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Bildverarbeitung in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie: Aufzeigen von werkstofftechnischen, technologischen sowie konstruktiven Anforderungen an ... in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie
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Bachelor thesis
Mechanical Engineering

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Staatliche Studienakademie Eisenach

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BACHELORARBEIT

 „Aufzeigen von werkstofftechnischen, technologischen sowie konstruktiven Anforderungen an Komponenten und Systeme der bildverarbeitenden Industrie in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie“


1. Einleitung 1

1.1 Notwendigkeit vorliegender Untersuchungen 1

1.2 Die Firma Vision & Control GmbH 2

2. Stand der Kenntnisse 3

2.1 Grundlagen der industriellen Bildverarbeitung 3

2.2 Grundlagen der Materialwissenschaft 5

2.3 Grundlagen der Fertigungstechnik 6

2.4 Grundlagen der Konstruktionstechnik 7

3. Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit 13

4. Versuchsaufbau 15

5. Versuchsdurchführung 16

5.1 Anforderungsrecherche 16

5.2 Anforderungsliste 25

5.3 Materialwissenschaftliche Analyse 26

5.4 Fertigungstechnologische Analyse 34

5.5 Wirtschaftlich-technologische Analyse 45

5.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 50

5.7 Konstruktionsbeispiel 55

6. Ergebnis der Versuchsdurchführung 58

7. Diskussion der Versuchsdurchführung 59

8. Zusammenfassender Überblick 63

9. Ausblick 64


1. Einleitung

Vor einigen Jahrzehnten war es unmöglich, ein digitales Bild als Ausgangspunkt für eine Qualitätskontrolle anzunehmen. Erst die dynamische Entwicklung im Bereich der innovativen Technologien, insbesondere in der industriellen Bildverarbeitung, ließ diese fortschrittliche Art der Qualitätssicherung zu. Das Fundament dieser Evolution stellte die Möglichkeit dar, Bilder zu digitalisieren sowie die Erkenntnis digitalisierte Bilder abspeichern bzw. übertragen zu können.


Die Anwendungsmöglichkeit industrieller Bildverarbeitungsaufgaben war zu Beginn der Entwicklung aus Kostengründen nur auf professionellen Bereichen, wie z.B. Ingenieurwissenschaft und Medizin anzutreffen. Einen Wandel der hohen Produktions- und Entwicklungskosten erfuhr die industrielle Bildverarbeitung mit der schnellen Entwicklung der Halbleitertechnik.

Mit diesem Fortschritt stand der Bildverarbeitung ein Einsatz in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Automation von Prozessen im Maschinenbau nichts mehr im Weg. Heutzutage übernehmen Machine-Vision[1] Komponenten große Teile der Qualitäts-kontrollen und Qualitätssicherungen in der Automatisierungsbranche. Aufgaben, die für den Menschen eintönig oder gefährlich erscheinen, werden bequem an Maschinen übertragen.

Auf diese Weise werden Ermüdungserscheinungen aber auch menschliches Versagen bei Qualitätskontrollen ausgeschlossen. Demzufolge können komplexe Fertigungsprozesse exakt überprüft und protokolliert werden.


1.1 Notwendigkeit vorliegender Untersuchungen

In den vergangenen Jahren ist eine rasante Verbreitung der industriellen Bildverarbeitung in den verschiedensten Industriebranchen zu dokumentieren. Diese Branchenvielfalt lässt viele neue Anwendungsmöglichkeiten folgen. Demgemäß sind Einsatzbereiche wie pharmazeutische Industrie und Lebensmittelindustrie zu Standardsektoren in der industriellen Bildverarbeitung herangewachsen.

Anlässig dieser Entwicklung sind in den verschiedenen Branchen speziell zugeschnittene Anforderungen, Richtlinien und Leitfäden sowie Normen und Vorschriften bezüglich der technologischen Eigenschaften, wie z.B. Staubdichtheit und Wasserdichtheit der Bildverarbeitungskomponente entstanden.


