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Industrielle Bildverarbeitung unterstützt Abpacker von Zitrusfrüchten bei Erfüllung der PTI-Anforderungen

Sun Pacific

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Der Obst- und Gemüsehandel ist dabei, ein systematisches, branchenweites Verfahren einzuführen, um Frischware vom Erzeuger bis zum Verbraucher lückenlos zu verfolgen. Eine der großen Herausforderungen dabei ist die automatische Erkennung einer breiten Vielfalt an Verpackungsausführungen und Handstempeln, die aktuell zur Bereitstellung von Informationen über die jeweilige Ware verwendet werden. Sun Pacific, der größte Anbauer, Abpacker und Vermarkter von Zitrusfrüchten in den USA, bewältigte kürzlich diese Herausforderung durch die Implementierung der HarvestMark Product Traceability Initiative (PTI) Lösung mit Saber Engineering VR-3000 Bildverarbeitungssystemen in mehreren seiner Verpackungsbetrieben. Diese bildverarbeitungsgestützten Prüfsysteme sind mit der PatMax® Mustererkennungstechnologie von Cognex ausgestattet, um Kistenausführungen und Handstempel trotz wechselnder Positionen und Ausrichtungen der Kisten, schwankender Lichtverhältnisse und sonstiger Variablen zu erkennen.

Schutz der Frischwaren-Lieferkette

Die Obst- und Gemüsebranche wickelt in den USA schätzungsweise sechs Milliarden Warenkisten jährlich ab. Dabei gelangt nur in ganz seltenen Fällen verunreinigte Ware in die Lieferkette. Aufgabe der PTI ist es, den Ursprung verunreinigter Ware viel rascher und präziser zu ermitteln, als dies mit herkömmlichen Methoden möglich ist. Der wichtigste Vorteil besteht in der Verringerung der Gefahr für die Verbraucher, indem sichergestellt wird, dass verunreinigte Produkte so rasch wie möglich aus der Lieferkette entfernt werden. Ferner ermöglicht die PTI erhebliche Kosteneinsparungen, da sich damit die Auswirkungen potenzieller Rückrufe auf ein Minimum beschränken und man wieder viel rascher zu einem normalen Ablauf zurückkehren kann, als dies momentan möglich ist.

Grundlage der PTI ist eine Global Trade Item Number (GTIN), die zur Identifikation von Handelsware auf allen Ebenen der Verpackung - vom Stückgut über Kisten bis hin zu Paletten - verwendet werden kann. Gemäß aktuellen Best Practices ordnen Markeninhaber jeder beliebigen Art von Kiste eine 14-stellige GTIN zu, basierend auf Erzeugnis, Untergruppe, Größe, Anzahl, Herkunftsort, Anbauer, Abpacker usw. GTIN und Chargennummer werden in menschenlesbarer Form angegeben und auf jeder Kiste in einem Barcode verschlüsselt. Jeder nachfolgende Bearbeiter muss zum Lesen und Speichern von GTIN und Chargennummer jeder einzelnen empfangenen Warenkiste ausgerüstet sein. Sollte ein Problem auftreten, ist es mit dieser Methode möglich, Waren rasch über jeden Bearbeitungsschritt bis zu deren Usprung zurückzuverfolgen.

Schwierigkeiten bei Erfüllung von PTI-Anforderungen

Die Obst- und Gemüsebranche sieht sich bei der Erfüllung der PTI-Anforderungen jedoch mit Schwierigkeiten konfrontiert. Abpacker haben normalerweise mit vielen verschiedenen Verpackungsarten zu tun, die auf Produktionslinien durcheinander gemischt abgewickelt werden. Kunden haben häufig ihre eigene Kistenausführung und die Ware wird im Verpackungsbetrieb in unterschiedlichste, kundenspezifische Kisten abgepackt. Arbeiter an der Verpackungslinie bringen Angaben, wie etwa Erzeugnis, Untergruppe, Größe und Anzahl mit einem Gummistempel auf der Seitenfläche der Kiste an. Die größte Herausforderung zur Erfüllung der PTI-Anforderungen besteht für den Abpacker darin, den Gummistempel zu lesen und das der Verpackung zugeordnete Produkt zu identifizieren, um anschließend automatisch ein Etikett zu erstellen, das sämtliche Informationen sowohl in menschenlesbarer Form als auch in einem 2D-Barcode enthält, und dieses auf der Seitenfläche der Kiste anzubringen.

