VIZUÁLNÍ KONTROLA VRATNÝCH OBAL V POTRAVINÁSKÝCH LINKÁCH

Transkript

1 VIZUÁLNÍ KONTROLA VRATNÝCH OBAL V POTRAVINÁSKÝCH LINKÁCH Honec J., Richter M., Valenta P., Brambor J. Department of Control, Measurement and Instrumentation, Faculty of Electrical Engeneering and Communication Technology, Technical University of Brno, Czech Republic fax: , {honec, richter, valenta, brambor}@dame.feec.vutbr.cz Obsah: Pijímané zákony o vratných obalech a zpísnní hygienických norem nutí výrobce potravináských linek vybavovat tyto automatickými systémy pro kontrolu poškození a istoty obal. V lánku se popisují zvláštnosti takových systém a zkušenosti se systémem BTCAM 612, který autoi pro tyto úely vyvinuli. Klíová slova: visual quality inspection, glass containers, CCD camera, baverage industry. 1 ÚVOD Postupný proces zvyšování kvality v potravináských provozech související se zpísováním hygienických norem vyžaduje využití nových, moderních technologií. Jednou z oblastí, do které již nkolik let velmi intenzivn a s úspchem pronikají aplikované postupy využívající poítaového vidní a nejnovjších výpoetních technologií pro zpracování obrazové informace v reálném ase, je vizuální kontrola v potravináském prmyslu. 2 KONTROLA PROVÁDNÁ LOVKEM Vizuální kontrola istoty a neporušenosti je vyžadována u vratných i nevratných sklenných i plastových obal bezprostedn ped jejich naplnním tekutými poživatinami (minerální vody, limonády, pivo, alkoholické nápoje). Pro jednoduchost a názornost se v tomto lánku omezíme na nkolik druh vratných obal, zejména pak na pivní láhve. Dodnes je vizuální kontrola ješt v mnoha provozech provádna lidskými silami, lidským zrakem a využívá lidského rozhodování k diagnostice istoty a kvality. Využití lidských zdroj k takové kontrole má, bohužel, v naprosté vtšin za následek to, že kontrolní schopnost není stoprocentní. Se zvyšujícími se výkony potravináských linek v souasné dob standardn okolo , špikové linky až láhví/hodinu, což je výkon okolo 10, resp. 17 láhví/sekundu je složité vbec zajistit kontrolu celé produkce a vtšinou není možné a ani není v reálném provozu kontrolován celý povrch láhve. Prakticky je pak kontrola omezována na kvalitu dosedací plochy pro uzávr, detekci velmi velkých neistot na dn láhve. Výjimen je kontrolováno i cca 80% boní stny láhve. Takové kontroly provádné lovkem ošetí vtšinu fatálních vad, nejedná se však o splnní podmínek hygienických norem. Jako další skutenosti, které snižují relevantnost kontroly láhví lidskými silami, je možné uvést únavu pracovník, subjektivnost rozhodování o vyazení láhve a zejména nulovou kontrolní schopnost pi doasném výpadku lidské síly, protože k zastavení linky a zptné kontrole pi takových výpadcích podle zkušeností autor nedochází prakticky nikdy. 3 AUTOMATICKÁ KONTROLA Všechny nedostatky lidského faktoru lze velmi snadno, zaruen, spolehliv, dlouhodob a v porovnání s cenou lidských zdroj i relativn levn ošetit instalací nezávislého automatického vizuálního kontrolního zaízení. V souasné dob se v tchto zaízeních využívají nejmodernjší prmyslové rychlé CCD kamery jako snímací prvky nahrazující lidské oko. Snímaný obraz je následn

