張建中，何召明，張樹(shù)君，王慶，高錦哲

（1.山東科技大學(xué) 泰安校區(qū)，山東 泰安 271019；2.山東科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266510；3.山東明佳包裝檢測(cè)科技有限公司，山東 泰安 271019）

0 引言

隨著食品飲料行業(yè)的快速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越重視產(chǎn)品的質(zhì)量安全。瓶蓋未蓋好，瓶蓋有毛刺或裂縫、液位過(guò)高、液位過(guò)低等不合格現(xiàn)象，都會(huì)影響產(chǎn)品在消費(fèi)者心中的形象。目前，關(guān)于PET瓶瓶蓋和液位的檢測(cè)方法有多種，例如人工檢測(cè)、傳感器檢測(cè)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)等，但是都有其缺陷和不足，而且隨著自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的普遍使用，這些檢測(cè)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的要求［1］，因此設(shè)計(jì)出一種高效PET瓶瓶蓋和液位的檢測(cè)設(shè)備是此行業(yè)面臨的重要問(wèn)題。本設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)快速、精確地檢測(cè)PET 瓶瓶蓋和液位的質(zhì)量。在原有的計(jì)算機(jī)視覺(jué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)新穎的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相機(jī)架構(gòu)、光學(xué)鏡片的設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定的圖像處理算法。提供了一種能夠在高速自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷檢測(cè)瓶蓋和液位的一種檢測(cè)設(shè)備，從而避免了現(xiàn)有技術(shù)上存在的問(wèn)題。

1 檢測(cè)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

PET 瓶瓶蓋和液位檢測(cè)機(jī)是一套瓶裝線(xiàn)上用于檢測(cè)產(chǎn)品瓶蓋和液位的模塊化系統(tǒng)［2］，其中組成包括4 各部分，如圖1 所示。

檢測(cè)過(guò)程為：瓶子經(jīng)過(guò)檢測(cè)柜時(shí)，對(duì)其進(jìn)行拍照，輸入到圖像處理系統(tǒng)，進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)柜跨在輸送帶上，通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)裝置能適應(yīng)不同高度和直徑的瓶型，實(shí)時(shí)圖像的采集，檢測(cè)柜中的主觸發(fā)器，激活后的檢測(cè)功能將控制容器被剔除的整個(gè)過(guò)程。后面的剔除器可以代替人工將不合格的產(chǎn)品進(jìn)行剔除。剔除確認(rèn)裝置用于對(duì)剔除后的產(chǎn)品進(jìn)行剔除確認(rèn)，確保不合格品全部被剔除。

圖1 檢測(cè)過(guò)程圖

2 檢測(cè)柜的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1）龍門(mén)式整體框架結(jié)構(gòu)。

為使整臺(tái)設(shè)備不受外界振動(dòng)影響，整體框架設(shè)計(jì)成龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，不與輸送鏈相接觸，照像機(jī)與光反射設(shè)備分別安裝在框架結(jié)構(gòu)兩側(cè)，保證攝取圖像穩(wěn)定，如圖2 所示。

2）同步升降結(jié)構(gòu)。

圖2 龍門(mén)式結(jié)構(gòu)

用4 個(gè)絲杠支撐檢測(cè)柜，每個(gè)絲杠底端固定齒輪，用不銹鋼鏈條可實(shí)現(xiàn)4 個(gè)絲杠同步轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了升降調(diào)節(jié)時(shí)的水平性。利用直齒錐齒輪傳動(dòng)，可方便鏈道旁工人的手工調(diào)節(jié)，如圖3 所示。

圖3 同步升降結(jié)構(gòu)

3 圖像的檢測(cè)處理

3.1 檢測(cè)處理難點(diǎn)及解決方法

1）本裝置檢測(cè)重點(diǎn)在于檢測(cè)柜中相機(jī)的圖像采集以及圖像處理，在此過(guò)程中需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)是：（1）單個(gè)、兩個(gè)相機(jī)架構(gòu)存在盲區(qū)，漏檢避不可免；（2）一個(gè)柜子中各方向的光互相影響；（3）生產(chǎn)條件對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性的影響。

2）本設(shè)計(jì)解決方法是：（1）采用多相機(jī)架構(gòu)［3］，100%的視角覆蓋率；（2）采用特殊的光學(xué)鏡片設(shè)計(jì)消除影響；（3）使用穩(wěn)定的算法消除生產(chǎn)因素的影響。

