Tecnologia de inspeção visual de defeitos em tampas de garrafas PET: dos princípios às aplicações industriais

Nas linhas de produção de bebidas de alta velocidade, a qualidade da vedação de cada tampa de garrafa é crucial para a segurança alimentar e a reputação corporativa. A tecnologia de inspeção visual, que permite às máquinas "ver" defeitos subtis nas tampas das garrafas, tornou-se um componente essencial do controlo de qualidade industrial moderno.

As garrafas PET são omnipresentes em indústrias de bens de consumo de alta rotatividade (FMCG), como bebidas e produtos farmacêuticos. Como componente essencial da embalagem e do selo, a qualidade da tampa da garrafa impacta diretamente a segurança e a qualidade do conteúdo. A deteção tradicional de defeitos em tampas de garrafas depende principalmente da inspeção visual manual, que apresenta uma baixa eficiência, uma elevada intensidade de trabalho e uma elevada taxa de inspeções perdidas.

A mais recente tecnologia de moldagem por compressão de tampas de garrafas PET permite velocidades de produção de 24.000 a 48.000 unidades por hora. No entanto, velocidades de produção elevadas aumentam a probabilidade de defeitos.

A tecnologia de deteção de defeitos em tampas de garrafas PET baseada na visão de máquina surgiu como uma ferramenta técnica essencial para garantir a qualidade do produto.

I. Tipos comuns de defeitos em tampas de garrafas PET e seus impactos

Os defeitos nas tampas das garrafas PET variam muito e podem ser categorizados nas seguintes categorias com base na sua forma e localização:

Os defeitos de aparência incluem principalmente a deformação geral da tampa, amolgadelas nas bordas, manchas e cortes. Estes defeitos não afetam apenas a aparência do produto, mas também podem comprometer o seu desempenho de vedação. Por exemplo, a deformação geral da tampa da garrafa pode levar a um encaixe frouxo no acabamento da garrafa, causando potencialmente fugas ou trocas gasosas.

Os defeitos de vedação, como uma tampa torta, uma tampa alta ou uma tampa em falta, afetam diretamente a integridade da embalagem. Uma tampa torta pode criar uma folga entre a tampa e o acabamento da garrafa, o que pode levar a fugas de líquido ou entrada de gás; uma tampa alta indica que a tampa não está totalmente apertada, o que também afeta a vedação.

Os defeitos estruturais incluem a largura excessiva do anel anti-roubo e uma ponte de ligação partida. A quebra total ou parcial da ponte de ligação no anel anti-roubo pode comprometer a segurança do produto e impedir o seu funcionamento adequado.

Os defeitos relacionados com o gargalo incluem rebarbas no acabamento da garrafa, moldagem interna defeituosa e diâmetro anormal da plataforma do anel de bloqueio. Estes defeitos decorrem de problemas na produção da pré-forma ou no processo de moldagem por sopro, mas podem ter um impacto direto no desempenho da vedação da tampa da garrafa. Por exemplo, rebarbas excessivas no acabamento da garrafa podem interferir com a tampa exterior, comprometendo a vedação; enquanto as rebarbas nas roscas podem dificultar o enroscamento da tampa e facilmente conduzir a tampas tortas.

Tabela 1: Tipos de defeitos comuns e impactos das tampas das garrafas PET

II. Componentes de um Sistema de Inspeção Visual de Tampas de Garrafas PET

Um sistema completo de inspeção visual de tampas de garrafas PET é normalmente constituído por três componentes principais: uma unidade de aquisição de imagem, uma unidade de processamento de imagem e uma unidade de controlo de execução.

1. Unidade de aquisição de imagens

A unidade de aquisição de imagens é o "olho" do sistema, responsável pela captação de imagens nítidas da tampa da garrafa. Esta unidade inclui normalmente componentes como uma fonte de luz LED, uma câmara industrial (CCD ou CMOS), uma lente e uma placa de aquisição de imagem.

