基于機(jī)器視覺技術(shù)的易拉罐罐底噴碼檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院有限公司 唐 慧

隨著改革開放的不斷深化和人們生活水平的穩(wěn)健提高，我國食品飲料行業(yè)維持快速增長的勢頭，以易拉罐為容器的飲料需求量也不斷地增加，生產(chǎn)加工過程中的產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)品牌價(jià)值體現(xiàn)，同時(shí)也直接關(guān)系到消費(fèi)者的切身利益。產(chǎn)品質(zhì)量的控制往往需要對(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行檢測、追蹤。噴碼就是目前廠商通常記錄產(chǎn)品信息的重要手段，而在噴碼過程中難免會(huì)出現(xiàn)諸如字符漏噴或者部分字符漏噴、字符不完整、字符混亂、字符位置不正確、字符的字體不對(duì)或者不一致等缺陷[1]，因此，需要在線實(shí)時(shí)地對(duì)噴碼結(jié)果進(jìn)行識(shí)別檢測，以便及時(shí)剔除噴碼不合格的不良品，減少噴碼不良對(duì)企業(yè)帶來的損失。為此有必要研究一種檢測速度快、準(zhǔn)確率高、魯棒性好的易拉罐罐底噴碼檢測系統(tǒng)，對(duì)噴碼的字符有無等缺陷進(jìn)行可靠地檢驗(yàn)，基本達(dá)到真正的“零缺陷”。與常規(guī)的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)相比，金屬制品( 針對(duì)易拉罐) 的機(jī)器視覺檢測存在成像較常規(guī)透明材料困難[2]。本文應(yīng)用美國康耐視公司的高速智能相機(jī)以及強(qiáng)大的IN-SIGHT視覺軟件解決易拉罐高速生產(chǎn)線上的噴碼后字符的檢測與識(shí)別的難題，達(dá)到每小時(shí)識(shí)別72000瓶罐底噴碼字符的速度和99.99%的準(zhǔn)確率的技術(shù)要求，突破食品飲料行業(yè)易拉罐生產(chǎn)過程中提高生產(chǎn)速度所面臨的技術(shù)瓶頸，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)品質(zhì)，減少消費(fèi)者的投訴，從而提升企業(yè)的品牌價(jià)值，促進(jìn)業(yè)績的提升和企業(yè)的發(fā)展。

1 易拉罐罐底噴碼質(zhì)量缺陷

在易拉罐飲料生產(chǎn)過程中，在油墨噴碼機(jī)前面往往會(huì)安裝一到兩個(gè)吹水裝置，用于將易拉罐罐底需要噴碼部位的水滴除去干凈，這樣噴碼機(jī)噴印的質(zhì)量才得以保障。但若是吹水裝置沒有調(diào)整好或者生產(chǎn)中該裝置被挪位，那很有可能罐底水滴去除不干凈，造成噴碼模糊或者缺碼的情況。第二種情況是噴碼機(jī)噴孔被油墨堵塞，噴碼機(jī)使用時(shí)間過長或者清理不及時(shí)都會(huì)造成類似情況的發(fā)生，若是沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)出現(xiàn)漏噴或者缺碼生產(chǎn)事故。還有一種情況是噴碼機(jī)的觸發(fā)傳感器或者噴碼機(jī)噴頭被挪位，導(dǎo)致字符漏噴或者缺碼、飛碼、噴碼位置不正確的情況。

圖1 噴碼質(zhì)量缺陷示意圖

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)客戶對(duì)檢測系統(tǒng)的需求分析，確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

（1）高速實(shí)時(shí)性

通常，易拉罐生產(chǎn)線速度已經(jīng)達(dá)到72000罐/小時(shí)，在易拉罐高速通過系統(tǒng)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)視覺檢測要求。

（2） 剔除的準(zhǔn)確性

系統(tǒng)采集并處理易拉罐罐底圖像后，輸出執(zhí)行信號(hào)，高速的 前提下確保剔除的準(zhǔn)確性。

（3）I/O的擴(kuò)展性

提供靈活的I/O 接口功能，方便與各種不同的傳感器或執(zhí)行部件配合，以滿足現(xiàn)場的測控需求。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)要求

實(shí)時(shí)記錄、統(tǒng)計(jì)、顯示各種檢測數(shù)據(jù)，方便客戶修定參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，達(dá)到設(shè)備維護(hù)的工作效率。

