미시간주 레드포드에 위치한 Piston Group은 7가지 각기 다른 차량에 맞는 냉각 모듈을 제조합니다. 이러한 냉각 모듈은 5개의 서로 다른 어셈블리 라인에서 제조되는데, 각 라인은 고객의 요구에 따라 50가지가 넘는 변형 버전으로 구성됩니다. 구성 변형 검증, 전기 연결부 검사, 모든 차원 관련 요구 사항을 포함하여 각 모듈에서는 여러 가지의 검사를 수행해야 합니다. 과거에 이러한 검사는 각각의 구성 부품을 검사하기 위해 선형 프로브, 비전 시스템 및 각종 센서가 함께 장착되어 있는 다중 공압식 슬라이드를 이용한 자동 검사 스테이션에서 이루어졌습니다. 이 접근 방식의 문제점으로, 각 개별 슬라이드의 비용은 15,000달러를 초과했으며 해당 부품 사양 또는 설계가 변경될 때마다 슬라이드를 교체해야 했습니다.
이에 따라 머신 비전을 사용하여 슬라이드를 교체하던 기존의 방법을 사용할 때는 30개나 되는 고정 카메라와 각 카메라에 대한 특수 조명 요건이 필요했습니다. Piston Group은 Fanuc® 로봇에 Cognex In-Sight® 비전 시스템 하나를 장착하여 훨씬 저렴하고 유연한 솔루션을 개발했습니다. 이 로봇은 비전 시스템을 원하는 위치로 이동시켜 불과 45초도 되지 않는 짧은 시간에 30개 이상의 영상을 캡처하므로 모듈을 완벽하게 검사합니다. In-Sight 비전 시스템은 몇 시간의 프로그래밍만으로 향후 디자인 변경에 따라 검사를 쉽게 조정할 수 있습니다. 새로운 검사시스템은 초기 투자 비용의 경우 40%, 기계 설비 재정비의 경우 80%까지 비용을 절감하는 동시에 보다 높은 정확도로 더 많은 지점을 검사함으로써 지속적으로 품질을 개선하고 있습니다.
Piston Group은 복잡한 모듈식 어셈블리를 위한 순차 및 비순차 하위 조립 구성 부품을 제공합니다. 이 회사는 프론트 엔드 냉각 시스템, 서스펜션 및 섀시 시스템, 인테리어 시스템, 파워 트레인 시스템 등 다양한 모듈을 조립합니다. 이 애플리케이션 분야에서 생산되는 냉각 모듈은 기본적으로 모터와 앞 범퍼 사이의 모든 것으로 구성되는데, 예를 들어 코어 지지대, 라디에이터, 전기 팬, AC 콘덴서, 파워 스티어링 및 변속기 쿨러, 리저버, 호스, 와이어 하니스 및 기타 여러 작은 구성 부품이 있습니다. 모듈은 다양한 구성으로 구축됩니다. 예를 들어, 대부분의 라인에는 고객이 선택한 모델과 옵션에 따라 20개 이상의 서로 다른 배선 하니스가 사용됩니다. 고객은 필요한 전면 모듈 구성과 구축 순서를 나타내는 일일 릴리스를 Piston Group에 보냅니다.
까다로운 품질 요건
모듈의 품질 요구 사항은 까다롭습니다. 먼저, 각 모듈은 적절한 배선 하니스 및 기타 구성 부품과 함께 설치될 차량에 올바르게 구성되어야 합니다. 둘째로, 대부분의 구성 부품은 매우 엄격한 치수 공차 범위 내에서 설치되어야 합니다. 지정된 위치에서 1mm 이내에 여러 호스와 클램프를 설치해야 합니다. 모든 전기 커넥터는 완전히 장착되고 결합되어야 합니다.
과거에는 이러한 검사 중 다수가 슬라이드에 장착된 기계식 프로브에 의해 점검 스테이션에서 수행되었습니다. 이 접근 방식을 사용하려면 검사된 각 치수에 맞게 사용자 지정 슬라이드를 설계하고 제작해야 했습니다. 치수를 변경할 때마다 슬라이드를 수정하거나 새 디자인으로 교체해야 했습니다. 완전히 새로워진 차량 모델의 경우 전체 점검 스테이션을 개조하려면 약 2주의 비가동 시간이 필요했습니다. 모델 전환 전에 회사는 소량의 사전 생산 신규 모델 부품을 만들었으며 스테이션이 변경되지 않았기 때문에 이러한 부품을 수동으로 검사해야 했습니다.
