Il Piston Group, con sede a Redford (Michigan), realizza moduli di raffreddamento per sette diversi modelli di veicoli. La produzione di tali moduli per il raffreddamento avviene in cinque linee di assemblaggio diverse, ognuna delle quali produce oltre 50 varianti in sequenza a seconda delle richieste del cliente. Ogni singolo modulo richiede molteplici ispezioni, tra cui la verifica della tipologia di produzione, il controllo dei connettori elettrici e di tutti i requisiti dimensionali. In passato le ispezioni venivano eseguite in una postazione automatizzata attrezzata con slitte pneumatiche su cui erano montate sonde lineari, sistemi di visione e un'ampia gamma di sensori in grado di ispezionare i singoli componenti. Il problema di questo metodo era che ogni singola slitta comportava un costo superiore ai 15.000 dollari e doveva essere sostituita ogni qualvolta cambiavano le specifiche o il design del componente associato.
Mantenere lo stesso approccio e sostituire le slitte con una soluzione di visione artificiale avrebbe richiesto circa 30 telecamere fisse, ognuna delle quali con esigenze di illuminazione diverse. Piston Group ha sviluppato una soluzione molto più economica e flessibile montando un unico sistema di visione Cognex In-Sight® su un robot Fanuc®. Il robot porta il sistema visivo in posizione al fine di catturare oltre 30 immagini in meno di 45 secondi, ispezionando così il modulo. Bastano poche ore di programmazione per adattare il sistema visivo In-Sight a eventuali modifiche di progettazione. Il nuovo sistema di ispezione ha migliorato sensibilmente la qualità: controlla più punti con una precisione più elevata, riducendo del 40% l’investimento iniziale e dell’80% i costi di riattrezzaggio.
Piston Group realizza sottogruppi di componenti in sequenza e non destinati ad assemblaggi modulari complessi. L’azienda assembla moduli che spaziano dai sistemi di raffreddamento frontale ai sistemi di sospensione e telaio, fino agli interni e ai gruppi motopropulsori. Il modulo di raffreddamento realizzato in questa applicazione comprende, di fatto, tutto ciò che si trova tra il motore e il paraurti anteriore: supporto frontale, radiatore, ventola elettrica, condensatore del climatizzatore, radiatori di raffreddamento per servosterzo e trasmissione, serbatoi, tubazioni, cablaggi e molti altri componenti di piccole dimensioni. I moduli vengono prodotti in molteplici configurazioni. Ad esempio la maggior parte delle linee di produzione prevede oltre 20 tipologie di cablaggi differenti a seconda del modello e delle opzioni selezionate dal cliente. Il cliente invia quotidianamente a The Piston Group le configurazioni del modulo anteriore richiesto e la relativa sequenza di assemblaggio.
Requisiti di qualità esigenti
I requisiti di qualità per i moduli sono molto stringenti. In primo luogo ogni singolo modulo deve essere configurato correttamente per il veicolo su cui verrà installato, con relativo cablaggio e altri componenti. In secondo luogo ogni componente deve essere installato rispettando tolleranze dimensionali minime. È necessario installare svariati tubi e fascette di fissaggio con tolleranze di 1 mm rispetto alla posizione specificata. Tutti i connettori elettrici devono essere applicati e inseriti correttamente.
In passato, molte di queste ispezioni venivano realizzate mediante sonde meccaniche montate su slitte all'interno di una postazione di verifica. Tale approccio richiedeva una slitta progettata e realizzata appositamente per ogni singola verifica dimensionale. Ogni minima modifica dimensionale richiedeva l'adattamento o la sostituzione della slitta. Il riattrezzaggio per un modello di veicolo completamente nuovo richiedeva circa due settimane di fermo per aggiornare l’intera stazione di controllo. Prima del cambio di modello era necessario realizzare una piccola quantità di componenti di pre produzione relativi al nuovo modello. Tali componenti dovevano essere ispezionati manualmente, poiché la stazione non era ancora stata aggiornata.
