Solution technique et mise en œuvre d'un système d'inspection visuelle pour le bouchage des bouteilles PET, le contrôle du niveau de liquide et le codage par jet d'encre

Abstrait

Les lignes de production de boissons en bouteilles PET fonctionnent à cadence élevée et en continu. Par conséquent, le contrôle de la qualité du capsulage, du niveau de liquide et des informations imprimées par jet d'encre sur le corps de la bouteille est essentiel pour garantir la conformité du produit, sa sécurité et l'image de marque. Les méthodes d'échantillonnage manuelles traditionnelles présentent une faible efficacité, une forte intensité de main-d'œuvre et sont sujettes à la fatigue visuelle et aux erreurs d'interprétation. La technologie d'inspection automatisée basée sur la vision industrielle – qui intègre l'imagerie de précision, le traitement d'images en temps réel et la prise de décision intelligente – permet un contrôle en ligne précis, rapide et complet du capsulage, du niveau de liquide et du codage jet d'encre des bouteilles PET. Elle constitue un élément indispensable du contrôle qualité dans les lignes de production de boissons modernes et intelligentes. Cet article décrit en détail la composition, les principes de fonctionnement, les technologies clés et les éléments essentiels à la mise en œuvre de ce système d'inspection.

I. Objectifs et exigences de l'inspection du système

1. Inspection du bouchage :

Objectif : Détecter si le bouchon de la bouteille est bien serré et correctement positionné, et identifier les anomalies telles que les bouchons inclinés, les bouchons surélevés, les pas de vis manquants ou un positionnement incomplet.

Exigences : Le système doit identifier avec précision la position relative de la surface supérieure du bouchon par rapport au filetage du goulot de la bouteille, et déterminer si la hauteur de bouchage se situe dans la plage de tolérance spécifiée (généralement ±0,5 mm). Il doit être capable de distinguer des bouchons de couleurs et de matériaux différents, tout en atténuant efficacement les interférences causées par de légères vibrations des bouteilles ou par les reflets provenant des étiquettes.

2. Inspection du niveau de liquide :

Objectif : Vérifier que le niveau de liquide de la boisson dans la bouteille se situe dans la plage standard, assurant ainsi des volumes de remplissage constants et évitant le sous-remplissage (manque) ou le sur-remplissage.

Exigences : Pour les bouteilles en PET transparentes ou semi-transparentes, le système doit capturer clairement l'interface liquide-gaz (c'est-à-dire la ligne de surface du liquide). Il doit surmonter les interférences causées par les bulles, la mousse, la sédimentation du produit, la réfraction optique due à la surface courbe de la bouteille ainsi que les fonds d'étiquette, afin de mesurer avec précision la distance entre la surface du liquide et le plan de référence du goulot de la bouteille.

3. Inspection du codage à jet d'encre :

Objectif : Vérifier la présence, et contrôler la clarté, l’exactitude, l’exhaustivité et le positionnement précis des informations imprimées par jet d’encre sur le corps (ou le bouchon) de la bouteille, telles que les dates de production, les dates de péremption, les numéros de lot et les codes QR.

Exigences:

▪ Détection de présence : pour déterminer si un codage jet d’encre est présent dans une zone d’inspection spécifiée.

▪   Reconnaissance de caractères : Effectue une reconnaissance optique de caractères (OCR) sur des caractères tels que les dates et les numéros de lot ; les compare à des informations prédéfinies ou à une base de données pour vérifier leur exactitude.

▪   Évaluation de la qualité : évalue la clarté et le contraste du code imprimé et vérifie les défauts tels que les lignes brisées, le flou, les taches ou la contamination. 

▪   Position et intégrité : vérifie que le code imprimé se trouve dans la zone d’inspection spécifiée et confirme que tous les codes QR ou codes-barres peuvent être décodés avec succès.

II. Présentation du système

Un système complet d'inspection visuelle des bouchons de bouteilles PET, des niveaux de liquide et des codes imprimés comprend généralement les sous-systèmes suivants :

1. Unité d'imagerie :

Caméra industrielle : En fonction de la cadence de la ligne de production (par exemple, 600 bouteilles/minute, 1 200 bouteilles/minute), on sélectionne une caméra matricielle à obturateur global ou à obturateur roulant, ou une caméra linéaire à fréquence d’images élevée. La résolution doit être suffisamment élevée pour distinguer les détails fins (tels que les motifs matriciels du code imprimé). Généralement, on utilise une caméra CCD ou CMOS de 2 à 5 mégapixels.