2 digitáln zpracován a vyhodnocen pomocí aplikovaných metod poítaového vidní vdního oboru, který za svj velmi dynamický rozvoj v posledním desetiletí vdí mj. i možnosti ovení vytvoené teorie v etných prmyslových aplikacích [4], [5]. Šíe kontrolovaných skuteností na láhvi je nesrovnateln vyšší v porovnání s možnostmi lidské kontroly. Standardn je kontrolována kvalita dosedací plochy pro uzávr a istota dna láhve, obojí se spolehlivostí 100 % u vad velikosti 3x3 mm a vtších, 98 % u vad velikosti 2x1 mm. Detekce menších vad není z praktických dvod vyžadována. Funkcemi, které jsou dále využívány a vyvíjeny, ale jejichž nasazení do linky závisí zejména na druhu provozu a požadavku zákazníka, je stoprocentní, vícenásobná kontrola stny láhve a pípadná kontrola závit u lahví pro závitové uzávry. Obr. 2 Schéma uspoádání kontroly hrdla Pro samotné zpracování je dosedací plocha rozdlena na ti, ásten se pekrývající oblasti zájmu, ve kterých je možné zvolit rozdílnou citlivost pro vyhodnocení, viz. obr. 3. Více penalizovány jsou nap. vady na vnjším okraji hrdla, protože ze zkušenosti se práv na vnjším okraji vyskytují vady, které jsou kritické pro proces plnní. 4 KONTROLA DOSEDACÍ PLOCHY HRDLA Kontrola dosedací plochy hrdla je kritickou kontrolou, protože každá vada na hrdle, která má za následek netsnost obalu a následné znehodnocení obsahu obalu musí být odhalena ješt ped naplnním láhve. Znehodnocení obsahu je zvlášt výrazné nap. u plnní alkoholickými nápoj, u kterých hodnota vlastního obsahu mnohonásobn pevyšuje cenu obalu. Kontrolní zaízení je proto, zcela logicky, zaazeno v lince za mycí, ale ped plnicí jednotkou. Snímek dosedací plochy láhve s výrazným defektem, kvli kterému je nutné láhev jednoznan vyadit pak ukazuje obr. 1. Obr. 3 Rozdlení plochy hrdla na oblasti zájmu 5 KONTROLA NEISTOT NA DN LÁHVE Další provádnou kontrolou je kontrola neistot na dn láhve. Vady, které jsou zetelné pi prhledu na dn láhve jsou vtšinou neistoty, které zapadly do láhve. Láhve s takovými vadami jsou automaticky vyazovány, viz. obr. 4. Pro detekci takových vad je láhev prosvtlena zespodu pomocí zdroje homogenního, difúzního svtla. Protože kontrolní schopnost musí být zaruena pro nkolik druh láhví, které mají rznou barvu a tedy propustnost svtla, je expozice snímku korigována údajem z expozimetru, k nmuž je informace o intenzit osvtlení v míst snímání pivedena pomocí optického vlákna (viz. obr. 5). Obr. 1 Poškozené hrdlo pivní láhve Hrdlo je osvtleno pomocí speciáln zkonstruovaného osvtlení, využívá se odrazu svtla od povrchu dosedací plochy hrdla. Jakákoliv nepravidelnost geometrického tvaru v obraze je v reálném ase vyhodnocena jako vada. Uspoádání snímací optické soustavy pro kontrolu dosedací plochy ukazuje obr. 2. Obr. 4 Vada na dn pivní láhve

3 zarueno, že neistoty na stn jsou viditelné nejménm v jednom pohledu. Obr. 5 Schéma uspoádání kontroly dna Pi vyhodnocování snímku je oblast dna opt rozdlena, obdobn jako u hrdla, na dv pekrývající se oblasti zájmu jednou je vnitní ást dna, druhou je ást okrajová, ve které se vyskytuje vroubkování a v níž jsou práv kvli vroubkování použity speciální, složitjší vyhodnocovací postupy. Jako rušivý faktor, který nelze spolehliv kompenzovat pi snímání obrazu a je tedy kompenzován až pi zpracování obrazu, se projevuje rozdílná tlouška materiálu na jediném výrobku. Pi zpracování obrazu je pak nutné ošetit možné nesprávné