Az AlgaeBarnnál, a Colorado állambeli élő akvakultúrás termékeket – például evezőlábú rákokat és fitoplanktont – előállító vállalatnál kilenc termékvonal mindegyikéhez saját kupakcímke szükséges. Ez évekig rendszeres „matricapartikat” jelentett: egy-két órás alkalmakat, amikor a vállalat különböző részlegeinek dolgozói lehúzták a címkéket, majd kézzel felhelyezték őket. A közös munka társasági eseménynek is jó volt, de a termelési dolgozókat, technikusokat és mérnököket elvonta az elsődleges feladataiktól – ráadásul amikor a felcímkézett kupakkészlet váratlanul elfogyott, a gyártást le kellett állítani, hogy újabb adagot készítsenek.

Az AlgaeBarn saját címkézőcellája: címketekercs, alumínium váz és asztali kamerás ellenőrzők a megfelelő és hibás kupakokhoz.

Akash Chinthamanipeta robotikai és automatizálási mérnök az ismétlődő feladatot nem beszerzési kérdésként, hanem üzemszintű problémaként kezelte. A cél egy olyan autonóm cella létrehozása volt, amely minden kupakot megfelelő irányba állít, felhelyezi a címkét, ellenőrzi annak pozícióját, majd folyamatos felügyelet nélkül szétválogatja a megfelelő és selejtes darabokat – miközben a hardverköltség és a folyamatvezérlés az üzemen belül marad.

Miért építsük meg, ahelyett hogy megvásárolnánk?

A kereskedelmi címkézőgépek két problémát vetettek fel: a beruházási költséget és a zárt vezérlési logikát. Sok gép abból indul ki, hogy ha a beállítás megfelelő, akkor a pozicionálás is megfelelő marad. Egy folyamatosan működő gyártósoron azonban a címketekercs vagy a hordozóanyag néhány száz ciklus után elmozdulhat, és a leválasztási pont annyira eltolódhat, hogy a következő matrica már rossz helyre kerül. Az AlgaeBarn szerkeszthető gépvezérlést is szeretett volna, hogy a cella a termeléssel együtt fejlődhessen. A mechanikai szerkezet nagy részét SOLIDWORKS-ben tervezték; a közvetlen hardverköltség 1000 dollár alatt maradt. A házon belüli fejlesztés lehetővé tette minden kupak ellenőrzését, ahelyett hogy csak a kezdeti mechanikai beállításban bíztak volna.

A laza kupakoktól az ellenőrzött darabokig

A kezelő laza kupakokat önt egy adagoló elevátorba. Egy érzékelő figyeli az adagolópályát, és csak akkor működteti az elevátort, amikor több kupakra van szükség. Maga a passzív pálya biztosítja az orientálást: a megfelelően illeszkedő kupakok továbbhaladnak a címkézőállomás felé, míg a fordítva érkező kupakok visszahullanak a tartályba – így nincs szükség külön aktív orientálóra.

Egy tálca egyszerre egy kupakot továbbít. Egy KEYENCE lézerérzékelő megerősíti a jelenlétet; a vezérlő ezután pneumatikus munkahengert működtet a darab pozicionálásához, a folyamat folytatása előtt pedig reed-kapcsolók igazolják a löket véghelyzetét. Egy áttételes léptetőmotor egy leválasztó él körül továbbítja a címketekercset, így a matrica leválik a hordozóanyagról. Egy vákuumrásegítésű pneumatikus felhelyező megfogja a címkét és a kupakra nyomja, amit szintén reed-kapcsoló igazol.

Az élek alapján működő OpenCV-ellenőrzés egy Raspberry Pi-kategóriájú kameracsomóponton vizsgálja a címke pozícióját az elfogadás vagy selejtezés előtti lépésben.

A vezérlő ezután MQTT-üzenetet küld egy Raspberry Pi kameracsomópontnak. Egy egyedi OpenCV-rutin elkészíti a képet, megméri az érzékelt kupak- és címkeélek közötti távolságot, majd szűk tűréshatáron belül ellenőrzi a pozicionálást. Az eredmény visszakerül a vezérlőhöz, egy tapadókorongos robot pedig a megfelelő vagy a selejtes tartályba helyezi a darabot.

Egy milliméter, ami sosem csak egy milliméter volt

A legnehezebb feladat a címketekercs ismételhető pontosságú megállítása volt. A korai hajtás ugyan végrehajtotta a leállítási parancsot, de a maradék energia és a tehetetlenség miatt továbbfutott – néha csaknem egy hüvelykkel, vagyis körülbelül 25 milliméterrel –, ami elegendő volt ahhoz, hogy a következő felhelyezést tönkretegye. Az áttételes NEMA 24 léptetőmotorra épített új kialakítással a vezérlő címkénként rögzített lépésszámot adhat ki, majd tisztán leállíthatja a hajtást. A csomagolási cellák esetében a gyártásban jól ismert tanulság érvényesül: a több száz cikluson óránként ismétlődő, szubmilliméteres hibák selejtté állnak össze.

A pontosság fontosabb a maximális sebességnél

A kész cella körülbelül 450 kupakot dolgoz fel óránként – ez elegendő az AlgaeBarn igényeinek kielégítésére. A teljesítmény másodlagos volt a felügyelet nélküli minőséghez képest. A kezelő betölti a kupakokat, elindítja a gépet, majd visszatér más feladatokhoz. Az üres adagoló vagy bármely más hiba leállítja a cellát és riasztást küld, ahelyett hogy bizonytalan minőségű termék készülne. Egy 100 kupakos próba során 98 darab megfelelt a pozicionálási tűrésnek; kettőt kisebb pozicionálási hibák miatt selejteztek, szándékosan konzervatívan meghatározott küszöbértékek mellett.

A projekt nagyjából négy hónapig tartott, más automatizálási munkákkal párhuzamosan. Megszüntette a rendszeresen visszatérő matricapartikat – bár néhány kezelő tréfásan megjegyezte, hogy hiányzik nekik a beszélgetéssel töltött idő –, és a becslések szerint évente mintegy 40 000–50 000 dollár megtakarítást eredményez a munkaerőköltségek és az elkerült leállások révén. A kisebb gyártók számára a szélesebb körű tanulság az, hogy valódi üzemeltetési igényből érdemes kiindulni, az időt és a költségkeretet a várható értékhez kell igazítani, és a leggyorsabb katalógusgép helyett a megbízható visszacsatolást és az ismételhető minőséget kell előnyben részesíteni. A kapcsolódó csomagolási és vezérlési fejlesztések gyakran a PLC- és PAC-rendszerek, valamint az olyan érzékelési megoldások, mint a Honeywell műszerei mellett jelennek meg, amikor az üzemek később továbbfejlesztik ugyanazt a cellát.