Bei der Automatisierung der Obstsortierung und -verpackung wird eine hohe Kapazität angestrebt, während die Maschinen gleichzeitig die Empfindlichkeit der Produkte mit der gebotenen Sorgfalt verarbeiten müssen. STAS, ein in Belgien ansässiger Maschinenbauer, der auf solche Lösungen spezialisiert ist, hat sich mit Festo zusammengetan, um eine neue fortschrittliche Maschine zu entwickeln, mit der Obst nach dem Sortieren kontrolliert in Schalen gelegt werden kann.
Im Obstsektor wird immer mehr Wert auf die Präsentation der Produkte gelegt. So werden beispielsweise Äpfel und Birnen so verpackt, dass ihre Stiele alle in die gleiche Richtung zeigen. Äpfel werden auch so in Schalen gelegt, dass ihre beste, rote Seite nach oben zeigt. Die neue Maschine von STAS wird die ästhetische Abfüllung solcher Verpackungen vollständig automatisieren, betonen sie.
STAS ist ein Familienunternehmen mit Sitz in Glabbeek, das seit 1986 Maschinen für den Obstsektor herstellt und verkauft. "Das begann mit dem Bau von rotierenden Sortiertischen", sagt Geschäftsführer Kristof Stas. "Dann kamen Sortiermaschinen mit zurückweichenden Bändern, die das Obst noch mechanisch sortierten. Bei der neuesten Maschinengeneration erfolgt dies elektronisch, wobei jedes Stück Obst gewogen und die Ausgabe auf einem Sortierer entsprechend gesteuert wird. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Aspekte der Qualitätskontrolle hinzugefügt, wie etwa die Farbmessung und die Überwachung der äußeren und inneren Qualität der Früchte." 
Bildverarbeitung und Maschinensteuerung
Nach dem Prüfen und Sortieren der Früchte folgt das Verpacken, das heute noch oft manuell erfolgt, gerade weil man eine möglichst gute Präsentation erreichen will. Mit der neuen Maschine ist es STAS gelungen, auch diesen Prozess zu automatisieren. Im Mittelpunkt steht dabei ein Bildverarbeitungssystem mit künstlicher Intelligenz, das jedes Stück Obst von allen Seiten betrachtet, um zu beurteilen, wie es verpackt werden sollte. Darüber hinaus wollte STAS eine universelle Maschine entwickeln, die für verschiedene Obstsorten eingesetzt werden kann.
"Es war recht schnell deutlich, dass dies ein komplexes und umfangreiches Projekt sein würde", sagt Kristof Stas. "Deshalb haben wir uns nach einem Partner umgesehen, der das Know-how hat, alle Aspekte der Maschine mitzuentwickeln, und der bereit ist, mit uns mitzudenken, mit dem Ziel, das bestmögliche Endprodukt zu erhalten. Diesen Partner haben wir in Festo gefunden."
Jürgen Seymortier: "Dank den Bemühungen und der Denkweise von Stas in der Forschung und Entwicklung können wir Vorschläge und Optimierungen einbringen, um ein gutes Ergebnis zu erzielen. Obst ist schwer zu sortieren und nicht alle Tests verlaufen vom ersten Durchlauf an perfekt. Es erfordert viel Ausdauer und Geduld seitens des Kunden, manchmal einen Schritt zurückzutreten, um einen besseren Sprung zu machen. Dank der langfristigen Vision und des Realismus führte dies zu einem großartigen Ergebnis."
Bei Festo nahm sich Vertriebsingenieur Jurgen Seymortier des Projekts an. Für die künstliche Intelligenz und die Programmierung des Steuerungssystems wandten sie sich an Raf De Vos, der als Programmierer im Finanzsektor viel Erfahrung mit schnellen Big-Data-Applikationen gesammelt hatte – eine Erfahrung, die sich bei der Integration von Bildverarbeitung und Maschinensteuerung als nützlich erwies.
Tumbler sorgen für perfekte Ausrichtung
Das Herzstück der Verpackungsmaschine ist eine speziell für diese Aufgabe entwickelte Einheit, ein sogenannter Tumbler. Es handelt sich um eine Wanne mit zwei Förderbändern am Boden, mit denen ein Stück Obst gekippt und gedreht werden kann. In der Maschine befinden sich acht dieser Tumbler, über denen sich Kameras befinden, deren Bilder an ein neuronales Netz gesendet werden. Dieses durchsucht die Bilder nach der Position des Stiels. Bei Äpfeln kann es auch feststellen, wo sich zu diesem Zeitpunkt die rote Farbe befindet, die in der Verpackung nach oben gerichtet sein soll.
Auf der anderen Seite der Maschine befindet sich ein zweites Bildverarbeitungssystem mit einer 3D-Kamera, die die Verpackungsschalen scannt. Dabei handelt es sich um vorgeformte Schalen, in denen Hohlräume für die Ablage der Früchte vorgesehen sind. Das Bildverarbeitungssystem bestimmt die Positionen und Ausrichtungen dieser Hohlräume und kann auch feststellen, welche Stellen leer sind.
