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        藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)開發(fā)

        2017-09-03 10:56:57孫懷遠(yuǎn)劉志強宋曉康楊麗英
        實驗科學(xué)與技術(shù) 2017年4期
        關(guān)鍵詞:膠塞藥瓶機器

        孫懷遠(yuǎn),劉志強,宋曉康,楊麗英

        (1.上海健康醫(yī)學(xué)院 醫(yī)療器械學(xué)院,上海 浦東 201318;2.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 楊浦 200093)

        ·創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技術(shù)·

        藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)開發(fā)

        孫懷遠(yuǎn)1,劉志強2,宋曉康2,楊麗英1

        (1.上海健康醫(yī)學(xué)院 醫(yī)療器械學(xué)院,上海 浦東 201318;2.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 楊浦 200093)

        針對藥瓶封裝質(zhì)量檢測,設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于機器視覺技術(shù)的、適于教學(xué)使用的無接觸式藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)原理及運行依據(jù)出發(fā),介紹了實驗系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件構(gòu)架和運行流程,并結(jié)合案例說明了實驗系統(tǒng)的應(yīng)用。實踐表明,該系統(tǒng)具有拆裝方便、實驗內(nèi)容設(shè)置靈活、實驗風(fēng)險小和成本低等優(yōu)點,實驗效果良好,有效解決了藥瓶包裝質(zhì)量檢測實踐教學(xué)資源缺乏的問題,為學(xué)生學(xué)習(xí)掌握藥品瓶包裝無接觸檢測技術(shù)提供了先進、實用的實驗裝置和教學(xué)手段。

        藥瓶;封裝檢測;系統(tǒng)開發(fā);機器視覺技術(shù)

        藥品生產(chǎn)過程中,瓶包裝非常廣泛,也有許多檢測環(huán)節(jié),如批號、標(biāo)簽、封口等檢測或監(jiān)控,其中膠塞封口、瓶蓋封裝的檢測直接影響到瓶內(nèi)藥品的質(zhì)量和有效期。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)不斷完善,利用機器視覺實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量無接觸自動檢測已變得切實可行[1-5]。機器視覺是利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像,經(jīng)計算機或?qū)S脠D像處理模塊進行數(shù)字處理,根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息,進行尺寸、形狀、顏色等識別[6-10]。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,熟悉機器視覺這項涉及傳感器、圖像處理、機械工程、檢測控制等領(lǐng)域的綜合技術(shù)在藥品自動生產(chǎn)、檢測與控制領(lǐng)域的應(yīng)用,讓他們在實驗、實踐過程中理解和掌握無接觸自動檢測技術(shù)的理念,以培養(yǎng)理工科學(xué)生專業(yè)知識、實踐能力和綜合素質(zhì)[11-13],我們設(shè)計了基于機器視覺技術(shù)的、以低成本和高精度為目標(biāo)的藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng),開發(fā)和集成了5個典型的無接觸檢測項目:瓶中藥液高度(裝量)檢測、膠塞封口質(zhì)量檢測、瓶蓋封裝質(zhì)量檢測、藥瓶批號自動識別、藥瓶一維條碼檢測,為專業(yè)教學(xué)提供了一套先進的、低風(fēng)險的實驗裝置。

        1 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)包含硬件結(jié)構(gòu)和軟件平臺,其總體結(jié)構(gòu)原理及運行依據(jù)為:圖像獲取、圖像處理、特征獲取和決策判斷[14-15]?;诖耍到y(tǒng)構(gòu)成包括圖像采集單元、照明光源、圖像處理單元及智能化操作平臺等。

        1.1 圖像采集單元

        圖像采集單元是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵器件,針對實驗系統(tǒng)的教學(xué)功能和要求,本系統(tǒng)采用T20智能攝像機(配M3Z1228-MP型鏡頭),可通過觸發(fā)采集或連續(xù)采集,將目標(biāo)對象的光學(xué)特性變成二維信息的電信號,然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡或采集設(shè)備本身所帶的取樣和量化功能,將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像。智能攝像機由24 V直流電源供電,通過網(wǎng)線RJ45接頭與監(jiān)控操作平臺實現(xiàn)通信,可實現(xiàn)系統(tǒng)教學(xué)功能的二次開發(fā)。

        1.2 照明光源

        針對檢測目標(biāo)(玻璃瓶直徑小于等于36 mm、瓶高小于等于65 mm),選擇YFL-100-100-R型LED背光光源和YRL-74-60-R型LED環(huán)形光源作為圖像采集照明光源。按實驗項目的要求,光源照射亮度可通過配套的光源調(diào)節(jié)器控制。