Saber Engineering entwickelte das autonome VR-3000 System, das mittels hochentwickelter Bildverarbeitungstechnologie zwischen den verschiedenen Verpackungsarten und Stempeln mit nahezu perfekter Präzision unterscheiden kann. Das VR-3000 erkennt und überprüft Attribute, wie etwa die Art des Versandbehälters, das Erzeugnis und die Größe und übermittelt diese Informationen an die HarvestMark-Datenbank zur Weiterverarbeitung. Rückverfolgungs-, Nachverfolgungs- und Produktionsdaten werden auf der HarvestMark-Plattform sicher gespeichert, so dass Lieferkettenberichte und On-Demand-Rückverfolgbarkeit an jeder Etappe der Lieferkette möglich sind.

Erkennen von Kistenausführungen und Stempeln

Die Bildverarbeitungslösung von Saber Engineering verwendet eine kundenspezifische Visual Basic Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) mit integrierten Cognex VisionPro® Bildverarbeitungs-Tools zum Erkennen von Kistenausführungen und Stempeln. Das vorrangig verwendete Tool ist das PatMax-Tool zum Lokalisieren von Teilen und Merkmalen mittels modernster geometrischer Mustervergleichstechnologie zum zuverlässigen und präzisen Identifizieren und Lokalisieren von Mustern.

Der Mustervergleich kann sich als extrem schwierig erweisen, da viele Variablen die Art und Weise beeinflussen können, wie sich das Objekt dem Bildverarbeitungssystem präsentiert. Die herkömmliche Mustervergleichstechnologie beruht auf einem Pixelraster-Analyseprozess, gemeinhin bekannt als „normalisierte Korrelation“. Bei dieser Methode wird nach einer statistischen Ähnlichkeit zwischen einem Graustufenmodell oder Referenzbild eines Objekts und Teilen des Bildes gesucht, um die X/Y-Koordinaten des Objekts zu bestimmen. Obwohl sie in manchen Situationen durchaus effizient ist, weist sie bei wechselndem Erscheinungsbild des jeweiligen Objekts, wie etwa unterschiedliche Winkel, Größen, Schattierungen, die auf Produktionslinien häufig vorkommen, dennoch Schwächen auf, sowohl im Hinblick auf die Lokalisierungsfähigkeit als auch auf die Präzision bei der Lokalisierung.

Bei der PatMax-Technologie wird hingegen die Geometrie eines Objekts mithilfe mehrerer Begrenzungskurven erfasst, die an keinen Pixelraster gebunden sind, und dann wird nach ähnlichen Formen im Bild gesucht, ohne sich dabei auf bestimmte Graustufen zu stützen. Das Ergebnis ist eine revolutionäre Verbesserung der Lokalisierungsfähigkeit, aber auch der -präzision trotz wechselnder Winkel, Größen und Schattierungen. „Wir haben alle gängigen Mustererkennungs-Tools getestet“, erklärte Dennis Hopkins, Geschäftsführer von Saber Engineering. „PatMax funktionniert am besten und kein anderes kann ihm das Wasser reichen.“

Das richtige Einstellen von Beleuchtung und Kamerawinkel - was für eine erfolgreiche Bildverarbeitungsanwendung eine wichtige Rolle spielt - kann sich in einem traditionellen Verpackungsbetrieb als schwierig erweisen. Lichtverhältnisse können sich je nach Sonnenstand und Bewölkung ändern. Die Kisten sind auf dem Band nicht genau positioniert, d. h. der Abstand zur Kamera kann länger oder kürzer als angenommen sein, und ihre Ausrichtung kann ebenfalls wechseln. In vielen Fällen muss die Kamera in der Lage sein, mehrere Seitenflächen der Kiste zu lesen, zum Beispiel der Handstempel auf einer Seite und der Aufdruck mit Angaben zur Verpackungsart auf einer anderen Seite. Dann muss die Kamera in einen derartigen Winkel zur Kiste gerichtet werden, dass sie mehrere Seitenflächen lesen kann.