Piston Group의 제조 엔지니어링 이사인 Kevin Miller는 이렇게 말했습니다. “고객이 하나의 엔지니어링 변경을 할 때마다 비용은 최소 15,000달러였습니다. 저희는 변경에 소요되는 비용과 처리 시간을 줄이기 위해 유연한 비전 시스템을 구현하고자 했습니다. 또한 품질을 개선하기 위해 필요한 수동 검사의 양을 줄이고 싶었습니다. 일반적인 관행은 검사 지점당 하나의 카메라를 사용하는 것입니다. 이 접근 방식은 기존 장비의 공간을 너무 많이 차지했을 것이며 비용이 너무 높았습니다.”
여러 검사에 단일 비전 시스템 사용
각 지점은 일반적으로 필요한 수준의 정확도를 달성하기 위해 매우 구체적인 조명 및 카메라 초점 거리를 필요로 하기 때문에 기존에는 각 검사 지점에 대해 별도의 카메라가 보통 사용되었습니다. 카메라 속도는 단일 카메라로 한 주기 내에 여러 이미지를 촬영하는 아이디어를 고려할 때도 우려되는 사항이었습니다. 그러나 Cognex 비전 시스템 기술의 발전으로 단일 로봇 장착 카메라가 높은 수준의 정확도로 많은 수의 지점을 검사할 수 있습니다.
Piston Group의 제어 엔지니어인 Patrick O’Dell은 이렇게 말합니다. “우리는 McNaughton McKay Electric의 비전 & 추적 가능성 그룹과 협력하여 이 애플리케이션에 적합한 카메라를 확인했습니다. 우리는 Cognex를 선택했는데, Cognex의 비전 시스템은 이 애플리케이션과 관련된 다양한 지점을 검사하는 데 필요한 광범위한 툴을 제공하기 때문이었습니다. 또한 Cognex의 PatMax® 기하학 패턴 매칭 툴은 부품 위치를 정확하게 파악하여 정확도를 크게 개선합니다. 단일 Cognex In-Sight 비전 시스템은 45초 이내에 다양한 위치에서 30개 이상의 매우 다양한 기능을 정확하게 검사하여 이 애플리케이션의 요구 사항을 충족했습니다. 공장 전체에서 90개가 넘는 다양한 검사에 이 카메라를 사용하고 있습니다.”
비전 시스템 프로그래밍
O’Dell은 스프레드시트 프로그래밍 인터페이스를 사용하는 Cognex의 In-Sight 소프트웨어로 검사 애플리케이션을 프로그래밍했습니다. O’Dell은 이렇게 말했습니다. “스프레드시트 인터페이스는 최고의 프로그래밍 유연성을 제공합니다. 이를 통해 상상할 수 있는 모든 비전 툴에 액세스할 수 있으며, 유사한 툴을 복사하고 몇 가지 수정만 하면 새로운 검사 작업을 생성할 수 있습니다.” 검사 스테이션의 첫 번째 작동은 모듈 유형을 결정하기 위해 부품 RFID 태그를 읽는 것으로 구성됩니다. 모듈 유형은 로봇 프로그램/경로 및 비전 검사 프로그램을 결정합니다.
O’Dell은 PatMax 툴을 사용하여 냉각 모듈의 고정 지점 위치를 결정한 다음, 이 위치를 기반으로 모든 후속 검사 작업을 수행했습니다. 그는 올바른 모듈 내용을 확인할 때 히스토그램 툴을 사용하여 구성 부품의 유무를 결정했습니다. 그는 PatMax 툴을 사용하여 호스 클램프와 폼 롤 비드 스톱과 같은 결합 구성 부품의 특징을 인식함으로써 호스 클램프의 위치를 결정했습니다. 그런 다음, 거리 측정 툴을 사용하여 호스 클램프와 이 기능 사이의 거리를 결정했습니다. O’Dell은 스프레드시트에 각 측정에 대해 높은 값과 낮은 값을 입력했습니다. 스프레드시트의 값은 히스토그램의 밝기와 측정 거리를 나타냅니다. 또한 여러 구성 부품에서 바코드를 판독하여 올바른 부품 번호가 설치되어 있는지 확인합니다.
