한 객체별 요건에 맞게 조정할 수 있다. 개별 컬러 채널을 혼합함으로써 스펙트럼 측면에서 완전한 백색광을 생성할 수 있다. 전원 전자 장치를 조명 어셈블리에 직접 통합하여 높은 수준의 명도를 실현할 수 있는데, 이는 고도로 동적인 움직임을 포착할 때 안정적인 프리징을 구현하는 데 필수적이다. EtherCAT에 완전히 통합되기 때문에 사용자가 각각의 개별 테스트 객체에 대해 광색, 명도, 트리거링을 개별적으로 설정할 수 있다.

또한 고정밀 제어 및 효율적인 전자 장치를 통해 에너지 요건을 최소화할 수 있다. 분산 클럭 기능과 반응형 전원 전자 장치를 갖춘 EtherCAT P 원 케이블 솔루션(One Cable Solution)은 모든 기계 프로세스와의 고정밀 동기화를 가능하게 하고 불필요한 조명 횟수를 줄이는 데 도움이 된다. 청색 LED 칩은 높은 광출력 및 온도 안정성뿐만 아니라 높은 주변 온도에서 향상된 효율을 구현하기 위한 토대를 형성한다. EtherCAT 제어 플래시 모드는 필요한 냉각 작업과 함께 전력 공급 출력을 줄여주고 조명에 소요되는 전체적인 에너지 소비량을 절감해 준다.

초점형 광학 부품이 탑재된 일체형 솔루션

VUI(Vision Unit Illuminated)는 카메라, 조명 및 초점형 광학 부품으로 구성되어 있으며 액체 렌즈 기술이 적용된 콤팩트 유닛이다. VUI는 설치 및 시운전 작업을 대폭 줄여주며, 가동 중에 초점을 조정할 수 있기 때문에 구성품 높이가 가변적인 어플리케이션(예: 물류산업)에 특히 적합하다. 모든 기능성 구성품은 시각적으로 매력적인 양극 산화 처리 알루미늄 하우징(보호 등급: IP65/67) 안에 위치한다. 열경화 처리 무반사 유리는 세제 및 취급에 대해 높은 기계적 및 화학적 내성을 제공한다. VUI의 EtherCAT P 연결부가 측면에 배치되기 때문에 광축 방향으로의 설치 깊이가 얕고 장착면이 넓기 때문에 탁월한 열 소산성을 제공한다. 마찬가지로 측면에 위치하는 전용 접지 연결부는 접지 및 EMC 개념을 쉽게 구현할 수 있다.

이미지 획득과 관련해서는, 가동 중에 PLC가 EtherCAT을 통해 개별 기능성 구성품(카메라, 조명, 렌즈)의 모든 설정값을 높은 정밀도로 해당 어플리케이션의 모든 프로세스와 정확한 동기화를 이루면서 제어한다. 예를 들어, 초점 위치 조정이 전자적으로 이루어지기 때문에 초점이 다양한 작동 거리에 대해 직접적으로 조정된다. 광색과 광 펄스의 강도 및 길이 혹은 이미지 획득을 위한 카메라 파라미터 또한 EtherCAT을 통해 제어할 수 있다. 높은 내충격성 및 내진동성을 갖추고 있으며 높은 사이클 횟수 덕분에 사용 수명이 매우 긴 견고한 위치 고정형 액체 렌즈에 의해 가동 중에도 초점 조정이 가능하다.

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