機器視覺(jué)系統在煙草行業(yè)的成功應用

       機器視覺(jué)的起步從20世紀80年代開(kāi)始，到目前為止，從技術(shù)發(fā)展的角度講，已經(jīng)經(jīng)歷了大約3個(gè)發(fā)展階段。

       第一階段是色差傳感器階段；第二階段是各種視頻卡紛起階段；第三階段是嵌入式視覺(jué)系統和視頻卡并存的階段。根據這幾年的發(fā)展來(lái)看，在今后的幾年是視覺(jué)發(fā)展的重要階段，而嵌入式系統也將扮演越來(lái)越重要的角色。

        目前全球整個(gè)視覺(jué)市場(chǎng)總量大概在60~70億美元，主要集中在歐美和日本，在中國大約有1~2億美元的市場(chǎng)。按照我國的GDP增長(cháng)速度8％來(lái)說(shuō)，其中工業(yè)增長(cháng)的份額為20％~30％，按照保守的估計，視覺(jué)的增長(cháng)速度不應該低于10％~15％。

        首先我們來(lái)了解一下機器視覺(jué)和機器視覺(jué)系統的定義。顧名思義，機器視覺(jué)就是用機器代替人眼來(lái)做測量和判斷。機器視覺(jué)系統是指通過(guò)機器視覺(jué)產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將要檢測的目標轉換成數字量信號，這些數字量信號再傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統（分嵌入式和視頻卡方式），圖像處理系統根據要檢測的任務(wù)要求來(lái)設置檢測任務(wù)。然后根據判別的結果來(lái)控制現場(chǎng)的設備動(dòng)作。

         機器視覺(jué)系統的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化程度。尤其是在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人眼難以滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合，常用機器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機器視覺(jué)檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機器視覺(jué)易于實(shí)現信息集成，是實(shí)現計算機集成制造的基礎技術(shù)。

       西門(mén)子機器視覺(jué)系統屬于嵌入式視覺(jué)系統，分為VS100系列和VS700系列。VS100系列是專(zhuān)用型視覺(jué)產(chǎn)品，SIMATICVS100系列視覺(jué)系統用于特定的圖像處理任務(wù)。SIMATICVS110用于輪廓檢測、SIMATICVS120目標查找和搜索、SIMATICVS130二維碼的檢測。傳感器通過(guò)“示教”而非編程進(jìn)行和配置，因而不需要專(zhuān)門(mén)的圖像處理知識且價(jià)格低廉。

       IMATICVS700系列通用視覺(jué)系統主要用于生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢測和質(zhì)量控制。這種通用系統可以通過(guò)編程完成圖像采集、圖像處理、負載驅動(dòng)以及聯(lián)網(wǎng)通訊（通過(guò)PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)）等所有功能－非常適宜于在一個(gè)測試循環(huán)中完成許多的測試任務(wù)。正是由于機器視覺(jué)系統可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設計信息以及加工控制信息集成，因此，在現代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機器視覺(jué)系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。在中國，這種應用也在逐漸被認知，且帶來(lái)最直接的反應就是國內對于機器視覺(jué)的需求將越來(lái)越多。

       西門(mén)子視覺(jué)系統在煙草行業(yè)的應用

       煙草行業(yè)在中國是一個(gè)很大的行業(yè)，每年都可以為政府創(chuàng )造大量的稅收和就業(yè)機會(huì )。云南是中國煙草行業(yè)中最重要的省份，在該省有許多大的煙草企業(yè)，例如曲靖煙廠(chǎng)、玉溪煙廠(chǎng)、紅河煙廠(chǎng)等。這些企業(yè)的管理層高度重視產(chǎn)品的質(zhì)量，他們也愿意選用最好的自動(dòng)化設備來(lái)提升他們產(chǎn)品的質(zhì)量。而煙機是自動(dòng)化領(lǐng)域中最復雜的機器之一，同時(shí)香煙的生產(chǎn)速度又非?？?。例如，軟包線(xiàn)的生產(chǎn)速度是360包/分鐘，由于生產(chǎn)速度很快且產(chǎn)品的包裝又非常軟，所以，在生產(chǎn)過(guò)程中有許多不合格品產(chǎn)生。及時(shí)發(fā)現不合格品并將其剔除是非常重要的，否則不合格品將會(huì )流到下一道工序并被包裝和裝箱并流入市場(chǎng)。

