視覺檢測技術(shù)在高速軟管灌裝機(jī)上的使用

（云南白藥集團(tuán)健康產(chǎn)品有限公司，昆明 650000）

0 引言

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)設(shè)備效率的提升，人工檢測質(zhì)量缺陷產(chǎn)品常常因檢測員水平、視覺疲勞等因素造成漏檢、誤檢等[1]。取而代之的視覺檢測（又叫機(jī)器視覺）應(yīng)時(shí)而生，其采用專用設(shè)備采集圖像，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后用計(jì)算機(jī)處理，可對(duì)各種目標(biāo)特征進(jìn)行分析和識(shí)別?；跈C(jī)器視覺的分級(jí)排除了主觀因素的干擾，且檢測精度高，能實(shí)現(xiàn)無損操作等特點(diǎn)，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電氣、機(jī)械、制藥、包裝、印刷、紡織等行業(yè)[2]。

針對(duì)我公司生產(chǎn)特點(diǎn)，產(chǎn)品灌裝后的封尾行為對(duì)于質(zhì)量的影響尤為突出。軟管灌裝設(shè)備，較多用于粘度流體的填充，如藥膏、洗面奶、洗發(fā)水等洗護(hù)品等，其承載容器多為鋁管、鋁塑復(fù)合管（全塑管）。管材灌裝完畢后的封尾良品率是影響灌裝產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素。封尾不良（又稱：次品。）較多集中在“封尾不平整”、“封尾剪裁不良（漏剪或多剪）”、“管材印刷面logo對(duì)位偏移”這三個(gè)方面，如圖1次品與良品對(duì)比圖。

由于灌裝機(jī)生產(chǎn)速度較高（約為120ms/支），人工檢測無法滿足次品篩選并剔除的要求。本文開創(chuàng)性的在灌裝機(jī)上使用視覺檢測，對(duì)灌裝后的軟管進(jìn)行在線連續(xù)檢測，配合可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行封尾不良軟管剔除，避免了由檢測人員工作失誤造成的產(chǎn)品質(zhì)量不合格，極大的提高了生產(chǎn)效率。

圖1 次品(b)、(c)、(d)與良品(a)對(duì)照?qǐng)D

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及組成

1.1 設(shè)計(jì)原理

應(yīng)用對(duì)象為高速軟管灌裝機(jī)（產(chǎn)地：德國），灌裝速度為120毫秒/支，并且該灌裝機(jī)為雙跑道式結(jié)構(gòu)，同時(shí)有兩列產(chǎn)品進(jìn)行灌裝，這要求視覺檢測需要有多線程并行處理功能。

系統(tǒng)原理如圖2所示。該系統(tǒng)以機(jī)器視覺為核心，控制高倍相機(jī)拍攝流水線軌道上的軟管封尾圖像，圖像回傳XX。通過邏輯控制器將視覺檢測的判定信號(hào)標(biāo)記（良品標(biāo)記為“OK”，次品標(biāo)記為“NG”），在接下來的固定剔除位再進(jìn)行封尾不良產(chǎn)品剔除處理（OK品放行，NG品剔除），見圖3灌裝機(jī)剔廢機(jī)構(gòu)示意圖。

圖2 系統(tǒng)原理圖

圖3 灌裝機(jī)剔廢機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)組成

序號(hào) 設(shè)備名稱 型號(hào)1視覺檢測控制器 FH-1050 2鏡頭 3Z4S-LE SV-1614H 3相機(jī) FZ-SC 4條形光源 JL-LR-144X19W 5光源控制器 JL-APC24V-2 6 回歸反射式光電傳感器 E3Z-R86 7反射板 E39-RS1 8光電傳感器 E3Z-LS86 9彩色顯示器10 踢廢機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)分析

針對(duì)現(xiàn)場的檢測需求，利用FH-1050視覺檢測控制器中圖像處理功能對(duì)拍攝到的待測物圖像進(jìn)行處理[3]，將缺陷特征突出，并進(jìn)行識(shí)別判定輸出。主要使用功能按照檢測順序介紹如下：

1）灰度色階調(diào)節(jié)+二值化。彩色轉(zhuǎn)黑白圖像，突出拍攝圖像明暗特征或標(biāo)記。

2）形狀搜索——生成特征標(biāo)記坐標(biāo)值。以圖像特征點(diǎn)作為模板，對(duì)所有拍攝所得圖像進(jìn)行比對(duì)，生成圖像幾何中心點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)（X，Y值），根據(jù)預(yù)設(shè)的良品坐標(biāo)范圍進(jìn)行判定，超出范圍即為“NG”；如圖4所示。

圖4 橫縱坐標(biāo)設(shè)定效果圖

3）圖像位置修正。因拍照信號(hào)為光電傳感器觸發(fā)，拍攝到的圖像有可能存在位置偏差，需要對(duì)圖像進(jìn)行坐標(biāo)系平移，將圖像平移到劃定的檢測區(qū)域中，平移量參照“形狀搜索”生成的坐標(biāo)系參數(shù)。

