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Flascheninspektion mit Smart Camera

Bild 1. Die Smart Camera „LSIS 412i“ von Leuze Electronic ist prädestiniert für die Kontrollaufgaben im Flachmann-Inspektor von Küppersbusch

Bild 2. Im kompakten Gehäuse der Smart Camera sind alle notwendigen Komponenten integriert: Beleuchtung, Bildverarbeitung, Bild- und Programmspeicher, Display und Ergebnisanzeige sowie Schnittstellen

Bild 3a und 3b. Im Durchlichtverfahren wird der Füllstand als dunkle Linie sichtbar, hervorgerufen durch die Lichtbrechung an der Flüssigkeitsoberfläche

Bevor Flaschen zur Auslieferung gelangen, müssen der Füllstand sowie der richtige Sitz von Etiketten und Verschlüssen kontrolliert werden. Mehr oder weniger transparente Flaschen und Flüssigkeiten, hohe Durchlaufgeschwindigkeiten sowie eine raue, meist feuchte Industrieumgebung stellen anspruchsvolle Rahmenbedingungen an die Sensorik sogenannter Flaschen-Inspektionsanlagen. Der Maschinenbauer Küppersbusch setzt auf Smart Cameras von Leuze Electronic. Sie sind mit ihrer Blob-Analyse prädestiniert, mehrere Merkmale in Sekundenbruchteilen zu prüfen. Einsatzort für die Flaschen-Inspektionsanlagen ist unter anderem die Kornbrennerei Wilhelm Büchter.

Küppersbusch entwickelt und produziert seit 1972 Füllmaschinen für flüssige bis pastöse Produkte, Verschließ- und Etikettiermaschinen sowie Endkontrollsysteme. Automatisierte Mess- und Prüfsysteme, wie Flascheninspektoren für den Bereich der Qualitätssicherung, runden ihr Maschinen- und Anlagenprogramm ab. Wie die meisten dort konzipierten Anlagen werden auch diese den jeweiligen Kundenanforderungen angepasst. Grundlage bilden dabei bewährte Module. „Dennoch entwickeln wir immer neue Ideen, um die Qualität und Leistungsfähigkeit unserer Anlagen zu verbessern“, erläutert Geschäftsführer Jochen Küppersbusch. Mit dieser Zielsetzung wurde auch ein Inspektor für die Endkontrolle von 0,2-l-Taschenflaschen mit Spirituosen, sogenannte Flachmänner, entwickelt. Die Kernkomponente hierbei ist ein Kamera-Kontrollsystem auf Basis der Smart Camera LSIS 412i von Leuze Electronic (Bild 1 und 2). Sie prüft mehrere Merkmale gleichzeitig.

Herausforderung transparente Flaschen und Flüssigkeiten
Der neue Flascheninspektor ist für eine Kapazität von 10 000 Flaschen pro Stunde, also knapp drei Flaschen in der Sekunde, ausgelegt. In dieser Zeit ist zu kontrollieren, ob die Füllmenge stimmt, die Etiketten vorhanden und die Flaschen richtig verschlossen sind. „Vor allem die klaren Flüssigkeiten in transparenten Flaschen stellen besondere Anforderungen“, erklärt Klaus Voigt, der bei Küppersbusch für Entwicklung, Konstruktion und Inbetriebnahme verantwortlich ist. Insgesamt reicht das Spektrum der im Wechsel zu kontrollierenden Produkte von ganz klaren, durchsichtigen über diffus bräunliche bis hin zu fast undurchsichtigen Spirituosen. Für diese Anforderungen ist die Smart Camera die ideale Lösung, vor allem aufgrund ihrer integrierten Blob-Analyse (Binary Large Object) mit pixelgenauer Auswertung.