        對于不合格品，盡管它不影響使用，但它會(huì )降低用戶(hù)的滿(mǎn)意度，用時(shí)也會(huì )削弱品牌價(jià)值和產(chǎn)品信譽(yù)度，而所有這些絕對是管理層所不愿意看到的。對于香煙的包裝檢測，主要有以下3類(lèi)： 
         ·軟包檢測

         ·硬包檢測

         ·條盒檢測

       由于軟包的外包裝比較軟，容易變形，所以檢測軟包是所有檢測中最難的。對于軟包，一個(gè)最主要的問(wèn)題是表面破損。而檢測主要包含商標打?。ㄊ欠衤┯?，方向是否正確，位置是否正確）；頂部小花（是否漏印，方向是否正確，位置是否正確）；頂部和底部的內部包裝質(zhì)量，內包裝和外包裝的相關(guān)位置檢測等。因為生產(chǎn)線(xiàn)的速度非?？欤?包/秒）而檢測任務(wù)又非常復雜和緊急，因此用人工在生產(chǎn)線(xiàn)上發(fā)現不合格品并將其剔除是不可能的。

       目前的檢測方式是人工抽檢。也就是說(shuō)，實(shí)際上無(wú)法在線(xiàn)檢測。而結果就是有很多的不合格品流入市場(chǎng)，但管理層卻無(wú)法控制也無(wú)法知道具體數量。對于高速的應用場(chǎng)合，機器視覺(jué)是唯一的解決方案。我們提供西門(mén)子新一代機器視覺(jué)VS720系列。

       該系統使用智能視覺(jué)傳感器替代人眼來(lái)完成檢測任務(wù)和邏輯運算工作，該視覺(jué)傳感器在0.4毫秒內捕捉圖像并將其發(fā)送到內部處理器中。經(jīng)處理器數字化后，該機器視覺(jué)系統就可以評估其顏色、表面和尺寸等。根據其計算結果，通過(guò)外部接口信號我們就可以實(shí)現設備對煙盒的自動(dòng)檢測和剔除。

      選用機器視覺(jué)系統，我們可以做到：

       ·減少產(chǎn)品周轉費用

       ·縮短機器停工期

       ·提升產(chǎn)品質(zhì)量

        對于煙包檢測，我們使用兩個(gè)視覺(jué)傳感器分別對煙包的前部、后部、左部、右部和頂部5個(gè)面進(jìn)行圖像捕捉，然后用定位分析“軟傳感器”(VS720系列軟件Spectation 功能)確定軟包的邊緣，根據確定邊緣后的實(shí)際位置來(lái)進(jìn)行檢測任務(wù)。例如，對于頂部的圖像，我們采用諸如密度、特征值計數、模板匹配、測量等“軟傳感器”來(lái)實(shí)現檢測任務(wù)。檢測結果輸出到S7300PLC，該控制器進(jìn)行編程來(lái)完成對剔除裝置的控制，輸出信號到執行系統-氣閥來(lái)剔除不合格品。

        經(jīng)過(guò)在線(xiàn)調試后，我們獲得了滿(mǎn)意的結果。幾乎全部標記過(guò)不合格品被全部剔除?，F在，實(shí)際的不合格率并不高，估計在1%或更低。在正常生產(chǎn)過(guò)程中，每秒可生產(chǎn)6包煙，以每天12小時(shí)生產(chǎn)計算，每天可生產(chǎn)約265000包，所以說(shuō)每天的不合格品數量還是比較高。

        應用該系統可保證不合格品不流入市場(chǎng)，這樣就可以提升產(chǎn)品等級，用戶(hù)的滿(mǎn)意度和潛在的品牌價(jià)值，當然也可以降低回收的費用。該項目成功應用后，我們有理由期待機器視覺(jué)在煙草行業(yè)有更多的應用。

