결함 감지부터 불량 자동 배출까지 음료 생산 품질 관리 자동화 사례
머신 비전은 품질 관리 분야에서 막대한 이점을 제공한다. 특히 생산라인 환경에서는 높은 정확도와 속도, 그리고 뛰어난 유연성과 가용성이 필수적이다. 독일의 K&S Anlagenbau GmbH는 컨설팅 전문기업 Computer Vision Solutions의 지원을 받아 음료 산업을 위한 머신 비전 애플리케이션을 구현했다. 이 시스템에는 머신 비전 소프트웨어인 MVTec HALCON이 적용됐다.
▲ 자동화 검사 라인에서 산업용 카메라 렌즈가 단순 도형이 인쇄된 병뚜껑을 검사하는 장면.
음료 산업에서 병과 병뚜껑 생산은 대량 제품을 신속하고 안정적으로 공급해야 하기 때문에 높은 수준의 자동화가 이뤄지고 있다. K&S Anlagenbau GmbH의 품질기술 담당 토마스 켈츠(Thomas Kelz)는 “우리의 목표는 자동화 공정을 최대한 안전하고 신뢰성 있게 만드는 것이다.
이를 통해 장기적으로 고속 생산을 안정적으로 운영할 수 있다. 따라서 우리는 반복 생산이 가능한 제품을 신속하고 안정적으로 생산할 수 있도록 표준화된 도구를 사용한다. 이번에는 머신 비전 기반으로 세라믹 병뚜껑 검사 솔루션을 개발했다”라고 밝혔다.
독일 바이에른주 Lengenwang에 위치한 K&S Anlagenbau GmbH는 전기, 자동차, 의료, 소비재 산업을 위한 자동화 솔루션을 개발해 왔다. 이번에는 컨설팅 전문기업 Computer Vision Solutions Consulting & Research와 협력해 음료 병뚜껑 품질 검사 애플리케이션을 구현했다.
▲ 병뚜껑 인쇄 상태를 머신 비전으로 검사하는 장면
생산 전환 속도와 유연성 확보
이번 프로젝트의 과제는 완전 자동화된 공정에서 결함을 신속하고 정확하게 감지하면서도 유지보수가 최소화된 품질 관리 시스템을 구현하는 것이었다. 유지보수가 적다는 것은 시스템이 다른 제품 유형으로 빠르고 손쉽게 전환될 수 있음을 의미한다. 이번 프로젝트를 총괄한 K&S Anlagenbau GmbH의 Dr. 헤버(Heber)는 “자동화는 고객이 시스템 유지관리에 들이는 노력이 적을 때 비로소 결정적인 부가가치를 제공한다”라고 강조했다.
새로 개발된 시스템은 인라인(Inline) 방식으로 품질 검사를 수행한다. 이를 위해 카메라가 검사 대상 병뚜껑을 촬영하고, 촬영 이미지는 머신 비전 소프트웨어 MVTec HALCON의 알고리즘을 통해 분석된다. 하지만 이러한 분석이 안정적으로 이뤄지기 위해서는 검사 대상인 병뚜껑 각인 이미지의 특성에 대한 깊은 이해가 필요하다.
병뚜껑 각인(인쇄) 검사에서의 핵심 과제는 인쇄 이미지의 다양성과 동시에 운영자가 직관적으로 사용할 수 있는 명확한 운영 개념을 제공하는데 있다. 결함 사례로는 잘못된 색상, 초점이 맞지 않은 인쇄, 인쇄 일부가 보이지 않는 경우 등이 있다. 또한, 인쇄 이미지가 병뚜껑 중심에 정확히 위치했는지도 품질 기준 중 하나다.
헤버 박사는 “실제 구현 과정에서 가장 큰 난관 중 하나는 각기 다른 인쇄 이미지의 경우의 수가 이론적으로 무한하다는 점이었다. 이는 정상(OK) 인쇄와 결함(NOK) 인쇄 모두에 해당한다. 따라서 소프트웨어가 항상 올바른 결정을 내릴 수 있도록 사전에 충분히 학습시키는 것이 필수적이었다”라고 설명했다.
훈련 과정에서는 정상 인쇄의 이미지를 HALCON에 저장한다. 이 ‘정상 이미지’가 검사 과정에서 각 촬영 이미지와 비교되는 기준이 된다. HALCON의 다양한 파라미터를 통해 어느 정도의 편차까지 정상으로 인정할지를 세밀하게 설정할 수 있다.
▲ 병뚜껑 균열 여부를 확인하는 검사 장면
GUI와 HALCON 결합한 핵심 구성
이 시스템의 중요한 구성 요소 중 하나는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)다. 이를 통해 전체 시스템을 한눈에 모니터링할 수 있으며, 공정의 변경과 설정도 수행할 수 있다.
GUI에는 여러 개의 서로 다른 애플리케이션을 동적으로 표시할 수 있는 기능이 요구됐다. 또한, 이 애플리케이션들은 GUI뿐 아니라 PLC에서도 제어가 가능해야 했다. 완성된 시스템에서는 운영자가 다양한 표시 옵션과 설정 모드, 사용자 등급을 지정할 수 있으며, 이를 통해 직원별 권한을 부여해 특정 작업 수행 가능 여부를 결정할 수 있다. 새로운 인쇄 패턴을 검사해야 하는 경우와 같은 문제 해결이나 조정 작업도 GUI를 통해 수행할 수 있다.
