3-D-Bildverarbeitung ermöglicht automatisiertes Verpacken von Mozzarellabeuteln

Käsekugeln fest im Blick

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Mehr als 70 000 t Mozzarella werden derzeit jährlich gekäst, verpackt, verkauft und verzehrt. Doch die beliebten weißen Käsekugeln sind sensibel und verderben schnell. Deshalb ist selbst bei der primärverpackten Ware ein sehr schonendes Handling gefordert. Das Bildverarbeitungssystems IVC-3D sorgt dafür, dass die Pick-and-Place-Roboter die dünnen Schlauchbeutel bei ihrer zügigen Arbeitsweise nicht zerdrücken.

Bisher wurden die mit Mozzarellakugeln in Salzlake gefüllten Schlauchbeutel von Hand eingepackt oder in Umverpackungen geschüttet, z. B. in Kartons. Bei den aktuellen Stückzahlen ist das Verpacken von Hand inzwischen keine Option mehr. Und auch die Schüttgutvariante hat einen Nachteil: Der Stauraum in den Kartons wird nicht optimal genutzt und die Beutel können sich mit ihren scharfen Verschlusskanten gegenseitig beschädigen.

Mehr Mozzarellabeutel schneller und gleichzeitig produktschonend zu verpacken, hat sich das Unternehmen A+F Automation + Fördertechnik zum Ziel gesetzt. Zusammen mit der Vision-Technologie von Sick haben die Ingenieure aus Kirchlengern dafür eine zeitgemäße Lösung erarbeitet: Eine Einpackzelle mit 3-D-Bildverarbeitungssystem und Pickroboter. Damit der glänzende und weiche Schlauchbeutel präzise und zuverlässig gegriffen werden kann, setzte A+F auf das modulare Maschinenkonzept Flexopac und adaptierte es auf die Verpackungsanforderungen der Mozzarellabeutel.
Die Dritte Dimension überzeugt
Flexopac ist ein modularer Baukasten für verschiedenste Verpackungsanwendungen im mittleren Leistungsbereich. Die Maschine gruppiert Portionsbecher, Tiefziehschalen, Beutel oder Blister mithilfe eines vierachsigen Delta-3-Roboters in Kartons. Auch für bereits sekundärverpackte Produkte bietet der Packer eine sehr gute Verpackungslösung: So können neben Trays und Wrap-around-Kartons auch Schachteln mit Deckel und zweiteilige Trays verpackt werden. Je nach Kartonzuführung erreicht der Packer eine Leistung von bis zu 40 Kartons (einbahnig), bzw. bis zu 70 Kartons (zweibahnig) pro Minute.
Zunächst prüften die Konstrukteure gemeinsam mit einem Systemintegrator, ob eine Adaption mit 2-D-Kameras für die Mozzarellaverpackungsanlage realisierbar ist. Die Experten waren sich einig, dass die Beutel mit einer 2-D-Kamera nur schwer oder gar nicht, auf keinen Fall jedoch zuverlässig erkennbar sind. Denn das glänzende Verpackungsmaterial und die unterschiedlichen Positionen der Mozzarellakugeln in den jeweiligen Schlauchbeuteln sind für 2-D-Kameras zu komplex, sodass die Objekterkennung mit einer klassischen 2-D-Kamera ohne viele Voreinstellungen nicht möglich ist. Damit das System den Mozzarellabeutel zuverlässig erkennt, muss der Anwender sich überlegen, auf welches Merkmal die Kamera achten und was konkret erkannt werden soll. Für den Entwickler stellen sich dann die Fragen: Wie definiere ich das? Ist das Erkennungsmerkmal für das Kamerasystem unter allen Bedingungen konstant gut zu erkennen? „Gegebenenfalls braucht man fünf verschiedene Programme für das gleiche Produkt, nur weil sich das Dekor unterscheidet“, beschreibt Dipl.-Ing. Joachim Bergmeyer, Leiter Forschung und Entwicklung A+F, seine Erfahrungen.
Im nächsten Schritt testeten die Konstrukteure die Smartkamera IVC-3D von Sick für Prüfungen und Messungen in drei Dimensionen und waren von ihr überzeugt.
