VIZUÁLNÍ KONTROLA VRATNÝCH OBAL LINKÁCH
V POTRAVINÁ SKÝCH
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: +420 - 5 - 41 21 11 41, e-mail: {honec, richter, valenta, brambor}@dame.feec.vutbr.cz Obsah: P ijímané zákony o vratných obalech a zp ísn ní hygienických norem nutí výrobce potraviná ských 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 auto i pro tyto ú ely vyvinuli. Klí ová slova: visual quality inspection, glass containers, CCD camera, baverage industry.
1
ÚVOD
Postupný proces zvyšování kvality v potraviná ských provozech související se zp ís ováním hygienických norem vyžaduje využití nových, moderních technologií. Jednou z oblastí, do které již n kolik let velmi intenzivn a s úsp chem pronikají aplikované vid ní postupy využívající po íta ového a nejnov jších výpo etních technologií pro zpracování obrazové informace v reálném ase, je vizuální kontrola v potraviná ském pr myslu.
2
KONTROLA PROVÁD NÁ LOV KEM
Vizuální kontrola istoty a neporušenosti je vyžadována u vratných i nevratných sklen ných i plastových obal bezprost edn p ed jejich napln ním tekutými poživatinami (minerální vody, limonády, pivo, alkoholické nápoje). Pro jednoduchost a názornost se v tomto lánku omezíme na n kolik druh vratných obal , zejména pak na pivní láhve. Dodnes je vizuální kontrola ješt v mnoha provozech provád na lidskými silami, lidským zrakem a využívá lidského rozhodování k diagnostice istoty a kvality. Využití lidských zdroj k takové kontrole má, bohužel, v naprosté v tšin za následek to, že kontrolní schopnost není stoprocentní. Se zvyšujícími
se výkony potraviná ských linek – v sou asné dob standardn okolo 36.000, špi kové linky až 60.000 láhví/hodinu, což je výkon okolo 10, resp. 17 láhví/sekundu – je složité v bec zajistit kontrolu celé produkce a v tšinou není možné a ani není v reálném provozu kontrolován celý povrch láhve. Prakticky je pak kontrola omezována na kvalitu dosedací plochy pro uzáv r, detekci velmi velkých ne istot na dn láhve. Výjime n je kontrolováno i cca 80% bo ní st ny láhve. Takové kontroly provád né lov kem ošet í v tšinu fatálních vad, nejedná se však o spln ní podmínek hygienických norem. Jako další skute nosti, které snižují relevantnost kontroly láhví lidskými silami, je možné uvést únavu pracovník , subjektivnost rozhodování o vy azení láhve a zejména – nulovou kontrolní schopnost p i do asném výpadku lidské síly, protože k zastavení linky a zp tné kontrole p i takových výpadcích podle zkušeností autor nedochází prakticky nikdy.
3
AUTOMATICKÁ KONTROLA
Všechny nedostatky lidského faktoru lze velmi snadno, zaru en , spolehliv , dlouhodob a v porovnání s cenou lidských zdroj i relativn levn ošet it instalací nezávislého automatického vizuálního kontrolního za ízení. V sou asné dob se v t chto za ízeních využívají nejmodern jší pr myslové rychlé CCD kamery jako snímací prvky nahrazující lidské oko. Snímaný obraz je následn
digitáln zpracován a vyhodnocen pomocí aplikovaných metod po íta ového vid ní – v dního oboru, který za sv j velmi dynamický rozvoj v posledním desetiletí vd í mj. i možnosti ov ení vytvo ené teorie v etných pr myslových aplikacích [4], [5]. Ší e kontrolovaných skute ností na láhvi je nesrovnateln vyšší v porovnání s možnostmi lidské kontroly. Standardn je kontrolována kvalita dosedací plochy pro uzáv r a istota dna láhve, obojí se spolehlivostí 100 % u vad velikosti 3x3 mm a v tších, 98 % u vad velikosti 2x1 mm. Detekce menších vad není z praktických d vod 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 st ny láhve a p ípadná kontrola závit u lahví pro závitové uzáv ry.
