DE10134714A1

DE10134714A1 - Verfahren und Anordnung zur optischen Inspektion von näherungsweise zylinderförmigen Objekten in der Produktionslinie

Info

Publication number: DE10134714A1
Application number: DE2001134714
Authority: DE
Inventors: Robert Massen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-22
Filing date: 2001-07-22
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Anordnung beschrieben zur berührungslosen Oberflächeninspektion von Produkten mit einer näherungsweise zylinderförmigen Gestalt. Hierbei wird das Produkt vereinzelt in seiner Längsrichtung auf zwei eng benachbarte, sich mit der gleichen Geschwindigkeit drehende, ortsfeste Walzen, welche ebenfalls in Längsrichtung angeordnet sind, übergeben, und das Produkt gleichzeitig in Rotation und in eine Längsbewegung entlang der Längsrichtung der Walzen versetzt. Ein zeilenförmig abtastender, ebenfalls in Längsrichtung ausgerichteter Sensor erfasst den Bildbereich zwischen den Walzen und tastet die gesamte Abwicklung der Oberfläche einmal oder mehrfach ab, während sich das Produkt rotierend und linear bewegend durch sein Bildfeld hindurch bewegt. Nach einer rechnergesteuerten Auswertung der Sensorsignale kann das Produkt in mehrere Klassen eingestuft und mechanisch aussortiert werden.