“Ogni volta che il cliente apportava anche una sola modifica ingegneristica, il costo minimo era di 15.000 dollari”, ha dichiarato Kevin Miller, direttore dell’ingegneria di produzione di The Piston Group. “La nostra idea era quella di implementare un sistema visivo flessibile capace di ridurre costi e tempi di inattività durante le modifiche di produzione e ridurre il ricorso all'ispezione manuale necessaria per garantire la qualità. In condizioni normali si utilizza una videocamera in ogni punto di ispezione. Questo approccio avrebbe occupato troppo spazio sulle attrezzature esistenti e i costi sarebbero stati eccessivi.”
Un solo sistema di visione per ispezioni multiple
Tradizionalmente, per ogni punto di ispezione si utilizzavano telecamere separate, perché ciascun controllo richiede in genere condizioni di illuminazione molto specifiche e una distanza focale dedicata per raggiungere il livello di accuratezza necessario. La velocità è un altro aspetto di estrema importanza quando si pianifica l'utilizzo di una sola telecamera per l'acquisizione di più immagini in un singolo ciclo. L'evoluzione dei sistemi visivi di Cognex rende possibile l'ispezione di un gran numero di punti mantenendo un elevato livello di accuratezza e utilizzando una singola telecamera montata su un robot.
“Abbiamo collaborato con Vision & Traceability Group di McNaughton McKay Electric per individuare la telecamera più adatta a questa applicazione”, ha dichiarato Patrick O’Dell, Control engineer di The Piston Group. “Abbiamo scelto Cognex in quanto i loro sistemi di visione offrono gli strumenti necessari per l'ispezione dei differenti aspetti di tale applicazione. Inoltre, lo strumento per la corrispondenza dei modelli geometrici PatMax® di Cognex aumenta notevolmente la precisione determinando con precisione la posizione dei componenti. Un singolo sistema di visione Cognex In-Sight ha risposto pienamente ai requisiti applicativi, eseguendo l’ispezione accurata di più di 30 caratteristiche eterogenee, localizzate in molteplici punti, con un tempo ciclo inferiore a 45 secondi. La videocamera in oggetto è utilizzata in tutto lo stabilimento produttivo per realizzare oltre 90 differenti ispezioni"
Programmazione del sistema di visione
O’Dell ha sviluppato l’applicazione di ispezione con il software In-Sight di Cognex, che utilizza un’interfaccia di programmazione in stile foglio di calcolo. “L'interfaccia in formato foglio di calcolo offre estrema flessibilità di programmazione”, ha affermato O’Dell. “Offre accesso a qualsiasi strumento di visione e permette di creare una nuova operazione di ispezione semplicemente copiandone una simile e modificandola secondo necessità”. La prima operazione che viene eseguita nella postazione di ispezione consiste nell'acquisizione dei tag RFID dei componenti al fine di determinare la tipologia di modulo. La tipologia di modulo si riflette sia sul programma/percorso seguito dal robot sia sul programma di ispezione visiva.
O’Dell ha utilizzato lo strumento PatMax per individuare la posizione del modulo di raffreddamento nella sua sede fissa e ha poi impostato tutte le successive operazioni di ispezione facendo riferimento a questa posizione. Tramite degli istogrammi ha determinato la presenza o assenza dei componenti durante la verifica del contenuto del modulo. Ha determinato la posizione delle fascette del tubo utilizzando gli strumenti PatMax per individuare la fascetta e una caratteristica del componente abbinato, come ad esempio un fermo a forma di bordo arrotolato. In seguito ha utilizzato uno strumento di misurazione per determinare la distanza tra la fascetta e tale elemento. O’Dell ha inserito nel foglio di calcolo un valore minimo e massimo relativo a ogni misurazione. I valori indicati nel foglio di calcolo indicano luminosità per l'istogramma e distanza per le misure. I codici a barre vengono anche acquisiti su diversi componenti a garanzia che sia stato installato il componente corretto.
