Nowo powstałe systemy koncepcyjne znalazły zastosowanie w fabryce prażenia kawy. Systemy te rozwiązują problemy występujące w procesie produkcyjnym, podwajają zdolność przeładunkową wykorzystując nowe rozwiązania w zakresie sterowania robotami.
Tak zwane wąskie gardła mogą wystąpić na każdym etapie procesu wytwórczego, ograniczając wydajność oraz powodując wzrost kosztów produkcji. Doświadczeni menedżerowie wiedzą, że bez względu na rodzaj i aktualną wartość produkcji zawsze istnieje najsłabsze ogniwo, które można wyeliminować, aby podnieść wydajność procesu wytwórczego, a tym samym zyski dla firmy. Mając to na uwadze, należy zdać sobie sprawę, że urządzenia wykorzystywane do przenoszenia nieprzetworzonych jeszcze surowców są tak samo istotne, jak maszyny wykonujące resztę procesu przetwórczego. Zaawansowane, sterowane optycznie systemy ruchu robota pozwalają na podwojenie zdolności przeładunkowej w porównaniu z innymi metodami. Dla przykładu system wizyjny 3D pomógł dużej fabryce zajmującej się prażeniem kawy podnieść o 100% ilość przenoszonych świeżych ziaren, jednocześnie eliminując problem ze stratami surowca i podnosząc bezpieczeństwo. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskano oszczędności rzędu 45 ton ziarna rocznie.
Prażalnia kawy borykała się z problemami z robotem, którego zadaniem było rozładowywanie palet z 70-kilogramowymi workami konopnymi wypełnionymi świeżymi ziarnami. Worki następnie kładzione były pojedynczo na taśmie i trafiały do prażenia. Chwytak znajdujący się na końcu ramienia robota był na tyle niezdarny, że dziurawił worki, przez co ziarna kawy rozsypywały się na podłogę magazynu. Robot poruszał się powolnie, polegał na ?czuciu? i pamięci, próbując zlokalizować następny worek do przeniesienia. Podczas gdy obciążenie fabryki wynosiło 650 000 worków z ziarnami kawy rocznie, koszty spowodowane błędami w pracy robota stale rosły, co stało się powodem do zmartwień. Z uwagi na to zarządzający fabryką zdecydowali się na ulepszenie systemu chwytania worków, korzystając z pomocy ekspertów w zakresie zaawansowanych systemów automatyki, szczególnie inteligentnych modułów robota sterowanych systemami wizyjnymi. Układ sterowania wykorzystywał zaawansowane systemy wizyjne 3D sprzężone z wysoko wyspecjalizowanym oprogramowaniem PC, aby stworzyć trójwymiarowy model środowiska pracy robota.
W aplikacji prażenia kawy system modeluje każdą pojedynczą paletę z workami, korzystając przy tym z pomiarów odległości wykonywanych za pomocą lasera. Worki ładowane są po 20 sztuk na paletę w czterech warstwach po pięć sztuk. Dla każdego poziomu worków na palecie generowany jest nowy model komputerowy. Jest on następnie przetwarzany przez złożony algorytm, który identyfikuje unikatowe cechy worków i określa dokładną pozycję oraz orientację pojedynczego worka w danej warstwie. Wyliczona pozycja i orientacja następnie są wykorzystywane do wskazania robotowi, który worek ma przenieść.
2 kamery, 2 lasery
Wiele laserowych systemów pomiarowych do mierzenia odległości opiera się jedynie na jednym laserze i jednej kamerze. W skład opisywanego rozwiązania wchodzą dwie kamery i dwa lasery, co pozwala stworzyć wysoce dokładny model przestrzenny wykorzystywany do optymalizacji ruchu robota. Metoda ta, zwana triangulacją laserową, jest bardzo dokładną techniką pomiaru odległości w przypadku, gdy skanowana powierzchnia jest w znacznym stopniu nachylona w pionie do kamer.
Spośród licznych na rynku systemów triangulacji laserowej kilka pozwala dostosowywać do swoich potrzeb kształty trójkąta. Większość wymaga, aby kamery ustawione były pod identycznym kątem, w kierunku obiektu, z przeciwnych stron punktu ogniskowania (trójkąt równoramienny). Z analizy problemów, które pojawiały się podczas chwytania worków przez ramię robota, inżynierowie wywnioskowali, że zmiana pozycji oraz kąta nachylenia laserów i kamer może spowodować lepsze odwzorowanie konturów powierzchni materiałów w modelu, co zostało uwzględnione w systemie wizyjnym 3D.
W palarni kawy kamery zamontowano ok. 2 m nad paletami i ustawiono je pod różnymi kątami, zapewniając ok. półtorametrowe pole widzenia (+/- 30 lub 40 stopni). Umożliwiło to widzenie całej wierzchniej powierzchni palet, której maksymalny wymiar do zmapowania wynosił ok. 0,031 m2.
W celu zapewnienia wymogów dokładności przez aplikację, firma wybrała do swojego systemu przemysłową kamerę zdolną obsłużyć 30 000 próbek na sekundę, chociaż ta konkretna aplikacja wykorzystywała jedynie 690 próbek na sekundę.