Objectif industriel : Un objectif à focale fixe, doté d’une focale, d’une ouverture et d’une profondeur de champ appropriées, est sélectionné pour garantir des images nettes et sans distorsion sur l’ensemble du champ de vision. La détection du niveau de liquide peut nécessiter l’utilisation d’un objectif télécentrique afin de minimiser les erreurs de perspective.

Source lumineuse et système d'éclairage : ce point est crucial pour la réussite du processus d'inspection visuelle. Différentes techniques d'éclairage sont sélectionnées en fonction des caractéristiques spécifiques inspectées.

▪   Rétroéclairage : Couramment utilisé pour la détection du niveau de liquide ; la lumière est projetée depuis l’arrière de la bouteille pour créer une silhouette à contraste élevé de la surface du liquide.

▪ Éclairage coaxial : utilisé pour inspecter les caractéristiques planes de la surface supérieure du bouchon de la bouteille, telles que les codes imprimés ou les rayures, en minimisant l’éblouissement et les reflets.

▪   Éclairage de barres, éclairages de dôme et éclairages à angle faible : utilisés pour mettre en valeur les textures et les caractères sur les pas de vis des capsules, les étiquettes des bouteilles et les codes imprimés ; ces techniques éliminent l’influence de la lumière ambiante et améliorent le contraste des éléments.

Filtres optiques : tels que les polariseurs, qui suppriment efficacement les réflexions spéculaires (éblouissement) générées par le corps de la bouteille ou la surface du liquide.

2. Unité de traitement et de contrôle :

PC industriel / Contrôleur de vision : Doté d'un processeur et d'une carte graphique haute performance, ce module exécute le logiciel d'inspection visuelle et assure l'acquisition, le traitement, l'analyse et la prise de décision des images. ◦   **Logiciel de traitement d'images :** Il intègre des bibliothèques d'algorithmes de vision industrielle éprouvées (par exemple, Halcon, VisionPro, OpenCV) ou utilise un logiciel propriétaire développé sur mesure. Il offre une interface de programmation graphique facilitant la configuration des zones d'inspection, des paramètres et de la logique.

3.  Unités d'exécution et de communication :

Mécanisme de rejet : Il se compose généralement de tiges de poussée pneumatiques, de bras oscillants ou de dispositifs de soufflage d’air ; lors de la réception d’un signal « NG » (Non conforme/Rejet) du système de vision, il sépare avec précision les produits défectueux de la chaîne de production.

Encodeur/Déclencheur : se synchronise avec la chaîne de production pour déclencher la caméra et capturer une image précisément lorsqu’une bouteille PET atteint la position d’inspection désignée, garantissant ainsi la cohérence des images.

Interface homme-machine (IHM) : écran tactile ou moniteur utilisé pour la configuration des paramètres, la surveillance de l’état, l’affichage des données (par exemple, les taux de réussite, les statistiques sur les types de défauts) et les notifications d’alarme.

Interfaces de communication : Se connecte aux systèmes PLC, MES (Manufacturing Execution System) ou SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) de la ligne de production via des protocoles tels que Ethernet, PROFIBUS, PROFINET ou EtherCAT, permettant le téléchargement de données et l'interopérabilité à l'échelle du système.

III. Principes d'inspection et flux de travail de l'algorithme

Le processus d'inspection suit un cycle en boucle fermée : « Déclenchement – ​​Acquisition – Traitement – ​​Évaluation – Exécution ».

1. Acquisition et prétraitement des images :

Déclenchement synchrone : un encodeur fournit un retour d’information en temps réel sur la position du tapis roulant ; lorsqu’une bouteille atteint le point situé directement sous la caméra, un signal de déclenchement est émis, incitant la caméra à prendre une photo précise.

Amélioration de l'image : Les images brutes capturées subissent un filtrage (par exemple, filtrage médian, filtrage gaussien) pour supprimer le bruit, suivi d'opérations telles que la conversion en niveaux de gris, l'étirement du contraste et l'égalisation de l'histogramme pour améliorer la qualité globale de l'image.

2.  Algorithmes d'extraction et d'inspection des caractéristiques :

Inspection du capuchon :

▪   Localisation : Tout d’abord, une méthode de correspondance de modèles ou une analyse de blobs est utilisée pour localiser précisément la zone de goulot d’étranglement dans l’image.