Um den Anforderungen der angesprochenen Industriebereiche Folge zu leisten, sind zunächst die Gegebenheiten der relevanten Branchen zu erforschen. Anhand der Anwendungsprofile ist im Anschluss zu entscheiden, ob die derzeitigen Machine-Vision Komponenten der Firma Vision & Control GmbH den Anforderungen gerecht werden. Im Falle einer negativen Beurteilung der Untersuchung sind nach werkstofftechnischen, technologischen bzw. konstruktiven Möglichkeiten zu forschen.



1.2 Die Firma Vision & Control GmbH

Die vorliegende Bachelorarbeit ist in Zusammenarbeit mit der in Suhl ansässigen Firma Vision & Control GmbH entstanden. Dieses 1991 gegründete Unternehmen entwickelt, produziert und vertreibt Machine-Vision Komponenten und deckt hierbei die gesamte Breite aller Disziplinen in den Bereichen Optik, Beleuchtung, Bildverarbeitungssoftware und Mach.....[read full text]

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Weiterhin lassen sich Bilder nach Art des Prüfgegenstandes unterteilen. Hiernach spricht man von einer Mustererkennung oder Bildanalyse, wenn die Untersuchung einem tatsächlichen Objekt gilt. Ein Beispiel dafür sind die Füllgradbestimmungen von Flaschen und Verpackungen sowie die Ermittlung der Oberflächenqualität von Profilbrettern. Gilt hingegen die Aufgabenstellung der Ermittlung diverser Qualitätsmerkmale eines Objektes, wie z.B. Farbmerkmale, geometrische Merkmale oder der Ermittlung einer Objektposition, so wird der Bildverarbeitungsvorgang als Bildanalyse bezeichnet [Naw01].


Die prinzipielle Struktur eines bildverarbeitenden Systems demonstriert Ab-bildung 1. Die Struktur beinhaltet eine Beleuchtungseinheit, eine Abbildungsoptik, einen Sensor bzw. Halbleiter-Kamera sowie einen Framegrabber[3], welcher aus einem Bildspeicher besteht. Weitere Bestandteile sind Analog-Digital-Wandler, Digital-Analog-Wandler und Bildprozessor sowie Rechner mit Betriebssystem, Interface zur Ansteuerung von Aktoren und Interface zur Erfassung weiterer Sensorsignale [Naw01].


Abb. 1: Struktur eines Bildverarbeitungssystems [Naw01]


Wie ebenfalls aus dem Schema (Abb. 1) zu entnehmen ist, haben Beleuchtungseinheiten die Aufgabe, optische Strahlungen so auf ein Objekt zu richten, dass die reflektierte oder transmittierte Strahlen auf einen für die Wellenlänge geeigneten Sensor treffen und reproduzierbare Sensorsignale erzeugen. Hierbei kann der Benutzer die Kombination aus Leuchtmittel und Beleuchtungsart an die Aufgabenstellung anpassen.

Um das zu erfassende digitale Bild formatgefüllt auf einen Sensor abzubilden, muss ein optisches Abbildungssystem dem bildgebendem System vorgeschaltet sein. Es werden in der Regel Objektive eingesetzt, welche durch ihre Brennweite gekennzeichnet sind. Für hochgenaues dimensionales Messen werden telezentrische Objektive, wie z.B. die vicotar® Objektivserie der Firma Vision & Control GmbH eingesetzt.

Die Objektivart bildet Objekte, unabhängig von ihrer Entfernung zum Objektiv, auf die gleiche Sensorfläche ab. Gewiss können nur Objekte ganz auf dem Sensor abgebildet werden, deren Größe geringer als der Objektivdurchmesser ist [Naw01].


Eine weitere Komponente der Bildverarbeitungstechnologie illustriert der Framegrabber. Dieses Bauelement hat die Aufgabe, das analoge Ausgangssignal des bildgebenden Systems über einen Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umzusetzen, die digitalen Bilder in einem Bildspeicher abzulegen sowie die gespeicherten Bilder über einen Digital-Analog-Wandler auf einem TV-Monitor darzustellen.

