口罩機(jī)視覺檢測機(jī)設(shè)計

徐春青

摘要：中國是世界上重要的口罩生產(chǎn)基地。受疫情影響，口罩產(chǎn)能激增。口罩的特殊防護(hù)性使用和應(yīng)急生產(chǎn)，使其安全管理顯得尤為重要，而這一點在疫情爆發(fā)前也被傳統(tǒng)企業(yè)所忽視。目前，口罩生產(chǎn)企業(yè)安全管理存在的主要問題是車間和生產(chǎn)設(shè)備安全性差，生產(chǎn)操作缺乏規(guī)范化，安全監(jiān)管部門能力不足。因此針對一次性民用口罩，采用機(jī)器視覺手段，替代人工，解決口罩生產(chǎn)過程中所涉及的產(chǎn)品質(zhì)量問題是本文研究的重點。

關(guān)鍵詞：口罩機(jī);視覺檢測機(jī);疫情;設(shè)計

1引言

歲末年初，全國各地一起面臨了新型冠狀病毒疫情暴發(fā)。疫情發(fā)生在“九省通衢”的湖北省武漢市，在春節(jié)假期傳播，人數(shù)最多。已成為新中國成立以來傳播速度最快、感染范圍最廣、防控難度最大的重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件。在奪取全面小康社會勝利和脫貧攻堅的關(guān)鍵時刻，中華民族再次面臨嚴(yán)峻考驗。我們的意志像堡壘一樣團(tuán)結(jié)。在習(xí)近平總書記和黨中央的堅強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，全國人民團(tuán)結(jié)奮斗，取得了勝利。全國防疫工作取得重要成效。經(jīng)濟(jì)社會秩序加快，各地經(jīng)濟(jì)社會秩序正在恢復(fù)。

防疫復(fù)工期間，作為重要防護(hù)材料之一的口罩一度面臨短缺。作為國家的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，面對國家的需要，企業(yè)克服重重困難，快速反應(yīng)，在最短時間內(nèi)完成了技術(shù)攻關(guān)。他們積極投入口罩自動化生產(chǎn)設(shè)備研發(fā)、輔料生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域，精誠團(tuán)結(jié)，攻堅克難，有效緩解了防疫物資供應(yīng)緊張局面，為打贏防疫戰(zhàn)斗作出了重要貢獻(xiàn)。

然而在傳統(tǒng)的口罩質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)中，需對口罩耳帶焊接點位置、焊接寬度檢測、焊接位置漏頭檢測，多耳帶及耳帶斷接;鼻梁條長度檢測、鼻梁條有無檢測、鼻梁條兩側(cè)定位孔有無及位置;口罩正反兩面污漬進(jìn)行檢測等。為了保證口罩質(zhì)量滿足生產(chǎn)要求，在口罩傳輸過程中需要翻轉(zhuǎn)，從而完成數(shù)據(jù)采集和檢測。受測試設(shè)備成本和傳輸過程中透明帶污染的影響，數(shù)據(jù)檢測精度無法保證。因此，結(jié)合掩模機(jī)技術(shù)迭代和掩模質(zhì)量提高的要求，對掩模視覺檢測裝置進(jìn)行改進(jìn)迫在眉睫

2具體的需求和設(shè)計方案

2.1設(shè)計背景與原理

近年來，機(jī)器的視覺控制技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，人工智能等技術(shù)已成為制造業(yè)的研究熱點，為智能化生產(chǎn)提供了新的動力。本文設(shè)計了一種新型設(shè)備的視覺控制面罩，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，基于視覺系統(tǒng)人工智能的概念，為解決現(xiàn)有面罩目視檢測裝置的質(zhì)量問題，新裝置主要由機(jī)架、輸送機(jī)、光源、面罩磁道組成，相機(jī)等。機(jī)架上有許多水平方向安裝的輸送機(jī)組，輸送機(jī)側(cè)有安裝板，在相鄰的兩組輸送機(jī)之間有光源和光圈，光源靠近絲網(wǎng)軌道，光源上方有攝像頭，隔膜的側(cè)面與安裝板相連，表面與光柵傳輸軌跡對齊，并且光圈表面與光掩模透射軌跡之間的距離小于10mm。這種裝置的一個創(chuàng)新是用旋轉(zhuǎn)的光圈泵送掩模當(dāng)面膜位于相鄰的兩個旋轉(zhuǎn)輥上時，使用攝像機(jī)檢測照片，可在面罩制造過程中進(jìn)行質(zhì)量控制和控制，有效降低面罩產(chǎn)品廢品率，提高生產(chǎn)效率。

