塑料瓶蓋瑕疵分揀產線的設計與開發

摘 要：該文探討塑料瓶蓋瑕疵分揀產線的研發過程，分析產線的機械結構與電氣系統的設計方案。在機械結構方面，設計上料機構和理料機構。在電氣系統方面，該產線采用先進的控制技術和智能化設備。該文的研究不僅為塑料瓶蓋瑕疵分揀產線的設計提供理論支持和實踐經驗，還為其他類似產線的研發提供參考。

關鍵詞：機器視覺；瑕疵；瓶蓋分揀；機械結構；電氣系統

中圖分類號：TP278 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0125-04

Abstract： This paper explores the research and development process of the plastic bottle cap defect sorting production line， and analyzes the design scheme of the mechanical structure and electrical system of the production line. In terms of mechanical structure， the feeding mechanism and material handling mechanism are designed. In terms of electrical system， the production line adopts advanced control technology and intelligent equipment. The research of this paper not only provides theoretical support and practical experience for the design of plastic bottle cap defect sorting production line， but also provides reference for the research and development of other similar production lines.

Keywords： machine vision; defects; bottle cap sorting; mechanical structure; electrical system

塑料瓶蓋瑕疵分揀產線的設計與開發源于生產線上的質量問題和效率需求，為了提高生產效率和產品質量，需要設計與改造塑料瓶蓋瑕疵分揀產線。通過設計自動化設備機械結構和改進智能控制系統，實現快速、準確地分揀瓶蓋，減少人工干預，提高生產效率，確保產品質量。

1 研究現狀

目前，市場上的瓶蓋檢測瑕疵和分揀的過程中存在以下技術問題。

1）抽檢方式多是人工手動抽檢，其抽檢方式效率較低，且抽檢并不能保證所有產品均不會出現漏氣現象，進而導致檢測結果存在一定的誤差。

2）人工抽檢的過程中難以對不同厚度大小的待檢測瓶蓋進行多個同時檢測，導致其檢測效率較低，且檢測結果不準確。

2 系統整體設計

本系統綜合運用自動化檢測技術與自動控制技術，基于機器視覺設計開發一套分揀瑕疵瓶蓋自動化產線改造方案，對現有瓶蓋生產線進行升級改造，實現對一種長圓柱形塑料瓶蓋進行自動生產、理料、檢測與分揀。本系統設計與改造了一種瓶蓋自動檢測瑕疵和分揀的設備，設備包括推板上料、理料裝置、輸送帶結構、檢測臺和分揀結構。該裝置可代替現有的人工手動抽檢的方式，解決人工抽檢所帶來的檢測結果不穩定、檢測效率低及人工檢測無法同時對不同厚度大小的待檢測瓶蓋進行多個同時檢測定位等問題，可以對不同厚度大小的待檢測瓶蓋的定位，實現了自動化系統作業，提高檢測效率；自動檢測代替人工抽檢方式，可提高檢測結果的準確性，降低因檢測結果存在誤差所導致的液體出現漏氣和漏液的概率，防止后期產品出現不合格現象。

3 系統研究目的、意義、假設及核心概念

3.1 研究目的

在瓶蓋的生產過程中會存在諸多問題，例如字跡打印不清、瓶蓋存在缺口、瓶蓋存在雜質和瓶蓋漏氣等一系列的問題，這些問題嚴重影響到后續瓶蓋組裝，并降低了產品的品質，因此在生產線上對瓶蓋的檢測就成為了必不可少的一環。通過對煙臺周邊市場調研發現，包括富士康在內的生產企業，70%以上的工業表面缺陷檢測是通過人工來完成的。人工檢測瑕疵瓶蓋，不僅人力成本高，不便于統計，還需要工人長時間集中注意力，時間久了工人注意力下降就會導致效率低、準確率低等問題的出現。

3.2 研究意義

本系統主要為了解決市場上檢測和分揀瓶蓋效率低、準確率低以及對后面瓶蓋組裝等問題，通過對多個待檢測瓶蓋同時檢測，提高分揀瑕疵瓶蓋的效率和質量，實現自動化、數字化節省生產成本和便于統計。

3.3 研究假設

塑料瓶蓋瑕疵分揀產線研究問題主要涉及自動化檢測、分揀技術以及產線的優化等方面。以下是針對煙臺昌瑞包裝科技有限公司調研發現的研究問題。

1）自動化檢測技術：如何有效、準確地檢測出塑料瓶蓋上的瑕疵，如缺字、斷線、錯位、黑點、缺料、下管破損、印字不良、壓不到位和劃傷等。現有的機器視覺技術、深度學習等方法可能可以應用于此，但仍需要研究如何針對不同類型的瑕疵進行優化，提高檢測精度和效率。

