3D-Scanner für die Nahrungsmittelindustrie

Das Auge ist geschärft

Gerhard Schubert geht einen weiteren Schritt im Bereich der Bilderkennung vor. Der 3D-Scanner verwirklicht das räumliche Sehen. Diese Entwicklung steigert die Leistungsmöglichkeiten der TLM-Verpackungsanlagen sowohl beim Pick-und-Place-Vorgang als auch bei der Qualitätskontrolle.

3D-Erkennung mit dem Scanner: Entwickler Gerhard Schubert baut auf den stereoskopischen Ansatz. (Bild: Schubert)

Der 3D-Scanner wird über einem Transportband platziert und ermittelt so die dreidimensionalen Daten der zu handhabenden Produkte. Das Höhenprofil erschließt neue Kontrollparameter für die Qualitätskontrolle. Das TLM-Vision-System kann mit der Information des 3D-Scanners das Volumen und - bei gleichmäßiger Produktdichte - das Gewicht jedes Produkts ermitteln. Auch für die Stapelhöhe, etwa für die Stapellänge bei Hochkant-Ablage in Schachteln, ist der Soll/Ist-Abgleich möglich. Denn nach jedem Ablagevorgang wird die aktuell erreichte Höhe oder Länge protokolliert und berücksichtigt. Eine TLM-Anlage mit dem neuen Scanner kann 3D-Defekte detektieren. So wird zum Beispiel ein brauner Sandwichkeks mit brauner Creme jedoch ohne Deckelteil problemlos erkannt und ausgeschleust.

Ein weiterer attraktiver Anwendungsbereich dieser Innovation ist die Priorisierung der Produktaufnahme. Das TLM-Vision-System stellt zum Beispiel fest, wo sich überlappende Produkte befinden. Die ersten Roboter einer Pickerlinie nehmen bevorzugt die obenliegenden Produkte auf. Somit können Produkte, die sich teilweise überlappen, verarbeitet werden. Im Ergebnis steigt die Effizienz des Pick-und-Place-Vorgangs bei niedrigerem Ausschuss. Die Information über das Volumen und das Gewicht dient als Grundlage für einen hochwertigen Gruppiervorgang. Die Roboter können die einzelne Produktformation so vervollständigen, dass sie innerhalb eines definierten Gewichtsbereichs liegt. Durch diese Art der Gewichtsoptimierung kann der Kunde je nach Anwendung bis zu drei Prozent Rohstoff einsparen. Bei Verwendung des 3D-Scanners toleriert das Vision-System Bandverschmutzungen, solange sie unterhalb einer gewissen Höhenschwelle liegen. Produkte werden darüber hinaus auch in kontrastarmen Umgebungen besser als bisher detektiert.

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Funktionsweise und Technologie
Die Entwicklung basiert auf dem stereoskopischen Ansatz, das heißt der Scanner nimmt von jedem Produkt zwei Ansichten aus verschiedenen Sichtwinkeln auf. Das berechnete Höhenprofil beinhaltet die Höhe jedes in beiden Ansichten erfassten Punktes im Raum. Das Transportband stellt dabei die Null-Höhe dar. Der Schubert 3D-Scanner ist also ein Stereo-3D-Scanner. Im Sinne der modularen Bauweise werden mehrere Farbzeilensensoren in einem definierten Abstand nebeneinander angeordnet. Die Sichtfelder der Farbzeilensensoren ragen jeweils bis zur optischen Achse der beiden benachbarten Sensoren links und rechts heraus. Jeder physikalische Punkt der Produkte, aber auch des Transportbands, der von zwei benachbarten Sensoren gesehen wird, trägt unmittelbar zur Erstellung des Höhenprofils der Szene bei. Aus dem Höhenprofil rekonstruiert das Vision-System anschließend die 3D-Bilder.

Zwischen jeweils zwei Sensoren befindet sich ein Lichtprojektor, der leicht überlappende Lichtstreifen auf die Sichtfelder beider Sensoren projiziert. Das Lichtmuster obliegt einer ausgeklügelten Gesetzmäßigkeit, die eine eindeutige Zuordnung der Bildpunkte in den Stereoansichten ermöglicht. Um in den Überlappungsbereichen den Projektionswinkel des Lichtmusters zu orten, verwendet der 3D-Scanner abwechselnd zwei verschiedene Farben, zum Beispiel Rot und Blau. Der 3D-Scanner verfügt zusätzlich über eine Weißlichtbeleuchtung für Farbbildaufnahmen. Die Farbbilder werden aus den Stereoaufnahmen verzerrungsfrei und ohne Parallaxe rekonstruiert. Sowohl die farbigen Lichtstreifen als auch die weiße Beleuchtung können abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, um unerwünschte Wechselwirkungen zu vermeiden.   bw

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