Technologie d'inspection visuelle des défauts d'aspect des bouteilles PET : des principes aux applications industrielles

1. Défauts d’apparence courants dans les bouteilles PET et leur impact sur la qualité des produits

En tant que principal emballage pour les boissons, les aliments et autres produits de grande consommation, l'aspect des bouteilles PET influence directement la première impression du consommateur et est crucial pour la sécurité et la durée de conservation du produit. Lors de leur production, les bouteilles PET subissent plusieurs étapes : soufflage, remplissage, étiquetage et codage. Chaque étape peut engendrer des défauts d'aspect spécifiques. Lors du soufflage, l'insufflation de gaz à haute température dans la préforme, puis le pressage à l'aide d'un moule, peuvent entraîner des déformations et des goulots tordus. Au remplissage, les problèmes courants incluent un remplissage insuffisant ou incomplet, ainsi que des bouchons mal fixés ou de travers (y compris des bouchons trop hauts ou de travers). L'étiquetage peut donner lieu à des étiquettes mal alignées ou manquantes, tandis que le codage peut être erroné ou manqué en raison de dysfonctionnements des équipements.

Ces défauts vont de légères altérations de l'apparence du produit à des conséquences graves qui modifient directement la qualité du contenu. En particulier pour les produits sensibles à l'oxygène, comme les boissons à base de thé et les produits laitiers, un bouchon mal scellé peut entraîner une détérioration du produit, tandis qu'un étiquetage incorrect ou un codage imprécis peuvent poser des problèmes de contrôle sur le marché. Par conséquent, la détection des défauts d'apparence des bouteilles en PET est non seulement importante pour l'aspect du produit, mais constitue également un maillon essentiel du contrôle qualité.

Tableau : Principaux types de défauts des bouteilles en PET et leur impact

Catégorie de défaut	Exemple de défaut spécifique	Impact sur la qualité du produit
Défauts des bouchons de bouteille	Bouchon haut, bouchon tordu, bouchon cassé, pas de bouchon	Altération du contenu, fuites et contamination
Défauts d'étiquette	Absence d'étiquette, étiquette haute ou basse, étiquette perforée, étiquette de travers	Informations incomplètes, impact sur l'image de marque
Défauts de codage	Codage manquant, flou, date incorrecte	Difficultés liées à la traçabilité des produits et risques de surveillance du marché
Défauts du corps de la bouteille	Déformation, cou tordu, fuite	Défaillance de l'emballage, perte du contenu

2. Principes techniques et composition du système d'inspection visuelle

Le système d'inspection visuelle entièrement automatisé simule la vision humaine en utilisant un équipement d'acquisition d'images pour capturer l'aspect de la bouteille PET. Des algorithmes de traitement d'images avancés analysent ensuite la qualité de l'image afin d'identifier et de classifier les défauts. Un système d'inspection visuelle complet se compose généralement de trois parties principales : un module d'acquisition d'images, un module de traitement d'images et un module d'exécution des résultats.

Le module d'acquisition d'images, véritable « œil » du système, se compose principalement d'une caméra industrielle, de lentilles optiques et d'une source lumineuse dédiée. Compte tenu de la forte réflectivité des surfaces des bouteilles en PET, un système d'éclairage spécialement conçu est généralement nécessaire pour mettre en évidence les éléments cibles. Par exemple, l'équipement d'inspection développé par Jinan Maotong utilise une méthode de prise de vue combinant éclairage frontal et arrière et une configuration optique télécentrique, permettant de visualiser efficacement les étiquettes et leurs défauts, et garantissant ainsi une grande précision d'inspection. Pour l'inspection des bouteilles transparentes, des capteurs optiques spécialisés (tels que les séries 5 et 3C) fournis par des entreprises comme Leuze permettent de relever efficacement les défis liés à l'inspection des matériaux transparents.

Le module de traitement d'images, véritable « cerveau » du système, prend en charge la tâche la plus critique d'identification des défauts. Ce module effectue d'abord un prétraitement des images acquises, incluant la transformation en niveaux de gris, la segmentation par seuillage et la binarisation, afin d'en extraire les informations utiles relatives aux défauts. Ensuite, grâce à des algorithmes tels que la détection de contours, l'extraction de caractéristiques et la reconnaissance de formes, le système peut déterminer avec précision la conformité du produit. Par exemple, lors du contrôle des capsules de bouteilles, le système calcule la distance maximale entre le bord supérieur de la capsule et la ligne de base, puis détermine la conformité du scellage en se basant sur les angles formés par les bords gauche et droit, ainsi que par la ligne de base et le bord supérieur.

