Bij het ontwerpen van een machine vision-systeem gaat veel aandacht uit naar het kiezen van de juiste machine vision-camera, het objectief en de verlichting. De camerakabel wordt vaak pas geselecteerd wanneer de rest van het systeem al is bepaald. In de praktijk is dat een verkeerde volgorde. De bekabeling is onderdeel van de signaalketen en bepaalt mede of de camera de opgegeven beeldsnelheid stabiel kan leveren.
Een machine vision-camera verstuurt continu beelddata naar de industriële computer. Tegelijkertijd worden via de I/O-aansluiting vaak triggers, encoderpulsen en stuursignalen voor de verlichting verwerkt. Een ongeschikte kabel kan daardoor zowel de beeldoverdracht als de timing van de inspectie verstoren. De camera kan volledig uitvallen, maar het probleem kan zich ook subtieler uiten in een lagere maximale framerate, verloren beelden of incidentele verbindingsfouten.
De juiste camerakabel wordt daarom niet alleen gekozen op basis van de camera-interface. Ook de kabellengte, connector, elektromagnetische omgeving en mechanische belasting tijdens de levensduur van de machine moeten worden meegenomen.
De kwaliteit van de camerakabel bepaalt de overdrachtsmarge
Bij hoge datasnelheden moeten de elektrische eigenschappen van de volledige verbinding binnen de toleranties van de interface blijven. De constructie van de kabel, de kwaliteit van de geleiders, de afscherming en de connectoren bepalen hoeveel marge beschikbaar blijft voor een stabiele dataoverdracht.
Een kabel van mindere kwaliteit kan tijdens een eerste test normaal lijken te functioneren. Problemen worden vaak pas zichtbaar wanneer de camera continu op een hoge resolutie en maximale FPS draait. De verbinding blijft dan mogelijk actief, terwijl frames verloren gaan of de ingestelde beeldsnelheid niet wordt gehaald. Daardoor wordt de oorzaak regelmatig gezocht in de camera, driver of beeldverwerkingssoftware, terwijl de beperking in de fysieke verbinding zit.
Dit betekent ook dat een succesvolle cameradetectie geen bewijs is dat de kabel geschikt is. De verbinding moet onder de maximale verwachte databelasting, bij de uiteindelijke kabellengte en in de werkelijke industriële omgeving worden getest.
USB3 Vision vraagt om een korte en hoogwaardige verbinding
USB3 Vision biedt een hoge bandbreedte, maar stelt hoge eisen aan de signaalkwaliteit. Voor een passieve USB3-verbinding moet in het systeemontwerp in eerste instantie worden uitgegaan van een kabellengte van ongeveer drie meter. Met een hoogwaardige industriële USB3-kabel kan vijf meter in veel configuraties betrouwbaar functioneren, maar dat is geen vanzelfsprekendheid. De haalbare lengte wordt mede bepaald door de camera, de USB-controller, het opgenomen vermogen en de kwaliteit van de kabel.
Goedkope USB3-kabels van vijf meter of langer kunnen ervoor zorgen dat de camera wel wordt herkend, maar niet stabiel op maximale belasting functioneert. In de praktijk leidt dit tot frameverlies, een lagere maximale FPS of een verbinding die alleen onder bepaalde omstandigheden wegvalt. Vooral bij camera’s die een groot deel van de beschikbare USB3-bandbreedte benutten, blijft weinig marge over voor signaalverzwakking.
Wanneer een grotere afstand moet worden overbrugd, is het koppelen van meerdere passieve kabels geen betrouwbare oplossing. Dit vraagt om een actieve USB3-verlengkabel of een geschikte USB3-extender die het signaal onderweg opnieuw opbouwt. Ook met een actieve verbinding moet de volledige keten worden gevalideerd op bandbreedte, voeding en compatibiliteit met de camera.
USB3 is niet voor iedere industriële installatie de juiste keuze
USB3 Vision kan goed worden toegepast wanneer de industriële computer dicht bij de inspectiepositie staat, de kabel kort blijft en de bekabeling statisch is gemonteerd. Naarmate de afstand, elektromagnetische belasting of mechanische beweging toeneemt, wordt de installatie kritischer.
Servomotoren, frequentieregelaars en vermogenskabels kunnen elektromagnetische storingen veroorzaken. Een goed afgeschermde USB3-kabel en een correcte kabelroute verkleinen dat risico, maar lossen een ongunstige systeemopbouw niet volledig op. Een datakabel die over een lange afstand parallel aan motorkabels loopt, blijft gevoeliger voor storingen dan een korte, gescheiden verbinding.
