製品の安全性、コンプライアンス、追跡を向上させるトレーサビリティ4.0ソリューションの使用方法

倉庫や工場におけるリアルタイムの資産管理とトレーサビリティは、自動車部品やサブアセンブリ、消費者向け白物家電、航空宇宙産業、輸送、電子システム製品におけるインダストリ4.0とサプライチェーン管理の重要な側面となっています。特にトレーサビリティは重要で、原材料、部品、サブアセンブリ、完成品などの位置追跡、履歴、使用状況の記録などが含まれます。トレーサビリティ4.0は、生産効率や製品品質を支えるだけでなく、部品の偽造防止、正確なリコールのサポート、法規制コンプライアンスなど、製品の安全性にも不可欠な要素です。

トレーサビリティ4.0ソリューションは、個々の部品にマーキングし、ラベルに1次元または2次元バーコードを使用することもありますが、アイテムに直接マーキングし、生産プロセスを通じてアイテムの動きを積極的に追跡します。それはかなり難しいことです。たとえば、一般的な自動車には2万点以上の部品があり、その追跡が必要です。トレーサビリティ4.0の実施は複雑になる可能性があります。すべての部品にマークを付けるだけでは十分ではありません。バーコードの読み取りと製品の目視検査を1つの画像処理装置で行うことが望ましいです。さらに、イメージャは過酷な産業環境や変化する照明条件下で動作させる必要があります。

インダストリ4.0のトレーサビリティニーズをサポートするために、設計者は、目視検査用の1次元および2次元バーコードを読み取ることができ、オートフォーカスにより画像性能を向上させることができる産業用スマートイメージャに変えることができます。このスマートイメージャには、損傷したバーコードも読み取ることができる高度な復号化アルゴリズムが搭載されています。また、結露の心配が少ないダブルフロントウィンドウ構造や、過酷な環境下での性能を保証する保護等級IP65/67を有しています。

この記事では、トレーサビリティ4.0の開発と製品安全、製品追跡、および法規制コンプライアンスをどのようにサポートするかをレビューし、基本的なバーコードタイプと損傷したバーコードを読み取る再構成ソフトウェアについてレビューします。続いてシステム統合の問題や機械式レンズと液体レンズのオートフォーカスシステム間のトレードオフについて検討し、バーコード読み取りとマシンビジョンアプリケーションのセットアップ用のソフトウェア開発ツールとともに Omron の スマート産業用イメージャを説明して締めくくります。

トレーサビリティ4.0の適合場所

トレーサビリティ4.0は、インダストリ4.0に不可欠な要素です。しかし、すべての製造業務がインダストリ4.0に対応しているわけではありません。小売業や倉庫業など、その他のユースケースでは、トレーサビリティ4.0は必要ありません。では、トレーサビリティ4.0はどのようにして生まれたのでしょうか（図1）。

• トレーサビリティ1.0は、通常、精度と効率を向上させるために、製品を自動的に識別するバーコードに依存しています。
• トレーサビリティ2.0は、日付コードやロットコードを用いたサプライチェーンマネジメントに移行しました。より高いレベルの品質と消費者の信頼を支え、標的にされた製品リコールをサポートするために設計されました。今でも小売業界で使われています。また、米国食品医薬品局（FDA）が医療機器のUDI（ユニークデバイスアイデンティファイア）に使用しています。そこで、国際標準化機構（ISO）がバーコードの品質仕様の策定を開始しました。
• トレーサビリティ3.0では、日付やロットコードではなく、個々のデバイスの追跡が始まりました。プラスチックや金属部品のダイレクトパーツマーキング（DPM）技術は、過酷な産業環境下で使用するために開発されました。製品や部品の真偽を確認するために、模倣品対策プログラムの基礎が開発されました。
• トレーサビリティ4.0は、包括的な部品履歴と個々の部品の幾何学的寸法および公差（GD&T）を含む完全な実装です。GD&Tは、航空宇宙や自動車などの精密製造に欠かせないもので、正確なGD&T値に基づいて部品を取り付けることで、高精度な組み立てを実現し、高品質なシステムをサポートしています。

図1：トレーサビリティ4.0はインダストリ4.0に不可欠な要素ですが、前世代のトレーサビリティに完全に置き換わるものではありません。（画像提供：Omron）

バーコードタイプと規格

バーコードのタイプは、トレーサビリティの高度化に伴い、進化、拡大しています。現在、バーコードには、線形、2次元（データマトリックス、QRコード、アステカコードなど）、積層型線形（PDF 417、マイクロPDF、コンポジットコードなど）などがあります（図2）。貼られたラベルに印刷したり、部品に直接マーキングしたりすることができます。規格も多岐にわたります。例としては、以下のようなものがあります。

