機器視覺(jué)系統在現代包裝行業(yè)中的應用

機器視覺(jué)的概念引入和主要應用

在現代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢查、測量和零件識別應用，例如汽車(chē)零配件尺寸檢查和自動(dòng)裝配的完整性檢查，電子裝配線(xiàn)的元件自動(dòng)定位，飲料瓶蓋的印刷質(zhì)量檢查，產(chǎn)品包裝上的條碼和字符識別等。這類(lèi)應用的共同特點(diǎn)是連續大批量生產(chǎn)、對外觀(guān)質(zhì)量的要求非常高。

通常這種帶有高度重復性和智能性的工作只能靠人工檢測來(lái)完成，我們經(jīng)常在一些工廠(chǎng)的現代化流水線(xiàn)后面看到數以百計甚至逾千的檢測工人來(lái)執行這道工序，在給工廠(chǎng)增加巨大的人工成本和管理成本的同時(shí)，仍然不能保證100%的檢驗合格率（即“零缺陷”），而當今企業(yè)之間的競爭，已經(jīng)不允許哪怕是0.1%的缺陷存在。有些時(shí)候，如微小尺寸的精確快速測量，形狀匹配，顏色辨識等，用人眼根本無(wú)法連續穩定地進(jìn)行，其它物理量傳感器也難有用武之地。這時(shí)，人們開(kāi)始考慮把計算機的快速性、可靠性、結果的可重復性，與人類(lèi)視覺(jué)的高度智能化和抽象能力相結合，由此產(chǎn)生了機器視覺(jué)的概念。 一般地說(shuō)，機器視覺(jué)就是用機器代替人眼來(lái)做測量和判斷。首先采用CCD照相機將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進(jìn)行各種運算來(lái)抽取目標的特征，如：面積、長(cháng)度、數量、位置等；最后，根據預設的容許度和其他條件輸出結果，如：尺寸、角度、偏移量、個(gè)數、合格/不合格、有/無(wú)等。機器視覺(jué)的特點(diǎn)是自動(dòng)化、客觀(guān)、非接觸和高精度，與一般意義上的圖像處理系統相比，機器視覺(jué)強調的是精度和速度，以及工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境下的可靠性。 機器視覺(jué)極適用于大批量生產(chǎn)過(guò)程中的測量、檢查和辨識，如：零件裝配完整性，裝配尺寸精度，零件加工精度，位置/角度測量，零件識別，特性/字符識別等。其最大的應用行業(yè)為：汽車(chē)，制藥，電子與電氣，制造，包裝/食品/飲料，醫學(xué)。如對汽車(chē)儀表盤(pán)加工精度的檢查，高速貼片機上對電子元件的快速定位，對管腳數目的檢查，對IC表面印字符的辨識，膠囊生產(chǎn)中對膠囊壁厚和外觀(guān)缺陷的檢查，軸承生產(chǎn)中對滾珠數量和破損情況的檢查，食品包裝上面對生產(chǎn)日期的辨識，對標簽貼放位置的檢查。

目前，國際上視覺(jué)系統的應用方興未艾，1998年的市場(chǎng)規模為46億美元，而在國內，工業(yè)視覺(jué)系統尚處于概念導入期，各行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)在解決了生產(chǎn)自動(dòng)化的問(wèn)題以后，已開(kāi)始將目光轉向視覺(jué)測量自動(dòng)化方面。 機器視覺(jué)的系統構成和分類(lèi) 典型的視覺(jué)系統一般包括如下部分：光源，鏡頭，CCD照相機，圖像處理單元（或圖像捕獲卡），圖像處理軟件，監視器，通訊/輸入輸出單元等。視覺(jué)系統的輸出并非圖像視頻信號，而是經(jīng)過(guò)運算處理之后的檢測結果，如尺寸數據。上位機如PC和PLC實(shí)時(shí)獲得檢測結果后，指揮運動(dòng)系統或I/O系統執行相應的控制動(dòng)作，如定位和分選。從視覺(jué)系統的運行環(huán)境分類(lèi)，可分為PC-BASED系統和PLC-BASED系統?；赑C的系統利用了其開(kāi)放性，高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時(shí)系統總體成本較低。以美國DATA TRANSLATION公司為例，系統內含高性能圖像捕獲卡,一般可接多個(gè)鏡頭，配套軟件方面，從低到高有幾個(gè)層次，如Windows95/98/NT環(huán)境下C/C++編程用DLL，可視化控件activeX提供VB和VC++下的圖形化編程環(huán)境， 甚至Windows下的面向對象的機器視覺(jué)組態(tài)軟件，用戶(hù)可用它快速開(kāi)發(fā)復雜高級的應用。在基于PLC的系統中，視覺(jué)的作用更像一個(gè)智能化的傳感器，圖像處理單元獨立于系統，通過(guò)串行總線(xiàn)和I/O與PLC交換數據。系統硬件一般利用高速專(zhuān)用ASIC或嵌入式計算機進(jìn)行圖像處理，系統軟件固化在圖像處理器中，通過(guò)類(lèi)似于游戲鍵盤(pán)的簡(jiǎn)單裝置對顯示在監視器中的菜單進(jìn)行配置，或在PC上開(kāi)發(fā)軟件然后下載?；赑LC的系統體現了可靠性高、集成化，小型化、高速化、低成本的特點(diǎn)，代表廠(chǎng)商為日本松下、德國Siemens等。

