Strojni vid v industrijskem okolju – izzivi in priložnosti

Proizvodna podjetja so zaradi pritiskov konkurence primorana iskati rešitve, ki višajo kakovost njihovih izdelkov, nižajo lastno ceno in povečujejo fleksibilnost oz. prilagodljivost potrebam kupca. Trend vpeljave vitkih orodij v proizvodne procese sili uporabnike k iskanju novih, inovativnih principov izboljšave proizvodnih procesov. To dosegajo z vpeljavo različnih protokolov delovanja, spremljanja in reguliranja procesov in vlaganji v avtomatizacijo procesov. En izmed segmentov za avtomatizacijo je tudi očna kontrola izdelkov. Ta segment se največkrat nadomešča z aplikacijami strojnega vida.

Najpogostejši namen aplikacij strojnega vida v industriji je optimizacija oz. zmanjševanje stroškov končne kontrole in reklamacij. Poleg slednjih obstaja še množica pozitivnih učinkov, ki dodatno upravičujejo smiselnost investicije in so pogosto spregledani [3].

POZITIVNI UČINKI UPORABE STROJNEGA VIDA

Znižanje stroškov končne kontrole

Prihranki na račun zniževanja stroškov končne kontrole so v praksi najbolj izraziti in hitro dosegljivi. Ti se določijo se izračuna na podlagi prihranka, ki ga uporabniku prinese zmanjšanje stroška očnega pregledovanja na račun avtomatizacije očne kontrole. Višji kot je taktni čas, več napak kot mora delavec prepoznati in dražja kot je delavna sila, večji je strošek očnega pregledovanja.

Na drugi strani ekonomičnosti investicije sta nabavna cena optičnega sistema in operativni stroški. Zaznati je mogoče tesno povezavo cene optičnega sistema s številom optičnih glav tj. sestava kamere, objektiva in svetilnega vira. Povezava izhaja iz tega, da je potrebno za vsak dodaten »pogled kamere« zagotoviti ustrezno merilno mesto, opraviti inštalacijska in montažerska dela, izdelati aplikacijo, ter poskrbeti za zagon in optimizacijo delovanja. Cena se od začetne investicije naprej skočno a dokaj linearno povečuje s številom optičnih glav.

Operativni stroški strojev izhajajo iz naslova porabe energentov in vzdrževalnih del. Priključne moči so <3kW, zato je strošek porabe električne energije zanemarljiv. Vzdrževalni stroški v rangu <0,5% nabavne vrednosti. Redna vzdrževalna dela so redka in enostavna (čiščenje, avtomatska kalibracija, praznjenje trdih diskov).

Skupni stroški investicije se gibljejo od nekaj tisoč evrov za sisteme z enim pogledom pa vse do nekaj sto tisoč evrov. Kljub na prvi pogled visokim cenam, dosegajo optični sistemi na račun nadomeščanja delovne sile, relativno kratke časa povračila investicije. Ti se gibljejo v skrajnih primerih od nekaj mesecev pa do treh let.

Eliminacija subjektivnih odločevalcev, posledično izboljšanje kakovosti izdelkov in znižanje stroškov reklamacij od kupca

Drugi večji razlog za upravičenosti investicije v avtomatsko optično kontrolo je eliminacija subjektivnih odločevalcev. Ljudje delamo napake. Študije kažejo, da človek v dobro vodenem okolju z uporabo klasičnih metod nadzora kvalitete, na sto enakih priložnosti za odločitev naredi do deset napak. Vrednost se lahko občutno zniža na rang 0,5 napak na sto enakih priložnosti za odločitev, če poskrbimo za procese standardizacije. Do napak pri odločitvah pogosto prihaja na t.i. mejnih kosih. To so tisti izdelki na katerih so napake na meji toleranc sprejemljivosti. Človeška napaka je odvisna od fizičnih dejavnikov, organizacijskih, osebnostnih, izkušenosti, šolanja, stresa in počutja [2].

Slika 1: Število napak v odvisnosti od standarda kakovosti

Dobavitelj, ki dobavi izdelek s kritično napako in ga kupec identificira, krije nastale stroške in dobavi nadomestno količino izdelkov. Stroški iz tega naslova so lahko visoki. Optični sistem v tem primeru deluje kot varovalka. Meje sprejemljivost za posamezni detekcijski parameter so nastavljene tako, da preprečijo uhajanje slabih izdelkov. Mejni kosi so navadno razporejeni med slabe. Izmet je višji kot pričakovano, a je del le-tega lažen. Strošek očnega pregledovanja lažnega izmeta je navadno nižji kot strošek reklamacij, kar dodatno upravičuje investicijo.

Realno-časovno spremljanje trendov proizvodnje, posredno izboljšanje tehnoloških procesov in zmanjšanje izmeta

Ločimo dva tipa integracij aplikacij strojnega vida na proizvodno linijo. Prvi predvideva postavitev stroja za optično kontrolo na konec linije, kjer se kontrolirajo končani izdelki. Ti stroji so navadno kompleksnejši, z večjim številom različnih tipov optičnih glav. Pri drugem tipu integracije so optični sistemi razporejeni med procesi. Slednji so navadno enostavnejši, z eno optično glavo in omogočajo zaznavanje napak takoj za tem ko se zgodijo. Optični sistemi ob postavitvi takoj za procesom omogočajo hitro ukrepanje ob zaznanju večjega števila ponavljajočih napak oz. slabega trenda. S tem preprečimo izdelavo večje serije slabih kosov ali nadgradnjo slabega polizdelka na procesih ki sledijo. Optični sistem opozori uporabnika hitreje in s tem zniža nastalo škodo. Višina prihranka iz naslova realno-časovnega spremljanja trenda proizvodnje je povezana s ceno samega izdelka in stroški procesov. Dražji kot je izdelek in/ali proces bolj je investicija smiselna.

