Technologie d'inspection visuelle des bouteilles PET pleines : composition du système, principes algorithmiques et tendances de développement

1. Importance et contexte de l'inspection complète des bouteilles en PET

Les bouteilles en PET sont des emballages largement utilisés dans les industries des boissons, de l'alimentation et pharmaceutiques. Sur les lignes de remplissage à grande vitesse, des défauts tels que des niveaux de liquide trop élevés ou trop bas, et une étanchéité insuffisante des bouchons peuvent survenir en raison de facteurs comme des erreurs de l'équipement de remplissage, des variations entre les bouteilles ou des fluctuations de la ligne de production. Un niveau de liquide trop élevé peut entraîner la dilatation, voire l'éclatement du produit pendant le transport ou en cas de variations de température, tandis qu'un niveau de liquide trop bas peut enfreindre les spécifications de l'étiquetage, nuire à l'image de l'entreprise et engendrer des risques réglementaires. Des défauts de bouchon, tels que des bouchons mal vissés, de travers, manquants ou des bagues d'inviolabilité brisées, peuvent facilement provoquer des fuites de liquide ou une contamination microbienne. Par conséquent, le contrôle qualité automatisé des bouteilles pleines en fin de ligne de production est devenu une étape cruciale pour garantir la qualité des produits finis.

L'inspection traditionnelle repose principalement sur un contrôle visuel manuel, mais cette méthode est inefficace, source de fatigue et sensible aux facteurs subjectifs, ce qui la rend inadaptée aux lignes de production à grande vitesse traitant des dizaines de milliers de bouteilles par heure. Les technologies d'inspection par rayons X, ultrasons et infrarouges ont également été utilisées, mais chacune présente ses propres inconvénients, tels que des risques pour la santé, une sensibilité aux interférences ou une précision insuffisante. Ces dernières années, l'inspection de bouteilles entières par vision industrielle s'est progressivement imposée comme la solution dominante grâce à ses avantages : fonctionnement sans contact, haute précision et rapidité. Cette technologie capture des images de la bouteille à l'aide d'une caméra et utilise des algorithmes de traitement d'images pour analyser des indicateurs clés tels que le niveau de liquide, le bouchon et l'étiquette, permettant ainsi un contrôle qualité en ligne rapide et objectif.

2. Composition d'un système d'inspection visuelle de bouteilles PET pleines

Un système complet d'inspection visuelle de bouteilles PET pleines se compose généralement d'une unité d'imagerie, d'une source lumineuse, d'une unité de traitement et d'un actionneur. Ces composants doivent fonctionner de concert pour répondre aux exigences d'une inspection rapide et précise.

2.1 Unité d'imagerie

L'unité d'imagerie est chargée d'acquérir des images de la bouteille. Son composant principal est une caméra industrielle (de type CCD ou CMOS). Pour une meilleure couverture d'inspection, le système utilise souvent plusieurs caméras ou les combine avec des réflecteurs afin de capturer simultanément des images sous différents angles. Par exemple, une solution classique utilise trois caméras CCD matricielles, espacées de 120 degrés le long de la ligne de production, pour une détection à 360 degrés sans angle mort du bouchon et du niveau de liquide. Une autre solution innovante utilise une seule caméra CCD industrielle, mais avec cinq miroirs réfléchissants (du premier au cinquième), acquérant des images multi-angles de l'avant, du côté gauche, du côté droit et du dessus de la bouteille par réflexion, ce qui réduit efficacement le coût et la complexité du système. L'objectif de la caméra est généralement aligné avec le fond de la bouteille pour garantir une image nette du niveau de liquide.

2.2 Système de source lumineuse

Un éclairage stable est essentiel à la qualité de l'image. Le système utilise généralement des sources lumineuses LED, ponctuelles ou annulaires, pour mettre en évidence les bords de la bouteille et le niveau du liquide. La source lumineuse est généralement allumée en continu, ce qui simplifie le système de contrôle et garantit une grande stabilité. Selon les caractéristiques de la bouteille (transparence, couleur du contenu, etc.), on peut opter pour un rétroéclairage (éclairage par l'arrière pour créer une silhouette et souligner le niveau du liquide) ou un éclairage frontal (éclairage par l'avant pour accentuer les détails de surface). Par exemple, lors du contrôle des bouchons, le rétroéclairage permet de capturer les contours du bouchon et de la bague de maintien, tandis que pour la détection du niveau de liquide, la combinaison d'un éclairage frontal et d'un rétroéclairage compense efficacement les interférences dues à la mousse. La disposition des sources lumineuses doit éviter les reflets et les ombres et s'adapter aux vibrations de la ligne de production.

