Digitální vysokorychlostní kamery pro výrobní linky

Digitální vysokorychlostní kamery pro výrobní linky

V poslední době, zejména díky neustálému vývoji techniky, se nabízí mnoho možností využití maticových detektorů obrazu. Dosažitelná hustota snímacích bodů (pixelů) a rychlost odezvy umožňují konstruovat takové zobrazovací přístroje, které v minulosti mohly být jen pouhým přáním. Příkladem je vysokorychlostní digitální videokamera. Jedním z výrobců, kteří mohou v tomto oboru nabídnout kvalitní přístroj, je firma Fastec Imaging.

Co je to vysokorychlostní videozáznam

Vysokorychlostní videozáznam jako diagnostický nástroj pomáhá výzkumným pracovníkům i technikům v mnoha odvětvích průmyslu analyzovat děje probíhající v době řádově desítek milisekund. Slovo vysokorychlostní znamená, že se jedná o sekvenci snímků zaznamenaných velmi vysokou záznamovou frekvencí. Tato sekvence, prezentovaná relativně nízkou přehrávací frekvencí, umožňuje zobrazit, změřit a pochopit události, které se staly příliš rychle na to, aby je mohlo zachytit lidské oko.

Vysokorychlostní videozáznamy se pořizují vysokorychlostní digitální kamerou. To je poměrně jednoduchý přístroj nahrávající vysokou záznamovou frekvencí a zpětně zobrazující obrazy mnohem nižší přehrávací frekvencí (obr. 1). Na rozdíl od běžných videokamer se záznamovou frekvencí 25 Hz pracuje vysokorychlostní videokamera běžně se záznamovou frekvencí až 1 000 Hz. Přehrávací frekvence je výrazně nižší, volitelná podle potřeby. Díky výslednému zpomalení události je možné její průběh podrobně sledovat a zjistit, co se skutečně dělo.

Proč používat vysokorychlostní digitální videokamery

V současném rychle se měnícím výrobním i výzkumném prostředí je často nutné důkladně analyzovat i poměrně rychlé děje. Záznam potřebný k této analýze se nejsnáze a nejefektivněji pořídí právě vysokorychlostní digitální videokamerou.

Standardní videokamery totiž mohou zaznamenat pouze 25 snímků za sekundu, a ve výsledku tedy obvykle nepořídí záznam větší části rychlého děje. Při snímání vysokorychlostní kamerou, zaznamenávající stovky až tisíce snímků za sekundu, jde o něco naprosto jiného. Při následném pomalém přehrávání záznamu, popř. jeho prohlížení po jednotlivých snímcích, lze totiž postřehnout detaily, které by bez zpomalení děje zůstaly nepovšimnuty. Každý již asi viděl zpomalené záznamy z bariérových zkoušek automobilů např. v televizních reklamách demonstrujících účinnost bezpečnostních pásů či airbagů. Analyzovat takové děje ze záznamu pořízeného standardní videokamerou systému PAL záznamovou frekvencí 25 Hz by bylo nejen obtížné, ale asi vůbec nemožné.

Pomineme-li spíše extrémní případ bariérových zkoušek automobilů, nelze říci, že standardní videokamery jsou k záznamu a analýze pohybu v průmyslu zcela nepoužitelné. Je ovšem třeba respektovat dosti striktně dané meze. Základním omezujícím faktorem jejich využití je, že standardní záznamová frekvence 25 Hz (standard systému PAL) je pro většinu pohybových problémů vyskytujících se ve strojích a mechanismech příliš nízká. Mnoho dějů probíhá během např. 100 ms, tj. 1/10 sekundy. Standardní kamerou lze ovšem zaznamenat snímek jen každých 40 ms. Z události trvající 100 ms tedy standardní videokamera uživateli poskytne asi 2,5 snímku. S vysokorychlostní kamerou zaznamenávající 1 000 snímků za sekundu bude uživatel schopen získat 100 snímků téže události. Navíc při záznamu pohybu rychlostí 25 snímků za sekundu a jeho následném přehrávání desetkrát pomaleji lze pozorovat jen 2,5 snímku za sekundu. Výsledný obraz je velmi „trhavý„, a proto nevhodný k podrobné analýze.

