基于機器視覺的飲料瓶蓋檢測剔除系統

周向榮， 張 鑫， 宋微微， 朱俏俏， 冀少坤， 劉理正

(1.杭州娃哈哈集團有限公司 機電研究院， 浙江 杭州 310018；2.史陶比爾(杭州)精密機械電子有限公司， 浙江 杭州 310018)

飲料在人們的日常生活中處處可見。對于飲料生產廠來說，飲料的生產速度和成本對飲料的市場占有率起著重要作用，而生產速度提升和成本節約則主要依賴生產線自動化程度的提高。在飲料生產線中有一個極其重要的環節，就是飲料瓶蓋缺陷的檢測。常見的瓶蓋缺陷有破損、污漬和變形嚴重等，傳統的缺陷檢測方式主要是人工檢測，存在效率低、勞動強度大和漏檢率高等問題。因此，迫切需要一種可以自動檢測并剔除缺陷瓶蓋的自動化設備。

視覺檢測技術結合了光電檢測和圖像處理等技術應用于生產線，可以定向地對產品的特征和缺陷等進行快速檢測與判別[1-4]，從而實現生產線的自動化檢測與運行。視覺檢測的潛力巨大，應用于工業領域可以很大程度上取代人工單調、重復的勞作[5]。近年來，視覺檢測技術在飲料行業的應用逐漸增多，比如通過視覺檢測檢查標簽是否缺少，及檢查飲料液位是否滿足要求等[6-10]。視覺檢測技術不僅可以實現高速檢測，并且準確率也可以達到99%以上，故視覺檢測正逐漸取代人工檢測。對于建立一個自動化無人生產線，視覺檢測技術的應用具有重要意義。

為降低瓶蓋篩選的勞動強度、勞動成本以及提高生產線的生產效率，課題組針對飲料瓶蓋中的變形、黑點和缺口等缺陷，設計了一種基于機器視覺的飲料瓶蓋檢測剔除系統。

1 設計要求與設計參數

常見的飲料瓶蓋如圖1所示。為保證食品安全，在飲料生產中首先要保障飲料瓶蓋是無缺陷的。課題組研究的基于機器視覺的飲料瓶蓋檢測剔除系統需實現瓶蓋的檢測和剔除功能，并需滿足800個/min的檢測速度，主要檢測飛邊、變型、黑點、油污染和缺口等缺陷，檢測準確率不低于99%。

圖1 無缺陷飲料瓶蓋Figure 1 Defect-free bottle cap

2 視覺檢測系統組成及工作原理

2.1 整機結構及工作流程

瓶蓋檢測剔除系統主要包括3個部分：瓶蓋輸入和分距機構、視覺檢測缺陷機構及缺陷剔除機構，整機外形尺寸為460 mm×2 521 mm×1 564 mm，如圖2所示。瓶蓋輸入和分距機構由斜滑道和星輪轉盤組成，其中斜滑道用于儲存瓶蓋，在盡可能儲存較多瓶蓋前提下，給予瓶蓋足夠向下滑動到達星輪轉盤的作用力，星輪轉盤四周均布能夠容納1個瓶蓋的凹槽，起到傳送和分距作用。視覺檢測機構由2個工位組成，在工位Ⅰ完成瓶蓋內部檢測，在工位Ⅱ完成瓶蓋四周檢測，2個工位的互補可以最大程度減少瓶蓋的誤檢。剔除裝置由定向噴嘴和高速電磁閥等組成，噴嘴發射的高速氣流精準地將不合格瓶蓋吹入回收裝置中。

圖2 瓶蓋檢測剔除系統Figure 2 Bottle cap inspection and rejection system

設備的工作流程如下：

1) 不規則排序的飲料瓶蓋經傳送帶堆積在斜滑道內。

2) 在重力作用下，瓶蓋進入星輪分距機構，噴嘴噴出氣體促使瓶蓋進入星輪凹槽內，凹槽內的瓶蓋隨星輪轉動直至輸出到傳輸帶上；控制傳輸帶速度以調節皮帶上瓶蓋之間的距離。

3) 真空泵產生負壓，將經星輪流入傳送帶的瓶蓋吸附在皮帶上，避免瓶蓋在傳輸帶上晃動。

4) 瓶蓋內部檢測機構啟動，采集瓶蓋內部圖像，將判斷后的信號1傳給瓶蓋周向檢測機構。

5) 瓶蓋周向檢測機構首先對信號1做出判斷。如果瓶蓋不合格，則瓶蓋周向檢測機構不采集圖像并直接將一個瓶蓋不合格的信號2發送給剔除機構；若信號1為瓶蓋合格，則瓶蓋周向檢測機構采集瓶蓋外側四周圖像，并做出瓶蓋是否合格的判斷，生成信號2發送給剔除機構。

