Vision optimiert Automatisierung

Dipl.-Ing. Kamillo Weiß, Fachjournalist, Leinfelden-Echterdingen

Ein Massenprodukt wie Haarshampoo muss dem Kunden auch durch das positive Erscheinungsbild gefallen. Das ansprechende Design der Flaschen ist ein wichtiger Verkaufsfaktor. Der Aufdruck der Etiketten muss fehlerfrei und die Platzierung auf der Flasche dementsprechend akkurat vorhanden sein. Je nach Flaschenform sind in der korrekten Etikettierung unterschiedliche Positionierungen des aufgebrachten Etiketts zu erfüllen. Ebenso dürfen nur exakt verschlossene Flaschen in den Verkauf gelangen. Die schnelle Fertigung von bis zu 70 000 Stück pro Arbeitsschicht auf einer Fertigungslinie erfordert im Sinne einer hundertprozentigen Qualität einen fehlerfreien Prozess. Für die einzelnen Flaschen auf dem laufenden Transportband in der Produktion ist keine exakte Justierung möglich. Daraus ergeben sich sehr harte Anforderungen an die Qualitätskontrolle, die nur von einem sehr leistungsfähigen Visionsystem erfüllt werden kann.

Bei der Kontrolle von Aufdruck und Etikettierung führt der simple Ansatz von Vergleich eines fehlerfreien Referenzbildes mit dem Aufdruck zu keinem befriedigenden Ergebnis. Die jeweilige Position der zu prüfenden Flasche variiert produktionsbedingt, so dass beim Vergleich Fehler entstehen. Daher muss zunächst die exakte Position der Flasche bestimmt werden, um dann im zweiten Schritt Etikett und Aufdruck mit einer Referenz zu vergleichen. Hohe Bandgeschwindigkeit und entsprechend sehr schnelle Kontrolle sind hierbei notwendig. Diese Prüfstrategie muss für verschiedene Flaschentypen mit unterschiedlichem Etikettaufdruck realisiert werden. Der Produktionswechsel auf ein anderes Shampoo muss schnell und flexibel erfolgen. Das Visionsystem muss sich auch auf zukünftige neue Flaschenformen leicht adaptieren lassen.

Über die Lösung der technischen Spezifikationen hinaus bestanden bei Wella zusätzliche Kriterien für die Auswahl des Lieferanten eines Visionsystems. Von Anfang an war klar, dass firmenintern ein eigenes Bildverarbeitungs-know-how aufgebaut werden sollte. Dies schafft die Möglichkeit, auf wandelnde und steigende Anforderungen, aus eigener Kraft flexibel und schnell zu reagieren. Bestand doch bei der Spezifikation der Aufgabenstellung das Problem, die Anforderungen nicht im Detail zu kennen und spezifizieren zu können. Außerdem sollte die Basis für die Ausrüstung weiterer Produktionslinien im Firmenverbund geschaffen werden.

Für den schnellen und effizienten Beginn war daher ein sehr leistungsfähiges und flexibles, zugleich aber auch ein leicht zu handhabendes System erforderlich. Dessen Anwendung sollte nur eine kurze Einarbeitungszeit benötigten. Eine Priorität im Pflichtenheft beinhaltete darüber hinaus die Frage nach einem Partner mit sehr umfangreichem Know-how in der Bildverarbeitung und mit dementsprechend sicherer Zukunftsperspektive.

Am Produktionsstandort der Wella AG in Hünfeld erfolgte in der Vergangenheit eine stichprobenartige Sichtprüfung der Produktion. Die Qualitätsanforderungen sind aber im Rahmen der Q-Zertifizerung ISO 9002 weiter angestiegen, so dass der Schritt zur hundertprozentigen Kontrolle des Warenausganges unumgänglich war. Mit den Anforderungen im Pflichtenheft holte man sich von verschiedenen Anbietern industrieller Bildverarbeitung Angebote ein. Die systematische Recherche ergab, dass die Visionsysteme von Cognex einen besonders guten Namen in Stabilität, Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit hatten. Das Projektteam bei Wella stellte fest, dass verschiedene Systemhäuser auf das Know-how dieses auf inzwischen über 100 000 Visioninstallationen zurückblickenden Anbieters bauen. Hinzu kommt die umfangreiche Bibliothek von bewährten stabilen Tools der Bildverarbeitung. Das Unternehmen zeigte in seiner deutschen Niederlassung in einer Präsentation, dass die Anforderungen erfüllt werden können. Anfang 1999 begann man seine Versuche mit dem Visionsystem „Checkpoint“. Die Ergebnisse mit den ausgesprochen stabil und sehr genau arbeitenden Algorithmen bewiesen die zügige Machbarkeit. Die positiven Resultate und die leichte Bedienbarkeit führten bei den Verantwortlichen in der Produktion zur Akzeptanz dieses Systems, das in Komponenten sowie Hard- und Software optimal aufeinander abgestimmt ist. Die bereits vorhandenen serienmäßigen Schnittstellen zu Steuerungen und statistischen Auswertungen haben die Systemintegration und den gesamten Systemumfang wesentlich vereinfacht. Durch die einfache Bedienung und Programmierung durch Parametrieren hat sich gezeigt, dass Checkpoint auch vom Maschinenpersonal schnell an veränderte Bedingungen angepasst werden kann.

