Die Produktion von Flaschen und Verschlüssen in der Getränkeindustrie ist hochgradig automatisiert. Der Grund ist einfach: Es müssen schnell und zuverlässig große Mengen produziert werden. Wichtig dabei ist, dass die Prozesse mit der Geschwindigkeit, aber auch den Qualitätsanforderungen Schritt halten.
„Unser Ziel ist es, automatisierte Prozesse so sicher und zuverlässig wie möglich zu gestalten. Das ist der Hebel, um einen Prozess dauerhaft in hoher Geschwindigkeit betreiben zu können. Unser Ansatz ist es, Hektik aus sämtlichen Prozessen in der Produktion zu nehmen. Wir setzen dazu auf standardisierte Tools, bei denen wir sicher sein können, zuverlässig und schnell reproduzierbare Produkte herstellen zu können. Eine solche Lösung haben wir auf Basis von industrieller Bildverarbeitung für die Inspektion von Flaschenverschlüssen aus Porzellan entwickelt“, sagt Thomas Kelz, Verantwortlicher für die Qualitätstechnik der K&S Anlagenbau GmbH.
Das Unternehmen aus dem bayerischen Lengenwang entwickelt seit mehr als 30 Jahren Automatisierungslösungen für die Elektro-, Automobil-, Medizin- und Konsumgüterindustrie. Spezialisiert hat sich K&S Anlagenbau auf standardisierte Module mit der Möglichkeit für individuelle Anpassungen.
Zusammen mit dem Beratungsunternehmen Computer Vision Solutions Consulting & Research hat das Unternehmen eine Applikation zur Qualitätsprüfung für Flaschenverschlüsse von Getränkeflaschen entwickelt. Diese kommt vorrangig zur Druckbildkontrolle der Flaschenverschlüsse zum Einsatz. Das Beratungsunternehmen wurde von K&S Anlagenbau hinzugezogen, da das Team um Geschäftsführer Dr. Markus Heber jahrelange Erfahrung in der Umsetzung anspruchsvoller Applikationen hat, die mit industrieller Bildverarbeitung umgesetzt werden.
Bild: K&S Anlagenbau
Maximum an Flexibilität bei einem Minimum an Maschinen-Stopps
Die Herausforderung bei der Entwicklung der neuen Lösung lag darin, eine Qualitätskontrolle zu implementieren, die im vollständig automatisierten Prozess schnell und zuverlässig Fehler findet, aber gleichzeitig wartungsarm ist. Wartungsarm bedeutet, dass die Anlage schnell und einfach auf andere Produkt-Typen umgestellt werden kann und zuverlässige Resultate liefert.
„Nur wenn der Kunde wenig Aufwand bei der Wartung der Anlage hat, bringt die Automatisierung den entscheidenden Mehrwert“, weiß Heber. In der neu entwickelten Anlage wird die Qualitätskontrolle inline durchgeführt. Dazu nimmt die Kamera ein Bild des zu prüfenden Flaschenverschlusses auf. Anschließend wird das Bild des Aufdrucks auf der Verschlussoberseite mithilfe der Algorithmen der Bildverarbeitungssoftware MVTec Halcon kontrolliert. Entwickelt wird Halcon von der MVTec Software GmbH aus München.
Die Herausforderung bei Druckbildkontrolle lag einerseits in der Variabilität der Druckbilder und andererseits an der Anforderung, für den Anlagenbediener ein so übersichtliches Bedienkonzept wie möglich zu erstellen. Mögliche Druckbild-Fehler können beispielsweise falsche oder verronnene Farben oder nicht vollständig sichtbare Aufdrucke sein. Auch die „zentrale“ Lage des Druckbildes auf dem Flaschenverschluss wird geprüft und als Qualitätskriterium ausgewertet.