Auf der Grundlage all dieser Daten steuert eine Festo-SPS das Verarbeitungssystem. Dieses besteht aus einer Brücke, die sich zwischen den Tumblern und der Verpackung bewegt und an deren Oberseite sich vier Köpfe befinden, von denen jeder ein Stück Obst aufnehmen kann. Jeder Kopf sitzt auf einer linearen Achse, die quer zur Brücke verläuft, und kann, falls vorhanden, vier Stellen in einer Verpackungsschale gleichzeitig befüllen. Die vertikale Bewegung jedes Kopfes wird durch ein Teleskop mit pneumatischen und elektrischen Schlitten erreicht, wobei erstere für die Bewegungsgeschwindigkeit und letztere für die Präzision sorgen. Jeder Kopf kann auch rotieren, um die Früchte in die richtige Richtung zu platzieren.
Hohe Kapazität
"Für eine solche Maschine ist es wichtig, eine hohe Kapazität zu erreichen", erklärt Kristof Stas. "Viele Designentscheidungen zielen darauf ab, dies zu ermöglichen. Die Tumbler ermöglichen es uns beispielsweise nicht nur die Früchte von allen Seiten zu betrachten, sondern dienen auch dazu, jedes Stück richtig auszurichten, sodass bei der anschließenden Handhabung weniger Bewegungen erforderlich sind, was die Geschwindigkeit erhöht. Die Wahl einer Teleskopwelle wurde auch getroffen, um eine höhere Geschwindigkeit zu erreichen."
Darüber hinaus wurden viele zusätzliche Ergänzungen vorgenommen, um die Maschine absolut zuverlässig zu machen, was wiederum für eine maximale Kapazität von entscheidender Bedeutung ist. So gibt es beispielsweise Hebevorrichtungen zwischen dem Zuführband und den Tumblern, die sicherstellen, dass jedes Mal nur ein Stück Obst entnommen wird. Ein speziell entwickelter Algorithmus wählt die optimalen Positionen für die Ablage des Obstes mit minimalen Bewegungen aus. Dabei wird berücksichtigt, dass sich die Köpfe auf der Brücke zwar miteinander bewegen, aber nicht kreuzen können.
"Das Besondere an der Maschine ist, dass sie flexibel genug ist, um verschiedene Obstsorten zu verpacken", sagt Kristof Stas. "Für den Bediener gibt es ein Bedienfeld, auf dem er angeben kann, um welche Obstsorte es sich handelt und ob beim Verpacken die Ausrichtung und Farbe berücksichtigt werden muss. Alles andere läuft vollautomatisch ab, einschließlich der Erkennung der Verpackungsabmessungen und der Form der Verpackungsbögen." Auf diese Weise ist die Maschine vielseitiger einsetzbar und kann auch andere Produkte als nur Obst verpacken, wie zum Beispiel Paprika.
Komplette Sortierlinie automatisiert
Mit Festo fand STAS einen Partner, der während des gesamten Entwurfsprozesses und beim Bau des ersten Prototyps beteiligt war, um die vielen Konzepte in der Maschine in effiziente Antriebstechnologien umzusetzen. Darüber hinaus wurde neben der Hardware auch die Software entwickelt, um die optimale Wahl in Bezug auf die Mechatronik zu treffen.
Übrigens war dies nicht die erste Zusammenarbeit von STAS mit Festo, da die beiden zuvor gemeinsam an der Entwicklung eines Portalroboters gearbeitet hatten, der große Obstkisten in einen Wassertank entleeren kann. In der Branche wird häufig der Wassertransport eingesetzt, um Schäden am Obst zu vermeiden. Um den Roboter auch für die Arbeit mit Birnen geeignet zu machen, wurden einige Änderungen vorgenommen. Birnen sinken im Gegensatz zu Äpfeln im Wasser. Daher wurde für den Wassertank zu Beginn des Transports ein beweglicher Boden entwickelt, der mit Zylindern nach oben gedrückt werden kann, um die Birnen im Wasserstrom in Richtung Förderband zu bringen. Dabei ist die Bewegung der Zylinder perfekt synchronisiert, um den Boden flach zu halten.
Mit der neuen Verpackungsmaschine kann nun eine komplette Linie gebaut werden, die den gesamten Prozess der Handhabung, Sortierung und Verpackung automatisiert. "Im Obstsektor haben viele Unternehmen mit Personalmangel zu kämpfen", sagt Kristof Stas. "Mit unseren Automatisierungslösungen können wir dem entgegenwirken."
Weitere Informationen:
Stas Belgien
Tel: +32 (0)16 777 306
[email protected]
www.stasbelgium.eu
Festo
Tel: +31 (0)15 25 18 890
[email protected]
www.festo.com