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

1. Defeitos comuns de aparência em garrafas PET e o seu impacto na qualidade do produto

Como principal forma de embalagem para bebidas, alimentos e outros bens de consumo de rotação rápida, a qualidade da aparência das garrafas PET afeta diretamente a primeira impressão do consumidor sobre o produto e é crucial para a segurança e o prazo de validade do conteúdo. Durante a produção, as garrafas PET passam por múltiplos processos, incluindo moldagem por sopro, enchimento, rotulagem/aplicação e codificação. Cada processo pode introduzir defeitos específicos na aparência. Na etapa de moldagem por sopro, quando um gás a alta temperatura é soprado para a pré-forma e prensado por um molde, defeitos como a deformação da garrafa e os estrangulamentos tortos são comuns. Na fase de enchimento, os problemas frequentes incluem enchimento incompleto ou em falta e tampas soltas ou tortas (incluindo tampas altas e tortas). Os processos de etiquetagem e aplicação podem resultar em etiquetas desalinhadas ou em falta, enquanto os processos de codificação podem levar a erros ou falhas na codificação devido a avarias do equipamento.

Estes defeitos variam desde impactos menores na aparência do produto até consequências graves que alteram diretamente a qualidade do conteúdo. Especialmente para produtos sensíveis ao oxigénio, como bebidas de chá e produtos lácteos, as tampas de garrafa mal seladas podem levar à deterioração do produto, enquanto a rotulagem incorreta ou a codificação pouco clara podem causar problemas de fiscalização do mercado. Portanto, a deteção de defeitos de aparência em garrafas PET não está apenas relacionada com a aparência do produto, mas é também um elo fundamental no controlo de qualidade.

Tabela: Principais tipos de defeitos em garrafas PET e o seu impacto

Categoria de defeito	Exemplo de defeito específico	Impacto na qualidade do produto
Defeitos na tampa da garrafa	Tampa alta, tampa torta, tampa partida, sem tampa	Deterioração, fuga e contaminação do conteúdo
Defeitos de etiqueta	Sem etiqueta, etiqueta alta ou baixa, etiqueta perfurada, etiqueta torta	Informação incompleta, impacto na imagem da marca
Defeitos de codificação	Codificação em falta, imagem desfocada, data incorreta.	Dificuldade na rastreabilidade do produto, riscos de supervisão do mercado
Defeitos no corpo da garrafa	Deformação, pescoço torto, fuga	Falha na função de embalagem, perda do conteúdo

2. Princípios técnicos e composição do sistema de inspeção visual

O sistema de inspeção visual totalmente automatizado simula a função visual humana, utilizando equipamento de aquisição de imagens para captar imagens do aspeto da garrafa PET. De seguida, os algoritmos avançados de processamento de imagem analisam a qualidade da imagem para, por fim, identificar e classificar os defeitos. Um sistema completo de inspeção visual é normalmente constituído por três partes principais: um módulo de aquisição de imagens, um módulo de processamento de imagens e um módulo de execução de resultados.

O módulo de aquisição de imagens, os "olhos" do sistema, é constituído principalmente por uma câmara industrial, lentes ópticas e uma fonte de luz dedicada. Devido à elevada refletividade da superfície das garrafas PET, é geralmente necessário um sistema de iluminação especialmente concebido para destacar as características do alvo. Por exemplo, o equipamento de inspeção desenvolvido pela Jinan Maotong emprega um "método de captura com iluminação frontal e traseira combinada" e uma "configuração ótica telecêntrica", destacando eficazmente os rótulos e os seus defeitos, garantindo precisão e elevada exatidão na inspeção. Para a inspeção de garrafas transparentes, sensores óticos especializados (como as séries 5 e 3C) fornecidos por empresas como a Leuze podem resolver eficazmente os desafios da inspeção de materiais transparentes.

O módulo de processamento de imagem, o "cérebro" do sistema, executa a tarefa mais crítica de identificação de defeitos. Este módulo pré-processa primeiro as imagens adquiridas, incluindo a transformação para escala de cinzentos, a segmentação por limiar e a binarização, para realçar a informação útil sobre os defeitos nas imagens. Posteriormente, através de algoritmos como a deteção de bordos, a extração de características e o reconhecimento de padrões, o sistema pode determinar com precisão se o produto está em conformidade. Por exemplo, na inspeção de tampas de garrafa, o sistema calcula a distância máxima da borda superior da tampa até à linha de base e determina se a vedação da tampa está em conformidade, utilizando os ângulos entre as linhas das bordas esquerda e direita e entre a linha de base e a borda superior.

