AlgaeBarn tự động hóa việc dán nhãn nắp chai bằng hệ thống thị giác máy nội bộ

Tại AlgaeBarn, một nhà sản xuất các sản phẩm nuôi trồng thủy sản sống ở Colorado như copepod và thực vật phù du, chín dòng sản phẩm đều cần nhãn riêng trên nắp chai. Trong nhiều năm, điều đó đồng nghĩa với những “buổi dán nhãn”: các phiên kéo dài từ một đến hai giờ, khi nhân viên từ nhiều bộ phận trong công ty bóc nhãn và dán thủ công. Những buổi này mang tính giao lưu, nhưng khiến nhân viên vận hành, kỹ thuật viên và kỹ sư phải rời công việc chính—và khi lượng nắp đã dán nhãn bất ngờ cạn, quá trình sản xuất phải dừng lại để làm thêm.

Cụm dán nhãn nội bộ của AlgaeBarn: cuộn nhãn, khung nhôm và bộ đếm bằng thị giác trên bàn cho nắp đạt/không đạt.

Kỹ sư robot và tự động hóa Akash Chinthamanipeta xem công việc lặp đi lặp lại này là một vấn đề trên sàn nhà máy, không phải bài toán mua sắm thiết bị. Mục tiêu là một cụm máy tự động có thể định hướng từng nắp, dán nhãn, kiểm tra vị trí và phân loại sản phẩm đạt so với sản phẩm bị loại mà không cần giám sát liên tục—đồng thời giữ chi phí phần cứng và quyền kiểm soát quy trình trong nhà máy.

Vì sao tự chế tạo thay vì mua

Các máy dán nhãn thương mại làm phát sinh hai vấn đề: chi phí đầu tư và logic điều khiển khép kín. Nhiều máy giả định rằng khi thiết lập ban đầu chính xác, vị trí dán sẽ luôn đúng. Trên dây chuyền thực tế, cuộn nhãn hoặc lớp đế có thể xê dịch sau vài trăm chu kỳ, khiến điểm bóc nhãn lệch đủ để làm sai vị trí của nhãn tiếp theo. AlgaeBarn cũng muốn có logic máy có thể chỉnh sửa để cụm máy phát triển theo nhu cầu sản xuất. Phần lớn cơ cấu được thiết kế bằng SOLIDWORKS; chi phí phần cứng trực tiếp được giữ dưới 1.000 đô la. Tự chế tạo trong nhà máy giúp kiểm tra từng nắp thay vì chỉ dựa vào thiết lập cơ khí ban đầu.

Từ nắp rời đến sản phẩm đã kiểm tra

Nhân viên đổ các nắp rời vào thang nâng cấp liệu. Một cảm biến theo dõi đường cấp liệu và chỉ cho thang nâng chạy khi cần thêm nắp. Bản thân đường dẫn thụ động đảm nhiệm việc định hướng: các nắp được đặt đúng chiều tiếp tục đến trạm dán nhãn, còn nắp bị úp ngược sẽ rơi trở lại thùng—không cần thêm bộ định hướng chủ động.

Một khay đưa từng nắp vào vị trí. Cảm biến laser KEYENCE xác nhận sự hiện diện; bộ điều khiển kích hoạt xi lanh khí nén để định vị sản phẩm, trong đó các công tắc từ chứng nhận hành trình đã hoàn tất trước khi chu trình tiếp tục. Động cơ bước có hộp số kéo cuộn nhãn quanh mép bóc để tách nhãn khỏi lớp đế. Bộ phận dán khí nén có hỗ trợ chân không giữ nhãn và ép nhãn lên nắp, một lần nữa được xác nhận bằng công tắc từ.

Hệ thống kiểm tra OpenCV dựa trên cạnh trên một nút camera tương đương Raspberry Pi kiểm tra vị trí nhãn trước khi phân loại đạt/loại.

Sau đó, bộ điều khiển gửi một tin nhắn MQTT đến nút camera Raspberry Pi. Một quy trình OpenCV tùy chỉnh chụp ảnh, đo khoảng cách giữa các cạnh được phát hiện của nắp và nhãn, rồi kiểm tra vị trí theo dung sai chặt chẽ. Kết quả được gửi trở lại bộ điều khiển, và robot cốc hút đặt sản phẩm vào thùng đạt hoặc thùng loại.

Một milimét không bao giờ chỉ là một milimét

Vấn đề khó nhất là dừng cuộn nhãn ở một vị trí có thể lặp lại chính xác. Cơ cấu truyền động ban đầu tuân theo lệnh dừng nhưng vẫn trôi do năng lượng dư và quán tính—đôi khi vượt gần một inch, đủ để làm hỏng vị trí dán tiếp theo. Việc thiết kế lại quanh động cơ bước NEMA 24 có hộp số cho phép bộ điều khiển ra lệnh với số bước cố định cho mỗi nhãn và dừng gọn gàng. Bài học quen thuộc trên sàn sản xuất là: các sai số lặp lại dưới một milimét sẽ trở thành phế phẩm khi máy chạy hàng trăm chu kỳ mỗi giờ.

Ưu tiên độ chính xác trước tốc độ tối đa

Cụm máy hoàn thiện chạy khoảng 450 nắp mỗi giờ—đủ đáp ứng nhu cầu của AlgaeBarn. Sản lượng được đặt sau chất lượng khi vận hành không cần giám sát. Nhân viên nạp nắp, khởi động máy rồi quay lại công việc khác. Khi hết liệu hoặc phát sinh lỗi khác, cụm máy sẽ dừng và phát cảnh báo thay vì tạo ra sản phẩm không chắc chắn. Trong thử nghiệm 100 nắp, 98 sản phẩm đạt dung sai vị trí; hai sản phẩm bị loại do sai lệch vị trí nhỏ theo các ngưỡng được đặt một cách thận trọng.

Dự án mất khoảng bốn tháng, được thực hiện song song với các công việc tự động hóa khác. Dự án chấm dứt những buổi dán nhãn định kỳ—dù một số nhân viên đùa rằng họ nhớ những lúc trò chuyện—và dự kiến tiết kiệm khoảng 40.000–50.000 đô la mỗi năm nhờ giảm chi phí lao động và tránh gián đoạn. Bài học rộng hơn dành cho các nhà sản xuất quy mô nhỏ là bắt đầu từ một nhu cầu vận hành thực tế, cân đối thời gian và ngân sách theo giá trị mang lại, đồng thời ưu tiên phản hồi đáng tin cậy và chất lượng ổn định thay vì chọn máy có tốc độ cao nhất trong danh mục. Các hệ thống đóng gói và điều khiển liên quan thường được triển khai cùng với hệ thống PLC và PAC và các tuyến cảm biến như thiết bị đo Honeywell khi nhà máy mở rộng cụm máy tương tự về sau.