최근의 공장자동화는 우리가 상상하는 거의 모든 일들을 실현하고 있다. 공장자동화 분야에서는 인간의 몸으로는 불가능한 작업까지도 이뤄지고 있다. 뜨거운 불길이나 극한의 추위 속에서 작업한다거나, 진공 혹은 우주공간에서 작업이 이뤄지기도 한다. 로봇이 인간의 검사 영역을 대체한 것은 이미 새로운 이야기가 아니다.
첨예한 발전의 중심에는 기계의 눈으로 사물을 보며 검사할 수 있는 머신비전이 있다. 
머신비전을 공장자동화에 도입하기 위해서는 어떠한 준비가 필요할까? 어떤 사항들이 중요하고, 무엇을 고려해야 할까?

  목차

2. 비전시스템을 이용한 로봇 가이드

3. 머신비전 응용사례를 위한 올바른 조명 선택방법

1. 비전시스템 구입 시 고려해야 할 10가지 사항
현존하는 많은 비전시스템 중에서 사용자의 특별한 응용사례에 꼭 맞는 제품 및 시스템을 찾는 것은 쉽지 않은 일이다. 단순히 필요한 머신비전 작업을 수행하는 시스템을 찾는 것만으로는 충분하지 않다. 성공적인 비전시스템 구현을 위해서는 다음과 같은 여러 요소들을 고려해야 한다. 
· 조명 환경의 변수

· 네트워킹 및 커뮤니케이션 성능

· 액세서리 및 제품 지원 옵션

· 지속적인 사후 개발 지원

이 문서는 머신비전을 처음 사용하거나 전문 사용자 모두에게 특정 제품의 기능을 평가하는 중요한 팁을 제공하는 것은 물론, 10가지 핵심 질문의 답을 통해 비전시스템을 선택하는 과정에 도움이 될 것이다.

1) 응용사례 적용·고객 맞춤형 오퍼레이터 인터페이스 설정·비전시스템 네트워크 관리를 비전시스템이 용이하게 실행하는가?
2) 부품 위치 확인 도구의 중요성은 무엇인가? 이 도구의 성능을 어떻게 평가할 것인가?

3) 비전시스템이 사전 영상처리 도구를 모두로 갖추고 있는가?
4) 문자 판독이나 검증 기능 부분에서는 무엇을 고려해야 하는가?

5) 비전시스템 측정 도구의 반복성을 어떻게 확인할 수 있는가?

6) 산업용 코드 판독 도구는 어떻게 평가하고, 고려해야 하는 특수 기능은 무엇인가?

7) 고려해야 할 네트워크와 커뮤니케이션 기능은 무엇인가?

8) 비전시스템 액세서리에 대해 알아야 할 것은 무엇인가?

9) 비전시스템이 PC를 필요로 하는가?

10) 비전시스템 공급업체가 지원과 교육 서비스를 제공하는가?

1) 응용사례 적용·고객 맞춤형 오퍼레이터 인터페이스 설정·비전시스템 네트워크 관리를 비전시스템이 용이하게 실행하는가?

머신비전 응용사례는 통상적으로 정교한 런타임 인터페이스를 요구하지 않는다. 하지만 작업자들은 보통 부품 전환 시 허용 오차 변수를 변경하고 부품 결함의 원인을 파악하기 위해 비전시스템과 상호작용하는 것이 필요하다.
 

선택한 비전시스템이 비주얼 베이직 코딩 또는 독점 스크립트 기반 언어를 사용할 필요 없이 해당 응용사례를 신속하고 쉽게 설정할 수 있어야 한다. 또한 비전시스템 소프트웨어에는 백업·이미지 다시보기·펌웨어 업그레이드·도움말과 설명서 등 여러 시스템의 원격 관리를 간단하게 실현하는 네트워크 관리 도구를 포함해야 한다.

만약 쉬운 사용과 저렴한 비용이 중요 고려사항이라면, 비전시스템 업체가 ‘Plug-And-Go’ 솔루션을 제공하는지 확인해야 한다. ‘Plug-And-Go’ 솔루션은 초보 사용자들도 간단한 터치스크린 작업자 디스플레이 패널(PC가 필요 없는)을 사용하여 비전 애플리케이션을 설정·설치·관찰할 수 있다.

VISION TIP

오퍼레이터 인터페이스가 아래에 열거된 작업을 수행할 수 있는지 확인한다. 