6) 當剔除機構收到的信號是瓶蓋不合格，剔除機構首先判斷不合格信號來自信號1還是信號2，再根據皮帶編碼器反饋的位置信息確定剔除機構觸發時間，噴嘴瞬間噴出高速氣流將瓶蓋吹入回收箱內；當信號為合格時，剔除機構不工作。合格的瓶蓋將進入下一道工序內。

整個流程如圖3所示。

圖3 瓶蓋缺陷檢測工藝流程Figure 3 Bottle cap defect inspection process

2.2 瓶蓋輸入和拉距機構

瓶蓋在進入視覺檢測機構之前先經過分選，確保瓶蓋開口朝上。但此時瓶蓋間距隨機生成，而間距過大易造成生產線效能浪費，間距過小又易導致瓶蓋在相機視場中形成重疊圖像，造成誤檢測。為了提高檢測系統的效率和穩定性，必須使瓶蓋等距排列通過檢測工位。

為了實現瓶蓋等距排列通過檢測工位，采用星輪機構對瓶蓋進行分距，瓶蓋輸入和分距機構如圖4所示。隨著星輪的旋轉，在進口處瓶蓋依次進入星輪的凹槽中，再依次從出口輸出，通過控制出口處傳送帶的傳送速度可以間接調整輸出瓶蓋在傳送帶上的間距。

圖4 瓶蓋輸入和分距機構Figure 4 Cap input and distance separation mechanism

由于瓶蓋從滑道進入星輪凹槽有一個運動方向變化的過程，假設瓶蓋從進口處完全進入星輪凹槽所需時間是Δt1，單個凹槽經過進口允許瓶蓋進入的時間是Δt2，只有當Δt1<Δt2時才能保證瓶蓋順利進入凹槽。所以在進口前方儲備一定數量瓶蓋以保證每個凹槽經過時都有瓶蓋在進口處等待；同時，設置空氣噴嘴給瓶蓋提供驅動力使瓶蓋始終具有瞬間進入凹槽的趨勢；并且課題組給星輪凹槽增加了漸變導向曲線結構，使瓶蓋緩慢滑入凹槽，既減少了瓶蓋從滑道進入凹槽的瞬時位移量又減少了設備震動。

瓶蓋進入星輪后經過圓弧段加速進入傳送帶，由于傳送帶速度較快，為保證瓶蓋平穩，出口處瓶蓋需要保持接近平行的姿態落到傳送帶上。并且相機在固定范圍內檢測，瓶蓋不能偏離傳送帶中心太多，否則會造成誤檢。因此課題組設計星輪凹槽分度圓的直徑等于星輪外圓直徑，凹槽直徑比瓶蓋直徑大2 mm，以保證瓶蓋順利通過星輪并且傳送帶上落點較穩定。

考慮經濟性，星輪驅動電機采用普通交流電機，不具備堵轉反饋功能，卡蓋后如不及時關閉電源會損壞電機。如圖4(a)所示，添加漫反射傳感器2檢測在通電情況下星輪是否轉動，若遇到瓶蓋堵塞情況，傳感器信號不再變化，此時傳感器給PLC反饋故障信號以關掉電機電源，避免電機損壞。

2.3 圖像采集機構

圖像采集機構主要包括瓶蓋內部檢測機構和瓶蓋周向檢測機構2個部分，如圖5所示。瓶蓋內部檢測機構在瓶蓋上方，采用25 mm鏡頭用以檢測瓶蓋內部是否有缺陷。瓶蓋周向檢測機構主要由4個呈圓周均布的相機組成，采用18 mm鏡頭用以檢測瓶蓋四周的缺陷。采用光電傳感器觸發相機取景，結合輸送線的編碼器進行位置判定，可以實現穩定取景，精確地觸發剔除機構。

圖5 圖像采集機構Figure 5 Image capture mechanism

瓶蓋最外側邊緣是檢測飛邊和瓶蓋圓度的重要目標特征，而外緣距離蓋身僅0.8 mm，如圖6(a)所示，加之瓶蓋內部結構復雜，采集圖像的角度越接近豎直方向越準確，綜合考慮，采用如圖6(b)所示的布局布置瓶蓋內部檢測機構，白色高角度環光源提供無陰影的光線可均勻照亮瓶蓋內部及邊緣，產生足夠的對比度，降低設備對外部環境光的要求。25 mm鏡頭在滿足取景要求的同時兼顧了設備的體積。

