柔性AI視覺全自動口罩機分析

曾繁昌 林胤

摘要：介紹了一款基于柔性AI視覺技術設計的口罩視覺檢測裝置，闡述了該裝置的工作原理和設計思路。結合柔性AI視覺全自動口罩機的控制、定位、識別、通信等方面的功能分析，明確了視覺檢測技術在口罩機生產中的重要作用，進而探索了該裝置的應用前景和市場優勢。

關鍵詞：視覺檢測;口罩機;柔性模塊

0 引言

在傳統的口罩質量檢測環節中，需對口罩焊接耳帶部位或口罩正反兩面進行檢測，確保口罩質量符合生產要求，由此導致在口罩傳送過程中需針對口罩進行翻轉，從而完成數據采集與檢測。受檢測設備成本投入、透光皮帶傳送過程中被污染等因素影響，無法保障數據檢測精度。因此，結合口罩機技術迭代需求以及口罩質量提升需求，改進口罩視覺檢測裝置迫在眉睫。

1 口罩視覺檢測裝置

1.1? ? 設計背景與原理

隨著近年來機器視覺檢測技術、工業互聯網、AI等技術成為制造業的研究熱點，為智能制造領域注入了新的發展活力。本文擬設計一款新型口罩視覺檢測裝置，其結構如圖1所示，借鑒AI視覺系統設計理念，解決現有口罩視覺檢測裝置存在的質量問題。

該新型裝置主要包含機架、傳送輥、光源、口罩傳送軌道、照相機等部分，其中在機架上設有多組沿水平方向安裝的傳送輥，傳送輥側面設有安裝板，在相鄰兩組傳送輥間安裝有光源和透光板，光源緊鄰口罩傳送軌道，在光源上方設有照相機，透光板側面與安裝板相連接、表面與口罩傳送軌道平齊，且透光板表面與口罩傳送軌道間隔控制在10 mm內。該裝置的創新點在于利用傳送輥進行口罩的傳送，在口罩位于相鄰兩組傳送輥間時，采用相機進行拍照檢測，可在口罩生產過程中進行質量檢查與把關，有效降低口罩成品的廢品率，提高生產效率。

1.2? ? 裝置設計方案思路

針對該新型口罩視覺檢測裝置的技術方案進行詳細分析，裝置主要包含傳送輥、光源、透光板及安裝板4種構件。將多組傳送輥以水平形式安裝在機架上，在相鄰兩組傳送輥間設有透光板，使透光板表面與口罩傳送軌道保持平齊，將高度差控制在10 mm以內，保障口罩平穩傳送至下一組傳送輥處，并且將透光板側面安裝在安裝板上;利用照相機拍攝口罩反面圖像時，選擇將光源安裝在透光板和口罩傳送軌道的上方;在拍攝口罩正面圖像時，則無需在兩組傳送輥間安裝透光板，僅需將光源安裝在口罩傳送軌道的下方，并且將安裝板安裝在傳送輥側面。考慮到需針對口罩的焊接耳帶進行檢測，焊接點通常位于口罩的頭、尾兩部分，因此應確保相鄰兩組傳送輥的間距大于口罩長度，保障口罩在傳送輥的帶動下穿過一組傳送輥時，照相機能夠恰好拍攝到口罩的一面圖像。該新型裝置通過將傳送輥與透光板進行連接組合，將原有透光皮帶拆除，可有效降低因皮帶臟污引發誤判的概率，有效節約口罩生產成本，且無須重復更換皮帶，提高了生產效率，顯著提升檢測結果的精度。

2 柔性AI視覺智能口罩機設計方案

2.1? ? 模塊化柔性設計

2.1.1? ? 過程檢測

將本文設計的新型口罩視覺檢測裝置應用于口罩智能生產線中，利用傳送線將裝置與1臺口罩成型機、2臺耳帶焊接機相連，可將卷料、上料、折疊、壓合成型、分切、耳帶焊接、下料等環節進行一體化連接，實現全自動生產。位于智能生產線中間環節的口罩視覺檢測裝置主要利用傳送輥帶動口罩向前傳送，在將口罩傳送至相鄰兩組傳送輥之間時，依靠照相機與透光板拍攝到口罩表面的清晰圖像，可自動完成口罩正、反兩面焊接耳帶質量的檢測，克服以往利用透光皮帶傳送口罩所產生的污染、誤判等問題，提升了檢測結果的精確度與檢測效率。