Daarom raden wij USB3 niet algemeen af voor industrieel gebruik, maar passen wij het vooral toe wanneer de omgeving en systeemopbouw dit toelaten. Bij een compacte inspectieopstelling kan USB3 een goede oplossing zijn. Bij lange kabelroutes, continu bewegende kabels of een camera op een robotarm heeft GigE Vision doorgaans de voorkeur.
GigE Vision geeft meer vrijheid in de plaatsing van de computer
GigE Vision maakt gebruik van Ethernet en kan daardoor een aanzienlijk grotere afstand tussen camera en industriële computer overbruggen. De computer kan buiten de machine of robotcel worden geplaatst, terwijl alleen de camera en de noodzakelijke bekabeling zich bij de inspectiepositie bevinden. Dit vereenvoudigt het onderhoud en beperkt de blootstelling van de computer aan trillingen, warmte en vervuiling.
De grotere toegestane afstand betekent niet dat iedere netwerkkabel geschikt is. De kabelcategorie, afscherming, connectoren en mechanische constructie moeten passen bij de datasnelheid en de industriële omgeving. Een kabel of connector van onvoldoende kwaliteit kan pakketverlies veroorzaken en daarmee de bruikbare bandbreedte verlagen.
Bij Power over Ethernet worden bovendien data en cameravoeding door dezelfde kabel gevoerd. Dat vermindert het aantal kabels naar de camera, maar maakt een correcte kabeldoorsnede, connectorverbinding en PoE-voorziening belangrijker. Spanningsverlies of een onbetrouwbare connector kan dan niet alleen de communicatie, maar ook de voeding van de camera beïnvloeden.
Gebruik bij voorkeur een vergrendelbare connector
Een standaard USB- of RJ45-connector is niet ontworpen om trillingen, trekkrachten en herhaalde bewegingen op te nemen. Voor een industriële camera verdient daarom een kabel met een schroefbare of anderszins vergrendelbare connector aan de camerazijde de voorkeur. De vergrendeling voorkomt dat de connector door trillingen langzaam uit de camera beweegt en maakt de verbinding reproduceerbaarder tijdens montage en onderhoud.
De vergrendeling vervangt geen trekontlasting. Het gewicht van de kabel en krachten vanuit een kabelrups mogen niet continu door de cameraconnector worden gedragen. Door de kabel kort na de camera mechanisch te fixeren, worden beweging en trekkracht van de connector weggehouden. Dit verkleint zowel de kans op contactproblemen als de mechanische belasting van de camera-aansluiting.
Een kabelrups vereist een kabel met een gespecificeerde buiglevensduur
Een standaard industriële kabel kan geschikt zijn voor vaste montage, maar is daarmee nog niet geschikt voor een kabelrups. In een kabelrups wordt de kabel tijdens iedere machinecyclus opnieuw gebogen. Door die herhaalde belasting kunnen geleiders breken, kan de afscherming beschadigen en kunnen de elektrische eigenschappen van de kabel veranderen.
Voor deze toepassing is een drag-chain- of kabelrupsgeschikte kabel nodig. Deze kabels gebruiken doorgaans fijnaderige geleiders, aangepaste afschermingsconstructies en slijtvaste mantelmaterialen. Belangrijke specificaties zijn het toegestane aantal buigcycli, de minimale buigradius, de bewegingssnelheid en de versnelling waarvoor de kabel is ontworpen.
De minimale buigradius geldt voor de complete kabelroute en niet alleen voor het rechte deel van de kabelrups. Een te kleine radius bij de camera-aansluiting of de overgang naar de vaste installatie kan alsnog tot vroegtijdige uitval leiden. Ook moet de kabel voldoende vrij in de rups liggen. Wanneer kabels tegen elkaar worden gedrukt of onder spanning worden gemonteerd, neemt de mechanische belasting per cyclus toe.
Een robotkabel moet naast buiging ook torsie verdragen
De kabelbelasting op een robotarm verschilt van die in een kabelrups. Een kabelrups veroorzaakt hoofdzakelijk herhaalde buiging in een voorspelbaar vlak. Bij een meerassige robot wordt de kabel daarnaast getordeerd. Een kabel die alleen als high-flex of drag-chain geschikt is gespecificeerd, is daarom niet automatisch geschikt voor een robot.
