AlgaeBarn ทำฉลากฝาขวดอัตโนมัติด้วยระบบแมชชีนวิชันภายในองค์กรได้อย่างไร

ที่ AlgaeBarn ผู้ผลิตผลิตภัณฑ์เพาะเลี้ยงสัตว์น้ำที่มีชีวิตจากโคโลราโด เช่น โคพีพอดและแพลงก์ตอนพืช สายผลิตภัณฑ์ทั้ง 9 สายต่างต้องมีฉลากฝาขวดของตัวเอง หลายปีที่ผ่านมา นั่นหมายถึง “ปาร์ตี้ติดสติกเกอร์” เป็นระยะ ซึ่งเป็นช่วงเวลา 1–2 ชั่วโมงที่พนักงานจากทั่วทั้งบริษัทมาช่วยลอกฉลากและติดด้วยมือ กิจกรรมนี้ช่วยสร้างบรรยากาศทางสังคม แต่ทำให้ผู้ปฏิบัติงาน ช่างเทคนิค และวิศวกรต้องละจากงานหลัก และเมื่อสต็อกฝาที่ติดฉลากไว้หมดโดยไม่คาดคิด การผลิตก็ต้องหยุดเพื่อทำเพิ่ม

เซลล์ติดฉลากที่ AlgaeBarn สร้างขึ้นเอง: ม้วนฉลาก โครงอะลูมิเนียม และตัวนับด้วยระบบวิชันบนโต๊ะสำหรับฝาที่ผ่านและไม่ผ่านเกณฑ์

Akash Chinthamanipeta วิศวกรหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ มองว่างานซ้ำ ๆ นี้เป็นปัญหาของหน้างานผลิต ไม่ใช่แค่เรื่องการจัดซื้อ เป้าหมายคือเซลล์อัตโนมัติที่สามารถจัดแนวฝาแต่ละใบ ติดฉลาก ตรวจสอบตำแหน่ง และคัดแยกชิ้นงานที่ผ่านกับไม่ผ่านได้โดยไม่ต้องมีผู้ควบคุมดูแลอย่างต่อเนื่อง ขณะเดียวกันก็ต้องควบคุมต้นทุนฮาร์ดแวร์และกระบวนการได้ภายในโรงงาน

เหตุผลที่สร้างเองแทนการซื้อ

เครื่องติดฉลากเชิงพาณิชย์มีประเด็นอยู่สองเรื่อง ได้แก่ ต้นทุนเงินลงทุนและตรรกะการทำงานที่ปิด หลายเครื่องตั้งสมมติฐานว่า เมื่อปรับตั้งถูกต้องแล้ว ตำแหน่งติดฉลากจะคงที่ ในสายการผลิตจริง ม้วนฉลากหรือแผ่นรองอาจเลื่อนหลังทำงานไปไม่กี่ร้อยรอบ ทำให้จุดลอกฉลากเคลื่อนมากพอที่จะทำให้สติกเกอร์ถัดไปติดผิดตำแหน่ง AlgaeBarn ยังต้องการตรรกะเครื่องจักรที่แก้ไขได้ เพื่อให้เซลล์พัฒนาไปพร้อมกับการผลิต กลไกส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบใน SOLIDWORKS และต้นทุนฮาร์ดแวร์โดยตรงอยู่ต่ำกว่า 1,000 ดอลลาร์ การสร้างเองทำให้สามารถตรวจสอบฝาทุกใบได้ แทนที่จะพึ่งพาเพียงการตั้งค่ากลไกในช่วงเริ่มต้น

จากฝาที่เทรวมกันสู่ชิ้นงานที่ผ่านการตรวจสอบ

ผู้ปฏิบัติงานเทฝาที่วางปะปนกันลงในลิฟต์ป้อนชิ้นงาน เซนเซอร์จะตรวจสอบรางป้อนและสั่งให้ลิฟต์ทำงานเฉพาะเมื่อจำเป็นต้องเติมฝาเพิ่ม รางแบบพาสซีฟทำหน้าที่จัดแนวไปในตัว ฝาที่วางเข้าที่อย่างถูกต้องจะเคลื่อนไปยังสถานีติดฉลาก ส่วนฝาที่คว่ำจะตกกลับลงถัง จึงไม่ต้องใช้เครื่องจัดแนวแบบแอ็กทีฟแยกต่างหาก

ถาดจะนำเสนอฝาทีละใบ เลเซอร์ KEYENCE ยืนยันการมีอยู่ของชิ้นงาน จากนั้นคอนโทรลเลอร์จะสั่งกระบอกลมให้จัดตำแหน่งชิ้นงาน โดยสวิตช์รีดจะยืนยันว่ากระบอกลมเคลื่อนถึงปลายระยะแล้วก่อนดำเนินลำดับต่อไป สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบมีเกียร์จะเลื่อนม้วนฉลากไปรอบขอบลอก เพื่อให้สติกเกอร์แยกออกจากแผ่นรอง อุปกรณ์ติดฉลากแบบใช้ลมช่วยด้วยสุญญากาศจะดูดฉลากและกดลงบนฝา โดยมีสวิตช์รีดยืนยันการทำงานอีกครั้ง

