Realizacja odpornego na trudne warunki pracy, niezawodnego i jednocześnie niedrogiego rozwiązania służącego kontroli jakości na hali produkcyjnej. System oparto na CVS-1454 (przemysłowy system analizy obrazu firmy National Instruments), kamerze cyfrowej Sony IEEE 1394 oraz elastycznym, modułowym oprogramowaniu stworzonym w oparciu o NI LabVIEW Real-Time i NI Vision Development Module.]
Rys. 1. Schemat budowy systemu kontroli świec zapłonowych
„W rezultacie otrzymaliśmy niedrogi, szybko stworzony system kontroli spełniający najwyższe wymagania dotyczące jakości.”
Wymagania wobec systemu testowania świec zapłonowych:
Właściwa odległość pomiędzy elektrodami świecy jest wartością krytyczną w procesie produkcji samochodowych świec zapłonowych. Nasz klient, wiodący producent świec zapłonowych w Indiach, określił dwa kluczowe parametry decydujące o funkcjonalności świecy zapłonowej. Jednym z nich jest ekscentryczność pomiędzy kształtem obudowy zewnętrznej a elektrodą wewnętrzną. Drugim jest przesunięcie elektrody masy względem środka elektrody wewnętrznej.
Dotychczas w fabryce świec zapłonowych klienta pomiary ekscentryczności i przesunięcia dokonywane były ręcznie. Odbywało się to poprzez określenie pozycji trzech punktów na okręgu i dopasowanie do tak uzyskanych danych jego równania. Błąd pomiaru w przypadku nawet jednego z punktów mógł znacznie zniekształcić uzyskane wartości ekscentryczności i przesunięcia. W celu zagwarantowania niezawodności kontroli jakości, szybszego testowania i opłacalności inwestycji, klient zlecił nam zbudowanie wizyjnego systemu pomiarowego, stworzonego specjalnie dla linii produkcyjnej świec zapłonowych.
Oczekiwania klienta wobec zleconego do realizacji systemu:
- Pomiar ekscentryczności i przesunięcia z dokładnością do 0,01mm, o powtarzalności Six Sigma, mieszczącej się poniżej 10 procent w przedziale tolerancji.
- Gwarancja, że funkcjonalność systemu będzie niezależna od zmienności tekstury kolejnych egzemplarzy lub modeli świec.
- Gwarancja, że funkcjonalność systemu będzie niezależna od zmienności tekstury kolejnych egzemplarzy lub modeli świec.
- Zajęcie możliwie najmniejszej powierzchni na hali produkcyjnej, a przy tym wytrzymałość na trudne warunki tam panujące oraz maksymalna poprawa efektywności cyklu produkcyjnego poprzez skrócenie czasu wykonywania kontroli.
- Połączenie linii produkcyjnej ze sterownikami PLC w celu wykluczenia ingerencji człowieka, dzięki czemu proces pomiarowy stanie się szybki, obiektywny i powtarzalny.
- Przechowywanie wyników testów dla dalszych analiz mających na celu podniesienie jakości przebiegu procesu oraz wzrost rentowności całej produkcji.
Wybraliśmy kamerę cyfrową Sony FireWire o rozdzielczości 1280 x 960 pikseli, posiadającą szereg parametrów programowalnych, co było potrzebne w realizowanym systemie. Aplikację stworzyliśmy przy użyciu modułu programowego LabVIEW Real-Time, zapewniającego m.in. konfigurację systemu poprzez sieć TCP/IP, okresowe kalibrowanie systemu za pomocą wzorca oraz przesyłanie wyników przez FTP.
Przy wyborze platformy sprzętowej do naszego oprogramowania zdecydowaliśmy się na przemysłowy system analizy obrazu - Compact Vision System (CVS). Przy wyborze kierowaliśmy się takimi wyznacznikami jak: działanie w systemie czasu rzeczywistego, odporność na trudne warunki pracy oraz małe wymiary. Wybór systemu CVS firmy National Instruments jest trafny w świetle naszych wcześniejszych doświadczeń przy użytkowaniu produktów NI do tworzenia światowej klasy rozwiązań wizyjnych. W rezultacie - zgodnie z naszymi oczekiwaniami - otrzymaliśmy system, który zapewnia nam założoną jakość procesu testowania i jego pełną automatyzację.
Sprzęt i oprogramowanie systemu
Stanowisko kontroli składa się z kamery Sony IEEE 1394, z obiektywu Nikon oraz lampy Advanced Illumination Ring (oświetlenie pierścieniowe diodami LED) do osiowego oświetlania górnej powierzchni świecy zapłonowej. Rejestrowanie obrazów odbywa się za pośrednictwem portu FireWire systemu NI CVS. Świece zapłonowe dostarczane są na transporterze z szybkością 1 szt/sek. Cyfrowy port CVS komunikuje się ze sterownikiem PLC, który kieruje linią produkcyjną. Dzięki temu, że system CVS podłączony został do sieci zakładowej, mogliśmy wykorzystać komputer PC do zdalnego konfigurowania parametrów wejściowych oraz do przechowywania danych.
