基于機器視覺技術的易拉罐罐底噴碼檢測系統(tǒng)設計

杭州自動化技術研究院有限公司 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，生產加工過程中的產品質量是企業(yè)品牌價值體現，同時也直接關系到消費者的切身利益。產品質量的控制往往需要對產品信息進行檢測、追蹤。噴碼就是目前廠商通常記錄產品信息的重要手段，而在噴碼過程中難免會出現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、字符的字體不對或者不一致等缺陷[1]，因此，需要在線實時地對噴碼結果進行識別檢測，以便及時剔除噴碼不合格的不良品，減少噴碼不良對企業(yè)帶來的損失。為此有必要研究一種檢測速度快、準確率高、魯棒性好的易拉罐罐底噴碼檢測系統(tǒng)，對噴碼的字符有無等缺陷進行可靠地檢驗，基本達到真正的“零缺陷”。與常規(guī)的機器視覺檢測系統(tǒng)相比，金屬制品( 針對易拉罐) 的機器視覺檢測存在成像較常規(guī)透明材料困難[2]。本文應用美國康耐視公司的高速智能相機以及強大的IN-SIGHT視覺軟件解決易拉罐高速生產線上的噴碼后字符的檢測與識別的難題，達到每小時識別72000瓶罐底噴碼字符的速度和99.99%的準確率的技術要求，突破食品飲料行業(yè)易拉罐生產過程中提高生產速度所面臨的技術瓶頸，提高產品的生產品質，減少消費者的投訴，從而提升企業(yè)的品牌價值，促進業(yè)績的提升和企業(yè)的發(fā)展。

1 易拉罐罐底噴碼質量缺陷

在易拉罐飲料生產過程中，在油墨噴碼機前面往往會安裝一到兩個吹水裝置，用于將易拉罐罐底需要噴碼部位的水滴除去干凈，這樣噴碼機噴印的質量才得以保障。但若是吹水裝置沒有調整好或者生產中該裝置被挪位，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噴孔被油墨堵塞，噴碼機使用時間過長或者清理不及時都會造成類似情況的發(fā)生，若是沒有及時發(fā)現，就會出現漏噴或者缺碼生產事故。還有一種情況是噴碼機的觸發(fā)傳感器或者噴碼機噴頭被挪位，導致字符漏噴或者缺碼、飛碼、噴碼位置不正確的情況。

圖1 噴碼質量缺陷示意圖

2 系統(tǒng)的設計目標

根據客戶對檢測系統(tǒng)的需求分析，確定系統(tǒng)的設計目標如下：

（1）高速實時性

通常，易拉罐生產線速度已經達到72000罐/小時，在易拉罐高速通過系統(tǒng)時，能實現視覺檢測要求。

（2） 剔除的準確性

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

（3）I/O的擴展性

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，以滿足現場的測控需求。

（4）數據統(tǒng)計要求

實時記錄、統(tǒng)計、顯示各種檢測數據，方便客戶修定參數，及時發(fā)現問題，達到設備維護的工作效率。

（5）數據通訊要求

可通過Ethernet或串行接口實現數據的交換，以及遠距離的傳輸。

3 系統(tǒng)結構設計

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)、電氣控制與人機交互系統(tǒng)、次品剔除裝置等組成。當易拉罐通過成像系統(tǒng)時，金屬接近開關觸發(fā)光源頻閃和工業(yè)智能相機，獲得高速易拉罐罐底圖像，智能相機對其分析處理，由電氣控制系統(tǒng)執(zhí)行檢測結果，從而達到分揀不良品的目的。

圖2 基于機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

因為被檢測物體是鋁質易拉罐，罐底為凹面，考慮到金屬材質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，型號是OPT-RID240，該光源的特點是具有積分效果的半球面內壁，均勻反射從底部360度發(fā)射出的光線，使整個圖像十分均勻。

圖4 球積分光源模型圖

（2）工業(yè)智能相機配置

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

（3）工業(yè)計算機及PLC 的配置

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

5 電子表格算法設計

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

圖5 噴碼識別示意圖

6 結束語

本文基于易拉罐罐底噴碼檢測系統(tǒng)實現了高速自動化生產線易拉罐罐底（凹面）噴碼質量自動化檢測，能根據噴碼的日期和時間的不斷變化，準確的識別噴碼的缺陷，該系統(tǒng)不僅結構簡單緊湊、成本低廉、操作簡便、精確度高，最大的優(yōu)點是高速，相對以往OCR字符識別驗證，速度上有大的提升。其檢測效果遠遠優(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)已成功應用于項目，取得了滿意的運行效果，準確率完全達到了系統(tǒng)的設計目標。隨著食品飲料行業(yè)自動化水平的不斷提高，人工費用的增長，該系統(tǒng)具備良好地推廣應用價值，對打破國外設備壟斷的局面帶來積極的意義。

[1]彭曉輝.基于HALCON的IC卡噴碼符號識別技術研究與實現[D]. 廣東工業(yè)大學,2006.

[2]賀超英,張輝.基于機器視覺的罐蓋質量檢測系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器,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[J].自動化與儀器儀表,2011,5.