• AIAG B4 - Automotive Industry Action Group Parts Identification and Tracking（全米自動車産業協会 部品の識別および追跡）
• AS9132 - Society of Aerospace Engineers, Data Matrix Quality Requirements for Part Marking（航空宇宙技術者協会、部品マーキングのためのデータマトリックス品質要件）
• EIA 706 - 米国電子工業会、部品のマーキング
• ISO/IEC 16022 - 国際シンボル体系仕様書
• ISO/IEC 15418 - シンボルデータ形式セマンティクス
• ISO/IEC 15434 - シンボルデータ形式シンタックス
• ISO/IEC 15415 - 2D印刷品質規格
• ISO/IEC 15416:2016 - 1D印刷品質規格
• ISO/IEC TR 29158:2011 - ダイレクトパーツマーク(DPM)品質ガイドライン
• SPEC 2000 - 航空輸送協会、電子商取引、パーマネントパーツIDを含む
• IUID - 米国国防総省、恒久的および固有の品目識別
• UDI - FDA医療機器認証

図2：トレーサビリティ4.0では、さまざまなバーコードの利用が可能です。（画像提供：Omron）

損傷したバーコードについて

バーコードのマーキングにはばらつきがあり、完璧ではありません。どんなにきれいに印刷されたバーコードでも、製造工程で部品が移動すると、損傷したり歪んだりすることがあります。部品表面とバーコードの間のコントラストの欠如や、産業環境における照明の変化の激しさなど、トレーサビリティ4.0の基盤を開発する際に解決しなければならない課題があります。

Omronは、さまざまな条件下で多様なバーコードを正確に読み取るという課題に対応するため、光沢のある表面、質感のある表面、曲面など、あらゆる表面のコードを読み取ることができるX-Modeアルゴリズムを提供しています。X-Modeを使用することで、いわゆる「読み取りエラー」を最小限に抑えることができ、遅延やダウンタイムを最小限に抑えることができます。

X-Modeは、高度なデジタル画像処理とピクセル解析により、歪んだシンボル、損傷したシンボル、印刷不良のシンボル、傾いたシンボルを読めるようにします。段ボールや他の梱包形態にインクジェットで印刷されたコードや、反射する金属表面のドットピーンマークなどのDPMコードに対して、X-Modeは画像のコントラストと鮮明度を高め、動的な環境でもコードを確実に読み取り、解釈します（図3）。また、X-Modeは全方向デコードに対応しており、マウント可能な角度の幅が広がり、バーコードリーダとの連携も容易になります。

図3：高度なデジタル画像処理とピクセル処理により、X-Modeソフトウェアは困難な条件下でのコードの読み取りを可能にします。（画像提供：Omron）

システム統合

本当のトレーサビリティ4.0システムには、使いやすく、管理しやすいシステムに統合された複数のカメラが必要です。このスマート産業用イメージャを使えば、プロセスエンジニアはイーサネットスイッチを使って最大8台のリーダを組み合わせ、複数のコードの合成出力が必要な場合やコードの位置が予測できない場合に、360度のコード読み取りと製品検査をサポートすることができます。

バーコードのサイズやタイプ、照明やコントラスト、設置場所などに応じて、複数の設定から最適なものを自動的に選択し、読み取り率とラインスピードを最大にすることで、インダストリ4.0の標準の多品種生産に対応することが可能です。このシステムは、バーコードの品質をインラインで監視するためにISO標準の等級付け方法を使用しており、品質がユーザー設定の閾値を下回ると警告を発することができます。

これは、ウェブベースのバーコードリーダインターフェースを内蔵したスマート産業用イメージャです。各イメージャは、その IP アドレスを使用して、ウェブ対応デバイスから安全にアクセスすることができます。オープンなプロトコル構造により、デバイスの統合が容易になり、デバイスの非互換性の問題が解決されます。ウェブ統合には、3つのユーザーアクセスレベルがあります。最高レベルのセキュリティとアクセス性を備え、ユーザーは設定を編集してリーダの内部メモリまたは外部デバイスに保存し、他のデバイスに転送できるため、新しい装置の統合や環境ニーズの変化に迅速に対応することができます。

装置全体のコスト削減のため、複数のリーダの検査状況を1台の装置で監視することができます。一般的なイメージャは機器ごとにディスプレイが必要ですが、このスマート産業用イメージャは複数の機器に対して1台のディスプレイですみます。そのため、複数のイメージャの設置や監視を簡略化することができます。また、各スマート産業用イメージャにはウェブモニタリングソフトウェアが内蔵されており、タブレットやパソコンを使って複数のイメージャを遠隔でモニタリングすることが可能です。

