基于機(jī)器視覺的飲料瓶標(biāo)簽檢測(cè)設(shè)備

張樹君，辛瑩瑩，陳大千

（1.山東明佳包裝檢測(cè)科技有限公司，山東泰安271000；2.泰安航天特種車有限公司，山東泰安271000）

基于機(jī)器視覺的飲料瓶標(biāo)簽檢測(cè)設(shè)備

張樹君1，辛瑩瑩2，陳大千1

（1.山東明佳包裝檢測(cè)科技有限公司，山東泰安271000；2.泰安航天特種車有限公司，山東泰安271000）

在包裝檢測(cè)行業(yè)，產(chǎn)品的質(zhì)量引起了廣大消費(fèi)者的關(guān)注。如何實(shí)現(xiàn)飲料瓶高效的全標(biāo)簽檢測(cè)是飲料行業(yè)面臨的重要問題?；谏鲜鰡栴}，研發(fā)了對(duì)飲料瓶標(biāo)簽進(jìn)行檢測(cè)的專用設(shè)備，其控制系統(tǒng)采用的是TM258LD42DT，主要特點(diǎn)是能夠精細(xì)的檢測(cè)缺陷（如飲料瓶上標(biāo)簽的高低、標(biāo)簽的破損、標(biāo)簽的折皺等現(xiàn)象），而且設(shè)備的檢測(cè)效率高（其檢測(cè)精度可達(dá)到4mm×4mm）。它是集機(jī)器視覺的標(biāo)簽檢測(cè)、歷史數(shù)據(jù)顯示、異常情況報(bào)警和不合格瓶子的剔除等功能為一體，運(yùn)用在高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上，代替了人工檢測(cè)，提高了檢測(cè)的效率和檢測(cè)的質(zhì)量，為開發(fā)性能更優(yōu)越的機(jī)型提供基礎(chǔ)。

機(jī)器視覺；標(biāo)簽檢測(cè)；漫反射；剔除器

機(jī)器視覺檢測(cè)是模擬人工檢測(cè)方法及判斷邏輯，具有更高的檢測(cè)精度和更好的一致性的自動(dòng)化檢測(cè)方法。近幾年，隨著食品飲料包裝檢測(cè)行業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)線的普遍使用，部分環(huán)節(jié)采用人工檢測(cè)，已經(jīng)不能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線的要求。本公司針對(duì)人們對(duì)食品飲料瓶進(jìn)行灌裝前質(zhì)量檢測(cè)的重視和國外貼標(biāo)機(jī)等先進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備的引進(jìn)，人工達(dá)不到生產(chǎn)線檢測(cè)要求的情況，根據(jù)廠家具體的要求，研發(fā)了基于TM258LD42DT的智能標(biāo)簽檢測(cè)機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)備。其中采用的是TM258LD42DT控制系統(tǒng)，激光光電作為數(shù)據(jù)的采集源，硬件比較簡(jiǎn)單，使用成本低。在同一條生產(chǎn)線上裝有本公司自主研發(fā)的柔性多段剔除器[1]，可以檢測(cè)標(biāo)簽的缺失、標(biāo)簽折角、標(biāo)簽高度不協(xié)調(diào)、無標(biāo)簽等不合格產(chǎn)品，并能進(jìn)行準(zhǔn)確剔除，填補(bǔ)了國內(nèi)在全標(biāo)簽檢測(cè)設(shè)備行業(yè)的空白。本產(chǎn)品還可以和多種檢測(cè)裝置配套，運(yùn)用在酒、飲料等產(chǎn)業(yè)的高速自動(dòng)化生產(chǎn)線上，適應(yīng)于中小企業(yè)的使用。

1 系統(tǒng)的工作原理

機(jī)器視覺技術(shù)，是電子學(xué)、信號(hào)處理、系統(tǒng)控制、軟件工程、現(xiàn)代光學(xué)等多學(xué)科的交叉與融合。本系統(tǒng)是基于機(jī)器視覺技術(shù)，集控制單元、檢測(cè)單元、剔除單元、顯示單元以及輔助單元為一體的高自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備。其具體檢測(cè)過程如下圖1所示。

圖1 檢測(cè)過程圖Fig.1 Detection processdiagrm

此系統(tǒng)最終完成的是飲料瓶標(biāo)簽的全標(biāo)檢測(cè)，其整個(gè)檢測(cè)工作原理如下所述：

灌裝滿的飲料瓶首先進(jìn)行套標(biāo)—熱縮—然后進(jìn)行此機(jī)器視覺的標(biāo)簽檢測(cè)環(huán)節(jié)[2]。

1）經(jīng)熱縮工藝后的飲料瓶通過鏈道進(jìn)行傳輸，首先觸發(fā)定位檢測(cè)光電，光電通過高低電平的轉(zhuǎn)換來捕捉下降沿來確認(rèn)瓶子的具體位置，把相應(yīng)的信息存在相應(yīng)的存儲(chǔ)單元上，然后通過編碼器輸出脈沖進(jìn)行表示。

