DE102006023745A1 - Verfahren zur Erfassung von Unregelmäßigkeiten an einem Messobjekt - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Erfassung von Unregelmäßigkeiten an einem Messobjekt wie etwa Blister-, Tray- oder Kartonverpackungen oder in bzw. auf diesen Verpackungen platzierte Produkte, bei dem die Oberfläche des Messobjektes von wenigstens einem Lichtbündel aus wenigstens einer Lichtquelle unter einem vorgegebenen Einfallswinkel beleuchtet und die beleuchtete Oberfläche von einer Kamera unter einem vom Einfallswinkel verschiedenen Messwinkel auf einem lichtempfindlichen Sensor abgebildet wird und der Sensor von einer nachgeschalteten, programmgesteuerten Bildverarbeitungs- und Auswerteelektronik abgetastet wird.

Description

  • 1 Einführung
  • Dieses Dokument beschreibt die Anwendung eines Schichtaufnahmeverfahrens in Produkten der scanware electronic GmbH zur Qualitätskontrolle von Blister-, Tray- bzw. Karton-Verpackungen in verschiedensten Verpackungsprozessen (z.B. der Pharma- oder Kosmetikindustrie et al).
  • Es dient der angestrebten Anmeldung eines Patentes für dieses Anwendungsverfahren zugunsten der scanware electronic GmbH
  • Die Verfahrensbeschreibung umfasst die Zielsetzung, das grundlegende Verfahren und vorgesehene Anwendungsfälle.
  • 1.1 Motivation und Zielsetzung
  • In den gegenwärtigen Verpackungsprozessen (Blister, Tray, Karton) werden derzeit in der Regel Qualitätssicherungssysteme (z.B. Hochleistungs-Farbfüllgutkontrollsysteme der scanware) eingesetzt, die auf herkömmlichen optischen Bildgebungsverfahren, elektronischer Bildverarbeitung und Software-gestützter Auswertung basieren. Dies ist für viele Zwecke ein weiterhin ausreichendes Verfahren.
  • Bei Bildern durch diese 2D-Bildaufnahmeverfahren mittels einer getakteten Digital-Kamera und einer diffus streuenden Weisslichtquelle (z.B. LED) ist jedoch unter Umständen der Kontrast zwischen zu kontrollierendem Objekt und seiner Umgebung nicht ausreichend hoch genug, so dass ein nachgelagerter Software-Algorithmus ggfs. nur unzureichende Bildauswertungen durchführen kann.
  • Insbesondere in Blister- und Tray-Verpackungsprozessen kann es dabei durch die Verwendung unterschiedlichster Materalien immer wieder Konstellationen mangelnden Kontrastes geben.
  • Als Beispiele bei Blisterverpackungen seien hierbei vorrangig die gängige Verwendung einer ALU-Bodenfolie (oder auch eines anderen „grauen" Materials) in die ein „graues" bzw. „dunkles" Produkt (z.B. eine graue Tablette) verpackt werden soll.
  • In Tray-Verpackungen könnten z.B. Produkte aus transparentem Glas (z.B. Ampullen) in üblicherweise weiße Kartons verpackt werden.
  • Weitere Verpackungsprobleme (Defekte in Produkten und/oder Verpackungen) sind ebenso mit den bisherigen 2D-Bildaufnahmeverfahren von oben auf das Objekt nicht sicher erkennbar. Dies sind z.B. kongruent übereinanderliegende Produkte, Volumendefekte Produkte bei unveränderter Flächendarstellung oder Defekte in Folien (ohne eingelegtes Produkt).
  • Diese Probleme stellen daher in der Produktion bei der Qualitätssicherung z.B. von Produkten für den Pharma-, Lebensmittel- oder auch Kosmetikbereich bisher ungelöste Mängel dar.
  • Das Ziel der Umsetzung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens und der gewählten Technik ist, oben genannte Defekte an Produkt und Verpackung in den aufgeführten Verpackungsprozessen hinreichend sicher detektieren zu können und zusätzlich auch den Geschwindigkeitsanforderungen von Hochleistungsverpackungsmaschinen zur Verpackung von großen Produktmengen (mit entweder getaktetem oder kontinuierlichen Vorzug) zu genügen.
  • Der Einsatz entsprechender Produkte von scanware ist daher vorrangig für solche Anwendungsfälle vorgesehen, in denen die Erhöhung der Erkennungsleistung bzw. letztlich die Verbesserung der Qualitätssicherung das Ziel ist.
  • 2 Darstellung des Verfahrens
  • Das verwendete und hier näher beschriebene Schichtaufnahme- oder Lichtschnittverfahren beinhaltet i.W. die Generierung eines durch einen Laser-Lichtstrahl generierten 3D-Bildes, das in geeigneter Form elektronisch aufbereitet einer entsprechenden Auswertelogik zugeführt wird.