2）分揀技術：一旦檢測出瑕疵，如何將不合格的瓶蓋從合格的瓶蓋中分揀出來。這可能需要研究使用機器人、自動化設備等，實現快速、準確、高效地分揀。

3）產線優化：如何優化現有的塑料瓶蓋生產線，使其能夠更好地適應瑕疵檢測與分揀的需求。這可能涉及產線的布局、設備的選擇、生產流程的設計等方面。

該企業現有的瓶蓋瑕疵分揀設備，主要包含上料倉、提升傳送帶、振動盤和下料口。待檢測瓶蓋先被倒入到上料倉，再經提升傳送帶提升至振動盤，振動盤起到理料作用，將瓶蓋整理成封閉面朝下的方向，但理料效率低，吹氣口的氣泵需要一直工作，浪費能源。整理好的瓶蓋沿著籠子狀金屬下料裝置一個一個下滑到底端，瓶蓋朝向都是封閉面朝上，以便工人對瓶蓋內側進行瑕疵的人工檢測，但人工檢測的效率低且準確率僅80%左右。

基于以上問題，該項目研究如何使用機器視覺技術，通過視覺相機來對瓶蓋進行360°無死角的檢測；研究為了保證視覺檢測口一次檢測一個瓶蓋，如何拉開瓶蓋間距；研究如何重新設計理料結構，實現自動上料，保證待檢測的瓶蓋準確定位。

3.4 核心概念

3.4.1 機器視覺技術

視覺檢測自動化設備在瓶蓋外觀缺陷檢測中的應用主要有3個方面：一是尺寸測量，包括蓋體外徑、螺紋內徑、蓋子高度等。二是表面瑕疵檢測，比如粘膠、毛邊、缺口、變形、黑點、溢料、崩牙、色差、油污和褶皺等。三是瓶蓋上的印刷質量檢查，一些產品的瓶蓋上會印有生產日期、保質期、條碼和二維碼等信息，需要檢測是否存在缺印、漏印、印刷模糊、噴印不全和歪斜等不良情況。視覺檢測自動化設備采用自動上料方式，通過配置能夠對瓶蓋的正面、反面、內部和側面360°進行全方位、全自動測量，還可以自動剔除不良品。檢測數據實時存儲，便于后續的管理和查詢。

機器視覺檢測的工作原理主要有以下5個過程：圖像采集—圖像預處理—字符分割—字符識讀—圖像后期處理。

3.4.2 星盤間距結構

星盤間距結構是一種旋轉機構，包括轉盤、轉動連接在機架上的轉軸，轉軸上固定連接有轉盤，轉盤上設有若干個用于放置產品零件的彈簧夾具基臺，機架內設有用于驅動轉軸旋轉的驅動機構。機架上還設有若干個用于固定產品零件的輔助固定機構。輔助固定機構包括通過鉸接軸鉸接在基臺上的定位叉和設于基臺上的定位柱。

3.4.3 上料機構及運行機構

上料機構完成瓶蓋的自動上料。推板上料機構用于瓶蓋傳送控制，一是控制上料機構的及時補料，二是控制瓶蓋位置以便于將瓶蓋整理成一個方向。運行機構用于控制瓶蓋排成一條直線運行，傳送到視覺檢測位置，完成待檢，實現過程的全自動化。

4 系統軟件與硬件研究

4.1 研究設計

從電氣控制整體結構來看，整個系統分為2部分：機器視覺系統、PLC控制系統。PLC連接現場的傳感器輸入設備和電機、氣缸輸出設備等。PLC通過輸入傳感器的不同狀態，控制輸送帶電機運行和停止，控制分揀氣缸的伸出與縮回。機器視覺系統負責對待測瓶蓋進行拍照、圖像數據的采集及處理、瑕疵結果的判斷。PLC與機器視覺通過通信互通信息，當機器視覺判定為瑕疵品時PLC控制輸送皮帶停止運行，分揀氣缸完成一次分揀動作，把瑕疵品推入次品區，若判斷結果為合格品，皮帶正常運行，帶動合格品落入正品區。