Ponieważ aplikacja wymagała 2-pikselowej powtarzalności, przy pisaniu algorytmów musieliśmy zwrócić uwagę na to, aby parametry strojenia mieściły się w szerokim zakresie tolerancji. W tej fazie prototypowania algorytmów pomocnym okazało się narzędzie programowe Vision Assistant firmy National Instruments. Możliwości przetwarzania wsadowego pozwalały na cykliczne sprawdzanie wielu nagromadzonych obrazów oraz tabelaryzowanie wyników. Dlatego też strojenie parametrów stało się systematyczne i zorientowane na cel. Podczas, gdy Vision Assistant okazał się przydatny w fazie prototypowania, pełna realizacja aplikacji wymagała środowiska LabVIEW, które zapewniło możliwość pełnego wykorzystania systemu NI CVS.
Moduł NI CVS-1454 zastosowano przy algorytmie służącym do wykrywania krawędzi okręgu. Opracowane przez firmę National Instruments rozwiązanie posługuje się dużą ilością punktów, dopasowując je do linii okręgu. Algorytm potrafi zidentyfikować i nie brać pod uwagę krawędzi, które wychodzą nieco poza okrąg podstawowy, osiągając w ten sposób lepsze dopasowanie do jego kształtu.
Firma National Instruments udostępnia użytkownikom odporny na trudne warunki pracy, niezawodny moduł Compact Vision System oraz jednolitą platformę programową LabVIEW służącą do tworzenia aplikacji analizy obrazu. Zakres zadań inżynierów zajmujących się systemami wizyjnymi ulega stopniowemu rozszerzaniu. Od tworzenia tysięcy linijek kodu, wykrywania i poprawiania błędów, po realizację skutecznych rozwiązań z zakresu przetwarzania obrazu. Technologia NI umożliwia walidację, udoskonalanie i przekładanie pomysłów na aplikacje gotowe do wdrażania. W rezultacie owocuje to skróceniem czasu tworzenia i zmniejszeniem kosztów produkcji systemów. Na opracowanie i sprawdzenie opisanego wyżej testera poświęciliśmy osiem tygodni roboczych.
Korzyści z systemu
Przy użyciu produktów firmy National Instruments osiągnęliśmy następujące korzyści systemowe:
| Parametr | Dawny ręczny proces kontroli | Automatyczny system oparty na technologii NI |
| Obiektywność i powtarzalność | Subiektywny i niepowtarzalny | Proces pomiarowy jest powtarzalny i obiektywny. Poprawienie powtarzalności dzięki standardom Six Sigma. |
| Rozmiar i wytrzymałość | Duży, z ograniczoną odpornością na warunki pracy | Sercem rozwiązania jest mała, wytrzymała obudowa |
| Sterowanie procesem | Zadanie jest uciążliwe ze względu na ręczne znakowanie i rejestrację | Dzięki automatycznemu rejestrowaniu danych możemy uzyskać informacje statystyczne i wykorzystać je do poprawy procesu produkcyjnego |
| Rentowność | Ze względu na ograniczenie dokładności, przedział tolerancji musiał być zawężony. | Dzięki większej dokładności klient mógł zmniejszyć wymogi dotyczące tolerancji, co wpłynęło na poprawę rentowności |
Niezawodność i odtwarzalność dzięki CVS i LabVIEW
Cechami charakterystycznymi każdej udanej aplikacji pomiarowej są jej niezawodność i odtwarzalność. Jednak osiągnięcie tego celu w przypadku systemów wizyjnych jest wyjątkowo trudne. Nasz tester świec zapłonowych spełnił te oczekiwania dowodząc zarazem, że niezależne elementy sprzętowe oraz wiążące je ze sobą oprogramowanie są niezawodne i powtarzalne. Stworzenie aplikacji, której sercem jest system CVS i środowisko LabVIEW, zapewniło wyniki dokładne i powtarzalne.
W rezultacie szybko opracowaliśmy niedrogi system kontroli jakości świec zapłonowych. Wykorzystanie oprzyrządowania wirtualnego pozwoliło na łatwe włączenie systemu do fabrycznej linii produkcyjnej.
National Instruments Poland Sp. z o.o. Autorzy: Anand Krishnan - Soliton Technologies Pvt. Ltd.
Anand Prasad Chinnaswamy - Soliton Technologies Pvt. Ltd.
Karthik Nanjappan - Soliton Technologies Pvt. Ltd.
S. Vasanth Prabhu - Soliton Technologies Pvt. Ltd.