„Der große Vorteil dieser 3-D-Kamera ist, dass sie sofort jedes Produkt erkennt, das ihr unter die Linse kommt. Auf diese Weise bekommen sie gleich ein Ergebnis und müssen das Bildverarbeitungssystem nicht erst individuell auf das zu erkennende Objekt konfigurieren.
Nicht zu hoch und nicht zu tief
Die IVC-3-D-Kamera erkennt alle Objekte auf dem Transportband anhand ihrer Höhenunterschiede zum Untergrund. Dieser kann bei den Mozzarellabeuteln zwischen 4 und 44 mm betragen. Das Bildverarbeitungssystem filtert die Kontur der Schlauchbeutel heraus, ermittelt deren Schwerpunkt und Hauptachse. Anschließend sendet es die Datensätze in einem einfachen, störsicheren Protokoll an die Steuerung. Diese verarbeitet die Daten weiter und meldet dem Pick-Roboter die exakte Position der einzelnen Beutel. Der Picker greift sich die Mozzarellapackung unabhängig von seiner Lage auf dem Transportband und legt sie im gewünschten Winkel und Muster in den Karton ab. Der Pick-and-Place-Roboter ist dafür ausgelegt, 150 Beutel pro Minute von zwei gleichlaufenden Bahnen nacheinander zu greifen und zu verpacken. Die Waren können dabei auch chaotisch zugeführt werden. Nach fünf Packschemata verpackt der Roboter die Mozzarellabeutel mit 125, 250 oder 400 g in drei unterschiedliche Kartons.
„Wir sehen, dass der rechteckige Greiferarm immer mittig auf das Produkt fährt. Das klappt sehr zuverlässig“, erläutert Dipl.-Ing. Sascha Barkei, Software Engineering A+F. „Auch die Höheninformationen werden präzise übermittelt. Der Roboter fährt nicht zu tief oder zu hoch und das, obwohl die Mozzarellakugel unterschiedliche Positionen im Beutel einnehmen kann. Der Greifer passt sich auf jeden einzelnen Schlauchbeutel an. Auch unterschiedlich große Mozzarellaverpackungen können so auf einer Verpackungslinie gleichzeitig verarbeitet werden.“
Smarte All-in-one-Lösung
Die 3-D-Kamera IVC-3D wird zur Inspektion, Lokalisierung und Messung von Objekten eingesetzt, um den Durchsatz zu erhöhen, die Produktion zu kontrollieren und die Qualität zu sichern. Applikationen, die früher auf komplizierte Kamera- und Beleuchtungstechnik angewiesen waren, können nun einfach mit dieser Kamera gelöst werden. Das vorkalibrierte 3-D-Bildverarbeitungssystem vereint Bildaufnahme, Beleuchtung und Analyse in einem einzigen Gerät. Dank Lasertriangulation kann IVC-3D drei Dimensionen erfassen. Oberflächenschäden können während der Bildaufnahme mit Tools erkannt werden, die unabhängig von Kontrast und Farbe, Höhen-, Volumen- und Konturmessungen vornehmen. Dadurch können ehemals schwierige Messaufgaben einfach gelöst werden. Die 3-D-Kamera kann unkompliziert über eine Bedienschnittstelle am PC konfiguriert werden und verfügt über serielle Schnittstellen und Ethernetschnittstellen. Danach wird für den Betrieb der Kamera kein PC mehr benötigt.
Das Koordinatensystem des 3-D-Bildverarbeitungssystems kann mithilfe des interaktiven Werkzeugs im IVC-Studio einfach auf das des Roboters abgestimmt werden. Auf diese Weise ist es für die Kamera möglich, die notwendigen Koordinaten der einzelnen Objekte an den Roboter zu liefern. So ist sichergestellt, dass der Greifer die Position der einzelnen Waren genau bestimmt und sie präzise und zuverlässig packen kann. Qualitätseinbußen und Maschinenstillstände werden dadurch vermieden.

Andreas Zimmermann
Key Account Manager Commercial Goods, Sick Vertrieb

Michael Salzwedel
Solutions EngineeringMachine Vision, Sick Vertrieb


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