4.2 研究對象

從結構組成來分，該系統包括采集及通信模塊、控制器模塊、視覺檢測模塊、監控模塊和終端模塊。采集及通信模塊即傳感檢測部分和通信模塊。控制器模塊即信息處理及控制部分，由PLC實現。視覺檢測模塊由視覺相機、視覺控制器、光源和視覺軟件等組成。監控模塊即實時監控部分，由觸摸屏實現。終端模塊即終端設備部分，由提升皮帶電機、氣缸等實現。

系統設計包括硬件設計和軟件設計2部分。硬件設計包括元器件選型、機械設計、電氣設計和接線問題。軟件設計包括數據處理、通信方法、輸出控制、視覺圖像采集及判斷等部分的程序設計。

4.3 研究發現或結論

4.3.1 硬件機械設計

機械設計需要結合工藝流程進行設計。該企業生產的瓶蓋直徑為30 mm，高度為45 mm，分揀瓶蓋需要在上料過程中對瓶蓋進行瓶蓋朝向的整理，利用上下表面密度不同調整瓶蓋朝向，再通過視覺相機進行檢查，最后視覺相機反饋給PLC，PLC控制氣缸將不合格產品剔除生產線。

首先進行瓶蓋朝向整理，二級推板與平面與水平面傾斜15°，推板寬度為22 mm，靠近料倉最近的推板邊緣，正上方裝一個金屬擋板，傾斜可以利用重力使瓶蓋更容易進入二級推板上，金屬擋板起到剔料作用。推板上料，有糾正瓶蓋朝向的作用，糾正完的瓶蓋朝向為瓶蓋口朝右。

然后通過一級推板將瓶蓋推送至1級傳送帶，1級傳送帶在前，2級傳送帶在后，一級傳送帶通過弧形擋板使瓶蓋向出口處不斷收攏下落，分揀瓶蓋不會出現淤堵和過多瓶蓋積壓的現象，且在1級傳送帶下方，有垂直位移差，傳送帶寬度均大于瓶蓋直徑。1級傳送帶垂直方向高于2級傳送帶，因為1級傳送帶終點處因傳送帶會有一定弧度彎曲，使用光滑金屬板保證軌道面水平，在金屬板正上方安裝一個掛鉤裝置，掛鉤裝置將同一種朝向的瓶蓋勾起，整理成封閉面朝下，1級、2級傳送帶的垂直位移差可將另一種朝向瓶蓋在重力作用下整理成封閉面在下。

再通過2級傳送帶的出口端，其設置有等間距拉大結構。瓶蓋輸送至星盤結構，所述星盤結構起到將瓶蓋逐個拉大距離的作用。至視覺檢測端，4個視覺相機中有3個安裝在同一水平面，按120°空間等距分布，第4個相機安裝在瓶蓋檢測位置正上方。這種布置保證了視覺相機拍照無盲區，瑕疵件檢測出來后通過氣缸推入次品區，合格品再由輸送帶送入下料區。

4.3.2 硬件電氣設計

整個系統的電氣設計分為2部分：PLC部分和機器視覺部分。

1）瑕疵分揀系統的PLC電氣接線。本瑕疵分揀系統主要由可編程邏輯控制器（PLC）、傳感器、執行器以及其他輔助設備構成。其中，PLC作為核心控制單元，負責處理傳感器信號并控制執行器動作。PLC與其他模塊的通信是采用基于以太網通信接口的TCP協議。以下對主要組成電路進行說明。

電源接入回路。確保主電源穩定接入PLC及其他電氣設備的電源模塊，使用符合規格的電源線和斷路器，以保障系統安全穩定運行。

傳感器連接回路。傳感器作為檢測系統的重要組成部分，其輸出信號需正確接入PLC的輸入模塊。需根據傳感器類型和檢測需求選擇合適的連接方式。

執行器控制回路。PLC的輸出模塊需與執行器控制線路相連，以實現對執行器（如電機、氣缸等）的精確控制。需根據執行器類型和動作要求選擇合適的驅動方式和控制邏輯。

輸入設備接入回路。將操作員控制按鈕、開關等輸入設備接入PLC的輸入模塊，確保操作員能夠方便地對系統進行控制。

輸出設備連接回路。將系統狀態指示燈、顯示器等輸出設備接入PLC的輸出模塊，以便實時顯示系統狀態和操作反饋。

2）瑕疵分揀系統的機器視覺電氣接線。機器視覺技術通過模擬人類視覺系統，實現對產品表面瑕疵的快速、準確檢測。該系統由多個核心組件構成，包括相機、光源、顯示屏和控制器。這些組件通過通信電纜緊密相連，共同協作，以實現高效、準確的瑕疵分揀。