· 부품의 결함을 즉시 분석하여 그래픽으로 이미지를 디스플레이. 

· 운영자가 검사를 쉽게 진행 및 중단할 수 있고, 허용오차를 수정.

· 신속하게 트렌드 변화를 탐지하도록 통과/실패 결과 통계를 디스플레이.

2) 부품 위치 확인 도구의 중요성은 무엇인가? 이 도구의 성능을 어떻게 평가할 것인가?

부품 위치 확인 소프트웨어 도구는 카메라의 시야영역 내에서 부품을 찾는 작업을 수행한다. 이는 간단한 로봇 픽앤플레이스 작업부터 복잡한 조립 검증 작업에 이르기까지 모든 비전 응용사례의 일반적이고 기본적인 단계다. 응용사례의 성패를 좌우하는 가장 중요한 요소이기도 하다.

실제 제조 환경에서 부품의 위치를 찾는 것은 단순하게 보이지만 실은 어려운 일이다. 비전시스템은 ‘모델’ 이미지에 근거해 부품을 인식하도록 훈련되어 있다. 또한 까다로운 제어가 필요한 제조공정에서도 비전시스템에 나타나는 다양한 변화를 허용할 수 있어야 한다. 따라서 비전시스템의 부품 위치 확인 도구는 카메라 쪽으로 놓인 검사대상의 방향·카메라와의 거리·그림자·반사·라인 속도 및 일반적인 외형 변화에도 구애받지 않으며, 제조라인에서 이동하는 실제 사물과 모델 이미지를 비교할 수 있을 만큼 지능적이어야 한다.

VISION TIP

비전시스템의 부품 위치 확인 도구가 여러 공장 조건에서도 정확하고 안정적으로 부품을 찾을 수 있는지 확인할 수 있는가? 아래 목록은 비전시스템 사용 시 가장 문제시되는 조건들과 이런 문제를 초래하는 잠재적 원인 그리고 각 조건에서도 부품의 위치를 찾아내는 비전시스템의 성능을 평가하기 위한 신속한 테스트 방법이다. 
  3) 비전시스템이 사전 영상처리 도구를 모두 갖추고 있는가?

사전 영상처리 도구는 영상의 불필요한 특징을 최소화하고 적합한 특징을 강조하기 위해 원본 영상을 변경한다. 이는 더욱 강력한 비전 도구로 최적의 성능을 내기 위한 영상을 준비하는 작업으로, 전체 시스템의 정확성과 내구성을 높인다. 사전 처리 도구로 할 수 있는 일은 다음과 같다.

 

· 부품과 배경의 대비를 높인다.

· 중요치 않고 잠재적으로 혼란을 일으킬 수 있는 이미지 형체를 가린다.

· 부품 표면을 반사하는 ‘핫 스팟’을 제거한다. 

· 거친 표면을 부드럽게 만든다.

선택한 비전시스템에 사전 영상처리 도구가 모두 포함되어 있는지 확인해야 한다.

  4) 문자 판독이나 검증 기능 부분에서는 무엇을 고려해야 하는가?

자동차 부품에 표시된 알파벳 코드, 의약품 병이나 포장재에 표시되어 있는 날짜 및 로트 코드 정보를 확인할 때, 문자 판독과 검증 도구 평가를 위해 고려해야 할 몇 가지 기능이 있다.

· 통계 폰트 훈련 - 이 기능은 일련의 영상에 나타나는 문자의 모델을 학습함으로써 폰트를 형성한다. 영상은 각 문자가 나타날 수 있는 다양한 경우를 포함하며, 생산 중 생길 수 있는 품질 전체 범위를 포함해야 한다. 이렇게 출력한 폰트는 불명확한 대비·위치 변화·품질 저하·선 너비의 변화 등에 기인해 프린트 품질의 변화에도 높은 허용오차를 허용한다. 모든 코드가 동일 품질로 표시되어 있지 않다면 사전에 문자 모델을 학습하는 데 사용했던 영상을 참고한다. 통계 폰트 훈련은 성공적인 판독과 검증 응용사례에 중요한 요소다.

· 사전 영상처리 도구 - 이 도구는 문자의 가장자리 대비를 또렷하게 하고 영상 외부 배경을 필터로 걸러내어 훈련된 모델을 최적화시킨다. 최적화된 모델은 비전시스템의 신뢰성과 반복성을 높인다. 사전 영상처리에 대한 추가 정보는 질문 짡에서 확인 할 수 있다. 

