Исследование технологии обнаружения посторонних предметов в банках после наполнения и перед запечатыванием.

В пищевой промышленности и производстве напитков небольшой кусочек прозрачной пленки, металлический фрагмент или осколок стекла могут представлять значительную угрозу качеству продукции. Обнаружение посторонних предметов после наполнения и перед укупоркой банок является важнейшей линией защиты в обеспечении безопасности пищевых продуктов.

В процессе производства банок этап после наполнения и перед герметизацией является точкой высокого риска загрязнения посторонними предметами. Из-за непрозрачности банки и высокой отражательной способности внутренней поверхности традиционные методы обнаружения с трудом эффективно выявляют посторонние предметы, особенно прозрачные или мельчайшие загрязнения.

Благодаря сочетанию передовых технологий, таких как поляризованное освещение, рентгеновское излучение и машинное зрение, современные системы обнаружения теперь могут в режиме реального времени обнаруживать различные посторонние предметы на высокоскоростных производственных линиях, включая традиционные металлические и стеклянные фрагменты, а также трудноидентифицируемые фрагменты прозрачной пленки.

1. Технические сложности обнаружения посторонних предметов

Обнаружение посторонних предметов в банках сопряжено с рядом технических проблем. Непрозрачность банки исключает возможность простой проверки в режиме пропускания света, а ее высокоотражающая и структурированная внутренняя поверхность вызывает многократные отражения света, что приводит к быстрой потере направления поляризации и искажает результаты визуализации.

Различные характеристики самих посторонних предметов также затрудняют их обнаружение. Например, фрагменты прозрачной пленки, которые могут попасть в упаковку в процессе ее упаковки, имеют различные поляризационные характеристики: некоторые сильно поляризованы, некоторые слабо поляризованы, а некоторые и вовсе не поляризованы. Для слабо поляризованных или неполяризованных пленок традиционные методы обнаружения поляризации имеют ограниченную эффективность.

Фактические условия производственной среды также создают проблемы. Высокоскоростные производственные линии требуют от системы обнаружения завершения обработки за очень короткое время — обычно более 10 банок в секунду. В то же время механические вибрации на производственной линии и изменения окружающего освещения могут влиять на точность обнаружения.

2. Принципы и методы основных технологий обнаружения

Технология визуализации поляризованного света

Для решения проблем обнаружения, вызванных отражающей внутренней поверхностью банки, технология поляризованной световой визуализации предлагает инновационное решение. Эта технология включает в себя первый поляризационный элемент в световом тракте между источником света осветительного устройства и внутренней стенкой дна, поляризующий излучение, достигающее внутренней стенки дна.

Конструкция осветительного устройства такова, что основная часть излучения, направленного в контейнер, достигает непосредственно внутренней стенки дна, а не боковых стенок. Это гарантирует, что свет отражается от внутренней стенки дна только один раз, прежде чем вернуться к устройству регистрации изображения, сохраняя при этом направление поляризации. При использовании циркулярно поляризованного света направление вращения света изменяется после отражения от внутренней стенки дна, что позволяет эффективно идентифицировать посторонние предметы с помощью соответствующих поляризационных фильтров.

Исследования показали, что оптимальные результаты обнаружения достигаются при размещении осветительных и фотофиксирующих устройств на расстоянии от 500 до 700 мм от отверстия банки, а также при подсветке и захвате изображения под углом менее 10°. Такая конфигурация значительно повышает точность обнаружения слабополяризованных и неполяризованных посторонних предметов.

Машинное зрение и темнопольная визуализация

Технология машинного зрения широко используется для обнаружения посторонних предметов в банках с напитками, особенно хорошо подходит для выявления дефектов в области отверстия банки, дна и внутренних стенок. Полная система обнаружения обычно включает в себя систему освещения, систему получения изображений и систему обработки изображений.

Темнопольная микроскопия — это специальная методика, при которой контейнер освещается сбоку, благодаря чему посторонние предметы ярко выделяются на темном фоне. Для заполненных контейнеров используется вибрационное устройство, которое вибрирует боковую стенку контейнера, вызывая перемещение посторонних предметов на дне, что облегчает их идентификацию на изображении.

В практических приложениях система использует метод максимальной межклассовой дисперсии для разделения целевой области и выполнения анализа контурных характеристик области отверстия банки; метод градиента Хафа используется для сегментации концентрической круговой области дна банки; а преобразование в полярные координаты используется для решения проблемы сжатия изображения внутренней стенки, после чего проводится бинаризация и анализ связанных компонентов для обнаружения дефектов.

Технология обнаружения пропускания рентгеновского излучения

Технология рентгеновского обнаружения обладает хорошими возможностями обнаружения посторонних предметов из различных материалов и особенно подходит для непрозрачной упаковки. Система состоит из источника излучения и детектора. Захватывая изображение, полученное с помощью рентгеновской трансмиссионной визуализации, можно определить, отсутствуют ли в банке необходимые компоненты или содержатся ли посторонние предметы, такие как металлические примеси.

Одним из главных преимуществ рентгеновского обнаружения является его способность одновременно выполнять несколько проверок: обнаружение посторонних предметов, проверка целостности упаковки и подтверждение содержимого. Новые рентгеновские системы, такие как ScanTrac 200, могут обнаруживать посторонние предметы размером до 0,5 мм со скоростью до 2200 штук в минуту.