4）掃描邊緣位置——封尾凹凸度檢測。使用“掃描邊緣位置”功能，對(duì)封尾部分進(jìn)行邊緣掃描，設(shè)定從“暗”到“亮”方式，選取邊緣，同時(shí)設(shè)定“掃描線密度”（值越大，掃描密度越高）。在生成的一些列測量結(jié)果數(shù)據(jù)中，選擇“凹凸率”數(shù)據(jù)作為封口凹凸的判定依據(jù)，與預(yù)設(shè)良品值進(jìn)行比較，超出范圍即為“NG”。如圖5所示。

圖5 掃描邊緣位置設(shè)計(jì)效果圖

5）面積重心——封尾剪裁檢測。利用“面積重心”功能，劃定檢測區(qū)域，利用白色面積采集計(jì)算對(duì)比原理，對(duì)封尾部分是否存在漏剪裁、剪裁粘連等現(xiàn)象進(jìn)行檢測判定，與預(yù)設(shè)良品值進(jìn)行比較，超出范圍即為“NG”。如圖6所示。

圖6 面積重心偏離效果圖

6）綜合判定輸出。依據(jù)所有檢測的判定結(jié)果，進(jìn)行邏輯“或”運(yùn)算（OK為0，NG為1），任意一個(gè)“缺陷檢測”判定NG，綜合判定即輸出“1”，并通過線路傳送信號(hào)至PLC接收端。

2.2 PLC控制邏輯

鑒于灌裝機(jī)上無法實(shí)現(xiàn)在線檢測位置進(jìn)行同步剔除不良品的情況，選擇了“延后剔除”的控制方式。

1）實(shí)現(xiàn)這一功能需要借助可編程邏輯控制器（PLC），其中的“堆棧功能”正好可以實(shí)現(xiàn)視覺檢測信號(hào)的存儲(chǔ)（OK為0，NG為1），并按照生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行同步的“入棧”、“堆?！薄ⅰ俺鰲！惫δ埽瑢?shí)現(xiàn)“先進(jìn)先出”的堆棧信號(hào)控制。如圖7所示。

圖7 PLC堆?？刂脐P(guān)系圖

2）為了最大限度縮減生產(chǎn)線停機(jī)改造時(shí)間，節(jié)約改造成本，在對(duì)灌裝機(jī)程序信號(hào)邏輯深入研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)剔除機(jī)構(gòu)與整個(gè)設(shè)備的主軸運(yùn)轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)的電子凸輪關(guān)系，即當(dāng)安裝在主軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器值旋轉(zhuǎn)到預(yù)先設(shè)定的若干個(gè)相位位置時(shí)，觸發(fā)剔除機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，而在剔除機(jī)構(gòu)上的頂針汽缸，會(huì)根據(jù)設(shè)備主控制的信號(hào)進(jìn)行頂出（NG品剔除），或者是縮回（OK品保留）。這樣，就可以根據(jù)設(shè)備自帶的剔除機(jī)構(gòu)，對(duì)頂針汽缸進(jìn)行控制，并且可以實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與設(shè)備節(jié)拍一致，避免“撞車”，原理如圖8所示。

圖8 節(jié)拍控制原理圖

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)際測試結(jié)果完全能夠滿高速軟管灌裝線120毫秒/支的基礎(chǔ)生產(chǎn)速度，視覺檢測速度通過程序優(yōu)化，檢測處理時(shí)間控制在了40毫秒/支以內(nèi)，達(dá)到甚至超過了預(yù)期，如圖9所示。

圖9 實(shí)際檢測效果圖

有效檢測和剔除率達(dá)到了99%以上，確保了產(chǎn)品質(zhì)量，通過該項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在同類灌裝設(shè)備或類似行業(yè)上進(jìn)行水平展開具有較強(qiáng)借鑒意義。

3 結(jié)論

3.1 先進(jìn)性和可行性

將在線視覺檢測系統(tǒng)與軟管高速灌裝機(jī)進(jìn)行匯聚，有效降低人工檢測的瓶頸，提高檢測精度，從而使產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著提升。

融合現(xiàn)場總線技術(shù)和PLC技術(shù)，對(duì)原進(jìn)口機(jī)型進(jìn)行升級(jí)完善，達(dá)到能夠在外國進(jìn)口的整機(jī)設(shè)備上通過自主設(shè)計(jì)增加功能的目的，為以后由于產(chǎn)品多樣性導(dǎo)致的設(shè)備升級(jí)改造提供技術(shù)鋪墊。

3.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析及推廣前景

視覺檢測技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興檢測技術(shù)，基于視覺傳感器的檢測系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，效率高，組成簡單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合生產(chǎn)現(xiàn)場的在線，非接觸檢測及監(jiān)控，特別是在當(dāng)今的制造業(yè)正處于由工業(yè)3.0向工業(yè)4.0推進(jìn)的時(shí)代，用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)制造，已經(jīng)是所有重質(zhì)量、重效率、重產(chǎn)能的制造企業(yè)的完美標(biāo)配，利用視覺檢測對(duì)軟管灌裝機(jī)進(jìn)行封尾檢測在整個(gè)輕工行業(yè)內(nèi)應(yīng)該是屬于比較新穎的方式，至少在國內(nèi)的同行業(yè)中屬于領(lǐng)先水平。