Description

Die optische Inspektion von Produkten mit einer näherungsweisen zylinderförmigen Gestalt in der Produktionslinie wie z. B. die Kontrolle der Oberfläche von Lebensmitteln (Kartoffeln, Möhren, Rüben, . . .), von Holzprodukten (Stifte, Bleistifte. . .) usw. mit Hilfe von bildgebenden Sensoren wie Kameras, Scanner usw. erfordert eine geeignete Zuführung der Produkte in einer Weise, welche es erlaubt, die gesamte Oberfläche des Produktes in der Bewegung zu erfassen. Bei der optischen Kontrolle und Sortierung von beispielsweise Kartoffeln ist es bekannt, diese im fallenden Schüttstrom mit Hilfe von Zeilenkameras beidseitig zu beobachten (Fa. Sortex Ltd, UK-London) oder aber auf einem transparenten Band liegenden beidseitig zu erfassen (Fa. Key Technology, USA Walla Walla). Durch diese Art der Zuführung wird die Oberfläche zwangsläufig nur an einer Stelle unter einem optimalen Winkel, nämlich senkrecht zur Oberfläche erfasst. Alle anderen Teile werden unter einem Winkel welcher kleiner als 90 Grad ist erfasst und liefern insbesondere bei der Beobachtung mit Farbkameras und bei einer in der Regel nicht ideal matten Oberfläche starke Fehler in der Intensität, der Sättigung sowie Glanzstellen bei feuchter Oberfläche. Diese Fehler sind dann besonders gross, wenn die optische Achse der Kamera die zu erfassende Oberfläche nur streift.
Es ist aus DE 44 19 461 A1 bekannt, gebrauchte Batterien in einem Rollengang drehend an einer Zeilenkamera vorbeizuführen und über einen mitdrehenden Spiegel das Blickfeld der Zeilenkamera immer im Scheitelpunkt, d. h. senkrecht zur Oberfläche, zu halten und damit die gesamte Abwicklung des Zylindermantels genau zu erfassen. Diese optisch wesentlich bessere Art der Zuführung und Abtastung ist allerdings durch eine relativ komplizierte Scan- Spiegelanordnung und den dadurch hohen Preis gekennzeichnet.
Es besteht daher ein Bedarf an einem kostengünstigen Verfahren der Zuführung und optischen Abtastung von Produkten mit näherungsweise zylindrischer Form dergestalt, dass die gesamte Abwicklung der Obertfläche des sich durch die optische Abtastenrichtung bewegenden Produktes genau erfasst wird.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass Produkte mit einer zumindest näherungsweise zylinderförmigen Gestalt vereinzelt und entlang ihrer Längsrichtung übergeben werden auf eng benachbarte, ortsfeste aber um ihre Achse drehende Walzen, welche ebenfalls in Längsrichtung des übergebenden Produktes angeordnet sind, dass das Produkt durch diese Walzen gleichzeitig in Rotation und in eine Längsbewegung entlang der Längsrichtung der Walzen versetzt wird, dass mindestens ein zeilenförmig abtastender, ebenfalls in Längsrichtung ausgerichteter Sensor den vom Produkt durchlaufenden Bereich zwischen und entlang des Spaltes zwischen den Walzen bildgebend erfasst, dass die Abwicklung der Produktoberfläche einmal oder mehrfach während der Rotations- und Linearbewegung abgetastet wird, die Bildsignale in einem Rechner ausgewertet werden und hieraus Qualitätsmerkmale bestimmt werden.
Der Erfindungsgedanke sei beispielhaft aber nicht einschränkend anhand der Oberflächeninspektion von geschälten Kartoffeln erklärt. Hierbei werden folgenden Abbildungen zur Erklärung verwendet:
Fig. 1 zeigt die ungünstigen optischen Verhältnisse bei den bekannten Abtastverfahren, bei welchen die Kartoffeln im freien Fall oder auf einem transparenten Band liegend beidseitig beobachtet werden
Fig. 2 zeigt die erfindungsgemässe Anordnung zur Erklärung des Verfahrens
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführung in der Seitenansicht
Fig. 3 zeigt beispielhaft das ausgewertete Bild der Mantelabwicklung der Kartoffel
Die genaue optische Erfassung einer Oberfläche verlangt bei realen, d. h. nicht ideal matten und flachen Oberflächen eine Betrachtung, bei welcher keine Glanzstellen, Schattenzonen usw. auftreten. Insbesondere bei dem gewählten Beispiel von geschälten, noch etwas nassen Kartoffeln bedeutet dies, dass soweit als möglich die optische Achse der Kamera, wie in Fig. 1 -1- gezeigt, die Oberfläche unter einem Winkel alpha = 90 Grad treffen soll. Wird der Kartoffelstrom im freien Fall oder auf einem Band liegend erfasst, so treten zwangsläufig ungünstige Verhältnisse auf, bei welchen der Winkel beta wesentlich kleiner oder grösser als 90 Grad ist. Hierdurch treten häufig direkte Reflexionen in die Pupille des Kameraobjektivs und Schattenzonen auf. Insbesondere bei der Beobachtung mit farbtüchtigen Sensoren, aber auch mit