O módulo de execução de resultados atua como a "mão" do sistema, responsável por traduzir os resultados do processamento em ações concretas. Quando o sistema deteta um produto defeituoso, envia imediatamente um sinal para o dispositivo de rejeição para remover com precisão o artigo não conforme. Para melhorar a precisão da rejeição, o sistema incorpora normalmente um codificador de velocidade para rastrear automaticamente a velocidade da correia transportadora, conseguindo uma rejeição síncrona. Os modernos sistemas de inspeção por visão também possuem funções estatísticas de dados avançadas, capazes de exibir a quantidade e a proporção de produtos não conformes em tempo real num ecrã tátil e permitem a monitorização remota e o armazenamento de dados de produção através de uma interface Ethernet.

3. Abordagens técnicas de diferentes tipos de sistemas de inspeção visual

Os sistemas de inspeção visual de defeitos na aparência das garrafas PET podem ser amplamente categorizados em duas abordagens técnicas com base nas suas principais tecnologias de processamento: sistemas embebidos baseados em chip-on-a-chip programável (SOPC) e sistemas integrados industriais. Cada abordagem tem as suas vantagens e é adequada para diferentes cenários e necessidades de produção.

3.1 Sistemas de Inspeção Visual Embarcados Baseados na Tecnologia SOPC

Os sistemas de inspeção baseados na tecnologia de sistema em chip programável (SOPC) utilizam FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) como núcleo de hardware, aproveitando ao máximo as capacidades de processamento paralelo dos dispositivos lógicos programáveis. Estes sistemas são normalmente baseados em chips FPGA da Altera ou Xilinx, com processadores de núcleo flexível, como o Nios II, configurados como núcleo de controlo. O sistema consegue uma funcionalidade completa de processamento de imagem através da ligação de módulos periféricos, como interfaces de aquisição de imagem, controladores de armazenamento e controladores VGA, ao barramento Avalon.

Uma vantagem significativa deste tipo de sistema reside na sua elevada capacidade de processamento. Uma vez que os FPGAs permitem a computação paralela ao nível do hardware, as velocidades de processamento de imagem são muito superiores às dos sistemas baseados em processadores de uso geral. Os dados experimentais mostram que um sistema baseado em SOPC processa a imagem de uma única garrafa em aproximadamente 90 milissegundos, o que se traduz numa velocidade de deteção superior a 10 garrafas por segundo e numa precisão superior a 99%. Simultaneamente, este sistema oferece uma elevada flexibilidade, permitindo aos utilizadores personalizar os algoritmos de processamento de imagem e os padrões de deteção conforme necessário, como, por exemplo, a implementação de critérios de julgamento específicos para a deteção de imagens através de programação em C++.

No entanto, a rota da tecnologia SOPC também exige que as empresas possuam fortes capacidades de design de hardware e desenvolvimento de algoritmos, tornando-a mais adequada para grandes fabricantes de bebidas ou integradores de sistemas com requisitos extremos de velocidade de deteção.

3.2 Sistemas Integrados de Inspeção Visual Industrial Os sistemas integrados industriais são construídos utilizando componentes de visão industrial consolidados, tais como processadores de visão Siemens combinados com PLCs (Programmable Logic Controllers) e ecrãs tácteis, para formar sistemas de inspeção completos. Estes sistemas são normalmente desenvolvidos como soluções abrangentes por empresas especializadas em automação (como a Hangzhou Huafeng Automation Systems Co., Ltd.), oferecendo funcionalidades completas desde a aquisição da imagem até à remoção de defeitos.

As vantagens dos sistemas industriais integrados residem na sua elevada estabilidade e rápida implementação. O sistema utiliza materiais totalmente em aço inoxidável, cumprindo as normas de higiene da indústria alimentar e de bebidas; a sua estrutura mecânica independente permite uma fácil instalação em qualquer ponto da linha de produção; e o seu mecanismo ajustável nos eixos X, Y e Z proporciona uma maior flexibilidade operacional. Por exemplo, os sistemas de visão da Siemens oferecem interfaces de sinal digital e interfaces de rede industrial, permitindo aos utilizadores selecionar a configuração adequada com base nas suas condições reais de trabalho, o que é conveniente e económico.

