在線智能視覺檢測(cè)系統(tǒng)在小包裝食鹽裝箱中的應(yīng)用

夏天煜， 湯曉華， 李 可， 劉 娜

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048)

在線智能視覺檢測(cè)系統(tǒng)在小包裝食鹽裝箱中的應(yīng)用

夏天煜， 湯曉華， 李 可， 劉 娜

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048)

裝箱計(jì)數(shù)精度直接關(guān)系到裝箱數(shù)量，是最終產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)之一，是影響企業(yè)形象的關(guān)鍵因素．目前多由過程裝備調(diào)整和現(xiàn)場(chǎng)人工檢測(cè)加以調(diào)整，無法確保最終裝箱計(jì)數(shù)精度．通過智能視頻檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)裝箱機(jī)的裝箱過程進(jìn)行在線檢測(cè)分析，找到影響裝箱精度的根本原因是由于機(jī)械系統(tǒng)無法確保小包裝食鹽在最終裝箱機(jī)傳輸帶上間距足夠大，產(chǎn)生疊包、近包缺陷，造成計(jì)數(shù)系統(tǒng)無法及時(shí)計(jì)數(shù)，產(chǎn)生裝箱多包產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，為進(jìn)一步解決多包問題奠定基礎(chǔ)．

裝箱;視頻;檢測(cè);多包;疊包

裝箱生產(chǎn)線是小包裝食鹽裝箱高效自動(dòng)化生產(chǎn)的必然選擇．我國(guó)食用鹽業(yè)生產(chǎn)企業(yè)多采用小包裝袋裝食鹽，采用此類裝箱工藝及設(shè)備，以滿足對(duì)不斷提高生產(chǎn)率及降低勞動(dòng)力成本的需求．但由于諸多因素造成小包裝袋裝食鹽裝箱存在多種問題，其中尤以由于裝箱多包計(jì)數(shù)精度誤差對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益影響為重．通過視頻在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)裝箱生產(chǎn)線1萬袋小包裝食鹽進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控分析結(jié)果可知:近包缺陷發(fā)生13次/萬袋;疊包缺陷發(fā)生1次/萬袋．由于裝箱機(jī)計(jì)數(shù)是通過反射傳感器完成，即每袋食鹽通過傳感器觸發(fā)計(jì)數(shù)．疊包就是當(dāng)出現(xiàn)兩袋鹽部分疊加在一起時(shí)，反射傳感器在食鹽通過傳送帶時(shí)將無法將其分辨出來，造成計(jì)數(shù)少計(jì)一袋的誤差，由此產(chǎn)生的裝箱計(jì)數(shù)少于實(shí)際裝箱數(shù)，將其稱為疊包缺陷(見圖1);近包就是當(dāng)兩袋鹽之間距離小于系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間時(shí)，將會(huì)同樣導(dǎo)致裝箱計(jì)數(shù)少于實(shí)際裝箱數(shù)的誤差，稱為近包缺陷(見圖2)．

