基于機(jī)器視覺(jué)的飲料瓶蓋檢測(cè)剔除系統(tǒng)

周向榮， 張 鑫， 宋微微， 朱俏俏， 冀少坤， 劉理正

(1.杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司 機(jī)電研究院， 浙江 杭州 310018；2.史陶比爾(杭州)精密機(jī)械電子有限公司， 浙江 杭州 310018)

飲料在人們的日常生活中處處可見。對(duì)于飲料生產(chǎn)廠來(lái)說(shuō)，飲料的生產(chǎn)速度和成本對(duì)飲料的市場(chǎng)占有率起著重要作用，而生產(chǎn)速度提升和成本節(jié)約則主要依賴生產(chǎn)線自動(dòng)化程度的提高。在飲料生產(chǎn)線中有一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)，就是飲料瓶蓋缺陷的檢測(cè)。常見的瓶蓋缺陷有破損、污漬和變形嚴(yán)重等，傳統(tǒng)的缺陷檢測(cè)方式主要是人工檢測(cè)，存在效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大和漏檢率高等問(wèn)題。因此，迫切需要一種可以自動(dòng)檢測(cè)并剔除缺陷瓶蓋的自動(dòng)化設(shè)備。

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合了光電檢測(cè)和圖像處理等技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線，可以定向地對(duì)產(chǎn)品的特征和缺陷等進(jìn)行快速檢測(cè)與判別[1-4]，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化檢測(cè)與運(yùn)行。視覺(jué)檢測(cè)的潛力巨大，應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域可以很大程度上取代人工單調(diào)、重復(fù)的勞作[5]。近年來(lái)，視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在飲料行業(yè)的應(yīng)用逐漸增多，比如通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)檢查標(biāo)簽是否缺少，及檢查飲料液位是否滿足要求等[6-10]。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)高速檢測(cè)，并且準(zhǔn)確率也可以達(dá)到99%以上，故視覺(jué)檢測(cè)正逐漸取代人工檢測(cè)。對(duì)于建立一個(gè)自動(dòng)化無(wú)人生產(chǎn)線，視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。

為降低瓶蓋篩選的勞動(dòng)強(qiáng)度、勞動(dòng)成本以及提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，課題組針對(duì)飲料瓶蓋中的變形、黑點(diǎn)和缺口等缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的飲料瓶蓋檢測(cè)剔除系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)參數(shù)

常見的飲料瓶蓋如圖1所示。為保證食品安全，在飲料生產(chǎn)中首先要保障飲料瓶蓋是無(wú)缺陷的。課題組研究的基于機(jī)器視覺(jué)的飲料瓶蓋檢測(cè)剔除系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)瓶蓋的檢測(cè)和剔除功能，并需滿足800個(gè)/min的檢測(cè)速度，主要檢測(cè)飛邊、變型、黑點(diǎn)、油污染和缺口等缺陷，檢測(cè)準(zhǔn)確率不低于99%。

圖1 無(wú)缺陷飲料瓶蓋Figure 1 Defect-free bottle cap

2 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作流程

瓶蓋檢測(cè)剔除系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：瓶蓋輸入和分距機(jī)構(gòu)、視覺(jué)檢測(cè)缺陷機(jī)構(gòu)及缺陷剔除機(jī)構(gòu)，整機(jī)外形尺寸為460 mm×2 521 mm×1 564 mm，如圖2所示。瓶蓋輸入和分距機(jī)構(gòu)由斜滑道和星輪轉(zhuǎn)盤組成，其中斜滑道用于儲(chǔ)存瓶蓋，在盡可能儲(chǔ)存較多瓶蓋前提下，給予瓶蓋足夠向下滑動(dòng)到達(dá)星輪轉(zhuǎn)盤的作用力，星輪轉(zhuǎn)盤四周均布能夠容納1個(gè)瓶蓋的凹槽，起到傳送和分距作用。視覺(jué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)由2個(gè)工位組成，在工位Ⅰ完成瓶蓋內(nèi)部檢測(cè)，在工位Ⅱ完成瓶蓋四周檢測(cè)，2個(gè)工位的互補(bǔ)可以最大程度減少瓶蓋的誤檢。剔除裝置由定向噴嘴和高速電磁閥等組成，噴嘴發(fā)射的高速氣流精準(zhǔn)地將不合格瓶蓋吹入回收裝置中。

