口罩機視覺檢測機設計

徐春青

摘要：中國是世界上重要的口罩生產基地。受疫情影響，口罩產能激增?？谡值奶厥夥雷o性使用和應急生產，使其安全管理顯得尤為重要，而這一點在疫情爆發(fā)前也被傳統(tǒng)企業(yè)所忽視。目前，口罩生產企業(yè)安全管理存在的主要問題是車間和生產設備安全性差，生產操作缺乏規(guī)范化，安全監(jiān)管部門能力不足。因此針對一次性民用口罩，采用機器視覺手段，替代人工，解決口罩生產過程中所涉及的產品質量問題是本文研究的重點。

關鍵詞：口罩機;視覺檢測機;疫情;設計

1引言

歲末年初，全國各地一起面臨了新型冠狀病毒疫情暴發(fā)。疫情發(fā)生在“九省通衢”的湖北省武漢市，在春節(jié)假期傳播，人數最多。已成為新中國成立以來傳播速度最快、感染范圍最廣、防控難度最大的重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件。在奪取全面小康社會勝利和脫貧攻堅的關鍵時刻，中華民族再次面臨嚴峻考驗。我們的意志像堡壘一樣團結。在習近平總書記和黨中央的堅強領導下，全國人民團結奮斗，取得了勝利。全國防疫工作取得重要成效。經濟社會秩序加快，各地經濟社會秩序正在恢復。

防疫復工期間，作為重要防護材料之一的口罩一度面臨短缺。作為國家的基礎性和戰(zhàn)略性產業(yè)，面對國家的需要，企業(yè)克服重重困難，快速反應，在最短時間內完成了技術攻關。他們積極投入口罩自動化生產設備研發(fā)、輔料生產等相關領域，精誠團結，攻堅克難，有效緩解了防疫物資供應緊張局面，為打贏防疫戰(zhàn)斗作出了重要貢獻。

然而在傳統(tǒng)的口罩質量檢測環(huán)節(jié)中，需對口罩耳帶焊接點位置、焊接寬度檢測、焊接位置漏頭檢測，多耳帶及耳帶斷接;鼻梁條長度檢測、鼻梁條有無檢測、鼻梁條兩側定位孔有無及位置;口罩正反兩面污漬進行檢測等。為了保證口罩質量滿足生產要求，在口罩傳輸過程中需要翻轉，從而完成數據采集和檢測。受測試設備成本和傳輸過程中透明帶污染的影響，數據檢測精度無法保證。因此，結合掩模機技術迭代和掩模質量提高的要求，對掩模視覺檢測裝置進行改進迫在眉睫

2具體的需求和設計方案

2.1設計背景與原理

近年來，機器的視覺控制技術，工業(yè)互聯(lián)網，人工智能等技術已成為制造業(yè)的研究熱點，為智能化生產提供了新的動力。本文設計了一種新型設備的視覺控制面罩，其結構如圖1所示，基于視覺系統(tǒng)人工智能的概念，為解決現有面罩目視檢測裝置的質量問題，新裝置主要由機架、輸送機、光源、面罩磁道組成，相機等。機架上有許多水平方向安裝的輸送機組，輸送機側有安裝板，在相鄰的兩組輸送機之間有光源和光圈，光源靠近絲網軌道，光源上方有攝像頭，隔膜的側面與安裝板相連，表面與光柵傳輸軌跡對齊，并且光圈表面與光掩模透射軌跡之間的距離小于10mm。這種裝置的一個創(chuàng)新是用旋轉的光圈泵送掩模當面膜位于相鄰的兩個旋轉輥上時，使用攝像機檢測照片，可在面罩制造過程中進行質量控制和控制，有效降低面罩產品廢品率，提高生產效率。