Dodatno nam medfazne kontrole omogočajo pridobivanje povratne informacije o učinkovitosti posameznega proizvodnega procesa. Vsak optični sistem je merilna naprava, zato so ti sistemi lahko vir informacij za izboljšanje oz. optimizacijo procesa in zmanjšanje izmeta. Predvideva se da bo v prihodnosti močan poudarek v razvoju programskih rešitev, ki bodo povezovale procesne informacijske sisteme (angl. MES) in sisteme strojnega vida, kar sovpada z trendom industrije 4.0.

Povratne informacije se lahko koristijo tudi za ustvarjanje povratne zanke v smislu avtomatske regulacije samega procesa. Omenjena funkcionalnost se danes najpogosteje uporablja pri aplikacijah manipulacije izdelkov, varjenj in sestavljanj izdelkov (robot-kamera) a še ni povsem izkoriščena.

Višja produktivnost

Taktni časi proizvodnih linij se med panogami razlikujejo. V prehrambni in embalažni industriji so ti časi najvišji in lahko dosegajo do nekaj deset izdelkov na sekundo. V avtomobilski industriji in proizvodnji gospodinjskih aparatov so ti časi od nekaj sekund pa do nekaj minut. Očna optična kontrola lahko predstavlja ozko grlo linije. Avtomatizacija in višanje taktnih časov te operacije vpliva na produktivnost. Uporabljena oprema v industrijskih aplikacijah se neprestano izboljšuje. Zmogljivejši procesorji, kamere z višjim številom zajemov slik na sekundo, hitrejši komunikacijski protokoli, hitrejši algoritmi, vse to pozitivno vpliva na višanje produktivnosti.

V splošnem lahko rečemo, da so sami optični sistemi hitri, saj sami časi zajema slike in obdelave se gibljejo od nekaj deset pa do nekaj sto mili sekund. Sistemi za manipulacijo izdelkov do in iz merilnega mesta imajo navadno daljše taktne čase. Ti se gibljejo od pol sekunde pa do nekaj sekund. Višje taktne čase navadno dosegamo z multiplikacijo manipulacijskih sistemov, kar faktorsko vpliva na ceno sistema. V kolikor točno poziciniranje izdelka ni potrebno, manipulacija ne predstavlja ozkega grla.

Zmogljivosti opreme v današnjem času so take, da lahko en stroj za optično kontrolo kontrolira izdelek iz več linij, kar direktno vpliva na višjo produktivnost.

Manjša delovna površina in zmanjšanje medfaznih zalog

Stroji za optično kontrolo navadno zasedajo nekajkrat manjšo delavno površino, kot jo zasedejo delavna mesta za očno kontrolo. Ta lastnost se pogosto zanemarja, a lahko prinese prihranek v rangu nekaj tisoč letno.

Principi vitke proizvodnje učijo, da so vse zaloge strošek. V splošnem velja, da nižje kot so zaloge, bolj agilen, vitek je sistem in višji so prihranki. Zaradi kompaktnosti in delovanja v liniji imajo stroji za optično kontrolo nizko medfazno zalogo. Medfazne zaloge nastajajo v transportu med procesom pred strojem in procesom (navadno pakiranjem) za strojem. Ta je navadno linijski, zato so te zaloge nizke. Dodatne zaloge nastajajo v strojih, ki uporabljajo manipulacijske sisteme, ki ohranjajo taktni čas. Primer so vrtljive mize z gnezdi.

Neglede na našteto so medfazne zaloge nizke. Navadno govorimo o nekaj deset kosih medfaznih zalog in so zanemarljive v primerjavi z medfaznimi zalogami, ki nastajajo pri očni kontroli. Pri tem tipu delovanja so medfazne zaloge lahko nekaj sto ali celo tisoč izdelkov.

Slika 2: Stroj za optično kontrolo komutatorjev zasega 9 krat manjšo površino kot delavna mesta za očno kontrolo

---

Obstaja množica pozitivnih učinkov avtomatizirane optične kontrole, ki jih uporabniki na žalost še ne izkoriščajo povsem ali ne poznajo. Namen prispevka je seznaniti bralca o široki paleti priložnosti, ki lahko znatno vplivajo na izkoriščenost opreme, optimizacijo proizvodnje in kot rezultat nižjo lastno ceno izdelka.

Uporabniki hitro opazijo in/ali izkoristijo t.i. direktne učinke, ki so povezani z umestitvijo stroja v linjo. Tak primer so znižani stroški končne kontrole ali nižanje stroškov reklamacij. Druge, ki zahtevajo dodatno statistično analizo, optimiranje procesov, znižanje izmeta in predvsme večjo zavzetost pa redko izkorisitjo. Te je mogoče spodbuditi z filozofijo stalnega napredka, ki meri napredek in nagrajuje zaposlene z dodatki za inovativnost in izboljšave.

Avtor: Matej Logar