  • Dieses Schichtaufnahmeverfahren beruht auf dem mathematischen Verfahren der Triangulation aus der Trigonometrie und nutzt als aktives Verfahren technisch eine gebündelte Laserlichtquelle und eine Kamera („Lasertriangulation"). Das abzubildende Objekt wird im Vorzug der Verpackungsmaschine bewegt. Dabei wird in definierten Takten das durch das Laserlicht erzeugte Abbild des Objektes an der Position des jeweiligen Taktes von der Kamera aufgenommen. So entsteht in Schichten ein digitales Gesamtbild des Objektes, das nun von einer speziellen Software hinsichtlich der zu detektierenden Abweichungen untersucht werden kann.
  • 2.1 Mathematische, technische Grundlagen
  • Bei der Lasertriangulation wird ein Laserlichtpunkt auf das Messobjekt projiziert und mit einer Kamera beobachtet. Das Objektiv bildet den Lichtfleck auf den CCD- oder PSD-Sensor ab. Die Verbindung Kamera-Lichtquelle sowie die beiden Strahlen von und zum Objekt bilden hierbei ein Dreieck, daher die Bezeichnung Triangulation.
  • Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Laserprojektor, so ändert sich auch der Winkel unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird sowie die Position seines Abbildes in der Kamera. Eine Verschiebung des Objekts um Dz führt also auch zu einer Verschiebung des Bildes auf dem Sensor. Beim Sensor handelt es sich um ein lichtempfindliches ortsauflösendes optisches Element, das die Position des Lichtpunktes im Bild bestimmt. Aus dieser Bildposition wird die Distanz zwischen Sensor und Objekt berechnet. Aus der Positionsänderung kann mit Hilfe einfacher geometrischer Beziehungen die Entfernung des Objektes vom Laserprojektor berechnet werden.
  • Ein Vorteil der Triangulation ist der Umstand dass es sich um rein trigonometrische Berechnungen handelt. Die Messung kann darum sehr schnell durchgeführt oder wiederholt werden und eignet sich damit auch zur Abstandsmessung an bewegten Objekten.
  • Beim Lichtschnittverfahren wird ein ebenes Lichtbündel auf das zu messende Objekt projiziert. Dieses Lichtbündel erzeugt eine helle Linie auf dem Objekt. Man spricht daher auch von einem „Lichtschnitt". Aus der Blickrichtung des Projektors ist diese Linie exakt gerade. Aus der seitlichen Sicht der Kamera sieht sie man nach dem Prinzip des stereoskopischen Sehens durch die Objektgeometrie deformiert. Die Abweichung von der Geradheit im Kamerabild ist ein Maß für die Objekthöhe. Damit kann die Distanzinformation zu allen Punkten des Musters mit einem einzigen Kamerabild für diesen einen „Lichtschnitt" berechnet werden.
  • Wird das Verfahren nun rasterartig oder kontinuierlich bewegt durchgeführt, kann das Oberflächenrelief mit grosser Genauigkeit bestimmt werden.
  • 2.2 Umsetzung des Verfahrens
  • 2.2.1 Komponenten des Systems
  • Ein System für die Umsetzung des Verfahrens auf Verpackungsmaschinen (für Blister, Trays bzw. Kartons) besteht i.W. aus folgenden Komponenten:
    • • 1 oder 2 Laser als Lichtquelle
    • • 1 CCD-Kamera mit Bildaufbereitungsprogrammen
    • • Auswerteeinheit mit der Bildverarbeitungs- und Auswertelogik
    • • Automatisierungsschnittstellen (z.B. SPS)
  • Zur Umsetzung dieses Verfahrens verwendet scanware je nach Anforderung (z.B. Art zu prüfender Objekte, Verpackungsmaschine) prinzipiell zwei verschiedene Systemkonstellationen.
  • 2.2.1.1 Variante 1: Eine Laser-Lichtquelle von oben und eine Kamera seitlich
  • Bei dieser Variante wird in der Kamera pro Bildaufnahme ein Schnittbild des Objektes über die gesamte Fläche des Kamerasensors erfasst.
  • Dieser Ansatz bietet Kosten- und Geschwindigkeitsvorteile, kann in Abhängigkeit von der Objektform den Nachteil von Schattenbildung haben.
  • 2.2.1.2 Variante 2: Zwei Laser-Lichtquellen seitlich und eine Kamera von oben
  • Bei dieser Variante werden in der Kamera mit einer Bildaufnahme die zwei Schnittbilder des Objektes der beiden Laser-Lichtquellen in je einer Hälfe der aufgeteilten Fläche des Kamerasensors erfasst.
  • Dieser Ansatz bietet ohne größere Zusatzkosten durch die rechnerische Eliminierung von Objektform-bedingten Schatten Vorteile in der Bildqualität und damit eine daraus resultiernde erhöhte Erkennungsleistung. Durch die doppelt notwendig werdende Auswertung (zum rechnerischen Zusammenfügen der beiden Schnittbilder inkl. Schattenelimierung), kann es in der konkreten Anwendung zu Geschwindigkeitsnachteilen kommen.
  • 2.2.2 Prinzipielle Arbeitsweise des Systems
  • Das von scanware umgesetzte Verfahren beinhaltet bei beiden Systemkonstellationen grundsätzlich das zeilenweise Einlesen von einzeln aufgenommenen Bildern von Lichtschnitten eines zu prüfenden Objektes. Dazu wird der Vorzug des Objektes in der Verpackungsmaschine in definierte und mit der Verpackungsmaschine synchronisierte Taktsignale mit festgelegten Start und Endpunkten unterteilt. Bei jedem Takt wird ein Bild aufgenommen. Dadurch wird implizit festgelegt, aus wieviel Zeilen = Lichtschnitten sich das Gesamtbild eines Objektes zusammensetzen soll.
  • Direkt nach der Aufnahme führt eine geschwindigkeits-optimierte Software in der Kamera die Triangulationsberechnungen auf diese einzelnen Lichtschnittbilder durch. Eine spezielle Elektronik (Frame Grabber) übernimmt anschließend zeilenweise die aufgenommenen und aufbereiteten Bilder und speichert sie als Gesamtbild für die Auswertung in einem Zwischenspeicher. Dieses Gesamtbild des Objektes ist im scanware-System nun abgelegt als ein 2D-Bild mit Grauwertstufen (durch die Verwendung von rotem Laser-Licht), die die 3. Dimension (das Höhenrelief des Objektes) repräsentieren.
  • Zur Realisierung der hohen Geschwindigkeitsanforderungen erfolgt nun im scanware-System die Auswertung des Bildes nach speziell hierfür entwickelten Mustererkennungsverfahren (s.u.), um nach der bewährten „Gut"-Philosophie von scanware in kürzesten Zeiten eine Bewertung des Objektes und dessen weitere Behandlung (z.B. Auswurf) zu treffen. Die Mustererkennung setzt sich aus mehreren Prüfalgorithmen, die z.T. Konfigurations-abhängig in einer priorisierten Reihenfolge abgearbeitet werden, und jeweiligen Toleranzvergleichen zusammen.
  • Hierbei werden die eingelesenen Bildaten zunächst einer 2D-Positionserkennung unterzogen um die genaue Lage des jeweiligen Objektes in der Fläche zu bestimmen. Dann folgt über eine Offset-Berechnung die Bestimmung der relativen Höhe zwischen Objekt und dem Referenzboden (z.B. Folie auf dem das Objekt aufliegt). Dies dient dazu, um z.B. Höhenschwankungen des Folienmaterials beim Transport in der Verpackungsmaschine zu kompensieren. Es wird daher keine absolute Vermessung der Maße eines Objektes vorgenommen,
  • In mehreren Iterationsschritten, die jeweils erneut Positonserkennung und Offset einschließen, wird nun das Objektbild mit dem Referenzbild in Deckung gebracht (vektorielle Kongruenzanalyse). Gelingt dies nach einer definierten Zahl von Iterationen und innerhalb krümmungsabhängiger Toleranzbereiche nicht, wird bereits hier davon ausgegangen, dass das Objekt nicht dem Soll entspricht und demzufolge als „Schlecht" bewertet.
  • Der nächste Prüfschritt beinhaltet die Einzelbewertung der Lichtschnitte hinsichtlich ihrer relativen Position zu den Lichtschnitten des Referenzbildes. Sich hierbei ausserhalb von Toleranzen ergebene Abweichungen an den jeweiligen Schnitten führen ebenfalls zu einer „Schlecht"-Bewertung.
  • Im letzten Prüfschritt wird mit Hilfe von 3D-Labelling das Deformationsmaß des Objektbildes in bezug zum Referenzbild bestimmt. Dabei wird für alle 3 Dimensionen eine entsprechende Berechnung durchgeführt, um etwaige Differenzen zu ermitteln. Sind diese innerhalb der Toleranzbereiche wird letztlich das Objekt für „Gut" befunden.
  • Die weitere Steuerung des Systems auf Basis der oben ermittelten Bewertungsergebnisse („Gut", „Schlecht") und der externen Peripherie einschließlich der Kommunikation mit der Verpackungsmaschine ist teilweise konfigurationsabhängig bzw. anlagenspezifisch und entspricht weitestgehend den bereits implementierten Mechanismen in den bestehenden scanware-Systemen, die mit dem herkömmlichen Bildgebungs- und Auswerteverfahren arbeiten (s.o.).
  • 3 Anwendungsfälle
  • Gegenstand der Patentanmeldung ist die Anwendung und die damit verbundene konkrete Umsetzung des allgemein verfügbaren Schichtaufnahmeverfahren in Produkten der scanware electronic GmbH in Zusammenhang mit Verpackungsmaschinen für Blister, Trays und deren zugehörigen Karton-Umverpackungen unter Hochgeschwindigkeitsanfonderungen.
  • Zur Verbesserung der Qualitätssicherung in den jeweiligen Verpackungsprozessen sollen damit einhergehend neben anderen insbesondere folgende Anwendungsfälle abgedeckt werden:
    • • Detektion von bestimmten Foliendefekten wie z.B. eingedrückte Näpfe, Löcher
    • • Detektion von bestimmten Produktdefekten wie z.B. kongruente Doppelbefüllung, horizontaler Bruch, eingedrückte Kapseln, Glasbruch
    • • Detektion von bestimmten Fremdkörpern wie z.B. Unterlegscheiben auf ALU-Folie
    • • Detektion von bestimmten Fülldefekten wie z.B. Lagefehler von Produkten
    • • Erkennung von Prägeschriften wie z.B. Blindenschrift auf Folien, Kartonverpackungen

Claims (13)

  1. Verfahren zur Erfassung von Unregelmäßigkeiten an einem Messobjekt wie etwa Blister-, Tray- oder Kartonverpackungen oder in bzw. auf diesen Verpackungen platzierte Produkte, bei dem die Oberfläche des Messobjektes von wenigstens einem Lichtbündel aus wenigstens einer Lichtquelle unter einem vorgegebenen Einfallswinkel beleuchtet und die beleuchtete Oberfläche von einer Kamera unter einem vom Einfallswinkel verschiedenen Messwinkel auf einem lichtempfindlichen Sensor abgebildet wird, und der Sensor von einer nachgeschalteten, programmgesteuerten Bildverarbeitungs- und Auswerteelektronik abgetastet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteelektronik das von der Bildverarbeitungselektronik vom Messobjekt erzeugte Bild mit einem Referenzbild eines Referenzobjektes verglichen und bei Nicht-Übereinstimmung ein Fehlersignal gesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt relativ zur Lichtquelle in vorgegebener Richtung bewegt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das das Messobjekt gleichmäßig getaktet oder mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit bewegt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung von einer Verpackungsmaschine gesteuert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt von mehreren von der Lichtquelle gleichzeitig erzeugten Lichtpunkten beleuchtet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt von einem ebenen divergenten von der Lichtquelle erzeugten Lichtbündel beleuchtet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt von zwei Lichtquellen beleuchtet wird, deren Lichtbündel einen vorgegebenen Beleuchtungswinkel einschließen, dessen Scheitel sich auf dem Messobjekt befindet, und dass die Kamera längs der Halbierenden des Beleuchtungswinkels angeordnet und das Messobjekt quer zur Halbierenden bewegt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbierende sich senkrecht zur Bewegungsrichtung erstreckt.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer 2D-Positionserkennungseinheit aus eingelesenen 3D-Bilddaten des Messobjekts dessen genaue Lage in der Fläche bestimmt wird, wobei anschließend in einer Boden-Offset-Einheit die relative Höhe zwischen Scheitel des Messobjektes und des Referenzbodens bestimmt wird und danach in einer Pattern-Match-Einheit ein Vergleich mit entsprechenden Daten des Referenzobjekts durchgeführt wird und die Nicht-Übereinstimmung als Fehler gewertet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach Übereinstimmung in einer Lichtschnitt-Positionsbestimmungseinheit eine Einzelbewertung der Lichtschnitte des Messobjektbildes hinsichtlich ihrer relativen Position zu den Lichtschnitten des Referenzobjektes durchgeführt und das Überschreiten einer vorgegebenen Toleranzgrenze als Fehler gewertet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingehaltener Toleranz in einer 3D-Deformationsmaß-Berechnungseinheit das Deformationsmaß des Messobjektbildes in Bezug zum Referenzobjektbild für alle drei Dimensionen bestimmt wird und dass es als ein Fehler gewertet wird, wenn die ermittelten Differenzen einen vorgegebenen Toleranzbereich überschreiten.
  13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesamtbild des Messobjektes als ein 2D-Bild mit Grauwertstufen (durch Verwendung von farbigem, insbesondere rotem Laserlicht), die die Dimensionen repräsentieren, in der Bildverarbeitungselektronik abgelegt wird.
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