【作 者】邰兆海

上?？档氯R企業(yè)發(fā)展集團股份有限公司，上海，201803

一次性注射器（國外稱為安全注射器）是一種新型的醫(yī)療器械，它能避免交叉感染，深受廣大醫(yī)患人員的歡迎。一次性注射器可以分為針筒和針管兩個部分，其中針管的缺陷對產品的質量影響很大。產生針管缺陷的原因，主要是由于針管在制作過程中針尖部位可能產生的毛刺，其次是針管在裝配過程中可能產生的倒插。

對于批量生產注射器，靠人工用目視和或摸來檢測針尖毛刺和倒插針容易產生視覺疲勞，把手劃破。這種靠人工來檢測針尖毛刺和倒插針，不但檢測效率不高，而且會有漏檢，難以保證質量，嚴重制約了一次性注射器的生產效率。

針對本公司（包括國內注射器生產企業(yè)）在針尖毛刺檢測方面的現狀，我們設計開發(fā)了基于機器視覺的一次性注射器針尖毛刺檢測系統(tǒng)，既能檢測針尖毛刺，同時能檢測針尖是否倒插等。它是用相機來采集針尖圖像，通過數字圖像處理技術，對針尖的毛刺進行自動識別，并顯示報警。

1 系統(tǒng)的總體結構設計

機器視覺是在工業(yè)生產過程中代替人類視覺，對產品外形特征進行自動檢測的一門技術。

圖1 總體結構框圖Fig.1 Overall structure block diagram

基于機器視覺的一次性注射器針尖毛刺檢測系統(tǒng)的結構，主要由針排夾具、夾持定位裝置、圖像檢測裝置（兩個觸發(fā)拍照光電開關、兩個光源、兩個相機）、人機界面控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構（步進電機、滾珠螺桿、滑臺、兩個氣缸）等組成。如圖1所示。在針排夾具上放置一排共30個一次性注射器（由針筒和針管組成），各針管中待檢測的針尖朝上。夾持定位裝置對針管定位，使針管不超出相機拍照的視野范圍。氣缸1對針排夾具做定位。氣缸2對針排夾具做鎖緊和松開。步進電機拖動滑臺在滾珠螺桿上做正反向運動。圖像檢測裝置中的光電1、光源1、相機1和光電2、光源2、相機2跟隨滑臺一起運動，以實現對針尖毛刺的動態(tài)檢測。人機界面控制系統(tǒng)對整個系統(tǒng)做運動控制、觸發(fā)相機拍照、數據處理、測量結果顯示和故障報警提示等。

2 系統(tǒng)的硬件設計

針尖毛刺檢測系統(tǒng)的硬件部分由照明子系統(tǒng)、攝像子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成，其工作原理，如圖2所示。照明子系統(tǒng)對被測針尖進行照明。攝像子系統(tǒng)把采集到的圖像信號經數字處理后，通過USB接口傳輸到控制子系統(tǒng)?？刂谱酉到y(tǒng)據此再進行分析處理，然后把檢測結果傳輸給狀態(tài)指示燈，同時控制步進電機的動作，并通過針排夾具電磁閥來控制氣缸執(zhí)行針排夾具的定位、鎖緊或松開。

圖2 硬件系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Hardware system functional block diagram

2.1 照明子系統(tǒng)

在機器視覺系統(tǒng)中，一個合適的照明方式，可以獲取高品質、高對比度的圖像。常見的照明光源類型有條形光源、背光源、環(huán)形光源、穹頂光源和同軸光源等。光源在顏色上又分為白色光、紅色光、藍色光、綠色光、黃色光和紫外光等。對于每種不同的檢測對象，必須采用不同的照明方式，才能突出被測對象的特征。

在本系統(tǒng)中，主要的任務是獲取清晰的針尖輪廓，以便于跟設定值相比較。在背光照明方式下，光源均勻地從被檢測物體的背面照射，可以獲取高清晰的針尖輪廓；而在環(huán)形光照明方式下，能產生最適合高反射物體的無方向、柔和的光。根據針尖這一被測物體的實際情況，并為了防止光源之間的干擾，設計了一套同時結合背光藍色照明和環(huán)形光紅色照明這兩種光源的照明子系統(tǒng)，由光源控制器以及光源1和光源2組成。