2.2裝置設(shè)計方案思路

詳細(xì)分析了新型面罩目視控制裝置的技術(shù)方案，裝置主要由滾筒、光源四部分組成，透明板和安裝板。機(jī)架上的水平安裝有多組輸送輥，兩組輸送輥之間相鄰安裝隔膜，使隔膜表面與絲網(wǎng)平齊，高度差不超過10mm，保證面膜順利輸送至下一組輸送輥，而隔膜的側(cè)面安裝在安裝板上;用相機(jī)拍攝反演掩模圖像時，選擇設(shè)置在透明板和絲網(wǎng)透射線上方的光源;在拍攝掩模正面時，不需要在兩組傳送帶之間安裝隔膜，而只需在掩模軌道下方安裝光源，以便在輸送輥側(cè)安裝安裝板.鑒于需要檢測面罩的焊接耳帶，焊接點一般位于面罩的頭部和尾部。因此，應(yīng)確保相鄰兩組轉(zhuǎn)印輥之間的距離大于掩模的長度，以確保當(dāng)掩模通過由轉(zhuǎn)印輥驅(qū)動的一組轉(zhuǎn)印輥時，相機(jī)只能拍攝掩模的一側(cè)圖像。新裝置通過連接傳動輥和透光板，去掉原有的透光帶，可有效降低因皮帶污染而造成誤判的概率。可有效節(jié)約口罩的生產(chǎn)成本，且不需要反復(fù)更換皮帶，提高了生產(chǎn)效率，顯著提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性

3設(shè)計要點

3.1過程檢測

本文設(shè)計的新型口罩視覺檢測裝置已應(yīng)用于智能口罩生產(chǎn)線。通過傳輸線將設(shè)備與一臺口罩成型機(jī)和兩臺耳帶焊接機(jī)連接，實現(xiàn)卷取、送料、折疊、壓制、切割、耳帶焊接、下料一體化，實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。位于智能生產(chǎn)線中部的面罩視覺檢測裝置，主要是利用輸送輥帶動面罩前進(jìn)。當(dāng)面罩在兩組相鄰的傳送輥之間傳送時，攝像頭和透光板捕捉到面罩表面的清晰圖像，可自動完成面罩前后焊接耳帶的質(zhì)量檢測，它克服了以往由透光帶透射掩模造成的污染和誤判問題，提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和效率。

3.2PLC控制

基于PLC實現(xiàn)面具傳輸過程中的運動控制，設(shè)計了一種長時間控制系統(tǒng).系統(tǒng)的硬件部件主要包括：S7-313-2DP可編程控制器、上、結(jié)構(gòu)控制軟件、PS307-5A電源、傳感器、數(shù)字輸入/輸出模塊，模擬數(shù)值輸入/輸出模塊，采用PLC確定相關(guān)臺站的停機(jī)時間，以及翻轉(zhuǎn)啟動機(jī)構(gòu);系統(tǒng)軟件主要由物料供應(yīng)、定位、當(dāng)相機(jī)捕捉圖像信息時，它將進(jìn)入系統(tǒng)的創(chuàng)建狀態(tài)。通過設(shè)計迭代過程創(chuàng)建最終項目，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。

3.3智能定位

以計算機(jī)視覺為基礎(chǔ)，對口罩生產(chǎn)過程進(jìn)行定位檢測，通過計算機(jī)顏色識別將目標(biāo)和背景分離，保證自動同步焊耳帶定位準(zhǔn)確、焊接牢固。采用感興趣區(qū)域進(jìn)行圖像分割和區(qū)域提取，采用高斯濾波器對所選圖像區(qū)域進(jìn)行去噪，消除光照等因素引起的噪聲;然后對圖像進(jìn)行腐蝕和擴(kuò)展，去除圖像中小圖像的邊緣點和孔洞。通過對圖像邊緣進(jìn)行平滑處理，有效地提取出最大輪廓;最后，利用該濾波器進(jìn)行邊緣檢測和增強(qiáng)處理，基于最小多邊形包圍最大輪廓，有效地加快了定位速度，降低了操作復(fù)雜度，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。

3.4感應(yīng)識別

在人工智能視覺識別模塊硬件設(shè)計中，優(yōu)先考慮光電變換器，用于并行設(shè)計的數(shù)字信號處理器和操作元件。進(jìn)入語言代碼、數(shù)字信號處理器進(jìn)行計算并通過傳感器進(jìn)行傳輸;在軟件設(shè)計中使用了攝像機(jī)，與加速器兼容。收到相機(jī)快照后，加速器自動完成圖像測量和計算。GPS系統(tǒng)和接收信號的天線，分別基于鬧鐘定位模塊提取圖像和信號，濾波后按概率從輸出端口輸出圖像，在網(wǎng)絡(luò)通信中引入OPC技術(shù)，實現(xiàn)了靈活自動的網(wǎng)絡(luò)通信功能AI光模板.串行配置PC硬件框架和控制臺，提供配置和診斷支持;然后配置PC站并下載設(shè)置.配置正確時，將顯示顯示.連接后下載成功;最后對數(shù)據(jù)通信進(jìn)行了驗證.建立通信連接，開發(fā)C語言的OPC客戶端程序，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信功能。