圖2 瓶蓋檢測(cè)剔除系統(tǒng)Figure 2 Bottle cap inspection and rejection system

設(shè)備的工作流程如下：

1) 不規(guī)則排序的飲料瓶蓋經(jīng)傳送帶堆積在斜滑道內(nèi)。

2) 在重力作用下，瓶蓋進(jìn)入星輪分距機(jī)構(gòu)，噴嘴噴出氣體促使瓶蓋進(jìn)入星輪凹槽內(nèi)，凹槽內(nèi)的瓶蓋隨星輪轉(zhuǎn)動(dòng)直至輸出到傳輸帶上；控制傳輸帶速度以調(diào)節(jié)皮帶上瓶蓋之間的距離。

3) 真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，將經(jīng)星輪流入傳送帶的瓶蓋吸附在皮帶上，避免瓶蓋在傳輸帶上晃動(dòng)。

4) 瓶蓋內(nèi)部檢測(cè)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，采集瓶蓋內(nèi)部圖像，將判斷后的信號(hào)1傳給瓶蓋周向檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

5) 瓶蓋周向檢測(cè)機(jī)構(gòu)首先對(duì)信號(hào)1做出判斷。如果瓶蓋不合格，則瓶蓋周向檢測(cè)機(jī)構(gòu)不采集圖像并直接將一個(gè)瓶蓋不合格的信號(hào)2發(fā)送給剔除機(jī)構(gòu)；若信號(hào)1為瓶蓋合格，則瓶蓋周向檢測(cè)機(jī)構(gòu)采集瓶蓋外側(cè)四周圖像，并做出瓶蓋是否合格的判斷，生成信號(hào)2發(fā)送給剔除機(jī)構(gòu)。

6) 當(dāng)剔除機(jī)構(gòu)收到的信號(hào)是瓶蓋不合格，剔除機(jī)構(gòu)首先判斷不合格信號(hào)來(lái)自信號(hào)1還是信號(hào)2，再根據(jù)皮帶編碼器反饋的位置信息確定剔除機(jī)構(gòu)觸發(fā)時(shí)間，噴嘴瞬間噴出高速氣流將瓶蓋吹入回收箱內(nèi)；當(dāng)信號(hào)為合格時(shí)，剔除機(jī)構(gòu)不工作。合格的瓶蓋將進(jìn)入下一道工序內(nèi)。

整個(gè)流程如圖3所示。

圖3 瓶蓋缺陷檢測(cè)工藝流程Figure 3 Bottle cap defect inspection process

2.2 瓶蓋輸入和拉距機(jī)構(gòu)

瓶蓋在進(jìn)入視覺(jué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)之前先經(jīng)過(guò)分選，確保瓶蓋開口朝上。但此時(shí)瓶蓋間距隨機(jī)生成，而間距過(guò)大易造成生產(chǎn)線效能浪費(fèi)，間距過(guò)小又易導(dǎo)致瓶蓋在相機(jī)視場(chǎng)中形成重疊圖像，造成誤檢測(cè)。為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，必須使瓶蓋等距排列通過(guò)檢測(cè)工位。

為了實(shí)現(xiàn)瓶蓋等距排列通過(guò)檢測(cè)工位，采用星輪機(jī)構(gòu)對(duì)瓶蓋進(jìn)行分距，瓶蓋輸入和分距機(jī)構(gòu)如圖4所示。隨著星輪的旋轉(zhuǎn)，在進(jìn)口處瓶蓋依次進(jìn)入星輪的凹槽中，再依次從出口輸出，通過(guò)控制出口處傳送帶的傳送速度可以間接調(diào)整輸出瓶蓋在傳送帶上的間距。

圖4 瓶蓋輸入和分距機(jī)構(gòu)Figure 4 Cap input and distance separation mechanism

由于瓶蓋從滑道進(jìn)入星輪凹槽有一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向變化的過(guò)程，假設(shè)瓶蓋從進(jìn)口處完全進(jìn)入星輪凹槽所需時(shí)間是Δt1，單個(gè)凹槽經(jīng)過(guò)進(jìn)口允許瓶蓋進(jìn)入的時(shí)間是Δt2，只有當(dāng)Δt1<Δt2時(shí)才能保證瓶蓋順利進(jìn)入凹槽。所以在進(jìn)口前方儲(chǔ)備一定數(shù)量瓶蓋以保證每個(gè)凹槽經(jīng)過(guò)時(shí)都有瓶蓋在進(jìn)口處等待；同時(shí)，設(shè)置空氣噴嘴給瓶蓋提供驅(qū)動(dòng)力使瓶蓋始終具有瞬間進(jìn)入凹槽的趨勢(shì)；并且課題組給星輪凹槽增加了漸變導(dǎo)向曲線結(jié)構(gòu)，使瓶蓋緩慢滑入凹槽，既減少了瓶蓋從滑道進(jìn)入凹槽的瞬時(shí)位移量又減少了設(shè)備震動(dòng)。

