一種PET瓶瓶蓋和液位檢測機的設計

張建中，何召明，張樹君，王慶，高錦哲

（1.山東科技大學 泰安校區，山東 泰安 271019；2.山東科技大學 機電工程學院，山東 青島 266510；3.山東明佳包裝檢測科技有限公司，山東 泰安 271019）

0 引言

隨著食品飲料行業的快速發展以及人們生活水平的不斷提高，人們越來越重視產品的質量安全。瓶蓋未蓋好，瓶蓋有毛刺或裂縫、液位過高、液位過低等不合格現象，都會影響產品在消費者心中的形象。目前，關于PET瓶瓶蓋和液位的檢測方法有多種，例如人工檢測、傳感器檢測、計算機視覺檢測等，但是都有其缺陷和不足，而且隨著自動化生產線的普遍使用，這些檢測方法已經不能滿足自動化生產線的要求［1］，因此設計出一種高效PET瓶瓶蓋和液位的檢測設備是此行業面臨的重要問題。本設計為了實現快速、精確地檢測PET 瓶瓶蓋和液位的質量。在原有的計算機視覺的基礎上，通過新穎的機械結構設計、相機架構、光學鏡片的設計以及穩定的圖像處理算法。提供了一種能夠在高速自動化生產線上進行實時不間斷檢測瓶蓋和液位的一種檢測設備，從而避免了現有技術上存在的問題。

1 檢測機的整體結構

PET 瓶瓶蓋和液位檢測機是一套瓶裝線上用于檢測產品瓶蓋和液位的模塊化系統［2］，其中組成包括4 各部分，如圖1 所示。

檢測過程為：瓶子經過檢測柜時，對其進行拍照，輸入到圖像處理系統，進行檢測。檢測柜跨在輸送帶上，通過機械調節裝置能適應不同高度和直徑的瓶型，實時圖像的采集，檢測柜中的主觸發器，激活后的檢測功能將控制容器被剔除的整個過程。后面的剔除器可以代替人工將不合格的產品進行剔除。剔除確認裝置用于對剔除后的產品進行剔除確認，確保不合格品全部被剔除。

圖1 檢測過程圖

2 檢測柜的機械結構的設計

1）龍門式整體框架結構。

為使整臺設備不受外界振動影響，整體框架設計成龍門式結構，不與輸送鏈相接觸，照像機與光反射設備分別安裝在框架結構兩側，保證攝取圖像穩定，如圖2 所示。

2）同步升降結構。

圖2 龍門式結構

用4 個絲杠支撐檢測柜，每個絲杠底端固定齒輪，用不銹鋼鏈條可實現4 個絲杠同步轉動，保證了升降調節時的水平性。利用直齒錐齒輪傳動，可方便鏈道旁工人的手工調節，如圖3 所示。

圖3 同步升降結構

3 圖像的檢測處理

3.1 檢測處理難點及解決方法

1）本裝置檢測重點在于檢測柜中相機的圖像采集以及圖像處理，在此過程中需要攻克的技術難點是：（1）單個、兩個相機架構存在盲區，漏檢避不可免；（2）一個柜子中各方向的光互相影響；（3）生產條件對設備穩定性的影響。

2）本設計解決方法是：（1）采用多相機架構［3］，100%的視角覆蓋率；（2）采用特殊的光學鏡片設計消除影響；（3）使用穩定的算法消除生產因素的影響。

檢測機內部結構如圖4 所示。

圖4 檢測機內部結構

3.2 三相機設計

如圖5 所示，現有的單、雙相機的架構存在的漏檢率為50%和12%。三相機架構漏檢率為3%，由于實際生產中次品出現概率至多為1%，因此實際漏檢率為0.03%，提高了產品檢測性能。

3.3 使用特殊的光學器件消除光線間的影響

使用光學元件的組合將不同方向的光過濾掉，使每個相機拍攝的圖像就和單個光源照射一樣，保證了圖像采集的清晰度［4］。從根本上保證了檢測效果的穩定性。

3.4 研制專有算法適應生產線

1）持胚環的Ransac 定位［5］。分別采集左右兩側樣本點利用RANSAC 擬合得到持胚環的精確位置如圖6。

2）瓶體的去水珠、去毛刺和抗旋轉。利用Lucas-Kanade圖像配準算法完成參數的估計。計算得到瓶體的對稱軸。根據對稱性對瓶體左右進行或運算，如圖7 所示。

3）檢測區域中我們會使用幾何形狀匹配、對比度分析、灰度直方圖對封蓋質量進行評估，經現場驗證有較好的實用效果。同時對液位的高低采用相對位置比較的方式，只要設置好了液位和基準線的相對位置，軟件會自動地對液位進行判斷，非常智能，如圖8 所示。

圖5 相機檢測

圖6 Ransac 定位

圖7 瓶體圖像

4 結論

圖8 檢測區域

PET 瓶瓶蓋和液位檢測設備，是基于機器視覺系統的圖像處理。本設計通過新穎的機械結構設計、相機架構、光學鏡片的設計以及穩定的圖像處理算法，使檢測效率高、精度高，配備在柔性自動化生產線上，其運行可靠，倒瓶率低，檢測速度達到42 000 瓶/h，解決了現有的技術問題。對飲料瓶質量檢測行業產生深遠的影響，同時該設備的研發也為以后更高效、更智能的設備的設計提供參考。

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