Dalším důležitým činitelem je rychlost clony v kameře, která určuje dobu expozice snímku, pohybující se obvykle v setinách až tisícinách sekundy. Dobu expozice snímku nelze směšovat se záznamovou frekvencí kamery (tj. kadencí, s jakou se jednotlivé snímky zaznamenávají na záznamové médium). Většina běžných videokamer má ve výbavě tzv. vysokorychlostní clony. Ty však umožní pořídit zase jen 25 snímků za sekundu, i když každý z nich je, pravda, exponován např. po dobu pouhé 1/2000 sekundy.

Jestliže např. na vysokorychlostní balicí lince zaplní zorné pole kamery jeden balík a balíků prochází linkou 50 za sekundu, zaznamená standardní videokamera pouze každý druhý balík. Při použití vyšší záznamové frekvence lze naproti tomu zachytit obraz nejen každého balíku, ale i jednotlivých fází jeho pohybu.

Kdo a proč používá vysokorychlostní digitální kameru

Jak již bylo naznačeno, je vysokorychlostní digitální videokamera téměř univerzálním nástrojem k analýze rychlých pohybů v mnoha nejrůznějších aplikacích, např. při výzkumu, při vývoji nových výrobků, sledování stavu a údržbě strojů a mechanismů, v biomechanice atd.

V průmyslové výrobě se může jednat např. o zachycení průběhu rychlého procesu na výrobní nebo balicí lince či odhalení špatného seřízení stroje. To by bez použití vysokorychlostního videozáznamu bylo téměř nemožné (obr. 2). S vysokorychlostními videokamerami se lze proto stále častěji setkat např. na výrobních linkách a dopravnících v potravinářském, papírenském, textilním, hutním či chemickém průmyslu, včetně linek vybavených roboty, ať už jsou použity kdekoliv. Vysokorychlostní videokameru lze použít jak při vlastnímu seřizování daného stroje nebo zařízení, tak i k odhalení příčin zvýšené zmetkovitosti v důsledku jeho špatného seřízení. Pravidelnými kontrolami strojů a zařízení s využitím této videotechniky je navíc možné předcházet jejich poruchám a následnému přerušení výroby.

Konkrétní využití

Přestože každé použití vysokorychlostní videokamery je svým způsobem jedinečné, lze zde vymezit tři hlavní oblasti: zkušebnictví, vědu a výzkum a výrobu. Tyto kategorie se mohou navzájem prolínat a zahrnují nespočet specifických aplikací.

Z kategorie výroby lze uvést např. nastavování a seřizování strojů a zařízení, jejich diagnostiku, prediktivní údržbu, klasickou údržbu a opravy či obecné řešení problémů. V oboru zkušebnictví lze zmínit např. zkoušky mechanických vlastností materiálů (odolnost proti nárazu a průrazu, průběh lomu) či odolnosti dílčích sestav nebo celých výrobků (působení vibrací, rázů, tlaku apod.). Z oblasti výzkumu jsou to aplikace např. v biologii a biomechanice, při zkoumání spalovacích procesů, v oboru dynamiky kapalin či v experimentální aerodynamice.

Souhrn

Vysokorychlostní digitální kamery se s výhodou využívají při řešení širokého spektra úloh v průmyslové výrobě, ve zkušebnictví i v oblasti výzkumu. S výběrem kamery vhodné pro dané použití mohou kdykoliv pomoci pracovníci výhradního zástupce a dodavatele vysokorychlostních kamer firmy Fastec Imaging, společnosti TMV SS spol. s r. o. Společnost TMV SS je obchodní společnost, která již déle než třináct let zastupuje v ČR a SR zahraniční firmy vyrábějící měřicí a diagnostické přístroje. Pro tyto firmy je výhradním nejen obchodním, ale i servisním zastoupením. Společnost TMV SS měřicí techniku prodává a navíc i školí v jejím ovládání a pořádá o ní tematicky zaměřené semináře.

Ing. Jiří Svoboda,
TMV SS spol. s r. o.
www.tmvss.cz