Robert Westerveld

Automated Frame Kitter

Het project werd uitgevoerd door een team bestaande uit een telecom engineer, een informatica engineer en mechanical engineers. Het doel was om een kofferfabriek van handmatige naar automatische processen te transformeren. Hiervoor werd gebruikgemaakt van op maat ontworpen end-of-arm tools en een UR10-robot. De robot werd geconfigureerd, ideeën werden gerealiseerd, en er werd een programma voor de robot geschreven. Daarnaast werden andere pneumatische systemen, servers en gebruikersinterfaces geïntegreerd. Ook werd computer vision toegepast voor herkenning en berekeningen. Alle systemen waren met elkaar verbonden en communiceerden met elkaar. De tijdsduur voor dit project bedroeg ongeveer 2,5 maanden.

In de fabriek worden de kofferframes bespoten met een luchtdrukgestuurd lijmpistool met plunjer. Dit systeem kan frames van onbekende kleur, lengte, grootte en vorm lijmen met behulp van computer vision. De processen omvatten het oppakken, lijmen en verplaatsen van de frames.

▼

Het bedrijf

Het bedrijf Gefken in Den Haag produceert op maat gemaakte koffers en flightcases. Met hun uitgebreide assortiment aan aluminium profielkoffers bieden zij oplossingen voor elke industrie en toepassing op het gebied van verpakking, presentatie, transport en speciale toepassingen. De standaardkoffers van Gefken worden gemaakt van een combinatie van hout en kunststof. Deze platen worden verlijmd met de aluminium profielen en vervolgens samengevoegd tot een koffer.

Oorspronkelijke situatie

Normaal gesproken worden de koffers gelijmd door één persoon met behulp van een luchtdrukgestuurde lijmpistool. Nadat de frames gedeeltelijk zijn geassembleerd, wordt de lijm uitgesmeerd in de groeven van de frames. Voor het samenstellen van een koffer zijn vier verschillende frames nodig. Deze frames hebben verschillende groeven onder verschillende hoeken. De lijm die voor de koffers wordt gebruikt, heeft een hoge dichtheid en komt in verpakkingen in de vorm van worsten die in het lijmpistool worden geplaatst.

Werkwijze: de samengeperste lucht stroomt door een regelbare klep naar het lijmpistool. De lucht duwt tegen de zuiger, waardoor de lijm uit het pistool wordt geduwd.

Het probleem

Gefken Company heeft een beperkt aantal werknemers, wat betekent dat ze hun personeel zo efficiënt mogelijk moeten inzetten. Momenteel neemt het lijmen van koffers een werknemer zijn volledige werktijd in beslag. Op dit moment kunnen ze dit nog zo doen, maar als ze bijvoorbeeld hun marktvraag willen vergroten, moeten ze hun werknemers zo veel mogelijk optimaliseren. Kortom, dit niet-geautomatiseerde proces heeft een aantal opmerkelijke nadelen:

  1. Inefficiëntie en verminderde productiviteit: Dit handmatige proces is inherent langzamer en arbeidsintensiever dan een geautomatiseerd proces.

  2. Onregelmatige kwaliteit: Menselijke fouten vormen een risico bij niet-geautomatiseerde processen. Onregelmatige lijmapplicatie en hechting kunnen leiden tot kwaliteitsvariaties, wat de reputatie van het bedrijf en de klanttevredenheid negatief kan beïnvloeden.

  3. Hogere arbeidskosten: De behoefte aan een aanzienlijke arbeidskracht bij handmatige operaties draagt bij aan hogere arbeidskosten, inclusief lonen, voordelen en training.

  4. Moeilijkheden in procesbeheersing en monitoring: Het handhaven van consistente kwaliteit en procesbeheersing wordt moeilijker zonder de precisie en real-time monitoring mogelijkheden van automatisering.

Als gevolg hiervan overwegen ze om dit deel van het proces te automatiseren om een slim productieproces te verkrijgen. Door dit niet-geautomatiseerde taak te elimineren, kan het bedrijf die werknemer inzetten voor een andere taak, zonder zich zorgen te hoeven maken over het lijmproces. Bovendien zal dit leiden tot verbeterde technologie, kwaliteit en betrouwbaarheid, waarmee ze zich aanpassen aan het nieuwe technologische tijdperk.

De oplossing

Het bedrijf vroeg ons om het lijmen van processen te automatiseren. Dit proces omvat het lijmen van drie typen aluminium frames die ze het meest gebruiken. Kort gezegd zal de werknemer voor deze taak drie verschillende houten platen op de tafel plaatsen, elk met frames erin, het aantal frames selecteren dat ze willen lijmen, en wachten tot de taak is voltooid. In de volgende afbeelding kunt u onze opstelling voor het proces zien, inclusief de houten platen met de frames, de UR10 robot die nodig is, de camera voor het detecteren van de afmetingen van elk frame, en de interface voor de interactie met de klant.

End-of-Arm Tools

We hebben een end-of-arm tool geïmplementeerd gebaseerd op een grijper en een pneumatisch lijmpistool, na tests met verschillende soorten lijmpistolen. Ons uiteindelijke prototype ziet er als volgt uit:

Machine Vision

Het visieproces verliep als een proces van vallen en opstaan. Tijdens de testfase bleef het falen optreden op de meest onverwachte momenten. Uiteindelijk slaagden we er echter in om een stabiele versie neer te zetten die betrouwbaar was voor 100% van de toepassingen, waarbij we de lengte en breedte van elk frame detecteerden.