Das VR-3000 verfügt über eine Ethernet-Kamera mit einem 120 Watt LED-Blitzlicht. „Das Licht ist sehr hell mit guter Streuung, so dass es sich für die vielen unterschiedlichen Kistenarten gut eignet“, so Hopkins. Das System ist für den Einsatz in industrieller Umgebung ausgelegt und umfasst eine Handkurbel, die einen senkrechten Einstellungsbereich von 32" ermöglicht. Es ist normalerweise in der Lage, Ungenauigkeiten in der Ausrichtung von bis zu 6" auszugleichen, ohne an Präzision einzubüßen. Zudem verfügt es über diskrete E/A für die Kommunikation mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) sowie einen Ethernet-Ausgang für den Anschluss an den Drucker und das HarvestMark-System.

Lernen, neue Produkte zu erkennen

Abpacker fügen auf ihrer Linie immer wieder neue Verpackungen und Stempel hinzu. Das VR-3000 ermöglicht es dem Bedienpersonal, neue Kistenausführungen und Stempel auf einfache Weise zu trainieren, indem eine Kiste vor die Kamera gestellt und auf der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) „lernen“ gedrückt wird. Anschließend erscheint auf der HMI ein Bild der Kiste zusammen mit drei die Kiste überlagernden Fenstern, die den von den PatMax-Prüftools geprüften Bereich darstellen. Der Bediener stellt die Tools so ein, dass die zu prüfenden Bereiche abgedeckt sind. Normalerweise sind dies unterscheidende Merkmale der Kistenausführung sowie der Stempel mit Angaben zu Untergruppe, Größe und Menge der Ware. Wenn Saber Engineering und HarvestMark ein neues System installieren, sorgt Saber dafür, dass das VR-3000 imstande ist, alle bestehenden Kisten und Stempel des Kunden während der Installationsphase abzuwickeln, während die Mitarbeiter von HarvestMark für die Installation und Schulung zuständig sind. Zusätzlich erteilt Saber den jeweils zuständigen Mitarbeitern neuer Kunden Schulungen darüber, wie neue Kisten und Stempel für zukünftige Änderungen auf der Produktionslinie hinzugefügt werden können.

Sun Pacific folgte kürzlich einer Initiative zur Erfüllung der PTI-Anforderungen bei seinen Verpackungsabläufen. Das Unternehmen veranstaltete einen Vergleich zwischen Saber Engineering und einem weiteren Anbieter von automatisierten Identifikations- und Etikettierlösungen für Kisten, wobei beide Systeme zwei Monate lang Seite an Seite liefen. Beide Lösungen sollten Aufdrucke, Stempel und Markierungen auf Warenkisten automatisch erkennen und darauf basierend die der jeweiligen Kiste zugeordnete GTIN auf dem laufenden Förderband erfassen, das Geschwindigkeiten von bis zu 3.100 Kisten pro Stunde erreichen kann. Die Lösung sollte automatisch das zugehörige Etikett erstellen und es bei voller Geschwindigkeit auf der Kiste anbringen. 

Bei diesem Vergleich konnten mit dem VR-3000 beim Lesen der kundenspezifischen Kisten und Stempel Leseraten von über 99,5% erzielt werden. Allein Kisten mit fehlendem oder stark verunstaltetem Stempel konnten nicht gelesen werden. Basierend auf den Ergebnissen dieses Vergleichs gab Sun Pacific insgesamt 15 VR-3000 Systeme in Auftrag, die mittlerweile in mehreren Verpackungsbetrieben in Mittel- und Südkalifornien installiert und in Betrieb sind. „Der Kunde teilt uns mit, dass die Bildverarbeitungssysteme extrem leistungsstark seien“, so Hopkins abschließend.

 

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