Logistik und E-Commerce-Fulfillment zählen zu den am schnellsten wachsenden Anwendungsbereichen für Maschinelles Sehen. Paketsortierung, Dimensionsmessung, Barcode-Lesen, Überprüfung des Vorhandenseins von Etiketten sowie die Druckqualitätsinspektion werden in Distributionszentren und Postverteilzentren weltweit in großem Umfang automatisiert.
Die Anforderungen an die Beleuchtung in der Logistikautomatisierung unterscheiden sich erheblich von denen bei der herkömmlichen Fertigungsprüfung. Pakete weisen enorme Unterschiede hinsichtlich Größe, Oberflächenbeschaffenheit und Etikettenplatzierung auf. Die Förderbandgeschwindigkeiten sind hoch. Das Umgebungslicht in Lagerumgebungen ist variabel und schwer zu steuern. Das Visionssystem muss unter all diesen Bedingungen zuverlässig funktionieren, ohne dass zwischen den einzelnen Paketen manuelle Anpassungen erforderlich sind.
Das Wachstum des E-Commerce und die Nachfrage nach Bildverarbeitungsautomatisierung
Das weltweite Versandvolumen im E-Commerce ist in den letzten zehn Jahren dramatisch gestiegen. Einzelne Paketsortieranlagen bearbeiten mittlerweile täglich Millionen von Sendungen. Das manuelle Scannen von Barcodes und die Dimensionsmessung lassen sich nicht auf diese Mengen skalieren, sodass automatisierte Visionssysteme mittlerweile die einzige praktikable Möglichkeit darstellen, den Durchsatz auf dem erforderlichen Genauigkeitsniveau zu halten.
Eine typische Logistik-Vision-Zelle muss Barcodes und QR-Codes von mehreren Seiten eines sich bewegenden Pakets gleichzeitig lesen, die Paketabmessungen messen, um die Versandkosten zu berechnen, das Vorhandensein und die korrekte Positionierung von Etiketten überprüfen sowie die Druckqualität kontrollieren, damit die Barcodes maschinenlesbar bleiben. All diese Aufgaben müssen innerhalb der verfügbaren Zeit erledigt werden, während das Paket mit Förderbandgeschwindigkeit durch den Prüftunnel läuft.
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Paketsortierung: Beleuchtungsstärke für das omnidirektionale Barcode-Lesen
Die Barcodes auf Paketen können sich auf jeder beliebigen Seite der Verpackung befinden. Ein Versandetikett kann sich auf der Oberseite, an der Seite oder an der Stirnseite des Kartons befinden, und das Sortiersystem muss den Barcode unabhängig von seiner Ausrichtung lesen können. Dies erfordert Kameras, die mehrere Seiten des Pakets gleichzeitig erfassen und jeweils über eine eigene Beleuchtung verfügen.
Für das Barcode-Lesen ist eine Beleuchtung erforderlich, die einen hohen Kontrast zwischen den dunklen Balken und den weißen Zwischenräumen des Codes gewährleistet. Die Beleuchtung muss hell genug sein, um bei Förderbandgeschwindigkeit eine kurze Belichtungszeit der Kamera zu ermöglichen. Bei einer Geschwindigkeit von 2 Metern pro Sekunde legt ein 1 mm großes Barcode-Element in 1 Millisekunde 2 mm zurück; daher ist in der Regel eine Belichtungszeit von 0,5 ms oder weniger erforderlich, um Bewegungsunschärfe im Barcode-Bild zu vermeiden.
Hierfür ist entweder eine hochintensive Dauerbeleuchtungseinheit oder eine Stroboskop-Beleuchtung erforderlich, die während der Belichtungszeit der Kamera mit Spitzenintensität arbeitet. Die hochintensiven Matrix-Beleuchtungseinheiten von Roder Vision eignen sich für beide Konfigurationen. Im Stroboskop-Modus kann die Spitzenintensität deutlich über dem Nennwert für Dauerbeleuchtung liegen, was selbst bei Barcodes auf dunklen oder matten Oberflächen sehr kurze Belichtungszeiten ermöglicht.
Entwurf einer Tunnelbeleuchtung für das Erkennen mehrerer Seiten
Ein Barcode-Lesetunnel ist in der Regel an der Oberseite, an beiden Seiten und manchmal auch an der Vorder- und Rückseite der Förderbandöffnung mit Kameras und Beleuchtungseinheiten ausgestattet. Die Beleuchtungsgeometrie muss gewährleisten, dass jede Seite des Pakets ausreichend und gleichmäßig beleuchtet wird, ohne dass Spiegelreflexionen entstehen, die benachbarte Kameras blenden.
