Automatische Vermessung von Kaffeekapseln und Flaschenverschlüssen

Eine Prüfanlage zur Vermessung der Geometrie von Kaffeekapseln oder von Trinkflaschenverschlüssen besteht aus zwei OCT- Kameras mit integrierten ASP-Arrays. Sie erfassen das Volumen im definierten Zwischenraum. Die Kameras sind auf einer stabilen Plattform montiert und sitzen auf einem Koordinatensystem mit einer Schrittauflösung von 100 nm.

 

Prüfanlage für thermisch umgeformte Kaffeekapseln oder andere Bauteile. (Bilder: flo-ir GmbH)

Aus der Vereinigung der aufgenommenen OCT-Bilder, die mit dem Dual-Messkopf von oben und von unten aufgenommen werden, lassen sich für verschiedene Formen folgende Messdaten ableiten:

 

Die Vermessung erfolgt bei einer Bildpunktgrösse von 40 µm mit einer reproduzierbaren Genauigkeit von ±10 µm.

 

Dual-Messkopf (unten rechts), eingebaut in der Anlage zur Vermessung von Kaffeekapseln und Nahrungsmittelschalen.

Ablauf einer Bauteilprüfung

Für die Prüfung der Bauteilabmessungen wird ein Prüftablett eingesetzt, auf dem die Bauteile manuell oder automatisch in der Prüfpositionen positioniert werden. Danach wird es wie eine Schublade in die Prüfzelle eingeschoben. Durch die Startfreigabe auf dem Touchscreen wird der Prüfprozess gestartet. Der Prüfablauf ist softwaregesteuert und läuft automatisch ab.

 

Prüftablett, angepasst an die Messaufgabe.

Die Bauteile im Aktionsbereich der OCT-Kameras (Messfeld) werden automatisch nach einem vorgegebenen Programm (Messrezept) vermessen. Sind sie vermessen, steuert das Prüftablett die nächste Position an, wo wiederum OCT-Bilder von der oberen und von der unteren Kamera aufgenommen und zur Auswertung dem Rechner zugeführt werden.

Die eigentliche Vermessung erfolgt durch Bewegen des Messkopfes in x- und y-Richtung. Pro Bauteil werden je nach Grösse eine Anzahl Stacks mit mehreren hundert Bildern von oben und von unten aufgenommen. Diese werden aneinander geheftet, so dass in wenigen Sekunden ein Gesamtbild aus mehreren 100 MB für die Auswertung bereitgestellt werden kann. Die laterale Bewegung (x- und y-Richtung) ist durch das zu vermessende Bauteil definiert. Die Form des Bauteils beziehungsweise die zu vermessende Kontur des Bauteils sind im Messrezept programmiert. Das aus den Messdaten erzeugte Differenzbild zeigt Unterschiede in der Bauteildicke, die geometrischen Abmessungen, die Parallelität oder die Ebenheit definierter Ebenen zueinander oder allfällige Beschädigungen.

 

Bauteile auf dem Prüftablett in den angepassten Kavitäten.

Zum Prinzip der Geometrievermessung

Ein Batch mit einer Anzahl Bauteile (von 1 bis mehr als 100) wird aus der Produktion entnommen und manuell oder automatisch in die Kavitäten auf dem Prüftablett eingelegt. Bei der automatischen Beschickung werden die Teile in einen Trichter gekippt und in der Folge automatisch vereinzelt in die Prüfposition eingelegt. Der obere Messkopf vermisst alle Flächen, die nach oben gerichtet sind, der untere jene Flächen, die nach unten gerichtet sind. Zudem sind optional auch Messungen auf der Seitenwand möglich. Ist das «Gesichtsfeld» der Kameras kleiner als das zu prüfende Bauteil, werden zur Erfassung des ganzen Bauteils mehrere OCT-Bilder aufgenommen und zu einem Gesamtbild zusammengefügt. Die Vermessung eines Standardbauteils dauert wenige Sekunden.

Optional werden bei der Dickenmessung auch die Markierungen auf dem Bauteil (Werkzeugnummern) erfasst und mit dem OCR-System (Optical character reader) definiert, um die Messresultate werkzeugspezifisch im Messprotokoll abzuspeichern. Dies ist vor allem für die statistische Prozesskontrolle von Bedeutung. Die Werkzeugnummer kann auch zur Orientierung eines Bauteils verwendet werden.