Der Bildspeicher wird durch einen Datenbus an einem Prozessor gekoppelt. Ein Framegrabber erzeugt die für die Abtastung des Bildgebersignals notwendigen Taktsignale und die für die Bildwiedergabe geforderten Synchronsignale [Naw01].


In rein PC basierenden Bildanalysesystemen laufen Bildoperationen, spezielle Bildtransformationen zur Bildverbesserung, Segmentierungen, Postsegmentierungen sowie Klassifikationsalgorithmen zu langsam ab. Auf Grund dessen werden spezielle Bildprozessoren zur Beschleunigung eingesetzt [Naw01].



2.2 Grundlagen der Materialwissenschaft

Der Begriff Materialwissenschaft beschreibt eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich auf die Disziplinen Chemie, Physik, Ingenieurwesen, Mineralogie, Kristallographie und Petrologie[4] stützt. Sie beschäftigt sich mit der Erforschung, d.h. Entwurf, Herstellung und Charakterisierung sowie Verarbeitung von Materialien. Lange Zeit beschränkte sich das Interesse der Materialwissenschaft fast ausschließlich auf die metallischen Werkstoffe, insbesondere Stahl, Bunt.....

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2.4 Grundlagen der Konstruktionstechnik

Anhand ständig steigender Anforderungen an Anwendungsbereichen und Qualität ist die Arbeitsweise des methodischen Konstruierens als verpflichtend zu werten. Gerade wegen der Kenntnis, dass die Konstruktionskosten direkten Einfluss auf die Herstellkosten eines technischen Produktes aufweisen, ist eine Rationalisierung im Konstruktionsbereich notwendig.

Bisher sind Konstruk-tionsaufgaben meist durch intuitive Vorgehensweisen gelöst worden. Dies setzt allerdings eine umfassende Konstruktionserfahrung und künstlerische Phantasie eines konstruktiv-kreativen Einzelkönners voraus. Mit der Arbeitsweise des methodischen Konstruierens ist ein Konzept gefunden, welches weitgehend durch den Zufall die Lösung bestimmt.

Hierbei ist eine analytische Vorgehensweise durch Funktionsdenken, zielgerichtete Suche nach Lösungen und Varianten, sowie eine technisch-wirtschaftliche Wertanalyse durchzuführen. Mit dem Hilfsmittel des methodischen Konstruierens kann vor allem der Anfänger systematischer und zielgerechter sein Lösungskonzept entwickeln. Hierbei ist besondere Aufmerksamkeit auf die Methode der Lösungsfindung zu legen.

Dabei werden prinzipiell drei Arten – die Neu-, Varianten- und Anpassungskonstruk-tion – unterschieden. Die letztgenannte Anpassungskonstruktion dient zur Anpassung eines bereits bekannten technischen Produktes mit gleichem Funk-tionsprinzip, aber veränderten Randbedingungen. Diese Methode ist in der gegenwärtigen Analyse anzuwenden [Pah06]. Aus diesem Grund sind im Nachstehenden besondere Gestaltungsmerkmale vorhandener Machine-Visions, explizit an drei Produkten der Firma Vision & Control GmbH zu untersuchen.


2.4.1 Konstruktive Gestaltung des telezentrischen Messobjektiv vicotar® T240

Das telezentrische Messobjektiv vicotar® T240 besteht grundlegend aus sieben schwarz eloxierten[5] Gehäusekomponenten. Der Grundwerkstoff dieser Elemente ist eine Aluminiumlegierung AlMgSi1. Im Inneren der Grundelemente befindet sich eine Anordnung von Glaslinsen, welche auf dem Optikdesign der Firma Vision Control GmbH beruhen. Die Linsenkombinationen sind in den Tubuskomponenten Vorderglied, Grundobjektiv und Hinterglied durch Vorschraubringe und Distanzringe integriert.