O’Dell ha valutato differenti configurazioni di illuminazione, identificando come soluzione ottimale una ring light integrata nella telecamera, risultata idonea per tutte le applicazioni previste. Ad ogni immagine acquisita durante le ispezioni viene assegnato un numero di serie, prima di essere salvata su un server di rete per la tracciabilità di ogni singolo modulo assemblato. O’Dell ha sperimentato diversi metodi di archiviazione delle immagini ed è giunto alla conclusione che il metodo più rapido consiste nel salvarle localmente durante il ciclo e successivamente trasferirle durante il trasferimento del componente. Un PLC ControlLogix controlla sia il robot sia il sistema visivo. Al fine di risparmiare potenza di calcolo, durante l'elaborazione delle immagini è possibile accedere esclusivamente a piccole sezioni del foglio di calcolo. Cognex Connect™ include il supporto ai più comuni protocolli di comunicazione industriale quali Ethernet e Fieldbus, così da garantire una connessione perfetta ai PLC e a un'ampia gamma di dispositivi di automazione realizzati da Mitsubishi, Rockwell, Siemens e altri produttori.
O’Dell ha condotto uno studio di ripetibilità e riproducibilità (Gage R&R) sul sistema di visione, nell’ambito della documentazione PPAP (Production Part Approval Process) per il modulo di raffreddamento. Nel foglio di calcolo sono stati inseriti valori tali da permettere il rilevamento di qualsiasi componente difettoso. Queste impostazioni prevedono che una percentuale minima (inferiore allo 0,4%) di componenti privi di difetti non superi l'ispezione. Tali falsi positivi richiedono l'intervento di un tecnico qualificato e possono essere validati mediante password, memorizzata per garantirne la tracciabilità. Vi sono poi alcuni articoli caratterizzati da estrema variabilità, come ad esempio il cablaggio dei pulsanti a pressione, che non sono ispezionabili con un sistema di visione. Ha fornito feedback al team di progettazione del cliente, suggerendo modifiche che rendessero questi elementi più semplici da ispezionare per un sistema di visione.
Nel momento in cui un componente non supera l'ispezione, il programma cattura ed elabora un'altra immagine. Se il componente non supera nuovamente il controllo, il PLC attiva un allarme e l’interfaccia operatore RSViewME (HMI) mostra a schermo l’immagine dell’ispezione non conforme, accompagnata da una descrizione testuale del motivo dell’allarme. Alla segnalazione dell’errore interviene l’operatore oppure il team leader. In certi casi, come ad esempio se la fascetta non è nella posizione corretta o manca un perno, l'operatore può aprire la gabbia e risolvere l'anomalia. Tutte le operazioni di ispezione vengono eseguite nuovamente al fine di garantire che la risoluzione del problema non abbia comportato una nuova anomalia. Qualora il componente superi il test, la linea riprende da dove era stata interrotta.
Memorizzando le immagini si evitano le sanzioni
La possibilità di connettersi a un server e memorizzare ogni immagine è preziosa. In un'occasione un cliente affermò di aver ricevuto un sistema frenante a cui mancava una pastiglia. Ma l'immagine salvata indicava che la pastiglia era presente al momento della fabbricazione del modulo presso Piston. Il cliente condusse ulteriori ricerche e scoprì che durante un'altra riparazione, la pastiglia si era sganciata. "In passato avremmo dovuto pagare una penale e il nostro score qualitativo ne avrebbe risentito", ha affermato O'Dell. “Ora possiamo dimostrare concretamente di non essere responsabili di determinate problematiche".
Il sistema visivo è in grado di ispezionare con un livello di accuratezza non paragonabile ai metodi precedenti. Ad esempio, a causa delle tolleranze dei componenti e ai relativi punti di riferimento dell'apparecchiatura, le sonde meccaniche erano in grado di rilevare la posizione delle fascette con accuratezza pari a +/- 4 mm. Il sistema visivo offre invece un'accuratezza pari a +/- 1 mm in quanto siamo in grado di rilevare punti specifici della visione della telecamera utilizzando PatMax e acquisendo una lettura dimensionale da tale posizione anziché cercare di misurarla rispetto ai punti di riferimento dell'apparecchiatura. Inoltre, il sistema è in grado di ispezionare il doppio dei punti rispetto al numero rilevato mediante le sonde meccaniche. “Il risultato finale è un miglioramento della qualità grazie all'ispezione di un numero superiore di punti e un aumento dell'accuratezza, a fronte di una diminuzione dell'investimento iniziale del 40% e dell'80% sui costi delle modifiche che sarebbero state necessarie utilizzando una postazione di verifica tradizionale”, ha concluso Miller.