柔性AI視覺(jué)全自動(dòng)口罩機(jī)分析

曾繁昌 林胤

摘要：介紹了一款基于柔性AI視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)的口罩視覺(jué)檢測(cè)裝置，闡述了該裝置的工作原理和設(shè)計(jì)思路。結(jié)合柔性AI視覺(jué)全自動(dòng)口罩機(jī)的控制、定位、識(shí)別、通信等方面的功能分析，明確了視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在口罩機(jī)生產(chǎn)中的重要作用，進(jìn)而探索了該裝置的應(yīng)用前景和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)檢測(cè);口罩機(jī);柔性模塊

0 引言

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

1 口罩視覺(jué)檢測(cè)裝置

1.1? ? 設(shè)計(jì)背景與原理

隨著近年來(lái)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、AI等技術(shù)成為制造業(yè)的研究熱點(diǎn)，為智能制造領(lǐng)域注入了新的發(fā)展活力。本文擬設(shè)計(jì)一款新型口罩視覺(jué)檢測(cè)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，借鑒AI視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，解決現(xiàn)有口罩視覺(jué)檢測(cè)裝置存在的質(zhì)量問(wèn)題。

該新型裝置主要包含機(jī)架、傳送輥、光源、口罩傳送軌道、照相機(jī)等部分，其中在機(jī)架上設(shè)有多組沿水平方向安裝的傳送輥，傳送輥側(cè)面設(shè)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(shè)有照相機(jī)，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(diǎn)在于利用傳送輥進(jìn)行口罩的傳送，在口罩位于相鄰兩組傳送輥間時(shí)，采用相機(jī)進(jìn)行拍照檢測(cè)，可在口罩生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)量檢查與把關(guān)，有效降低口罩成品的廢品率，提高生產(chǎn)效率。

1.2? ? 裝置設(shè)計(jì)方案思路

針對(duì)該新型口罩視覺(jué)檢測(cè)裝置的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)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(jī)架上，在相鄰兩組傳送輥間設(shè)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(jī)拍攝口罩反面圖像時(shí)，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(shí)，則無(wú)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?？紤]到需針對(duì)口罩的焊接耳帶進(jìn)行檢測(cè)，焊接點(diǎn)通常位于口罩的頭、尾兩部分，因此應(yīng)確保相鄰兩組傳送輥的間距大于口罩長(zhǎng)度，保障口罩在傳送輥的帶動(dòng)下穿過(guò)一組傳送輥時(shí)，照相機(jī)能夠恰好拍攝到口罩的一面圖像。該新型裝置通過(guò)將傳送輥與透光板進(jìn)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(wú)須重復(fù)更換皮帶，提高了生產(chǎn)效率，顯著提升檢測(cè)結(jié)果的精度。

2 柔性AI視覺(jué)智能口罩機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1? ? 模塊化柔性設(shè)計(jì)

2.1.1? ? 過(guò)程檢測(cè)

將本文設(shè)計(jì)的新型口罩視覺(jué)檢測(cè)裝置應(yīng)用于口罩智能生產(chǎn)線中，利用傳送線將裝置與1臺(tái)口罩成型機(jī)、2臺(tái)耳帶焊接機(jī)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(jìn)行一體化連接，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。位于智能生產(chǎn)線中間環(huán)節(jié)的口罩視覺(jué)檢測(cè)裝置主要利用傳送輥帶動(dòng)口罩向前傳送，在將口罩傳送至相鄰兩組傳送輥之間時(shí)，依靠照相機(jī)與透光板拍攝到口罩表面的清晰圖像，可自動(dòng)完成口罩正、反兩面焊接耳帶質(zhì)量的檢測(cè)，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(wèn)題，提升了檢測(cè)結(jié)果的精確度與檢測(cè)效率。

2.1.2? ? PLC控制

基于PLC進(jìn)行口罩傳送過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)一款長(zhǎng)延時(shí)檢測(cè)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(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)工位的長(zhǎng)延時(shí)檢測(cè)，與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配合提供翻轉(zhuǎn)、啟動(dòng)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(dāng)照相機(jī)捕捉到圖像信息后即進(jìn)入系統(tǒng)創(chuàng)作狀態(tài)中，經(jīng)由設(shè)計(jì)迭代等流程生成最終設(shè)計(jì)方案，保障生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。