檢測(cè)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 檢測(cè)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 三相機(jī)設(shè)計(jì)

如圖5 所示，現(xiàn)有的單、雙相機(jī)的架構(gòu)存在的漏檢率為50%和12%。三相機(jī)架構(gòu)漏檢率為3%，由于實(shí)際生產(chǎn)中次品出現(xiàn)概率至多為1%，因此實(shí)際漏檢率為0.03%，提高了產(chǎn)品檢測(cè)性能。

3.3 使用特殊的光學(xué)器件消除光線(xiàn)間的影響

使用光學(xué)元件的組合將不同方向的光過(guò)濾掉，使每個(gè)相機(jī)拍攝的圖像就和單個(gè)光源照射一樣，保證了圖像采集的清晰度［4］。從根本上保證了檢測(cè)效果的穩(wěn)定性。

3.4 研制專(zhuān)有算法適應(yīng)生產(chǎn)線(xiàn)

1）持胚環(huán)的Ransac 定位［5］。分別采集左右兩側(cè)樣本點(diǎn)利用RANSAC 擬合得到持胚環(huán)的精確位置如圖6。

2）瓶體的去水珠、去毛刺和抗旋轉(zhuǎn)。利用Lucas-Kanade圖像配準(zhǔn)算法完成參數(shù)的估計(jì)。計(jì)算得到瓶體的對(duì)稱(chēng)軸。根據(jù)對(duì)稱(chēng)性對(duì)瓶體左右進(jìn)行或運(yùn)算，如圖7 所示。

3）檢測(cè)區(qū)域中我們會(huì)使用幾何形狀匹配、對(duì)比度分析、灰度直方圖對(duì)封蓋質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證有較好的實(shí)用效果。同時(shí)對(duì)液位的高低采用相對(duì)位置比較的方式，只要設(shè)置好了液位和基準(zhǔn)線(xiàn)的相對(duì)位置，軟件會(huì)自動(dòng)地對(duì)液位進(jìn)行判斷，非常智能，如圖8 所示。

圖5 相機(jī)檢測(cè)

圖6 Ransac 定位

圖7 瓶體圖像

4 結(jié)論

圖8 檢測(cè)區(qū)域

PET 瓶瓶蓋和液位檢測(cè)設(shè)備，是基于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的圖像處理。本設(shè)計(jì)通過(guò)新穎的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相機(jī)架構(gòu)、光學(xué)鏡片的設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定的圖像處理算法，使檢測(cè)效率高、精度高，配備在柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上，其運(yùn)行可靠，倒瓶率低，檢測(cè)速度達(dá)到42 000 瓶/h，解決了現(xiàn)有的技術(shù)問(wèn)題。對(duì)飲料瓶質(zhì)量檢測(cè)行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)該設(shè)備的研發(fā)也為以后更高效、更智能的設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

［1］劉海豐，周秀梅.啤酒及飲料包裝機(jī)械的幾種分瓶系統(tǒng)的比較［J］.包裝與食品機(jī)械，2003（5）：39-40.

［2］張樹(shù)君，陳大千，辛瑩瑩，等.基于圖像的PET 瓶瓶蓋和液位的檢測(cè)設(shè)備［J］.輕工機(jī)械，2013，31（2）：71-73.

［3］山東明佳包裝檢測(cè)科技有限公司.一種利用漫反射原理獲取360°全標(biāo)簽檢測(cè)圖像的方法：中國(guó)，CN102818807A［P］.2012-12-12.

［4］鄭海成，謝云.PET 瓶封蓋質(zhì)量在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（8）：20-22.

［5］山東明佳包裝檢測(cè)科技有限公司.一種PET 瓶封蓋檢測(cè)的基準(zhǔn)定位方法：中國(guó)，CN102519978A［P］.2012-06-27.

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［7］范春陽(yáng)，王正肖，潘曉弘.飲料灌裝輸送線(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.輕工機(jī)械，2011，29（6）：4-7.

［8］陳貴平.基于圖像處理技術(shù)的澆注液位檢測(cè)的研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2005.

［9］史建華，史淑君.氣動(dòng)技術(shù)在全自動(dòng)灌裝機(jī)中的應(yīng)用［J］.包裝與食品機(jī)械，2004，22（2）：38-40.