vyhodnocení takového objektu. Typickým píkladem je kiv nalité dno láhve, tvoící optický klín. Rozdíly v tloušce mohou dosahovat u nkterých láhví až nkolik mm. Projevem kiv nalitého dna je pak dvojice pesvtleného a nedosvtleného okraje dna, která je v obraze umístna symetricky vi stedu (viz. obr. 6). Obr. 7 Schéma uspoádání kontroly stny Obr. 8 Znázornní pohybu láhve v kontrolním zaízení pi kontrole stny Stejným zpsobem jako u kontroly dna musí být upravována expozice snímku pro láhve s rznou propustností intenzita osvtlení je mena v nkolika podech a podle namených hodnot se koriguje expozice snímku tak, aby výsledný snímek byl nepeexponovaný nebo nepodexponovaný a aby v nm byly i drobné vady jasn zetelné, viz. obr. 9. Díky rozdílné tloušce materiálu však ani u takto kompenzované expozice není výsledný snímek optimální a na nkterých láhvích je možné nalézt tmavší a svtlejší místa odpovídající vtšímu nebo menšímu množství sklenné hmoty v daném míst, viz. obr.10. Obr. 6 Láhev s kiv nalitým dnem 6 KONTROLA NEISTOT NA STN LÁHVE Kontrola neistot na stn láhve je provádna jako vícenásobná, kdy se celý inspekní proces rozdlí na dv ásti. První snímací jednotka kontroly stny se nachází na vstupu kontrolního zaízení, druhá, totožná, na jeho výstupu. Jednotka sestává z velké prosvtlovací desky, viz. obr. 7, a soustavy zrcadel, díky kterým je na jednom snímku láhev viditelná ze dvou úhl, viz. obr. 8. Ve vlastním zaízení je láhev unášena pítlanými pásy, jejichž pohyb je uzpsoben tak, aby se láhev pi pesunutí ze vstupu na výstup stroje pootoila okolo své osy o 90, viz. obr. 8. Tímto je, spolu se dvma vícenásobnými snímacími jednotkami na vstupu a na výstupu, a) b) c) Obr. 9 Snímek stny získaný pi rzné intenzit osvtlení, a) peexponovaný, b) podexponovaný, c) optimální vzhledem k rozlišení detail

4 Následné vyhodnocení pak sestává opt z rozdlení povrchu celé láhve na nkolik oblastí zájm, v nichž jsou provádny specifické kontroly a pro nž je možné nastavit specifickou citlivost vyhodnocení, viz. obr. 10. Vady jsou hledány, obdobn jako u kontroly neistot na dn, jako tmavé oblasti o urité velikosti. Kontrolu komplikují oblasti odeného skla v horní a spodní ásti láhve, které vznikají vzájemným narážením láhví o sebe pi pohybu v potravináské lince. Tyto musí být také specificky vyhodnoceny, v pípad, že je shledáno odení vtší než urená mez, je láhev vyhodnocena jako vadná. 7 KONTROLA ZÁVIT Tžišt kontroly závit pro šroubovací uzávry je v navržení takové optické soustavy, která maximálním zpsobem zjednoduší samotný kontrolní proces. Používané optické soustavy zobrazují závit jako oblast tvaru mezikruží, která je zobrazena pi snímání shora do blízkosti dosedací plochy hrdla, viz. obr. 12. Obr. 10 Oblasti zájm na stn láhve U vyhodnocení istoty stny láhve jsou standardn vyazovány láhve s vadou o velikosti cca 3x3 mm a vtší, což vyhovuje hygienickým normám jak v eské republice, tak v zemích Evropské unie. Písnjší kontrola vad až do velikosti 1x1 mm je vyžadována jen výjimen. Pi kontrole stny se pak lze pi vyhodnocení setkat s jednou skuteností, která prakticky znemožuje kontrolu istoty, a tou jsou reliéfní výlisky ve skle stny, viz. obr. 11. Nov navrhované sklenné obaly jsou však již ve vtšin pípad navrhovány jako hladké na celém