Le module d'exécution des résultats agit comme le bras armé du système, traduisant les résultats de traitement en actions concrètes. Lorsqu'un produit défectueux est détecté, le système envoie immédiatement un signal au dispositif d'éjection pour éliminer précisément la pièce non conforme. Afin d'améliorer la précision de l'éjection, le système intègre généralement un codeur de vitesse qui suit automatiquement la vitesse du convoyeur, assurant ainsi une éjection synchronisée. Les systèmes d'inspection par vision modernes disposent également de fonctions statistiques avancées, capables d'afficher en temps réel la quantité et la proportion de produits non conformes sur un écran tactile et permettant la surveillance et le stockage à distance des données de production via une interface Ethernet.

3. Approches techniques des différents types de systèmes d'inspection par vision

Les systèmes d'inspection visuelle des défauts d'aspect des bouteilles PET peuvent être globalement classés en deux approches techniques selon leurs technologies de traitement de base : les systèmes embarqués basés sur la technologie SOPC (Chip-on-a-Chip) et les systèmes intégrés industriels. Chaque approche présente des avantages et convient à différents scénarios et besoins de production.

3.1 Systèmes d'inspection par vision embarquée basés sur la technologie SOPC

Les systèmes d'inspection basés sur la technologie SOPC (System-on-a-Chip) programmable utilisent des FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) comme cœur matériel, exploitant pleinement les capacités de traitement parallèle des circuits logiques programmables. Ces systèmes sont généralement basés sur des puces FPGA Altera ou Xilinx, avec des processeurs à cœur logiciel tels que le Nios II configurés comme cœur de contrôle. Le système assure un traitement d'image complet en connectant des modules périphériques, tels que des interfaces d'acquisition d'images, des contrôleurs de stockage et des contrôleurs VGA, au bus Avalon.

L'un des principaux avantages de ce type de système réside dans sa capacité de traitement à haute vitesse. Grâce au calcul parallèle matériel permis par les FPGA, les vitesses de traitement d'images sont nettement supérieures à celles des systèmes basés sur des processeurs classiques. Les données expérimentales montrent qu'un système basé sur SOPC traite l'image d'une bouteille en environ 90 millisecondes, ce qui correspond à une vitesse de détection de plus de 10 bouteilles par seconde et à une précision supérieure à 99 %. Par ailleurs, ce système offre une grande flexibilité, permettant aux utilisateurs de personnaliser les algorithmes de traitement d'images et les critères de détection selon leurs besoins, notamment en implémentant des critères de jugement spécifiques pour la détection d'images via la programmation C++.

Cependant, la technologie SOPC exige également des entreprises qu'elles possèdent de solides compétences en conception matérielle et en développement d'algorithmes, ce qui la rend plus adaptée aux grands fabricants de boissons ou aux intégrateurs de systèmes ayant des exigences extrêmes en matière de vitesse de détection.

3.2 Systèmes d'inspection visuelle intégrés industriels. Les systèmes intégrés industriels sont construits à partir de composants de vision industrielle éprouvés, tels que les processeurs de vision Siemens, associés à des automates programmables (PLC) et des écrans tactiles, pour former des systèmes d'inspection complets. Ces systèmes sont généralement développés comme des solutions globales par des sociétés d'automatisation spécialisées (telles que Hangzhou Huafeng Automation Systems Co., Ltd.), offrant une fonctionnalité complète, de l'acquisition d'images à la correction des défauts.

Les avantages des systèmes industriels intégrés résident dans leur grande stabilité et leur mise en œuvre rapide. Ce système utilise exclusivement de l'acier inoxydable, répondant ainsi aux normes d'hygiène de l'industrie agroalimentaire. Sa structure mécanique indépendante facilite son installation à n'importe quel endroit de la ligne de production, et son mécanisme de réglage X-Y-Z offre une grande flexibilité opérationnelle. Par exemple, les systèmes de vision Siemens proposent des interfaces de signaux numériques et des interfaces réseau industriel, permettant aux utilisateurs de choisir la configuration la plus adaptée à leurs conditions de travail, pour un résultat à la fois pratique et économique.