Für die obere und seitliche Position werden üblicherweise Beleuchtungseinheiten verwendet, die sich über die gesamte Breite des Förderbandes erstrecken. Sie sorgen für eine gleichmäßige Ausleuchtung von Paketen unterschiedlicher Breite. Die modularen Beleuchtungseinheiten von Roder Vision lassen sich an die Förderbandbreite anpassen und je nach den Anforderungen der Installation verlängern oder verkürzen.
Dimensionsmessung: Beleuchtungsstärke zur Ermittlung der Paketabmessungen
Systeme zur Paketaufmaßnahme messen Länge, Breite und Höhe jedes Pakets, um das Volumengewicht für die Versandkosten zu berechnen. Dabei kommen zwei Hauptverfahren zum Einsatz: Strukturlichtprojektion und Tiefenerfassung mittels Stereosicht.
Strukturiertes Licht-System projiziert ein bekanntes Muster – in der Regel eine Laserlinie oder ein Raster – auf die Oberfläche des Pakets. Anhand der Verzerrung des projizierten Musters, wie sie von der Kamera erfasst wird, lässt sich das 3D-Oberflächenprofil ermitteln. Die Beleuchtungsstärke der Hintergrundbeleuchtung muss im Verhältnis zur Intensität des strukturierten Lichts gering bleiben. Um Umgebungslicht auszublenden, wird in der Regel eine Stroboskopsynchronisation des Lichtes mit Strukturen mit der Kamera verwendet.
Die Hintergrundbeleuchtung kommt bei bestimmten Vermessungsverfahren zum Einsatz, bei denen die Silhouette des Pakets zur Ermittlung seiner Grundfläche herangezogen wird. Eine unterhalb des Förderbands angeordnete Hintergrundbeleuchtung mit hoher Gleichmäßigkeit sorgt in Verbindung mit einer nach unten gerichteten Kamera für eine klare Silhouette der Paketunterseite. Die Hintergrundbeleuchtungen der Roder Vision BL-Serie bieten die hohe Gleichmäßigkeit, die für eine präzise Erkennung der Silhouettenkanten erforderlich ist.
Überprüfung der Etikettenanordnung und der Druckqualität
Jedes Paket in einem Logistikbetrieb muss mit einem korrekt angebrachten, maschinenlesbaren Versandetikett versehen sein. Fehlt das Etikett oder lässt sich der Barcode nicht lesen, wird das Paket aus dem Sortierprozess aussortiert und zur manuellen Bearbeitung weitergeleitet, was in Betrieben mit hohem Durchsatz mit hohen Kosten verbunden ist.
Bei der Überprüfung des Vorhandenseins von Etiketten wird reflektiertes Licht genutzt, um die Etikettenoberfläche auf dem Paket zu erkennen. Das Etikettenmaterial weist in der Regel andere Reflexionseigenschaften auf als die Paketoberfläche. Durch eine sorgfältig ausgewählte Wellenlänge und einen geeigneten Winkel der Beleuchtung wird der Reflexionskontrast zwischen dem Etikett und dem Hintergrund so hoch wie möglich gesteigert.
Die Druckqualitätsinspektion stellt sicher, dass die Barcode-Striche korrekt gedruckt sind, eine ausreichende Farbdichte aufweisen und keine Verschmierungen oder Lücken aufweisen. Diese Prüfung erfordert hochauflösende Bildgebung mit kontrastreicher Beleuchtung. Häufig werden Ring- oder Koaxialbeleuchtungseinheiten eingesetzt, um Schatten durch Farbreliefs oder geprägte Etikettenmerkmale zu unterdrücken.
Beleuchtung für großflächige Förderanlagen: Wichtige gestalterische Aspekte
Gleichmäßige Beleuchtungsstärke bei unterschiedlichen Parzellengrößen
Pakete im E-Commerce-Betrieb reichen von kleinen Päckchen bis hin zu großen Kartons. Das Beleuchtungssystem muss eine ausreichende und gleichmäßige Ausleuchtung über den gesamten Bereich der Paketgrößen gewährleisten, die die Kontrollzone durchlaufen. Eine für ein kleines Päckchen ausgelegte Beleuchtungseinheit könnte bei einem großen Karton zu schwach sein, während eine einzelne Großflächen-Beleuchtungseinheit über die Seiten eines kleinen Päckchens hinausragen und eine ungleichmäßige Ausleuchtung verursachen könnte.
