一種基于機器視覺的異形瓶蓋定向排列的裝置結構設計

劉英杰 馬子領

摘 要：隨著包裝化程度的不斷提高，對于異形瓶蓋的定向排列的需求也在不斷提升。現有的機器采用純機械處理的方法，只能針對具體尺寸形狀的瓶蓋進行排列。為此提出一種基于機器視覺的異形瓶蓋定向排列的裝置，通過上位機對拍攝的圖像進行視覺處理分析并將所得結果傳遞至控制系統，使其控制機械結構對瓶蓋進行角度旋轉并送至下一環節加工。該裝置不僅能使機械結構對瓶蓋產生的損傷降到最低，而且擴大了設備的適用范圍，提高了企業在市場中的競爭力。

關鍵詞：異形瓶蓋;機器視覺;排列規整

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著個性化產品的出現，瓶蓋的樣式趨于多樣化。市場中充滿著各式各樣的異形瓶蓋，以滿足消費者的不同需求。因此，對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瓶蓋旋蓋和瓶蓋批量打包時對異形瓶蓋的擺放方向有著嚴格的要求。目前，瓶蓋包裝行業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整。它的機械結構只能完成滿足于專門針對某一種或一類瓶蓋的固定擺放方向的機械動作。這樣既不利于機械結構適用的廣泛性，也不利于機械產品的推廣銷售[2]。因此，設計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計原理

隨著工業自動化的迅速發展，中國制造業需要逐漸向智能化和數字化方向發展。結合異形瓶蓋定向排列問題，設計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構圖如圖1所示。對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差、連續地送至轉向平臺中心，隨后轉向系統利用機器視覺技術與自動化技術相結合的方式，對送入的異形瓶蓋進行位姿識別并旋轉到固定角度[3]，再利用送出裝置將異形瓶蓋整齊、連續地送至下一環節加工。3大模塊的工作平臺互相平齊，以保證瓶蓋在移動過程中不會因出現階梯被停止或阻擋的情況。

2 異形瓶蓋送入裝置結構設計

異形瓶蓋送入裝置的三維結構圖，如圖2所示。雜亂無序的異形瓶蓋在第一傳送帶的帶動下，從V型側擋板的最寬處向窄處方向進入[4]。V型側擋板后部平行部分的相距寬度略大于一個瓶蓋的直徑大小，當瓶蓋從V型側擋板送出時，呈現出一一排列的狀態。V型側擋板的最高高度需低于1.5 cm，以防止側擋板接觸到異形瓶蓋上部分。在異形瓶蓋傳送到V型側擋板的尾部后，會被出口擋板阻擋，以保證在推桿的移動路線上只有一枚異形瓶蓋，且出口擋板的位置能夠進行調節，以應對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，準備下一次的異形瓶蓋推送。定位擋板的尾部設為圓弧形，能夠更好、更穩定地定位異形瓶蓋。圓弧形尾部采用橡膠材質，能夠防止與異形瓶蓋產生損傷性摩擦。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，異形瓶蓋所在圓心、轉盤的中心要在一條直線上。同時，為避免異形瓶蓋被抓走時瓶蓋與定位擋板發生接觸，需要將定位擋板設置為移動式。當異形瓶蓋完成旋轉后，定位擋板能夠左移，使得擋板與異形瓶蓋之間產生距離。

3 轉向系統設計

隨著機器視覺在自動化檢測方面的日益成熟，使用機器視覺來檢測異形瓶蓋不僅能夠做到精準測量，而且能夠通過處理的信息對流水線的生產狀況進行記錄。在此發展基礎上，基于機器視覺設計了轉向系統，其三維結構圖如圖3所示。

基于機器視覺的異形瓶蓋角度確定是轉向系統的設計核心。采用機器視覺不僅能夠快速檢測異形瓶蓋，提高生產效率，而且能夠做到對異形瓶蓋的無損傷性檢測，避免因接觸而造成產品損傷。機器視覺所需設備也能夠節省自動化設備在整個生產車間的占用空間，節約生產成本。當異形瓶蓋到達指定位置即圓盤的中心位置后，通過相機對異形瓶蓋從正上方進行拍照后將獲取的圖像信息傳送至上位機，并通過上位機中軟件對圖像的分析處理得到瓶蓋規整排列所需的角度。相機采用工業相機中的CCD相機[5]，在工作穩定性和使用成本上具有優勢，且對于靜物的拍攝能夠滿足相應的精度要求。此外，對于接口技術和接口對象的范圍也有長時間的發展，能夠適用于較多場合。