또 다른 핵심 구성 요소는 MVTec HALCON이다. HALCON은 HDevEngine을 통해 K&S 제어 소프트웨어에 통합됐다. 헤버 박사는 “HALCON은 이미지 처리 소프트웨어 분야의 업계 표준이며, 몇 가지 알고리즘에 국한되지 않는다”라고 설명했다.
HDevEngine은 머신 비전 알고리즘을 동적으로 불러와 실행하는 인터프리터 역할을 하며, 전체 애플리케이션을 다시 컴파일하거나 재인증할 필요없이 ‘온 더 플라이(on the fly)’ 방식으로 머신 비전 프로세스를 변경할 수 있도록 한다. 또한 HDevEngine은 백그라운드에서 GUI와 통신하며, 시스템 운영자는 직접 HDevEngine을 다룰 필요가 없다. 운영자는 익숙한 GUI 환경에 서만 시스템을 제어하면 된다.
고정밀·고신뢰 머신 비전 소프트웨어
머신 비전 소프트웨어 HALCON은 높은 수준의 검출률과 강인한 성능을 제공한다. HALCON은 HDevEngine뿐 아니라 인쇄 이미지를 검사하는 데 필요한 다양한 이미지 처리 기법을 내장하고 있다. 이번 애플리케이션에는 매칭 기술(Matching Technologies), 분류(Classification), 블롭 분석(Blob Analysis)이 활용됐다.
세 가지 기술은 다음과 같이 연동된다. 먼저 카메라로 이미지를 촬영한 후, 형상 기반 매칭(Shape-Based Matching)기법을 사용해 이미지 속 인쇄 영역을 서브픽셀 수준의 정밀도로, 거의 실시간에 가깝게 위치를 찾아낸다. 이를 위해 사전에 학습된 인쇄 이미지를 촬영 이미지와 매칭하며, 인쇄가 회전되거나 축소·확 대, 원근 왜곡, 부분 가림, 이미지 밖으로 일부 벗어남, 비선형 조명 변화가 있는 경우에도 인식이 가능하다.
인쇄 위치가 확인되면 다음 단계는 분류(Classification)다. 이를 위해서는 사전에 클래스 특징을 정의하고 학습시켜야 한다.
K&S Anlagenbau의 설비에서는 이 분류 과정이 품질 검사에 사용되며, 색상 편차, 모서리 누락, 잘못된 모서리, 구조 오류 등이 결함 사례로 판별된다. 이후 블롭 분석을 통해 해당 편차를 분할 (Segmentation)하고 분석해 품질 여부를 최종 판단한다.
이러한 머신 비전 기술들이 결함을 감지하면, 해당 내용은 GUI에 표시되며 결함 부위가 색상으로 강조된다. 이를 통해 운영자는 결함의 유형과 위치를 직관적으로 확인할 수 있다. 인쇄 상태가 ‘정 상(OK)’으로 판정되면 병뚜껑은 다음 공정으로 넘어간다.
▲ GUI를 통해 병뚜껑 인쇄 상태가 ‘OK’로 판정된 예시
▲ GUI를 통해 병뚜껑 인쇄 상태가 ‘NOK’로 판정된 예시
헤버 박사는 “머신 비전 소프트웨어의 역할은 여기서 끝나지 않는다. 공정을 최대한 자동화하기 위해, 소프트웨어를 전체 시스템에 완전히 통합해 다른 구성 요소와 실시간으로 통신할 수 있도록 했다. 병뚜껑 인쇄가 올바르지 않은 경우, HALCON이 즉시 시스템에 이를 알리고 해당 부품은 자동으로 배출된다”라고 설명했다.
이 과정에서 OPC-UA와 PROFINET 통신 프로토콜이 사용돼 시스템 내 다양한 구성 요소 간에 일관된 데이터 교환이 가능해졌다. 이를 통해 전 공정의 완전한 자동화를 구현할 수 있었다.
헤버 박사는 “고객으로부터 받은 피드백은 매우 긍정적이다. 시스템은 문제 없이 안정적으로 가동되고 있으며, 높은 수준의 자율 운영이 가능하다”라고 말했다. 실제로 이 시스템은 분당 최대 120개의 병뚜껑을 검사할 수 있다.
결론 및 전망
K&S Anlagenbau GmbH와 Computer Vision Solutions가 공동 개발한 병뚜껑 인쇄 검사 시스템은 MVTec HALCON 기반의 고정밀 머신 비전 기술과 직관적인 GUI, 안정적인 통신 인프라를 결합해 음료 산업의 품질 관리 수준을 한 단계 끌어올렸다. 인라인 방식으로 분당 120개의 병뚜껑을 검사하면서도 유지보수 부담이 적고, 제품 전환이 용이해 다양한 생산 환경에 즉시 대응할수 있다.
특히 결함 감지부터 불량품 자동 배출까지 전 과정을 완전 자동화 함으로써 생산 효율성과 품질 안정성을 동시에 확보했다. 이러한 성과는 향후 음료 산업뿐 아니라 인쇄 품질이 중요한 소비재·포장·제약등 다른 산업 분야로의 확산 가능성을 높인다. 더 나아가 이 시스템은 생산 속도 향상과 불량률 감소를 통해 투자 회수 기간(ROI) 단축에도 기여할 것으로 기대된다.
자료제공: MVTec(www.mvtec.com)