2.2裝置設計方案思路

詳細分析了新型面罩目視控制裝置的技術方案，裝置主要由滾筒、光源四部分組成，透明板和安裝板。機架上的水平安裝有多組輸送輥，兩組輸送輥之間相鄰安裝隔膜，使隔膜表面與絲網平齊，高度差不超過10mm，保證面膜順利輸送至下一組輸送輥，而隔膜的側面安裝在安裝板上;用相機拍攝反演掩模圖像時，選擇設置在透明板和絲網透射線上方的光源;在拍攝掩模正面時，不需要在兩組傳送帶之間安裝隔膜，而只需在掩模軌道下方安裝光源，以便在輸送輥側安裝安裝板.鑒于需要檢測面罩的焊接耳帶，焊接點一般位于面罩的頭部和尾部。因此，應確保相鄰兩組轉印輥之間的距離大于掩模的長度，以確保當掩模通過由轉印輥驅動的一組轉印輥時，相機只能拍攝掩模的一側圖像。新裝置通過連接傳動輥和透光板，去掉原有的透光帶，可有效降低因皮帶污染而造成誤判的概率?？捎行Ч?jié)約口罩的生產成本，且不需要反復更換皮帶，提高了生產效率，顯著提高了檢測結果的準確性

3設計要點

3.1過程檢測

本文設計的新型口罩視覺檢測裝置已應用于智能口罩生產線。通過傳輸線將設備與一臺口罩成型機和兩臺耳帶焊接機連接，實現卷取、送料、折疊、壓制、切割、耳帶焊接、下料一體化，實現全自動生產。位于智能生產線中部的面罩視覺檢測裝置，主要是利用輸送輥帶動面罩前進。當面罩在兩組相鄰的傳送輥之間傳送時，攝像頭和透光板捕捉到面罩表面的清晰圖像，可自動完成面罩前后焊接耳帶的質量檢測，它克服了以往由透光帶透射掩模造成的污染和誤判問題，提高了檢測結果的準確性和效率。

3.2PLC控制

基于PLC實現面具傳輸過程中的運動控制，設計了一種長時間控制系統(tǒng).系統(tǒng)的硬件部件主要包括：S7-313-2DP可編程控制器、上、結構控制軟件、PS307-5A電源、傳感器、數字輸入/輸出模塊，模擬數值輸入/輸出模塊，采用PLC確定相關臺站的停機時間，以及翻轉啟動機構;系統(tǒng)軟件主要由物料供應、定位、當相機捕捉圖像信息時，它將進入系統(tǒng)的創(chuàng)建狀態(tài)。通過設計迭代過程創(chuàng)建最終項目，實現生產過程的自動化。

3.3智能定位

以計算機視覺為基礎，對口罩生產過程進行定位檢測，通過計算機顏色識別將目標和背景分離，保證自動同步焊耳帶定位準確、焊接牢固。采用感興趣區(qū)域進行圖像分割和區(qū)域提取，采用高斯濾波器對所選圖像區(qū)域進行去噪，消除光照等因素引起的噪聲;然后對圖像進行腐蝕和擴展，去除圖像中小圖像的邊緣點和孔洞。通過對圖像邊緣進行平滑處理，有效地提取出最大輪廓;最后，利用該濾波器進行邊緣檢測和增強處理，基于最小多邊形包圍最大輪廓，有效地加快了定位速度，降低了操作復雜度，進一步提高了生產效率。

3.4感應識別

在人工智能視覺識別模塊硬件設計中，優(yōu)先考慮光電變換器，用于并行設計的數字信號處理器和操作元件。進入語言代碼、數字信號處理器進行計算并通過傳感器進行傳輸;在軟件設計中使用了攝像機，與加速器兼容。收到相機快照后，加速器自動完成圖像測量和計算。GPS系統(tǒng)和接收信號的天線，分別基于鬧鐘定位模塊提取圖像和信號，濾波后按概率從輸出端口輸出圖像，在網絡通信中引入OPC技術，實現了靈活自動的網絡通信功能AI光模板.串行配置PC硬件框架和控制臺，提供配置和診斷支持;然后配置PC站并下載設置.配置正確時，將顯示顯示.連接后下載成功;最后對數據通信進行了驗證.建立通信連接，開發(fā)C語言的OPC客戶端程序，實現了網絡通信功能。