4
Obr. 2 Schéma uspo ádání kontroly hrdla Pro samotné zpracování je dosedací plocha rozd lena na t i, áste n se p ekrývající oblasti zájmu, ve kterých je možné zvolit rozdílnou citlivost pro vyhodnocení, viz. obr. 3. Více penalizovány jsou nap . vady na vn jším okraji hrdla, protože ze zkušenosti se práv na vn jším okraji vyskytují vady, které jsou kritické pro proces pln ní.
KONTROLA DOSEDACÍ PLOCHY HRDLA
Kontrola dosedací plochy hrdla je kritickou kontrolou, protože každá vada na hrdle, která má za následek net snost obalu a následné znehodnocení obsahu obalu musí být odhalena ješt p ed napln ním láhve. Znehodnocení obsahu je zvlášt výrazné nap . u pln ní alkoholickými nápoj , u kterých hodnota vlastního obsahu mnohonásobn p evyšuje cenu obalu. Kontrolní za ízení je proto, zcela logicky, za azeno v lince za mycí, ale p ed plnicí jednotkou. Snímek dosedací plochy láhve s výrazným defektem, kv li kterému je nutné láhev jednozna n vy adit pak ukazuje obr. 1.
Obr. 3 Rozd lení plochy hrdla na oblasti zájmu 5
KONTROLA NE ISTOT NA DN LÁHVE
Další provád nou kontrolou je kontrola ne istot na dn láhve. Vady, které jsou z etelné p i pr hledu na dn láhve jsou v tšinou ne istoty, které zapadly do láhve. Láhve s takovými vadami jsou automaticky vy azovány, viz. obr. 4. Pro detekci takových vad je láhev prosv tlena zespodu pomocí zdroje homogenního, difúzního sv tla. Protože kontrolní schopnost musí být zaru ena pro n kolik druh láhví, které mají r znou barvu a tedy propustnost sv tla, je expozice snímku korigována údajem z expozimetru, k n muž je informace o intenzit osv tlení v míst snímání p ivedena pomocí optického vlákna (viz. obr. 5).
Obr. 1 Poškozené hrdlo pivní láhve Hrdlo je osv tleno pomocí speciáln zkonstruovaného osv tlení, využívá se odrazu sv tla od povrchu dosedací plochy hrdla. Jakákoliv nepravidelnost geometrického tvaru v obraze je v reálném ase vyhodnocena jako vada. Uspo ádání snímací optické soustavy pro kontrolu dosedací plochy ukazuje obr. 2.
Obr. 4 Vada na dn pivní láhve
zaru eno, že ne istoty na st n nejménm v jednom pohledu.
jsou viditelné
Obr. 5 Schéma uspo ádání kontroly dna P i vyhodnocování snímku je oblast dna op t rozd lena, obdobn jako u hrdla, na dv p ekrývající se oblasti zájmu – jednou je vnit ní ást dna, druhou je ást okrajová, ve které se vyskytuje vroubkování a v níž jsou práv kv li vroubkování použity speciální, složit jší vyhodnocovací postupy. Jako rušivý faktor, který nelze spolehliv kompenzovat p i snímání obrazu a je tedy kompenzován až p i zpracování obrazu, se projevuje rozdílná tlouš ka materiálu na jediném výrobku. P i zpracování obrazu je pak nutné ošet it možné nesprávné vyhodnocení takového objektu. Typickým p íkladem je k iv nalité dno láhve, tvo ící optický klín. Rozdíly v tlouš ce mohou dosahovat u n kterých láhví až n kolik mm. Projevem k iv nalitého dna je pak dvojice p esv tleného a nedosv tleného okraje dna, která je v obraze umíst na symetricky v i st edu (viz. obr. 6).