Sensoren, welche ausserhalb des sichtbaren Bereiches arbeiten, welche optische Effekte wie die lokale Polarisation, die Fluoreszenz, den lokalen Lichthof einer konzentrierten Beleuchtung bildgebend erfassen, entstehen in diesen Bildzonen grosse Abweichungen, welche nicht von den zu erfassenden Eigenschaften der Produktoberfläche herrühren sondern lediglich durch die ungünstigen Winkelverhältnisse bestimmt werden. Dies führt zu Fehlklassifikationen auch wenn ein Teil der Effekte teilweise algorithmisch korrigiert werden kann. Insbesondere, wenn die Zylinderform wie bei dem Naturprodukt Kartoffel nur ungefähr und nur mit grosser Produktvarianz existiert, sind solche algorithmischen Korrekturen nur sehr ungenau durchzuführen.
Erfindungsgemäss wird nach Fig. 2 ein Verfahren beschrieben, welches es gestattet, mit raumfesten, zeilenförmig abtastenden Bildsensoren wie Zeilenkameras, Abtaster, zeilenförmige Anordnungen diskreter optischer Sensoren die gesamte Abwicklung der Oberfläche der in Längsrichtung vereinzelt transportierten näherungsweise als zylinderförmig zu betrachtenden Kartoffel zu erfassen, mit Verfahren der Bildverarbeitung auszuwerten und die Ergebisse zur Einstufung in Qualitätsklassen und zur Sortierung zu verwenden. Der Anwendungsbereich "Kartoffelsortierung" steht hierbei stellvertretend für alle näherungsweise zylinderförmigen Produkte, sei es aus dem Bereich der Lebensmittel oder anderer natürlicher oder technischer Produkte.
Die Kartoffel -1- wird vereinzelt in Längsrichtung auf eine Abordnung von mindestens zwei rotierenden Walzen -2- und -3- übergeben. Diese Walzen befinden sich in einem Abstand, welcher so gross gewählt ist, dass die Kartoffel nicht durchfällt, dass aber die beobachtende Zeilenkamera -4- durch den Spalt ungehindert einen Hintergrund -5- erfasst, welcher optisch so gestaltet ist, dass er sich kontrastreich von der zu inspizierenden Oberfläche der Kartoffel unterscheidet. Dies kann beispielhaft bei Verwendung von Farbzeilenkameras dadurch geschehen, dass der Hintergrund aus einer blauen Leuchte besteht, deren Farbe so gewählt ist, dass sie sich immer von der Farbe der Kartoffel unterscheidet.
Die Gestaltung des Hintergrundes kann auch durch eine zur Kartoffel unterschiedliche Textur geschehen. Der Hintergrund kann passiv oder aktiv sein; er kann konstant oder elektronisch oder mechanisch veränderbar sein. Diese Verfahren sind alle dem Fachmann der Bildverarbeitung bekannt.
Die beiden Walzen drehen sich gleichsinnig mit der gleichen Umdrehungsgeschwindigkeit und versetzen die Kartoffel durch Reibungskräfte ebenfalls in eine Rotation um deren Längsachse. Gleichzeitig sind spiralförmige Strukturen -6- auf den Walzen aufgebracht, welche die Kartoffel während der Drehung um ihre Längachse in Längsrichtung der Walzen transportieren. Diese Linearbewegung kann auch durch eine Neigung der Walzen wie in Fig. 3 gezeigt, in Richtung der Gravitationskraft unterstützt oder bewirkt werden. Sie kann auch durch eine allmähliche Vergrösserung des Spaltes zwischen den Walzen oder durch eine konische Walzenform erreicht werden. Die Umdrehungsgeschwindigkeit und die Lineargeschwindigkeit sind so gewählt, dass sich die Kartoffel innerhalb der zeilenförmigen Beobachtungszone -8- der Zeilenkamera mindestens einmal um die Längsachse gedreht hat.
Die beobachtende Zeilenkamera erfasst daher wie in Fig. 4 gezeigt ein Bild der gesamten Manteloberfläche der Kartoffel wobei die ersten Zeilenaufnahmen -5-, -6- und -7- im Beispiel im linken Bildrand und die letzten Aufnahmen im rechten Bildrand aufgenommen werden. Die Abwicklung stellt damit innerhalb des von der Zeilenkamera aufgenommenen Bildes einen streifenförmigen Bereich -1- dar, in dem sich die gesamte Oberfläche einmal oder mehrmals abbildet. Die eigentliche Bildverarbeitung bestimmt diese Zone zeilenweise anhand des Kontrastes zum Hintergrund -2- und wertet nur diese Zone aus, um Oberflächenfehler wie z. B. Faulstellen -3- zu erkennen. Aus der mittleren Breite -4- der Zone lässt sich die Kartoffellänge errechnen, aus der Länge des Streifens bei bekannten Umdrehungs- und Vorschubgeschwindigkeiten näherungsweise der Durchmesser.
Die Aussortierung kann nach Fig. 3 durch Ausblasen oder Ausstossen der Kartoffel am Ende der Walzenstrecke in eine oder mehrere Auswurfrichtungen -1- entsprechend den bestimmten Qualitätsklassen geschehen.
Das beschriebene Verfahren und die Anordnung zeichnen sich durch eine Reihe von deutlichen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik aus:

