Innoventor 社PAC プラットフォームをインダストリアルオートメーションに採用

Author(s):
Innoventor Solutions 社 - Sam Hammond氏

Industry:
Food/Beverage

Products:
Motion Control, LabVIEW, PXI/CompactPCI, Machine Vision

The Challenge:
モーション、ビジョン、工業用デジタル I/O を統合して飲料業界向けのパッケージングオートメーションを構築する。

The Solution:
NI の PXI プラットフォームを （PAC: Programmable Automation Controller） として使用し、モーション、ビジョン、工業用デジタル I/O と LabVIEW を簡単に統合する。

課題：
モーション、ビジョン、工業用デジタル I/O を統合して飲料業界向けのパッケージングオートメーションを構築する。

手作業で行うプロセスをNI 製品で改善
Innoventor Solutions Inc． 社は、工場の近代化、プロセスの向上、精密なプロセス管理、テストと検証、専門機器などのカスタム設計およびハードウェアを扱うメーカーです。先ごろナショナルインスツルメンツの PXI プラットフォームを PAC として導入し、飲料業界向けのパッケージングオートメーションシステムを構築しました。当社の顧客はこれまで、飲料の缶へのラベルの貼り付け、商品の仕分けを手作業で行っていました。その結果、生産段階でのボトルネックが生じ、従業員が負傷するリスクも高まっていました。新しいシステムに求められる1ピースあたりの平均サイクルタイムは1.4 秒でした。缶に貼り付けられるラベルには150 種類以上のカラースキームと背景模様があり、缶についているバーコードをどのようにして検出し、読み取るかが問題をより複雑にしていました。

完全なオートメーションシステムの構築には、3つのカメラ、3つのステッピングモータ、50の工業用デジタル I/O センサ/アクチュエータを緊密に統合する必要がありました。また、制御システムは高速で信頼性が高く、複雑なビジョンアルゴリズムの実装が可能でなければなりませんでした。そのためには、PC の機能性と PLC の信頼性を併せ持った PAC が必要でした。

PXI プラットフォームを使用すると、工業用デジタル I/O、モーション、ビジョンを簡単に同期して、1つのコントローラを3つの I/O 分野全てに使用することができます。LabVIEW を使えば、モーション、ビジョン、工業用デジタル I/O で同じプログラミング言語を使いまわすこともできます。1つのプログラミング言語を使用して全ての操作を1つのコントローラで行うことにより、システム全体のコストを削減できるので、PLC よりもコストを低く抑えることができます。

ソリューション：
NI の PXI プラットフォームを （PAC: Programmable Automation Controller） として使用し、モーション、ビジョン、工業用デジタル I/O と LabVIEW を簡単に統合する。
　
既存の機器を使って新システムを構築
Innoventor 社では、既存のコンベイヤラインに乗せられる、回転式の割り出し（インデックス） テーブル（6 ポジション） を中心としたカスタムシステムを開発しました。このシステムでは、缶をインフィード・コンベイヤから外し、ロータリー・インデクサに乗せ替えます。トップシールの工程で並べられた缶は、送出コンベイヤに乗せられ、6つあるうちの1 つのパッキング・コンベイヤ・テーブルに移動します。一つのトップシール・タイプで複数の缶のラベルに対応できることから、処理される缶のトラッキングが可能となっています。また、缶を仕分けるための手作業をなくすためにも、缶をパッキング・コンベイヤに移動させる必要がありました。同システムでは多数の空気圧式アクチュエータを使用して缶を取り出し、カスタム仕様のラベル貼付機（アプリケータ） を操作します。当社では、全体的なサイクルタイムの要件を満たすために、高速での操作に対応できる空気圧方式を選択する必要がありました。同システムで使用されている6 つのステーションではそれぞれ次の作業が行われています。