2.1.2? ? PLC控制

基于PLC進行口罩傳送過程中的運動控制，設計一款長延時檢測系統。系統硬件部分主要由S7-313-2DP可編程控制器、上位機與組態監控軟件、PS307-5A電源、傳感器、數字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊組成，利用PLC實現對相應工位的長延時檢測，與翻轉機構配合提供翻轉、啟動等功能;系統軟件主要由上料、定位、圖像采集等模塊組成，當照相機捕捉到圖像信息后即進入系統創作狀態中，經由設計迭代等流程生成最終設計方案，保障生產過程的自動化。

2.1.3? ? 智能定位

基于計算機視覺進行口罩生產過程中的定位檢測，通過計算機識別顏色實現物體與背景的分離，保障全自動同步焊接耳帶的精準定位與牢固焊接。采用ROI進行圖像分割與圖像區域提取，選取高斯濾波針對選定圖像區域進行濾波降噪處理，消除因光照等因素影響產生的噪聲;再針對圖像進行腐蝕、膨脹操作，以去除圖像內細小圖像的邊緣點及空洞，通過對圖像進行邊界平滑，實現最大輪廓的有效提取;最后借助濾波器進行邊緣檢測與增強處理，基于最小多邊形進行最大輪廓的包圍，有效加快定位速度，降低操作的復雜程度，進一步提高生產效率。

2.1.4? ? 感應識別

在人工智能視覺識別模塊的硬件設計上，選取光電轉換器、數字信號處理器及運算器進行并聯設計，利用運算器將從照相機處接收到的圖像轉換為語言代碼，采用數字信號處理器進行計算，并通過傳感器進行傳輸;在軟件設計上，利用照相機與加速器進行配合，在照相機獲取圖像信息后，利用加速器自動完成圖像的測量計算，在喚醒定位調制器的基礎上，由GPS系統和信號接收天線分別提取圖像和信號信息，經由濾波器過濾后從輸出端口將圖像按概率輸出，提高圖像識別的精度與效率。

2.1.5? ? 網絡通信

采用OPC技術實現柔性AI視覺全自動口罩機的網絡通信功能，依次配置PC站的硬件機架和控制臺，為組態設置與診斷提供支持;隨后組態PC Station并進行組態下載，待檢查組態處于正確狀態顯示畫面，連接被激活后，即說明下載成功;最后進行數據通信測試，待測得通信連接被建立后，采用C#語言編寫OPC客戶端程序，即可實現網絡通信功能。

2.2? ? 產品應用性能和市場優勢

2.2.1? ? 助力智能生產線轉型

通過將基于柔性AI的全封閉式口罩智能生產線投入實際生產中，設備實現了全自動生產，每小時產能達到4 000片，為半自動化口罩機工廠的轉型與量產提供技術支持，滿足N95等高品質口罩的生產需求。

2.2.2? ? 提升產品合格率

柔性AI視覺全自動口罩機裝有SMC氣缸配件和電磁閥，裝置響應速度大幅提升，并且基于微電腦控制、友好的人機界面，實現耳帶焊接流程的全自動同步開展，配合視覺檢測設備提升產品合格率，進一步減少產能浪費，提高生產效益。

2.2.3? ? 擴大市場應用范圍和產量

近年來隨著計算機視覺技術的進步，促使智慧醫療領域受到學術界、產業界的持續關注，采用視覺檢測等先進技術促進口罩機傳統技術迭代和轉型升級成了行業共識。實踐證明，將柔性AI視覺全自動口罩機投入實際運行后，可日產口罩16萬余片，口罩機滿產產量達到60臺/月，并且在國家發改委、財政部等部門的政策支持下，口罩日漸由防護用品過渡為生活日用品，國內潛在需求與海外市場需求均昭示著醫療防護物資將成為朝陽產業，為口罩機的研發生產提供了廣闊的市場前景。

3 結語

基于計算機視覺技術進行柔性AI視覺全自動口罩機的設計、研發與生產，采用模塊化柔性設計方式，可有效規避因口罩需求量浮動引發的設備閑置、產能浪費問題，為制造企業的靈活生產與智能生產線運行提供了技術支撐。

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：曾繁昌（1990—），男，廣東揭西人，工程師，主要從事項目研發工作。