4測試結(jié)果

4.1助力智能生產(chǎn)線轉(zhuǎn)型

將基于柔性人工智能的全封閉口罩智能生產(chǎn)線投入實際生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)全自動化，每小時4000張，為改造半自動口罩，工廠和批量生產(chǎn)為滿足N95優(yōu)質(zhì)口罩的生產(chǎn)需求和其他優(yōu)質(zhì)面膜。

4.2提升產(chǎn)品合格率

柔性AI視覺自動口罩機(jī)配有SMC氣缸附件和電磁閥，大大提高了設(shè)備的響應(yīng)速度。基于微機(jī)控制和友好的人機(jī)界面，實現(xiàn)了耳帶焊接工藝的全自動同步開發(fā)，采用目測設(shè)備提高了產(chǎn)品合格率，進(jìn)一步減少了生產(chǎn)能力的浪費，提高了生產(chǎn)效率。

柔性AI視覺全自動口罩機(jī)屬于典型的口罩自動化生產(chǎn)一體機(jī)，由機(jī)架、AI系統(tǒng)、牽引機(jī)構(gòu)、模切機(jī)構(gòu)、視覺檢測機(jī)構(gòu)、翻邊機(jī)構(gòu)、焊接機(jī)構(gòu)、整合機(jī)構(gòu)、成型機(jī)構(gòu)、上料機(jī)構(gòu)組成，可通過設(shè)置視覺檢測機(jī)構(gòu)，自動檢測口罩質(zhì)量，可在生產(chǎn)中省略人工質(zhì)檢環(huán)節(jié)，同時提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低用工成本。該口罩自動化生產(chǎn)一體機(jī)由產(chǎn)品質(zhì)量檢測機(jī)改造而成，利用計算機(jī)視覺（AI人工智能）進(jìn)行鑒別和操控，在AI系統(tǒng)的支持下，柔性AI視覺全自動口罩機(jī)可實現(xiàn)自動生產(chǎn)一體化，口罩的生產(chǎn)效率和產(chǎn)能因此顯著提升，具體生產(chǎn)可做到集“過程質(zhì)量檢測、機(jī)器人管理（引導(dǎo)、定位、識別、信息采集）、自動化生產(chǎn)”于一體，輔以視覺檢測設(shè)備，可更好地保證口罩生產(chǎn)質(zhì)量，單機(jī)產(chǎn)量達(dá)120片/min，在24 h不間斷生產(chǎn)情況下，單機(jī)口罩日產(chǎn)量超過13萬片。此外，該口罩機(jī)采用模塊化設(shè)計，開放性高，使得柔性AI視覺全自動口罩機(jī)可在傳統(tǒng)卷材檢測設(shè)備與口罩生產(chǎn)設(shè)備之間切換，僅需要更換相應(yīng)的作業(yè)機(jī)構(gòu)。隨著疫情控制趨于穩(wěn)定并進(jìn)入常態(tài)化防疫時期，作為防疫緊急裝備的柔性AI視覺全自動口罩機(jī)開始逐步停止生產(chǎn)，部分柔性AI視覺全自動口罩機(jī)被改裝為涂布機(jī)，或用于各種卷材外殼、柔性電路板、柔性顯示屏幕的質(zhì)量檢測。在柔性設(shè)計的支持下，柔性AI視覺全自動口罩機(jī)可解決產(chǎn)能浪費問題，人工智能在口罩自動化生產(chǎn)一體機(jī)的應(yīng)用中所發(fā)揮的優(yōu)勢引起了人們的關(guān)注。

4.3 擴(kuò)大市場應(yīng)用范圍和產(chǎn)量

近年來，由于計算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)步，智能醫(yī)學(xué)不斷受到科學(xué)界和工業(yè)界的關(guān)注.利用視覺測試等先進(jìn)技術(shù)促進(jìn)迭代，傳統(tǒng)面罩的現(xiàn)代化和現(xiàn)代化已經(jīng)成為行業(yè)共識。實踐表明，柔性AI機(jī)投產(chǎn)后，每天可生產(chǎn)16萬多個口罩，在國家發(fā)展改革委員會、財政部和其他部門的支持下，面罩從防護(hù)材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄M品，潛在的國內(nèi)需求和海外市場需求預(yù)示著，醫(yī)療防護(hù)材料將成為ACAN行業(yè)，為面罩的開發(fā)和生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。

結(jié)論

有效避免口罩需求浮動造成的設(shè)備閑置和產(chǎn)能浪費問題，采用基于計算機(jī)視覺技術(shù)的AI視覺自動口罩機(jī)的設(shè)計、開發(fā)和生產(chǎn)，并且采用模塊化柔性設(shè)計方法，為制造企業(yè)的柔性生產(chǎn)和智能化生產(chǎn)線運行提供技術(shù)支持。

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