• ステーション1: インフィード・コンベイヤから容器をピックアップし、割り出し（インデックス） テーブルのスピンドルベースに配置します。
• ステーション2: 3 台のカメラで缶の写真を撮り、バーコードの画像を確認します。バーコードが読み取れない場合は、バーコードが見やすくなるように缶が回転します。バーコードの読取が終了したら、ラベルを貼りやすいように、ステーションが缶の向きを合わせます。
• ステーション3: 缶の上部にシールが貼付されます。
• ステーション4: 缶の側部にシールウィングが押し付けられ、缶上部にシールがぴったり貼られます。
• ステーション5: このステーションは最初のステーションと似てはいますが、こちらでは回転する割り出し（インデックス）テーブルから缶を外し、アウトフィード・コンベイヤに乗せ替えます。
• ステーション6: ここは通常空になっている場所で、直径が許容範囲外であるために取り残されたコンテナの有無を確認するのに使用します。

ステーション2は実装が難しかったのですが、要求を満たすパフォーマンスが達成できています。ここでは、缶の外周にあるバーコードの位置を検出します。ラベルには様々な色が使用されており、表面の加工・模様などもバーコード検出をより困難なものにしています。そのため、カスタム仕様の3段階検出・識別方式が開発されました。ステーション2での作業は、カメラからの距離と缶の直径の比率のせいでカメラの視角（FOV: Field of View）の中心から画像がはみ出てしまうために、複雑さを増してしまいます。FOV の端にあるバーコードは検出できますが、解像度が足りなかったり、歪みが大きかったりするとバーコードを読み取ることができません。このような場合、最も近い場所にあるカメラの FOV の中心にバーコードがくるように缶を回転させます。バーコードの読取が終了したら、次のステーションで缶の上部にシールを正しく貼るために、缶の向きを合わせなければなりません。スペースに制限があるため、360度の視野を得るだけのカメラの設置場所もカメラの台数も確保することはできませんでした。最初の読取でバーコードが検出されなかった場合、隠れていた部分がカメラの視界に入るよう缶を回転させます。最悪の場合でも、缶を3回回転させて画像を7枚取ればステーション2 での作業を終了することができます。

ステーション2は実装が難しかったのですが、要求を満たすパフォーマンスが達成できています。ここでは、缶の外周にあるバーコードの位置を検出します。ラベルには様々な色が使用されており、表面の加工・模様などもバーコード検出をより困難なものにしています。そのため、カスタム仕様の3段階検出・識別方式が開発されました。ステーション2での作業は、カメラからの距離と缶の直径の比率のせいでカメラの視角（FOV: Field of View）の中心から画像がはみ出てしまうために、複雑さを増してしまいます。FOV の端にあるバーコードは検出できますが、解像度が足りなかったり、歪みが大きかったりするとバーコードを読み取ることができません。このような場合、最も近い場所にあるカメラの FOV の中心にバーコードがくるように缶を回転させます。バーコードの読取が終了したら、次のステーションで缶の上部にシールを正しく貼るために、缶の向きを合わせなければなりません。スペースに制限があるため、360度の視野を得るだけのカメラの設置場所もカメラの台数も確保することはできませんでした。最初の読取でバーコードが検出されなかった場合、隠れていた部分がカメラの視界に入るよう缶を回転させます。最悪の場合でも、缶を3回回転させて画像を7枚取ればステーション2 での作業を終了することができます。

ステーション2では、大きめのステッピングモータが摩擦駆動車でスピンドルを動かします。回転式の割り出し（インデックス）テーブルが割り出し（インデックス）ポイントの近くに達すると、ステッパは空気圧スライド上で動作するようになります。ほぼ同時に、別の空気圧システムからスピンドルブレーキがかかります。これら全ての動作がステーション2で行われている間も、他のステーションではそれぞれの動作が同時並行で進められ、サイクルタイムの短縮に貢献しています。

スループットと確度の向上
このトップシールアプリケーションを導入することにより、手作業でラベル貼りをしていた頃と同人数で30 ～ 50% もスループットを向上させることに成功しました。手作業でラベルを貼っていた従業員は現在、発送用の缶の箱詰め作業を集中的に行っています。トップシールを貼付することにより、一貫性が保てるだけでなく、ラベルのテキストが不明瞭になることも避けることが可能となりました。

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