瓶蓋進(jìn)入星輪后經(jīng)過(guò)圓弧段加速進(jìn)入傳送帶，由于傳送帶速度較快，為保證瓶蓋平穩(wěn)，出口處瓶蓋需要保持接近平行的姿態(tài)落到傳送帶上。并且相機(jī)在固定范圍內(nèi)檢測(cè)，瓶蓋不能偏離傳送帶中心太多，否則會(huì)造成誤檢。因此課題組設(shè)計(jì)星輪凹槽分度圓的直徑等于星輪外圓直徑，凹槽直徑比瓶蓋直徑大2 mm，以保證瓶蓋順利通過(guò)星輪并且傳送帶上落點(diǎn)較穩(wěn)定。

考慮經(jīng)濟(jì)性，星輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用普通交流電機(jī)，不具備堵轉(zhuǎn)反饋功能，卡蓋后如不及時(shí)關(guān)閉電源會(huì)損壞電機(jī)。如圖4(a)所示，添加漫反射傳感器2檢測(cè)在通電情況下星輪是否轉(zhuǎn)動(dòng)，若遇到瓶蓋堵塞情況，傳感器信號(hào)不再變化，此時(shí)傳感器給PLC反饋故障信號(hào)以關(guān)掉電機(jī)電源，避免電機(jī)損壞。

2.3 圖像采集機(jī)構(gòu)

圖像采集機(jī)構(gòu)主要包括瓶蓋內(nèi)部檢測(cè)機(jī)構(gòu)和瓶蓋周向檢測(cè)機(jī)構(gòu)2個(gè)部分，如圖5所示。瓶蓋內(nèi)部檢測(cè)機(jī)構(gòu)在瓶蓋上方，采用25 mm鏡頭用以檢測(cè)瓶蓋內(nèi)部是否有缺陷。瓶蓋周向檢測(cè)機(jī)構(gòu)主要由4個(gè)呈圓周均布的相機(jī)組成，采用18 mm鏡頭用以檢測(cè)瓶蓋四周的缺陷。采用光電傳感器觸發(fā)相機(jī)取景，結(jié)合輸送線的編碼器進(jìn)行位置判定，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定取景，精確地觸發(fā)剔除機(jī)構(gòu)。

圖5 圖像采集機(jī)構(gòu)Figure 5 Image capture mechanism

瓶蓋最外側(cè)邊緣是檢測(cè)飛邊和瓶蓋圓度的重要目標(biāo)特征，而外緣距離蓋身僅0.8 mm，如圖6(a)所示，加之瓶蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采集圖像的角度越接近豎直方向越準(zhǔn)確，綜合考慮，采用如圖6(b)所示的布局布置瓶蓋內(nèi)部檢測(cè)機(jī)構(gòu)，白色高角度環(huán)光源提供無(wú)陰影的光線可均勻照亮瓶蓋內(nèi)部及邊緣，產(chǎn)生足夠的對(duì)比度，降低設(shè)備對(duì)外部環(huán)境光的要求。25 mm鏡頭在滿足取景要求的同時(shí)兼顧了設(shè)備的體積。

圖6 瓶蓋截面和內(nèi)部檢測(cè)機(jī)構(gòu)布局Figure 6 Bottle cap cross-section and internal inspection mechanism layout

瓶蓋四周的缺陷檢測(cè)采用均布相機(jī)分割采集區(qū)域分別檢測(cè)的方式，理論上單臺(tái)相機(jī)檢測(cè)范圍超過(guò)120°，只需要3臺(tái)相機(jī)，但考慮到相機(jī)采集到的圓柱面越靠近切邊處圖像失真程度越大，故而采用4臺(tái)相機(jī)各采集100°的方式，瓶蓋周向檢測(cè)機(jī)構(gòu)的布置如圖7所示。藍(lán)色多角度環(huán)光源提供均勻光照提高對(duì)比度，尤其對(duì)痕跡輕微的油污有很好的凸顯作用。18 mm鏡頭用于近距離取景可縮小安裝尺寸。

圖7 瓶蓋周向檢測(cè)機(jī)構(gòu)布局Figure 7 Bottle cap circumferential inspection mechanism layout

由于生產(chǎn)線每分鐘通過(guò)800個(gè)瓶蓋，視覺(jué)系統(tǒng)不正常工作將導(dǎo)致大量不合格瓶蓋流入下一道工序，影響產(chǎn)品品質(zhì)。為避免相機(jī)宕機(jī)，造成缺陷瓶蓋流入下一工序，對(duì)相機(jī)的工作狀態(tài)作出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用3進(jìn)制監(jiān)測(cè)信號(hào)，主控PLC儲(chǔ)存默認(rèn)數(shù)值-1，設(shè)定合格信號(hào)數(shù)值為0和不合格信號(hào)數(shù)值為1。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，每檢測(cè)1個(gè)瓶蓋，圖像處理PC發(fā)出數(shù)值0或1，當(dāng)相機(jī)宕機(jī)，圖像處理PC無(wú)法發(fā)出0或1，主控PLC判定此時(shí)接收數(shù)值為-1，表明相機(jī)宕機(jī)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，生產(chǎn)線自動(dòng)停機(jī)。

