曾繁昌 林胤

摘要：介紹了一款基于柔性AI視覺技術設計的口罩視覺檢測裝置，闡述了該裝置的工作原理和設計思路。結(jié)合柔性AI視覺全自動口罩機的控制、定位、識別、通信等方面的功能分析，明確了視覺檢測技術在口罩機生產(chǎn)中的重要作用，進而探索了該裝置的應用前景和市場優(yōu)勢。

關鍵詞：視覺檢測;口罩機;柔性模塊

0 引言

在傳統(tǒng)的口罩質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)中，需對口罩焊接耳帶部位或口罩正反兩面進行檢測，確?？谡仲|(zhì)量符合生產(chǎn)要求，由此導致在口罩傳送過程中需針對口罩進行翻轉(zhuǎn)，從而完成數(shù)據(jù)采集與檢測。受檢測設備成本投入、透光皮帶傳送過程中被污染等因素影響，無法保障數(shù)據(jù)檢測精度。因此，結(jié)合口罩機技術迭代需求以及口罩質(zhì)量提升需求，改進口罩視覺檢測裝置迫在眉睫。

1 口罩視覺檢測裝置

1.1? ? 設計背景與原理

隨著近年來機器視覺檢測技術、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、AI等技術成為制造業(yè)的研究熱點，為智能制造領域注入了新的發(fā)展活力。本文擬設計一款新型口罩視覺檢測裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，借鑒AI視覺系統(tǒng)設計理念，解決現(xiàn)有口罩視覺檢測裝置存在的質(zhì)量問題。

該新型裝置主要包含機架、傳送輥、光源、口罩傳送軌道、照相機等部分，其中在機架上設有多組沿水平方向安裝的傳送輥，傳送輥側(cè)面設有安裝板，在相鄰兩組傳送輥間安裝有光源和透光板，光源緊鄰口罩傳送軌道，在光源上方設有照相機，透光板側(cè)面與安裝板相連接、表面與口罩傳送軌道平齊，且透光板表面與口罩傳送軌道間隔控制在10 mm內(nèi)。該裝置的創(chuàng)新點在于利用傳送輥進行口罩的傳送，在口罩位于相鄰兩組傳送輥間時，采用相機進行拍照檢測，可在口罩生產(chǎn)過程中進行質(zhì)量檢查與把關，有效降低口罩成品的廢品率，提高生產(chǎn)效率。

1.2? ? 裝置設計方案思路

針對該新型口罩視覺檢測裝置的技術方案進行詳細分析，裝置主要包含傳送輥、光源、透光板及安裝板4種構(gòu)件。將多組傳送輥以水平形式安裝在機架上，在相鄰兩組傳送輥間設有透光板，使透光板表面與口罩傳送軌道保持平齊，將高度差控制在10 mm以內(nèi)，保障口罩平穩(wěn)傳送至下一組傳送輥處，并且將透光板側(cè)面安裝在安裝板上;利用照相機拍攝口罩反面圖像時，選擇將光源安裝在透光板和口罩傳送軌道的上方;在拍攝口罩正面圖像時，則無需在兩組傳送輥間安裝透光板，僅需將光源安裝在口罩傳送軌道的下方，并且將安裝板安裝在傳送輥側(cè)面。考慮到需針對口罩的焊接耳帶進行檢測，焊接點通常位于口罩的頭、尾兩部分，因此應確保相鄰兩組傳送輥的間距大于口罩長度，保障口罩在傳送輥的帶動下穿過一組傳送輥時，照相機能夠恰好拍攝到口罩的一面圖像。該新型裝置通過將傳送輥與透光板進行連接組合，將原有透光皮帶拆除，可有效降低因皮帶臟污引發(fā)誤判的概率，有效節(jié)約口罩生產(chǎn)成本，且無須重復更換皮帶，提高了生產(chǎn)效率，顯著提升檢測結(jié)果的精度。

2 柔性AI視覺智能口罩機設計方案

2.1? ? 模塊化柔性設計

2.1.1? ? 過程檢測

將本文設計的新型口罩視覺檢測裝置應用于口罩智能生產(chǎn)線中，利用傳送線將裝置與1臺口罩成型機、2臺耳帶焊接機相連，可將卷料、上料、折疊、壓合成型、分切、耳帶焊接、下料等環(huán)節(jié)進行一體化連接，實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。位于智能生產(chǎn)線中間環(huán)節(jié)的口罩視覺檢測裝置主要利用傳送輥帶動口罩向前傳送，在將口罩傳送至相鄰兩組傳送輥之間時，依靠照相機與透光板拍攝到口罩表面的清晰圖像，可自動完成口罩正、反兩面焊接耳帶質(zhì)量的檢測，克服以往利用透光皮帶傳送口罩所產(chǎn)生的污染、誤判等問題，提升了檢測結(jié)果的精確度與檢測效率。