        西門(mén)子視覺(jué)系統在汽車(chē)行業(yè)的應用

       在汽車(chē)行業(yè)，產(chǎn)品的精度和質(zhì)量都必須滿(mǎn)足要求的這種需求正在與日俱增。因此，現在汽車(chē)行業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)是越來(lái)越快的生產(chǎn)周期和大量原材料和零部件的供應。

       這就給機器視覺(jué)系統提供了用武之地，機器視覺(jué)正逐步被看作任何自動(dòng)化解決方案中的一個(gè)完整的組成部分，成為自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)標準學(xué)科。
   

       今年紐倫堡舉行的SPS/IPC/DRIVES展示會(huì )以機器視覺(jué)系統為展示的中心，這一點(diǎn)同樣表明了機器視覺(jué)與日俱增的重要性。通過(guò)VS100和VS720圖像傳感器，西門(mén)子自動(dòng)化和驅動(dòng)集團展示出大量的可用于制造工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域的視覺(jué)系統。機器視覺(jué)正快速的進(jìn)入各個(gè)領(lǐng)域，占據一個(gè)又一個(gè)的工業(yè)部門(mén)。在電子工業(yè)中，特別是像高精度的晶片位置識別或位置校正以及用于SMT（表面安裝設備）裝配零件檢測這樣的領(lǐng)域，幾年來(lái)已經(jīng)形成了這樣的共識:

       現在要滿(mǎn)足高質(zhì)量和生產(chǎn)標準的唯一方式就是使用靈活的圖像處理方法。不管怎樣，機器視覺(jué)目前已經(jīng)是不可缺少了，即便是擁有能夠提供最佳精度級別的三維自動(dòng)裝配和適應大量不同種類(lèi)和改進(jìn)種類(lèi)裝配線(xiàn)的汽車(chē)行業(yè)也不例外。

      ·一個(gè)通用的標準的重要性

       從前，機器視覺(jué)系統只是局限于少數專(zhuān)家人員使用。自從引進(jìn)了很容易集成到自動(dòng)化解決方案中的智能圖像系統后，圖像處理在自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中的應用以難以置信的速度增長(cháng)。西門(mén)子的服務(wù)范圍從適合一般應用的通用系統，擴展到了所有的專(zhuān)用系統，提供幾乎適合所有需求的最優(yōu)解決方案。

        汽車(chē)工業(yè)在發(fā)動(dòng)機和變速箱的制造中，使用西門(mén)子視像系統檢測零部件，記錄裝配零件的制造日期。零部件供應商用它檢測零件尺寸精度，校正汽車(chē)零部件的壓力，還可用于正確安裝安全帶及其他類(lèi)似的安全配件。

     ·對質(zhì)量的考慮

        改進(jìn)質(zhì)量和增加產(chǎn)量是世界領(lǐng)先的汽車(chē)制造巨頭選擇投資機器視覺(jué)的主要原因。一個(gè)例子就是汽車(chē)工業(yè)使用光學(xué)設備來(lái)檢查彈簧裝配的完整性。位于Erlangen的HeitecAG作為西門(mén)子自動(dòng)化解決方案的提供者，為此定制系統，提供了包括裝卸系統和機器視覺(jué)系統的完整解決方案。

       檢測裝置是用光學(xué)方法檢測彈簧裝配得是否正確。彈簧裝配包括1個(gè)金屬軸，內插一個(gè)陶瓷圓柱，10個(gè)曲片彈簧墊圈和1個(gè)終端片。為了能夠檢查正確裝配，將彈簧安裝在一個(gè)輪軌上通過(guò)傳送帶傳送經(jīng)過(guò)一個(gè)攝像機，任何攝像機識別出來(lái)不合格的“壞品”都被氣壓缸噴出，而“正品”被運送到一個(gè)緩沖站，在這里它們會(huì )被拿去做深加工。所使用的圖像處理系統包含1個(gè)西門(mén)子VS110視像傳感器和1個(gè)紅外光的照明設備；處理系統由自動(dòng)傳送設備（能夠支持10個(gè)彈簧組）和1個(gè)剔除“壞品”的自動(dòng)噴射裝置組成。整個(gè)檢測設備由西門(mén)子S7-200控制。