        1.3 圖像處理單元及智能化操作平臺

        該平臺即安裝有機器視覺軟件的監(jiān)控操作平臺,包括圖像處理軟件、監(jiān)視器、通信輸入輸出單元等,對智能攝像機通過接口上傳的圖像序列進行處理分析,包括圖像的預(yù)處理、圖像增強、圖像分割、特征提取等一系列步驟,最后通過圖像分析處理,根據(jù)相關(guān)參數(shù)的計算和比對來判定是否存在差別并輸出結(jié)果。

        根據(jù)實驗項目和檢測目標(biāo)的不同,為了實現(xiàn)物距和焦距的快速調(diào)節(jié),充分考慮實驗對象、結(jié)構(gòu)形式及固定約束方式的良好適應(yīng)性[16],系統(tǒng)將圖像采集單元、環(huán)形光源、平板背光源及用于放置玻璃瓶的載物臺通過調(diào)節(jié)桿統(tǒng)一安裝在精密加工的底板上,以便快速獲取清晰及合適尺寸的圖像。如圖1所示,為藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)的布局,如圖2所示,為實驗系統(tǒng)實物。

        1-底板,2、13、14、16-安裝板,3、6、8、10-調(diào)節(jié)桿,4-圖像采集單元,5-環(huán)形光源,7-載物臺,15-調(diào)節(jié)塊,9-背光源,11-光源調(diào)節(jié)器,12-監(jiān)控操作平臺。圖1 藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)布局

        圖2 藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)實物

        2 實驗系統(tǒng)軟件平臺

        2.1 實驗系統(tǒng)軟件構(gòu)架

        藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)軟件平臺的主要任務(wù)是實現(xiàn)硬件各部分功能的整合和使系統(tǒng)自動協(xié)調(diào)地工作[17],并提供學(xué)生操作實驗的環(huán)境,達到實踐教學(xué)的目標(biāo)。本系統(tǒng)軟件平臺采用HALCON機器視覺軟件,利用其具有快速原型化和開放結(jié)構(gòu)的特征,在軟件的HDevelop環(huán)境下,結(jié)合T20智能攝像機IMPACT內(nèi)置程序,通過交互編程進行應(yīng)用程序二次開發(fā),并融合符合本實驗系統(tǒng)的視覺功能算子,實現(xiàn)相機的調(diào)用和圖像的采集、處理及測量結(jié)果的顯示,從而構(gòu)建了包括識別算法、用戶界面和通信3個子系統(tǒng)的軟件平臺,并將實驗檢測項目集成于其中。藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示,分為參數(shù)設(shè)置、預(yù)處理、圖像處理、智能判斷、用戶界面和通信6個模塊。

        圖3 藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)軟件構(gòu)架

        參數(shù)設(shè)置模塊提供實驗參數(shù)、圖像采集方式、數(shù)據(jù)庫文件的設(shè)置和存儲操作;預(yù)處理模塊按照設(shè)定的值完成初始化操作、邊緣尋找、目標(biāo)定位等;圖像處理模塊完成實時采集圖像的預(yù)處理、圖像增強、圖像分割、特征提取等數(shù)字化處理;智能判斷模塊進行圖像數(shù)據(jù)的分析、比較和判斷,并給出處理結(jié)果;用戶界面模塊為用戶提供方便操作和統(tǒng)計顯示,便于用戶針對不同檢測對象及時設(shè)置不同參數(shù)并修改或增刪數(shù)據(jù)庫;通信模塊完成數(shù)據(jù)庫及相關(guān)模塊與上位機的雙向通信及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的上報工作。

        2.2 實驗系統(tǒng)軟件運行流程

        基于HALCON開發(fā)的藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)軟件主程序流程如圖4所示。

        圖4 藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)軟件主程序運行流程

        3 實驗系統(tǒng)應(yīng)用

        藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)是基于HALCON機器視覺軟件和IMPACT系列智能攝像機開發(fā)的。在打開軟件時,系統(tǒng)會自動啟動上一次的連接狀態(tài);如未連接,可點擊“連接相機”與“上線”的智能攝像機連接。

        下面以藥瓶膠塞封口質(zhì)量檢測為例,介紹實驗系統(tǒng)應(yīng)用。

        實驗要求:正確安裝實驗裝置和操作,通過調(diào)整光源、鏡頭的光圈焦距及被測物體的位置,從而采集出符合要求的圖像,觀察影響檢測正確性的因素;同時,通過實驗,了解和掌握基于機器視覺技術(shù)的藥瓶封口質(zhì)量無接觸檢測手段和方法。

        檢測原理:通過機器視覺技術(shù)測量蓋好膠塞的藥瓶左右兩邊的高度,如果左右兩邊高度相等,且瓶高在已知標(biāo)準(zhǔn)藥瓶高度允許的容差范圍內(nèi),即為蓋好;如果左右兩邊高度不相等,或瓶高在已知標(biāo)準(zhǔn)藥瓶高度允許的容差范圍外,即為沒蓋好(偏斜或沒蓋緊)。

        實驗步驟如下:

        1)選擇實驗項目:打開軟件,在連接相機后,根據(jù)要求選擇“膠塞檢測”實驗項目。

        2)安裝檢測對象:拆除環(huán)形光源(圖1中的5),采用平板背光源(圖1中的9),按圖1結(jié)構(gòu)將被測藥瓶安裝于載物臺7上。

        3)采集圖像:在“參數(shù)設(shè)置”頁面進行圖像“連續(xù)采集”,并調(diào)整相機的焦距、變倍及物體距離等,以獲取清晰圖像(如圖5所示)。之后,點擊“觸發(fā)采集單幀”來獲得原始大小的圖像以檢查所調(diào)位置是否合適。無論是連續(xù)采集還是觸發(fā)采集單幀時,都可以選擇二值化圖像,此時圖像將以黑白兩色顯示。選擇二值化圖像目的在于尋找合適的灰度門限值,這些門限值將是后面程序的輸入?yún)?shù)。

        圖5 膠塞檢測界面

        4)選擇檢測區(qū)域:在“膠塞檢測”頁面,選擇調(diào)整ROI到圖5所示位置,然后點擊“確定ROI”即可。圖中藥瓶中部標(biāo)示部分為瓶子寬度,這里將作為基準(zhǔn)值,其他為待測數(shù)據(jù)。這里左右兩側(cè)各為一組,上下4個ROI位置(不同顏色)不可更改。

        5)參數(shù)設(shè)置:瓶子寬度作為已知數(shù)據(jù)寫入,將作為本程序的測量基準(zhǔn)。允許容差為測量結(jié)果的容差范圍,也可視為測量精度。瓶蓋(瓶底)門限為上(下)ROI尋找邊界時的跳變值,瓶高上限用以控制瓶高的范圍。

        6)檢測:測量膠塞和瓶底的距離,左右兩個距離差即為膠塞高低偏差。如高低偏差在藥瓶高度允許的容差范圍(1.0)內(nèi)則顯示綠色,為蓋好;反之顯示紅色,表示偏差在允許的容差范圍外,為未蓋好(膠塞偏斜或沒蓋緊)。圖5所示左右高低差為0,顯示綠色,結(jié)果為蓋好。

        4 結(jié)束語

        藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于藥液裝量檢測等典型的檢測項目,實現(xiàn)了無接觸式檢測,具有實驗設(shè)置靈活、安裝方便、成本低及檢測準(zhǔn)確度高、結(jié)果客觀可靠等特點,這在藥品安全和檢測精度上都對傳統(tǒng)的人工檢測有著重大的改進和突破。實踐證明,藥瓶封裝質(zhì)量檢測實驗系統(tǒng)的開發(fā),使學(xué)生在專業(yè)實驗教學(xué)中能夠更快地了解機器視覺技術(shù)在質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,掌握新型藥品瓶包裝無接觸檢測技術(shù);同時,本系統(tǒng)還具有可擴展的應(yīng)用空間,可以讓學(xué)生基于此系統(tǒng)自行添加其他的圖像處理和機器視覺檢測項目,實現(xiàn)二次功能開發(fā),培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新能力;另外,實驗系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用,增強了實踐教學(xué)的趣味性、知識性和專業(yè)性,大大提升了實踐教學(xué)效果,有效解決了藥品包裝質(zhì)量檢測實踐教學(xué)資源不足的難題,為培養(yǎng)企業(yè)真正需要的應(yīng)用型人才提供了有利條件。

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        DevelopmentofExperimentalSystemforMedicineBottlePackagingQualityDetection

        SUN Huaiyuan1,LIU Zhiqiang2,SONG Xiaokang2, YANG Liying1

        (1.Medical Instrument College,Shanghai University of Medicine & Health Sciences,Pudong201318,China;2.College of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Yangpu200093,China)

        Bottle packaging is very extensively used in the pharmaceutical production.Aim at the quality inspection of vials,a set of contact-less experimental system for medicine bottle packaging quality detection was designed and implemented,which was based on machine vision technology and suitable for teaching use.Based on the principle of experimental system structure and operation,the hardware structure and software architecture and operational process of the experimental system were introduced,and its application was illustrated.The teaching practice results show that the experimental system for medicine bottle packaging quality detection has some advantages,such as easy installing,flexible experimental content setting,low operational risk and low experimental cost,as well as a good experimental effect.Therefore,it effectively solved the problem of lack of practice teaching resources in bottle packaging quality testing,and provided the advanced and practical experimental equipment and teaching means for students to learn the contact-less detection technology in medicine bottle packaging.

        medicine bottle;packaging detection;system exploitation;machine vision technology

        2017-01-08;修改日期:2017-01-17

        2015年上海市高等教育質(zhì)量提升計劃(A1-2617-15)。

        孫懷遠(yuǎn)(1962-),男,碩士,教授,主要從事生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)藥裝備及其檢測技術(shù)方面的研究。

        TP273

        A

        10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.001

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