オートフォーカスの選択

オートフォーカス機能は、厳しい環境下でのバーコード読み取りシステムの性能に大きな影響を与えます。このスマート産業用イメージャは、機械式レンズと液体レンズのオートフォーカスを選択することができます。機械式オートフォーカスには小型のモータが組み込まれています。機械的な性質上、摩耗や金属疲労が起こりやすく、年単位で交換が必要になることもあります。液体レンズのオートフォーカスは、電圧をかけることで油と水からなる内部構造の形状を変化させて、レンズの焦点距離を変化させます（図4）。機械的な摩耗がないため、液体オートフォーカスのメカニズムは数年の動作寿命を持つことができます。液体レンズ技術により、このイメージャは、50mmから1,200mmまでのフォーカスを自動調整し、複雑なプリント回路基板上の高密度データマトリックスシンボルも読み取ることができます。どちらのタイプのオートフォーカスを備えたイメージャでも、接続後数秒でどんなコードでも読み取ることができ、セットアップも不要です。

図4：機械式オートフォーカス（左）は、液体レンズオートフォーカス（右）に比べてメンテナンスが必要で、ダウンタイムが長くなります。（画像提供：Omron）

スマート産業用イメージャ

Omronの MicroHAWKコードリーダは、高速で信頼性の高い動作を実現し、堅牢で超小型のハウジングに、窓の内側に結露するのを防ぐダブルフロントウィンドウ構造になっています。モデルによっては、厳しい環境下での性能を保証するために、保護等級IP65/67のものもあります。画像解像度は0.3～5メガピクセルを用意しました。これらのイメージャには、光学系、照明、フィルタリングなどのオプションが用意されており、特定の使用環境や画像ニーズに合わせてデバイスを最適化することができます。MicroHAWKの特長は以下の通りです。

• Ethernet/IP、EthernetTCP/IP、PROFINETコネクティビティに対応
• _DC 5〜30V電源入力、PoE（Power over Ethernet）オプション付き
• 高速な画像処理をサポートする800MHzのプロセッサ速度
• Non-linear calibration（NLC）機能により、レンズの歪みを打ち消し、測定、ロケータ性能を20倍向上します。測定値をmm単位、ピクセル単位で出力します。

バーコードの読み取りや目視検査では、同じ装置で最大60フレーム/秒まで対応可能です。MicroHAWKコードリーダの例としては、以下のようなものがあります。

• V430-F000W12M-SRP、1.2MPイメージャ、広視野5.2mm焦点距離レンズ、さらに標準オートフォーカス、標準赤外光、プラスモード撮像（図5）。
• V430-F000L12M-SRX、1.2MPイメージャ、狭角16mmレンズ、1,160mmまでのオートフォーカス、標準赤外光、X-Modeイメージング搭載

図5：1.2MPイメージャには焦点距離5.2mmの広角レンズとプラスモードイメージングソフトウェアが搭載されています。（画像提供：DigiKey）

効率的なセットアップ

OmronのAutoVISIONソフトウェアは、MicroHAWKイメージャのセットアップとインストールを高速化することができます。AutoVISIONでは、機器への接続や設定、ジョブのプログラミングや監視を行うことができます。AutoVISIONのジョブは、複数のMicroHAWKイメージャ、ソフトウェアパッケージ、産業用システム、タブレットやPCで拡張可能です。最大8個のイメージャを1つのシステムに統合することができます。AutoVISIONを使用することで、これらのスマートイメージャは、部品の有無、位置、部品数、色検出、寸法測定などのマシンビジョン検査に使用することができます。AutoVISIONの導入は、3つのステップで行われます。

• ワンクリックで画像をキャプチャ
• ドラッグアンドドロップツールで検査領域を指定し、出力を割り当てることが可能
• 実行ボタンで検査工程を開始

AutoVISION開発ソフトウェアは、以下のような様々なアプリケーションに適しています。

• 検査および一般マシンビジョン
• 梱包ライン
• アセンブリプロセス
• 欠陥検出

まとめ

トレーサビリティ4.0は、インダストリ4.0の製造プロセスやサプライチェーンをサポートしますが、他のアプリケーションにおける以前のバージョンのトレーサビリティを完全に置き換えるものではありません。トレーサビリティ4.0を展開する上で、高性能なイメージャは重要な要素です。オートフォーカス機能や、厳しい環境や照明条件下でも確実に動作する機能を備えたスマート産業用イメージャを提供します。NLCソフトウェアは測定精度を最大20倍まで向上させ、自動設定ソフトウェアにより高性能なトレーサビリティシステムの展開を加速させます。