Kiedy promienie lasera skanują paletę z workami kawy, odbijająsię w stronę kamer, które poruszają się nadążnie do laserów, aby spowodować ruchy w górę i w dół, a tym samym zmianę pola widzenia kamer, gdy wiązka przechodzi nad konturem powierzchni worka. Jeżeli punkt na linii opisany przez wiązkę przemieszcza się w górę w polu widzenia kamery, w stosunku do pozycji, w której znajdowałby się promień, skanując płaską powierzchnię, oznacza to, że punkt znajdujący się na skanowanej powierzchni zbliża się do kamery. Odwrotnie jest w przypadku punktów zdających się podążać w dół. Profile powierzchni wierzchnich worków na palecie konstruowane są w oparciu o pozycję linii lasera pojawiającą się w polu widzenia kamery, punkt jest konwertowany, a jego pozycja opisywana w układzie współrzędnych XYZ oraz następnie wprowadzana do modelu 3D.
Użycie dwóch kamer jest jednak wyzwaniem z punktu widzenia przetwarzania obrazu. Obrazy pochodzące z dwóch kamer zrobione pod różnymi kątami muszą być ?zszyte? razem, aby zapewnić pełen widok worków z kawą oraz palet. Każda soczewka ma paraboliczne zniekształcenie na brzegach oraz kąty ustawienia kamer są różne. Poświęcono sporo pracy, aby uwzględnić te aspekty w systemie i stworzono odpowiednie oprogramowanie redukujące zniekształcenia obrazu i łączące je w całość.
Kolejnym wyzwaniem, przed którym stanęli inżynierowie, były odblaski elementów metalowych w polu widzenia, które mogły zdeformować obraz. Różne rzeczy mogą być przyczyną odblasków, jednak najczęściej było to odbicie się wiązki lasera od gwoździ w palecie. Spolaryzowane filtry umieszczone na kamerach zniwelowały efekt odblasku, przyciemniły również blask laserów.
Wykorzystane lasery miały moc 100 mW i emitowały światło o zasięgu 680 nanometrów. Klasa laserów 3a w normalnych warunkach nie wywołuje uszkodzeń siatkówki w przypadku chwilowego kontaktu z niechronionym okiem. Mimo że wiązka widoczna jest dla ludzi, większość energii zawiera się w podczerwonej części spektrum (100 mW lasery są prawie tak jasne, jak 40 mW lasery w polu widzialnym).
Eksperci stworzyli program do modelowania 3D, identyfikując, jak worki z ziarnami są zorientowane na palecie w oparciu o ich krawędzie. Zapewnienie wysokiej dokładności i precyzji jest tutaj sprawą kluczową z uwagi na możliwość ułożenia worków w minimalnie innej pozycji na każdej z warstw palety. Poprzedni system sterowania robotem miał z tym problem.
Aby określić optymalny punkt podniesienia worka, oprogramowanie wykorzystuje model 3D i dzieli obraz worka na połowy w północno-południowym i wschodnio–zachodnim kierunkach, żeby dotrzeć do punktu docelowego. Z uwagi na to, że obraz z kamery zapisany jest we współrzędnych robota, może on bezpośrednio przemieścić się do tego punktu i rozpocząć podnoszenie worka. Wraz z usuwaniem kolejnej warstwy worków model 3D jest aktualizowany dla następnej warstwy na palecie. W przypadku nowej palety bądź pełnej warstwy na rozpoczętej palecie oprogramowanie kieruje ramię robota nad najwyżej znajdujący się worek. Kiedy w zasięgu widzenia kamery nie znajduje się żaden worek, oznacza to, że paleta jest pusta. Sterownik powiadamiany jest o tym fakcie, usuwa starą i podaje nową paletę.
Lepszy chwyt
Każdy system sterujący procesem dosuwu ma różne podejście do metody chwytania surowych, czy też świeżych materiałów przez ramię robota, a system wizyjny 3D może zostać dostosowany do pracy w różnych warunkach.
W przypadku aplikacji dla palarni kawy eksperci wykorzystali lokalnych inżynierów do zaprojektowania nowego elementu wykonawczego ramienia robota. Poprzedni system używał pary podobnych do szczypiec chwytaczy tylko z dwoma punktamistyku z workami, natomiast nowe rozwiązanie ma ich 16. Chwytak przekłuwa worki i podnosi je dzięki pneumatycznie sterowanym zębom, które penetrują środek worka i wywijają na drugą stronę. Kiedy twarde zęby penetrują zawartość worka, to ciągną za włókna konopi, jednak ich nie rwąc. Układ pneumatyczny został wybrany ze względu na wysoką niezawodność oraz minimalny czas przestoju. Wykorzystane przewody pneumatyczne mają solidną budowę, przez co zużywają się relatywnie wolno, a gdy zaistnieje konieczność, są szybkie w wymianie.
Uzasadnienie kosztów
Co otrzymujemy za poniesione koszty:
- poprawę bezpieczeństwa przez wyeliminowanie rozsypanych ziaren na podłodze,
- zmniejszony czas przestojów związany ze sprzątaniem wycieków,
- zmniejszone straty ziarna.
Nawiązując do słów Glana Lawsona, menedżera projektu w firmie zajmującej się przetwarzaniem i sprzedażą kawy: ?Większa prędkość w chwytaniu worków z kawą jest dodatkową korzyścią. Przy sześciu workach na minutę jesteśmy w stanie przetworzyć dwa razy więcej ziarna niż dotychczas, aktualnie nasze możliwości rozładunkowe są większe niż prędkość przetwarzania ziarna przez fabrykę?.
Teraz, kiedy wąskie gardło związane z dosuwaniem worków z kawą zostało usunięte, menedżerowie z prażalni kawy mogą zastanawiać się nad ulepszeniem kolejnego obszaru produkcji.
CE