O’Dell은 여러 가지 조명 배열을 시도했으며 각 애플리케이션에 적합한 카메라에 통합된 링 조명을 발견했습니다. 각 검사의 모든 이미지는 직렬화되고 네트워크 서버에 수집되어 각각의 조립된 모듈로 추적할 수 있습니다. O’Dell은 여러 가지 다양한 이미지 저장 방법을 시도했지만, 가장 빠른 방법은 사이클 중에 로컬로 저장한 다음, 부품이 전송되는 동안 네트워크로 전송하는 것이었습니다. ControlLogix Programmable Logic Controller(PLC)는 로봇과 비전 시스템 모두를 제어합니다. 처리 시간을 절약하기 위해 각 이미지를 처리할 때 스프레드시트의 작은 섹션만 활성화됩니다. Cognex Connect™에는 PLC에 대한 원활한 연결을 위해 가장 일반적으로 사용되는 개방형 표준 산업용 이더넷과 Fieldbus 통신 프로토콜을 비롯하여 Mitsubishi, Rockwell, Siemens, 그 외 여러 제조업체의 다양한 자동화 장치에 대한 지원이 포함되어 있습니다.
O’Dell은 냉각 모듈에 대한 생산 부품 승인 프로세스(PPAP) 제출의 일환으로 비전 시스템에 대한 게이지 반복성 및 신뢰성(R&R) 연구를 수행했습니다. 그는 불량한 부품이 빠져나가지 않도록 스프레드시트의 값을 설정했습니다. 이 설정은 ���호한 부품 중 0.4% 미만의 소수는 검사에서 불합격될 수 있음을 전제로 합니다. 이러한 허위 거부에는 품질 기술자의 검사가 필요하며, 추적 가능성을 위해 기록된 암호를 통해 통과 처리할 수 있습니다. 와이어 하니스 푸시 핀 위치와 같이 편차가 너무 커서 비전 시스템으로 검사할 수 없는 항목이 몇 가지 있습니다. 그는 고객의 설계 조직에 피드백을 제공하여 비전 시스템으로 이러한 항목을 더 쉽게 검사할 수 있도록 변경 사항을 추진했습니다.
부품이 검사에 실패하면 프로그램이 다른 이미지를 캡처하고 처리합니다. 부품이 다시 고장난 경우 PLC에서 경보음이 울리고 RSViewME 휴먼 머신 인터페이스(HMI)가 고장에 대한 구두 설명과 함께 화면에 고장난 검사 이미지를 표시합니다. 작업자나 팀 리더가 고장에 반응합니다. 호스 클램프가 제자리에 없거나 푸시 핀이 없는 경우와 같은 일부 경우, 작업자는 게이트를 잠금 해제하고 부품을 고정할 수 있습니다. 그런 다음, 모든 검사 작업을 다시 실행하여 문제를 해결해도 다른 오류가 발생하지 않는지 확인합니다. 부품이 테스트를 통과하면 라인이 중지된 지점에서 계속 진행됩니다.
이미지 저장을 통해 페널티 피하기
서버에 연결하고 각 이미지를 저장하는 기능은 매우 중요합니다. 한 사례에서, 한 고객이 브레이크 패드가 없는 브레이크 코너를 받았다고 말했습니다. 그러나 저장된 이미지는 Piston에서 모듈을 제작했을 때 브레이크 패드가 있었음을 보여주었습니다. 고객이 이에 대해 알아보자 다른 이유로 차량을 수리할 때 수리 중에 브레이크 패드가 떨어진 것을 알게 되었습니다. O’Dell은 이렇게 말했습니다. “과거에는 페널티를 지불해야 했고 품질 점수도 하락했을 것입니다. 이제 우리는 하드 데이터를 사용하여 우리가 잘못되지 않았음을 증명할 수 있습니다.”
비전 시스템은 이전 검사 방법보다 훨씬 더 높은 수준의 정확도로 검사할 수 있습니다. 예를 들어, 기계식 프로브는 구성 부품의 스택 업 공차의 양과 고정 장치 기준점으로 다시 추적되는 방식으로 인해 +/- 4mm의 정확도로 호스 클램프 위치만 결정할 수 있었습니다. 이제 비전 시스템은 PatMax를 활용해 카메라 뷰 내의 특정 지점을 정확히 찾아 고정 장치 기준점에 맞춰 측정하려는 대신 해당 지점에서 직접 치수를 판독할 수 있으므로 ±1mm의 정확도를 제공합니다. 또한 비전 시스템은 과거에 기계 프로브로 검사할 수 있었던 포인트 수의 두 배를 검사합니다. Miller는 이렇게 결론지었습니다. “결과적으로 기존 점검 스테이션에서 요구하는 것보다 40% 적은 선행 투자와 80% 낮은 변경 비용으로 더 높은 정확도로 더 많은 지점을 검사하여 품질을 개선했습니다.”