Obr. 7 Schéma uspo ádání kontroly st ny
Obr. 8 Znázorn ní pohybu láhve v kontrolním za ízení p i kontrole st ny Stejným zp sobem jako u kontroly dna musí být upravována expozice snímku pro láhve s r znou propustností – intenzita osv tlení je m ena v n kolika podech a podle nam ených hodnot se koriguje expozice snímku tak, aby výsledný snímek byl nep eexponovaný nebo nepodexponovaný a aby v n m byly i drobné vady jasn z etelné, viz. obr. 9. Díky rozdílné tlouš ce materiálu však ani u takto kompenzované expozice není výsledný snímek optimální a na n kterých láhvích je možné nalézt tmavší a sv tlejší místa odpovídající v tšímu nebo menšímu množství sklen né hmoty v daném míst , viz. obr.10.
Obr. 6 Láhev s k iv nalitým dnem 6
KONTROLA NE ISTOT NA ST N LÁHVE
Kontrola ne istot na st n láhve je provád na jako vícenásobná, kdy se celý inspek ní proces rozd lí na dv ásti. První snímací jednotka kontroly st ny se nachází na vstupu kontrolního za ízení, druhá, totožná, na jeho výstupu. Jednotka sestává z velké prosv tlovací desky, viz. obr. 7, a soustavy zrcadel, díky kterým je na jednom snímku láhev viditelná ze dvou úhl , viz. obr. 8. Ve vlastním za ízení je láhev unášena p ítla nými pásy, jejichž pohyb je uzp soben tak, aby se láhev p i p esunutí ze vstupu na výstup stroje pooto ila okolo své osy o 90 °, viz. obr. 8. Tímto je, spolu se dv ma vícenásobnými snímacími jednotkami na vstupu a na výstupu,
a) b) c) Obr. 9 Snímek st ny získaný p i r zné intenzit osv tlení, a) p eexponovaný, b) podexponovaný, c) optimální vzhledem k rozlišení detail
Následné vyhodnocení pak sestává op t z rozd lení povrchu celé láhve na n kolik oblastí zájm , v nichž jsou provád ny specifické kontroly a pro n ž je možné nastavit specifickou citlivost vyhodnocení, viz. obr. 10. Vady jsou hledány, obdobn jako u kontroly ne istot na dn , jako tmavé oblasti o ur ité velikosti. Kontrolu komplikují oblasti od eného skla v horní a spodní ásti láhve, které vznikají vzájemným narážením láhví o sebe p i pohybu v potraviná ské lince. Tyto musí být také specificky vyhodnoceny, v p ípad , že je shledáno od ení v tší než ur ená mez, je láhev vyhodnocena jako vadná.
7
KONTROLA ZÁVIT
T žišt kontroly závit pro šroubovací uzáv ry je v navržení takové optické soustavy, která maximálním zp sobem zjednoduší samotný kontrolní proces. Používané optické soustavy zobrazují závit jako oblast tvaru mezikruží, která je zobrazena p i snímání shora do blízkosti dosedací plochy hrdla, viz. obr. 12.
Obr. 10 Oblasti zájm na st n láhve U vyhodnocení istoty st ny láhve jsou standardn vy azovány láhve s vadou o velikosti cca 3x3 mm a v tší, což vyhovuje hygienickým normám jak v eské republice, tak v zemích Evropské unie. P ísn jší kontrola vad až do velikosti 1x1 mm je vyžadována jen výjime n . P i kontrole st ny se pak lze p i vyhodnocení setkat s jednou skute ností, která prakticky znemož uje kontrolu istoty, a tou jsou reliéfní výlisky ve skle st ny, viz. obr. 11. Nov navrhované sklen né obaly jsou však již ve v tšin p ípad navrhovány jako hladké na celém povrchu – hlavním d vodem jsou práv kamerové kontroly ne istot na st n láhví. P íkladem m že být v eské Republice používaný tvar pivní láhve NRW 0,5 l, u kterého bylo již p i jeho zavád ní a vým n za starý tvar EURO 0,5 l po ítáno s budoucími kamerovými kontrolami. Tvar NRW 0,5 l se vyzna uje p ísnou unifikací tvaru, p ísnými požadavky na barvu láhve a homogenitu materiálu a jednotným tvarem dosedací plochy pro uzáv r.