2.4 缺陷剔除機(jī)構(gòu)

由于瓶蓋移動(dòng)速度較快，單個(gè)瓶蓋通過(guò)剔除機(jī)構(gòu)的時(shí)間只有60 ms左右，對(duì)設(shè)備的要求較高，因而采用高速電磁閥和定向噴嘴，大大簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，在精準(zhǔn)剔除的同時(shí)減少設(shè)備能耗，元器件的參數(shù)如表1所示。

表1 剔除機(jī)構(gòu)元器件參數(shù)

剔除邏輯采用瓶蓋內(nèi)部檢測(cè)機(jī)構(gòu)優(yōu)先判定，當(dāng)結(jié)果為“不合格”時(shí)，不觸發(fā)視覺(jué)判定通過(guò)瓶蓋周向檢測(cè)機(jī)構(gòu)，當(dāng)結(jié)果為“合格”時(shí)，再開始瓶蓋周向檢測(cè)機(jī)構(gòu)判定，減少視覺(jué)觸發(fā)次數(shù)，簡(jiǎn)化內(nèi)部冗余操作。

為避免電磁閥通信丟失造成的漏踢，程序內(nèi)部始終對(duì)比圖像處理PC給出的“不合格”信號(hào)量與電磁閥接收的剔除信號(hào)量，當(dāng)兩者不相等時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，生產(chǎn)線自動(dòng)停機(jī)。同時(shí)在輸送線末端設(shè)置一套光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)記錄合格瓶蓋流出的數(shù)量N1，對(duì)比視覺(jué)瓶蓋內(nèi)部檢測(cè)機(jī)構(gòu)觸發(fā)次數(shù)N2和剔除觸發(fā)次數(shù)N3，當(dāng)N1=N2-N3時(shí)表明視覺(jué)檢測(cè)機(jī)正常運(yùn)行，否則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，生產(chǎn)線自動(dòng)停機(jī)。

2.5 高速皮帶輸送線

由于瓶蓋運(yùn)動(dòng)速度約為2 m/s，而瓶蓋質(zhì)量約30 g，運(yùn)行過(guò)程中極易發(fā)生顛簸，進(jìn)而造成視覺(jué)檢測(cè)的誤差，故消除瓶蓋的顛簸具有重要意義。課題組采用負(fù)壓吸附的方式，即給提供瓶蓋垂直于傳送帶的吸力，以此來(lái)增加瓶蓋和傳送帶之間的摩檫力。

圖8所示結(jié)構(gòu)以鋁型材為皮帶輸送線的機(jī)架，兩端做好密封，鋁型材內(nèi)部空腔可作為負(fù)壓腔，在型材上表面開長(zhǎng)槽，皮帶上均勻分布直徑為5 mm的小圓孔，當(dāng)真空泵工作時(shí)，線體型材腔室內(nèi)氣壓降低，型材腔室通過(guò)傳送帶上氣孔吸入空氣。當(dāng)皮帶上有瓶蓋時(shí)，由于瓶蓋遮擋氣孔，瓶蓋受到垂直于傳送帶的吸力平穩(wěn)地在皮帶上運(yùn)行。

圖8 高速皮帶輸送線Figure 8 High-speed belt conveyor line

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)飲料瓶蓋缺陷篩選效率低的問(wèn)題，課題組設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的飲料瓶蓋檢測(cè)剔除系統(tǒng)，在瓶蓋不規(guī)則運(yùn)輸?shù)那闆r下，實(shí)現(xiàn)將不規(guī)則間距瓶蓋先收集后等間距地輸送到傳送帶上，對(duì)于皮帶上的瓶蓋，能實(shí)現(xiàn)多種缺陷同時(shí)檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)剔除，經(jīng)過(guò)篩選后，最終確保進(jìn)入下一道工序的瓶蓋不存在缺陷。相比于傳統(tǒng)的缺陷檢測(cè)手段，機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)精度更高、效率更高。課題組通過(guò)信號(hào)采集、邏輯運(yùn)算和控制輸出實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線智能化，節(jié)省了大量勞動(dòng)力成本。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試測(cè)試，產(chǎn)能達(dá)到800個(gè)/min、檢出率99.99%，誤檢率低于0.05%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。