povrchu hlavním dvodem jsou práv kamerové kontroly neistot na stn láhví. Píkladem mže být v eské Republice používaný tvar pivní láhve NRW 0,5 l, u kterého bylo již pi jeho zavádní a výmn za starý tvar EURO 0,5 l poítáno s budoucími kamerovými kontrolami. Tvar NRW 0,5 l se vyznauje písnou unifikací tvaru, písnými požadavky na barvu láhve a homogenitu materiálu a jednotným tvarem dosedací plochy pro uzávr. Obr. 11 Vzorky sklenných obal s reliéfními výlisky v horní ásti stny Obr. 12 Kontrola závitu láhve Samotné zpracování a vyhodnocení potom sestává z transformace obrazu z polárních souadnic do kartézských. Šroubovicový tvar závitu je tak peveden na pímkový (úsekový). Poté je možná snadná detekce poškozené nebo chybjící ásti závitu mnohem jednoduššími (a tedy spolehlivjšími) metodami zpracování obrazu. 8 PÍKLAD APLIKACE Výše zmínné poznatky a zkušenosti byly použity pi vývoji a realizaci inspekního zaízení BTCAM 612 využívajícího programovatelných CCD kamer MODICAM 612 [2], [3] pro kontrolu sklenných láhví a sklenic v potravináském prmyslu [1]. Inspekní zaízení je navrženo jako autonomní a je tedy možné jej zakomponovat jak do stávajících, tak do nov projektovaných provoz. Je konstruováno pro provoz s maximálním výkonem láhví/hod. Samotná povaha úlohy (kontinuální písun lahví) vyžaduje zpracování snímk v reálném ase. Na provedení klasifikace (kontrola hrdla, dna, pípadn stny i závit) jedné láhve je tedy k dispozici výpoetní as o délce 100 ms. Potebného výpoetního výkonu je dosaženo vhodnou distribucí

5 úlohy na výpoetní jednotky se signálovými procesory ady TMS320Cx. Pokud zaízení detekuje vadnou láhev, dojde k automatickému vyazení této láhve z výrobní linky. Obsluha je informována o potu dobrých a špatných láhví. Na obslužné obrazovce je možné zobrazovat snímky jak špatných, tak i dobrých láhví z linky, viz. obr. 13. Obr. 13 Obslužná obrazovka kontrolního systému ZÁVR REFERENCE [1] Honec J., Honec P., Petyovský P., Valach S., Brambor J.: Transparent materials optical inspection methods, 13 th International Conference On Process Control 01, Štrbské Pleso, Slovakia, June 2001, ISBN [2] Honec J., Richter M., Valenta P., Zemík P.: Programable CCD camera, 12 th Conference Process Control 99, vol.1, str , Tatranske Matliare, May 1999, ISBN [3] Honec J., Valenta P.: CCD kamery v prumyslovych aplikacich (CCD cameras in industrial applications). Research. Dolni Lomna, 8-10 September, 1998, ISBN [4] Honec J., Richter M.: Prumyslove aplikace pocitacoveho videni (Industrial Applications of Computer Vision). FIRST CZECH- AUSTRIAN AUTOMATION DAYS, Brno, 2 and 3 April, 1998, ISBN [5] Honec J., Valenta P.: Pocitacove videni v technickych aplikacich (Computer vision in technical applications). TRANSFER 98, Praha, 8 and 9 June, 1998 V lánku jsou popsány nové pístupy kontroly vratných obal v potravináských provozech, jsou popsány hlavní oblasti zájmu pi takových kontrolách a problémy, se kterými se konstruktéi takových kontrolních zaízení potýkají. Vlastní kontrola istoty a neporušenosti vratných obal je pln automatická a využívá nejnovjší výpoetní technologie a poznatky z oblasti poítaového vidní. Je popsán systém BTCAM 612, který autoi navrhli a spolehliv odzkoušeli v nkolika provozech s rznými podmínkami a rznými typy láhví.