การตรวจสอบด้วย OpenCV โดยอาศัยขอบของชิ้นงานบนโหนดกล้องระดับ Raspberry Pi จะตรวจสอบตำแหน่งฉลากก่อนคัดแยกชิ้นงานผ่านและไม่ผ่าน

จากนั้นคอนโทรลเลอร์จะเผยแพร่ข้อความ MQTT ไปยังโหนดกล้อง Raspberry Pi รูทีน OpenCV ที่พัฒนาขึ้นเองจะถ่ายภาพ วัดระยะห่างระหว่างขอบฝาที่ตรวจพบกับขอบฉลาก และตรวจสอบตำแหน่งเทียบกับค่าความคลาดเคลื่อนที่กำหนดไว้อย่างเข้มงวด ผลลัพธ์จะถูกส่งกลับไปยังคอนโทรลเลอร์ และหุ่นยนต์ถ้วยดูดจะนำชิ้นงานไปวางในถังสำหรับชิ้นงานผ่านหรือไม่ผ่าน

หนึ่งมิลลิเมตรที่ไม่เคยเป็นเพียงหนึ่งมิลลิเมตร

ปัญหาที่ยากที่สุดคือการหยุดม้วนฉลากให้อยู่ในตำแหน่งที่ทำซ้ำได้ การขับเคลื่อนในช่วงแรกทำตามคำสั่งหยุด แต่ยังเคลื่อนต่อจากพลังงานตกค้างและแรงเฉื่อย บางครั้งเลยตำแหน่งไปเกือบหนึ่งนิ้ว ซึ่งมากพอจะทำให้ตำแหน่งติดฉลากถัดไปเสียหาย การออกแบบใหม่โดยใช้สเต็ปเปอร์ NEMA 24 แบบมีเกียร์ช่วยให้คอนโทรลเลอร์สั่งจำนวนก้าวคงที่ต่อฉลากและหยุดได้อย่างเรียบร้อย บทเรียนสำหรับเซลล์บรรจุภัณฑ์นี้เป็นสิ่งที่คุ้นเคยในหน้างาน นั่นคือข้อผิดพลาดซ้ำ ๆ ที่ต่ำกว่าหนึ่งมิลลิเมตรจะกลายเป็นของเสียเมื่อทำงานหลายร้อยรอบต่อชั่วโมง

ความแม่นยำก่อนความเร็วสูงสุด

เซลล์ที่เสร็จสมบูรณ์ทำงานได้ประมาณ 450 ฝาต่อชั่วโมง ซึ่งเพียงพอต่อความต้องการของ AlgaeBarn ปริมาณการผลิตสำคัญรองจากคุณภาพที่ไม่ต้องมีผู้ควบคุมดูแล ผู้ปฏิบัติงานเพียงเติมฝา เริ่มเครื่อง แล้วกลับไปทำงานอื่น หากวัสดุป้อนหมดหรือเกิดความผิดปกติอื่น ๆ เซลล์จะหยุดทำงานและส่งสัญญาณแจ้งเตือน แทนที่จะผลิตชิ้นงานที่ไม่แน่นอน ในการทดลอง 100 ฝา มี 98 ชิ้นที่เป็นไปตามค่าความคลาดเคลื่อนของตำแหน่ง อีก 2 ชิ้นถูกคัดออกเนื่องจากความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งเล็กน้อย ภายใต้เกณฑ์ที่ตั้งไว้อย่างระมัดระวังโดยเจตนา

โครงการนี้ใช้เวลาประมาณ 4 เดือนควบคู่ไปกับงานระบบอัตโนมัติอื่น ๆ และยุติ “ปาร์ตี้ติดสติกเกอร์” ที่เกิดขึ้นเป็นประจำ แม้ผู้ปฏิบัติงานบางคนจะพูดติดตลกว่าคิดถึงเวลาพูดคุยกันก็ตาม คาดว่าจะช่วยประหยัดค่าแรงและลดการหยุดชะงักที่หลีกเลี่ยงได้ประมาณ 40,000–50,000 ดอลลาร์ต่อปี ข้อสรุปที่กว้างกว่าสำหรับผู้ผลิตรายเล็กคือ ควรเริ่มจากความต้องการในการปฏิบัติงานจริง กำหนดเวลาและงบประมาณให้เหมาะสมกับมูลค่าที่จะได้รับ และให้ความสำคัญกับการป้อนกลับที่เชื่อถือได้และคุณภาพที่ทำซ้ำได้ มากกว่าเครื่องสำเร็จรูปที่เร็วที่สุด ระบบบรรจุภัณฑ์และระบบควบคุมที่เกี่ยวข้องมักทำงานร่วมกับ ระบบ PLC และ PAC รวมถึงเส้นทางเซนเซอร์ เช่น เครื่องมือวัด Honeywell เมื่อโรงงานขยายเซลล์เดียวกันในภายหลัง