2）收到具體位置信號(hào)后，4個(gè)相機(jī)同時(shí)進(jìn)行拍照，每個(gè)相機(jī)的拍照范圍為90°，應(yīng)用本公司自主研發(fā)的嵌入式圖像處理軟件對(duì)4幅圖片進(jìn)行自動(dòng)排列、調(diào)整，與先前設(shè)定好的完整圖片進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)標(biāo)簽的好壞（其中光源采用的是漫反射原理）。

3）當(dāng)?shù)竭_(dá)剔除器位置的時(shí)候，通過提取的瓶子好壞的信息，對(duì)瓶子做出相應(yīng)處理，把標(biāo)簽有問題的瓶子進(jìn)行剔除，將其剔到回收鏈道上。

4）剔除確認(rèn)是對(duì)經(jīng)過剔除器的好瓶進(jìn)行一次核查，若發(fā)現(xiàn)有貼標(biāo)不合格而未被剔除的瓶子，則進(jìn)行報(bào)警。

整個(gè)過程中完成全標(biāo)簽檢測(cè)和剔除的機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維圖分別如下圖2、圖3所示。

圖2 標(biāo)簽檢測(cè)結(jié)構(gòu)Fig.2 Label detection structure

圖3 剔除器結(jié)構(gòu)Fig.3 Excluding structure

為了滿足各種不同瓶型的檢測(cè)，其標(biāo)簽檢測(cè)的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)的高度可以進(jìn)行上下調(diào)整，以適應(yīng)所檢測(cè)瓶子高度的不同。

2 系統(tǒng)的硬件選型

系統(tǒng)的硬件包括操作面板、定位光電、相機(jī)、工控機(jī)、編碼器、柔性剔除器等。其系統(tǒng)硬件組成如下圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件組成Fig.4 System hardware components

1）操作面板：采用濟(jì)南匯控的“HK-150GV-R”工業(yè)液晶顯示屏，通過此操作面板可以比較方便的查看數(shù)據(jù)顯示和修改參數(shù)以及報(bào)警確認(rèn)等[3]。

2）檢測(cè)定位光電：采用的是邦納的QS18VP6LLP型號(hào)，是一種直接反射式傳感器，對(duì)瓶子進(jìn)行精確定位。

3）相機(jī)：采用的是DALSA的M640相機(jī)，采用4個(gè)相機(jī)，分別對(duì)瓶子的90°范圍進(jìn)行拍照。

4）工控機(jī)：采用的型號(hào)是“TANK-101B”一臺(tái)和“NUVO-1005b”兩臺(tái)。此工控機(jī)結(jié)構(gòu)比較緊湊、具有良好的擴(kuò)展性、價(jià)格比較便宜，指令功能比較多，適用于小規(guī)模的控制。

5）剔除器：采用的是本公司自主研發(fā)的柔性剔除器，可以克服一般的直接式剔除方式，避免將瓶子剔倒的弊端。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要是系統(tǒng)控制軟件，包括清零數(shù)據(jù)和設(shè)置計(jì)數(shù)器方式的初始化子程序；對(duì)瓶子進(jìn)行全標(biāo)檢測(cè)的子程序；對(duì)不合格瓶子進(jìn)行剔除的子程序和剔除確認(rèn)子程序；報(bào)警子程序等[4]。

3.2 機(jī)器視覺

1）定位光電的位置，定位光電必須通過反復(fù)調(diào)整—包括上下高度和旋轉(zhuǎn)角度，來確定光電的最佳觸發(fā)位置。保證相機(jī)準(zhǔn)時(shí)、清晰的拍照。

2）因?yàn)楦鶕?jù)客戶要求需要進(jìn)行全標(biāo)簽檢測(cè)，所以使用一般的檢測(cè)光電，無法完成。此標(biāo)簽檢測(cè)結(jié)構(gòu)采用四個(gè)M640相機(jī)，當(dāng)定位光電觸發(fā)完成后，四個(gè)相機(jī)對(duì)所負(fù)責(zé)的90°范圍內(nèi)同時(shí)進(jìn)行拍照，將四幅圖片拼成一張，應(yīng)用本公司自主開發(fā)的嵌入式軟件，按照事先預(yù)定好的位置，對(duì)圖片進(jìn)行排列，與完整標(biāo)簽進(jìn)行對(duì)比，從而完成整個(gè)檢測(cè)過程。相機(jī)的調(diào)整方向和旋轉(zhuǎn)角度對(duì)形成的圖像精度有很大影響[5]。

