Kamera 3D monitoruje położenie i mocowanie części nadwozia

Mniej czujników, prostsza konstrukcja instalacji, brak zakłóceń spowodowanych odpryskami spawalniczymi przy produkcji nadwozia. Zalet wykorzystania elementów Przemysłu 4.0. w branży automotive może być naprawdę wiele. Nawet jeden czujnik wizyjny może zapewnić wiele korzyści jako kompleksowy system monitorujący, znacznie obniżający koszty instalacji. Tego typu optymalizacje wdrażane są wzorem zachodnich zakładów produkcyjnych również w polskich fabrykach przemysłu motoryzacyjnego.

– Od stycznia do marca 2021 roku w Polsce zarejestrowano 117,9 tys. samochodów osobowych, o 9,5 procent więcej w porównaniu z rezultatem pierwszego kwartału 2020 roku. Osiągnięty wzrost był możliwy dzięki dużemu popytowi wśród klientów instytucjonalnych, którzy w tym czasie kupili 84,2 tys. nowych pojazdów, co oznacza poziom wyższy o 16,2 procent rok do roku – komentuje Mirosław Michna w najnowszym raporcie kwartalnym Polskiego Związku Przemysłu Motoryzacyjnego i KPMG w Polsce pod tytułem „Branża motoryzacyjna. Edycja Q2/2021”.

A więc wychodząca z kryzysu po pandemii koronawirusa branża motoryzacyjna rozpędza się na dobre. Coraz więcej polskich fabryk, których menedżerowie implementują rozwiązania smart factory w ramach Industry 4.0., decyduje się na montaż ultrainnowacyjnych zastosowań. Takie z powodzeniem wykorzystywane są od wielu lat w zachodniej części Europy. 

Trend, który dotarł do Polski, można podpatrzeć na przykładzie praktycznych działań wprowadzanych i implementowanych w ostatniej dekadzie u producenta samochodów Opel z fabryki w Rüsselsheim koło Frankfurtu nad Menem. Niemiecki zakład stawia na innowacyjną technologię w produkcji. W robocie spawalniczym łączone są różne głęboko tłoczone blachy, które tworzą element nośny nadwozia. Aby robota została wykonana precyzyjnie, nieoceniony okazał się czujnik wizyjny O3D ifm electronic i pionierski system monitoringu. 

Laserowa analiza

Narzędzie to w rzeczywistości ultraczuła kamera 3D ze zintegrowaną analizą obrazu. Zastosowana tutaj rozdzielczość przetwornika obrazu PMD to 176 na 132 piksele. Dla każdego z 23232 pikseli czujnik podaje dokładną wartość odległości, nawet do 25 razy na sekundę. W przeciwieństwie do skanerów laserowych, czujnik 3D firmy ifm nie zawiera ruchomych części. 

– Charakteryzuje go dodatkowo szczególna wytrzymałość, niewielki rozmiar i gwarancja oszczędności w ograniczaniu strat powodowanych na przykład przestojami w parku maszyn. Obraz jest oceniany bezpośrednio w czujniku, dlatego jego dodatkowa ocena przez operatora nie jest już potrzebna. Przestrzeń i dokładna odległość między zaciskiem a czujnikiem jest diagnozowana za pomocą definiowalnych pozycji na obrazie z kamery z tak zwanego ROI, czyli obszaru zainteresowania. Czujnik 3D monitoruje jednocześnie kilka pozycji. Wizualizacja finalnie zapewnia przejrzystość i precyzyjnie wskazuje operatorowi poszczególne etapy obsługi – mówi Krzysztof Smaga, Inżynier ds. Aplikacji / Branża motoryzacyjna z polskiego oddziału ifm electronic, wiodącego producenta czujników i systemów dla automatyki przemysłowej, który swoją siedzibę ma w Katowicach.

W praktyce czujnik za pośrednictwem zintegrowanej oceny wykrywa na przykład czy dźwignia napinacza jest otwarta lub zamknięta. Wszystkie zarejestrowane przez taki system monitorowania zdarzenia są przesyłane do sterownika za pomocą zintegrowanego interfejsu. Obraz z kamery może być także transmitowany na żywo. Z kolei przy wykorzystaniu opcji asystenta wizyjnego użytkownik może łatwo ustawić parametry czujnika, zdefiniować ROI lub skonfigurować funkcję wyjścia. To oprogramowanie jest dostępne zarówno na komputery z systemem Windows, jak i na iPady.

