康宁旗下的环保科技事业群是全球最大的汽车排气过滤陶瓷材料生产商，该公司开发和生产各种汽车排气的吸收装置，如蜂窝陶瓷(图1)。蜂窝陶瓷作为催化金属载体，其表现好坏将直接影响汽车有害气体的排放量。

图1　康宁所生产的蜂窝陶瓷基板。
康宁在生产蜂窝陶瓷时，需要对网格平行度进行持续测量，同时对各个生产环节的制程参数进行跟踪和控制。在过去，该公司各生产环节的制程品质无法通过二维码识别进行追踪控制，网格的平行度也只能依靠人工测量，更无法将追踪和测量资料送至可编程逻辑控制器(PLC)和制造执行系统(MES)进行大数据分析，导致生产效率难以进一步改善。  

蜂窝陶瓷生产方式带来检测大难题  

康宁蜂窝陶瓷半成品的生产，按加工顺序包含挤出、干燥和测量等制造过程。生产时先是将混合好的原料送至挤出机进行成形，挤出一段纵横有规律的多网格柱体状半成品。刚挤出成形时的半成品非常软，因此放上传送托架时，必须使半成品的网格角度保持水平。半成品放上托架后，两者一起随输送带经过微波炉腔进行微波干燥，干燥后产品需要经过弯曲度测量、温湿度测量等制造过程。  

在没有视觉检测系统之前，将成形后的半成品手动送到托架上时，最主要的问题是作业员很难透过肉眼去精确地判断产品网格的水平角度。因为半成品是由气垫浮起来的，手稍微一抖动，就可能使产品的放置角度产生很大偏差，使网格形成z型缺陷。更雪上加霜的是，由不同的生产线作业员放置时，其放置角度差别很大，从而使产品品质产生更大的波动。  

另一个问题是，挤出后的半成品在经过干燥等制程时，都会产生瑕疵品，由于没有合适的自动追踪设备，生产部只能专门安排一个人对产品弯曲度进行抽检，以便淘汰瑕疵品。根据康宁的经验，即便专门安排一个人负责抽检和追踪瑕疵品，还是难以避免大量瑕疵品流入下游，因为毕竟人容易疲劳和犯错。  

视觉系统带来生产制程革新  

针对这些问题，康宁环保科技的工厂在扩展新生产线之前，跟总部和位于美国本土的其他工厂进行技术交流，获知位于美国维吉尼亚州的黑堡(Blacksburg)工厂正在试用由康耐视(Cognex)提供的视觉系统方案，以进行产品二维码追踪和放置角度检测。因此，康宁环保科技的工厂在与总部及康耐视的人员洽谈后，决定采用In-Sight 5000视觉系统(图2)。  


图2　利用康耐视视觉系统来识别二维码和测量产品网格平行度。
起初康宁的工程师们担心，康耐视的设备与康宁目前使用的Allen-Bradley(AB) PLC建立通讯时，还需要借助Modbus通讯模组来桥接。这种模组的通讯速度慢、传输距离短、成本也高。但实际上In-sight系统可直接通过乙太网跟Rockwell的Contrologix系统进行Ethernet/IP通讯，并且支援大部分常见PLC，配置方便。  

康耐视提供与PLC通讯的电子资料工作表(EDS)档和程式设计范例，这些档案可从产品附带的光碟或直接从康耐视的网站下载。使用AB PLC随附的RSLink导入EDS档，即可识别和监控康耐视的机器视觉设备。加上程式范本的辅助，程式设计和硬体组态非常简单。  

最终，康宁在陶瓷半成品产线设计上采用冗余(Redundant)结构，共安装七对In-Sight 5000感测器，其中六对在产品制程测量前读取二维码，一对用于测量产品网格平行度。在投入生产使用前，借助Insight-explorer和感测器的焦距调整能很便捷地进行校准，使图像识别准确率最大化。  

In-Sight感测器测量网格平行度过程如下。首先，放置半成品的托架到位后，感测器先读取托架的二维码，作业员再将半成品的网格尽可能水平地放到托架上。  

一旦光电开关检测到半成品已经在托架上，PLC会向In-Sight感测器发出一个触发信号，感测器立即拍摄网格，经过1秒左右，Insight-explorer计算得到一个平行度数值，并送至PLC。Insight-explorer软体功能强大，可以利用程式设计来计算图像资料，并能把量测结果显示在萤幕上，因此作业员能即时直观地看到测量值，及时调整半成品的角度(图3)。  


图3　机器视觉系统获取的测量网格图像传送至In-Sight Explorer软体，可计算出平行度值。
在读取二维码方面，托架上的半成品在每道制程测量前须先读取托架二维码。一旦光电开关检测到产品托架到位，PLC会发出一个脉冲信号，命令2个互为冗余In-Sight感测器同时拍摄二维码图片，并同时获得相同二维码值，PLC再任意选取二维码值。接着开始制程参数测量，完成读码周期。一个读码周期的时间不超过1.5秒。  

In-Sight视觉系统感测到的平行度数据会被记录在资料库，并上传至MES系统，因此制程工程师可很方便地在办公室分析产品品质，并对作业员的操作品质进行考核。而每个产品的生产制程参数都由二维码记录在案(图4)。  


图4　借助康耐视的2D码识别功能，对产品各个生产环节的制程参数进行追踪。
视觉系统加持　产品追踪/检测轻松又高效  

导入结果证明，机器视觉系统应用于蜂窝陶瓷生产过程中的产品品质二维码追踪以及角度测量效果非常好。In-Sight视觉系统具有卓越的检测和识别功能，可即时监控产品各环节状况，降低产品的缺陷率。无论产品二维码低速移动还是被灰尘污染，康耐视感测器均能捕捉图片并识别，抗干扰能力强。导入机器视觉系统后，康宁的生产线不仅节省了人工，更重要的是产品缺陷率减少，且每个陶瓷半成品的制程参数都自动记录在电脑里。  

在生产应用中，In-Sight视觉系统运行非常稳定，测量准确，资料通讯方便灵活。该视觉系统能方便地通过乙太网将视觉资讯通讯至PLC和MES系统，可以直观的通过Insight-explorer看到资料。借助该视觉系统，康宁可更方便的获得产品即时平行度数据和追踪各生产环节状况，并能通过电脑进行资料分析，大大提高了自动化程度。  

康宁的蜂窝陶瓷生产线增加In-Sight视觉系统后，使自动化程度和效率得到了很大提升。有些任务是人工很难完成的，如测量网格平行度和恶劣环境下扫描二维码。  

(本文作者任职于明尼苏达矿业制造特殊材料有限公司)