Robot Pick & Place dotato di sistema di visione artificiale

Author(s):
G. Curti - FERRARI SISTEMI

Industry:
Machines/Mechanics, Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
Compact Vision Systems, NI Vision Builder Software

The Challenge:
Fornire un sistema robotizzato di caricamento di spicchi di formaggio grana su una macchina confezionatrice termoformatrice, effettuando il prelievo dal trasportatore di alimentazione che li presenta in ordine sparso. Eliminare una mansione troppo ripetitiva e consentire vantaggi in termini di costo ed igiene del prodotto.

The Solution:
L’utilizzo di un sistema di gestione dell’immagine, in grado di riconoscere in modo affidabile una sagoma predefinita, di calcolare le coordinate di posizione con una alta accuratezza, e di comunicarle ad un robot pick & place attuatore, consentendo una deposizione centrata dello spicchio all’interno del vano. La ns. ricerca di un sistema di gestione dell’immagine, che comprendesse una funzione di riconoscimento di sagoma, ci portò a contattare la National Instruments Italy : il ns. interesse era per il software applicativo NI Vision Builder AI, che disponeva della funzione Pattern Matching, cui affidare l’immagine di una telecamera digitale, per il riconoscimento e la corretta individuazione dei singoli spicchi. L’hardware utilizzato è stato il National Instruments Compact Vision System MI 1454, abbinato ad una telecamera digitale della Images.

INTRODUZIONE
Il sistema da noi realizzato opera con la seguente logica:

♦ La telecamera digitale inquadra la zona di alimentazione degli spicchi, opportunamente
retroilluminata, e crea una immagine VGA in toni di grigio;
♦ Il software NI Vision Builder che gestisce la visione artificiale, provvede a :
♦ Individuare la sagoma target, un trapezio inscritto nella sagoma dello spicchio,
♦ Correggere l’errore di sfericità che si crea sulle sagome che non si trovano sull’asse della telecamera,
♦ Trasmettere delle coordinate in millimetri dei singoli spicchi, in via seriale RS 232, alla ns. unità
centrale.
♦ La ns. unità di controllo riceve la stringa con le coordinate corrispondenti ad uno spicchio, e provvede al comando del robot LR 1.000 pick & place, per il prelievo ed il caricamento dei vani della termoformatrice.

Il sistema è operativo presso un primario produttore di Grana Padano, e consente anche di escludere dal confezionamento gli spicchi di sagoma non conforme.
La Ferrari Sistemi è una giovane piccola azienda che progetta e costruisce robotica, in particolare robot manipolatori, lineari, o Scara, con destinazione prevalente nella industria alimentare.

Le macchine che realizziamo sono destinate ai settori di processo e di confezionamento, ed hanno in generale la funzione di inserirsi tra due macchine diverse, per dare continuità alla automazione della linea completa; per questo motivo, sono generalmente progettate sulla base di richieste specifiche, e spesso con tecnologie per noi nuove, come nel caso che andiamo ad illustrarVi.

Il nostro contatto con la National Instruments Italy è nato nel 2003, quando un ns. cliente, primario produttore di Grana Padano, ci commissionò un sistema robotizzato di alimentazione di una macchina confezionatrice termoformatrice per spicchi di formaggio grana di peso fisso.

La macchina termoformatrice richiedeva la deposizione degli spicchi di grana all’interno del vano termo formato, appena prima della sua sigillatura; la deposizione andava effettuata durante la fermata di ciclo della termoformatrice, rispettando l’orientamento dei singoli vani, che erano disposti a 0° e 180°, ed operando su un’ area di carico pari a 5 vani affiancati.

All’operatore era richiesta la presa degli spicchi dal trasportatore a nastro, che li presentava appoggiati in modo disordinato sul lato triangolare, ed il loro caricamento all’interno dei vani; la velocità della linea era di 60 spicchi di grana al minuto. Per motivi produttivi, gli spicchi di grana si presentavano con la punta tagliata a circa 45 mm dal vertice.

Il nostro cliente intendeva automatizzare la funzione, per eliminare una mansione troppo ripetitiva ed indesiderata dagli operatori, ed anche per trarne vantaggi in termini di costo ed igiene del prodotto. Era richiesta quindi una funzione di caricamento che era tipica di un robot pick & place, ma anche una funzione di individuazione degli oggetti da caricare, che al momento non risultava disponibile sul mercato, per quel tipo di prodotto finale.
Si decise quindi di realizzare una macchina dotata di un sistema di visione, in grado di riconoscere il singolo spicchio, valutarne posizione ed orientamento, ed utilizzare le quote rilevate per il comando degli assi di un robot cartesiano : due coordinate di posizione di un punto noto del singolo spicchio, ed una coordinata angolare per il suo orientamento.
L’organo di presa prescelto, una specifica ventosa a depressione, avrebbe dovuto deporre gli spicchi con un errore di posizionamento inferiore alla metà dello spazio libero esistente tra lo spicchio ed il vano creato dalla termoformatrice, che era pari a circa 5 mm su ognuno dei due assi.

