Auf den richtigen Sitz geprüft

Kamillo Weiss

Bei dem Getränkehersteller Original Juice Co. AG sollte jeder Flaschenverschluss, der auf die verschiedenen Produktflaschen aufgeschraubt wird, vollständig und fest angezogen sein. Er muss gerade und nicht schräg aufgesetzt werden. Außerdem sollte gewährleistet sein, dass ein Siegelband über den Flaschenverschlüssen nicht beschädigt ist. Deshalb hat sich Original Juice Co. entschieden, ein Bildverarbeitungssystem nach dem neuesten Stand der Technik zu installieren, um das Auftreten einer ganzen Reihe von Mängeln zu überwachen, die auf Hochgeschwindigkeits-Abfüllanlagen nicht mehr toleriert werden können. Dabei ist auch die Schulterstärke der verschiedenen Flaschen sehr wichtig, denn die Flasche muss beim Verschließen und im Verlauf der verschiedenen Stufen des Befüllvorganges wesentlichen Druckbelastungen von oben, und auch einem erheblichen Drehmoment standhalten. Um diese Aufgabe zu bewältigen, begann Original Juice Co. mit dem Unternehmen SciTech zusammenzuarbeiten, das als Cognex-Systemintegrator über eine umfangreiche Erfahrung in der industriellen Bildverarbeitung verfügt.

Konzentriert auf nur einen Flaschentyp und die wesentlichen Prüfmerkmale, konnte SciTech mit einem Probelauf direkt vor Ort demonstrieren, dass die Anforderungen machbar sind und zügig umgesetzt werden können. Die Ergebnisse hinsichtlich der gestellten Anforderungen wurden von allen beteiligten Parteien positiv bewertet. Nach Abschluss des Probelaufs begannen die Arbeiten zur Einführung eines für alle gegenwärtigen Flaschenprodukte verwendbaren Systems, das auch für weitere, zukünftige Flaschen- und Verschlussarten skalierbar ist.

Bei der Umsetzung der Aufgabe wurden die autarken und kompakten industriellen Bildverarbeitungssensoren In-Sight 5100 und 5400 von Cognex eingesetzt. Die In-Sight-5100-Einheit umfasst ein Aluminium-Druckguss-Gehäuse mit abgedichtetem M12-Ethernetanschluss, der gegen Eindringen von Staub und Wasser die Schutzklasse IP 67 bietet. Eine Eigenschaft, die hinsichtlich des nassen, mit Zitronensäure angereicherten Milieus am Prüfstandort und der in diesem Bereich verwendeten Reinigungschemikalien von Vorteil ist. Aufgrund dieser anspruchsvollen Umgebungsbedingungen ist es auch erforderlich, dass die Vorrichtungen und die Armaturen ausschließlich aus Edelstahl gefertigt sind. Ein industrieller Touchscreen-PC, die Ethernet-Anschlüsse, die digitale Stromversorgung der Lampen, eine SPS (PLC) und verschiedene Verteilerkomponenten der elektrischen Stromversorgung sind in einem Schaltschrank aus Edelstahl untergebracht.

Nach dem Abfüllen und Verschließen der Flaschen werden sie auf dem Transportband bis zur Prüfstation weitergeleitet, wo die beiden Vision-Sensoren die Flaschen nacheinander prüfen. Der erste In-Sight-Sensor kontrolliert von der Seite nur den Flaschenverschluss. Eine rote LED-Hintergrundbeleuchtung liefert der Kamera eine Abbildung der Flaschensilhouette und bietet einen maximalen Kontrast zwischen dem Umriss des Produktes und dem Hintergrund. Diese Beleuchtung ist auch für die Messung der äußeren Kanten und Konturen von transparenten Flaschen ideal. Das durch den Sensor ausgelöste Kamerabild wird anschließend nach einer Reihe von Prüfkriterien analysiert. Die auf PC-basierten Systemen eingesetzte Vision-Technologie PatMax von Cognex bietet hierzu viele Algorithmen. Das gegenüber der sonst üblichen Grauwertkorrelation mit geometrischen Grundstrukturen arbeitende Softwarepaket erschließt sehr hohe Auflösungen bis in den Subpixelbereich und sichere Winkelbestimmungen von Objekten bis 0,02°. Aus der Analyse der geometrischen Informationen wie der spezifischen Merkmale und deren räumlicher Relation wird die Position des Objektes eindeutig und mit höchster Genauigkeit bestimmt. Mit den Software-Tools analysiert In-Sight die Abbildung auf Fehler, und erkennt eine Flasche als gut oder schlecht. Bei Fehlermeldung erfolgt ein Signal direkt an die SPS. Diese löst dann einen Aussonderungsmechanismus aus, der die Flasche vom Band entfernt.