2.1.3? ? 智能定位

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)進(jìn)行口罩生產(chǎn)過(guò)程中的定位檢測(cè)，通過(guò)計(jì)算機(jī)識(shí)別顏色實(shí)現(xiàn)物體與背景的分離，保障全自動(dòng)同步焊接耳帶的精準(zhǔn)定位與牢固焊接。采用ROI進(jìn)行圖像分割與圖像區(qū)域提取，選取高斯濾波針對(duì)選定圖像區(qū)域進(jìn)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(duì)圖像進(jìn)行腐蝕、膨脹操作，以去除圖像內(nèi)細(xì)小圖像的邊緣點(diǎn)及空洞，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行邊界平滑，實(shí)現(xiàn)最大輪廓的有效提取;最后借助濾波器進(jìn)行邊緣檢測(cè)與增強(qiáng)處理，基于最小多邊形進(jìn)行最大輪廓的包圍，有效加快定位速度，降低操作的復(fù)雜程度，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

2.1.4? ? 感應(yīng)識(shí)別

在人工智能視覺(jué)識(shí)別模塊的硬件設(shè)計(jì)上，選取光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器及運(yùn)算器進(jìn)行并聯(lián)設(shè)計(jì)，利用運(yùn)算器將從照相機(jī)處接收到的圖像轉(zhuǎn)換為語(yǔ)言代碼，采用數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)傳感器進(jìn)行傳輸;在軟件設(shè)計(jì)上，利用照相機(jī)與加速器進(jìn)行配合，在照相機(jī)獲取圖像信息后，利用加速器自動(dòng)完成圖像的測(cè)量計(jì)算，在喚醒定位調(diào)制器的基礎(chǔ)上，由GPS系統(tǒng)和信號(hào)接收天線分別提取圖像和信號(hào)信息，經(jīng)由濾波器過(guò)濾后從輸出端口將圖像按概率輸出，提高圖像識(shí)別的精度與效率。

2.1.5? ? 網(wǎng)絡(luò)通信

采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔性AI視覺(jué)全自動(dòng)口罩機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信功能，依次配置PC站的硬件機(jī)架和控制臺(tái)，為組態(tài)設(shè)置與診斷提供支持;隨后組態(tài)PC Station并進(jìn)行組態(tài)下載，待檢查組態(tài)處于正確狀態(tài)顯示畫(huà)面，連接被激活后，即說(shuō)明下載成功;最后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信測(cè)試，待測(cè)得通信連接被建立后，采用C#語(yǔ)言編寫OPC客戶端程序，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。

2.2? ? 產(chǎn)品應(yīng)用性能和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)

2.2.1? ? 助力智能生產(chǎn)線轉(zhuǎn)型

通過(guò)將基于柔性AI的全封閉式口罩智能生產(chǎn)線投入實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)生產(chǎn)，每小時(shí)產(chǎn)能達(dá)到4 000片，為半自動(dòng)化口罩機(jī)工廠的轉(zhuǎn)型與量產(chǎn)提供技術(shù)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(jué)全自動(dòng)口罩機(jī)裝有SMC氣缸配件和電磁閥，裝置響應(yīng)速度大幅提升，并且基于微電腦控制、友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)耳帶焊接流程的全自動(dòng)同步開(kāi)展，配合視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備提升產(chǎn)品合格率，進(jìn)一步減少產(chǎn)能浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效益。

2.2.3? ? 擴(kuò)大市場(chǎng)應(yīng)用范圍和產(chǎn)量

近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的進(jìn)步，促使智慧醫(yī)療領(lǐng)域受到學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的持續(xù)關(guān)注，采用視覺(jué)檢測(cè)等先進(jìn)技術(shù)促進(jìn)口罩機(jī)傳統(tǒng)技術(shù)迭代和轉(zhuǎn)型升級(jí)成了行業(yè)共識(shí)。實(shí)踐證明，將柔性AI視覺(jué)全自動(dòng)口罩機(jī)投入實(shí)際運(yùn)行后，可日產(chǎn)口罩16萬(wàn)余片，口罩機(jī)滿產(chǎn)產(chǎn)量達(dá)到60臺(tái)/月，并且在國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部等部門的政策支持下，口罩日漸由防護(hù)用品過(guò)渡為生活日用品，國(guó)內(nèi)潛在需求與海外市場(chǎng)需求均昭示著醫(yī)療防護(hù)物資將成為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，為口罩機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)提供了廣闊的市場(chǎng)前景。

3 結(jié)語(yǔ)

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行柔性AI視覺(jué)全自動(dòng)口罩機(jī)的設(shè)計(jì)、研發(fā)與生產(chǎn)，采用模塊化柔性設(shè)計(jì)方式，可有效規(guī)避因口罩需求量浮動(dòng)引發(fā)的設(shè)備閑置、產(chǎn)能浪費(fèi)問(wèn)題，為制造企業(yè)的靈活生產(chǎn)與智能生產(chǎn)線運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。

收稿日期：2020-06-05

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