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Verpackungsinspektion per Hyperspektral-Bildverarbeitung

: Stemmer Imaging


Die 1902 gegründete Privatkäserei Bergader vertraut bei der Herstellung ihrer Käsespezialitäten neben traditionellem Handwerk auch auf modernste Technik. Bei der Verpackung der Blauschimmelkäsesorte Bergader Edelpilz kommt erstmals ein Hyperspektral-Bildverarbeitungssystem zum Einsatz.

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Schon kleinste Verunreinigungen oder Beschädigungen können zu undichten Verpackungen und damit zum Verderben des Käses führen. (Bild: Stemmer Imaging)

Schon kleinste Verunreinigungen oder Beschädigungen können zu undichten Verpackungen...

„Meines Wissens gibt es weltweit noch keine andere Anlage zur Lebensmittelproduktion, bei der ein hyperspektrales Bildverarbeitungssystem die Kontrolle der Siegelnaht an der Verpackung übernimmt und damit 100 %ig sicherstellt, dass jede einzelne Käsepackung den Anforderungen an die Dichtheit entspricht“, sagt Markus Leibold. Er ist als Gebietsverkaufsleiter von Minebea Intec, Hersteller von Wäge- und Inspektionslösungen und Lieferant des neuen Systems zur Siegelnahtinspektion, für die Betreuung von Bergader zuständig. Markus Leibold und das Entwicklungsteam von Minebea Intec aus Aachen waren von Anfang an dabei, als über eine vollautomatisierte Lösung für die Inspektion von Siegelnähten am Bergader-Firmensitz im bayerischen Waging am See nachgedacht wurde.

Wichtig ist die korrekte Ausführung einer solchen Siegelnaht vor allem deshalb, weil nur mit einer absolut dichten Verpackung das errechnete Mindesthaltbarkeitsdatum der Lebensmittel erreicht werden kann. Schon kleinste Verunreinigungen oder Beschädigungen können zu undichten Verpackungen und damit zum Verderben der Lebensmittel führen. Unverkäufliche Produkte oder gar Rückrufaktionen könnten mögliche Folgen sein.

Erschwert wurde die Siegelnahtinspektion durch eine Vorgabe aus dem Marketing von Bergader: Die Verpackungen sollten im besten Fall auf der Oberseite vollständig bedruckt sein. Schnell wurde klar, dass konventionelle Vision-Systeme im sichtbaren Lichtspektrum aus diesem Grund nicht in Frage kamen und letztendlich nur die manuelle Inspektion mit all ihren Nachteilen bleiben würde.

Hyperspektral-Technologie als Option

Um die genannten Risiken
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Die im vorangegangenen Prozess geschnittenen Käseportionen werden in die Unterschalen der Verpackung eingelegt und danach mit einer Folie von oben versiegelt. (Bild: Stemmer Imaging)

Die im vorangegangenen Prozess geschnittenen Käseportionen werden in die Unterschalen...

auszuschalten suchten der bei Bergader für die technische Planung einer neuen Produktionsstraße zuständige Manuel Pichler gemeinsam mit Markus Leibold und dem Entwicklungsteam von Minebea Intec in Aachen nach einer geeigneten Technologie. Sie setzten dabei zunächst auf ein Röntgensystem, das in dieser Anlage bereits zur Erkennung von Fremdkörpern jeglicher Art eingeplant war. „Mit diesem System konnten wir Fehler an den Siegelnähten jedoch nicht 100 % zuverlässig erkennen“, so Leibold. Torsten Schmitz, Leiter für Röntgeninspektion bei Minebea Intec, erinnerte sich zu diesem Zeitpunkt an eine von Stemmer Imaging durchgeführte Schulung zur Hyperspektralanalyse und kontaktierte die Bildverarbeitungsspezialisten deshalb zu diesem Thema nochmals.

