一種基于機(jī)器視覺的異形瓶蓋定向排列的裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉英杰 馬子領(lǐng)

摘 要：隨著包裝化程度的不斷提高，對(duì)于異形瓶蓋的定向排列的需求也在不斷提升。現(xiàn)有的機(jī)器采用純機(jī)械處理的方法，只能針對(duì)具體尺寸形狀的瓶蓋進(jìn)行排列。為此提出一種基于機(jī)器視覺的異形瓶蓋定向排列的裝置，通過上位機(jī)對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行視覺處理分析并將所得結(jié)果傳遞至控制系統(tǒng)，使其控制機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)瓶蓋進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)并送至下一環(huán)節(jié)加工。該裝置不僅能使機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)瓶蓋產(chǎn)生的損傷降到最低，而且擴(kuò)大了設(shè)備的適用范圍，提高了企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：異形瓶蓋;機(jī)器視覺;排列規(guī)整

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： With the continuous improvement of packaging， the demand for directional arrangement of special-shaped bottle caps is also increasing. Existing machines use a purely mechanical processing method and can only be arranged for a specific size and shape of bottle caps. A device for directional arrangement of special-shaped bottle caps based on machine vision is proposed. The upper computer performs visual processing and analysis on the images taken and transmits the results to the control system， which controls the mechanical structure to rotate the bottle caps and send them to the next step for processing. The device can not only minimize the damage caused by the mechanical structure on the bottle cap， but also expand the scope of application and improve the competitiveness in the market.

Keywords： special-shaped bottle cap;machine vision;arranged neatly

隨著個(gè)性化產(chǎn)品的出現(xiàn)，瓶蓋的樣式趨于多樣化。市場(chǎng)中充滿著各式各樣的異形瓶蓋，以滿足消費(fèi)者的不同需求。因此，對(duì)于異形瓶蓋的加工處理也有著多方面需求[1]。其中，一種就是在包裝后期對(duì)瓶蓋旋蓋和瓶蓋批量打包時(shí)對(duì)異形瓶蓋的擺放方向有著嚴(yán)格的要求。目前，瓶蓋包裝行業(yè)所使用的異形瓶蓋的排列裝置不能做到多種尺寸、多種形狀瓶蓋的擺放方向的規(guī)整。它的機(jī)械結(jié)構(gòu)只能完成滿足于專門針對(duì)某一種或一類瓶蓋的固定擺放方向的機(jī)械動(dòng)作。這樣既不利于機(jī)械結(jié)構(gòu)適用的廣泛性，也不利于機(jī)械產(chǎn)品的推廣銷售[2]。因此，設(shè)計(jì)一種異形瓶蓋定向排列裝置十分必要。

1 異形瓶蓋定向排列裝置設(shè)計(jì)原理

隨著工業(yè)自動(dòng)化的迅速發(fā)展，中國(guó)制造業(yè)需要逐漸向智能化和數(shù)字化方向發(fā)展。結(jié)合異形瓶蓋定向排列問題，設(shè)計(jì)了一套異形瓶蓋的定向排列裝置。定向排列裝置整體三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。對(duì)于不斷送入的雜亂的異形瓶蓋，先通過送入裝置將異形瓶蓋等時(shí)差、連續(xù)地送至轉(zhuǎn)向平臺(tái)中心，隨后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用機(jī)器視覺技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的方式，對(duì)送入的異形瓶蓋進(jìn)行位姿識(shí)別并旋轉(zhuǎn)到固定角度[3]，再利用送出裝置將異形瓶蓋整齊、連續(xù)地送至下一環(huán)節(jié)加工。3大模塊的工作平臺(tái)互相平齊，以保證瓶蓋在移動(dòng)過程中不會(huì)因出現(xiàn)階梯被停止或阻擋的情況。