圖1 疊包圖片F(xiàn)ig．1 Image of multiple packing

1 裝箱工藝過程分析

裝箱機(jī)為實(shí)現(xiàn)將袋裝食鹽自動(dòng)整齊排列裝箱，其機(jī)頭與托盤之間應(yīng)實(shí)現(xiàn)間歇相對(duì)移動(dòng)，其移動(dòng)距離取決于食鹽包裝袋結(jié)構(gòu)尺寸和包裝箱內(nèi)部截面長(zhǎng)寬尺寸，這樣才能完成按列整齊裝箱．為實(shí)現(xiàn)上述工藝要求，裝箱機(jī)工作原理按照機(jī)頭傳送帶工作方式主要分為機(jī)頭伸縮—托盤固定式和機(jī)頭固定—托盤移動(dòng)式兩大類．本文以機(jī)頭伸縮—托盤固定式裝箱機(jī)工藝過程為主，分析如下［1－6］:機(jī)頭運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由輸送帶主傳動(dòng)系統(tǒng)1～7和伺服間歇伸縮排包系統(tǒng)8～10組成，見圖3．輸送帶傳動(dòng)系統(tǒng)由固定端1和5固定支撐安裝在機(jī)架上，輸送帶主傳動(dòng)系統(tǒng)通過三項(xiàng)交流電機(jī)1，以固定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)平橡膠帶2按給定速度v，沿箭頭指示方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)袋裝食鹽傳輸功能．動(dòng)支撐端4和6通過伺服系統(tǒng)帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭間歇定距離縮進(jìn)及回程運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律由伺服間歇回縮系統(tǒng)決定．3是反射傳感器，每當(dāng)袋裝食鹽通過時(shí)會(huì)觸發(fā)該傳感器使其發(fā)出脈沖，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能．整機(jī)工藝過程以此為基準(zhǔn)，也是軟件編程基準(zhǔn)，每次食鹽通過將觸發(fā)3實(shí)現(xiàn)一次回縮運(yùn)動(dòng)．同時(shí)一袋食鹽落入固定托盤，實(shí)現(xiàn)食鹽定距離排放．8和10將伺服間歇縮進(jìn)系統(tǒng)固定在機(jī)架上，伺服電機(jī)由3觸發(fā)實(shí)現(xiàn)間歇回縮驅(qū)動(dòng)．9為伺服往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)．上述機(jī)構(gòu)最終通過回縮機(jī)頭末端支撐4將袋裝食鹽拋入包裝箱內(nèi)．

圖2 近包圖片F(xiàn)ig．2 Image of fold packets

圖3 裝箱機(jī)工作原理Fig．3 Working principle diagram of packing machine

該方案的優(yōu)點(diǎn)是無需移動(dòng)托盤機(jī)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度．缺點(diǎn)是由于快速間歇回縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)間歇移動(dòng)行程，使得機(jī)構(gòu)相對(duì)比較龐大，造成系統(tǒng)慣性較大，伺服系統(tǒng)功率大，造成系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性不佳，振動(dòng)、噪聲較大，系統(tǒng)維護(hù)工作量大等問題．同時(shí)由于上游輸送皮帶送料距離不均勻造成近包、疊包缺陷，使得計(jì)數(shù)傳感器3無法準(zhǔn)確讀取輸送帶傳輸?shù)拇b食鹽數(shù)量，造成裝箱計(jì)數(shù)精度誤差．視頻在線檢測(cè)技術(shù)可以有效解決上述問題．

2 視頻檢測(cè)原理及系統(tǒng)

為解決由于疊包、近包缺陷引起的裝箱計(jì)數(shù)精度誤差，首先應(yīng)有效檢測(cè)每袋食鹽計(jì)數(shù)是否準(zhǔn)確，即對(duì)疊包、近包進(jìn)行可靠計(jì)數(shù)檢測(cè)．本文利用視頻在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)裝箱過程進(jìn)行分析．視頻檢測(cè)為非接觸測(cè)量，相當(dāng)于人的眼睛一樣不知疲倦的工作，而且分辨率較高，拍攝幀數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)流量需要選擇［7－9］．為滿足本系統(tǒng)計(jì)數(shù)需求，視頻檢測(cè)系統(tǒng)需完成以下功能:視頻圖像處理系統(tǒng)能夠判別近包、疊包缺陷，同時(shí)依據(jù)疊包、近包缺陷分別報(bào)警，并將缺陷圖片保存，同時(shí)完成缺陷圖片分別計(jì)數(shù)．

圖4為視頻檢測(cè)系統(tǒng)框圖．智能袋裝食鹽視頻計(jì)數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)由5部分組成:核心部件智能相機(jī)承擔(dān)圖像獲取及識(shí)別、判斷功能，完成上述判別工作后通過輸出接口分別輸出疊包、近包缺陷報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)疊包停機(jī)功能，使生產(chǎn)線停車，等待處理;觸發(fā)系統(tǒng)啟動(dòng)相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像采集工作，確保傳送帶上傳感器每次觸發(fā)均能實(shí)現(xiàn)圖像采集;燈光照明系統(tǒng)保證拍攝區(qū)內(nèi)照明度足夠，確保每張圖片拍攝質(zhì)量;工控機(jī)承擔(dān)圖片存儲(chǔ)系統(tǒng)功能，完成海量缺陷圖片存儲(chǔ)，同時(shí)作為VB交互式界面載體;外設(shè)系統(tǒng)完成缺陷發(fā)生時(shí)停機(jī)、報(bào)警功能．