Nach dem Passieren der ersten In-Sight Station wird die Flasche zur zweiten Prüfstation weiter transportiert. Der zweite In-Sight-Vision-Sensor ist analog dem ersten gegenüberliegend montiert und überprüft die gegensätzlich gerichtete Seite des Flaschenverschlusses auf eine Reihe von Merkmalen. Alle fehlerbehafteten Flaschen werden vom Transportband in einen Ausschusskasten gestoßen. Bei Entdeckung einer mangelhaften Flasche wird der Maschinenbediener darüber hinaus durch das 5 s dauernde Aufleuchten einer Signalleuchte von diesem Umstand informiert. Teile ohne Mängel werden ungehindert auf dem Förderband weitergeleitet. Während dieses Prüfvorgangs wird ein Zeilenmuster auf den Flaschenverschluss und auf die Flasche projiziert. Dies ermöglicht dem Bildverarbeitungssystem die Erkennung von Deformationen in Bezug auf die Verschlusshöhe der Flasche, Vorhandensein oder Fehlen des Verschlusses, Vorhandensein des Siegelbands und die Qualität der Verbindung oder schräg aufgebrachte Verschlüsse. Auch bei diesen Aufgaben basieren die verwendeten Vision-Tools auf den Algorithmen von PatMax. Dies gewährleistet eine genaue Kantenerkennung zum Vermessen des Verschlusses, die Winkelbestimmung der Flaschenkappe und damit eine Kontrolle auf korrektes Verschließen der Flasche.

Wegen der Vielfalt und der Unterschiedlichkeit der verwendeten Flaschentypen sollte das System bei einem Produktwechsel auf einfache Art und Weise schnell umrüstbar sein. Unter Beachtung dieser wichtigen Anforderung wurde die mechanische Anordnung und Ausstattung speziell gestaltet. Die In-Sight-Sensoren, die Hintergrundbeleuchtungen und die Triggersensoren wurden fest auf eine Konsole montiert. Dieses komplette Modul kann vom Bediener über ein Stellrad in vertikaler Richtung bewegt werden. Das ermöglicht die schnelle Anpassung der Prüfstation an die unterschiedlich hohen Flaschen verschiedener Produktvarianten. Mittels einer Messeinrichtung und über das Stellrad kann der Maschinenbediener das gesamte System schnell auf das obere Ende der Flaschenlippe ausrichten. Damit ist für die neue Produktcharge mit minimaler Umrüstzeit und minimalem Aufwand die richtige Kamera-, Licht- und Sensorenposition erreicht.

Äußerst Einfach gestaltet ist der Umstellungsvorgang auch in der Programmierung des Prüfvorganges. Der Bediener kann mittels Berührungsbefehlen am Bildschirm des Touchscreen-PCs auf die verschiedenen Flaschentypen zugreifen. Wird der dem Flaschentyp entsprechende Karteireiter ausgewählt, lässt sich durch Betätigung eines Buttons das gültige Bildverarbeitungsprogramm aufrufen und in seiner Beschreibung anzeigen. Die Umstellung ist nun abgeschlossen und das Band ist bereit zum Anfahren.

Im laufenden Betrieb wird das jeweils zuletzt erfasste Ausschussbild angezeigt und die Vision-Sensoren senden ihre Daten mittels FTP an den PC. Diese werden dann in einem Chargenprotokoll gespeichert. Damit stehen den zuständigen Ingenieuren der Getränkeproduktion wichtige Informationen des Prozesses zur Verfügung, die eine weitere Optimierung von Prozessschritten erschließen. Seit der Einführung dieses Bildverarbeitungssystems ist die Auslieferung mangelhaft verschlossener Flaschen nahezu ausgeschlossen und im Hinblick auf die Produktrückverfolgbarkeit kann die ausgelieferte Qualität dokumentiert werden.

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