Estes sistemas destacam-se também pela sua rapidez de inspeção, atingindo mais de 1500 garrafas por minuto em aplicações práticas. Além disso, o sistema possui capacidades avançadas de comunicação de dados, interagindo com os computadores através de interfaces Ethernet para permitir a monitorização online, a modificação de programas e o registo de dados de produção, proporcionando uma base sólida para a produção inteligente.

Tabela: Comparação dos sistemas de inspeção visual com as diferentes abordagens técnicas

4. Casos de Aplicação Prática e Análise de Desempenho

O efeito prático da tecnologia de inspeção visual na deteção de defeitos estéticos em garrafas PET é notável. Os equipamentos específicos de cada fabricante têm características próprias em termos de rapidez de deteção, precisão e adaptabilidade. De seguida, apresentamos uma análise de desempenho em alguns cenários de aplicação típicos.

Em termos de inspeção de tampas de garrafa, a máquina de inspeção completa de garrafas PET da Jinan Maotong consegue detetar diversos defeitos, como a ausência de tampa, tampa alta, tampa torta, ponte partida, anel partido, tampas misturadas e tampas com diferença de cor. A velocidade de inspeção chega aos 36.000 recipientes por hora, o equivalente a 600 garrafas por minuto. Este equipamento abrange tampas standard de 28 e 38 pinos, tampas de dupla camada e outros tipos de tampas não normalizadas, cobrindo praticamente todos os principais tipos de tampas para garrafas PET disponíveis no mercado. A instalação ocorre geralmente após a máquina de fecho, permitindo a deteção atempada de produtos defeituosos e evitando que os defeitos se propaguem para as etapas subsequentes.

A inspeção de rótulos é outra aplicação fundamental. A máquina de inspeção de etiquetas combinada omnidirecional de 360° da Jinan Maotong adota uma arquitetura multiestação, observando a partir de seis ângulos diferentes para realizar uma inspeção completa de 360° sem ângulos mortos. O equipamento utiliza um "modo de disparo síncrono-assíncrono" e um algoritmo patenteado de deteção de emendas para identificar com precisão defeitos como rótulos em falta, rótulos unidos, rótulos desalinhados, rótulos perfurados, rótulos invertidos, rótulos cortados, rótulos rachados, rótulos amassados ​​e rótulos desalinhados horizontalmente. Este equipamento possui uma impressionante velocidade de inspeção de até 48.000 embalagens por hora, satisfazendo as exigências das linhas de produção de alta velocidade.

Para a inspeção do nível de enchimento e selagem, os detetores de nível por raios X e os detetores de fugas por compressão oferecem soluções eficazes. Os detetores de raios X utilizam o princípio de que diferentes substâncias absorvem os raios X de forma diferente, permitindo que estes penetrem em diversos recipientes transparentes e não transparentes para detetar níveis de líquido, com uma velocidade de até 60.000 recipientes por hora. A máquina de deteção de fugas por compressão utiliza múltiplos sensores de nível de líquido e sensores de pressão de alta precisão para determinar conjuntamente a capacidade e o desempenho de vedação do recipiente, analisando os valores de feedback do nível de líquido e da pressão interna sob diferentes intensidades de compressão, permitindo detetar com sensibilidade até mesmo fugas mínimas.

De salientar que estes dispositivos de deteção não só rejeitam produtos defeituosos em tempo real, como também possuem diversas funções estatísticas. Por exemplo, o sistema desenvolvido pela Hangzhou Huafeng analisa estatisticamente o número e a proporção de produtos defeituosos em cada unidade de produção, o número e a proporção de produtos defeituosos em cada unidade de produção num determinado período, e o volume total de produção e o número de produtos defeituosos por turno e mês. Estes dados são apresentados em tempo real num ecrã táctil e podem ser ligados a uma impressora para impressão, proporcionando uma base para a tomada de decisões de gestão da qualidade da produção.

5. Desafios técnicos e tendências de desenvolvimento

Embora a tecnologia de inspeção visual tenha alcançado resultados significativos na deteção de defeitos estéticos em garrafas PET, ainda enfrenta alguns desafios técnicos. Ao mesmo tempo, para satisfazer as crescentes exigências de controlo de qualidade, esta tecnologia está em constante evolução.

5.1 Desafios técnicos atuais

A deteção de materiais transparentes é um dos principais desafios enfrentados pelos sistemas de inspeção visual. As próprias garrafas PET possuem propriedades transparentes ou semitransparentes, que geram facilmente reflexos e refrações, interferindo com a qualidade de aquisição da imagem. Para fazer face a este desafio, os fabricantes de sensores desenvolveram soluções dedicadas. Por exemplo, os sensores da série 5 da Leuze conseguem detetar garrafas translúcidas e filmes transparentes; a série 3C foi concebida especificamente para detetar objetos transparentes e possui capacidades de rastreio. No entanto, a deteção estável sob condições de iluminação complexas ainda requer um design ótico sofisticado.