Em termos de soluções de imagem, a geração de imagens de silhueta com retroiluminação é amplamente utilizada, permitindo captar claramente a informação do contorno da amostra. Para cobrir completamente a superfície cilíndrica da tampa da garrafa, é habitual utilizar-se um sistema multicâmara, como um arranjo de três câmaras com um ângulo de 120° entre cada câmara, garantindo uma imagem completa da lateral da tampa sem necessidade de rodar a garrafa.

O design de iluminação é crucial para a qualidade da imagem. Uma iluminação adequada pode realçar características do alvo e reduzir a interferência de reflexos e sombras. As fontes de luz LED são o método de iluminação preferido para sistemas de visão devido à sua longa vida útil, excelente estabilidade e elevada capacidade de personalização.

2. Unidade de Processamento de Imagem

A unidade de processamento de imagem é o “cérebro” do sistema de inspeção visual, responsável por analisar e processar as imagens captadas e identificar características de defeitos. Esta unidade inclui normalmente etapas como o pré-processamento de imagens, a extração de características e a classificação e identificação de defeitos.

Durante a fase de pré-processamento da imagem, a filtragem adaptativa de mediana é frequentemente utilizada para remover ruído, a segmentação iterativa de limiar é utilizada para a binarização e o operador Canny é utilizado para a deteção de bordos. Estes métodos extraem eficazmente as arestas características da tampa da garrafa, estabelecendo a base para a subsequente identificação de defeitos.

Para tipos de defeitos complexos, são necessários algoritmos mais avançados. Por exemplo, para detetar objetos estranhos na superfície da tampa de uma garrafa, pode ser utilizado o espaço de cor HSV em vez do espaço RGB tradicional para superar as deficiências de escala de cinzentos irregulares na superfície da tampa e as características pouco claras dos objetos estranhos. Para defeitos subtis, como pontes quebradas, o algoritmo de segmentação de limiar dinâmico apresentou bons resultados. Este algoritmo utiliza uma filtragem média para obter uma área de fundo, compara a imagem sob inspeção com o fundo e define um limiar dinâmico para segmentar a área quebrada.

3. Unidade de Controlo de Execução

A unidade de controlo de execução é responsável por executar as operações correspondentes com base nos resultados do processamento. Normalmente, é constituída por um PLC (Programmable Logic Controller), um dispositivo de rejeição pneumático e um sistema de posicionamento. Quando o sistema deteta um produto defeituoso, envia um sinal ao PLC, que controla a válvula solenóide para acionar o cilindro, retirando o produto não qualificado da linha de produção. Os sistemas avançados incluem também uma função de posicionamento que regista a estação da máquina de fecho correspondente ao produto defeituoso, fornecendo informações precisas para reparação e ajuste.

Tabela 2: Configuração típica de um sistema de inspeção visual de tampas de garrafas PET

III. Algoritmos de Detecção de Chaves e Inovações Tecnológicas

A tecnologia central do sistema de inspeção visual de tampas de garrafas PET está nos algoritmos de processamento de imagem, e diferentes defeitos requerem diferentes métodos de deteção.

1. Algoritmo de posicionamento da tampa da garrafa e extração de contornos

O posicionamento da tampa do frasco é o primeiro passo na deteção de defeitos. Utilizando a deteção de bordos do operador Canny combinada com a extração de contornos de 8 vizinhanças, a posição da tampa do frasco na imagem pode ser determinada com precisão. Posteriormente, utiliza-se o método dos mínimos quadrados para ajustar o contorno superior da tampa e as linhas das pegas de suporte, calculando a sua posição relativa e ângulo, que serve de base para determinar se a tampa está alta ou torta.

2. Algoritmo de deteção dedicado para defeitos complexos

O processamento convencional de imagens em escala de cinzentos tem uma eficácia limitada na deteção de corpos estranhos na superfície da tampa da garrafa. A investigação demonstrou que a conversão de imagens do espaço RGB para o espaço de cor HSV e a utilização da componente de saturação podem destacar eficazmente as características dos corpos estranhos e melhorar a precisão da deteção. Para defeitos subtis, como a ponte de ligação parcialmente quebrada do anel anti-roubo, o método de limiar fixo tem dificuldade em segmentar o produto de forma eficaz devido à pequena folga (0,2-0,3 mm) e à distribuição abrupta da escala de cinzentos. O algoritmo de segmentação de limiar dinâmico, através da estimativa de fundo e da comparação de diferenças, consegue identificar com precisão estes defeitos subtis.