Für Förderanlagen mit variablen Paketgrößen werden modulare Beleuchtungseinheiten bevorzugt, deren Breite und Länge angepasst werden können. Roder Vision fertigt Stab- und Matrixkonfigurationen in kundenspezifischen Längen an, mit denen der aktive Beleuchtungsbereich an die Förderbandbreite und die Paketgrößenverteilung angepasst werden kann.
Umgebungslichtmanagement in Lagerumgebungen
Die Beleuchtung in Lager- und Distributionszentren ist sehr unterschiedlich. LED-Hochregalleuchten, Oberlichter und Arbeitsleuchten an Gabelstaplern sorgen für eine Umgebungsbeleuchtung, deren Intensität und Richtung sich im Laufe des Tages ändern. Die Beleuchtungseinheit des Visionssystems muss dieses Umgebungslicht überlagern, um eine gleichbleibende Bildqualität zu gewährleisten.
Der Blitzmodus mit kurzen Belichtungszeiten der Kamera ist die wichtigste Strategie für die Umgebungslichtunterdrückung in logistischen Anwendungen. Der Blitzimpuls liefert während des Belichtungszeitraums der Kamera einen Lichtimpuls hoher Intensität. Umgebungslicht, das kontinuierlich mit einer deutlich geringeren Intensität als die Blitzspitzenintensität einwirkt, hat bei kurzen Belichtungszeiten nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Bild.
Flimmerfreier Betrieb zur Kamerasynchronisation
Im Dauerbetrieb muss die Beleuchtungseinheit flimmerfrei sein. Flimmern in der Beleuchtung führt zu periodischen Schwankungen der Bildhelligkeit, was zu uneinheitlichen Prüfergebnissen führt. LED-Beleuchtungen, die von Konstantstromtreibern mit gut ausgelegter Filterung des Netzteils angesteuert werden, sind von Natur aus flimmerfrei. RODER Vision-Beleuchtungseinheiten verwenden eine Konstantstrom-Ansteuerungselektronik, um im Dauerbetrieb einen stabilen und flimmerfreien Betrieb zu gewährleisten.
Integration in Hochgeschwindigkeitsanlagen: Synchronisation von Trigger und Encoder
In Hochgeschwindigkeits-Logistiklinien werden die Kameraauslösung und die Beleuchtungseinheit in der Regel mit einem Encoder-Signal des Hochgeschwindigkeitsförderbands synchronisiert. Wenn das Paket unter einem fest installierten Sensor vorbeiläuft, erzeugt der Encoder in festgelegten Abständen einen Impuls. Das Visionssystem löst die Kamera und die Beleuchtungseinheit genau in dem Moment aus, in dem sich das Paket in der richtigen Position relativ zum Sichtfeld der Kamera befindet.
RODER Vision-Beleuchtungseinheiten verfügen über einen standardmäßigen digitalen Triggereingang, der mit PNP- und NPN-Logikpegeln kompatibel ist. Die Reaktionszeit vom Triggerimpuls bis zur Beleuchtung beträgt weniger als 10 Mikrosekunden, sodass die Auslösung der Beleuchtungseinheit auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten des Hochgeschwindigkeitsförderbands präzise mit der Belichtungszeit der Kamera synchronisiert bleibt.
Produkte und Technologien
RODER Vision-Beleuchtungseinheiten für logistische Anwendungen
Die nachfolgend aufgeführten RODER Vision-Produktfamilien sind speziell auf Logistik, Paketsortierung, Barcode-Lesen und E-Commerce-Fulfillment ausgelegt. Jede davon unterstützt den Stroboskopmodus und ist in Konfigurationen erhältlich, die für die Integration in Förderanlagen geeignet sind.
DL5 – Hochintensitäts-LED-Matrix
Sehr hohe Spitzenintensität im Blitzmodus. Kurze Auslösezeit. Ideal für das Hochgeschwindigkeits-Barcode-Lesen und die Etikettenprüfung auf schnellen Hochgeschwindigkeitsförderbändern.