舉例如下:

1. 項目：檢查煙盒的印刷圖案在盒體和翻蓋的連接處是否匹配 速度：8-10只/秒 好處：代替人工，高速度。

2. 項目：檢查放在底盤(pán)上的餅干的形狀（是否破碎）和完整性（是否有缺失） 速度：16塊/秒 好處：保證每一塊餅干在包裝前形狀完整。

3. 項目：化妝品瓶子外觀(guān)質(zhì)量的最終檢查 i. 標簽種類(lèi) ii. 標簽位置和偏移量 iii. 瓶子的種類(lèi) iv. 蓋子是否蓋緊 速度：20個(gè)/秒 好處：只有外觀(guān)最完美的產(chǎn)品才能離開(kāi)灌裝線(xiàn)，標簽和瓶子內容完全對應。

4. 項目：灌裝線(xiàn)上啤酒瓶檢測 i. 瓶體分類(lèi) ii. 標簽檢查 iii. 瓶口破損檢測 iv. 灌裝液位測量 速度：25只/秒，支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量 好處：減少系統停機時(shí)間，提高效率。

5. 項目：標簽印刷是否與實(shí)物相符 i. 印刷代碼識別（OCR） ii. 印刷質(zhì)量檢查 iii. 表面檢測 iv. 外形輪廓檢查 速度：10件/秒，支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量

6. 項目：旋開(kāi)式瓶蓋內襯墊測量 i. 內襯墊本身完整性（多料/少料） ii. 油污檢測 速度：16個(gè)/秒

7. 項目：皇冠式瓶蓋印刷質(zhì)量測量 i. 圖案是否印偏 ii. 圖案是否模糊 速度：10個(gè)/秒

8. 項目：口服液瓶尺寸和外觀(guān)檢查 i. 瓶高，瓶口直徑，垂直度 ii. 瓶口裂紋 速度：10個(gè)/秒.

結論:總之，應用機器視覺(jué)系統能夠大幅降低檢驗成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加快生產(chǎn)速度和效率。作為高精度、非接觸的測量方案，視覺(jué)系統涉及到光學(xué)和圖像處理算法，本身就是高度專(zhuān)業(yè)化的產(chǎn)品，在整個(gè)測量控制系統中，往往要與運動(dòng)控制系統配合完成位置矯正和進(jìn)給控制；另外，生產(chǎn)線(xiàn)上對多工序進(jìn)行同步連續檢測時(shí)，必須使視覺(jué)系統具備分布式聯(lián)網(wǎng)能力。機器視覺(jué)與運動(dòng)控制，網(wǎng)絡(luò )通訊等先進(jìn)技術(shù)的結合正在改變工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的面貌。目前國內已經(jīng)出現了像北京四通電機公司這樣的具備運動(dòng)控制，機器視覺(jué)，網(wǎng)絡(luò )通訊幾方面技術(shù)背景的系統集成商，他們專(zhuān)業(yè)化的技術(shù)支持和服務(wù)能力使之成為原始供應商和最終用戶(hù)之間的橋梁。而對包裝企業(yè)來(lái)說(shuō)，意識到技術(shù)發(fā)展的趨勢并首先付諸實(shí)施者無(wú)疑將走在競爭的前列。 (end)