3）在光源的選定上，采用的是漫反射原理，其中的漫反射光即從光源發(fā)出的光進(jìn)入飲料瓶?jī)?nèi)部，經(jīng)過多次反射、折射、散射及吸收后返回到瓶子表面的光，其所攜帶的結(jié)構(gòu)和信息更加豐富。從而使相機(jī)采取的圖像結(jié)構(gòu)更可靠，提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

4）剔除器采用的是公司研發(fā)的柔性多段剔除器，對(duì)不合格的瓶子進(jìn)行柔性剔除即引導(dǎo)式剔除，避免了常見的倒瓶現(xiàn)象。

基于機(jī)器視覺的檢測(cè)系統(tǒng)，由于具備著高品質(zhì)的成像系統(tǒng)、成熟的圖像處理和分析算法、機(jī)械結(jié)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)節(jié)、方便的參數(shù)設(shè)定和修改、穩(wěn)定的配套設(shè)施，使其高精度、高質(zhì)量的完成全標(biāo)簽檢測(cè)。下圖5和圖6為此設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)圖和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖。

圖5 電氣控制系統(tǒng)圖Fig.5 Electrical control system diagram

3.3 檢測(cè)率分析

通過現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行和調(diào)試，對(duì)檢測(cè)的精度做了統(tǒng)計(jì)，如下表1所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖Fig.6 Site diamgram

表1 運(yùn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)Table1 Run the test data

其中檢測(cè)6萬個(gè)瓶子，其中全標(biāo)有缺失的瓶300個(gè)。通過上表顯示，本系統(tǒng)檢測(cè)速度對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確性的影響很大。因?yàn)樵跈z測(cè)過程中，如果檢測(cè)速度過快，會(huì)出現(xiàn)漏檢的情況，而影響檢測(cè)率。其顯示的檢測(cè)的準(zhǔn)確率99.5%能夠保證廠家要求的速度36 000瓶/h。其中誤剔除率限制在0.8%以下[6]。

4 結(jié)論

本公司研發(fā)的基于機(jī)器視覺的標(biāo)簽檢測(cè)設(shè)備，其硬件簡(jiǎn)單，功能齊全，在滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線高速運(yùn)行的前提下，還能精確的進(jìn)行全標(biāo)簽檢測(cè)，其檢測(cè)速度達(dá)到36 000瓶/h，其中配備的柔性剔除器運(yùn)行可靠、穩(wěn)定性能好、倒瓶率低。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的試運(yùn)行和調(diào)試，該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能提高效率，還能增加效益，對(duì)飲料標(biāo)簽檢測(cè)行業(yè)的自動(dòng)化進(jìn)程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響；為開發(fā)性能更優(yōu)越的機(jī)型，提供理論參考。

[1]劉書姣.基于S7-200的扁平酒瓶標(biāo)簽檢測(cè)控制系統(tǒng)[J].PLC與工業(yè)計(jì)算機(jī),2011,3(6):3-5

[2]李金熱.剔除式飲料啤酒分瓶器設(shè)計(jì)及電氣控制[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,11(25):2

[3]黃振軍.Tobacco Sorter III型雜物剔除器的應(yīng)用[J].Sensor Word, 2002,12(5):4-5

[4]范春陽,王正宵,潘曉弘.飲料灌裝輸送線數(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

[5]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].食品與包裝機(jī)械,2003(5):39-4

[6]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

The Bottle of Beverage Label Detection Device Based on Machine Vision

ZHANG Shu-jun1，XIN Ying-ying2，CHEN Da-qian1
（1.Shandong Mingjia Packaging Inspection Technology Co.，LTD.，Taian 271000，Shandong，China；2.Taian Aerospace Vehicles，Ltd.，Taian 271000，Shandong，China）

In the packaging testing industry，consumers pay attention to the quality of the products.How to realize the bottles and efficient full label detection is the important problems facing with the beverage industry.Basing on the above problem，The company developed to test the beverage bottle label of special equipment，the control system by TM258LD42DT，the main characteristic is to be able to elaborate testing（for example the tag of beverage bottle high or low，the tag such as crease，labels），and the equipment of detection have the high efficiency（its detection precision can be achieved 4mm×4mm）.This machine has the following functions，for example，the machine-vision detection for tag，the historical data display，the abnormal situation alarm and taking out of the unqualified bottle.And these functions used in the high-speed automatic production line，replace the artificial detection，improve the quality of the testing efficiency and testing，provide the basis for developing the more superior performance model.

machine vision；label detection；diffuse re-flectance；removing device

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.03.037

2012-07-26

張樹君（1972—），男（漢），兼職教授，本科，研究方向：食品包裝檢測(cè)行業(yè)。