Используя программное обеспечение машинного зрения HALCON от MVTec, система определяет положение компонента, рассчитывает необходимые корректировки и, таким образом, обеспечивает точное нанесение герметика с точностью ±0,2 мм даже на большой рабочей площади.
В аэрокосмической отрасли даже малейшие отклонения определяют качество компонента. Естественно, это также относится к процессам нанесения герметиков на сложные геометрические формы. Шов герметика должен быть полным, равномерным и правильно расположенным. Зазоры, несовпадение или неровные швы могут ухудшить герметизирующую функцию. До сих пор этот процесс не поддавался автоматизации. Его внедрение было слишком сложным, поскольку компоненты различаются по размеру и имеют множество вариаций.
Однако одна компания в аэрокосмической отрасли хотела автоматизировать процесс, который до этого выполнялся вручную. В частности, он включал нанесение грунтовки и двухкомпонентного герметика на бронзовые или нержавеющие подшипники, установленные в окрашенных металлических деталях. Эта среда неприятна для сотрудников, в том числе потому, что используемые материалы имеют сильный запах, а работа с некоторыми веществами может быть вредна для их здоровья.
Компания AKEOPLUS получила заказ на внедрение этого решения. Компания была основана в 2006 году и имеет штаб-квартиру во Франции, между Женевой и Лионом. AKEOPLUS специализируется на робототехнике и разрабатывает индивидуальные решения, сочетающие роботизированные системы, датчики машинного зрения, сложные алгоритмы и искусственный интеллект. «Это приложение не просто сводилось к тому, чтобы робот следовал по заданному пути. Нам нужно было автоматизировать процесс, который до этого в значительной степени зависел от опыта и навыков сотрудников. Роботизированная ячейка должна обрабатывать различные компоненты и области применения, определять фактическое положение подшипников и воспроизводимо наносить герметик», — объясняет Максим Мотиси, инженер AKEOPLUS, специализирующийся на роботизированных системах дозирования.
Рисунок 2: Благодаря системе машинного зрения, герметизирующий шов наносится с точностью ±0,2 мм.
Большая рабочая зона: управляемая благодаря машинному зрению.
До автоматизации процесс выполнялся вручную. Оператор должен был сначала подготовить партию герметиков. С этого момента оставалось лишь короткое время: примерно через два часа материал затвердевал и больше не мог быть использован. Процесс был физически и технически сложным, а также имел очень сжатые сроки. Кроме того, сначала на все обозначенные участки необходимо было нанести невидимую грунтовку кистью. Этот этап был трудоемким и варьировался в зависимости от оператора.
Цели автоматизации были четко определены. Цель состояла в том, чтобы максимально автоматизировать весь процесс: от подачи жидкостей и сканирования компонента до нанесения грунтовки и герметика. В то же время система должна была контролировать поток материала, обнаруживать пузырьки или неровности и, таким образом, предотвращать дефекты в шве герметика. Поскольку процесс работает автономно, сотрудников можно было перенаправить на другие задачи, поскольку эта деятельность была нежелательна с точки зрения здоровья. Автоматизация также была призвана сделать процесс более устойчивым к колебаниям качества.
«Гибкость была особенно важна для заказчика. Система должна была обрабатывать множество различных компонентов. Поэтому их геометрия и конфигурации значительно различаются. Рабочее пространство робота составляет приблизительно 2000 мм x 2000 мм x 2000 мм. Задача заключалась в том, чтобы обеспечить надежное обнаружение роботом соответствующих областей в этом большом рабочем пространстве и адаптацию его движений к фактическому положению компонента», — объясняет Адриен Кейруа. Кроме того, компоненты не всегда находятся в точно одном и том же положении в рабочем пространстве робота. По этой причине чисто механическое решение для точного позиционирования компонентов было неприемлемо.