· 즉각적인 이미지 리콜 - 이 기능은 라인 운영자나 기술자들이 신속하고 손쉽게 디스플레이 화면에서 결함 이미지를 볼 수 있도록 만든다. 카메라가 위치에서 벗어났다거나 라벨이 없어지고 손상되어 발생한 결함은 그 원인을 즉각적으로 알아내어 올바른 조치를 실행하는 것이 중요하다.
 

포장 공장에서 포장 및 컨테이너 자재·라벨 장비·인쇄 방법·외부 조명 조건 등은 시간이 지남에 따라 변경될 수 있다.

비전시스템을 평가할 경우에는 변화무쌍한 실제 공장 조건 하에서 시스템 성능을 확인하기 위해 고품질·저품질·불량 라벨 등 광범위한 샘플을 테스트하는 것이 바람직하다. 그리고 문자의 위치가 라벨마다 바뀔 수 있으므로 문자열 주변의 주 영역을 확대하는 것도 좋은 방법이다.

이를 통해 확대된 검사 영역 안에서 비전시스템의 판독 및 검증 도구가 안정적으로 작동하는지 확인할 수 있다.

 

만약 애플리케이션이 중요한 치수 측정과 관련 있다면, 비전시스템의 측정 도구는 정확함과 동시에 고도의 반복성으로 작업을 수행해야 한다. 비전시스템은 맞춤 스크립트나 기능을 작성할 필요 없이 측정 애플리케이션의 요구사항을 충족시킬 수 있는 정확한 도구를 선택 할 수 있도록 측정 도구를 모두 갖추어야 한다.

VISION TIP

측정 반복성 테스트는 부품을 비전시스템에 놓고 부품 위치, 조명 또는 다른 변수들을 변경하지 않고 25번 또는 그 이상, 동일 측정을 반복 수행하면서 실행한다. 측정을 기록하고 분석하면서, 어떤 변화도 응용사례의 측정 허용 오차 범위 내에 들어가도록 한다.
 

산업 환경에서는 품질이 저하되고 마크가 불량하게 붙어있거나 부품에 따라 그 위치가 다른 2D Data Matrix코드를 판독할 수 있는 비전시스템을 필요로 한다. 비전시스템은 부품의 재질(금속·유리·세라믹·플라스틱 등)과 부품에 표시된 마킹 방법(도트 핀·에칭·핫 스템핑·잉크젯 등)에 상관없이 판독할 수 있어야 한다.

이런 기준 외에도 특수 코드 판독 기능이 몇 가지 더 있다.

· 코드 품질 검증 - 정해진 표준에 맞게 코드 품질을 검증할 수 있는 제품을 찾아야 한다. 이 기능은 마킹 공정이 얼마나 잘 작동되는지에 대한 정보를 제공한다.

· 판독 속도 - 양산 라인 속도와 요구 작업 처리량에 따라 초고속 판독기가 필요할 수도 있다. 현재 최고 속도의 비전시스템은 1분당 7200코드 이상을 판독할 수 있다.

VISION TIP

산업용 코드 판독 장치에 대한 평가는 비전시스템의 판독 속도를 측정하는 것으로 시작된다. 제대로 표시된 코드를 비전시스템이 매 분마다 얼마나 판독할 수 있는지 확인하는 것. 이를 위해 기존 조건 하에서 수백 번 코드를 판독하는 것이 바람직하다.

최적화된 조건에서는 판독률이 100%가 되어야 한다. 반면 조건이 나빠질 경우에는 문제가 생길 수도 있다. 예를 들어, 한 시간마다 2천 개 부품을 처리하는 생산 라인에서 판독 속도가 99.7%이라면 8시간 근무시간 동안 48개 부품의 ID 코드를 판독할 수 없게 되는 셈이다.

시스템의 판독 속도를 설정한 후, 라인 떨림, 일정치 않은 조명 조건, 고속 라인 속도와 같은 요소들이 응용사례에서의 비전시스템 판독 성능에 어떤 영향을 끼치는지 확인하기 위해 보다 높은 난이도의 판독률 검사를 수행해야 한다.
 

검사를 수행할 때에는 고품질·저품질·한계 품질의 코드 등 폭넓은 샘플을 비전시스템에 적용시킨다. 동시에 부품을 흔들거나 카메라가 영상을 촬영하려 할 때 카메라 아래에서 부품을 앞뒤로 미는 동작 등을 통해 떨림이나 움직이는 흐릿한 물체로 촬영 성능을 가상 실험한다. 이와 같은 테스트는 비전시스템의 판독률이 실제 생산조건 내에서 얼마나 잘 유지되는지 알아볼 수 있는 초기 평가로 작용한다.