2.2 攝像子系統(tǒng)

刺、針尖倒插等圖像信息，所以設計了一套同時結合側面拍照和垂直拍照這兩種方式的攝像子系統(tǒng)。它由相機1、相機2、圖像處理器和圖像顯示器組成。

本系統(tǒng)設計是動態(tài)檢測，相機、光源、觸發(fā)拍照光電是跟隨滑臺一起運動的，這就要求圖像的獲取和處理與滑臺的運動同步進行。調整好相機的位置，采用與滑臺同步的節(jié)奏獲取圖像，并迅速進行圖像信號處理，然后把處理完畢的圖像數據及時送給控制子系統(tǒng)。

2.3 控制子系統(tǒng)

在動態(tài)檢測中，要抓拍到穩(wěn)定的圖像，并把檢測結果傳送到顯示界面，就要解決好防止拍照抖動、控制拍照時序、數據處理和信息顯示等問題。為此，設計了一套具有防止抖動、數據處理、控制與顯示等功能的人機界面控制子系統(tǒng)。它由PLC、擴展模塊、觸摸屏、觸發(fā)拍照光電、步進電機、針排夾具電磁閥和LED狀態(tài)指示燈等組成。

針排夾具電磁閥通過控制氣缸來執(zhí)行對針排夾具的定位、鎖緊或松開任務，以防止動態(tài)檢測中被測對象抖動。步進電機拖動滑臺沿著針排夾具長度方向運動，滑臺上懸掛了相機、光源，以實現對針尖毛刺的動態(tài)檢測。觸發(fā)拍照光電檢測被測針尖的位置是否到達相機采集區(qū)域。觸摸屏用來操作控制、設置運動參數、顯示檢測結果、統(tǒng)計生產信息和故障報警提示等。PLC和擴展模塊協(xié)調指揮針排夾具電磁閥動作、步進電機運動、相機拍照和光源亮滅，還接收攝像子系統(tǒng)送來的圖像數據，并進行歸類與處理，然后去點亮LED狀態(tài)指示燈等，完成對整個系統(tǒng)的控制。

在控制系統(tǒng)中，處理好觸發(fā)拍照、數據接收等時序關系是很重要的。其光電感應、觸發(fā)相機拍照、圖像信號處理和PLC接收數據的控制時序，如圖3所示。

圖3 光電感應、觸發(fā)拍照、圖像處理、數據接收的控制時序圖Fig.3 Photoelectric sensors, triggered camera, image processing, data reception control sequential chart

要獲得準確、清晰的圖像，必須考慮到相機拍照的景深與視野范圍。側面拍照，可以獲取針尖高度、針尖傾斜等圖像信息；垂直拍照，可以獲取針尖毛

3 系統(tǒng)的軟件設計

針尖毛刺檢測系統(tǒng)的軟件部分，由圖像模塊化流程處理軟件、PLC程序和觸摸屏程序組成。

圖像模塊化流程處理軟件的設計，主要包括針尖圖像采集、顏色灰度處理、二值化處理。PLC程序的設計，主要包括確認產品種類與規(guī)格、判別操作方式；控制針排夾具氣缸的動作、電機的運行、光源的亮滅、相機的觸發(fā)拍照；讀取圖像檢測數據信號以及對信號進行處理并輸出驅動狀態(tài)指示燈；統(tǒng)計生產信息、輸出故障報警信號。觸摸屏程序的設計，主要包括：菜單選擇、品種規(guī)格選擇、操作方式選擇、運行參數設置、自動與手動操作、顯示故障名稱、顯示生產信息和檢測結果。

3.1 圖像模塊化流程處理軟件

圖像模塊化流程處理軟件采用嵌入式系統(tǒng)模塊化軟件包，通過設置參數實現。嵌入式系統(tǒng)的模塊化軟件包為針尖毛刺圖像處理提供了有效的功能，用它可以完成彩色、灰度以及二值圖像的顯示、處理（統(tǒng)計、濾波）等。