Seit Anfang November 1999 ist das Visionsystem Checkpoint fest in die Produktion integriert. In Farbe und Form unterschiedliche Flaschen und Etiketten werden mit einer Geschwindigkeit von drei Stück pro Sekunde auf insgesamt sieben Merkmale geprüft. Die Kontrolle der Flaschen auf dem laufenden Band von der Vorder- und Rückseite als auch von oben erfolgt in der Packstation. Der komplette Prüfvorgang erfolgt über drei CCD-Kameras und wird innerhalb von nur 200 ms im Visionsystem abgearbeitet.

Hierbei kommen auch die hochwirksamen Vision-Softwaretools von PatMax zum Einsatz. Diese patentierte Software unterscheidet sich deutlich von anderen Verfahren, welche nach der Binär- oder Grauwertkorrelation aufgebaut sind. Die PatMax-Technologie beschreibt ein Objekt mit geometrischen Grundstrukturen. Hierdurch wird das Visiontool invariant gegenüber Lage, Orientierung und Maßstabsveränderungen des Objektes. Durch gleichzeitige Untersuchung von Kontur und Struktur des Objektbildes werden wechselnde Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse eliminiert. Defect Classifier erlauben durch Vergleich mit Referenzbildern eine sichere Unterscheidung von Objekten mit hohem nichtlinearen Variationsgrad und eine automatische Fehlerklassifikation. Dadurch besteht auch die Möglichkeit in Farbe und Form ausgefallene Beschriftungen absolut sicher auf Beschriftungsfehler zu prüfen. Die sehr feine Kantendedektion ermöglicht es, dass die Flasche mit ovaler Grundform auf dem laufenden Förderband sehr genau in ihrer Position bestimmt werden kann. Eine leichte Verdrehung der Flasche stellt kein Problem dar, da selbst eine Hauptachsenverdrehung von weniger als 1 Grad exakt erkannt wird. Dadurch kann auch die Lage des Etikettes auf der Flasche mit einer Messgenauigkeit bis auf wenige Zehntel Millimeter genau bestimmt werden. Mit Checkpoint erfolgt an der ersten Station mittels auf beiden Seiten jeweils einer angeordneten Kamera die Kontrolle der Etiketten auf der Flaschenvorderseite und Rückseite. Gleichzeitig erfolgt hierbei auch die Kontrolle des exakten Flaschenverschlusses. Die horizontal/vertikale Faltenerkennung der Etiketten ist in Vorbereitung. Die Verpackungskontrolle in der zweiten Station mit der dritten CCD-Kamera für die Flaschen in Sechser- oder Zwölferpacks erfolgt auf dem gleichen Visionsystem. In der abschließenden Qualitätskontrolle wird auch eine statistische Auswertung vorgenommen.

Zu seinen Erfahrungen bemerkt Dipl.-Ing. Frank Gröger, Leiter des Technologie Center Engineering/Entwicklung – Prozesstechnik, der Wella AG: „Mit dem Aufbau und der Integration dieses Visionsystem haben wir umfangreiche wertvolle Erfahrungen gewonnen, um weitere Installationen sowohl in diesem Werk als auch in anderen Werken durchzuführen. Damit haben wir uns gewissermaßen zum eigenen Systemhaus entwickelt, bei dem das Know-how der Vision-Applikationen im Unternehmen verbleibt. Checkpoint erwies sich mit seiner einfachen Bedienung, den stabilen und genauen Algorithmen, mit seiner Flexibilität und Sicherheit als großer Vorteil“. Als Ergebnis blickt das Unternehmen bereits auf die zweite Installation eines Visionsystems zurück. In naher Zukunft soll es weitere bis zu sechs Systeme geben.

Seit der Installation erfolgt der Nachweis einer hundertprozentigen Qualitätskontrolle und der Zertifizierungsumfang konnte erweitert werden. Reklamationsursachen aus der Vergangenheit wurden eliminiert. Fehlerhafte Etiketten, die früher der Stichprobenkontrolle entgingen, können nun nicht mehr auftreten. Es zeigte sich auch, dass man unter anderem eine fehlerhafte Etikettenlieferung frühzeitig erkannte, und rechtzeitig die notwendigen Schritte der Problembehebung in die Wege leiten konnte. Eine versehentlich eingelegte Etikettenrolle mit anderem Aufdruck ist auch kein Problem mehr, denn sie wird sofort als Fehler angezeigt. Neben der deutlichen Qualitätssteigerung ergaben sich aber auch noch eine Reihe von Vorteilen, die man ursprünglich gar nicht erwartet hatte. Durch die hundertprozentige Qualitätskontrolle konnten Fehlerquellen der Automatisierung in der Fertigungslinie aufgedeckt werden. Früher gab es keine verlässliche Möglichkeit des Nachweises, wie genau die Maschine auf Dauer etikettieren kann. Durch die exakte Messkontrolle mit dem Visionsystem konnte man sich bei den eingesetzten Maschinen wesentlich besser bis an die Grenze der Automatisierung herantasten, bei der noch fehlerfrei gearbeitet wird. Das führte zu einem wesentlich stabiler gestalteten Produktionsprozess und zu einer besseren Maschinenauslastung. Die Erfahrungen daraus sind auch auf andere Produktionslinien übertragbar.

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