Systemy wizyjne pomagają redukować wady aplikacji spawania i na podstawie wyliczeń wskaźnika zwrotu z inwestycji ROI zarabiają na siebie w dwa tygodnie.
Podczas gdy wiele logistycznych problemów produkcji czyni proces spawania trudnym, montaż części w ciasnych i zróżnicowanych warunkach jest szczególnie trudny, ponieważ każdego dnia tworzy się tu wiele różnych produktów. Mnogość numerów części i schematów pracy zwiększa trudność i sprzyja popełnianiu błędów. Dla Polaris Industires system wizyjny okazał się być prostym i tanim sposobem wykrywania błędów.
W procesie montażu wszystkie części muszą się znaleźć w odpowiednich miejscach, innych dla każdego typu produktu. Każdy błąd oznacza późniejszą naprawę albo odrzucenie produktu. Ograniczenie błędów i inwestycja w metodę im zapobiegającą to czysty zysk.
Doświadczenie pokazuje, że w przypadku dochodowego, masowego procesu wytwórczego, najlepszą inwestycją mającą przynieść oszczędności, jest ograniczenie liczby wadliwych produktów. Dodatkowo zwiększa to produktywność przedsiębiorstwa, a tym samym zysk.
Polaris Industries, producent śniegowych, terenowych i rekreacyjnych pojazdów, jest przykładem przedsiębiorstwa, w którym inwestycja w ograniczenie liczby wadliwych produktów przyniosła znaczne zyski.
Przez wiele lat firma wykorzystywała czujniki dotykowe i zbliżeniowe, aby ustalać, które części wymagają spawania. Obawiano się, że system wizyjny nie będzie w stanie pracować w tak trudnych warunkach.
W aplikacji z czujnikami dotykowymi robot wykorzystywał koniec lub bok przewodu spawalniczego albo samą dyszę do zainicjowania procesu ? miało to miejsce jeszcze przed rozpoczęciem całego cyklu spawania. Czujniki zbliżeniowe umieszczone na uchwycie spawalniczym zapobiegały rozpoczęciu procesu lub jego zakłóceniu przez inną operację.
Czas i koszty bazującej na czujnikach inspekcji zmusiły Polaris do zainstalowania systemu wizyjnego dostarczonego przez grupę Teledyne Dalsa Industrial Product. Jeff Steiner, inżynier spawalnictwa w Polaris, i Tom Wright z Hartfiel Automation mieli opracować system. Działający bezbłędnie system wizyjny znacznie ograniczył zarówno czas cyklu produkcyjnego, jak i liczbę wadliwych produktów.
Słabe strony czujników
W zakładzie Polaris w Spirit Lake w stanie Iowa w USA, na początku jednej z wielu linii spawalniczych operator umieszcza ramę w uchwycie. Ramy te zawierają niezbędne dla danego produktu komponenty. Na pierwszym zrobotyzowanym stanowisku obrotowym komponentu zostają zespawane łukowo. W tym samym czasie na drugim stanowisku pracownik demontuje zespawaną ramę i zakłada nową, gotową do spawania.
Konstrukcja ramy dla danej rodziny produktów jest zaprojektowana tak, że umożliwia umieszczenie produktów wyłącznie we właściwej orientacji, chociaż niektóre z komponentów różnych produktów są tak podobne, że mogą zostać pomylone. Różnica cech ? na przykład wymiarów ? między odmiennymi komponentami może być tak mała, że zostanie przeoczona przez człowieka. Operator może też nie umieścić jednego z komponentów w ramie. Kluczowe staje się zatem sprawdzenie, czy wszystkie komponenty są właściwe i czy każdy z nich znalazł się na swoim miejscu.
W starej aplikacji roboty sprawdzały poprawność, wykorzystując czujniki dotykowe i zbliżeniowe. To było wąskie gardło systemu, bowiem czynność ta zajmowała 30 sekund każdego cyklu. Jeśli wykryto brak lub nieodpowiednią część, operator musiał odsunąć ramię robota, rozwiązać problem, a następnie ponownie uruchomić inspekcję. Wydłużony proces nie pozostawał bez wpływu na produktywność. System nie był jednak w stanie wykryć wszystkich nieprawidłowości i około 5% produktów było wadliwych. Ponieważ nie można było stwierdzić wady przed ukończeniem spawania i wyjęciem produktu, wyprodukowanie wadliwego towaru zajmowało tyle samo czasu, co wyprodukowanie towaru pełnowartościowego.