Ces systèmes excellent également en matière de vitesse d'inspection, atteignant plus de 1 500 bouteilles par minute en conditions réelles. De plus, ils offrent de puissantes capacités de communication de données, se connectant aux ordinateurs via des interfaces Ethernet pour permettre la surveillance en ligne, la modification des programmes et l'enregistrement des données de production, fournissant ainsi une base de données essentielle à la fabrication intelligente.

Tableau : Comparaison des systèmes d’inspection visuelle avec différentes approches techniques

4. Cas d'application pratiques et analyse des performances

L'efficacité pratique de l'inspection visuelle pour la détection des défauts d'aspect des bouteilles PET est remarquable. Les équipements dédiés par les différents fabricants présentent des caractéristiques propres en termes de vitesse de détection, de précision et d'adaptabilité. L'analyse des performances de plusieurs scénarios d'application typiques est présentée ci-après.

En matière de contrôle des bouchons, la machine d'inspection multi-zones pour bouteilles PET de Jinan Maotong détecte divers défauts tels que l'absence de bouchon, un bouchon trop haut, un bouchon tordu, un pont cassé, une bague cassée, des bouchons mélangés et des différences de couleur. Sa cadence d'inspection atteint 36 000 contenants par heure, soit 600 bouteilles par minute. Cet équipement est compatible avec les bouchons standard à 28 et 38 spires, les bouchons à double paroi et d'autres types de bouchons non standard, couvrant ainsi la quasi-totalité des bouchons de bouteilles PET les plus courants sur le marché. Son installation se situe généralement après la capsuleuse, permettant une détection rapide des produits défectueux et évitant la propagation des défauts aux étapes suivantes de la production.

L'inspection des étiquettes constitue une autre application clé. La machine d'inspection d'étiquettes omnidirectionnelle à 360° de Jinan Maotong adopte une architecture multi-stations, observant sous six angles différents pour une inspection complète à 360° sans angle mort. Cet équipement utilise un mode de déclenchement synchrone-asynchrone et un algorithme breveté de détection de collage pour identifier avec précision les défauts tels que les étiquettes manquantes, collées, irrégulières, perforées, inversées, coupées, fissurées, froissées et décalées horizontalement. Il affiche une vitesse d'inspection impressionnante allant jusqu'à 48 000 conteneurs par heure, répondant ainsi aux exigences des lignes de production à grande vitesse.

Pour le contrôle du niveau de remplissage et de l'étanchéité, les détecteurs de niveau à rayons X et les détecteurs de fuites par pression constituent des solutions efficaces. Les détecteurs à rayons X exploitent le principe d'absorption différentielle des rayons X selon les substances, ce qui leur permet de détecter le niveau de liquide à travers divers contenants, transparents ou non, à une cadence pouvant atteindre 60 000 contenants par heure. La machine de détection de fuites par pression utilise plusieurs capteurs de niveau et des capteurs de pression de haute précision pour déterminer conjointement la capacité et l'étanchéité du contenant. Elle analyse le niveau de liquide et la pression interne sous différentes intensités de pression, ce qui lui permet de détecter avec précision même les fuites les plus infimes.

Il convient de noter que ces dispositifs de détection permettent non seulement de rejeter les produits défectueux en temps réel, mais offrent également de nombreuses fonctionnalités statistiques. Par exemple, le système développé par Hangzhou Huafeng analyse statistiquement le nombre et la proportion de produits défectueux à chaque étape de la production, le nombre et la proportion de produits défectueux à chaque étape sur une période donnée, ainsi que le volume total de production et le nombre de produits défectueux par équipe et par mois. Ces données sont affichées en temps réel sur un écran tactile et peuvent être imprimées, fournissant ainsi des informations essentielles pour la gestion de la qualité de la production.

5. Défis techniques et tendances de développement

Bien que l'inspection visuelle ait permis d'obtenir des résultats significatifs dans la détection des défauts d'aspect des bouteilles en PET, elle se heurte encore à certains défis techniques. Parallèlement, afin de répondre aux exigences croissantes en matière de contrôle qualité, cette technologie évolue constamment.

5.1 Défis techniques actuels

La détection des matériaux transparents représente l'un des principaux défis des systèmes d'inspection visuelle. Les bouteilles en PET, par exemple, sont transparentes ou semi-transparentes, ce qui génère facilement des réflexions et des réfractions, altérant ainsi la qualité d'acquisition d'image. Pour y remédier, les fabricants de capteurs ont développé des solutions dédiées. Ainsi, les capteurs de la série 5 de Leuze peuvent détecter les bouteilles translucides et les films transparents ; la série 3C, quant à elle, est spécialement conçue pour la détection d'objets transparents et intègre des fonctions de suivi. Toutefois, une détection stable dans des conditions d'éclairage complexes exige toujours une conception optique sophistiquée.

