Getränkeindustrie: HALCON prüft Aufdrucke von Flaschenverschlüssen schnell und zuverlässig
Nahrungsmittel | Blob-Analyse | Kalibrierung | MatchingDie industrielle Bildverarbeitung bietet in der Qualitätssicherung enorme Vorteile. In der Praxis sind hohe Genauigkeit und Geschwindigkeit sowie hohe Flexibilität wichtig. Die K&S Anlagenbau GmbH hat eine solche Applikation für die Getränkeindustrie mit Hilfe des Beratungsunternehmens Computer Vision Solutions umgesetzt. Zum Einsatz kommt dabei die Machine Vision Software MVTec HALCON.
Die Produktion von Flaschen und Verschlüssen in der Getränkeindustrie ist hochgradig automatisiert. Denn: Es müssen schnell und zuverlässig große Mengen produziert werden. „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. Wir setzen dazu auf standardisierte Tools, mit denen wir zuverlässig und schnell reproduzierbare Produkte herstellen 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 Automatisierungslösungen für die Elektro-, Automobil-, Medizin- und Konsumgüterindustrie. Zusammen mit dem Beratungsunternehmen Computer Vision Solutions Consulting & Research hat das Unternehmen eine Applikation zur Qualitätsprüfung für Getränkeflaschenverschlüsse entwickelt.
Maximum an Flexibilität bei einem Minimum an Maschinen-Stopps für die Getränkeindustrie
Die Herausforderung 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. „Nur wenn der Kunde wenig Aufwand bei der Wartung der Anlage hat, bringt die Automatisierung den entscheidenden Mehrwert“, weiß Dr. Heber. In der neu entwickelten Anlage wird die Qualitätskontrolle inline durchgeführt. Dazu nimmt die Kamera ein Bild des zu prüfenden Flaschenverschlusses auf. Dieses wird mithilfe der Algorithmen der Bildverarbeitungssoftware MVTec HALCON kontrolliert.
Die Herausforderung bei der Druckbildkontrolle lag einerseits in der Variabilität der Druckbilder und andererseits in der Anforderung, dem Anlagenbediener ein übersichtliches Bedienkonzept zu bieten. 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 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. Wir mussten sicherstellen, dass die Software vorab trainiert wird, um jederzeit die richtige Entscheidung zu treffen“, erklärt Dr. Heber. Zum Trainieren wird das Bild eines OK-Drucks 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 davon noch als „OK" gelten.
Grafische Benutzeroberfläche und MVTec HALCON als zentrale Bestandteile
Eine wichtige Komponente der Anlage ist die grafische Benutzeroberfläche (GUI). In dieser kann man die gesamte Anlage überblicken sowie Änderungen und Konfigurationen des Prozesses vornehmen.
Die Anforderung an die GUI war, dass sie dynamisch unterschiedliche Apps darstellen kann, welche sowohl über die GUI als auch über SPS gesteuert werden können. In der fertigen Anlage können nun verschiedene Anzeigeoptionen, Konfigurationsmodi sowie unterschiedliche User-Levels eingestellt werden. Das heißt, es ist auch möglich, Rechte zu vergeben und so festzulegen, welcher Mitarbeiter welche Tätigkeiten ausführen darf. Auch Fehlerbehebung oder Anpassungen, beispielsweise zum Prüfen eines anderen Drucks, können über die GUI vorgenommen werden.
Eine andere zentrale Komponente ist HALCON von MVTec. HALCON wird mittels HDevEngine in die Software von K&S Control integriert. „HALCON ist der Industrie-Standard im Bereich Bildverarbeitungssoftware und ist nicht auf ein paar wenige Algorithmen beschränkt“, erklärt Dr. Heber. Die HDevEngine fungiert als Interpreter, der zum dynamischen Laden und Ausführen der Bildverarbeitungsalgorithmen konzipiert ist. Außerdem ermöglicht sie es, Änderungen in den Bildverarbeitungsprozessen "on the fly" vorzunehmen, ohne dass die gesamte Anwendung neu zusammengestellt werden müsste. Dabei wirkt die HDevEngine im Hintergrund. Bediener der Anlage haben kaum oder gar keine Berührungspunkte damit. Denn sie bedienen die Anlage über die ihnen vertraute GUI.
Software für Machine Vision perfekt für automatisierte Prozesse
Die Machine-Vision-Software HALCON sorgt für robuste, hohe Erkennungsraten. Sie beinhaltet nicht nur die HDevEngine, sondern auch viele Bildverarbeitungsmethoden, die für die Kontrolle der Druckbilder herangezogen werden. In der konkreten Applikation kommen Matching-Technologien, die Klassifizierung sowie die Blob-Analyse zum Einsatz. Dabei greifen die drei Technologien wie folgt ineinander: Nachdem das Bild von einer Kamera eingezogen worden ist, lokalisiert das Shape-based Matching zunächst den Aufdruck im Bild – subpixelgenau und nahezu in Echtzeit. Dafür wird das im Vorfeld trainierte Druckbild mit dem eingezogenen Bild abgeglichen. Dies funktioniert auch dann, wenn der Druck rotiert, skaliert, perspektivisch verzerrt, teilweise überdeckt bzw. außerhalb des Bildes liegt oder 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. 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.
Finden die beschriebenen Bildverarbeitungstechnologien einen Fehler, wird dieser in der GUI angezeigt. Der entsprechende Bereich wird 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 aber noch weiter. 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 mit, und das Bauteil wird automatisch ausgeschleust“, erklärt Dr. Heber. Die Kommunikationsprotokolle OPC-UA und PROFINET ermöglichen den durchgängigen Datenaustausch der verschiedenen Komponenten innerhalb der Anlage. So kann die vollständige Automatisierung erreicht werden.
Anlage erfüllt Anforderungen an automatisierte Qualitätskontrolle
„Die Rückmeldungen, die wir vom Kunden erhalten haben, waren sehr positiv. Die Anlage läuft fehlerfrei und kann hoch autonom betrieben werden“, weiß Dr. Heber. Konkret können mit der Anlage 120 Flaschenverschlüsse in der Minute geprüft werden.