7) 고려해야 할 네트워크와 커뮤니케이션 기능은 무엇인가? 

네트워킹은 데이터를 공유하고 의사결정을 지원하며 효율적인 통합 공정을 실현하는 수단이다. 많은 비전 응용사례에 필수적인 이유다. 네트워킹을 활용하면 비전시스템이 통과/실패 결과를 분석하기 위해 샘플을 PC로 전송하거나 PLC·로봇·통합 공정제어 시스템에 있는 다른 공장자동화 장치와 직접적으로 연결할 수 있다.

전사적으로 비전시스템을 PC에 연결할 경우 표준 네트워킹 프로토콜 전체 세트를 지원할 수 있는 시스템을 선택하는 것이 바람직하다.

· TCP/IP 클라이언트·서버는 비전시스템이 이더넷을 활용함으로써 코드를 따로 개발할 필요 없이 다른 비전시스템 및 컨트롤 장치와 결과 자료를 쉽게 공유할 수 있도록 만든다.
 

· SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)는 생산 라인에 문제가 발생했을 때 PC나 휴대폰으로 이메일 통보를 즉시 받을 수 있도록 한다.

· FTP(File Transfer Protocol)은 사후 분석을 위해 네트워크에 검사 이미지를 저장한다. Talnet은 호스트 장치에서 원격으로 로그인하거나 연결할 수 있도록 하는 인터넷 표준 프로토콜이다.
 

· DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)는 비전시스템이 자동으로 서버에서 네트워크 IP 주소를 받도록 만듦과 동시에 플러그 앤 플레이를 실행한다.

· DNS(Domain Name Service)는 숫자 IP주소를 사용하는 대신 ‘Bottling Line System 1’ 등의 의미 있는 명칭을 비전시스템에 부여한다.

 

비전시스템을 PLC·로봇·기타 자동화 장치와 통합하기 위해서는 아래의 업무 또한 지원할 수 있어야 한다.

· EtherNet/IP·PROFINET·MC Protocol 및 Modbus TCP와 같은 산업용 이더넷 프로토콜. 이들 프로토콜은 비전시스템이 복잡한 배선도나 비싼 네트워크 게이트웨이가 없어도 단일 이더넷 케이블을 통해 자주 쓰이는 있는 PLC 및 기타 장치에 연결할 수 있도록 만든다.

· CC-Link, DeviceNet 및 PROFIBUS을 포함한 필드버스 네트워크. 프로토콜 게이트웨이 액세서리는 일반적으로 필드버스 네트워크에 비전시스템을 추가하는 데 필요하다.

· RS-232 및 RS-495 시리얼 프로토콜. 대부분의 로봇 컨트롤러와의 커뮤니케이션에 필요하다.

제조공정 전반에 걸쳐 비전시스템의 활용사례가 증가하면서 여러 비전시스템을 중앙집중식으로 관리할 필요성이 더욱 부각되었다. 네트워크를 통해 원격으로 모든 비전시스템들을 쉽게 제어 및 운영할 수 있도록 하는 소프트웨어를 갖추고 있어야 한다.
 

비전시스템 평가에 관심이 집중됨에 따라 액세서리에 대한 선정은 뒷전으로 밀리는 경우가 많다. 그러나 액세서리를 선정하는 작업은 시스템을 원활히 통합할 수 있는 열쇠이며, 조명 부분에서는 응용사례 성능을 높이기도, 결함을 만들 수도 있는 중요한 사항이다.

비전시스템 통합을 신속하고 쉽게 실현하기 위해, 100% 호환이 되는 액세서리를 제공하는 업체에서 액세서리를 구입하는 것이 좋다. 이는 모든 액세서리가 테스트를 통과했음과 동시에 비전시스템과의 원활한 호환을 보장한다.

액세서리 구입시 고려해야 할 사항

· 조명 - 생산 공간의 외부 조명 조건은 서로 다르다. 또한 부품들의 표면 특성도 광범위하게 다를 수 있다. 대부분의 머신비전 솔루션은 목적을 달성하고 성능을 최적화하기 위해 독특한 조명 접근방법을 필요로 한다. 비전시스템 공급업체는 다양한 조명 선택사항을 제공해야 한다. 그 예로는 ▲잔잔하게 모든 방향에서 빛을 주는 링 조명 ▲부품과 배경 사이의 최대 대비를 형성하는 백 조명 ▲불규칙적인 부품 표면을 이미지화하기 위한 낮은 앵글 조도의 다크 필드 조명 등이 있다.