2 異形瓶蓋送入裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

異形瓶蓋送入裝置的三維結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。雜亂無序的異形瓶蓋在第一傳送帶的帶動(dòng)下，從V型側(cè)擋板的最寬處向窄處方向進(jìn)入[4]。V型側(cè)擋板后部平行部分的相距寬度略大于一個(gè)瓶蓋的直徑大小，當(dāng)瓶蓋從V型側(cè)擋板送出時(shí)，呈現(xiàn)出一一排列的狀態(tài)。V型側(cè)擋板的最高高度需低于1.5 cm，以防止側(cè)擋板接觸到異形瓶蓋上部分。在異形瓶蓋傳送到V型側(cè)擋板的尾部后，會(huì)被出口擋板阻擋，以保證在推桿的移動(dòng)路線上只有一枚異形瓶蓋，且出口擋板的位置能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)，以應(yīng)對(duì)不同直徑的異形瓶蓋。異形瓶蓋在推桿的作用下被推送，直至與異形瓶蓋定位擋板接觸，此時(shí)在定位擋板與推桿尾部的弧形擋片一起定位異形瓶蓋。在異形瓶蓋被送達(dá)指定位置后，推桿在縱向與橫向直線模組的作用下回到起點(diǎn)，準(zhǔn)備下一次的異形瓶蓋推送。定位擋板的尾部設(shè)為圓弧形，能夠更好、更穩(wěn)定地定位異形瓶蓋。圓弧形尾部采用橡膠材質(zhì)，能夠防止與異形瓶蓋產(chǎn)生損傷性摩擦。定位擋板的圓弧所在的圓心與出口擋板抵擋異形瓶蓋圓柱時(shí)，異形瓶蓋所在圓心、轉(zhuǎn)盤的中心要在一條直線上。同時(shí)，為避免異形瓶蓋被抓走時(shí)瓶蓋與定位擋板發(fā)生接觸，需要將定位擋板設(shè)置為移動(dòng)式。當(dāng)異形瓶蓋完成旋轉(zhuǎn)后，定位擋板能夠左移，使得擋板與異形瓶蓋之間產(chǎn)生距離。

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著機(jī)器視覺在自動(dòng)化檢測(cè)方面的日益成熟，使用機(jī)器視覺來檢測(cè)異形瓶蓋不僅能夠做到精準(zhǔn)測(cè)量，而且能夠通過處理的信息對(duì)流水線的生產(chǎn)狀況進(jìn)行記錄。在此發(fā)展基礎(chǔ)上，基于機(jī)器視覺設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其三維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

基于機(jī)器視覺的異形瓶蓋角度確定是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心。采用機(jī)器視覺不僅能夠快速檢測(cè)異形瓶蓋，提高生產(chǎn)效率，而且能夠做到對(duì)異形瓶蓋的無損傷性檢測(cè)，避免因接觸而造成產(chǎn)品損傷。機(jī)器視覺所需設(shè)備也能夠節(jié)省自動(dòng)化設(shè)備在整個(gè)生產(chǎn)車間的占用空間，節(jié)約生產(chǎn)成本。當(dāng)異形瓶蓋到達(dá)指定位置即圓盤的中心位置后，通過相機(jī)對(duì)異形瓶蓋從正上方進(jìn)行拍照后將獲取的圖像信息傳送至上位機(jī)，并通過上位機(jī)中軟件對(duì)圖像的分析處理得到瓶蓋規(guī)整排列所需的角度。相機(jī)采用工業(yè)相機(jī)中的CCD相機(jī)[5]，在工作穩(wěn)定性和使用成本上具有優(yōu)勢(shì)，且對(duì)于靜物的拍攝能夠滿足相應(yīng)的精度要求。此外，對(duì)于接口技術(shù)和接口對(duì)象的范圍也有長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，能夠適用于較多場(chǎng)合。

光源與背景的設(shè)置對(duì)于圖像處理的結(jié)果也有影響。光源主要有點(diǎn)光源、線光源和環(huán)形光源3種形式。針對(duì)異形瓶蓋，光源選擇為環(huán)形光源，不僅能夠減少光源安裝所占用的空間，而且環(huán)形光源相對(duì)點(diǎn)光源和線光源的照射光照較為均勻，對(duì)照射異形瓶蓋一類的近似圓柱體的物體，在圓周上不會(huì)出現(xiàn)光照強(qiáng)弱差距過大的地方。將光源設(shè)置于安放相機(jī)的支架下部，不僅不影響相機(jī)鏡頭的拍攝，而且能夠使光源垂直照射異形瓶蓋，減少拍攝圖像各部分亮度的強(qiáng)弱差異。同時(shí)，在整體裝置運(yùn)行時(shí)，需將裝置所處環(huán)境設(shè)置為封閉式，避免圖像采集時(shí)存在雜亂光源對(duì)圖像造成影響。背景即圓盤的顏色設(shè)置為黑色，因?yàn)楹谏珜?duì)于燈光照明反應(yīng)不敏感，能夠減少對(duì)雜亂光的反射。同時(shí)，由于瓶蓋的顏色多數(shù)為紅、黃、白等亮色，因此選擇黑色作為背景能夠提高對(duì)比度，方便后續(xù)的圖像分割。

