北极星工业的机器视觉ROI

虽然产品组装的许多物流方面使制造的焊接阶段具有固有的挑战性，但在高混合环境中组装产品的要求尤其高，因为每天都要处理几种不同的产品模型。许多零件编号和零件场景增加了复杂性和出错的机会。北极星工业公司发现机器视觉是一种简单、低成本的防错解决方案。

在这种装配情况下，所有指定的部件必须正确地放置在每种产品变体中。当有缺陷的组件必须修理或报废时，任何错误都会降低产品质量或增加成本。减少错误的数量，并承担一些防止错误发生的成本，直接有助于公司的底线。为了证明为了省钱而花钱的合理性，经验表明，在任何产生超过微不足道的废料的工艺中，减少废料的成本效益迅速超过了所有其他成本效益。此外，任何吞吐量的增加都将增加公司的整体收入。

北极星工业(Polaris Industries)是一家雪地摩托、全地形和其他娱乐车辆的制造商，它可以证明在自动化方面投资相对较少的资金以减少大量昂贵的废料的好处。多年来，该公司一直依赖触摸和接近传感器来验证哪些部件需要焊接，因为他们担心机器视觉系统无法在如此恶劣的环境中可靠地工作。

通过触觉感应，机器人使用焊丝的末端或侧面，或者在某些情况下使用喷嘴来物理触摸零件;这发生在焊接循环开始后。接近传感器用于焊接工具，以防止焊接循环的开始，或防止其他操作的发生，除非顺序按照特定的顺序完成，或遗漏了一个部分。

维持这种基于传感器的检测系统所需的时间和成本最终促使北极星安装了使用Teledyne Dalsa工业产品集团提供的摄像机的机器视觉检测系统。北极星焊接工程师杰夫·斯坦纳与哈特菲尔德自动化公司的汤姆·赖特合作设计了该系统。新的解决方案完美无缺，大大减少了制造周期时间和产品报废。

感知的缺点

在爱荷华州精灵湖的北极星工厂，一名操作员正在焊接生产线上的几个工位中的第一个工位上将框架装入夹具中。这些框架包含正在制造的产品的特定模型的必要部件。当第一个工位或装载的夹具呈现给带有摩天轮式和转盘式定位器的弧焊机器人时，第二个工位随后呈现给机器人操作员，后者在机器人工作时卸载先前焊接的部件并装载新的部件。

特定产品系列的框架设计只允许零件以正确的方向装入;然而，同一产品家族中不同型号的对应部件通常看起来非常相似。例如，两个部件的尺寸可能略有不同，这种差异小到操作员可能不会注意到。操作人员也可能会在不经意间忽略加载某个部件，或者加载位置不对(图1)。因此，在机器人将每个部件焊接到框架之前，验证每个部件的存在和正确是至关重要的。

在最初的过程中，机器人使用触摸和接近传感器进行验证。这种方法造成了瓶颈，每个零件的周期时间长达30秒。如果机器人检测到一个错误或缺失的部件，操作员必须收回机械臂，纠正问题，重新定位机械臂，并在允许恢复组装之前再次运行触摸检查。这个漫长的过程导致大量额外的生产时间损失。而且，即使进行了检查，在任何给定的区域，每天的报废率也可能高达5%。由于框架一旦从焊接单元中出现就无法修复，因此会产生5%的材料损失以及产生废料的时间浪费。

可靠性、速度

任何高产量的焊接部门的生产环境都不能提供结合机器视觉检测的最佳平台。诸如糟糕的照明和焊接设备产生的烟雾等障碍会掩盖所获取的图像，使得基于视觉的方法更加复杂和不可靠。对该技术的初步评估还表明，对相机进行编程并保持其清洁将大大增加周期时间和总体制造成本。尽管如此，现有的触摸传感技术和接近传感器系统的安排鼓励北极星将视觉作为可行的替代解决方案。

该解决方案包括一个视觉控制器和两个摄像头，安装在操作员身后，远离更不利的条件，更靠近焊接机器人(图2)。每秒60帧，640 x 480像素的摄像头验证帧是否正确加载，并准备继续焊接，将每个部件的检查时间缩短至200毫秒以下。显示屏显示巡检结果，正确部分显示绿色，错误部分显示红色。操作员可以在框架到达焊接机器人之前进行任何必要的修正，这样产品流程就不会中断，这是另一个重要的节省时间的方法。

为机器人编程触觉程序需要几分钟到几个小时的停机时间。当刀具制造商需要加工刀具细节以容纳接近传感器时，需要更多的时间;根据给定部件所需的接近传感器数量，这段时间可能需要数天才能完成。相比之下，北极星的工程师在不到15分钟的时间内就将第一个框架类型中的22个部件编程到基于视觉的过程中。离线编程另外19个场景只用了不到一个小时。只需几分钟就可以完成更新远景计划以合并零件或工装变更。

底线的好处

要想看到回报机器视觉系统成本的收益，只需要考虑成本差异在新流程和旧流程之间。任何保持不变的成本都与此目的无关。

摄像头、控制器和其他组件的投资(包括工程时间和安装劳动力)总计9,500美元。新工艺为北极星在这个机器人工作单元上每小时节省了大约4.5分钟。按照目前每班每天一班的运行时间计算，节省下来的时间相当于每小时额外1.6帧，或每天9.8帧。效率的提高使得北极星将焊接或焊接接头的总劳动成本降低了5.5%。

此外，不得不废弃的框架数量减少了23%，每天减少8个。报废一个组件的成本完全等于替换它的制造成本。该视觉系统每帧的制造成本为50美元，每天增加490美元的收入，每天减少400美元的报废成本。每天890美元的福利意味着视力系统只需要10.7个工作日，或者两个五天工作周就能收回成本。撇开其他好处不谈，仅废品回收就需要23.8天，或者一个月多一点(图3)。

北极星的改进

北极星公司的信条蚀刻在每个地点的入口处，是“了解骑行体验，体验骑行体验，努力让它变得更好。”自致力于改善精灵湖的车辆制造过程以来，北极星在其他几个机器人系统中安装了类似的视觉解决方案，并从每个机器人系统中节省了类似的成本。

表:北极星工业公司使用机器视觉的成本/收益

以下是北极星工业公司机器视觉安装的投资回报(ROI)总结。

初始系统成本包括人工和安装9,500美元

框架制造成本为50美元

节省时间4.5分钟/小时

额外的帧数每小时1.6帧

9.8帧/天

额外帧增加收入490美元/天

每天减少报废8帧

废料节省400美元/天

额外收入+废品费节省890美元/天

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投资回报10.7天

回收期(仅废料)23.8天

上图为ROI北极星-机器视觉系统的投资回报

史蒂夫·杰拉蒂(Steve Geraghty)是Teledyne Dalsa工业产品公司美国业务副总裁兼总监。

www.teledynedalsa.com

www.polarisindustries.com

www.globalelove.com/machinevision

关于作者

史蒂夫·杰拉蒂(Steve Geraghty)是Teledyne Dalsa工业产品公司美国业务副总裁兼总监。在此职位上，他负责与Dalsa最终用户产品开发相关的战略和战术活动。他拥有波士顿大学(Boston University, Mass.)电气工程学位，拥有20年设计和部署机器视觉解决方案的经验。

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