圖6 瓶蓋截面和內部檢測機構布局Figure 6 Bottle cap cross-section and internal inspection mechanism layout

瓶蓋四周的缺陷檢測采用均布相機分割采集區域分別檢測的方式，理論上單臺相機檢測范圍超過120°，只需要3臺相機，但考慮到相機采集到的圓柱面越靠近切邊處圖像失真程度越大，故而采用4臺相機各采集100°的方式，瓶蓋周向檢測機構的布置如圖7所示。藍色多角度環光源提供均勻光照提高對比度，尤其對痕跡輕微的油污有很好的凸顯作用。18 mm鏡頭用于近距離取景可縮小安裝尺寸。

圖7 瓶蓋周向檢測機構布局Figure 7 Bottle cap circumferential inspection mechanism layout

由于生產線每分鐘通過800個瓶蓋，視覺系統不正常工作將導致大量不合格瓶蓋流入下一道工序，影響產品品質。為避免相機宕機，造成缺陷瓶蓋流入下一工序，對相機的工作狀態作出實時監測。采用3進制監測信號，主控PLC儲存默認數值-1，設定合格信號數值為0和不合格信號數值為1。當正常運行時，每檢測1個瓶蓋，圖像處理PC發出數值0或1，當相機宕機，圖像處理PC無法發出0或1，主控PLC判定此時接收數值為-1，表明相機宕機，系統發出報警信號，生產線自動停機。

2.4 缺陷剔除機構

由于瓶蓋移動速度較快，單個瓶蓋通過剔除機構的時間只有60 ms左右，對設備的要求較高，因而采用高速電磁閥和定向噴嘴，大大簡化了設備結構，在精準剔除的同時減少設備能耗，元器件的參數如表1所示。

表1 剔除機構元器件參數

剔除邏輯采用瓶蓋內部檢測機構優先判定，當結果為“不合格”時，不觸發視覺判定通過瓶蓋周向檢測機構，當結果為“合格”時，再開始瓶蓋周向檢測機構判定，減少視覺觸發次數，簡化內部冗余操作。

為避免電磁閥通信丟失造成的漏踢，程序內部始終對比圖像處理PC給出的“不合格”信號量與電磁閥接收的剔除信號量，當兩者不相等時系統發出報警信號，生產線自動停機。同時在輸送線末端設置一套光電計數系統記錄合格瓶蓋流出的數量N1，對比視覺瓶蓋內部檢測機構觸發次數N2和剔除觸發次數N3，當N1=N2-N3時表明視覺檢測機正常運行，否則系統發出報警信號，生產線自動停機。

2.5 高速皮帶輸送線

由于瓶蓋運動速度約為2 m/s，而瓶蓋質量約30 g，運行過程中極易發生顛簸，進而造成視覺檢測的誤差，故消除瓶蓋的顛簸具有重要意義。課題組采用負壓吸附的方式，即給提供瓶蓋垂直于傳送帶的吸力，以此來增加瓶蓋和傳送帶之間的摩檫力。

圖8所示結構以鋁型材為皮帶輸送線的機架，兩端做好密封，鋁型材內部空腔可作為負壓腔，在型材上表面開長槽，皮帶上均勻分布直徑為5 mm的小圓孔，當真空泵工作時，線體型材腔室內氣壓降低，型材腔室通過傳送帶上氣孔吸入空氣。當皮帶上有瓶蓋時，由于瓶蓋遮擋氣孔，瓶蓋受到垂直于傳送帶的吸力平穩地在皮帶上運行。

圖8 高速皮帶輸送線Figure 8 High-speed belt conveyor line

3 結語

針對飲料瓶蓋缺陷篩選效率低的問題，課題組設計了基于機器視覺的飲料瓶蓋檢測剔除系統，在瓶蓋不規則運輸的情況下，實現將不規則間距瓶蓋先收集后等間距地輸送到傳送帶上，對于皮帶上的瓶蓋，能實現多種缺陷同時檢測并實現精準剔除，經過篩選后，最終確保進入下一道工序的瓶蓋不存在缺陷。相比于傳統的缺陷檢測手段，機器視覺的檢測精度更高、效率更高。課題組通過信號采集、邏輯運算和控制輸出實現生產線智能化，節省了大量勞動力成本。經過現場調試測試，產能達到800個/min、檢出率99.99%，誤檢率低于0.05%，系統運行穩定，達到設計要求。