首先，相機作為機器視覺系統的“眼睛”，負責捕捉瓶蓋的圖像。為了獲取清晰、高質量的圖像，需要選擇合適的光源來照亮瓶蓋。不同的光源類型和照射方式會對圖像采集產生直接影響。在瓶蓋分揀產線中，通常會使用均勻柔和的照明方式，以減少陰影和反光，從而提高圖像質量。

其次，顯示屏用于展示相機捕捉到的圖像，幫助操作人員實時監控生產線的運行狀態。控制器則是機器視覺系統的“大腦”，負責處理圖像數據、識別瑕疵，并發出相應的控制信號。控制器通過算法對圖像進行分析，識別出瓶蓋上的瑕疵，如污漬、劃痕、變形等。一旦識別到瑕疵，控制器會立即發出指令，通過PLC系統控制機械臂或其他執行機構將瑕疵瓶蓋分揀出來。

機器視覺系統的輸入輸出與PLC系統通過以太網建立通信，形成瓶蓋自動瑕疵分揀產線的電氣系統。PLC系統作為產線的大腦，負責協調各個設備之間的運行，確保生產線的穩定、高效運行。機器視覺系統與PLC系統的緊密結合，使得整個產線實現了高度自動化和智能化，大大提高了生產效率和產品質量。

在實際應用中，機器視覺系統的性能受到多種因素的影響，如光照條件、相機參數、圖像處理算法等。因此，在實際應用中需要不斷優化系統參數和算法，提高系統的穩定性和準確性。

3）軟件設計。本系統最終要通過軟件編程，實現瓶蓋上料后根據傳感器反饋的信號，控制電機的運行和停止，并啟動機器視覺CCD拍照，經過視覺軟件的圖像處理，判斷檢測結果，再將結果輸出給PLC，PLC控制下料口氣缸的動作。

PLC與視覺系統的數據交換采用的是基于以太網2e9d48052f2ad84bd3b7890610f60364接口的TCP通信，軟件設計中通過雙方發送通信請求，然后開始建立通信，隨后關閉通信。這樣，避免了因為多個設備通信的傳輸而出現的數據沖突。

4.4 機器的主要技術參數

主要技術參數：要分揀的瓶蓋外形為塑料拉環瓶蓋，圓柱形，直徑為50 mm，長度為45 mm，一端封閉；壓力選擇范圍為500～880 N；最大速度為3 000個/h；氣源壓力為0.4～0.7 MPa；耗氣量小于等于40 L/min；電源220 V/50 Hz。機器可以實現常用瓶蓋的自動瑕疵檢測，目前已在食用油瓶蓋、酒瓶蓋等生產行業得到應用。

4.5 與同類產品比較

目前國內瓶蓋自動瑕疵檢測設備大多是在傳統的瓶蓋上料裝置基礎上進行設計和改進，保持了機器價格的適中定位。多數具有設計、生產基礎的企業依據各自生產的瓶蓋自動化產線實際情況，結合使用不同的自動上料方式、傳送方式來實現瓶蓋的自動瑕疵分揀。

國內相同類型的機器主要是在允許瓶蓋的最大直徑、檢測速度、上料方式和傳送方式上有所區別，多數機器的允許瓶蓋最大直徑在80～100 mm，檢測分揀速度為2 400～2 700個/h。

自動上料的方式則各不相同，有采用振動盤上料，也有用落料式上料或刮板式上料，每種方式上料的質量、上料的速度有所不同，可以滿足不同需求的客戶。推板式輸送上料機構，上料速度更快。對于機器的傳送方式，國內有部分機器采用凸輪分割器的分度旋轉方式進行傳送，相比所設計的星盤傳送機構，凸輪分割器有更高的傳送精度，但分割器傳送時工位之間需旋轉角度，增加了傳送時間，影響了轉送速度，降低了傳送效率。

5 應用價值

該裝置解決并代替了現有的人工手動抽檢的方式所帶來的檢測結果不穩定，檢測效率低，且檢測過程中無法同時對不同厚度大小的待檢測瓶蓋進行多個同時檢測定位的問題，可實現對不同厚度大小的待檢測瓶蓋的定位固定，實現了自動化系統作業，提高檢測效率，最高可對3 000個/h待檢測瓶蓋進行檢測，并且代替了人工抽檢的方式，提高了檢測結果的準確性，瑕疵分揀的準確率達97%。一臺設備可節省2名勞動力的成本。

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作者簡介：莊艷艷（1986-），女，碩士，講師。研究方向為工業自動化。