DL6 – LED-Matrix mit hoher Packungsdichte
HTTM-Wärmestabilität für den kontinuierlichen Mehrschichtbetrieb. Gleichmäßige, großflächige Beleuchtungsstärke zur Überprüfung der Paketoberseite und zur Erkennung vorhandener Etiketten.
BL3 — LED-Durchlichtbeleuchtungen
Hintergrundbeleuchtung mit hoher Gleichmäßigkeit zur Erfassung der Umrisse und der Grundfläche von Paketen. Stabile Lichtleistung bei unterschiedlichen Paketgrößen und Förderbandgeschwindigkeiten.
DC6 — LED-Ringbeleuchtung mit hoher Dichte
Nahezu koaxiale Ringbeleuchtung zur Überprüfung der Druckqualität und der Barcode-Konformität. Schattenfreie Ausleuchtung der Etikettenoberflächen. Kompakte Bauweise für beengte Einbauräume.
Häufig gestellte Fragen
Hochintensitäts-LED-Beleuchtungseinheiten im Stroboskopmodus sind für das Barcode-Lesen auf schnellen Förderbändern am effektivsten. Das Stroboskop sendet einen kurzen, hochintensiven Lichtimpuls aus, der mit der Belichtungszeit der Kamera synchronisiert ist, wodurch die Bewegung im Barcode-Bild eingefroren und das Umgebungslicht im Lager ausgeblendet wird. Auslösezeiten von unter 10 Mikrosekunden gewährleisten eine präzise Synchronisation bei Förderbandgeschwindigkeiten von über 2 Metern pro Sekunde.
Ein Barcode-Lesetunnel mit mehreren Kameras ist mit Kameras und Beleuchtungseinheiten ausgestattet, die die Oberseite, beide Seiten sowie die Vorderseite der Förderbandöffnung abdecken. Jede Kamera verfügt über eine eigene Beleuchtungseinheit, die so positioniert ist, dass sie einen ausreichenden Kontrast auf dem von ihr abgedeckten Bereich gewährleistet. Für die oberen und seitlichen Positionen werden in der Regel Leistenbeleuchtungen verwendet, die sich über die gesamte Breite des Förderbandes erstrecken. Die Beleuchtungswinkel sind so ausgelegt, dass Spiegelreflexionen einer Beleuchtungseinheit nicht in das Sichtfeld einer benachbarten Kamera gelangen.
Bei der Dimensionsermittlung von Paketen kommen je nach Messverfahren unterschiedliche Beleuchtungsansätze zum Einsatz. Strukturiertes Licht projiziert ein bekanntes Muster und berechnet anhand dessen Verzerrung das 3D-Profil. Hintergrundbeleuchtung beleuchtet die Paketsilhouette von unten, um die Grundfläche zu messen. Stereo-Visionssysteme nutzen Diffuse Beleuchtung, um Texturinformationen für den Merkmalsabgleich zwischen Stereobildpaaren zu liefern.
Die primäre Strategie ist der Stroboskopmodus mit kurzen Belichtungszeiten der Kamera. Der Blitzimpuls liefert während des Belichtungsfensters eine hohe Spitzenintensität. Bei kurzen Belichtungszeiten, in der Regel unter 1 Millisekunde, ist der Beitrag des Umgebungslichts im Vergleich zum Blitzsignal vernachlässigbar. Teilweise umschließende Gehäuse rund um den Prüfbereich reduzieren zudem den Einfall von Umgebungslicht aus den Leuchten des Hochregallagers und den Oberlichtern.
Bei Förderbandgeschwindigkeiten von über 1 Meter pro Sekunde sind Auslösezeiten von unter 10 Mikrosekunden erforderlich, um eine genaue Synchronisation zwischen der Auslösung der Beleuchtungseinheit und der Belichtung der Kamera zu gewährleisten. Längere Reaktionszeiten führen zu Positionsunsicherheiten: Bei 2 m/s entspricht eine Verzögerung von 100 Mikrosekunden einer Bewegung des Pakets um 0,2 mm während der Verzögerungszeit, was zu Unschärfe oder Fehlausrichtung auf dem aufgenommenen Bild führen kann.
Kontakte & Informationen
Kontakt für allgemeine Informationen : info@roder.it
Partner für System- und Sensorintegration : www.roder.it
RODER Bildverarbeitungs-Abteilung : www.rodervision.com
RODER Abteilung Messinstrumente : www.innovacheck.com
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