Considerando che il posizionamento dei pezzi, con un Pick & Place lineare, può essere realizzato con errori dell’ordine dei decimi di millimetro, era evidente l’importanza di effettuare con grande accuratezza la presa degli spicchi da parte del robot, in termini di posizione della testa di presa rispetto allo spicchio. In una precedente applicazione di tecnologia robotica, era già stato da noi sviluppato un sistema di visione artificiale, con prodotti hardware e software di altro fornitore, che ci aveva posto diverse difficoltà prima di poter assicurare la affidabilità e la accuratezza necessaria nella individuazione e nel prelievo del pezzo; in particolare già allora ci eravamo convinti della opportunità di disporre, per questo tipo di applicazioni, di un sistema di riconoscimento di sagome.

L’hardware utilizzato è stato il National Instruments Compact Vision System MI 1454, abbinato ad una telecamera digitale della Images.
Il sistema da noi realizzato è entrato immediatamente in produzione presso il cliente finale, con una logica che sintetizziamo così :

♦La telecamera, una digitale con 1.280 x 1.024 p. e 25 f/sec, inquadra dall’alto il trasportatore a nastro
di alimentazione degli spicchi, opportunamente retroilluminato, e crea una immagine VGA in toni di grigio,
che presenta ombre ben nette rispetto alla parziale trasparenza del nastro;

♦Il software di visione NI Vision Builder, che gestisce la visione artificiale, elabora questa immagine, e
provvede a :

♦Renderla su due soli toni, bianco e nero, come nella immagine A;
♦Individuare la sagoma target, da noi determinata in un trapezio inscritto nella sagoma dello spicchio,
con i due lati inclinati sovrapposti a quelli dello spicchio stesso, e base minore il lato di taglio punta;
l’immagine B mostra sulla destra la sagoma come template image;
♦Fermare il trasportatore a nastro di alimentazione;
♦Rielaborare la sagoma che è stata intercettata durante il movimento del trasportatore;
♦Correggere l’errore di sfericità che si crea sulle sagome che non si trovano sull’asse della telecamera,
secondo una taratura che viene effettuata in sede di programmazione e memorizzata per ogni diverso
formato in produzione; l’immagine C mostra la grid calibration utilizzata;
♦Convertire le coordinate da pixel a millimetri, utilizzando la stessa grid calibration;
♦Trasmettere le coordinate dei singoli spicchi, in via seriale RS 232, alla ns. unità centrale.
♦Ripetere il ciclo per ogni sagoma intercettata, provvedendo a riavviare ed arrestare il trasportatore;
♦La unità di controllo del ns. robot si basa su un PC industriale, con processore 486 DX4, dotato di
monitor VGA touch screen, con sistema operativo MS-DOS 6.0, ed un software applicativo da noi
sviluppato in linguaggio C++.
♦La ns. unità, appena ricevuta la stringa con le coordinate corrispondenti ad uno spicchio, provvede a correggere l’errore prospettico dovuto alla altezza degli spicchi che non si trovano sull’asse della telecamera, secondo due parametri ottenuti da una operazione di taratura. I parametri vengono poi memorizzati e restano disponibili per il formato in produzione.
Il criterio adottato per la individuazione degli spicchi ha consentito anche di fornire una funzione non richiesta, ma molto apprezzata dal ns. cliente: gli spicchi di sagoma non conforme infatti, non vengono riconosciuti dal sistema, non vengono prelevati ne caricati, e proseguono il moto sul trasportatore di alimentazione verso un apposito deposito, con un conseguente vantaggio in termini di qualità finale del confezionamento.
Il risultato finale da noi raggiunto da questo studio, consiste nel ns. LR 1.000 pick & place, un robot lineare a quattro assi, i tre principali più la rotazione sul verticale, dotato per semplicità costruttiva di due motori lineari per gli assi orizzontali, ed una pinza pneumatica di presa spicchi a ventosa. Riteniamo questa macchina tra le più interessanti ed originali da noi realizzate, per funzionalità, affidabilità, e non ultimo, il notevole impatto visivo reso durante il funzionamento.

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G. Curti
FERRARI SISTEMI
Tel: 0524 63414
g.curti@ferrarisistemi.it

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