光源與背景的設置對于圖像處理的結果也有影響。光源主要有點光源、線光源和環形光源3種形式。針對異形瓶蓋，光源選擇為環形光源，不僅能夠減少光源安裝所占用的空間，而且環形光源相對點光源和線光源的照射光照較為均勻，對照射異形瓶蓋一類的近似圓柱體的物體，在圓周上不會出現光照強弱差距過大的地方。將光源設置于安放相機的支架下部，不僅不影響相機鏡頭的拍攝，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弱差異。同時，在整體裝置運行時，需將裝置所處環境設置為封閉式，避免圖像采集時存在雜亂光源對圖像造成影響。背景即圓盤的顏色設置為黑色，因為黑色對于燈光照明反應不敏感，能夠減少對雜亂光的反射。同時，由于瓶蓋的顏色多數為紅、黃、白等亮色，因此選擇黑色作為背景能夠提高對比度，方便后續的圖像分割。

在通過圖像處理取得旋轉所需角度值后，利用上位機與下位機之間[6]和下位機與執行設備之間的通信[7]，使得將異形瓶蓋的角度值轉化為瓶蓋的旋轉角度，從而達到圓盤上的瓶蓋旋轉到統一方向。其中，上位機采用機器視覺工控機AIIS-3410P，外形緊湊，便于現場布置。對多種主流相機做相容測試，結果顯示其兼容性和穩定性強。針對視覺特制的BIOS及電路，對圖像處理更為專業。下位機采用三菱的FX3U系列的PLC，體積小，外殼包裝能夠有效防止外來污染物進入，從而保證在多種工況環境下穩定運行，同時能夠抵抗外部電磁等因素的干擾，保證與上位機和執行設備之間穩定通信。三菱PLC編程簡單方便，程序能夠進行高速運算，使控制系統反應迅速，提高了裝置的反應速度。它具有脈沖列輸出功能，能夠直接控制步進電機或伺服電機。輸出接線端子數量能夠滿足異形瓶蓋排列裝置的執行機構的控制端接線。對于執行設備電機的選擇，由于是對三菱PLC給出角度值后能夠精確控制電機旋轉，屬于開環控制，因此選擇步進電機會優于伺服電機，同時能夠降低使用成本。根據三菱PLC輸出的脈沖信號的個數能夠極為嚴格地轉換為電機的角位移量，對于異形瓶蓋的圖像處理的得到的旋轉角度能夠精確轉換為異形瓶蓋本體實際的旋轉角度。

4 異形瓶蓋送出裝置結構設計

圖4為送出裝置。利用機械手爪對異形瓶蓋的抓取，將異形瓶蓋旋轉90°放置于下一傳送帶，而后旋轉90°回初始狀態。旋轉平臺的動力輸出由擺動氣缸提供，擺動氣缸是利用壓縮空氣驅動輸出軸在一定角度范圍內做往復回轉運動的氣動執行元件。由于擺動氣缸的角度能夠在0°～180°進行調整，因此機械手爪的90°旋轉角度可以被完全滿足。同時，機械手爪抓取異形瓶蓋和旋轉兩個動作無法同時進行，導致異形瓶蓋處理的速率相對較慢，影響生產效率。因此，采用上下兩個旋轉平臺的結構，兩手爪同時工作，極大地提高了工作效率。機械手爪的旋轉軌跡如圖5所示。兩手爪同時運行能夠提高瓶蓋的送出速率。

此方案中，兩手爪在旋轉圓柱范圍內不能產生重疊。將上部分手爪部件安裝在伸縮氣缸運動部分的平臺上，使得上部分手爪能夠在上下方向上進行短距離的上下運動，從而使上部分手爪在運行時能夠提高旋轉圓柱范圍高度，避免兩手爪產生碰撞。

5 結語

所設計的異形瓶蓋定向排列裝置采用機器視覺與運動控制系統和機械手爪結合的方式，解決了對異形瓶蓋包裝排列要求較高的問題。其中：轉向系統中圓盤旋轉能夠有效解決原有純機械裝置對瓶蓋的表面的接觸磨損問題和異形瓶蓋的精確旋轉問題;送出裝置的雙層旋轉平臺設計提高了機械手爪對瓶蓋的拾取速率。經過整體裝置的處理，雜亂的異形瓶蓋能夠規整地定向排列好并輸送至下一步包裝工序進行操作。

參考文獻：

[1]佚名.包裝行業信息合輯[J].中國包裝，2020（6）：26-28.

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[4]郝用興，馬得朝，馬子領.手機生產線排序裝置設計與仿真[J].時代農機，2015（10）：42-44.

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