„Eine der großen Herausforderungen in der Umsetzung war, dass die Anzahl der unterschiedlich aussehenden Druckbilder theoretisch unendlich ist. Das betrifft sowohl die guten, also ‚OK‘-Drucke, als auch die fehlerhaften also ‚NOK‘-Drucke. Für uns bestand daher die Aufgabe darin, sicherzustellen, dass die Software vorab trainiert wird, um jederzeit und auch für unterschiedliche Drucke die richtige Entscheidung zu treffen“, erklärt Heber.
Zum Trainieren wird das Bild eines OK-Drucks, auch „Golden Sample“ genannt, in Halcon gespeichert. Dieses „Gut-Bild“ dient als Vorlage, mit dem jedes Bild im Prüfvorgang abgeglichen wird. Anhand verschiedener Parameter in Halcon kann eingestellt werden, bis zu welchen Grad Abweichungen vom „Golden Sample“ noch als OK gelten.
Bild: K&S Anlagenbau
Bild: K&S Anlagenbau
Einfache Steuerung der Anlage über grafische Benutzeroberfläche
Eine wichtige Komponente der Anlage ist die grafische Benutzeroberfläche (GUI). Die GUI ist die Bedieneinheit, mit der man auf der einen Seite die gesamte Anlage visuell darstellen und überblicken und zum anderen Änderungen und Konfigurationen des Prozesses vornehmen kann.
Die Anforderung an die GUI war, dass es sich dabei um eine dynamische Software handeln sollte, die mehrere unterschiedliche Apps darstellen kann. Die Apps sollten darüber hinaus sowohl über die GUI als auch über SPS gesteuert werden können. In der fertigen Anlage umfassen nun die Einstellungsmöglichkeiten sowohl verschiedene Anzeigeoptionen und Konfigurationsmodi als auch unterschiedliche User-Levels.
Das heißt, es ist möglich, Rechte zu vergeben und so festzulegen, welcher Mitarbeiter welche Tätigkeiten ausführen darf. Auch Fehlerbehebung oder Anpassungen können über die GUI vorgenommen werden. Eine Anpassung ist beispielsweise das einfache Ändern des Prüfprogramms, etwa wenn ein anderer Druck geprüft werden muss.
Eine der Kernkomponenten der Anlage ist Halcon von MVTec. Halcon ist eine Bildverarbeitungsbibliothek, die mittels der HDevEngine in die Software von K&S Control integriert wird. „Ich arbeite seit über zehn Jahren mit Halcon. Es ist der Industrie-Standard im Bereich Bildverarbeitungssoftware und ist mit der großen Bibliothek nicht auf ein paar wenige Algorithmen beschränkt“, erklärt Heber. Die HDevEngine fungiert als Interpreter, der zum dynamischen Laden und Ausführen der Bildverarbeitungsalgorithmen konzipiert ist.
Außerdem ist es die HDevEngine, die es ermöglicht, Änderungen in den Bildverarbeitungsprozessen „on the fly“ vorzunehmen, ohne dass die gesamte Anwendung neu zusammengestellt oder re-zertifiziert werden müsste. Dabei wirkt die HDevEngine als Bildverarbeitungs-Backend und kommuniziert mit der GUI im Hintergrund. Bediener der Anlage haben kaum oder gar keine Berührungspunkte damit. Denn sie bedienen die Anlage über die ihnen vertraute GUI.
Sinnvolle Kombination mehrerer Bildverarbeitungsmethoden
Neben der Flexibilität und der Stabilität im Betrieb war es für K&S Anlagenbau natürlich auch wichtig, dass robuste und hohe Erkennungsraten garantiert werden. Dafür sorgt die Machine-Vision-Software Halcon. Diese beinhaltet nicht nur die HDevEngine, sondern auch viele Bildverarbeitungsmethoden, die für die Kontrolle der Druckbilder herangezogen werden. Insgesamt umfasst die Halcon-Bibliothek mehr als 2100 verschiedene Operatoren.