Sind die OCT-Bilder aufgenommen, liegt das Resultat auch schon vor. Ausgewertete Messdaten werden pro Werkzeugnummer automatisch in das vom Kunden vorgegebene Messprotokoll übertragen. Das Prüfresultat wird definiert im Prüfprotokoll abgelegt. Nach abgeschlossener Prüfung werden die Resultate als pdf-File erzeugt und als Prüfdokument ausgedruckt. Der genaue Umfang des Prüfprotokolls wird durch den Kunden festgelegt und wenn erwünscht durch den Anlagenhersteller programmiert.

 

Prüfanlage in Portalbauweise mit eingeschobenem Prüftablett.

Anlage zur Vermessung thermisch umgeformter Produkte

Zur Portalanlage gehören pro Bauteil (Kaffekapsel beziehungsweise Getränkeflaschenverschluss) zwei Prüftabletts als Messplattform mit der Anzahl der Kavitäten für die zu prüfenden Bauteile. Um die Tabletts sauber abzulegen, gibt es einen mobilen Träger. Die Bedienung der Anlage erfolgt über einen Touch­screen, der am Gehäuse der Prüfstation montiert ist. Das Portal ist für vier Messköpfe ausgelegt und für Präzisionsmessungen optimiert.

Die Prüfanlage benötigt einen Platz von 1,3 x 1,2 m und ist 2,2 m hoch. Die Bedienung erfolgt mit einer Schublade. Die Revisionstüre bleibt während dem Beschicken der Anlage und der Entnahme der geprüften Bauteile geschlossen. Wird sie geöffnet, ist die Anlage nicht betriebsbereit. Eine Lampe zeigt den Prüfstand an: rot = Fehlermeldung, gelb = Warte­position, grün = Prüfung in Arbeit.

Die Anlage verfügt über drei Netzwerkanschlüsse: einen zum Intranet (externe Datenbank, Remote-Service), einen zum Etikettendrucker und einen als lokaler Serviceanschluss (z. B. mit Laptop direkt an der Maschine). Es muss keiner dieser Anschlüsse an das Intranet des Anwenders angeschlossen sein, es können aber auch alle daran angeschlossen sein. Die Datenbank für die Messergebnisse läuft dann auf dem lokalen Maschinenrechner.

Empfohlen wird, dass die Datenbank extern läuft, weil dann eine zuverlässige Verbindung zum Intranet erforderlich ist. Steht diese Verbindung, kann auch der Etikettendrucker irgendwo im Intranet angehängt werden. Auch Remote-Service ist dann möglich.

Der Barcodeleser fungiert wie die Tastatur. Die eingelesene Zeichenfolge wird der Applikation, die gerade läuft, übergeben.

Zur flexiblen Visualisierung der Messdaten stehen folgende Möglichkeiten offen:

 

Kaffeekapsel vermessen: Das Resultat ist ein der Aufgabenstellung angepasstes Prüfprotokoll.

Geometrie

Die Bauteile werden batchweise in der Produktion vermessen und geprüft. Für eine Bauteilform stehen zwei Prüftabletts bereit, um während einer Prüfung eine weitere Bauteilserie vorbereiten zu können kann. Die Prüfung der Bauteile läuft automatisch ab. Sind alle Bauteile geprüft, wird dies durch die Betriebszustandslampe angezeigt.

Die Mess- und Auswertekriterien sowie die Form und Grösse der zu vermessenden Teile werden durch den Auftraggeber bestimmt. Das OCT-System arbeitet mit gleichbleibender Exaktheit unabhängig von der Farbe des Bauteils, des Glanzes, des Transmissionsgrades oder der Feinheit eines gesuchten Kriteriums. Der Grund liegt darin, dass das OCT-Verfahren auf Unterschiede im Brechungsindex reagiert, woraus Rückschlüsse auf die Laufzeit des Lichts und demzufolge auf den Abstand gezogen werden können.

Die geometrische Auflösung in der Ebene ist durch die Apertur der Optik bestimmt, die Auflösung in z-Richtung durch die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle. Es können beliebige Auswertungen aus den vielen Millionen höchst exakten und berührungslos erfassten Messdaten vorgenommen und protokolliert werden.

Die statistische Prozesskontrolle (SPC) ist Bestandteil der Software. In der verfügbaren Prüfanlage werden die dreidimensionalen Abmessungen eines Bauteils überprüft. Das heisst, die geometrische Form wird so vermessen, dass die Radien, die Dicke der Wand, die dünnste Stelle auf dem Bauteil oder die Planarität und die Parallelität verschiedener Ebenen zueinander mik­rometergenau vermessen sind und entsprechende Prüfresultate protokolliert werden können.