Pewność, prędkość
Stanowiska spawalnicze to niekorzystne środowisko dla systemu wizyjnej inspekcji. Przeszkody takie jak słabe oświetlenie i dym, powstałe w czasie procesu spawania, niekorzystnie wpływają na jakość obrazu. Wstępna ekspertyza wykazała konieczność żmudnego programowania i częstego czyszczenia obiektywu kamery, co wymagałoby dodatkowego czasu i zmniejszało produktywność. Mimo to problemy z systemem opartym na tradycyjnych czujnikach zachęciły Polaris do poszukiwania alternatyw w postaci systemu wizyjnego.
Rozwiązanie zawiera jeden sterownik i dwie kamery zainstalowane w pobliżu operatora, z dala od niekorzystnych warunków w pobliżu robota spawającego (rysunek poniżej).
Kamery zdolne rejestrować obraz z częstotliwością 60 klatek na sekundę i rozdzielczością 640×480 pikseli analizują, w czasie krótszym niż 200 ms, czy ramy zostały umieszczone poprawnie i czy są gotowe do spawania. Na wyświetlaczu prezentowane są wyniki inspekcji. Operator ma możliwość wykonania wszystkich niezbędnych korekt, zanim rozpocznie się proces spawania ramy, dzięki czemu przepływ produktu jest niezakłócony. To kolejna oszczędność czasu.
Programowanie ścieżek, w których robot wykonywał pomiary, wymagało zatrzymania linii czasem na wiele godzin. Potrzeba było jeszcze więcej czasu, jeśli system wymagał przezbrojenia, a czujniki bazowania ? zależnie od skomplikowania przedmiotu taka operacja mogła trwać wiele dni.
Dla odmiany już przy pierwszym podejściu inżynierom z Polaris udało się zaprogramować system wizyjny do rozpoznawania 22 części ramy w mniej niż 15 minut. Wykonanie pozostałych 19 kompletów receptur zajęło mniej niż godzinę. Uwzględnienie w systemie dodatkowej części lub narzędzia zajmuje mniej niż kilka minut.
Chcąc poznać korzyści finansowe płynące z wdrożenia systemu wizyjnego, należy porównać różnice kosztów nowego i starego procesu. Wszystkie koszty, które się nie zmieniły, nie są brane pod uwagę.
Koszt zakupu kamer, sterowników i innych komponentów, włącznie z ich instalacją i uruchomieniem wynosił 9500 dolarów.
Nowy proces pozwolił oszczędzić około 4,5 minuty na każdą godzinę pracy zrobotyzowanego stanowiska spawalniczego. Teraz każdego dnia można wyprodukować dodatkowo 9,8 ramy.
Zwiększona efektywność w Polaris zmniejszyła koszty pracy stanowiska spawalniczego o 5,5%.
Dodatkowo liczba wadliwych produktów zmniejszyła się aż o 23% ? 8 w ciągu dnia. Koszt złomowania wadliwego produktu jest równy kosztowi wytworzenia nowego. Wytworzenie nowej ramy kosztuje 50 dol., więc Polaris dzięki systemowi wizyjnemu otrzymuje dodatkowy przychód o wielkości490 dol. każdego dnia i redukuje koszt o 400 dol. na dzień.
Zysk 890 dol. dziennie oznacza, że system wizyjny zwrócił się w dwa tygodnie. Gdyby pod uwagę wziąć zysk powodowany zmniejszoną ilością odpadów, system zwróciłby się w 23,8 dni, więc w nieco ponad miesiąc (tabela).
Ulepszenie w Polaris
Ponieważ proces ulepszenia produkcji w Spirit Lake sprawdził się, Polaris zdecydowało o zainstalowaniu podobnych systemów do innych zrobotyzowanych stanowisk i teraz każde z nich zwiększa miesięczne oszczędności.
Steve Geraghty jest dyrektorem zarządzającym Teledyne Dalsa Industrial Products.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE