DE10359781B4

DE10359781B4 - Vorrichtung zur Inspektion von Leergut-Gebinden

Info

Publication number: DE10359781B4
Application number: DE2003159781
Authority: DE
Inventors: Kurt Ackermann
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: DE10359781A1

Abstract

Vorrichtung zur Inspektion von kastenartigen Leergut-Gebinden (110), die auf einer Transportvorrichtung (120) in Transportrichtung befördert werden, umfassend eine oberhalb der Transportvorrichtung positionierte Lichtquelle (130), die Lichtstrahlen erzeugt, die in einer Lichtebene (140; 340) liegen, und eine oberhalb der Transportvorrichtung angeordnete Kamera (170), die das vom jeweiligen Gebinde reflektierte Licht wenigstens teilweise aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (160, 260, 360) vorhanden ist, die eine Bewegung wenigstens eines Teils der Lichtebene (150; 340) um eine quer zur Transportrichtung und parallel zur Ebene der Transportvorrichtung ausgerichtete Achse ermöglicht, so dass der bewegte Teil der Lichtebene das jeweils zu inspizierende Gebinde mit einer quer zur Transportrichtung verlaufenden Lichtlinie von oben entlang der Transportrichtung wenigstens teilweise überstreicht und über seine gesamte Breite beleuchtet, wodurch Licht von dem jeweiligen Gebinde reflektiert wird, und die Kamera eine quer zur Transportrichtung der Gebinde ausgerichtete Zeilenkamera (170) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Inspektion von Leergut-Gebinden, die auf einer Transportvorrichtung befördert werden.
In vielen Abfüllbetrieben wird vermischtes oder verunreinigtes Leergut angeliefert. Das behindert den Warenfluss und senkt die Effizienz der gesamten Produktionslinie. Daher ist es sinnvoll, eine effektive Eingangskontrolle der Gebinde (Kasten und Flaschen) durchzuführen und fehlerhafte Gebinde auszuschleusen, um einen störungsfreien Leerguteinsatz zu gewährleisten. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung dienen zur Inspektion von Leergut-Gebinden auf die Vollständigkeit des Gebindes, auf die darin enthaltene Flaschensorte und Fremdflaschen, quer- oder längsliegende oder umgestülpte Flaschen, auf eventuell vorhandene Beschädigungen der Flaschen, Vorhandensein eines Verschlusses, auf Fremdkörper zwischen oder auf den Flaschen, sowie auf die Kastengeometrie und Kastenbeschädigungen, insbesondere des Gebinderandes.
Im derzeit bekannten Verfahren zur Leergutkontrolle werden die einlaufenden Gebinde auf Abstand gebracht und mit Hilfe eines Förderbands durch eine Inspektionsstation geleitet. Dort werden Gebinde, die von der voreingestellten Norm abweichen, falsche Flaschen oder Fremdkörper enthalten, erkannt und ausgeschleust, korrekte Gebinde werden der weiteren Verarbeitung zugeleitet. In einer solchen zum Stand der Technik gehörenden Inspektionsstation werden derartige Kontrollen mit Hilfe von Ultraschall sowie mit Lichttastern vollzogen, die in einer Messbrücke enthalten sind. Die Lichttaster bestehen aus einem Lichtstrahlsender sowie einem Empfänger und arbeiten nach dem Triangulationsverfahren, bei dem aufgrund sowohl des Abstandes der Lichttaster vom Gebinde als auch des Abstandes des Senders und des Empfängers untereinander, ein Höhen-Schwellenwert (Triangulationspunkt) definiert wird. Objekte die niedriger als der Triangulationspunkt liegen, werden nicht erfasst und somit ignoriert, liegen sie höher, dann befinden sie sich im Sende- und Empfangskegel und werden als Objekt erkannt.
Nachteilig wirkt sich bei der Leergutkontrolle mit Hilfe von Ultraschall und Lichttastern aus, dass die Taster auf unterschiedliche Gebindeformate entsprechend einzustellen sind, was bei einem Sortenwechsel hohen mechanischen Justieraufwand bedeutet. Die Messbrückenhöhe und die Tasterpositionen sind jeweils zu kontrollieren. Bei gleichzeitiger Mehrgebindeverarbeitung sind den unterschiedlichen Gebindeformaten entsprechend viele Lichttaster notwendig, um alle Rand- und Fremdgegenstandskontrollen zu realisieren. Weiterhin wirkt sich nachteilig aus, dass zum Beispiel der Gebinderand nicht zentriert werden kann, sondern nur in einem starren Erwartungsfenster, das durch die Messbrückenanordnung bestimmt ist, kontrolliert wird. Da viele Gebinde aus produktionstechnischen Gründen nicht immer sauber ausgerichtet auf dem Band stehen, kommt es deshalb zu störenden Fehlausleitungen. Weiterhin werden oberhalb der Querstege liegende Fremdgegenstände nicht erkannt.

In der EP 0 174 549 B1 wird eine Vorrichtung zur Erkennung und Registrierung von Flaschen beschrieben, welche eine Lichtquelle, die einen geraden Lichtbalken in einer feststehenden Ebene aussendet, und eine CCD Kamera mit Flächensensor beinhaltet. Diese Methode ist bei Transportgeschwindigkeiten der Flaschen bis zu 0,15 m/s anwendbar.

Die in dieser Druckschrift gezeigte Vorrichtung zur Leergut-Kontrolle hat den Nachteil, nur geringe Transportgeschwindigkeiten der Objekte zu ermöglichen. Nachteilig wirkt sich dabei insbesondere die Verwendung einer Flächen-Matrixkamera aus, weil der aus zweidimensional angeordneten Pixeln bestehende Bildsensor nach der Belichtung über ein horizontales Register zeilenweise ausgelesen wird, und der Sensor während des Auslesevorgangs keine Bilder aufnehmen kann. Dadurch entstehen unerwünschte Lücken in der Beobachtung von schnell bewegten Objekten.

Angesichts dieser Nachteile liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine schnelle und zuverlässige Leergutgebinde-Kontrolle ermöglicht, insbesondere ohne Justieraufwand bei einem Sortenwechsel, mit der Möglichkeit einer Mehrgebindeverarbeitung mit nur einer Vorrichtung, mit einer Zentrierbarkeit des Gebinderandes und mit sicherer Fremdgegenstandserkennung.

Das zuvor genannte Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Inspektion von Leergut-Gebinden, die auf einer Transportvorrichtung befördert werden, mit einer Lichtquelle, die Lichtstrahlen erzeugt, die in einer Lichtebene liegen, einer Einrichtung, die eine Bewegung wenigstens eines Teils der Lichtebene ermöglicht, so dass der bewegte Teil der Lichtebene das jeweils zu inspizierende Gebinde wenigstens teilweise überstreicht und beleuchtet, wodurch Licht von dem jeweiligen Gebinde reflektiert wird, und mit einer Zeilenkamera, die das vom jeweiligen Gebinde reflektierte Licht wenigstens teilweise aufnimmt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Inspektion von Leergut-Gebinden, die auf einer Transportvorrichtung (z.B. Förderband, Transporteur) befördert werden, basiert auf dem Triangulationsprinzip. Dabei erzeugt eine Lichtquelle Lichtstrahlen, in der Art, dass sich ein schmales Lichtband ergibt, wenn die Lichtstrahlen auf eine ebene Fläche treffen.

Die Gesamtheit dieser Lichtstrahlen wird Lichtebene genannt, die mittels einer Einrichtung bewegbar ist und das Gebinde wenigstens teilweise überstreicht, wodurch die Oberfläche des Gebindes im Schnitt mit der Lichtebene als Konturlinie ausgeleuchtet wird. Aus dem Schnitt der Kameraebene mit der Lichtebene resultiert eine Linie, welche wiederum geschnitten mit der Oberfläche des Gebindes dann die beleuchteten Punkte ergibt, die von der Kamera registriert werden.

Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine CCD Zeilenkamera, vorzugsweise eine monochromatische Zeilenkamera, die das vom zu inspizierenden Gebinde abgestrahlte Licht aus dem Schnittbereich der Aufnahmeebene der Zeilenkamera mit der bewegten Lichtebene aufnimmt. Durch Triangulation wird die Höhe der aufgenommenen beleuchteten Bereiche des Gebindes ermittelt. Die Schnittlinie der Aufnahmeebene der Zeilenkamera mit der Lichtebene muss dabei im allgemeinen Fall nicht auf konstanter Gebindehöhe verlaufen und kann einen beliebigen Winkel mit der Transportrichtung bilden. Ebenso können die Aufnahmeebene der Zeilenkamera und die Lichtzeilenebene eine beliebige Lage im Raum einnehmen, nur der Schnittbereich der Aufnahmeebene der Zeilenkamera mit der Lichtebene soll zumindest teilweise im Raumbereich des jeweils zu inspizierenden Gebindes verlaufen.

Die Lichtebene wird von einer genügend hellen Lichtquelle erzeugt. Die Aufweitung bzw. Auffächerung eines dünnen Lichtstrahlbündels zu einer Lichtebene kann z.B. durch eine Zylinderlinse erfolgen. Bei ausgedehnteren Lichtquellen ist auch der Einsatz von Masken mit einer Aussparung in Form eines Schlitzes im Strahlengang praktikabel.

Eine monochromatische Zeilenkamera hat einen Sensor, der aus einer einzigen Reihe von lichtempfindlichen Bildelementen (Pixeln) besteht. Dadurch erhält man eine Abbildung des Objektes aus einer Schnittebene durch das Objekt. Die Werte der einzelnen Bildpunkte werden pixelweise in ein parallel angeordnetes, horizontales Register ausgelesen und in digitale Werte umgewandelt. Diese lassen sich dann speichern und weiterverarbeiten. Bei einer Farbzeilenkamera sind drei Pixel-Reihen nebeneinander angeordnet, jeweils eine für die entsprechende Grundfarbe (RGB).

Die Anzahl der Bildelemente bestimmt die Auflösung der Zeilenkamera. Die zum Zeitpunkt der Anmeldung verfügbaren Modelle haben eine Auflösung zwischen 128 und 10680 Pixeln, eine Kantenlänge der Bildpunkte von 7, 10 oder 14 μm und eine Sensorlänge zwischen etwa 2,5 bis 60 mm. Die Rate mit der die einzelnen Bildpunkte ausgelesen werden können, wird Pixelfrequenz f_P genannt und liegt im Bereich von bis zu 40 MHz. Daraus ergibt sich eine Zeilenfrequenz f_Z (also die Anzahl der Zeilen-Aufnahmen die pro Sekunde gemacht werden können), die abhängig von der Anzahl der Bildpunkte, bei 10 bis 70 kHz anzusetzen ist, und es gilt ungefähr f_Z = f_P/n, wobei n die Pixelanzahl des Sensors bezeichnet.

Zeilenkameras ermöglichen somit eine deutlich höhere Bildaufnahmefrequenz als CCD Flächenkameras. Die erfindungsgemäße Kombination von einer Zeilenkamera mit einer bewegten Lichtebene ermöglicht somit eine wesentlich schnellere und genauere Gebinde-Inspektion als nach dem derzeitigen Stand der Technik möglich ist.

Weil man mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen kontinuierlichen Datenstrom erhält, kann die Darstellung der Daten an jeder beliebigen Stelle zentriert werden, insbesondere ist eine Zentrierung auf den Gebinderand möglich. Eine exakte Ausrichtung der Gebinde ist im angegebenen Verfahren nicht notwendig, da auch ein schräg stehendes Gebinde in der gleichen Weise von der Lichtebene beleuchtet und von der Zeilenkamera aufgenommen werden kann.

Obwohl hier die Bezeichnung Lichtebene verwendet wird, ist diese nicht infinitesimal dünn, sondern hat eine endliche Ausdehnung senkrecht zur Ebene (mit einem der jeweiligen Lichtquelle entsprechenden konstruktionsbedingten Verlauf des Randabfalls der Lichtintensität). Diese Ausdehnung kann auch mit der Entfernung von der Lichtquelle zunehmen und ist vorteilhaft so anzupassen, dass die Schnittbereiche der Aufnahmeebene der Zeilenkamera mit der Lichtebene bei aufeinanderfolgenden Aufnahmen voneinander verschieden sind oder sich nur gering überlappen.

Auf diese Weise ist auch der Begriff Aufnahmeebene der Zeilenkamera zu verstehen. Eine Zeilenkamera nimmt einen wenn auch kleinen Winkelbereich senkrecht zur Aufnahmeebene auf, so dass auch diese Ebene eine konstruktionsbedingte endliche Ausdehnung in senkrechter Richtung hat.

Da die Zeilenkamera Aufnahmen in einer definierten Ebene (im oben genannten Sinne) macht, werden mit jeder aufgenommenen Zeile Objekte registriert, die auf der Schnittlinie dieser Aufnahmeebene mit der aktuellen Lage der bewegten Lichtebene liegen. Damit existiert ein Zusammenhang zwischen dem Ablenkwinkel der Lichtebene und der Höhe der abgebildeten Punkte des Objekts (Triangulation).

Die zuvor genannte Vorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, dass zu jedem Zeitpunkt während der Bewegung des wenigstens einen Teils der Lichtebene die Schnittlinie der Aufnahmeebene der Zeilenkamera mit dem bewegten Teil der Lichtebene in konstanter Höhe über der Transportvorrichtung verläuft. Das hat den Vorteil, dass eine aufgenommene Zeile einem konstanten Höhenbereich im Gebinde entspricht, was die Auswertung der Daten vereinfacht. In der jeweiligen einzelnen Zeilenaufnahme der Kamera werden jene Objektpunkte aufgenommen, die sich während der Integrationszeit einer Zeilenaufnahme in der Kameraebene befinden und die außerdem von der Lichtebene währenddessen überstrichen werden, was den jeweils abgetasteten Höhenbereich darstellt.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Aufnahmen mit der Zeilenkamera periodisch wiederholend erfolgen, mit dem Vorteil, dass die aufgenommenen Gebindeschnitte einen konstanten Abstand in Transportrichtung haben.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung erhält man, wenn die Bewegung des wenigstens einen Teils der Lichtebene periodisch erfolgt. Das hat den Vorteil, dass nach jeder Periode der gleiche Höhenbereich des Gebindes beleuchtet wird.

Diese Weiterbildung der periodischen Bewegung des wenigstens einen Teils der Lichtebene kann vorteilhaft mit der vorhergehenden Weiterbildung periodisch erfolgender Aufnahmen mit der Zeilenkamera kombiniert werden.

Vorteilhafterweise ist dabei die Frequenz, mit der die Zeilenkamera betrieben wird, höher als die Frequenz der Lichtebenenbewegung. Hat sich die Lichtebene einen Teil-Winkelbereich weitergedreht, so wird erneut eine Aufnahme gemacht. Dieser Teil-Winkelbereich bestimmt dann den Höhenabstand der aufgenommenen Punkte in den aufeinander folgenden einzelnen Aufnahmen. Ist der gesamte zu überstreichende Winkelbereich erfasst, wird die Lichtebene wieder in die Ausgangsposition gebracht und es beginnt ein neuer Beleuchtungs- und Aufnahmevorgang. Da sich das Gebinde in der Zeit eines Beleuchtungsvorgangs ein Stück weiterbewegt hat, wird im nächsten Durchgang eine entgegen der Transportrichtung benachbarte Ebene abgebildet. So wird das Gebinde scheibchenweise abgetastet.

Wenn die Kamera quer zur Transportrichtung der Gebinde eine Breite b aufnimmt, so ist die entsprechende Auflösung (im nachfolgenden mit Querauflösung λ_Q bezeichnet) durch die Anzahl n der Pixel bestimmt, also die Querauflösung λ_Q = b/n.

Um in der Bewegungsrichtung der Gebinde die gleiche oder zumindest eine ähnliche Auflösung zu erzielen wie in Richtung der Breite, was vorteilhaft ist, müssen die Abtastfrequenz der Lichtebene und die Transportgeschwindigkeit V aneinander angepasst sein. Ansonsten entsteht eine Streckung oder Stauchung der Abbildung des Gebindes. Eine solche Verzerrung der Abbildung kann jedoch dann hingenommen werden, wenn eine grobe Auflösung in einer der Richtungen ausreichend ist. Die Längsauflösung λ_L ist proportional zur Geschwindigkeit und umgekehrt proportional zur Wiederholfrequenz der Laserabtastung, λ_L = V/f_L. Bei Gleichheit der Auflösungen in Quer- und Längsrichtung ist demnach die Abtastfrequenz der Lichtebene f_L = V·n/b.

Die Anzahl der Höhenebenen m, die abgetastet und dargestellt werden können, ist dann bestimmt durch das Verhältnis von Zeilenfrequenz der Zeilenkamera zu Abtastfrequenz der Lichtebene, m = f_Z/f_L = f_Zb/Vn.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass mittels einer Steuervorrichtung die Frequenz der Bewegung des bewegten Teils der Lichtebene auf ein ganzzahliges Vielfaches der Zeilenfrequenz der Zeilenkamera einstellbar ist, oder wobei mittels einer Auslösevorrichtung bei definierten Stellungen des bewegten Teils der Lichtebene ein Auslösen der Zeilenkamera erfolgt.

Wenn die Zeilenfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Licht-Abtastfrequenz ist, also wenn m eine ganze Zahl ist, hat das den Vorteil, dass es nicht zu beständigen Verschiebungen (Drift) der einzelnen Höhenbereiche entlang der Transportrichtung kommt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Anzahl der Aufnahmen die in jeder Periode der sich periodisch wiederholenden Lichtebenenbewegung gemacht wird, eine ganze Zahl und konstant ist. Dazu ist es nötig, die Abtastfrequenz und die Zeilenfrequenz der Kamera mit einander zu koppeln und proportional zueinander zu steuern, was durch eine entsprechende Steuervorrichtung erfolgen kann. Wenngleich die Zeilenfrequenz der Kamera eine technologisch bedingte obere Grenze hat, was eine maximale für die Inspektion noch sinnvolle Gebindegeschwindigkeit zur Folge hat, so ist es jedoch möglich, z.B. über einen Frequenzteiler die Zeilenfrequenz abzusenken.

Eine Koppelung (Triggerung) des Auslösezeitpunktes der Kamera mit bestimmten Stellungen der Lichtebene ist vorteilhaft einsetzbar, wie im Folgenden dargelegt wird. Rotiert z.B. die Ablenkvorrichtung mit der die Lichtebene bewegt wird mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, so ist bei schrägem Einfall der Lichtebene auf das Gebinde der in gleichen Zeiten überstrichene Höhenbereich nicht konstant, sondern nimmt von oben nach unten hin zu. Das bedeutet, dass bei fester Zeilenfrequenz der Kamera der Abstand der abgebildeten Höhenebenen entsprechend variiert. Das hat den Vorteil, den oberen Gebindebereich detaillierter darzustellen. Allerdings kann erforderlichenfalls durch Festlegung von definierten, angepassten Winkelstellungen beispielsweise des Spiegels, bei denen Auslösesignale an die Kamera gegeben werden, auch ein konstanter Abstand der Höhenebenen erzielt werden. Diese Methode ist nicht nur z.B. bei einem rotierenden Polygonspiegel einsetzbar, sondern auch im Falle eines hin und her schwingenden Einzelspiegels, bei dem ansonsten bei konstanter Zeilenfrequenz eine vertikale Verzerrung der Darstellung erfolgt, etwa eine dichtere Höhenebenenstaffelung in der Nähe der Umkehrpositionen des Spiegels.

Eine Kopplung der Stellung der Lichtebene mit einem Auslösen der Kamera kann durch Sensoren erfolgen, die über die Stellung der Ablenkvorrichtung (mechanisch-elektronisch) oder über die Stellung der Lichtebene selbst (optisch-elektronisch) angesteuert werden. In dieser Weiterbildung ist die Anzahl der Aufnahmen, die in jeder Periode der Lichtebenenbewegung gemacht wird, schon konstruktionsbedingt konstant, d.h. es gibt auch keine Drift der Höhenbereiche.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass eine Regelungsvorrichtung die Frequenz der Bewegung des bewegten Teils der Lichtebene proportional zur Transportgeschwindigkeit der Gebinde regelt. Das hat den Vorteil, dass die Auflösung der Abbildung in Längsrichtung beibehalten wird, auch wenn die Transportgeschwindigkeit der Gebinde variiert. Die Regelungsvorrichtung stellt die Lichtebenenfrequenz proportional zur Gebindegeschwindigkeit ein, so dass die Längsauflösung λ_L konstant bleibt. Ein weiter Vorteil davon ist, dass bei einer produktionsbedingten niedrigeren Rate des Gebindedurchsatzes keine unnötig große Datenmenge entsteht.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Einrichtung, die eine Bewegung zumindest eines Teils der Lichtebene ermöglicht, ein bewegbares lichtreflektierendes, lichtbeugendes oder lichtbrechendes Element ist oder eine Vorrichtung zur Bewegung der Lichtquelle selbst, oder eine beliebige Kombination davon.

Die Bewegung der Lichtebene kann auf ganz unterschiedliche Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist die Verwendung reflektierender optischer Elemente, wie ein hin und her rotierender Einzelspiegel oder eine rotierender Polygonspiegel (siehe zu letzterem beispielsweise WO 98/02764). Der Einzelspiegel kann auch oszillierend entlang einer Geraden bewegt werden. Eine weitere Ablenkvariante durch Reflektion ist ein kontinuierlich in eine Richtung rotierender Einzelspiegel, bei dem eine oder beide Seiten verspiegelt sind. Der Vorteil bei der Verwendung eines rotierenden Vielfachspiegels ist, dass keine zeitlichen Lücken bei der Abtastung entstehen und die abgebildeten Ebenen parallel sind. Ersteres wäre bei einem kontinuierlich rotierenden Einfachspiegel nicht gegeben und letzteres wäre bei einem hin und her schwingenden Spiegel nicht der Fall. Weitere Möglichkeiten zur Bewegung der Lichtebene sind die Verwendung von bewegten lichtbeugenden optischen Elementen, wie z.B. eines Gitters oder Spaltes, durch das der Lichtstrahl hindurch geht und abgelenkt wird. Im gleichen Sinne kann auch ein bewegtes lichtbrechendes optisches Element, wie z.B. eine Linse oder ein Prisma, eingesetzt werden. Schließlich kann auch die Lichtquelle selbst bewegt werden.

Besteht ein Polygonspiegel aus k Einzelspiegeln, so ist der überstrichene Abtast-Winkelbereich 2·360°/k (die Änderung des Ablenkwinkels ist doppelt so groß wie die Änderung des Drehwinkels). Trifft die Lichtebene auf den nächsten Einzelspiegel, beginnt ein neuer Abtastzyklus. Rotiert die gesamte Vielfachspiegeleinheit mit einer Frequenz f_R, so ist die Abtastfrequenz der Lichtebene f_L = k·f_R. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Rotationsfrequenz der Spiegelanordnung im Vergleich zur Abtastfrequenz niedrig gehalten werden kann.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Lichtquelle ein Laser ist. Damit hat man eine helle Lichtquelle zur Verfügung, die in einer Richtung aufgefächert werden kann und dabei in der dazu senkrechten Richtung nur eine kleine Ausdehnung hat. Dadurch kann eine Lichtebene erzeugt werden.

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst eine Datenübertragungsvorrichtung, die eine Datenübertragung zwischen der Zeilenkamera und einer Datenverarbeitungsanlage ermöglicht, wobei die zeilenweise ausgelesenen Aufnahmen der Zeilenkamera in der Datenverarbeitungsanlage aufbereitet werden, um eine zwei- oder/und dreidimensionale Daten-Darstellung des jeweiligen Gebindes zu erhalten, und um Abweichungen von festgelegten Normwerten und Fremdgegenstände im oder/und auf dem Gebinde festzustellen.

Die ausgelesenen Zeilen der Zeilenkamera werden mittels einer Datenübertragungsvorrichtung einer Datenverarbeitungsanlage zugeführt. Darin werden die einzelnen Höhenebenen zusammengesetzt (jede m-te Zeile), wodurch man Höhenschnitte durch das Gebinde erhält. Genau so können jedoch auch Quer- und Längsschnitte extrahiert und dargestellt werden (m aufeinanderfolgende Zeilen bzw. das gleiche Pixel jeder Zeile in Reihen zu jeweils m Punkten).

Das Bild jeder Höhenebene kann explizit zusammengestellt und ausgewertet werden. Eine Überlagerung mehrerer Bilder liefert Informationen über die Objekte, die sich in einem bestimmten Höhenbereich befinden. Die gleiche Vorgehensweise der Bildauswertung kann ganz analog auch auf benachbarte senkrechte Schnittebenen (Querschnitt) oder Pixelebenen (Längsschnitt) angewendet werden, so dass ein dreidimensionales Abbild des Gebindes gewonnen wird, das aus verschiedenen Richtungen gesehen dargestellt werden kann.

Die aufbereiteten Daten werden dann mit vorgegebenen Normwerten innerhalb gewisser Toleranzen verglichen. Dadurch ist es möglich, etwa die Gebindegeometrie festzustellen. Ebenso kann auf diese Weise die Höhenebene, die den Gebinderand enthält, dargestellt werden und das Gebinde auf Beschädigungen des Randes hin analysiert werden. Entsprechende Normvorgaben mit geeigneten Toleranzen können auch für die Flaschen selbst gemacht werden, so dass die Flaschensorte, Fremdflaschen, quer- oder längsliegende oder umgestülpte Flaschen, eventuell vorhandene Beschädigungen der Flaschen, im speziellen deren Öffnungen und das Vorhandensein eines Verschlusses feststellbar sind. Des Weiteren werden Fremdkörper zwischen oder auf den Flaschen (auch oberhalb des Gebinderandes) erkannt. Bei Feststellung irgendeiner Abweichung von der Norm, die über die Toleranzen hinausgeht, bzw. beim Erkennen eines Fremdgegenstandes, wird eine entsprechende Aussortierung des jeweiligen Gebindes veranlasst.

Die Datenrate kann so gering gehalten werden, dass die Inspektion der Gebinde in Echtzeit erfolgt, insbesondere dann, wenn die nachgeschaltete Datenaufbereitung, Datenanalyse und Datendarstellung in mindestens einer Datenverarbeitungsanlage auf die Bildpunkte beschränkt wird, deren Helligkeit oberhalb eines gewählten Schwellenwertes liegt (um etwa auch Verfälschungen durch das Umgebungslicht oder das Bildrauschen zu unterdrücken). Die ausgelesene Information aus der Zeilenkamera kann zusätzlich auf 1 Bit pro Pixel reduziert werden, nämlich hell oder dunkel, 1 oder 0, wenn es auf detaillierte Helligkeitswerte, die Aufschlüsse über Farbe und Material der einzelnen Gebindebestandteile geben können, nicht ankommt.

In einer anderen Weiterbildung wird die Daten-Darstellung auf einem Bildschirm angezeigt. Die einzelnen Ebenen können dann über einen Bildschirm sichtbar gemacht werden. Indem man z.B. den einzelnen Höhenebenen im Gebinde verschiedene Grau- oder Farbwerte zuordnet, kann eine drei-dimensionale Ansicht erzeugt werden.

Die verschiedenen zuvor genannten Weiterbildungen lassen sich unabhängig voneinander einsetzen oder geeignet miteinander kombinieren.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im nachfolgenden mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1a–d zeigen eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Inspektion von Leergut-Gebinden.
2a–b zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
4 zeigt ein Gebinde in der Draufsicht mit projizierter Licht- und Kameraebene zur weiteren Erläuterung der in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen.
1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gebinde-Inspektion. Das Gebinde 110 wird von einer Transportvorrichtung 120 (z.B. Förderband, Transporteur) befördert. Von einer genügend hellen Lichtquelle 130, z.B. einem Laser, wird eine Lichtebene 140 erzeugt, von der zumindest ein Teil 150 bewegt wird, und die, wenn sie auf eine ebene Fläche trifft, eine quer zur Transportrichtung verlaufende Lichtlinie erzeugt. Die Lichtebene wird durch eine Einrichtung 160 periodisch über das vorbeilaufende Gebinde gelenkt. Diese Einrichtung besteht in dieser Ausführungsform aus einem schwingenden Einzelspiegel. Die Bewegungsrichtung der Lichtebene ist dabei senkrecht zur Lichtebene selbst und somit parallel zur Transportrichtung, so dass das Gebinde in Transportrichtung überstrichen wird. Über der Transportvorrichtung mit den zu inspizierenden Gebinden befindet sich eine CCD Zeilenkamera 170.
Die Zeilenkamera 170 macht Aufnahmen des Gebindes von oben und ist so ausgerichtet, dass der lichtempfindliche Sensor quer zur Bewegungsrichtung zeigt. Die Zeilenkamera empfängt das vom Gebinde in Richtung Kamera wieder abgestrahlte Licht aus der Aufnahmeebene 180. Es ist vorteilhaft, wenn die Schnittlinie der Aufnahmeebene der Zeilenkamera mit der Lichtebene in konstanter Gebindehöhe verläuft, weil dann die ganze aufgenommene Zeile dem gleichen Höhenbereich im Gebinde entspricht. Hat sich die Lichtebene einen definierten Teil-Winkelbereich weitergedreht, so wird durch einen mechanischen oder optischen Sensor ein Auslöseimpuls an die Zeilenkamera geleitet und erneut eine Aufnahme in einer daran angrenzenden Höhe gemacht. Dieser Teil-Winkelbereich definiert dann den Höhenabstand der aufgenommenen Punkte in den einzelnen Aufnahmen. Ist der gesamte zu überstreichende Winkelbereich erfasst, wird die Lichtebene wieder in die Ausgangsposition gebracht und der Vorgang beginnt erneut. Die Beleuchtung des Gebindes durch die Lichtebene erfolgt dann periodisch wiederholend. Da sich das Gebinde in der Zeit einer Beleuchtungsperiode ein Stück weiterbewegt hat wird im nächsten Durchgang eine entgegen der Transportrichtung benachbarte vertikale Ebene abgebildet.
In 1a ist der Zeitpunkt gezeigt, in dem eine Zeile in Höhe des Gebinderandes aufgenommen wird.
In 1b hat sich der bewegliche Teil 150 der Lichtebene etwas nach unten gedreht und beleuchtet eine Flaschenöffnung, die sich gerade im Aufnahmebereich der Zeilenkamera befindet. Durch Zusammensetzen mehrerer Aufnahmen in dieser Höhenebene kann ein Abbild der Flaschenöffnungen gewonnen werden, um etwaige Beschädigungen, falsche Öffnungsdurchmesser oder Flaschen mit vorhandenem Verschluss festzustellen. Wenn sich eine Flasche mit falscher Höhe im Gebinde befindet, wird sich die Öffnung in einer anderen Höhenebene befinden und die Flasche somit als unpassend erfasst werden.
In 1c wird verdeutlicht, dass an einer Position, in der eine Flasche fehlt, in den verschiedenen Höhenebenen kein Licht zur Zeilenkamera gestreut wird, so dass das Fehlen einer Flasche als Negativergebnis an der entsprechenden Position registriert wird.
1d ist eine Detaildarstellung der Einrichtung 160 zur Bewegung eines Teils der Lichtebene in Form eines schwingenden rotierbar gelagerten Einzelspiegels, der den Teil 150 der von der Lichtquelle 130 erzeugten Lichtebene 140 bewegt.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass die Einrichtung zur Bewegung der Lichtebene nicht in Form eines schwingenden Einzelspiegels, sondern in Form eines rotierenden Polygonspiegels 260 vorgesehen ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden nur auf diesen Unterschied eingegangen und im Übrigen auf die Beschreibung von 1 verwiesen.
Zu dem in 2a dargestellten Zeitpunkt wird ein Fremdkörper 290, der sich zwischen den Flaschen befindet, von dem bewegten Teil 150 der Lichtebene beleuchtet und von der Zeilenkamera 170 aufgenommen.
2b zeigt eine Detailansicht von 2a. Der Polygonspiegel 260 besteht aus mehreren (in diesem Fall acht) Einzelspiegeln 261 und dreht sich in eine Richtung, wodurch nacheinander die Lichtebene 140 auf einen dieser Einzelspiegel trifft und durch die Drehung der reflektierte Teil 150 der Lichtebene bewegt wird und das Gebinde überstreicht. Wenn die Lichtebene auf den nachfolgenden Einzelspiegel trifft beginnt ein neuer Abtastzyklus. Die Rotationsrichtung in 2b kann umgekehrt werden, wodurch sich nur die Abtastrichtung umdreht.
Die genannten Ausführungen zur Bewegung der Lichtzeile können auch beliebig miteinander kombiniert werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass die Einrichtung 360 zur Bewegung der Lichtebene die Lichtquelle 130 bewegt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden nur auf diesen Unterschied eingegangen und im Übrigen auf die Beschreibung von 1 verwiesen. Die Bewegung der Lichtquelle kann beispielsweise durch eine lineare Hin- und Herbewegung oder/und durch ein Hin- und Herrotieren um eine Drehachse erfolgen. In dieser Ausführungsform ist der bewegte Teil der Lichtebene identisch mit der von der Lichtquelle erzeugten Lichtebene 340.
4 zeigt eine momentane Draufsicht auf das Gebinde 410. Die projizierte bewegte Lichtebene 450 ist schwarz dargestellt. Durch die schräge Einfallsrichtung erhält man einen Lichtschnitt bei dem die jeweils beleuchteten Oberflächenpunkte entsprechend ihrer Höhe in Transportrichtung versetzt sind. Der schmale weiße Streifen 480 senkrecht zur Transportrichtung ist die Aufnahmeebene der Zeilenkamera. Zum dargestellten Zeitpunkt werden also gerade die vier kleinen Flächenelemente aufgenommen, die von der Lichtebene auf den beleuchteten Flaschen erhellt werden und sich gleichzeitig in der Kameraebene befinden. Beispielhaft ist in diesem Gebinde auch eine Flasche mit vorhandenem Verschluss 492 und eine Beschädigung 491 des Gebinderandes skizziert.
In den 1 bis 4 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung eines Gefaches verzichtet.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit konkreten Zahlenwerten wird im Folgenden dargestellt. Als numerisches Beispiel sei eine Pixelfrequenz der Zeilenkamera von 30 MHz angenommen, woraus bei einem Sensor mit 512 Pixeln eine Zeilenfrequenz von etwa 60 kHz resultiert. Wenn die Kamera quer zur Transportrichtung der Gebinde eine Breite b aufnimmt, so ist die entsprechende Querauflösung λ_Q = b/n. Ist im genannten Beispiel die aufgenommene Breite 50 cm, so ist die Querauflösung dann etwa 1 mm. Bei vorteilhafter Gleichheit der Auflösungen in Quer- und Längsrichtung sollte die Abtastfrequenz der Lichtebene f_L = V·n/b sein. Bei einer Transportgeschwindigkeit von 1 m/s und mit den anderen Beispielswerten, ist eine Abtastfrequenz von etwa 1 kHz erforderlich, um eine Längsauflösung von ebenfalls 1 mm zu erreichen.
Die Anzahl der Höhenebenen m, die auf diese Wiese abgetastet und dargestellt werden können, ist bestimmt durch das Verhältnis von Zeilenfrequenz zu Abtastfrequenz, m = f_Z/f_L = f_Zb/Vn, im numerischen Beispiel wären es demnach 60 kHz/1 kHz, also 60 Ebenen in der Höhe, entsprechend einer Auflösung von ca. 5 mm, wenn man von einem beispielhaften Abtastbereich von 30 cm in der Höhe ausgeht.
Die schnellsten derzeit verfügbaren Zeilenkameras haben bei einer Auflösung von 1024 Bildpunkten eine Zeilenfrequenz von etwa 70 MHz, so dass bei sonst gleichen Bedingungen eine Querauflösung von etwa ungefähr 0,5 mm möglich ist. Bei gleicher Längsauflösung ist dann eine Abtastfrequenz von 2 kHz erforderlich, jedoch ist damit aufgrund der annähernd gleichen Zeilenfrequenz wie im obigen numerischen Beispiel, die Anzahl der darstellbaren Höhenebenen auf 30 reduziert, bzw. die Höhenauflösung beträgt dann nur noch etwa 10 mm. Bei weiterer Erhöhung der Pixelanzahl sinkt schließlich auch die maximale Zeilenfrequenz mit der die Kamera betrieben werden kann entsprechend ab, in etwa umgekehrt proportional zu der Anzahl der Bildpunkte, mit der Folge, dass die Anzahl m der Höhenebenen dann mit umgekehrt quadratischer Abhängigkeit von der Pixelanzahl n weiter absinkt. Eine weitere Verdopplung von der Pixelanzahl n bedeutet dann eine nochmalige Reduzierung der Höhenebenen m um den Faktor ¼.
Aus den dargelegten Erläuterungen wird ersichtlich, dass es vorteilhaft ist, eine Zeilenkamera mit einer Anzahl von Bildpunkten bis höchstens 1024 zu verwenden, es sei denn, die Pixelfrequenz der Sensoren könnte in zukünftigen Entwicklungen deutlich gesteigert werden oder man nähme beträchtlich unterschiedliche Auflösungen quer bzw. längs zur Transportrichtung in Kauf. Die beispielsgemäß erreichbare Quer- und Längsauflösung von etwa 1 mm genügt, um z.B. die Flaschenöffnungen und die Gebinderänder sicher kontrollieren zu können. Ebenso genügt die Höhenauflösung von etwa 5 Millimetern, um Fremdflaschen, quer oder längs liegende Flaschen und Fremdgegenstände sicher festzustellen. Eine Zeilenkamera mit einer Pixelanzahl von 512 ist demnach vorteilhaft einsetzbar.
Wird die Zeilenkamera durch vorher definierte Winkelstellungen der Lichtebene bzw. der Ablenkvorrichtung ausgelöst, so ist die Zeilenfrequenz der Kamera dann aber in der Regel nicht konstant. Die Zeilenfrequenz kann jedoch höchstens so groß sein wie die Maximal-Zeilenfrequenz (die von der Pixelfrequenz bestimmt wird). Das bedeutet, dass zur Erzielung eines gleichmäßigen Höhenebenenabstandes die Zeilenfrequenz unter die Maximal-Zeilenfrequenz abgesenkt werden muss, was eine Reduktion der Anzahl der erfassten Höhenebenen gegenüber einem Betrieb der Kamera mit der (konstanten) Maximal-Zeilenfrequenz zur Folge hat.
Ist die Pixelanzahl des Zeilensensors 256, so verdoppelt sich die maximale Zeilenfrequenz und bei 2 mm Quer- und Längsauflösung wird bei Transportgeschwindigkeiten von 2 m/s auch eine Höhenauflösung gleicher Größe erzielt. Dadurch ist eine über alle drei Dimensionen des Gebindes gleichmäßige Abbildung möglich, deren Auflösung für die sichere Gebindeinspektion ausreichend ist, mit dem weiteren Vorteil, dass die Durchsatz- bzw. Inspektionsrate noch verdoppelt werden kann.
Ein weitere Auswirkung einer geringen Pixelanzahl der Zeilenkamera ist, dass der Sensor in der Längsausdehnung relativ klein ist, etwa 5–10 mm bei 512 Bildpunkten, was zur Folge hat, dass ein Objektiv mit geringer Brennweite verwendet werden kann und auch muss, um einen vorgegebenen Aufnahme-Winkelbereich abzudecken bzw. um den notwendigen Aufnahmeabstand zwischen Kamera und Gebinde nicht übermäßig groß werden zu lassen, was seinerseits wiederum zu einer vorteilhaften erhöhten Tiefenschärfe der Abbildung beiträgt. Um einen „normalen" 45° Sichtwinkel der Zeilenkamera zu erzielen, wird ein Objektiv benötigt, dessen Brennweite gleich der Längsausdehnung der CCD Zeile ist. Um damit eine Breite von 0,5 m zu erfassen ist ein Aufnahmeabstand von 0,6 m erforderlich. Bei einer Zeilenbreite (Pixelgröße) von 10 μm ist die Winkelauflösung der Kamera demnach etwa 0,0005 bis 0,001 rad, entsprechend 0,3 bis 0,6 mm, bei einem Aufnahmeabstand von 0,6 m. Aus dieser Hinsicht kann die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erzielende Längsauflösung der Schnittebenen gegenüber den Beispielswerten noch etwas verfeinert werden, wie oben dargelegt führt dies jedoch bei vorgegebener Gebinde-Transportgeschwindigkeit und Zeilenfrequenz der Kamera zu einer Reduktion der darstellbaren Höhenebenen.
Im obigen Beispiel entspricht eine Abtastfrequenz von 1kHz bei einer Polygon-Spiegeleinheit mit beispielsweise 20 Einzelspiegeln (also einem überstrichenen Winkelbereich von 36°) einer Rotationsfrequenz von 50 Hz.
Die beispielhaften Ausführungsformen und die numerischen Zahlenbeispiele sind durch den derzeitigen Stand der technologischen Entwicklung bedingt. Bei entsprechender Verfügbarkeit von Zeilenkameras mit höherer Pixelfrequenz können Abwandlungen der Beispiele (z.B. im Hinblick auf Auflösung und Gebinde-Transportgeschwindigkeit) in naheliegender Weise erhalten werden. Ebenso können die Beispiele auch dahingehend abgewandelt werden, die Auflösung soweit zu reduzieren, dass zwar die Gebinde-Inspektion noch zuverlässig ist, die zu verarbeitende Datenrate aber verringert wird.

Claims

Vorrichtung zur Inspektion von kastenartigen Leergut-Gebinden (110), die auf einer Transportvorrichtung (120) in Transportrichtung befördert werden, umfassend eine oberhalb der Transportvorrichtung positionierte Lichtquelle (130), die Lichtstrahlen erzeugt, die in einer Lichtebene (140; 340) liegen, und eine oberhalb der Transportvorrichtung angeordnete Kamera (170), die das vom jeweiligen Gebinde reflektierte Licht wenigstens teilweise aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (160, 260, 360) vorhanden ist, die eine Bewegung wenigstens eines Teils der Lichtebene (150; 340) um eine quer zur Transportrichtung und parallel zur Ebene der Transportvorrichtung ausgerichtete Achse ermöglicht, so dass der bewegte Teil der Lichtebene das jeweils zu inspizierende Gebinde mit einer quer zur Transportrichtung verlaufenden Lichtlinie von oben entlang der Transportrichtung wenigstens teilweise überstreicht und über seine gesamte Breite beleuchtet, wodurch Licht von dem jeweiligen Gebinde reflektiert wird, und die Kamera eine quer zur Transportrichtung der Gebinde ausgerichtete Zeilenkamera (170) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zu jedem Zeitpunkt während der Bewegung des wenigstens einen Teils der Lichtebene die Schnittlinie der Aufnahmeebene der Zeilenkamera mit dem bewegten Teil der Lichtebene in konstanter Höhe über der Transportvorrichtung verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aufnahmen mit der Zeilenkamera periodisch wiederholend erfolgen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bewegung des wenigstens einen Teils der Lichtebene periodisch wiederholend erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 in Kombination mit Anspruch 3, wobei mittels einer Steuervorrichtung die Frequenz der Bewegung des bewegten Teils der Lichtebene auf ein ganzzahliges Vielfaches der Zeilenfrequenz der Zeilenkamera einstellbar ist, oder wobei mittels einer Auslösevorrichtung bei definierten Stellungen des bewegten Teils der Lichtebene ein Auslösen der Zeilenkamera erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine Regelungsvorrichtung die Frequenz der Bewegung des bewegten Teils der Lichtebene proportional zur Transportgeschwindigkeit der Gebinde regelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (160; 260; 360), die eine Bewegung zumindest eines Teils der Lichtebene (150; 340) ermöglicht, ein bewegbares lichtreflektierendes, lichtbeugendes oder lichtbrechendes optisches Element ist oder eine Vorrichtung zur Bewegung der Lichtquelle (130) ist, oder eine beliebige Kombination aus beiden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle ein Laser ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Datenübertragungsvorrichtung, die eine Datenübertragung zwischen der Zeilenkamera und einer Datenverarbeitungsanlage ermöglicht, wobei die zeilenweise ausgelesenen Aufnahmen der Zeilenkamera in der Datenverarbeitungsanlage aufbereitet werden, um eine zwei- oder/und dreidimensionale Daten-Darstellung des jeweiligen Gebindes zu erhalten, und um Abweichungen (491, 492) von festgelegten Normwerten und/oder Fremdgegenstände (290) im oder/und auf dem Gebinde festzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei ein Bildschirm die Daten-Darstellung anzeigt.