Отклонения в положении были слишком велики. Кроме того, конечный заказчик хотел минимизировать манипуляции с деталями. Механическое зондирование означало бы дополнительные этапы процесса, больший контакт с компонентом и потенциально более длительное время цикла. Поэтому для AKEOPLUS было ясно: приложение можно было реализовать только с помощью машинного зрения. AKEOPLUS выбрала MVTec HALCON, стандартное программное обеспечение для машинного зрения, в качестве основного компонента.
Изображение 3: Для точной фиксации компонента необходимо точно определить его положение.
Весь рабочий процесс автоматизирован.
Процесс начинается с этапа подготовки. На этом этапе устанавливаются расходные материалы, такие как инструменты и сопла для грунтовки и герметика. Затем выполняются первоначальные ручные циклы для дозирования небольшого количества материала. Это гарантирует, что весь путь подачи материала и все линии должным образом заполнены и готовы к использованию. Далее деталь перемещается в рабочую зону. Позиционер приблизительно выравнивает деталь и перемещает ее близко к целевому положению перед роботом. Затем робот начинает этап сканирования. Оснащенный 3D-профилометром, он сканирует предопределенные области детали. Эти области включают бронзовые подшипники, вокруг которых впоследствии будут нанесены грунтовка и герметик. Полученные 3D-данные служат основой для определения фактического положения подшипников и соответствующей корректировки запрограммированных траекторий. После этапа сканирования робот меняет инструменты и начинает нанесение грунтовки. Для этого он берет инструмент типа тампона, берет грунтовку со станции и наносит ее на обозначенные зоны герметизации. Затем робот снова меняет инструменты и начинает наносить герметик. Он следует запрограммированным траекториям нанесения. Скорость регулируется в зависимости от желаемой толщины шва: быстрее для более тонких швов, медленнее для более толстых.
После нанесения герметика деталь полностью обработана и может быть извлечена из ячейки. Пока робот «ждёт» следующую деталь, он перемещается в положение продувки. Там герметик удаляется из системы смешивания, чтобы предотвратить полимеризацию материала в смесителе.
Изображение 4: На поверхность компонента проецируется узор из фиолетовых полос для проверки с помощью обработки изображений.
Особая задача: машинное зрение в трехмерном пространстве.
Реализация оказалась сложной, поскольку несколько технологий должны были работать вместе с высокой точностью. К ним относились шестиосевой робот, 3D-профилометр, лазерный манипулятор для перепозиционирования инструмента, система дозирования двухкомпонентной грунтовки и герметика, тампон для нанесения грунтовки, сопла для нанесения герметика, позиционер компонентов, датчики мониторинга процесса и система управления со встроенными алгоритмами.
«Каждый из этих компонентов имеет свои пределы точности. Робот, лазерный манипулятор, 3D-профилометр, система калибровки «рука-глаз» и алгоритмы — каждый из них вносит свои собственные допуски в общую систему. Поэтому одной из задач было контролировать и комбинировать эти факторы для достижения общей точности позиционирования герметизирующего шва ±0,2 мм», — объясняет Адриен Кейруа. Главная сложность заключалась в определении местоположения компонента и его положения в пространстве. Для этого необходимо определить шесть степеней свободы каждого подшипника. Однако эти подшипники различаются по форме и размерам. В то же время, требуемая точность нанесения герметика очень высока. Поэтому машинное зрение может внести лишь минимальную погрешность в общий процесс. Кроме того, как крупный компонент заказчика, так и используемые подшипники подвержены производственным и сборочным отклонениям. Эти отклонения превышают допустимый допуск для нанесения герметика. Размещение компонента в системе также не является полностью воспроизводимым. Хотя компонент предварительно устанавливается в позиционере, это предварительное позиционирование размещает его всего в нескольких сантиметрах от целевой позиции. Этого недостаточно для фактического нанесения герметика.