2.3 Unité de traitement et actionneur

L'unité de traitement (par exemple, un ordinateur de contrôle industriel) exécute des algorithmes de traitement d'images pour analyser les images capturées et déterminer si le niveau de liquide est acceptable et si le bouchon de la bouteille est normal. Cette unité communique avec l'automate programmable (PLC), qui commande le mécanisme d'éjection (par exemple, un éjecteur à électrovanne) en fonction des résultats de la détection afin d'éliminer automatiquement les produits défectueux de la ligne de production. Le système intègre également des capteurs photoélectriques, des codeurs rotatifs et d'autres composants pour suivre la position de la bouteille et déclencher la prise de photos par la caméra, garantissant ainsi la synchronisation de la détection avec la cadence de la ligne de production.

3. Principaux algorithmes de détection de bouteilles pleines

Les algorithmes sont au cœur de l'inspection visuelle et doivent répondre à des exigences élevées de précision et de temps réel. Voici des algorithmes typiques pour la détection du niveau de liquide et la détection des bouchons de bouteille.

3.1 Algorithme de détection du niveau de liquide

La détection du niveau de liquide vise à identifier avec précision la limite entre le liquide et le gaz (ou la mousse) à l'intérieur de la bouteille. Les algorithmes les plus courants sont la méthode du gradient de projection et la méthode de diffusion du gradient de projection en niveaux de gris. Leur processus comprend généralement trois étapes : le prétraitement de l'image, la localisation du niveau de liquide et la détermination du niveau.

• Prétraitement de l'image : L'image couleur est d'abord convertie en niveaux de gris, puis binarisée (le seuil est généralement fixé à environ 200 pour une image en niveaux de gris à 256 niveaux) afin de séparer la bouteille de l'arrière-plan. Sur l'image binarisée, le bruit peut être éliminé par des opérations telles que l'érosion et la dilatation, et la zone de la bouteille peut être délimitée grossièrement par analyse des composantes connexes.

• Localisation du niveau de liquide : La méthode du gradient de projection est couramment utilisée. On calcule d’abord la somme des niveaux de gris de chaque ligne verticale de l’image afin de former une courbe de projection. En raison du changement brutal de niveau de gris au niveau du liquide, la valeur du gradient de projection augmente significativement. En parcourant cette courbe, on repère la ligne présentant la valeur de gradient maximale, ce qui permet de déterminer la position du niveau de liquide. Pour améliorer la précision, une stratégie de diffusion du gradient peut être combinée afin d’amplifier le signal de gradient grâce aux caractéristiques préalables du niveau de liquide, ce qui stabilise la localisation. Les expériences montrent que l’erreur de localisation du niveau de liquide de cette méthode est inférieure à 0,68 mm et que le temps de traitement pour une image est d’environ 23,8 ms, répondant ainsi aux exigences de l’imagerie haute vitesse. Pour les images multi-angles (comme les vues gauche et droite obtenues à travers un miroir), le système calcule séparément la position du niveau de liquide. Si les deux valeurs se situent dans la plage standard, la localisation est considérée comme conforme. si l'un est trop haut, trop bas ou si le niveau de liquide ne peut pas être détecté (par exemple, dans une bouteille pleine), il est considéré comme 不合格 (non qualifié).

3.2 Algorithme de détection des capsules de bouteilles

La détection des capsules de bouteille nécessite d'identifier les défauts tels que les capsules trop hautes, inclinées, absentes ou présentant des bagues d'inviolabilité brisées. Les algorithmes reposent principalement sur la relation géométrique entre la capsule et la bague de support.

• Localisation de l'axe de symétrie : Dans un premier temps, une détection des contours est effectuée sur l'image de la bouteille. L'axe de symétrie de la bouteille est déterminé en ajustant les points de contour gauche et droit afin de corriger son inclinaison.

• Emplacement de l'anneau de support : L'anneau de support (anneau d'adaptation) est relativement fixé au corps de la bouteille et apparaît sous la forme d'une ligne droite sur l'image. L'anneau de support peut être localisé en comptant le nombre de pixels noirs dans chaque rangée et en trouvant la rangée de pointe ; ou en utilisant la détection de coin, les deux extrémités de l'anneau de support sont déterminées par le point maximum de courbure du contour, puis une ligne droite est ajustée.