▪   Mesure : Une ou plusieurs « zones d’intérêt » (ROI) d’inspection sont définies dans la zone du goulot de la bouteille. Des techniques de détection de contours (par exemple, l’opérateur de Canny) sont ensuite appliquées pour identifier les contours distincts, notamment le bord inférieur (ou la surface supérieure) du bouchon et le bord supérieur du filetage du goulot.

▪   Calcul et évaluation : La distance en pixels entre les deux lignes de bord identifiées est calculée, puis convertie en une distance physique réelle par étalonnage du système. Cette distance est comparée à une plage acceptable prédéfinie (par exemple, la valeur de hauteur de bouchage standard ± tolérance) ; si la mesure se situe en dehors de cette plage, la bouteille est classée comme défectueuse, plus précisément comme présentant un « bouchon incliné », un « bouchon trop haut » ou un défaut similaire.

Détection du niveau de liquide :

▪   Configuration de la ROI : Une région d’intérêt (ROI) rectangulaire étroite et orientée verticalement est définie dans la partie centrale du corps de la bouteille (en évitant spécifiquement la zone de l’étiquette).

▪ Détection des bords : Au sein de cette zone d'intérêt (ROI), une projection verticale en niveaux de gris ou un balayage linéaire est effectué. En raison de la différence d'indices de réfraction entre le liquide et l'air qui le surplombe, un changement brusque et distinct des valeurs de niveaux de gris se produit à la surface du liquide. La position du niveau du liquide est déterminée par l'identification de ce point de transition spécifique (bord).

▪   Comparaison de référence : La distance en pixels entre la surface du liquide et une ligne de base désignée (le goulot ou le fond de la bouteille) est mesurée et convertie en une hauteur physique réelle. Cette hauteur mesurée est ensuite comparée à une hauteur de niveau de liquide standard prédéfinie et à son écart admissible. En présence de mousse, des algorithmes plus sophistiqués, tels que le seuillage dynamique ou l’analyse statistique régionale en niveaux de gris, peuvent être utilisés.

Inspection du codage/de l'impression :

▪   Localisation et segmentation : Tout d’abord, la zone spécifique contenant le code imprimé est localisée (ceci peut être réalisé en se référant à sa position relative par rapport au corps de la bouteille ou à l’étiquette, ou en utilisant des marqueurs de positionnement spécifiques).

▪   Reconnaissance OCR : Les caractères de la zone désignée sont binarisés, segmentés et normalisés ; ils sont ensuite identifiés à l’aide de modèles de caractères pré-entraînés ou d’un modèle OCR basé sur l’apprentissage profond. Les résultats de la reconnaissance sont comparés aux informations standard transmises par le MES (Manufacturing Execution System) ou à des règles prédéfinies (par exemple, vérifier qu’un code de date est futur).

▪   Évaluation de la qualité : Le contraste et la netteté globaux (mesurables par la précision des contours) de la zone imprimée sont calculés ; de plus, les caractères binarisés sont inspectés afin de détecter tout défaut tel que des ruptures ou des adhérences. Pour les codes-barres 2D (par exemple, les codes QR), un algorithme de décodage dédié est directement invoqué ; le code est considéré comme « acceptable » uniquement s’il peut être décodé avec succès et si son contenu est vérifié comme correct.

▪   Détection de présence : Le nombre de points caractéristiques ou la valeur moyenne en niveaux de gris dans la zone d’impression désignée est calculé et comparé à la zone d’arrière-plan (où aucun code n’est attendu) pour déterminer si le code est réellement présent.

3. Détermination et affichage des résultats :

Le système de vision synthétise les résultats d'inspection issus de tous les sous-modules — y compris le bouchage, le niveau de liquide et le codage — afin de rendre un verdict final d'« Acceptable » ou d'« Inacceptable » pour chaque bouteille individuelle.

Le verdict final (incluant des détails tels que le type de défaut/catégorie NG, l'horodatage et l'emplacement) est transmis en temps réel au mécanisme de rejet et au système de gestion de niveau supérieur. Mécanisme de rejet : À l'arrivée d'une bouteille « NG » (non conforme) au point de rejet désigné, le mécanisme exécute une action précise pour l'éjecter de la ligne de convoyage principale.

IV. Principales considérations et défis liés à la mise en œuvre du système

1. Haute vitesse et stabilité : la ligne de production fonctionne à des vitesses extrêmement élevées, ce qui oblige le système à traiter une seule image dans un délai très court (généralement <50 ms). De plus, le système doit maintenir un fonctionnement continu et stable 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 et posséder une solide résistance aux interférences externes.

