Lettori di codici a barre dotati di funzioni di visione artificiale, ma con la facilità d'uso e la praticità dei dispositivi di scansione laser
Prima di consegnare ai clienti i carter frizione in alluminio da 40 libbre, la fonderia deve sezionare (segare) le materozze e rimuovere le bave. In precedenza, un operatore caricava i getti in una macchina che segava la materozza, e un secondo operatore teneva il pezzo mentre un altro utensile rimuoveva le bave. Odyssey Machine Company di Bowling Green, Ohio, ha sviluppato un’applicazione robotizzata guidata dalla visione artificiale che svolge entrambi questi compiti difficili e potenzialmente pericolosi. Un sistema di visione artificiale identifica quale delle otto diverse parti si trova sul nastro di ingresso e ne determina la posizione. Il robot quindi preleva il pezzo e lo carica nella sega per materozze a tre stadi. Successivamente, il robot preleva il pezzo dalla sega e la sposta attorno a una fresa ad alta velocità in un apparecchio secondario per rimuovere le sbavature.
Problemi di automazione nelle fonderie
Alcuni dei lavori più difficili, sporchi e pericolosi si svolgono in fonderia, ma l’adozione dell’automazione è proceduta relativamente a rilento. Uno dei motivi è che spesso vengono prodotti una varietà di pezzi, il che rende più difficile implementare l’automazione. Un altro motivo è che i pezzi, in genere, escono dagli stampi con variazioni piuttosto rilevanti in dimensioni e geometria, rendendo difficile localizzarli con metodi di automazione tradizionali e rigidi.
In questo caso d’uso, i carter della frizione destinati ai mezzi pesanti per il trasporto su strada sono colati in otto versioni. Ciascun getto ha un canale di colata (materozza) importante da asportare e una maglia filtrante in acciaio inox annegata nella materozza che va distaccata, perché non può essere fusa una seconda volta.
Questa applicazione sarebbe stata difficile da automatizzare con i sistemi di visione artificiale tradizionali perché si basano sull'analisi dei valori della griglia di pixel, un processo noto come correlazione. Questo metodo individua gli oggetti confrontando un modello di livello grigio, o immagine di riferimento, dell'oggetto con l'immagine. In genere, quando l'oggetto cambia in rotazione o in scala, il sistema di visione non è più in grado di rilevarlo. Ma le recenti innovazioni nella tecnologia di visione hanno permesso ai robot di automatizzare le operazioni con una maggiore variabilità rispetto a quanto sarebbe stato possibile in passato. Odyssey Machine Company ha collaborato con RAF Automation, distributore Cognex con sede a Solon, Ohio, per sviluppare un sistema di automazione flessibile capace di gestire le variazioni di tipo e posizione degli oggetti. Il punto di forza del sistema di automazione è la possibilità di identificare subito il tipo di carter e di stabilirne esattamente la posizione sul trasportatore di carico che porta i prodotti alla cella di lavorazione.
La tecnologia di rilevazione degli oggetti come chiave per il successo
Odyssey Machine Company e RAF Automation hanno basato la loro soluzione sulla tecnologia software PatMax® di Cognex per la localizzazione accurata degli oggetti, anche in presenza di variazioni di orientamento, scala e aspetto. PatMax sostituisce la classica correlazione su griglia di pixel con informazioni geometriche, grazie a un processo di misura dell’oggetto articolato in tre passaggi. PatMax individua e isola innanzitutto le singole caratteristiche chiave nell’immagine dell’oggetto e misura attributi quali forma, dimensioni, angolo, archi e ombreggiatura. Successivamente correla le relazioni spaziali tra le feature chiave dell’immagine di training e quelle dell’immagine a runtime, includendo sia le distanze sia gli angoli relativi. Analizzando le informazioni geometriche sia dalle caratteristiche che dalle relazioni spaziali, PatMax è in grado di determinare in modo preciso e ripetibile la posizione dell'oggetto senza tener conto dell'angolo, della dimensione o dell'aspetto dell'oggetto.
La soluzione ha impiegato il tradizionale nastro trasportatore di alimentazione a cinghia piatta, che Odyssey ha modificato per consentire ai pezzi di entrare in modo uniforme nella cella di visione. I getti vengono posizionati sul nastro con la faccia della materozza rivolta verso il basso; il trasportatore mantiene la loro posizione sull’asse y (perpendicolare alla direzione di marcia del nastro) entro circa ½ pollice (≈ 12,7 mm). Le otto diverse variazioni richiedono un programma robotizzato ciascuna. La prima fase fondamentale consiste nel riconoscere il codice articolo (part number) del pezzo successivo in transito sul trasportatore, che giunge in sequenza casuale. Odyssey Machine ha selezionato il sistema di visione In-Sight di Cognex per questa attività. "Abbiamo scelto la serie In-Sight in primo luogo grazie all'esclusiva tecnologia di localizzazione degli oggetti PatMax di Cognex", ha affermato LeRoux. Oltre a PatMax, il sistema di visione In-Sight mette a disposizione altri strumenti Cognex nel formato più compatto disponibile, ideale per l’installazione in spazi molto ridotti.