在通過圖像處理取得旋轉(zhuǎn)所需角度值后，利用上位機(jī)與下位機(jī)之間[6]和下位機(jī)與執(zhí)行設(shè)備之間的通信[7]，使得將異形瓶蓋的角度值轉(zhuǎn)化為瓶蓋的旋轉(zhuǎn)角度，從而達(dá)到圓盤上的瓶蓋旋轉(zhuǎn)到統(tǒng)一方向。其中，上位機(jī)采用機(jī)器視覺工控機(jī)AIIS-3410P，外形緊湊，便于現(xiàn)場(chǎng)布置。對(duì)多種主流相機(jī)做相容測(cè)試，結(jié)果顯示其兼容性和穩(wěn)定性強(qiáng)。針對(duì)視覺特制的BIOS及電路，對(duì)圖像處理更為專業(yè)。下位機(jī)采用三菱的FX3U系列的PLC，體積小，外殼包裝能夠有效防止外來污染物進(jìn)入，從而保證在多種工況環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)能夠抵抗外部電磁等因素的干擾，保證與上位機(jī)和執(zhí)行設(shè)備之間穩(wěn)定通信。三菱PLC編程簡(jiǎn)單方便，程序能夠進(jìn)行高速運(yùn)算，使控制系統(tǒng)反應(yīng)迅速，提高了裝置的反應(yīng)速度。它具有脈沖列輸出功能，能夠直接控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。輸出接線端子數(shù)量能夠滿足異形瓶蓋排列裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制端接線。對(duì)于執(zhí)行設(shè)備電機(jī)的選擇，由于是對(duì)三菱PLC給出角度值后能夠精確控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，屬于開環(huán)控制，因此選擇步進(jìn)電機(jī)會(huì)優(yōu)于伺服電機(jī)，同時(shí)能夠降低使用成本。根據(jù)三菱PLC輸出的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)能夠極為嚴(yán)格地轉(zhuǎn)換為電機(jī)的角位移量，對(duì)于異形瓶蓋的圖像處理的得到的旋轉(zhuǎn)角度能夠精確轉(zhuǎn)換為異形瓶蓋本體實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角度。

4 異形瓶蓋送出裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4為送出裝置。利用機(jī)械手爪對(duì)異形瓶蓋的抓取，將異形瓶蓋旋轉(zhuǎn)90°放置于下一傳送帶，而后旋轉(zhuǎn)90°回初始狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的動(dòng)力輸出由擺動(dòng)氣缸提供，擺動(dòng)氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)輸出軸在一定角度范圍內(nèi)做往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行元件。由于擺動(dòng)氣缸的角度能夠在0°～180°進(jìn)行調(diào)整，因此機(jī)械手爪的90°旋轉(zhuǎn)角度可以被完全滿足。同時(shí)，機(jī)械手爪抓取異形瓶蓋和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)動(dòng)作無法同時(shí)進(jìn)行，導(dǎo)致異形瓶蓋處理的速率相對(duì)較慢，影響生產(chǎn)效率。因此，采用上下兩個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，兩手爪同時(shí)工作，極大地提高了工作效率。機(jī)械手爪的旋轉(zhuǎn)軌跡如圖5所示。兩手爪同時(shí)運(yùn)行能夠提高瓶蓋的送出速率。

此方案中，兩手爪在旋轉(zhuǎn)圓柱范圍內(nèi)不能產(chǎn)生重疊。將上部分手爪部件安裝在伸縮氣缸運(yùn)動(dòng)部分的平臺(tái)上，使得上部分手爪能夠在上下方向上進(jìn)行短距離的上下運(yùn)動(dòng)，從而使上部分手爪在運(yùn)行時(shí)能夠提高旋轉(zhuǎn)圓柱范圍高度，避免兩手爪產(chǎn)生碰撞。

5 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的異形瓶蓋定向排列裝置采用機(jī)器視覺與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和機(jī)械手爪結(jié)合的方式，解決了對(duì)異形瓶蓋包裝排列要求較高的問題。其中：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中圓盤旋轉(zhuǎn)能夠有效解決原有純機(jī)械裝置對(duì)瓶蓋的表面的接觸磨損問題和異形瓶蓋的精確旋轉(zhuǎn)問題;送出裝置的雙層旋轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)提高了機(jī)械手爪對(duì)瓶蓋的拾取速率。經(jīng)過整體裝置的處理，雜亂的異形瓶蓋能夠規(guī)整地定向排列好并輸送至下一步包裝工序進(jìn)行操作。

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