a) es wird die gesamte Manteloberfläche (Abwicklung) des Produktes erfasst
b) der Zeilensensor erfasst die Oberfläche immer unter einem optimalen senkrechten Winkel
c) der Zeilensensor ist raumfest und benötigt keine komplizierten bildnachführenden Elemente wie Galvanometerspiegel usw.
d) durch die Wahl der Bildweite des Zeilensensor, der Rotations- und Lineargeschwindigkeit des Produktes kann die Oberfläche mehrfach abgetastet werden und damit statistische Verfahren zur Mehrbildauswertung eingesetzt werden
e) die Übergabe, mechanische Anordnung und die möglichen Auswurfmechanismen sind sehr einfach und kostengünstig.

Selbstverständlich gilt das erfindungsgemässe Verfahren und die Anordnung nicht nur für die Inspektion von Kartoffeln, sondern für alle natürlichen und technischen Produkte, welche näherungsweise zylinderförmig sind. Die erfassenden Bildsensoren sind lediglich beispielhaft durch eine Zeilenkamera beschrieben. Sämtliche berührungslos bildgebend abtastende Sensoren wie CCD- und CMOS Sensoren, IR- und IR Sensoren, durchdringende Röntgensensoren, Anordnungen von mehreren Matrixsensoren in Umfangsrichtung und/oder in Längsrichtung, Laserscanner usw. können erfindungsgemäss zur Abtastung eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren und Anordnung zur Oberflächeninspektion von Produkten mit Hilfe von bildgebenden Sensoren, dadurch gekennzeichnet dass Produkte mit einer zumindest näherungsweise zylinderförmigen Gestalt vereinzelt und entlang ihrer Längsrichtung übergeben werden auf eng benachbarte, ortsfeste aber um ihre Achse drehende Walzen, welche ebenfalls in Längsrichtung des übergebenden Produktes angeordnet sind, dass das Produkt durch diese Walzen gleichzeitig in Rotation und in eine Längsbewegung entlang der Längsrichtung der Walzen versetzt wird, dass mindestens ein zeilenförmig abtastender, ebenfalls in Längsrichtung ausgerichteter Sensor den vom Produkt durchlaufenden Bereich zwischen und entlang des Spaltes zwischen den Walzen bildgebend erfasst, dass die Abwicklung der Produktoberfläche einmal oder mehrfach während der Rotations- und Linearbewegung abgetastet wird, die Bildsignale in einem Rechner ausgewertet werden und hieraus Qualitätsmerkmale bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Produkt am Ende der Bilderfassungszone und aufgrund der bestimmten Qualitätsmerkmale mechanisch und/oder pneumatisch in Qualitätsklassen aussortiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die rotierenden Walzen spiralförmige mechanische Strukturen aufzeigen, welche das Objekt durch Übertragung von Reibungskräften gleichzeitig in eine rotierende und lineare Bewegung entlang seiner Längsachse versetzen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet dass dass der Spalt zwischen den beiden Walzen in Längsrichtung der Produktbewegung allmählich grösser wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet dass die Walzen konisch geformt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die rotierenden Walzen in Richtung der Gravitationskraft geneigt sind, um die Linearbewegung durch Gravitation zu unterstützen.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass die bildgebenden Sensoren physikalische Eigenschaften der Oberfläche im Bereich der sichtbaren und unsichtbaren Wellenlängen erfassen.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet dass der von den bildgebenden Sensoren erfasste Hintergrund so gestaltet ist, dass er sich kontrastreich von den erfassten physikalischen Eigenschaften der Produktoberfläche unterscheidet.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet dass die bildgebenden Sensoren physikalische Eigenschaften des Inneren des Produktes mit Hilfe durchdringender Strahlung erfassen.