2.  Adaptabilité aux environnements complexes :

Variété des bouteilles : Le système doit pouvoir basculer rapidement entre les programmes d’inspection pour différentes formes de bouteilles et types de bouchons, en intégrant une fonction complète de « gestion des recettes ».

Caractéristiques des liquides : Des facteurs tels que les bulles dans les boissons gazeuses, la turbidité des jus de fruits et les résidus liquides adhérant aux parois internes des contenants de produits laitiers (adhérence aux parois) augmentent la complexité de la détection du niveau de liquide ; cela nécessite l’optimisation des systèmes d’éclairage et des algorithmes.

Interférences de fond : Les distractions telles que les étiquettes colorées, les reflets, les fluctuations de la lumière ambiante, le fond du tapis roulant et les gouttelettes d’eau à la surface de la bouteille doivent être efficacement atténuées grâce à une conception d’éclairage soignée et à des techniques de prétraitement d’image.

3. Conception du système d'éclairage : Ce système constitue la pierre angulaire du succès du projet. Il doit être conçu avec minutie et faire l'objet de tests itératifs rigoureux afin de prendre en compte les spécificités de l'inspection (par exemple, les surfaces liquides transparentes, les couvercles de bouchons réfléchissants, les codes à jet d'encre noir). L'objectif est de sélectionner le type, la couleur, l'angle et l'intensité de la source lumineuse de manière optimale pour obtenir des images où les éléments cibles sont parfaitement nets et l'arrière-plan parfaitement propre.

4. Étalonnage précis : La conversion précise des coordonnées des pixels de l’image en dimensions physiques réelles au sein d’un système de coordonnées global est essentielle. Cela nécessite l’utilisation de plaques d’étalonnage de haute précision et l’application de techniques de correction de la distorsion de l’objectif afin de garantir une précision de mesure de l’ordre de 0,1 mm.

5. Robustesse des algorithmes : Les algorithmes utilisés doivent posséder une tolérance aux pannes et des capacités d’adaptation intrinsèques, leur permettant de prendre en compte les variations individuelles mineures (par exemple, les différences de couleur lors de l’impression sur les bouchons, les déformations minimes des bouteilles) et ainsi éviter les faux positifs. Les technologies d’apprentissage profond présentent actuellement des avantages significatifs dans la classification des défauts complexes (par exemple, la catégorisation de la gravité du flou des codes d’impression jet d’encre).

6. Intégration et communication du système : La synchronisation parfaite avec l’automate programmable de la ligne de production, le calcul précis des délais de rejet et l’échange de données avec le système MES (Manufacturing Execution System) nécessitent un réglage fin et méticuleux afin de garantir l’intégration harmonieuse du système d’inspection dans le flux de production global. V. Résumé et perspectives

Le système d'inspection visuelle des bouchons en PET, du niveau de liquide et de l'impression de codes intègre de manière transparente la « vision aiguë » de la vision industrielle avec les « mains rapides » de l'automatisation. Il réalise une inspection 100 % en ligne des attributs de qualité critiques dans les emballages de boissons, augmentant ainsi considérablement l'efficacité de la production et la cohérence de la qualité des produits, tout en réduisant simultanément les coûts de main-d'œuvre et en atténuant les risques de faux positifs et de défauts manqués. Ce système représente un élément essentiel dans le parcours de l'industrie des boissons vers l'Industrie 4.0 et la réalisation d'une fabrication intelligente.

À l'avenir, grâce aux progrès technologiques, ce système est appelé à évoluer selon les tendances suivantes : des vitesses et des résolutions plus élevées pour répondre aux exigences des lignes de production à très grande vitesse ; l'application de la technologie de vision 3D pour permettre une mesure plus précise de la hauteur du bouchon et du volume de liquide ; l'intégration poussée d'algorithmes d'apprentissage profond de l'IA, permettant au système d'apprendre et d'identifier de manière autonome des types de défauts de plus en plus complexes et variables, et d'accroître ainsi son niveau d'intelligence ; et l'utilisation de plateformes cloud et d'analyses de données massives pour faciliter l'agrégation et l'analyse approfondie des données de qualité provenant de plusieurs lignes de production et usines, fournissant une aide à la décision robuste pour l'optimisation des processus et la maintenance prédictive.

En conclusion, le système d'inspection visuelle du bouchon PET, du niveau de liquide et de l'impression de codes sert non seulement de « gardien inébranlable » de la qualité du produit, mais aussi d'atout technologique essentiel qui pousse le secteur de la fabrication des boissons vers une qualité améliorée, une efficacité accrue, des coûts réduits et une transformation numérique complète.