4測試結果

4.1助力智能生產線轉型

將基于柔性人工智能的全封閉口罩智能生產線投入實際生產，實現生產全自動化，每小時4000張，為改造半自動口罩，工廠和批量生產為滿足N95優(yōu)質口罩的生產需求和其他優(yōu)質面膜。

4.2提升產品合格率

柔性AI視覺自動口罩機配有SMC氣缸附件和電磁閥，大大提高了設備的響應速度?；谖C控制和友好的人機界面，實現了耳帶焊接工藝的全自動同步開發(fā)，采用目測設備提高了產品合格率，進一步減少了生產能力的浪費，提高了生產效率。

柔性AI視覺全自動口罩機屬于典型的口罩自動化生產一體機，由機架、AI系統(tǒng)、牽引機構、模切機構、視覺檢測機構、翻邊機構、焊接機構、整合機構、成型機構、上料機構組成，可通過設置視覺檢測機構，自動檢測口罩質量，可在生產中省略人工質檢環(huán)節(jié)，同時提升產品質量，降低用工成本。該口罩自動化生產一體機由產品質量檢測機改造而成，利用計算機視覺（AI人工智能）進行鑒別和操控，在AI系統(tǒng)的支持下，柔性AI視覺全自動口罩機可實現自動生產一體化，口罩的生產效率和產能因此顯著提升，具體生產可做到集“過程質量檢測、機器人管理（引導、定位、識別、信息采集）、自動化生產”于一體，輔以視覺檢測設備，可更好地保證口罩生產質量，單機產量達120片/min，在24 h不間斷生產情況下，單機口罩日產量超過13萬片。此外，該口罩機采用模塊化設計，開放性高，使得柔性AI視覺全自動口罩機可在傳統(tǒng)卷材檢測設備與口罩生產設備之間切換，僅需要更換相應的作業(yè)機構。隨著疫情控制趨于穩(wěn)定并進入常態(tài)化防疫時期，作為防疫緊急裝備的柔性AI視覺全自動口罩機開始逐步停止生產，部分柔性AI視覺全自動口罩機被改裝為涂布機，或用于各種卷材外殼、柔性電路板、柔性顯示屏幕的質量檢測。在柔性設計的支持下，柔性AI視覺全自動口罩機可解決產能浪費問題，人工智能在口罩自動化生產一體機的應用中所發(fā)揮的優(yōu)勢引起了人們的關注。

4.3 擴大市場應用范圍和產量

近年來，由于計算機視覺技術的進步，智能醫(yī)學不斷受到科學界和工業(yè)界的關注.利用視覺測試等先進技術促進迭代，傳統(tǒng)面罩的現代化和現代化已經成為行業(yè)共識。實踐表明，柔性AI機投產后，每天可生產16萬多個口罩，在國家發(fā)展改革委員會、財政部和其他部門的支持下，面罩從防護材料逐漸轉變?yōu)橄M品，潛在的國內需求和海外市場需求預示著，醫(yī)療防護材料將成為ACAN行業(yè)，為面罩的開發(fā)和生產開辟了廣闊的前景。

結論

有效避免口罩需求浮動造成的設備閑置和產能浪費問題，采用基于計算機視覺技術的AI視覺自動口罩機的設計、開發(fā)和生產，并且采用模塊化柔性設計方法，為制造企業(yè)的柔性生產和智能化生產線運行提供技術支持。

參考文獻：

[1]張孟月，蘇寶茵. 普理司科技：三天改造出全自動口罩機[J]. 科技與金融，2020（04）：16-18.

[2]倪明堂，趙健州，方浩賢，郭正元. 基于模塊化設計的KN95全自動折疊口罩生產線關鍵技術研究[J]. 機電工程技術，2020，49（08）：141-144.

[3]曾繁昌，譚思敏. 口罩自動化生產一體機研究[J]. 機電信息，2020（20）：32-33.

[4]蘭格瑤，張智雷，王成勇，趙倩，鄭李娟，袁志山. 口罩機關鍵結構部件研究進展[J]. 機電工程技術，2020，49（10）：5-13.

[5]王麗莉，宋彬. 全自動平面口罩機控制系統(tǒng)的設計[J]. 裝備制造技術，2020（11）：128-131.