        使用該裝置可以顯著(zhù)提高質(zhì)量和增加產(chǎn)量。實(shí)際上，在Heitec工程師們滿(mǎn)懷信心的認為它能夠使“我們的客戶(hù)不用多久就能收回他們的投資”。

         西門(mén)子視覺(jué)系統的特點(diǎn)

       ·西門(mén)子VS100--智能實(shí)施方案

        隨著(zhù)西門(mén)子VS100套件的出現，西門(mén)子已經(jīng)步入一個(gè)全新的設備范疇。該范疇包括檢查小零件的形式、型號和位置，也包括按ECC200閱讀2維代碼。并以此為目的設計了VS110、VS120和VS130視圖傳感器，它是一個(gè)完整的器件，包括照明單元、控制單元、傳感器和電纜線(xiàn)。

        所有VS100范圍內的視圖傳感器都是即插即用的，簡(jiǎn)單易學(xué)，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的培訓指導。由于該系統是“示教”而不用編程，因此即便是非專(zhuān)業(yè)人士也可毫不費力地掌握圖像處理。使用掉電保護可以保存多達15種不同的檢測程序，并可以快速轉換到其他型號或類(lèi)型。得益于系統傳感器工藝設計的緊湊，使得西門(mén)子VS100家族的產(chǎn)品可以與多種傳輸系統，諸如振蕩傳輸系統、傳送帶或者卡具相連。此外，一些標準接口如RS232、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng)使得視圖傳感器能夠靈活、簡(jiǎn)便地集成到復雜的自動(dòng)控制環(huán)境中。

           · 西門(mén)子VS720--為專(zhuān)門(mén)需求量身定做

        新型VS720生產(chǎn)線(xiàn)專(zhuān)門(mén)用于處理更為復雜的任務(wù)，是西門(mén)子VS700通用攝像套件的完美補充，增強了西門(mén)子在靈活，通用系統領(lǐng)域中的地位。所有功能，比如圖像捕捉、圖像加工、最終結果的生成以及通信都是結合在一個(gè)緊湊的過(guò)程中的，是在一個(gè)檢測周期進(jìn)行幾種檢測任務(wù)的理想方案。

       新套件目前包含有6個(gè)智能攝像機滿(mǎn)足機器視覺(jué)的不同需求，例如自動(dòng)檢測、生產(chǎn)監視和零件識別。VS721 CMOS和VS722基本型代表了適用于大批"常規"任務(wù)、較為經(jīng)濟的解決方案。而帶有CMOS攝像頭的VS721，特別適用于精度要求不是非常高而價(jià)格比較經(jīng)濟的場(chǎng)合。VS723是一臺用于高速攝影的攝像機，例如包裝技術(shù)領(lǐng)域，以及眾多需要執行性能檢測任務(wù)的領(lǐng)域，例如表面檢測。VS724是高分辨率攝像機，提供高達130萬(wàn)像素，能拍攝非常詳細的圖像，因此非常適合需要高精度的檢測任務(wù)。VS725彩色專(zhuān)門(mén)用于另外的應用領(lǐng)域。由于該系統具備分析色彩和檢測特定色彩值的能力，因此可以通過(guò)彩色碼，安全、可靠地區分零部件，檢測標簽的打印色或是識別膠珠。

      ·面向自動(dòng)化世界

       VS720系列中的攝像機提供1個(gè)集成以太網(wǎng)接口和8個(gè)可自由配置的數字輸入、輸出端。攝像機可以很容易地通過(guò)以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò )上，并接受幾乎任何一臺PC機的訪(fǎng)問(wèn)，因此極大地簡(jiǎn)化了設備的維護和診斷。VS鏈接接口模塊可以在一臺監視器顯示幾個(gè)攝像機所拍攝的圖像。也可以通過(guò)Profibus與連接模塊相連，這樣可以省去用做監測功能的另外的PC機。而且，由工業(yè)以太網(wǎng)提供的帶寬，能使質(zhì)量數據和故障圖像快速在外部設備上做備份。

        Simatic組態(tài)軟件由于具有很多檢測功能，它能提供用戶(hù)友好的方法來(lái)建立定制的圖像處理解決方案，即在無(wú)攝像機連接時(shí)，可以使用仿真器來(lái)進(jìn)行組態(tài)。