ミシガン州レッドフォードに拠点を置く The Piston Group は、7種類の異なる車両向けに冷却モジュールを製造しています。これらの冷却モジュールは、5つの異なる組み立て製造ラインで製造されており、各ラインでは顧客の需要に応じて50種類以上の異なるバリエーションを連続して生産しています。各モジュールには、組立バリエーションの確認、電気接続のチェック、ならびにすべての寸法要件の確認など、さまざまな検査を実施する必要があります。過去、これらの検査は線形プローブ、ビジョンシステム、幅広いバリエーションのセンサに取り付けられた複数の油圧で作動するスライドを使用する自動チェックステーションで、さまざまな部品の検査を実施していました。この方法の問題点は、各スライドのコストが1台あたり15,000ドル以上と高額であること、さらに対応する部品の仕様や設計が変更されるたびに、そのスライドを交換する必要があったことです。
スライドをマシンビジョンに置き換える従来の方法では、それぞれに専用の照明要件を備えた固定カメラを最大で30台も必要とすることになります。The Piston Group は、コグネックスIn-Sight ビジョンシステム1台をFanucロボットに搭載することで、はるかに低コストで柔軟性の高いソリューションを開発しました。このロボットは、ビジョンシステムを適切な位置に移動して、45秒以内に30枚以上の画像を撮影してモジュールを完全に検査します。In-Sightビジョンシステムは、数時間のプログラミング時間で、将来の設計変更を簡単に検査するように変更することができます。新しい検査システムは、より多くの検査ポイントを、より高い精度で検査することで品質を大幅に向上させると同時に、初期投資を40％、リツールコストを80％削減しました。
The Piston Group は、複雑なモジュラアセンブリ向けに、シーケンス品および非シーケンス品のサブ組立コンポーネントを提供しています。また同社は、フロントエンド冷却システム、サスペンションおよびシャシーシステム、内装システム、パワートレインシステムなど、幅広いモジュールの組立を行っています。このアプリケーションで製造される冷却モジュールは、モーターとフロントバンパーの間に配置されるほぼすべての部品で構成されています。具体的には、コアサポート、ラジエーター、電動ファン、エアコン用コンデンサ、パワーステアリングおよびトランスミッション用クーラー、リザーバータンク、ホース、ワイヤーハーネス、そのほか多数の小型部品が含まれます。モジュールはさまざまな構成で構築されています。例えば、ほとんどのラインでは、車種や顧客が選択したオプションに応じて20種類以上の異なるワイヤーハーネスが使用されています。顧客は The Piston Group に対し、必要となるフロントモジュールの構成内容とその生産順序を示した日次リリースを送付します。
高水準の品質要件
モジュールの品質要件は厳しいものです。まず、各モジュールは、搭載される車両に正しく適合するよう、適切なワイヤーハーネスやその他の部品を用いて正確に構成されていなければなりません。次に、多くの部品は厳しい寸法公差内で取り付ける必要があります。複数のホースやクランプは、指定された位置から1mm以内という精密な範囲で取り付け、すべての電気コネクタは、完全に差し込まれ、確実に接続されていなければなりません。
以前は、これらの検査の多くが、スライドに取り付けられた機械式プローブを用いたチェックステーションで実施されていました。このアプローチでは、チェックした各寸法に対してカスタムスライドを設計および構築する必要がありました。そのため、寸法が変更されるたびに、スライドを修正するか、新しい設計に置き換える必要があり、新しい車両モデルの改造には、チェックステーション全体を改造するのに約2週間のダウンタイムを要していました。モデル切り替え前には、同社は新モデルの試作部品を少量生産していましたが、検査ステーションの段取り替えが行われていなかったため、これらの部品は手作業で検査する必要がありました。
「顧客が単一の設計変更を行うたびに、最低でも15,000ドルのコストが発生していました」と、The Piston Groupの製造技術担当ディレクターであるケビン・ミラー氏は述べています。「変更に伴うコストと対応時間を削減するため、我々は、柔軟なビジョンシステムの導入を希望していました。また、品質向上のため、手作業による検査量の削減を求めていました。通常は、検査ポイントごとに1台のカメラを使用します。このアプローチは、既存の機器にあまりにも多くのスペースを費やし、コストも非常に高価です」
複数の検査に単一ビジョンシステムを使用
従来は、必要とされる精度を確保するために、各検査ポイントごとに非常に特定の照明条件やカメラの焦点距離が求められることから、検査ポイントごとに個別のカメラが使用されてきました。また、1サイクル内で1台のカメラが複数の画像を取得するという考え方を検討する際には、カメラの速度も課題となっていました。しかし、コグネックスビジョンシステム技術の進化により、ロボットに搭載した1台のカメラで、多数の検査ポイントを高い精度で検査することが可能になりました。
「このアプリケーションに最適なカメラを特定するため、McNaughton McKay ElectricのVision & Traceability Groupと協力しました」と、The Piston Groupの制御エンジニアであるパトリック・オデル氏は述べています。「ビジョンシステムが、このアプリケーションで関係する多数の検査ポイントに対応するために必要な、幅広いツールを提供していることから、コグネックスを選定しました。また、コグネックスのPatMax®形状パターンマッチングツールは、部品の位置を正確に決定することで、精度を大幅に向上させます。コグネックスIn-Sightビジョンシステム1台で、45秒未満という短時間のうちに、位置や形状が大きく異なる30以上の特徴を高精度に検査することができ、このアプリケーションの要件を満たしました。当社では、このカメラを工場全体で90以上の検査に使用しています」