Voor een robottoepassing moet de fabrikant een toegestane torsie per meter, een torsiehoek, een bewegingscyclus en een minimale buigradius specificeren. Zonder die gegevens is niet vast te stellen of de kabel de verwachte robotbeweging gedurende de vereiste levensduur kan doorstaan.
Beginnende kabelschade is bij beelddata niet altijd direct zichtbaar. De camera kan tijdens een groot deel van de robotcyclus normaal functioneren en alleen in een specifieke robotpositie frames verliezen of de verbinding verbreken. Dat maakt een kabelprobleem lastig te reproduceren. De juiste mechanische kabelspecificatie voorkomt daarom niet alleen stilstand, maar ook langdurige foutanalyse.
Waarom wij bij robottoepassingen meestal voor GigE Vision kiezen
Bij camera’s op robotarmen kiezen wij in de meeste gevallen voor GigE Vision in plaats van USB3 Vision. Die keuze wordt niet uitsluitend bepaald door de nominale bandbreedte van de interface. De combinatie van kabellengte, torsiebelasting en beschikbare industriële kabelconstructies is doorslaggevend.
Voor Ethernet is een breed aanbod aan robot- en torsiegeschikte kabels beschikbaar. De grotere toegestane verbindingsafstand maakt het bovendien mogelijk om de industriële computer buiten het bewegende deel of buiten de robotcel te plaatsen. Daardoor zijn geen actieve USB3-verlengingen op of nabij de robot nodig en blijft de transmissieketen overzichtelijker.
USB3 Vision kan technisch op een robot worden toegepast, maar alleen wanneer een geschikte torsiebestendige USB3-kabel beschikbaar is en de totale kabellengte binnen een betrouwbaar gevalideerde configuratie blijft. Door de hoge datasnelheid en kortere passieve afstand is de ontwerp- en testmarge meestal kleiner. GigE Vision levert bij robots daarom vaak een robuustere systeemopbouw op, ook wanneer USB3 op basis van bandbreedte voldoende zou zijn.
De I/O-kabel bepaalt de timing van de inspectie
De datakabel transporteert de beelden, maar de I/O-kabel bepaalt vaak wanneer die beelden worden opgenomen. Via de I/O-aansluiting worden onder andere triggers, encoderpulsen, flitssignalen en digitale statusuitgangen aangesloten. Deze signalen gebruiken weinig bandbreedte, maar zijn tijdkritisch.
Een verstoorde trigger kan ervoor zorgen dat een beeld te vroeg, te laat of helemaal niet wordt opgenomen. Bij een bewegend product verandert daardoor de positie van het object in het beeld. De beelddata kan technisch foutloos worden verstuurd, terwijl de inspectie toch onbetrouwbaar is omdat de opname niet op het juiste moment plaatsvond.
Gebruik daarom een afgeschermde I/O-kabel die past bij de connector en pinbezetting van de camera. Houd triggers en encodersignalen waar mogelijk gescheiden van motor- en vermogenskabels. Bij langere verbindingen moet daarnaast worden gecontroleerd of het gekozen signaaltype, de schakeldrempels en de kabellengte samen voldoende storingsmarge bieden. Meer over de relatie tussen triggers, camera-exposure en systeemvertraging staat in ons artikel over het triggeren van camera’s in een machine vision-systeem.
Selecteer de kabel op de werkelijke toepassing
Een geschikte camerakabel moet elektrisch én mechanisch bij het systeem passen. Voor een statische USB3-camera op korte afstand gelden andere eisen dan voor een GigE-camera in een kabelrups of een camera op de pols van een zesassige robot. Ook een I/O-kabel moet worden geselecteerd op basis van de signaalfunctie, afscherming, connector en kabelroute.
Wie zelf een machine vision-systeem integreert, moet vóór de kabelselectie vastleggen welke afstand moet worden overbrugd, welke data- en voedingsbelasting optreedt, of de kabel beweegt en welke buig- of torsielevensduur nodig is. Controleer vervolgens of de connector kan worden vergrendeld en of dicht bij de camera voldoende trekontlasting kan worden aangebracht.
De juiste kabel voorkomt niet alleen een volledig uitvallende camera. Hij zorgt er vooral voor dat de camera onder maximale belasting dezelfde prestaties blijft leveren als tijdens de eerste test. Bekijk voor passende USB3-, GigE- en I/O-camerakabels daarom niet alleen de connector en lengte, maar ook de afscherming en mechanische specificaties van de toepassing.