«Поэтому особой задачей стало определение точной траектории движения робота на основе изменяемого компонента. Именно здесь 3D-машинное зрение демонстрирует свой потенциал. Оно компенсирует влияние производства, сборки и оператора, и делает возможным роботизированный процесс», — говорит Максим Мотиси.
HALCON, являясь ключевым компонентом программного обеспечения AKEOPLUS,
использует MVTec HALCON для машинного зрения. Это стандартное программное обеспечение для машинного зрения выполняет ряд основных задач в приложении. Оно обрабатывает данные, поступающие от 3D-профилометра, упрощает преобразование изображений X, Y и Z в облака точек, объединяет 2D и 3D операторы, а также использует данные САПР и 3D-модели объектов.
«MVTec HALCON предлагает множество функций, которые имеют решающее значение для роботизированных приложений, использующих 3D-данные. К ним относятся надежные 3D-методы, 3D-модели объектов, сочетание 2D и 3D обработки, а также возможность эффективной интеграции сложной логики машинного зрения в промышленные процессы. Особенно для приложений с высокими требованиями к точности это сочетание обеспечивает решающее преимущество», — объясняет Ян Гертнер, менеджер по продуктам HALCON в MVTec.
Для AKEOPLUS решающим фактором был не только широкий функционал. Скорость разработки и интеграции также сыграла решающую роль. Рабочие процессы были разработаны полностью с использованием библиотеки HALCON и интегрированной среды разработки MVTec, HDevelop. Затем фреймворк AKEOPLUS, «AkeoSpine», беспрепятственно запускает скрипты через HDevEngine. Это исключает дополнительную инженерную работу, необходимую для перехода к производству.
Еще одно преимущество заключается в руководстве для оператора. При программировании новых подшипников или подпрограмм конечный пользователь следует пошаговому руководству. Этот мастер был реализован с использованием графического пользовательского интерфейса (GUI) HALCON, управления окнами и функций построения графиков. Он шаг за шагом направляет оператора через настройку модели поверхности и необходимых параметров. Во время обработки в режиме реального времени вызывается настроенная подпрограмма для определения местоположения фактического подшипника на основе фактического 3D-сканирования. Наконец, независимость HALCON от оборудования также была ключевым критерием для AKEOPLUS, поскольку каждая роботизированная ячейка должна быть адаптирована к конкретной среде заказчика. Обширная документация, примеры, учебные пособия и руководства по решениям также облегчают разработку.
«Для нас важно, чтобы инженеры по компьютерному зрению могли работать с высокой степенью автономности. Благодаря HDevelop, библиотеке HALCON и возможностям визуализации мы можем разрабатывать, тестировать, отлаживать и интегрировать приложение в общий процесс. Это сокращает количество интерфейсов и ускоряет внедрение», — говорит Максим Мотиси.
Изображение 5: Герметик необходимо наносить точно, даже на сложные геометрические формы.
Результат: однородные герметики и технологическая витрина.
Роботизированная ячейка работает с весны 2026 года. Вскоре после ввода в эксплуатацию она уже произвела впечатление на заказчика. Наносимые герметизирующие полосы однородны, тонки и гомогенны. Таким образом, система достигает одной из своих главных целей: повышения воспроизводимости трудоемкого ручного процесса при одновременном снижении рабочей нагрузки на сотрудников.
Для заказчика ячейка — это больше, чем просто решение для автоматизации. Это технологическая витрина. Она демонстрирует, что даже сложные производственные процессы в аэрокосмической отрасли, которые до сих пор характеризовались ручным трудом, могут быть автоматизированы при эффективной совместной работе робототехники, технологий дозирования и машинного зрения.
«Многие процессы, которые сегодня по-прежнему почти полностью выполняются вручную, будут автоматизированы в ближайшие годы. Сочетание машинного зрения, искусственного интеллекта и робототехники позволит создавать высокоадаптивные, интеллектуальные и автономные системы. Разработанная здесь ячейка очень наглядно демонстрирует то, что уже сегодня возможно», — говорит Максим Мотис.