Aanvankelijk gebruikten we een algortime genaamd cv2.minAreaRect() uit OpenCV. Hoewel deze functie zeer krachtig en snel is, was deze vaak onbetrouwbaar in onze situatie, wat resulteerde in geroteerde resultaten en achtergrondinvloeden die onjuiste rechthoeken veroorzaakten. Onze nieuwe benadering is een op maat gemaakt algoritme dat de juiste frameafmetingen detecteert in 12 milliseconden en resultaten weergeeft voor feedback binnen 30 milliseconden.

Het aangepaste algoritme bepaalt de vaste oorsprong van de frames in het werkgebied. Vanuit dit punt worden twee lijnen gecreëerd die zich aanpassen aan de natuurlijke kromming van de frames. Deze lijnen berekenen een gezichtslijn (LOS) voor elke zijde. Voor feedbackdoeleinden wordt deze lijn van LOS weergegeven in afzonderlijke frames zichtbaar op de computer. Deze LOS berekeningen gebruiken kleurdetectie om te bepalen waar een bepaald frame eindigt, gemarkeerd met een rode lijn. Vervolgens berekent het de grootte van elke LOS door het aantal pixels te vermenigvuldigen met een vastgestelde kalibratiewaarde.

Communicatie

Voor het verbinden van het hele proces was betrouwbare communicatie tussen het cameravisionsysteem, de robot en de interface essentieel. We besloten TCP-communicatie tussen hen tot stand te brengen, en omdat elk programma met verschillende softwaretools is gemaakt, moesten we drie servers implementeren om een goede verbinding te waarborgen. Onze uiteindelijke communicatieopstelling wordt beschreven in de afbeelding links.

User Interface

In dit proces hebben we een werknemer nodig om beslissingen te nemen, zoals het aantal frames om te lijmen of wanneer te starten of stoppen. Om deze taken uit te voeren, moeten we een gebruikersinterface opzetten voor het bedrijf. In ons geval heeft deze interface volledige controle over het proces, met taken zoals beslissen wanneer te starten, pauzeren of stoppen, het aantal frames bepalen, een lijminspectie uitvoeren of de lijmworst vervangen.

Daarnaast hebben we enkele visuele hulpmiddelen toegevoegd, zoals een voortgangsbalk, de status van de robot, camera en servers, en het aantal voltooide frames. Alles is op een eenvoudige en begrijpelijke manier weergegeven voor de werknemers.

Afbakening & Keuzes

Project Scope

Het project omvat een breed scala aan dimensies voor verschillende frame types. Echter, het is beperkt tot frames met afmetingen variërend van 150 x 150 mm tot 800 x 600 mm, wat de meest voorkomende maten zijn in de productlijn. Het project omvat niet de integratie van een lijmpeilindicator, hoewel dit een mogelijke verbetering zou kunnen zijn. Wel wordt opgemerkt dat een magnetische schakelaar mogelijk kan worden geïmplementeerd voor deze functie. Daarnaast richt het project zich alleen op de aanpassing van de lijmsnelheid als uitgebreide procesbeheersing. Geavanceerde controlefunctionaliteiten zoals de regulatie van andere parameters zoals temperatuur en luchtdruk kunnen worden overwogen voor toekomstige iteraties, maar vallen buiten de huidige scope. Het prototype maakt momenteel exclusief gebruik van lijm op kamertemperatuur, hoewel de optie om een verwarmingsbobine te integreren ter beheersing van de viscositeit een mogelijkheid blijft voor toekomstige iteraties.

End of Arm Tool

De keuze voor een pneumatisch lijmpistool werd gemaakt vanwege overwegingen met betrekking tot lijmlekkage en het ongunstige zwaartepunt van de elektrische versie. Deze beslissing werd genomen na grondige tests en evaluaties. Het project maakt geen gebruik van lijmtoevoerslangen, omdat deze slechts leken te werken met kortere lengtes bij dit type lijm. Daarom is directe montage van het lijmpistool de gekozen benadering.

Robot Setup

Om nauwkeurige en consistente lijmtoepassing te waarborgen, is een mal geïntegreerd in het systeem. Deze mal zorgt ervoor dat de lijmposities zich houden aan een vastgestelde set coördinaten. Deze methode heeft de voorkeur boven het vertrouwen op machine vision om gebieden te detecteren waar lijm moet worden aangebracht. Daarnaast zijn speciale frame rekken en bakken geïncorporeerd binnen de pick-and-place zones. Deze gespecialiseerde opstelcomponenten zijn ontworpen om verschillende soorten frames consistent in een uniforme positie aan de robot aan te bieden.

Machine Vision

Machine vision wordt uitsluitend gebruikt voor lengtedetectie, wat de gebruikservaring verbetert door de noodzaak voor handmatige invoer van dimensies weg te nemen. Het gebruik van machine vision voor het identificeren van gebieden die lijm vereisen, is achterwege gelaten ten gunste van een op matrijzen gebaseerde aanpak, die meer nauwkeurigheid biedt.

Wat betreft de opstelling van machine vision, is het belangrijk op te merken dat er is gekozen voor een onbewerkte houten paneel in plaats van een contrasterende achtergrond zoals een greenscreen. Deze beslissing is gebaseerd op de verwachting dat de lijmtafel vuil kan worden tijdens het lijmen.

Onze Conclusie

De geautomatiseerde lijmoplossing heeft aanzienlijke verbeteringen gebracht in efficiëntie, consistentie en algehele kwaliteit bij de productie van koffers bij Gefken Company. Door de handmatige lijmtoepassing te elimineren, kan het bedrijf zijn werknemers efficiënter inzetten en zich aanpassen aan de eisen van de markt. Dit project vertegenwoordigt een stap richting slimme productie, waarbij de technologische capaciteiten en betrouwbaarheid van het bedrijf in het moderne tijdperk worden versterkt.

Robert Westerveld

© Alle rechten voorbehouden