Dwa w jednym

W tradycyjnych zastosowaniach najczęściej to dwa czujniki instalowane są nad systemem spawalniczym. Pierwszy w obszarze umieszczania komponentu, a drugi w miejscu spawania. Oba z góry nadzorują spawaną blachę i zaciski w osprzęcie instalacyjnym. Zaletą systemu O3D jest to, że wystarczy tylko jeden czujnik z definiowanym ROI w oprogramowaniu. Regiony zainteresowania dopasowane są do położeń końcowych zacisków i przedmiotów obrabianych. Sam pomiar sygnalizuje zaś odpowiednie odległości do wykrywania, dając konkretną diagnozę, na przykład zgłaszając, czy element jest obecny lub czy zacisk osiągnął swoją pozycję końcową.

Gwarantuje to oszczędność kosztów, ponieważ tylko jeden czujnik wizyjny O3D zastępuje wiele przyrządów, wykrywając pozycję w kilku punktach urządzenia jednocześnie. W niemieckim zakładzie Opla w ten sposób można zastąpić około 80 procent konwencjonalnych czujników. A to nie koniec, bo jak przekonują inżynierowie, istnieje jeszcze większy potencjał oszczędności dzięki ograniczeniu okablowania, akcesoriów instalacyjnych i punktów wejścia oraz wyjścia w sterowniku.

– Zastosowanie czujnika O3D daje nam zupełnie nowe możliwości. Mamy więcej przestrzeni konstrukcyjnej i więcej miejsca na dostęp do wypustów zgrzewalniczych. Ponadto możemy wyeliminować podatność na awarie czujników konwencjonalnych. Ponieważ czujnik jest zamontowany wysoko nad obszarem zgrzewania, odpryski zgrzewalnicze nie mogą do niego dotrzeć, co z czasem mogłoby go uszkodzić, jak to jest możliwe w przypadku konwencjonalnych czujników zainstalowanych w pobliżu wypustów zgrzewalniczych – wyjaśnia Claus Moog, inżynier i kierownik projektu, odpowiadający w niemieckich zakładach Opla za nadzorowanie operacji, planowania i elektryki.

Wizualizacja procesów

Aby zapewnić i wzmocnić przejrzystość funkcjonowania linii produkcyjnej, firma Opel zainstalowała w swoim zakładzie monitor do wizualizacji. Oprócz graficznej interpretacji procesu trójwymiarowy czujnik może w ten sposób dostarczać również obraz na żywo. Dzięki temu możliwe jest na przykład oznaczenie końcowych pozycji komponentów i zacisków, a następnie ich wizualizowanie na obrazie. Zmieniający się kolor czerwony lub zielony komunikuje operatorowi, czy przedmiot został umieszczony i czy zacisk jest otwarty, czy zamknięty. W obszarze języczków spawalniczych i odprysków spawalniczych nie są potrzebne żadne dodatkowe czujniki.

Współpraca z ifm układa się bardzo dobrze. Odbyliśmy kilka spotkań bezpośrednio z programistami. Dzięki temu mogliśmy uzyskać wgląd w ważne ustalenia. Sprawdzić jak działa czujnik, na co w pierwszej kolejności należy zwrócić uwagę. A nawet zweryfikować, jaki rozmiar musi mieć mój zacisk, aby można go było niezawodnie wykryć – opisuje Fabian Gulla, Inżynier aplikacji zajmujący się programowaniem robotów i systemów wizyjnych w Opel Automobile GmbH Rüsselsheim.

W rzeczywistości nie oznacza to także dalszej pracy programistycznej, ponieważ parametry czujnika są ustawione, a obraz jest dostarczany na żywo. Konstrukcja instalacji to znaczna oszczędność przestrzeni w parku maszyn. Zamiast kilku czujników do wykrywania wielu pozycji potrzebny jest tylko jeden – zainstalowany na dużej i jednocześnie bezpiecznej wysokości. 

Doświadczenie zdobyte w pionierskiej fabryce Opla jest pozytywnie odbierane przez menedżerów, którzy chcieliby implementować podobne rozwiązania Industry 4.0. także na polskim gruncie. Realny jest przyszły rozwój budowy tego typów instalacji i dostosowywanie jej do indywidualnych potrzeb w danej fabryce, bez względu na lokalizację.