ビジョンシステムのプログラミング
オデル氏は、スプレッドシート形式のプログラミングインタフェースを採用した、コグネックスIn-Sightソフトウェアを使用して、この検査アプリケーションをプログラミングしました。「このスプレッドシート型インタフェースは、プログラミングにおいて究極の柔軟性を提供してくれます」と、オデル氏は述べています。「あらゆるビジョンツールにアクセスでき、似た検査処理をコピーして少し調整するだけで、新しい検査工程を簡単に作成できます」 検査ステーションの最初の工程は、部品のRFIDタグを読み取り、モジュールの種類を特定することです。モジュールのタイプによって、ロボットプログラム／パスとビジョン検査プログラムの両方が決まります。
オデル氏はPatMaxツールを使用して、冷却モジュールの固定位置を特定し、その位置を基準として以降のすべての検査処理を実行しました。また、ヒストグラムツールを使用して、正しいモジュール内容をチェックする部品の有無を決定し、PatMaxツールを使用してホースクランプ自体と、成形されたビードストップなどのマット部品上の特徴を検出することで、ホースクランプの位置を特定しました。その後、距離計測ツールを使用してホースクランプとこの機能の間の距離を決定しました。各計測について、同氏はスプレッドシートに高値と低値を入力しました。スプレッドシートの値は、ヒストグラムの明るさと測定の距離を表します。バーコードは複数の部品でも読み取りが可能で、正しい部品番号が取り付けられていることを確認します。
オデル氏はいくつかの異なる照明配置を試してみましたが、その1つがカメラに組み込まれたリングライトで、各アプリケーションで機能していました。各検査で取得されたすべての画像はシリアル化され、ネットワークサーバーに収集・保存されます。これにより、組み立てられた各モジュールにさかのぼって追跡可能となっています。オデル氏は、画像を保存するためにいくつかの方法を試しましたが、サイクル中はローカルに保存し、部品が搬送されている間にネットワークへ転送する方法が最も高速であることが分かりました。ControlLogixプログラマブル・ロジック・コントローラ（PLC）は、ロボットとビジョンシステムの両方を制御します。処理時間を節約するため、各画像を処理する場合は、スプレッドシートの小さなセクションのみが有効になります。Cognex Connect™は、PLCや、三菱、Rockwell、Siemens、その他のメーカーの幅広いオートメーションデバイスへのトラブルのない接続のために、最も一般的に使用されているオープンスタンダードの工業用イーサネットおよびフィールドバス通信プロトコルをサポートしています。
オデル氏は、冷却モジュールの 生産部品承認プロセス（PPAP） 提出の一環として、ビジョンシステムに対するゲージR&R（繰返し性・再現性）試験を実施し、不良品が一切流出しないように、スプレッドシート内の判定値を設定しました。この設定条件下では、0.4%に満たない少数の良品が、誤って不良と判定される場合があります。誤検知された良品については、品質技術者が再検査を行います。パスワードによる承認を通じた合格パスが可能ですが、トレーサビリティ向上のため、どの個体を誰が承認したかのログが保存されます。ワイヤーハーネスのプッシュピンの位置など、個体差が大きすぎるいくつかの項目については、ビジョンシステムによる検査ができません。同氏は、これらの項目をビジョンシステムでより検査しやすくするための変更を促すべく、顧客の設計部門にフィードバックを提供しました。
パーツが検査に不合格になると、プログラムは別の画像をキャプチャして処理します。部品が再度不合格となった場合、PLCがアラームを発報し、RSViewMEのヒューマン機械インタフェース（HMI）には、不合格となった検査画像と、その不具合内容を説明するテキストが画面上に表示されます。それを受けたオペレータまたはチームリーダーのいずれかが失敗に反応します。ホースクランプの位置がずれている、またはプッシュピンがない場合など、オペレータはゲートのロックを解除して部品を固定できます。その後、すべての検査操作が再実行され、問題の修正によって別の障害が発生しないことを確認します。パーツがテストに合格すると、ラインは停止した時点から継続します。
画像を保存することでペナルティを回避
サーバーに接続して各画像を保存する機能は貴重です。あるケースでは、ブレーキパッドが欠落した状態のブレーキコーナーを受け取ったと、顧客から報告がありました。しかし、保存された画像は、モジュールがピストンで構築されたときにブレーキパッドが存在していたことを示していました。顧客が調査したところ、その車両は別の理由で修理が行われており、その修理作業中にブレーキパッドが外れてしまったことが判明しました。「以前であれば、ペナルティを支払わなければならず、品質評価スコアも下がっていたでしょう」と、オデル氏は話します。「今では、自社に責任がないことを、客観的なデータによって証明できます」
ビジョンシステムは、従来の検査方法よりもはるかに高い精度で検査することができます。例えば、機械式プローブでは、部品間の累積公差や、それを治具の基準点に関連付けて管理していた影響により、ホースクランプの位置をプラスマイナス4mmの精度でしか判定できませんでした。一方で現在のビジョンシステムでは、PatMaxを用いてカメラ視野内の特定ポイントを直接特定し、治具の基準点に対して測定するのではなく、そこから寸法測定を行うことができるため、プラスマイナス1mmの精度を実現しています。このビジョンシステムは、従来の機械式プローブで検査していたポイント数の2倍の検査ポイントを確認することも可能にしています。「結論として、従来のチェックステーションで必要となっていた場合と比べ、初期投資を40％削減し、変更コストを80％低減しながら、より多くの検査ポイントを、より高い精度で検査することで品質を向上させることができました」と、ミラー氏は述べました。