2.1.2? ? PLC控制

基于PLC進行口罩傳送過程中的運動控制，設計一款長延時檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分主要由S7-313-2DP可編程控制器、上位機與組態(tài)監(jiān)控軟件、PS307-5A電源、傳感器、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊組成，利用PLC實現(xiàn)對相應工位的長延時檢測，與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)配合提供翻轉(zhuǎn)、啟動等功能;系統(tǒng)軟件主要由上料、定位、圖像采集等模塊組成，當照相機捕捉到圖像信息后即進入系統(tǒng)創(chuàng)作狀態(tài)中，經(jīng)由設計迭代等流程生成最終設計方案，保障生產(chǎn)過程的自動化。

2.1.3? ? 智能定位

基于計算機視覺進行口罩生產(chǎn)過程中的定位檢測，通過計算機識別顏色實現(xiàn)物體與背景的分離，保障全自動同步焊接耳帶的精準定位與牢固焊接。采用ROI進行圖像分割與圖像區(qū)域提取，選取高斯濾波針對選定圖像區(qū)域進行濾波降噪處理，消除因光照等因素影響產(chǎn)生的噪聲;再針對圖像進行腐蝕、膨脹操作，以去除圖像內(nèi)細小圖像的邊緣點及空洞，通過對圖像進行邊界平滑，實現(xiàn)最大輪廓的有效提取;最后借助濾波器進行邊緣檢測與增強處理，基于最小多邊形進行最大輪廓的包圍，有效加快定位速度，降低操作的復雜程度，進一步提高生產(chǎn)效率。

2.1.4? ? 感應識別

在人工智能視覺識別模塊的硬件設計上，選取光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器及運算器進行并聯(lián)設計，利用運算器將從照相機處接收到的圖像轉(zhuǎn)換為語言代碼，采用數(shù)字信號處理器進行計算，并通過傳感器進行傳輸;在軟件設計上，利用照相機與加速器進行配合，在照相機獲取圖像信息后，利用加速器自動完成圖像的測量計算，在喚醒定位調(diào)制器的基礎上，由GPS系統(tǒng)和信號接收天線分別提取圖像和信號信息，經(jīng)由濾波器過濾后從輸出端口將圖像按概率輸出，提高圖像識別的精度與效率。

2.1.5? ? 網(wǎng)絡通信

采用OPC技術實現(xiàn)柔性AI視覺全自動口罩機的網(wǎng)絡通信功能，依次配置PC站的硬件機架和控制臺，為組態(tài)設置與診斷提供支持;隨后組態(tài)PC Station并進行組態(tài)下載，待檢查組態(tài)處于正確狀態(tài)顯示畫面，連接被激活后，即說明下載成功;最后進行數(shù)據(jù)通信測試，待測得通信連接被建立后，采用C#語言編寫OPC客戶端程序，即可實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能。

2.2? ? 產(chǎn)品應用性能和市場優(yōu)勢

2.2.1? ? 助力智能生產(chǎn)線轉(zhuǎn)型

通過將基于柔性AI的全封閉式口罩智能生產(chǎn)線投入實際生產(chǎn)中，設備實現(xiàn)了全自動生產(chǎn)，每小時產(chǎn)能達到4 000片，為半自動化口罩機工廠的轉(zhuǎn)型與量產(chǎn)提供技術支持，滿足N95等高品質(zhì)口罩的生產(chǎn)需求。

2.2.2? ? 提升產(chǎn)品合格率

柔性AI視覺全自動口罩機裝有SMC氣缸配件和電磁閥，裝置響應速度大幅提升，并且基于微電腦控制、友好的人機界面，實現(xiàn)耳帶焊接流程的全自動同步開展，配合視覺檢測設備提升產(chǎn)品合格率，進一步減少產(chǎn)能浪費，提高生產(chǎn)效益。

2.2.3? ? 擴大市場應用范圍和產(chǎn)量

近年來隨著計算機視覺技術的進步，促使智慧醫(yī)療領域受到學術界、產(chǎn)業(yè)界的持續(xù)關注，采用視覺檢測等先進技術促進口罩機傳統(tǒng)技術迭代和轉(zhuǎn)型升級成了行業(yè)共識。實踐證明，將柔性AI視覺全自動口罩機投入實際運行后，可日產(chǎn)口罩16萬余片，口罩機滿產(chǎn)產(chǎn)量達到60臺/月，并且在國家發(fā)改委、財政部等部門的政策支持下，口罩日漸由防護用品過渡為生活日用品，國內(nèi)潛在需求與海外市場需求均昭示著醫(yī)療防護物資將成為朝陽產(chǎn)業(yè)，為口罩機的研發(fā)生產(chǎn)提供了廣闊的市場前景。

3 結(jié)語

基于計算機視覺技術進行柔性AI視覺全自動口罩機的設計、研發(fā)與生產(chǎn)，采用模塊化柔性設計方式，可有效規(guī)避因口罩需求量浮動引發(fā)的設備閑置、產(chǎn)能浪費問題，為制造企業(yè)的靈活生產(chǎn)與智能生產(chǎn)線運行提供了技術支撐。

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：曾繁昌（1990—），男，廣東揭西人，工程師，主要從事項目研發(fā)工作。