（5）數(shù)據(jù)通訊要求

可通過Ethernet或串行接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，以及遠(yuǎn)距離的傳輸。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該易拉罐罐底（凹面）噴碼檢測系統(tǒng)主要由光源與視覺處理系統(tǒng)、電氣控制與人機(jī)交互系統(tǒng)、次品剔除裝置等組成。當(dāng)易拉罐通過成像系統(tǒng)時(shí)，金屬接近開關(guān)觸發(fā)光源頻閃和工業(yè)智能相機(jī)，獲得高速易拉罐罐底圖像，智能相機(jī)對(duì)其分析處理，由電氣控制系統(tǒng)執(zhí)行檢測結(jié)果，從而達(dá)到分揀不良品的目的。

圖2 基于機(jī)器視覺的易拉罐罐底噴碼檢測系統(tǒng)圖

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

4 系統(tǒng)主要硬件配置

（1）光源配置

因?yàn)楸粰z測物體是鋁質(zhì)易拉罐，罐底為凹面，考慮到金屬材質(zhì)表面的反光與圖像采集的穩(wěn)定性，所以選用了東莞OPT公司的球積分光源，型號(hào)是OPT-RID240，該光源的特點(diǎn)是具有積分效果的半球面內(nèi)壁，均勻反射從底部360度發(fā)射出的光線，使整個(gè)圖像十分均勻。

圖4 球積分光源模型圖

（2）工業(yè)智能相機(jī)配置

由于智能相機(jī)已經(jīng)固化了成熟的機(jī)器視覺算法，使用戶基本無需編程，就可以實(shí)現(xiàn)諸如有無判斷、表面缺陷檢查、尺寸測量、OCR 識(shí)別、條碼閱讀等功能，極大的提高了系統(tǒng)的開發(fā)速度[3]。本文檢測的目標(biāo)物是易拉罐，在生產(chǎn)線上處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最高速度達(dá)15個(gè)/秒。為了能采集到清晰穩(wěn)定的圖像，并實(shí)時(shí)完成OCR視覺處理功能，本系統(tǒng)選取康耐視In-Sight Micro1400智能相機(jī)。該相機(jī)尺寸技巧，僅30mm*30mm*60mm，能夠以最小體積的視覺系統(tǒng)，應(yīng)用于最高速的流水線。基于In-Sight Explorer的智能圖像處理工具、OCR字符讀取及驗(yàn)證，以及In-Sight強(qiáng)大的電子表格腳本語言開發(fā)圖像處理算法。從而能夠方便地對(duì)圖像進(jìn)行字符的訓(xùn)練，形成字符庫。噴碼識(shí)別如圖5所示。

（3）工業(yè)計(jì)算機(jī)及PLC 的配置

綜合考慮系統(tǒng)要求的快速性、穩(wěn)定性以及性價(jià)比等因素，系統(tǒng)采用研華觸摸工控電腦1261H。統(tǒng)計(jì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)，以及通訊串口等因素，選取西門子S7-200PLC，CPU為224。

5 電子表格算法設(shè)計(jì)

采用康耐視技術(shù)視覺工具，為用戶開發(fā)機(jī)器視覺系統(tǒng)提供了極大的方便。由于軟件已經(jīng)固化了康耐視成熟的機(jī)器視覺算法，使用戶基本無需進(jìn)行高級(jí)語言編程，只需用電子表格進(jìn)行腳本算法的構(gòu)建，就可以實(shí)現(xiàn)諸如有無判斷、OCR 識(shí)別的功能，大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)速度。

圖5 噴碼識(shí)別示意圖

6 結(jié)束語

本文基于易拉罐罐底噴碼檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速自動(dòng)化生產(chǎn)線易拉罐罐底（凹面）噴碼質(zhì)量自動(dòng)化檢測，能根據(jù)噴碼的日期和時(shí)間的不斷變化，準(zhǔn)確的識(shí)別噴碼的缺陷，該系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低廉、操作簡便、精確度高，最大的優(yōu)點(diǎn)是高速，相對(duì)以往OCR字符識(shí)別驗(yàn)證，速度上有大的提升。其檢測效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于人工檢測效果，并且無接觸的檢測保證了在檢測過程中不引入污染。本檢測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于項(xiàng)目，取得了滿意的運(yùn)行效果，準(zhǔn)確率完全達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨著食品飲料行業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，人工費(fèi)用的增長，該系統(tǒng)具備良好地推廣應(yīng)用價(jià)值，對(duì)打破國外設(shè)備壟斷的局面帶來積極的意義。

[1]彭曉輝.基于HALCON的IC卡噴碼符號(hào)識(shí)別技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 廣東工業(yè)大學(xué),2006.

[2]賀超英,張輝.基于機(jī)器視覺的罐蓋質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011,2.

[3]徐赤,王志平,凌永祥,祝曉春,秦嘉煒.基于智能視覺系統(tǒng)的飲料瓶缺陷檢測技術(shù)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2011,5.