In der konkreten Applikation kommen Matching-Technologien, die Klassifikation sowie die Blob-Analyse zum Einsatz. Dabei greifen die drei Technologien wie folgt ineinander: Nachdem das Bild von einer Kamera eingezogen worden ist, kommt zunächst das Shape-based Matching zum Einsatz. Die Technologie ist dafür zuständig, den Aufdruck im Bild überhaupt zu lokalisieren.
Das im Vorfeld trainierte Druckbild wird mit dem eingezogenen Bild abgeglichen, wodurch sich die Lage und Ausrichtung subpixelgenau und nahezu in Echtzeit lokalisieren lässt. Dies funktioniert auch dann, wenn der Druck rotiert, skaliert, perspektivisch verzerrt, teilweise überdeckt bzw. außerhalb des Bildes liegt oder nicht-linearen Beleuchtungsschwankungen unterliegt.
Wenn der Aufdruck gefunden wurde, ist die nächste Aufgabe die Klassifizierung. Auch hier ist es wichtig, dass die Klassenmerkmale zuvor definiert und eintrainiert wurden. Die Klassifizierung kann für verschiedene Aufgaben herangezogen werden. Etwa um Bereiche in Bildern zu segmentieren oder Objekte zu finden.
In der Anlage der K&S Anlagenbau wird die Klassifizierung zur Qualitätskontrolle genutzt. Mögliche Fehler sind Farbabweichungen, fehlende Kanten, falsche Kanten oder Strukturen. Entsprechende Abweichungen werden segmentiert und mittels Blob-Analyse analysiert. Dazu werden Merkmale aus verbundenen Pixeln mit ähnlicher Helligkeit, den Blobs, extrahiert. Im konkreten Fall werden Fehler und Abweichungen ab einer zuvor definierten Größe als solche erkannt.
Finden die beschriebenen Bildverarbeitungstechnologien einen Fehler, wird dieser in der GUI angezeigt. Der entsprechende Bereich wird von der Blob-Analyse detektiert und farblich markiert dargestellt. So können die Anwender auch die Beschaffenheit des Fehlers erkennen. Ist der Aufdruck „OK“, wird der Flaschenverschluss weiterbearbeitet.
„Das Aufgabenumfeld der Bildverarbeitungssoftware geht jedoch über die Inspektion des Drucks hinaus. Um einen möglichst automatisierten Prozess zu gewährleisten, haben wir die Software so in die gesamte Anlage eingebettet, dass sie mit anderen Komponenten kommunizieren kann. Wenn ein Flaschenverschluss nicht korrekt bedruckt ist, teilt Halcon das der Anlage entsprechend mit, und das Bauteil wird automatisch ausgeschleust“, erklärt Heber.
Damit Halcon einfach mit anderen Komponenten kommunizieren kann, ist die Software mit Schnittstellen zu OPC-UA und Profinet ausgestattet. Die Kommunikationsprotokolle ermöglichen den durchgängigen Datenaustausch der verschiedenen Komponenten innerhalb der Anlage. So kann die vollständige Automatisierung erreicht werden.
Anlage erfüllt Anforderungen im Einsatz
Mittlerweile ist die Anlage bereits bei Kunden im Einsatz. „Die Rückmeldungen, die wir vom Kunden erhalten haben, waren sehr positiv. Die Anlage läuft wie gewünscht fehlerfrei und kann hoch autonom betrieben werden“, weiß Heber. Konkret können mit der Anlage 120 Flaschenverschlüsse in der Minute geprüft werden.
Auch aufgrund der erfolgreichen Umsetzung dieser Prüfapplikation arbeitet Heber zusammen mit K&S an neuen Bildverarbeitungs- oder 3D-Themen. Die Besonderheit, jede Anlage ist individuell und an die Wünsche der Nutzer angepasst. Ganz nach dem Anspruch von K&S, ein Sondermaschinenbauer zu sein.