Kompakt mit hoher Funktionsvielfalt
Die Smart Cameras sind mit leistungsstarker Kameratechnologie ausgeführt und ermöglichen somit eine schnelle Qualitätssicherung und Identifikation. Im kompakten Gehäuse vereinen sie Beleuchtung, Bildverarbeitung, Bild- und Programmspeicher, Display, Ergebnisanzeige sowie Schnittstellen. Damit lassen sie sich gut auch unter beengten Platzverhältnissen in Maschinenkonzepte integrieren. Zudem eignet sich die LSIS-Baureihe aufgrund ihrer industrie-tauglichen Ausführung für den Einsatz in rauer und feuchter Umgebung, wie sie in der Getränkeproduktion vorherrscht.
Besondere Kamera-Highlights stellen darüber hinaus die motorische Fokusverstellung und die von Leuze Electronic entwickelte homogene Beleuchtung dar. Durch die motorische Fokusverstellung werden auch Applikationen mit variierenden Kameraabständen erschlossen, wie sie sich beispielsweise durch unterschiedliche Flaschengrößen ergeben. Die entsprechende Fokuseinstellung erfolgt automatisch über die Programmauswahl und muss bei einem Sortenwechsel nicht manuell durchgeführt werden. Außerdem ist so die optimale Einstellung reproduzierbar gewährleistet.
Ebenfalls qualitätsrelevant ist die integrierte Beleuchtung. Anstatt wie üblich nur LED zu verwenden, hat der Sensorspezialist hierfür zusätzlich eine eigene Optik entwickelt. Sie liefert ein rechteckig, intensiv und gleichmäßig ausgeleuchtetes Bildfeld, das in einer Entfernung von 50 mm bis 250 mm zum Prüfobjekt besonders homogen ist. Für Kontrollaufgaben im Durchlichtverfahren, die im Fall der Flachmanninspektion notwendig ist, lässt sich die integrierte Beleuchtung ausschalten und durch eine externe Lichtquelle ersetzen (Bild 3a und 3b). „Damit erkennen wir auch bei klaren Flüssigkeiten in transparenten Flaschen die Füllstände“, erklärt K. Voigt. Der Füllstand ist als dunkle Linie sichtbar, die über die Bewertungskriterien der intelligenten Blob-Analyse sicher erkennbar ist.

Analyseverfahren erfasst auch schwappende Flüssigkeiten
Die „Binary Large Object“-Analyse, der bei Küppersbusch verwendeten Gerätevariante LSIS 412i trägt dazu bei, dass die gestellten Kontrollaufgaben prozesssicher realisiert werden können. Ein sogenanntes Blob kennzeichnet einen zusammenhängenden Bereich von Bildpunkten (Pixel), deren Lichtintensität zwischen definierten Grenzwerten liegt. Durch Einstellung von Blob-Merkmalen lassen sich einzelne Objekte oder Objektgruppen anhand ihrer geometrischen Merkmale sicher erkennen und unterscheiden. Die an Küppersbusch gestellten Aufgaben, beispielsweise die Erkennung der Etiketten, der Verschlüsse sowie der dunklen Füllstandslinie, sind typische Aufgaben einer solchen Analyse. Zur Bewertung von Objekten werden verschiedene Kriterien, wie Fläche, Umfang, Formfaktor sowie Höhe bzw. Breite, Länge, Winkel und Mittelpunkt, herangezogen. Eine Fläche ist beispielsweise die Summe der in einem Blob eingeschlossenen Pixel, gegebenenfalls sogar einschließlich möglicher Freiflächen innerhalb des Blobs. Ein Umfang wird über die Länge der äußeren Konturlinie eines Blobs in Pixel definiert. Die leistungsfähige Analyse bietet die Möglichkeit, diverse Erkennungsmerkmale zusammenzufassen und mit einer Einstellung alle Flüssigkeits- und Flaschenvarianten abzudecken. „Die Erkennung funktioniert so gut, dass selbst bei schwappender Flüssigkeit der Füllstand prozesssicher erfasst wird“, ergänzt K. Voigt.

Einfache Parametrierung
Neben der Funktionssicherheit der Smart Camera freut sich K. Voigt über die einfache Parametrierung, die er über den Webbrowser durchführte. Dank der Parametrieroberfläche „webConfig“ ist die Installation einer speziellen Software auf einem separaten Rechner nicht notwendig. Der Zugang zum Gerät erfolgt via Ethernet.

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Autor: Dipl.-Ing. (FH) Werner Partl ist als Produktmanager Bildverarbeitung im Geschäftsbereich Logistik der Leuze Electronic GmbH & Co. KG in Owen tätig.