Os requisitos de tempo real da produção a alta velocidade representam outro grande desafio. As linhas de produção de bebidas modernas estão em constante crescimento em termos de velocidade, com centenas ou mesmo milhares de garrafas processadas por minuto a tornarem-se algo comum. Isto impõe exigências extremamente elevadas em relação à aquisição e ao processamento de imagens. As arquiteturas de processamento paralelo baseadas em FPGA são uma forma eficaz de solucionar este desafio, melhorando significativamente a velocidade de processamento através da computação paralela ao nível do hardware.

Além disso, a identificação de tipos de defeitos complexos exige algoritmos mais avançados. Por exemplo, a identificação precisa de defeitos como rugas em etiquetas e pequenos desalinhamentos requer algoritmos com uma forte capacidade de resistência a interferências e capacidades de reconhecimento de padrões. Combinar os algoritmos tradicionais de processamento de imagens com a tecnologia moderna de inteligência artificial pode ser a direção futura.

5.2 Tendências de Desenvolvimento Futuro

O futuro da tecnologia de inspeção visual de garrafas PET caminha para uma maior precisão, rapidez e inteligência. Com a melhoria da resolução das câmaras e o aumento da capacidade de processamento dos processadores, a precisão da deteção ultrapassará o nível micrométrico atual e atingirá o nível nanométrico, permitindo a identificação de defeitos ainda mais pequenos. Simultaneamente, a velocidade de deteção continuará a aumentar com a melhoria do desempenho dos processadores, atendendo às necessidades das linhas de produção de altíssima velocidade.

A integração profunda da inteligência artificial e da aprendizagem automática é outra tendência importante. Através de algoritmos de aprendizagem profunda, o sistema pode aprender autonomamente as características dos defeitos a partir de um grande número de amostras, reduzindo a complexidade da depuração do algoritmo e melhorando a precisão do reconhecimento, especialmente para defeitos complexos que são difíceis de descrever utilizando as regras tradicionais. Além disso, as funções de previsão de qualidade baseadas na análise de big data também se tornarão possíveis, concretizando a transformação da "deteção pós-evento" para a "prevenção pré-evento".

A integração de sistemas e a multifuncionalidade são também importantes direções de desenvolvimento. Os modernos sistemas de inspeção por visão já não se limitam a funções isoladas, mas estão a evoluir para a integração de múltiplas funções de deteção numa única unidade. Por exemplo, um único dispositivo pode integrar simultaneamente as funções de deteção de tampas de garrafas, rótulos, níveis de líquidos e codificação por jato de tinta, reduzindo o espaço ocupado pelo equipamento e melhorando a eficiência global da inspeção. Ao mesmo tempo, a integração profunda do sistema com outros equipamentos na linha de produção (como robôs industriais, AGVs, etc.) formará um sistema de fabrico inteligente de circuito fechado de "detecção-julgamento-classificação-otimização".

Com o avanço cada vez maior da Indústria 4.0 e da manufatura inteligente, os sistemas de inspeção visual deixarão de ser unidades isoladas de controlo de qualidade e serão profundamente integrados em todo o sistema de gestão da produção, possibilitando a partilha de dados e a otimização de processos, além de proporcionarem uma garantia de qualidade abrangente para a produção de garrafas PET.

Conclusão: 

A tecnologia de inspeção visual totalmente automatizada para defeitos na aparência das garrafas PET tornou-se um meio indispensável e importante de controlo de qualidade na indústria moderna de bebidas. Desde sistemas personalizados baseados em FPGA a soluções industriais integradas, diversos equipamentos de inspeção desempenham um papel fundamental na melhoria da qualidade do produto, na redução dos custos de produção e no aumento da eficiência produtiva. Perante desafios como a inspeção transparente de materiais, a produção a alta velocidade e a identificação de defeitos complexos, esta tecnologia continua a inovar e a evoluir para uma maior precisão, velocidade e inteligência. Com a profunda integração de tecnologias avançadas, como a inteligência artificial e o big data, as perspetivas de aplicação da tecnologia de inspeção visual no setor das embalagens de garrafas PET serão ainda mais amplas, proporcionando aos fabricantes soluções de garantia de qualidade mais abrangentes e fiáveis.