Die Tubusteile werden mit Feingewinde M30 x 5 bzw. 23,5 x 5 kollektiv verschraubt. Ein Lack auf dem Gewinde dient als Sicher-ungselement für die Schraubverbindungen. Ebenfalls mit einem Sicherheitslack versehen ist ein Gewindestift mit Innensechskant, welcher in dem Hinterglied des T240 eingeschraubt ist und zur Arretierung de.....

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In Kombination mit einer LED Beleuchtung ermöglicht diese Elektronik eine maximale Helligkeit mit einer homogenen Lichtverteilung über die gesamte Leuchtfläche. Damit die vorhandenen elektronischen Bauelemente vor äußeren Einwirkungen geschützt sind, ist wie in Abbildung 3 demonstriert, eine transparente, schlagfeste Kunststoffscheibe auf eine definierte Fläche des eloxierten Aluminiumgehäuse aufgeklebt.


Abb. 3: Konstruktive Gestaltung der Flächenbeleuchtung vicolux® BL100x80

2.4.3 Konstruktive Gestaltung Vision-Sensor camat® S47-2

Vision-Sensoren zeichnen sich durch das aufeinander abgestimmte Zusammenspiel der Bildverarbeitungskomponenten Optik, Beleuchtung, Bildaufnehmereinheit, Software und Schnittstelle in einem robusten Gehäuse aus. Das Schema in Abbildung 4 stellt die Etappen der Zusammenführung der einzelnen Baugruppen dar [Ost07]. Die hier von eins bis vier bezifferten Komponenten erzeugen die Grundbausteine eines bildverarbeitenden Sensors, hierzu zählen Beleuchtungseinheit (1), optische Einheit (2), Bildaufnahmeeinheit (3) und Schnittstelleneinheit( 4).

Diese vier Grundelemente werden auf einer Basisplatte (5) installiert und ausgerichtet. Diese Anordnung bildet das Grundgerüst (6) des bildverarbeitenden Sensors. Zur Komplettierung des Bildverarbeitungssensors (7) wird das Sensorgrundgerüst in einem robusten Gehäuse untergebracht. In Abbildung 5 auf Seite 11 wird die konstruktive Gestaltung des Gehäuses dargestellt [Ost07].


Abb. 4: Baugruppen des Vision-Sensors camat® S47-2

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Für eine problemlose Programmierung des Machine-Vision-Sensors dient eine säurebeständige Tastaturfolie aus thermostabiler Polyesterfolie. Weiterhin ist zu beobachten, dass in Pos. 9 eine Displayscheibe aus PMMA Luxacryl® glasklar 1000 eingeklebt ist. Sie gewährleistet zum Einen eine aus optischer Sicht problemlose Bildaufnahme des Sensors und zum Anderen schützt sie die empfindlichen elektronischen Bauteile vor äußeren Einflüssen.

Auch eine Resistenz gegen chemisch hochaktive Medien garantiert der PMMA-Werkstoff. Beide Komponenten, Pos. 3 und Pos. 9 sowie die Basisplatte Pos. 1 sind mit Nuten versehen, in denen Dichtungsringe aus Gummi eingelegt werden. Demnach kann garantiert werden, dass die Spalten zwischen den Gehäusekomponenten nach der Montagearbeit absolut staub- und spritzwassergeschützt sind.

Zur Montage des Sensors an Maschinen oder anderen Objekten, an denen der camat® S47-2 befestigt werden soll, dienen die Gewindebohrungen in Pos. 1. Die modulare Bauweise des camat® S47-2 ermöglicht eine einfache Anpassung an neue Aufgabengebiete des Sensors. Je nach geforderten Eigenschaften des Sensors können die einzelnen Komponenten in Form der Baugruppen ausgetauscht oder für eine neue Aufgabestellung neu entwickelt werden.

Das Grundprinzip des Sensors wird auf diese Weise nicht tangiert [Ost07].

3. Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit

Der Anwendungsbereich der Machine Vision Komponenten der Firma Vision & Control GmbH beschränkte sich momentan auf Branchen, bei denen keine hohen Anforderungen bezüglich Berührungs- und Fremdkörper- sowie Wasserschutz existieren. Nur ein Schutz gegen Stäube und Spritzwasser muss realisiert werden. Vorzugsweise werden die existierenden Komponenten und Systeme in der Automobilindustrie bzw. im allgemeinen Maschinenbau eingesetzt.

Anlässig der gegenwärtigen unvorteilhaften Lage in der Automobilindustrie und auf Grund der bestehenden Wirtschaftskrise ist die Firma Vision & Control GmbH gezwungen in andere Industriezweige einzudringen [ARC09]. Die Auswahl der Branchen lässt einen Versuch der Integration der Machine Vision Komponenten auf dem pharmazeutischen Markt und dem Markt der Lebensmittelindustrie resultieren.


Zum Zwecke der Integration der vorhandenen Machine-Vision Komponenten in die pharmazeutischer Industrie bzw. Lebensmittelindustrie seitens der Firma Vision & Control GmbH ist zu Beginn der vorliegenden Bachelorarbeit eine Recherche, bezüglich der Anforderungen in den erwähnten Industriezweigen, durchzuführen. Anhand dieser ausführlichen konstruktionswissenschaftlichen Ausarbeitung ist im Folgenden eine Anforderungsliste anzufertigen, welche die Bedürfnisse der neuen Industriezweige zu einer Gesamtheit vereint.

Unter Verwendung der Anforderungsliste sind im Anschluss werkstofftechnische und fertigungstechnische Analysen auszuarbeiten. Hierbei sind verschiedene Varianten zu finden, um im Folgenden unter Verwendung einer wirtschaftlich-technologischen Analyse und einer Wirtschaftlichkeitsprüfung die idealste Variante zu bestimmen. Im Anschluss ist der Gewinner des Variantenvergleiches zum Zweck einer ausführlichen Dokumentation .....

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Die Erarbeitung einer Anforderungsliste bildet das Fundament einer günstigen wirtschaftlich-technischen Lösungsfindung der Aufgabenstellung. Hierbei muss im Vorfeld eine ausführliche Anforderungsrecherche durchgeführt werden, um marktrelevante Grundforderungen in Pharmazie und Lebensmittelindustrie zu deuten. Ebenfalls müssen Definitionen bezüglich der technisch- kundenspezifischen Leistungsanforderungen, aber auch Definitionen der Attraktivitätsforder-ungen des Markt-/Kundensegmentes in den geforderten Branchen berücksichtigt werden.

Zum Abschluss der Anforderungslistenerstellung sind Forderungen und Wünsche der Kunden aufzuführen und als diese zu kennzeichnen.


Nach der Erstellung der Anforderungsliste sind alternative Werkstoffe und deren Technologien, welche den gegebenen Anforderungen der Kunden entsprechen, für die Gehäusekonstruktion zu ermitteln. Ebenfalls müssen die ermittelten Werkstoffe und technischen Verfahren dem Profil der Richtlinien, Leitfäden und Normen in Lebensmittelindustrie sowie pharmazeutischen Industrie entsprech-en.

Ziel dieser werkstofftechnischen und technologischen Analyse ist das Aufstellen einer Variantenmatrix, mit dessen Hilfen verschiedene Lösungskonzepte gefunden werden sollen. Die verschiedenen Lösungsvarianten sind anschließend auf ihre wirtschaftliche und technische Wertigkeit zu prüfen, um hinterher ein Stärkediagramm nach Kesselring aufstellen zu können.


Um die Lösungsfindung noch expliziter an die Firma Vision & Control GmbH anzulehnen, ist  in einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsprüfung die ökonomischste Variante zu ermitteln, welche anschließend in einen konstruktiven Beispiel dargestellt wird .

5. Versuchsdurchführung

Im Folgenden ist der Algorithmus des Versuches durchzuführen. Die Durchführung eröffnet mit einer Anforderungsrecherche bezüglich der erforderlichen Bedingungen aus Lebensmittelindustrie und ph.....

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