圖4 視頻檢測(cè)系統(tǒng)原理Fig．4 Working principle diagram of intelligent visual inspection system

智能相機(jī)軟件開發(fā)是上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵．圖5為軟件系統(tǒng)界面．本系統(tǒng)軟件結(jié)合Cognex公司智能相機(jī)及配套視頻軟件In-Sight 4.1.0平臺(tái)開發(fā)，用戶界面采用交互式系統(tǒng)Visual Basic 6.0平臺(tái)編寫，使該系統(tǒng)更直觀、更易于操作，通過SpreadSheet(電子表格)中的函數(shù)及片段完成系統(tǒng)需求．首先引用AcquireImage片段獲取相機(jī)的照片，并且可對(duì)觸發(fā)模式、觸發(fā)器延時(shí)、曝光、圖像的范圍等進(jìn)行調(diào)節(jié)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)缺陷判別提供基礎(chǔ)．然后引用Blobs片段，該片段可以檢測(cè)出白色區(qū)域的范圍，即得出鹽袋的個(gè)數(shù)以及鹽袋的長(zhǎng)、寬、角度等一系列數(shù)據(jù)．在判斷是否發(fā)生近包缺陷時(shí)，可以通過相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出2個(gè)白色區(qū)域中心的距離，若大于近包判據(jù)，則為非近包，若小于近包判據(jù)，則判定為近包缺陷．接下來引用Measure Blob Area片段，該片段作用為疊包判斷，通過設(shè)定Blob Area(斑點(diǎn)區(qū)域)值，當(dāng)其介于給定的Minimum(最小值)與Maximum(最大值)之間時(shí)，為疊包合格，即沒有發(fā)生疊包缺陷，若大于最大值時(shí)，則判定為疊包缺陷．系統(tǒng)輸出由Write the discrete outputs片段完成，該片段有12路輸出通道，在此僅使用了前2個(gè)通道，0通道引用的是近包的布爾值，1通道引用的是疊包的布爾值．引用值為1時(shí)，提供輸出．在近包時(shí)，黃燈亮，疊包時(shí)，紅燈和黃燈同時(shí)亮．系統(tǒng)輸入:在正確接好對(duì)射傳感器之后，在第一個(gè)片段(AcquireImage片段)中將觸發(fā)器改為相機(jī)，適當(dāng)設(shè)定延時(shí)(該值由現(xiàn)場(chǎng)皮帶傳送速度決定)即可．

圖5 VB視頻檢測(cè)系統(tǒng)界面Fig．5 Interface of intelligent visual inspection system in visual basic

In-Sight4.1.0平臺(tái)與Visual Basic需經(jīng)過通訊函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸．使用TCPDevice函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出操作．在Visual Basic中使用Winsock控件與之對(duì)接，將近包數(shù)與疊包數(shù)由In-Sight傳送給Visual Basic系統(tǒng)平臺(tái)，清零時(shí)由Visual Basic把布爾值傳給In-Sight平臺(tái)，In-Sight引用該值對(duì)近包計(jì)數(shù)和疊包計(jì)數(shù)進(jìn)行清零．

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析

視頻檢測(cè)系統(tǒng)安裝在如圖3輸送帶左端，即小包裝食鹽在輸送帶傳入端．圖6為視頻檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作狀況．設(shè)備經(jīng)過調(diào)試后穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)疊包、近包檢測(cè)判別準(zhǔn)確無誤，報(bào)警正常，海量圖像存儲(chǔ)正常．

圖6 智能視頻檢測(cè)系統(tǒng)在線檢測(cè)Fig．6 On-line detection of intelligent visual inspection system