• Détection des défauts : Un algorithme d’ajustement linéaire calcule la pente et la distance entre la droite située en haut du bouchon et celle de l’anneau de support. Si la différence de pente entre ces deux droites dépasse un seuil (par exemple, 0,005), le bouchon est considéré comme tordu. Si les pentes sont parallèles mais que la distance excède la plage de calibration (par exemple, 20 pixels), le bouchon est considéré comme trop haut. Si la zone du bouchon est indétectable, la bouteille est considérée comme sans bouchon. En cas de bague d’inviolabilité brisée, l’espace entre l’anneau de support et la bague est détecté : l’absence d’espace indique que la bague est probablement cassée ou détachée. Cet algorithme offre une précision supérieure à 99 % et une vitesse de traitement de 100 ms par image.

4. Intégration du processus d'inspection à la ligne de production

Le poste d'inspection des bouteilles pleines est généralement installé après le remplissage et le bouchage, mais avant l'étiquetage et l'emballage. Le processus d'inspection est le suivant :

1. Déclenchement de l'acquisition : La bouteille entre dans le poste d'inspection par un convoyeur. Le capteur photoélectrique déclenche la caméra et la source lumineuse pour acquérir simultanément des images multi-angles.

2. Traitement d'image : L'ordinateur de contrôle industriel exécute l'algorithme pour extraire les caractéristiques du niveau de liquide et du bouchon.

3. Évaluation et exécution du résultat : Le système émet un signal « conforme/non conforme » selon que le niveau de liquide est dans la plage standard et que le bouchon est homologué. Dès réception du signal, l’automate programmable retire immédiatement les bouteilles défectueuses à la station de rejet à l’aide d’un éjecteur.

Le système doit s'adapter aux lignes de production à grande vitesse (jusqu'à 36 000 bouteilles/heure) ; par conséquent, l'efficacité de l'algorithme et la performance de la synchronisation matérielle sont cruciales. De plus, pour pallier les interférences dues aux secousses des bouteilles, aux gouttelettes d'eau et aux reflets, l'algorithme doit intégrer une conception robuste, notamment par l'utilisation de techniques de filtrage d'image et de jugement en cascade par boîtes rectangulaires multiples.

5. Applications industrielles et tendances de développement

La technologie d'inspection visuelle est largement utilisée sur les lignes de production d'emballages PET dans les industries des boissons, de la bière et pharmaceutiques. Comme illustré sur la figure 2, une ligne de remplissage type intègre plusieurs systèmes d'inspection aux étapes clés : inspection des bouteilles pré-remplies avant soufflage (vérification des défauts au niveau du goulot, de l'épaulement et du fond), inspection des bouteilles pleines après remplissage (niveau de liquide, bouchon et codage), inspection des étiquettes après étiquetage (erreurs d'étiquetage, dommages et coins déformés) et inspection de l'emballage après conditionnement (bouteilles manquantes, vérification du poids). Ce système de contrôle qualité de bout en bout améliore considérablement l'automatisation de la production et la constance du produit.

Les tendances de développement futures comprennent :

• Algorithmes intelligents : Intégration de la technologie d’apprentissage profond pour former des modèles qui identifient les défauts complexes (tels que les erreurs d’impression d’étiquettes ou les dommages mineurs aux bouteilles), améliorant ainsi l’adaptabilité et la précision du système.

• Fusion multi-capteurs : Combinaison de capteurs de poids, de spectroscopie proche infrarouge, etc., pour surveiller la qualité interne telle que la qualité du contenu et les impuretés tout en détectant les niveaux de liquide et les bouchons de bouteille.

• Conception flexible : L’équipement doit permettre un changement de production rapide, en s’adaptant aux besoins de détection des différents types de bouteilles et de liquides grâce à des sources lumineuses réglables, des supports de caméra et un logiciel paramétrique.

• Optimisation des coûts : Développement de solutions d'imagerie multi-angles à caméra unique (telles que des systèmes à combinaison de miroirs) afin de réduire les coûts matériels tout en garantissant les performances, favorisant ainsi l'adoption de cette technologie par les PME.

6. Résumé

La technologie d'inspection visuelle des bouteilles PET pleines, grâce à des systèmes d'imagerie avancés et des algorithmes performants, permet la détection automatisée en ligne d'aspects clés de la qualité, tels que le niveau de liquide et l'état des bouchons. Elle remplace ainsi efficacement l'inspection manuelle traditionnelle, garantissant la qualité des produits et améliorant la productivité. Avec les progrès de la vision industrielle et de l'intelligence artificielle, les systèmes futurs évolueront vers une précision accrue, une vitesse supérieure et une plus grande adaptabilité, fournissant un soutien technologique essentiel à la modernisation intelligente d'industries telles que les boissons, l'agroalimentaire et l'industrie pharmaceutique.