3. Soluções de processamento acelerado por hardware

Para satisfazer as exigências das linhas de produção de alta velocidade, alguns sistemas empregam soluções de aceleração por hardware, como por exemplo FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Por exemplo, um sistema de inspeção baseado num SoPC (System-on-a-Chip) utiliza o chip FPGA EP2C35F6726C. Aproveitando as capacidades de processamento paralelo do hardware, reduz o tempo de processamento para aproximadamente 90 ms por garrafa, significativamente mais rápido do que as soluções baseadas em software (normalmente 2 a 3 garrafas por segundo).

IV. Resultados da Aplicação Industrial e Perspectivas Tecnológicas

A tecnologia de inspeção visual para tampas de garrafas PET tem sido amplamente utilizada nas indústrias de bebidas e farmacêutica, alcançando resultados significativos.

1. Resultados da aplicação industrial

As aplicações reais demonstraram que os sistemas de inspeção visual podem atingir uma precisão de deteção superior a 99% e processar mais de 12.000 garrafas por hora, superando em muito a eficiência e a precisão da inspeção manual. Por exemplo, o sistema de inspeção de tampas de garrafas PET sem anel de uma fábrica farmacêutica atinge uma precisão de 99,97% na deteção de tampas normais e de 99,20% na deteção de corpos estranhos na superfície da tampa e anéis partidos. Um sistema de inspeção visual desenvolvido pelo Hangzhou Wahaha Group atingiu uma precisão de 99,90% em testes reais de linha de produção, com uma taxa de deteção de produtos defeituosos de 100% e uma taxa de rejeição falsa de apenas 0,08%.

2. Tendências de desenvolvimento tecnológico

No futuro, a tecnologia de inspeção visual para tampas de garrafas PET evoluirá para capacidades inteligentes e integradas. As tecnologias de inteligência artificial e aprendizagem profunda estão a ser introduzidas no campo da inspeção visual. Através de operações de convolução e treino de pequenas amostras, geram modelos de inspeção mais adequados para produtos específicos, alargam o alcance da inspeção e melhoram a eficiência do equipamento.

A combinação de uma plataforma de formação e manutenção baseada na cloud e de tecnologia de computação de ponta permite que o sistema otimize os algoritmos continuamente através de atualizações remotas, garantindo um desempenho em tempo real. As tecnologias de inspeção visual 3D, como os sistemas de deslocamento a laser, podem detetar a posição da tampa da garrafa com uma precisão de nível micrométrico, fornecendo informações tridimensionais mais ricas do que a visão 2D. V. Conclusão

A tecnologia de inspeção visual de defeitos em tampas de garrafas PET tornou-se uma ferramenta indispensável de controlo de qualidade na produção industrial moderna. Desde a deteção fotoelétrica simples aos atuais sistemas de visão multicâmara, e desde os algoritmos tradicionais de processamento de imagem até à introdução da inteligência artificial, esta área tem alcançado progressos notáveis.

Com o advento da Indústria 4.0, a tecnologia de inspeção visual das tampas de garrafas PET tornar-se-á ainda mais inteligente e interligada em rede. Não só detetará defeitos, como também otimizará os processos de produção através da análise de dados e da manutenção preditiva, melhorando a qualidade e a eficiência global do produto. No futuro, com maior poder computacional e algoritmos otimizados, os sistemas de inspeção visual alcançarão novos avanços em precisão, velocidade e adaptabilidade, proporcionando um controlo de qualidade mais fiável para a indústria de embalagens.

Para os fabricantes, a adoção de sistemas avançados de inspeção visual não é apenas um meio de melhorar a qualidade do produto, mas também um caminho fundamental para reduzir os custos de produção, fortalecer a imagem da marca e alcançar a manufatura inteligente. À medida que a tecnologia se torna mais difundida e os custos diminuem, a tecnologia de inspeção visual será mais amplamente utilizada pelas pequenas e médias empresas, impulsionando a melhoria contínua da qualidade em todo o setor.