Obr. 11 Vzorky sklen ných obal výlisky v horní ásti st ny
s reliéfními
Obr. 12 Kontrola závitu láhve Samotné zpracování a vyhodnocení potom sestává z transformace obrazu z polárních sou adnic do kartézských. Šroubovicový tvar závitu je tak p eveden na p ímkový (úse kový). Poté je možná snadná detekce poškozené nebo chyb jící ásti závitu mnohem jednoduššími (a tedy spolehliv jšími) metodami zpracování obrazu.
8
P ÍKLAD APLIKACE
Výše zmín né poznatky a zkušenosti byly použity p i vývoji a realizaci inspek ního za ízení BTCAM 612 využívajícího programovatelných CCD kamer MODICAM 612 [2], [3] pro kontrolu sklen ných láhví a sklenic v potraviná ském pr myslu [1]. Inspek ní za ízení 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 36000 láhví/hod. Samotná povaha úlohy (kontinuální p ísun lahví) vyžaduje zpracování snímk v reálném ase. Na provedení klasifikace (kontrola hrdla, dna, p ípadn st ny i závit ) jedné láhve je tedy k dispozici výpo etní as o délce 100 ms. Pot ebného výpo etního výkonu je dosaženo vhodnou distribucí
úlohy na výpo etní jednotky se signálovými procesory ady TMS320Cx. Pokud za ízení detekuje vadnou láhev, dojde k automatickému vy azení této láhve z výrobní linky. Obsluha je informována o po tu dobrých a špatných láhví. Na obslužné obrazovce je možné zobrazovat snímky jak špatných, tak i dobrých láhví z linky, viz. obr. 13.
REFERENCE [1] Honec J., Honec P., Petyovský P., Valach S., Brambor J.: Transparent materials optical inspection methods, 13th International Conference On Process Control ’01, Štrbské Pleso, Slovakia, June 2001, ISBN 80-227-1542-5 [2] Honec J., Richter M., Valenta P., Zem ík P.: Programable CCD camera, 12th Conference Process Control ’99, vol.1, str. 165 – 168, Tatranske Matliare, May 1999, ISBN 80-2271228-0 [3]
Honec J., Valenta P.: CCD kamery v prumyslovych aplikacich (CCD cameras in industrial applications). Research. Dolni Lomna, 8 - 10 September, 1998, ISBN 80-7078-563-2
[4] Honec J., Richter M.: Prumyslove aplikace pocitacoveho videni (Industrial Applications of Computer Vision). FIRST CZECHAUSTRIAN AUTOMATION DAYS, Brno, 2 and 3 April, 1998, ISBN 80-214-1163 Obr. 13 Obslužná obrazovka kontrolního systému ZÁV R V lánku jsou popsány nové p ístupy kontroly vratných obal v potraviná ských provozech, jsou popsány hlavní oblasti zájmu p i takových kontrolách a problémy, se kterými se konstrukté i takových kontrolních za ízení potýkají. Vlastní kontrola istoty a neporušenosti vratných obal je pln automatická a využívá nejnov jší výpo etní technologie a poznatky z oblasti po íta ového vid ní. Je popsán systém BTCAM 612, který auto i navrhli a spolehliv odzkoušeli v n kolika provozech s r znými podmínkami a r znými typy láhví.
[5] Honec J., Valenta P.: Pocitacove videni v technickych aplikacich (Computer vision in technical applications). TRANSFER 98, Praha, 8 and 9 June, 1998