„In einem Gespräch über die vorliegenden Anforderungen der neuen Anlage bei Bergader schlug mir Jörg Schmitz, Vertriebsspezialist für die Lebensmittelbranche bei Stemmer Imaging, dann vor, die Siegelnahtprüfung mit dieser Technologie vor Ort zu testen“, beschreibt Leibold den nächsten Schritt zur erfolgreichen Lösung. Das Aachener Entwicklungsteam konzipierte daraufhin gemeinsam mit Stemmer Imaging die erste Anlage zur Siegelnahtprüfung auf Basis der Hyperspektralanalyse.

Vielversprechende Tests

Bereits kurze Zeit später erfolgten Vorort-Tests mit einem Bildverarbeitungsystem auf Basis einer FX17-Hyperspektralkamera des finnischen Herstellers Specim, die über Stemmer Imaging vertrieben werden. „Die Ergebnisse waren von Anfang an sehr vielversprechend und bestätigten schnell, dass diese Technologie für diese Anwendung perfekt geeignet ist“, so Bergader-Ingenieur Pichler.

Die
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Von links laufen die Käseverpackungen zur Prüfung durch das Hyperspektral- und das direkt anschließende Röntgensystem. Im Hintergrund werden fehlerfreie Verpackungen zur weiteren Verarbeitung transportiert. (Bild: Stemmer Imaging)

Von links laufen die Käseverpackungen zur Prüfung durch das Hyperspektral-...

besondere Stärke dieser Hyperspektralsysteme – kurz HSI für Hyperspectral Imaging – ist ihre spektrale Auflösung: Mit Hilfe der Transmissionseigenschaften von langwelligem Licht können Verunreinigungen der Siegelnaht durch Käsekrümel oder andere Fremdkörper selbst durch bedruckte Kunstofffolien sicher detektiert werden. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass das überdeckende Kunststoffmaterial durchlässig für Licht im SWIR-Bereich ist. Die Siegelnahtprüfung bei Bergader stellt daher einen perfekten Anwendungsfall dar: Fehlstellen oder unerwünschte Stoffe werden durch die Siegelfolie hindurch zuverlässig identifiziert.

Ausgeklügeltes System

In der finalen Version des Systems ist neben der Hyperspektralkamera Specim FX17 der digitale Frame Grabber Dalsa Xtium-CL MX4 von Teledyne Dalsa zur Erfassung der HSI-Bilder im Einsatz. Eine Halogen-Zeilenbeleuchtung stellt die erforderlichen Wellenlängen in ausreichender Helligkeit zur Verfügung und trägt so dazu bei, dass die Specim FX17 ihre 12 Bit-Graustufen-Spektralbilder in der gewünschten Qualität aufnehmen kann. Das Kamerasystem inklusive der Zeilenbeleuchtung ist durch ein Edelstahlgehäuse geschützt, welches zum Transportband nach unten offen ist.

Die auf diese Weise aufgenommenen Spektralbilder werden zunächst an den eingesetzten Industrie-PC übertragen und dort auf der GPU von der Hyperspektralsoftware Perception Studio von Perception Park vorverarbeitet. Im Anschluss daran speist der CVB GigE Server, ein Modul der Bildverarbeitungsbibliothek Common Vision
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Das HSI-System überprüft an bis zu 145 Käseverpackungen pro Minute, ob die Siegelnähte korrekt sind. (Bild: Stemmer Imaging)

Das HSI-System überprüft an bis zu 145 Käseverpackungen pro Minute, ob die...

Blox (CVB) von Stemmer Imaging, die vorverarbeiteten Daten in die Auswertesoftware Sherlock von Teledyne Dalsa ein, wo die weitere Auswertung erfolgt. Das Vision-System ist modular aufgebaut, da Sherlock Kamerabilder asynchron einziehen und CPUs mit mehreren Kernen nutzen kann.