 

Nahrungsmittelschale mit Massabweichungen auf dem Siegelrand.

Software

Die Prüfung der Bauteile erfolgt rechnergesteuert und enthält ein vollständiges Messprotokoll, das den international geltenden metrologischen Anforderungen gerecht wird. Für die Computerverbindung zwischen der Prüfanlage und der Datenbank des Anwenders gelten folgende Grundsätze:

 

In der Anlagen-Software, die über den Touch­screen bedient wird, sind enthalten:

 

Sämtliche gemessenen Kennwerte werden in der lokalen oder externen Datenbank gespeichert. Bilder, PDF-Reports sowie Rohdaten werden auf der lokalen, 2 TB grossen Festplatte gespeichert. Falls eine Verbindung zum Intranet hergestellt wird, lassen sich diese Daten wahlweise auch auf einem Netzwerk-Laufwerk speichern.

Softwareergänzungen (neue Messrezepte) werden in der Regel durch Fachleute, die «LabView» als Programmierebene kennen oder durch den Anlagenhersteller erstellt. Das Programm basiert auf «LabView». Programmwechsel erfolgen in der Regel durch den Anlagebediener.

Mit der Software lassen sich auch ganze Datensätze abspeichern, das heisst Datenwolken aus den Messungen. Damit ist jederzeit sichergestellt, dass ausgewertete Daten einer Fehlfunktion zugewiesen werden können.

Der Rechner in der Anlage ist so ausgelegt, dass man vier Messköpfe gleichzeitig betreiben kann. Dadurch werden beispielsweise für Kaffeekapseln Messzeiten von deutlich unter 10 s erreicht. Auf dem Rechner protokollierte Messdaten lassen sich über Jahre speichern. Sind Resultate mit den OCT-3D-Bilddaten abzuspeichern, so ist der Platz bei 2 TB limitiert.

 

Dickenunterschiede auf dem Boden einer Kaffeekapsel.

Allgemeine Anforderungen

Auf der 3D-Prüfanlage lassen sich auch flache Bauteile in runder, ovaler oder eckiger Form vermessen. Dazu wird ein separater Prüfteller hergestellt. Die Algorithmen werden auf die Bauteilgeometrie angepasst und in die Hauptsoftware integriert. Die Prüfung der Bauteile enthält ein vollständiges Messprotokoll, das den heute geltenden metrologischen Anforderungen entspricht.

 

Prüftablett

Die Prüftabletts sind Bestandteil des Messwerkzeugs. Sie müssen dementsprechend auch behandelt werden.

 

Prüfkriterien

Die Prüfkriterien sind in den Datenblättern des Anwenders enthalten und ausgewiesen. Die Datenblätter werden dem Anlagenhersteller zu gegebener Zeit zugestellt, um die gewünschten und erforderlichen Nachweise zu erbringen. Bisher hat flo-ir Standardprüfkriterien für Kaffeekapseln mit ±10 µm eingehalten und die Prüfung der Messmittelfähigkeit bestanden.

 

Aussenabmessung

Die Aussenabmessungen werden in zwei Richtungen gemessen. Der kleinste und der grösste Abstand (oder Durchmesser) werden in das Messprotokoll übertragen.

Siegelrandbreite oder -dicke

Die Siegelranddicke wird auf allen Seiten gemessen. Die dünnste Stelle wird im Protokoll angegeben.

 

Siegelrand und Energiegeber

Die Dicke des Siegelrandes, einschliesslich der Höhe des Energiegebers, wird auf allen Seiten gemessen. Die dünnste Stelle wird in das Messprotokoll übertragen.

 

Energiegeberhöhe

Die Höhe des Energiegebers wird auf allen Seiten gemessen. Die maximale Höhe wird in das Messprotokoll übertragen.

 

Parallelität des Energiegebers

Die Parallelität des Energiegebers relativ zur Fläche A wird gemessen und übertragen.

 

Boden- oder Deckeldicke

Die Bodenstärke wird gemessen. Die dünnste Stelle innerhalb einer noch zu definierenden Region wird im Messprotokoll angegeben.

 

Radien am Energiegeber oder am Umformteil

Der Energiegeberradius wird nicht gemessen. Mit dem OCT-System kann der höchste Punkt auf dem Energiegeber gemessen werden. In der Folge lässt sich mit Hilfe angepasster Algorithmen der Radius berechnen.