Les exigences de temps réel liées à la production à grande vitesse constituent un autre défi majeur. Les lignes de production de boissons modernes voient leur cadence augmenter constamment, et il est devenu courant de traiter des centaines, voire des milliers de bouteilles par minute. Ceci impose des exigences extrêmement élevées en matière de vitesse d'acquisition et de traitement d'images. Les architectures de traitement parallèle basées sur FPGA représentent une solution efficace à ce problème, en améliorant considérablement la vitesse de traitement grâce au calcul parallèle au niveau matériel.

De plus, l'identification de défauts complexes exige des algorithmes plus avancés. Par exemple, la détection précise de défauts tels que les plis des étiquettes et les légers défauts d'alignement nécessite des algorithmes dotés de solides capacités de résistance aux interférences et de reconnaissance de formes. L'association des algorithmes de traitement d'images traditionnels et des technologies d'intelligence artificielle modernes pourrait constituer l'avenir.

5.2 Tendances de développement futures

L'avenir de l'inspection visuelle des bouteilles PET s'orientera vers une précision accrue, une vitesse supérieure et une intelligence renforcée. Grâce à l'amélioration de la résolution des caméras et à l'augmentation de la puissance de calcul des processeurs, la précision de détection passera du micromètre au nanomètre, permettant ainsi l'identification de défauts encore plus infimes. Parallèlement, la vitesse de détection continuera de progresser grâce à l'amélioration des performances des processeurs, répondant aux exigences des lignes de production à très haute cadence.

L'intégration poussée de l'intelligence artificielle et de l'apprentissage automatique constitue une autre tendance majeure. Grâce aux algorithmes d'apprentissage profond, le système peut apprendre de manière autonome les caractéristiques des défauts à partir d'un grand nombre d'échantillons, ce qui réduit la complexité du débogage des algorithmes et améliore la précision de la reconnaissance, notamment pour les défauts complexes difficiles à décrire à l'aide de règles traditionnelles. De plus, des fonctions de prédiction de la qualité basées sur l'analyse de données massives deviendront possibles, permettant ainsi de passer de la détection a posteriori à la prévention.

L'intégration système et la multifonctionnalité constituent également des axes de développement importants. Les systèmes d'inspection visuelle modernes ne se limitent plus à des fonctions uniques, mais évoluent vers l'intégration de multiples fonctions de détection au sein d'une seule unité. Par exemple, un seul appareil peut intégrer simultanément les fonctions de détection de bouchons, d'étiquettes, de niveaux de liquides et de codage jet d'encre, réduisant ainsi l'encombrement et améliorant l'efficacité globale de l'inspection. Parallèlement, l'intégration poussée du système avec d'autres équipements de la ligne de production (tels que des robots industriels, des AGV, etc.) formera un système de fabrication intelligent en boucle fermée, basé sur le principe « détection-évaluation-tri-optimisation ».

Avec l'essor de l'Industrie 4.0 et de la fabrication intelligente, les systèmes d'inspection visuelle ne seront plus des unités de contrôle qualité isolées, mais seront profondément intégrés à l'ensemble du système de gestion de la production, permettant le partage des données et l'optimisation des processus, et assurant une assurance qualité complète pour la production de bouteilles PET.

Conclusion: 

L'inspection visuelle entièrement automatisée des bouteilles PET est devenue un outil indispensable de contrôle qualité dans l'industrie des boissons moderne. Des systèmes personnalisés basés sur FPGA aux solutions industrielles intégrées, divers équipements d'inspection contribuent à améliorer la qualité des produits, à réduire les coûts de production et à accroître l'efficacité. Face aux défis que représentent l'inspection de matériaux transparents, la production à grande vitesse et l'identification complexe des défauts, cette technologie continue d'innover et d'évoluer vers une précision, une rapidité et une intelligence accrues. Grâce à l'intégration poussée de technologies avancées telles que l'intelligence artificielle et le big data, les perspectives d'application de l'inspection visuelle dans le domaine de l'emballage des bouteilles PET seront encore plus vastes, offrant aux fabricants des solutions d'assurance qualité plus complètes et fiables.