Comunicazione con robot e PLC
Il robot utilizzato in questa applicazione è un Fanuc S900W che il cliente aveva precedentemente tolto dalla linea di produzione, ma è stato ricostruito da Fanuc per questa applicazione. La cella di lavorazione opera sotto il controllo di un controllore logico programmabile Allen-Bradley (PLC), collegato al sistema di visione tramite cavo Ethernet. Il firmware del sistema di visione Cognex contiene i protocolli necessari per comunicare con ciascun tipo di PLC, tra cui Allen-Bradley, Siemens, Mitsubishi e altri. Questa suite di comunicazione è nota come Cognex Connect™ ed è una funzionalità standard per tutti i sistemi di visione In-Sight. Questo sistema di visione è collegato al controllo robot RJ2 tramite ingressi/uscite digitali (I/O), per comunicare con il controllore del robot. Il sistema di visione In-Sight invia le informazioni di identificazione del pezzo e le coordinate sul pezzo al PLC che le invia direttamente al controller del robot.
Gli ingegneri della Odyssey Machine Company hanno addrestrato il sistema di visione, così che possa riconoscere ogni singola parte scattando un'immagine di riferimento (memorizzata) della parte sul nastro trasportatore. Quando un nuovo pezzo entra in linea, una fotocellula standard del nastro trasportatore rileva la presenza del pezzo, arresta il trasportatore e attiva il sistema di visione per acquisire un’immagine. Il sistema In-Sight confronta le informazioni geometriche con le immagini di riferimento memorizzate, seleziona il numero corretto del prodotto e calcola la corrispondenza con ciascuna immagine, assegnando un punteggio percentuale. «Non abbiamo ancora riscontrato un caso in cui il punteggio fosse inferiore al 95% per un pezzo corretto o superiore al 65% per uno errato», ha dichiarato LeRoux. L'algoritmo PatMax fornisce anche la posizione della parte, comprese le coordinate dell'asse x e dell'asse y (nella direzione della corsa del trasportatore) e theta, l'angolo di rotazione nel piano x-y.
Calibrazione del robot e del sistema di visione
Il sistema di coordinate del robot deve essere sincronizzato con il sistema di visione, ma una sola volta, a meno che il trasportatore non venga spostato rispetto al sistema di visione. Gli ingegneri di Odyssey Machine Company hanno calibrato il sistema di coordinate del robot posizionando punti di riferimento fisici sul trasportatore. Hanno catturato un'immagine dei registri e il sistema di visione ha determinato le coordinate di ciascun registro nel proprio sistema di coordinate. Gli ingegneri hanno quindi spostato il robot fino a ciascun punto di riferimento fisico e ne hanno annotato la posizione nel sistema di coordinate del robot. In seguito hanno calcolato la differenza di allineamento tra i due sistemi di riferimento e hanno configurato il controllo del robot affinché adottasse il medesimo sistema di coordinate del sistema In-Sight.
Successivamente, il robot si sposta nella posizione del pezzo, ruota il polso all'angolazione corretta e raccoglie il pezzo. Il robot deposita il pezzo in una dima di posizionamento sulla sega lineare a tre stazioni, le cui lame presentano inserti in metallo duro (carbide). Il primo stadio della sega tronca l’estremità della materozza immediatamente sotto il filtro in acciaio inox e fa cadere la parte tagliata in un contenitore per sfridi rifondibili. Il secondo stadio taglia il filtro in acciaio inossidabile e lo fa cadere in un contenitore diverso da cui viene recuperato. Il terzo stadio taglia il resto della materozza e la fa cadere nel contenitore degli sfridi fondibili. La rimozione della materozza lascia un buco nella parte.
Il ciclo continua quando il robot preleva il componente dalla dima, prendendolo dal foro, e lo porta alla seconda stazione della cella di lavorazione. Questo dispositivo utilizza un mandrino pneumatico conforme di ATI Automation che aziona una fresa elicoidale in acciaio ad alta velocità a 30.000 giri/min. Il robot muove la parte intorno alla fresa che rimuove le sbavature. L’elasticità radiale del mandrino assorbe le variazioni della bava tra un componente e l’altro.
«La nuova cella di lavorazione robotizzata ha automatizzato con successo un compito che prima era manuale e impegnativo, con rischio di lesioni da sforzo ripetitivo (RSI)», ha concluso LeRoux. "Il sistema di visione In-Sight di Cognex identifica perfettamente il numero di parte e le coordinate x, y e theta del pezzo. La cella di lavoro robotica elimina due delle tre persone precedentemente necessarie per effettuare l’operazione. Liberando due persone, il robot si ripaga rapidamente da solo”.