 

Kavitätsnummererkennung

Um die Kavitätsnummern lesen zu können, müssen sich diese an einer Stelle befinden, die mit dem Licht erreicht wird (Sichtkontakt).

 

Pixel- beziehungsweise Merkmalauflösung

Die Pixelauflösung ist eine rein geometrische Rechnung. Deshalb wird zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit eines Systems die Merkmalauflösung beigezogen. Diese ist einiges besser ist als die Pixelauflösung, weil Merkmale über Ausgleichsrechnungen aus mehreren Pixeldaten ermittelt werden.

Aus der lateralen Pixelauflösung von 12 mm ergibt sich rechnerisch ein Pixel von 40 µm. Mit der Merkmalauflösung «Kante», «Begrenzung» oder «Radius» wird das Merkmal genauer als 10 µm bestimmt (±5 µm). Bei 2D-Messaufgaben wird für die Kantenerkennung typisch mit dem Faktor 10 interpoliert, das heisst ±4 µm. Ähnliches gilt für die vertikale Achse. Aus einer Voxelhöhe von 2 µm wird typisch eine bessere Auflösung als 100 nm erreicht.

 

Genauigkeit

Die Genauigkeit in lateraler Richtung wird normalerweise von den Verzerrungen der Abbildungsoptik begrenzt. Für die Kapselprüfanlage werden extrem verzerrungsarme doppeltelezentrische Objektive eingesetzt. Die Verzerrung der Objektive ist kleiner als 0,01% (Herstellerangaben) und damit vernachlässigbar. Die laterale Genauigkeit wird etwa gleich gross wie die Merkmalauflösung (±5 µm).

Die vertikale Genauigkeit hängt im Wesentlichen von der Genauigkeit des Glasmassstabs ab. Im Falle der 3D-Prüfanlage ergibt sich eine vertikale Genauigkeit von etwa 1 µm.

 

Die Planarität der Siegelebene auf dem Kapselkragen ist nicht gleichmässig. Abweichungen sind im OCT-Bild farblich codiert dargestellt.

Weitere Merkmale der Prüfanlage

Die Folienart lässt sich mit dem OCT-System erkennen. Weil dieses aber keine Farben erkennt, ist dazu ein Zusatzsensor (Farbkamera) in den Strahlengang einzubinden. Die Normalbildkamera (RGB) ist unter dem Prüftablett montiert, damit die Farbe der Kapseln bestimmt werden kann. «LabView» hat ein Modul integriert, das RGB-Daten in das «Cielab»-Modell umrechnet.

Auf der Prüfanlage lassen sich auch flache Folienstücke vermessen (Gesamtdicke und Dicke der äussersten Kunststoffschichten). Die Kameras können nach Bedarf auch einzeln betrieben werden (nur eine Kamera im Betrieb, die gegenüberliegende ausgeschalten).

In der Messanlage lassen sich auch Werkzeuge, unabhängig vom Material, vermessen. Dies ist vor allem bei der Erstbemusterung von Interesse, weil die OCT-Anlage schlussendlich mit CAD-Anlagen kommunizieren kann. Diese Verbindung ist allerdings nicht im Softwarepaket eingeschlossen, ist aber optional verfügbar.

Die Vermessung vertikaler Seitenwände ist mit der angebotenen Option in jedem Fall, also auch bei nicht transparentem Material, gewährleistet. Zur Messung der Seitenwanddicke von transparentem Material dient das Standardverfahren. Sind vertikale Seitenwände an runden oder eckigen Bauteilen zu vermessen, wird das Zusatzbauteil (optische Strahlumlenkung) am Messkopf montiert. Die Montage beziehungsweise Demontage erfolgen innerhalb Sekunden. Die Vermessung der Seitenwände und deren Dicke ist ein separater Messvorgang.

 

Zusatzbauteil zur Messung der Kapselseitenwand.

 

Zusammenfassung

Die vorstehend beschriebene OCT-Prüfanlage für Kaffeekapseln und Verschlüssen von Getränkeflaschen zeichnet sich durch verschiedenste Vorteile aus:

 

Die Software besteht aus der Benutzeroberfläche, den Algorithmen und dem Prüfprotokoll. Zudem sind die statische Prozesskontrolle und viele zusätzliche Optionen Bestandteil der Gesamtsoftware zum System.

 

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