Вибрационное возбуждение и сравнение нескольких изображений

Для наполненных банок с напитками эффективным методом является использование вибрации для перемещения потенциальных посторонних предметов, что облегчает их обнаружение. Эта система использует вибрационное устройство, воздействующее на боковую стенку контейнера, вызывая перемещение посторонних предметов на дне, после чего инспекционная камера делает снимок дна контейнера в темном поле. Ключевая технология заключается в последовательном размещении нескольких инспекционных камер вдоль направления транспортировки, при этом их области изображения перекрываются. Это позволяет получать непрерывную последовательность изображений дна контейнера. Сравнивая различия в этих изображениях, можно точно идентифицировать движущиеся посторонние частицы.

3. Ключевые технологические компоненты системы обнаружения

Полноценная система обнаружения посторонних предметов в банках из-под напитков включает в себя несколько точно скоординированных компонентов. Система освещения имеет решающее значение для обеспечения стабильного изображения; в зависимости от требований к обнаружению можно выбирать различные типы источников света (например, светодиодные прожекторы) и методы освещения (светлое поле, темное поле).

Система получения изображений состоит из промышленных камер, объективов и датчиков изображения, отвечающих за получение высококачественных изображений внутренней части банки. В современных системах обычно используются камеры высокого разрешения на основе ПЗС- или КМОП-матриц в сочетании со специальными поляризационными фильтрами для получения четких изображений внутренней части банки.

Система обработки изображений использует различные алгоритмы для анализа полученных изображений, включая предварительную обработку изображений (сглаживание, фильтрация, шумоподавление), извлечение признаков и идентификацию дефектов. В передовых системах также применяются технологии искусственного интеллекта, такие как сверточные нейронные сети (CNN), для повышения точности обнаружения и адаптивности.

Механизм позиционирования и отбраковки является исполнительной частью системы. Фотоэлектрические датчики определяют положение банки, точно запуская процесс получения изображения. При обнаружении постороннего предмета система автоматически удаляет бракованный продукт с производственной линии.

4. Промышленные применения и оценка производительности

В реальных промышленных применениях системы обнаружения посторонних предметов в банках с напитками работают превосходно. Исследования показывают, что системы онлайн-обнаружения на основе машинного зрения могут стабильно работать со скоростью 10 банок в секунду с точностью обнаружения до 99,89%, что в основном соответствует потребностям высокоскоростных производственных линий.

В качестве примера рассмотрим систему RotoCheck от Krones. Эта система специально разработана для обнаружения осколков стекла в пивных бутылках и способна идентифицировать посторонние предметы размером до 0,5 мм с частотой ложных срабатываний менее 0,05%. На производственной линии со скоростью 60 000 бутылок в час эта система может работать непрерывно и стабильно, демонстрируя выдающиеся результаты.

Значительным преимуществом также является адаптивность системы обнаружения. В современных системах обнаружения используется технология «нейронного сетевого управления», которая позволяет им адаптироваться к различным формам, рабочим параметрам и условиям эксплуатации посредством самообучения, повышая чувствительность системы управления и снижая количество ошибок. Эта адаптивная способность позволяет системе справляться с различными изменениями на производственной линии.

05. Тенденции и вызовы технологического развития

Технология обнаружения посторонних предметов в банках с напитками развивается в направлении повышения точности, скорости и адаптивности. Высокий уровень автоматизации и повышенная надежность системы являются основными тенденциями в современном технологическом развитии. Современные системы контроля могут не только идентифицировать посторонние предметы, но и одновременно выполнять множество задач, таких как проверка целостности упаковки и подтверждение содержимого.

Применение технологий искусственного интеллекта и машинного обучения трансформирует традиционные методы контроля. Благодаря обширному обучению на основе примеров, интеллектуальные системы могут выявлять мельчайшие аномалии, в некоторых аспектах даже превосходя возможности человеческого глаза. Системы контроля на основе нейронных сетей обладают функциями самообучения, самоадаптации, самосохранения и самодиагностики, что позволяет постоянно повышать эффективность обнаружения.

Интеграция различных технологий — еще одна важная тенденция. Например, сочетание поляризационной визуализации с рентгеновским детектированием позволяет одновременно обнаруживать дефекты поверхности и посторонние предметы внутри упаковки. Некоторые передовые системы даже могут одновременно выполнять обнаружение посторонних предметов, проверку целостности упаковки и подтверждение содержимого.

Несмотря на непрерывный технологический прогресс, обнаружение посторонних предметов в банках с напитками по-прежнему сталкивается с рядом проблем. Дальнейшее увеличение скорости обнаружения для обеспечения работы высокоскоростных производственных линий, снижение количества ложных срабатываний и адаптация к более широкому спектру типов посторонних предметов — все это вопросы, которые необходимо решить в будущем в рамках технологического развития.

На производственной линии пивоварни система RotoCheck проверяет каждую банку со скоростью 60 000 банок в час. При обнаружении риска попадания осколков стекла система немедленно удаляет банку с линии – всё это происходит за миллисекунды.

Технология обнаружения посторонних предметов в банках с напитками прошла путь от первоначального ручного отбора проб до современных полностью автоматизированных высокоточных систем контроля. Благодаря постоянному развитию машинного зрения, искусственного интеллекта и сенсорных технологий, будущие системы контроля станут еще более точными и эффективными, обеспечивая более надежную гарантию безопасности пищевых продуктов.