檢測(cè)結(jié)果表明:每天近包發(fā)生約130次，疊包20次．說明檢測(cè)很有必要，特別是對(duì)于近包缺陷尤其應(yīng)該加以處理，否則多裝缺陷在所難免．可見檢測(cè)后處理工藝顯得非常必要．

4 結(jié)論

本檢測(cè)系統(tǒng)以智能相機(jī)為核心部件構(gòu)成智能視頻在線檢測(cè)系統(tǒng)，具有系統(tǒng)集成性、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在線整機(jī)可靠裝箱計(jì)數(shù)、企業(yè)管理水平提高和技術(shù)進(jìn)步提供可靠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和硬件基礎(chǔ)．通過在線檢測(cè)發(fā)現(xiàn):每班近包數(shù)量較多，對(duì)裝箱計(jì)數(shù)精度影響較大，應(yīng)對(duì)其采取有效措施，以避免由此造成的產(chǎn)品質(zhì)量問題;每班疊包缺陷數(shù)量很少，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)報(bào)警、停機(jī)措施，可以有效解決上述問題，基本滿足了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要．解決計(jì)數(shù)精度問題有以下途徑:在本文智能視頻在線檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)檢測(cè)控制系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)疊包、近包缺陷后，通過機(jī)構(gòu)將缺陷在線剔除;或通過視頻檢測(cè)系統(tǒng)與裝箱機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)控制系統(tǒng)計(jì)數(shù)加以修正，消除計(jì)數(shù)誤差．前者優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立于整機(jī)系統(tǒng)，便于開發(fā)，硬件成本較高;后者需要對(duì)系統(tǒng)軟件加以改進(jìn)，軟件成本較高，但其改進(jìn)過程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件依賴程度低，且改進(jìn)成功后可免費(fèi)用于多條生產(chǎn)線．因此，后者可行性更強(qiáng)．

［1］張國(guó)全，吳德明，方忠華，等．全自動(dòng)裝箱機(jī)前端軟袋包裝物重迭姿態(tài)的研究［J］．包裝工程，2007(6):39-41，84．

［2］張國(guó)全，張進(jìn)，方忠華，等．全自動(dòng)伸縮皮帶式軟袋裝箱機(jī)提升裝箱效率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．包裝與食品機(jī)械，2007(3):22-24．

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［4］王良，楊立新．淺談提高自動(dòng)包裝機(jī)性能的途徑［J］．鹽業(yè)與化工，2010(1):52-54．

［5］黃海，龍保偉．全數(shù)字化交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在立式包裝機(jī)上的應(yīng)用［J］．包裝與食品機(jī)械，2010(5):56-59．

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［8］侯張艷，張曉軍．藥品包裝生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)［J］．包裝與食品機(jī)械，2008(2):17-19．

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(責(zé)任編輯:檀彩蓮)

Application of Online Intelligent Visual Inspection System on Packing Line of Small Package of Salt

XIA Tian-yu， TANG Xiao-hua， LI Ke， LIU Na
(College of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

Counting accuracy of packing related to the quantity of boxing，which is a index of the quality of final products，and a key factor that affects the image of an enterprise．At present this problem is tried to be solved by adjustment of equipments and artificial detection in the process，but it cannot yet ensure the counting precision in final boxing．In this paper，the intelligent video inspection system was used to detcet and analyze the packing process of the packing machine，and it was found the factor influencing packing accuracy was the mechanical systems，which could not ensure that the space between two small packages of salt in the final transmission was big enough，and thus resulted in defects of fold and nearly packet，delayed counting system，and quality defect of multiple packing．The result laid foundation for further solving the defect of multiple packing．

boxing;vidoe;inspection;fold packet;multiple packing

TS206.5

A

1671-1513(2011)05-0061-04

2011-04-18

夏天煜，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橐曨l檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)控制;

湯曉華，男，教授，主要從事機(jī)電一體化、視頻檢測(cè)技術(shù)及食品機(jī)械方面的研究．通訊作者．