本系統(tǒng)的圖像模塊化流程處理軟件設計，充分考慮到拍照時的景深和視野要求，以及根據光源燈投射在針尖部位時毛刺會有反光的特點來捕捉毛刺，并對毛刺有無和毛刺大小的界定采用反光面積值的大小來表示。所以，對針尖的圖像檢測先進行高度檢測，再進行毛刺檢測。采集到針尖高度和針尖毛刺的圖像信息后，再進行灰度處理、位置修正、面積測量、二值化處理等。整個對針尖進行圖像模塊化流程處理的檢測結果，如圖4所示。

圖4 針尖檢測結果圖Fig.4 Needle Point Test Results

通過圖4這組圖片，可以說明圖像模塊化流程處理的過程。(1) 是把抓拍的針尖高度照片，是經過顏色灰度過濾、邊緣位置修正、二值化處理后得到的圖片。此高度值作為后續(xù)抓拍針尖照片的景深標準。(2)是針尖源圖，直接通過CCD相機抓拍到的只截取針尖部分的圖片。(3)是針尖照片經二值化處理后的圖片。(4)是對反光面積值再進一步二值化處理后，能直接反映出針尖部位有無毛刺的圖片，其中A是有毛刺的圖片，B是沒有毛刺的圖片。

3.2 PLC程序

PLC程序采用梯形圖指令編程實現。它是以光電感應、PLC觸發(fā)相機拍照、圖像處理、接收測量數據的控制時序，并根據測量數據的排序處理結果來驅動LED狀態(tài)指示燈，協(xié)調控制針排夾具氣缸的動作、電機的運行和光源的亮滅等。程序操作控制方式有三種，分別適用于不同的工況。

圖5 PLC程序流程框圖Fig.5 PLC Program Flow Diagram

PLC的子程序有7個，各子程序的功能如下：子程序1的功能是鎖緊氣缸伸出、電機正轉開始和相機開始拍照；子程序2的功能是讀取圖像數據并排序，把當前結果送屏顯示、狀態(tài)燈顯示當前結果；子程序3的功能是讀取圖像數據并排序，把當前結果送屏顯示，狀態(tài)燈不顯示當前結果；子程序4的功能是讀取圖像數據并排序，把當前結果送屏顯示，狀態(tài)燈顯示上次結果；子程序5的功能是控制相機停止拍照，使電機正轉停止和反轉開始；子程序6的功能是鎖緊氣缸退回，擋塊氣缸仍伸出；子程序7的功能是鎖緊氣缸退回，擋塊氣缸也退回。

PLC主程序的流程框圖，見圖5所示。

3.3 觸摸屏程序

觸摸屏程序跟PLC程序的協(xié)調配合，通過USB接口實現。

在觸摸屏程序中，有數據寫入PLC和從PLC讀取數據的控制指令，以及對應的存貯數據單元各2個；有菜單選擇、方式選擇、參數設置、操作控制、檢測結果顯示和故障報警提示等功能畫面共20幅。觸摸屏程序中的幾個主要功能畫面圖，如圖6所示。

4 結束語

采用機器視覺技術的一次性注射器針尖毛刺檢測系統(tǒng)，已于2011年7月1日成功地投入到生產流水線上使用。數據表明，本系統(tǒng)對每張圖片的處理時間約為60毫秒，對針尖倒插和針尖倒鉤毛刺這種嚴重缺陷的檢測正確率可達100%。

本項目的研發(fā)成功屬國內首創(chuàng)，填補了國內對針尖毛刺檢測采用針排不動相機運動這種動態(tài)檢測方式的空白。它解決了人工檢測難的問題，并能有效地保證產品的質量和生產的速度。

圖6 觸摸屏程序主要功能畫面圖Fig.6 Map of main functions of the touch screen program

目前，我們正在研發(fā)不但可在X軸方向動態(tài)檢測，還可在Z軸方向自動調整相機位置的針尖毛刺檢測機，以適應各種不同高度針管規(guī)格的針尖毛刺檢測需要。