· 커뮤니케이션 모듈 - 업체는 비전시스템과 PLC나 로봇 그리고 다른 공장자동화 장치의 연결을 쉽고 신속하게 지원하는 I/O 모듈 및 네트워크 게이트웨이 모듈과 같은 커뮤니케이션 주변장치를 제공해야 한다.

· 오퍼레이터 인터페이스 패널 - 네트워크로 연결된 오퍼레이터 인터페이스 패널은 손쉽게 ‘플러그 앤 고’ 설정 및 설치를 실현한다. 또한 PC 없이 지속적으로 비전시스템을 관찰, 감시 및 제어할 수 있도록 만든다. 오퍼레이터 인터페이스 패널로는 직관적인 터치스크린 제품을 선택하는 것이 바람직하다.

· 카메라 케이스 - 몇몇 비전시스템은 분리된 케이스 액세서리가 없어도 먼지와 습기를 견딜 수 있도록 강한 IP 및 NEMA 등급을 갖춘 금속 케이스로 조립되어 있다. 그러나 공장 환경이 매우 열악하거나 장비를 자주 세척해야 하는 상황이라면 공급업체에게 시스템에 사용할 수 있는 검증된 외부 케이스를 요청해야 한다.

9) 비전시스템이 PC를 필요로 하는가?

몇몇 비전 응용사례는 복잡하고 강력한 기능을 요하고 있다. 하지만 많은 비전 응용사례에서는 비용이 저렴한 독립형 솔루션으로 문제를 해결할 수 있다. 따라서 공급업체는 환경설정이나 생산 중에 PC가 필요 없는 독립형 비전시스템을 공급해야 한다. 독립형 비전시스템은 박스에서 제품을 꺼내자마자 처음부터 끝까지 신속하게 애플리케이션의 환경을 설정할 수 있는 플러그 앤 고 기능을 제공해야 한다. 또한 애플리케이션을 변경할 때마다 PC를 공장으로 옮겨올 필요가 없는 비전시스템이어야 한다. 마지막으로 PC 없이 모니터에 접속해서 실시간 영상 디스플레이를 볼 수 있어야 한다.

10) 비전시스템 공급업체가 지원·교육 서비스를 제공하는가?

최고 성능의 비전시스템은 공급업체가 현장에서 직접 지원하는 것과 같은 성능을 발휘한다. 비전시스템 구매를 그 어떤 대리점이나 시스템 통합 사업자 그리고 제조업체에서 하든 관계없이 고객이 제공받는 전체 서비스가 무엇인지 사전에 파악하는 것이 중요하다. 

비전시스템 업체는 고객이 필요로 하는 지원사항이 무엇인지 파악하고, 애플리케이션 개발과 시스템 통합, 설치 그리고 그 이후에 이르기까지 프로젝트 전반에 걸쳐 필요한 모든 자원을 제공해야 한다.

중요한 고려사항

1. 비전시스템 공급업체에는 최초 애플리케이션 평가를 위한 전담 머신비전 전문가가 있는가?

2. 비전시스템 제조업체는 사후관리를 위한 글로벌 네트워크를 보유하고 있는가? 이 부분은 시스템이 한 지역에서 다른 지역으로 산재하게 될 경우 특히 중요하다.

3. 온라인 셀프 헬프와 트레이닝 코스, 글로벌 전화 지원, 개인 맞춤 트레이닝 서비스를 포함한 광범위한 교육 및 지원을 효율적인 비용으로 제공받을 수 있는가?

4. 대리점이나 시스템 통합 사업자로부터 비전시스템을 구매한 경우, 이들 업체는 비전시스템 제조업체의 공인된 협력사인가?

5. 비전시스템 제조업체가 성공적으로 비전시스템을 설치했던 경험이 있고, 장기적으로 고객이 요구하는 지원서비스를 제공할 수 있을 만큼 재정적으로 안정적인가?

6. 비전시스템 공급업체는 고객의 애플리케이션에 필요한 경우, 또는 고객이 변경을 요구하는 경우 보다 정교한 시스템을 제공할 수 있는가?

☞ 다음호에 계속