Noch mehr Bildverarbeitung

Sherlock kommt jedoch noch an einer anderen Stelle der Gesamtanlage zum Einsatz, erläutert Jörg Schmitz: „Hinter der Siegelnahtprüfung ist ein Röntgensystem zur Erkennung von Fremdkörpern jeglicher Art integriert, und direkt darauf folgt ein weiteres Bildverarbeitungssystem, mit dem zuvor aufgebrachte Etiketten auf jeder Käsepackung gelesen werden. Sherlock erkennt dort das aufgedruckte Mindesthaltbarkeitsdatum sowie eine in das Etikett integrierte Kennung.“

Zur Erfassung der Bilder in diesem Anlagenteil hat Stemmer Imaging den Entwicklern von Bergader und Minebea Intec eine kompakte, monochrome Dalsa Linea Zeilenkamera mit Gigabit-Ethernet-Schnittstelle, einem Fujinon-Objektiv mit Midopt-Filtern, eine rote Balkenbeleuchtung und einen Adlink-Frame Grabber empfohlen. Aufgrund der rauen Umgebung ist die Kamera dabei in einem Kameraschutzgehäuse installiert, und auch die Beleuchtung ist aufgrund der vorliegenden Bedingungen in einem eigenen Gehäuse untergebracht. Beide Schutzgehäuse haben die in der Lebensmittelindustrie wichtige FDA-Zulassung.

Perfekte Beratung

Von der Betreuung
durch Stemmer Imaging sind Manuel Pichler und Markus Leibold mehr als angetan: „Die Zusammenstellung aller Bildverarbeitungskomponenten für beide Systeme in dieser Anlage war schon im ersten Vorschlag perfekt und erfüllte unsere Anforderungen sofort. Auch bei der weiteren Planung der Systeme standen wir in engem Kontakt und wurden zudem von der Support-Abteilung bei Stemmer Imaging sehr effizient unterstützt“, so Pichler.

Besonders stolz ist Markus Leibold auf die Siegelnahtkontrolle auf Basis der Hyperspektral-Technologie: „Dieses bislang einmalige System stellt für unsere Anforderungen die perfekte Lösung dar“, freut sich der Gebietsverkaufsleiter von Minebea Intec. „Damit konnten wir die gewünschte Taktgeschwindigkeit von rund 145 Untersuchungen pro Minute erreichen und eine nahezu 100 %ige Sicherheit bei der Erkennung von Siegelnahtfehlern erzielen.“ Dem Genuss des auf dieser Anlage verpackten Bergader-Blauschimmelkäses steht somit nichts mehr im Wege.

Stemmer auf der Messe Vision

Halle 1, Stand 1E52

Schon kleinste Verunreinigungen oder Beschädigungen können zu undichten Verpackungen und damit zum Verderben des Käses führen. (Bild: Stemmer Imaging)
Die im vorangegangenen Prozess geschnittenen Käseportionen werden in die Unterschalen der Verpackung eingelegt und danach mit einer Folie von oben versiegelt. (Bild: Stemmer Imaging)
Von links laufen die Käseverpackungen zur Prüfung durch das Hyperspektral- und das direkt anschließende Röntgensystem. Im Hintergrund werden fehlerfreie Verpackungen zur weiteren Verarbeitung transportiert. (Bild: Stemmer Imaging)
Das HSI-System überprüft an bis zu 145 Käseverpackungen pro Minute, ob die Siegelnähte korrekt sind. (Bild: Stemmer Imaging)
Eine Hyperspektralkamera Specim FX17, die mit den eingesetzten Halogenstrahlern in ein Edelstahlgehäuse integriert ist, nimmt Bilder der Käseverpackungen auf. (Bild: Stemmer Imaging)
Im Anschluss an die Siegelnahtprüfung und das Röntgensystem liest ein Zeilenkamerasystem die Etiketten der Käsepackungen. (Bild: Stemmer Imaging)
V. l.: Manuel Pichler, Markus Leibold und Jörg Schmitz begutachten die Ergebnisse der Qualitätstests. (Bild: Stemmer Imaging)


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