一次性注射器針尖毛刺在線檢測系統(tǒng)

【作 者】邰兆海

上?？档氯R企業(yè)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，上海，201803

一次性注射器（國外稱為安全注射器）是一種新型的醫(yī)療器械，它能避免交叉感染，深受廣大醫(yī)患人員的歡迎。一次性注射器可以分為針筒和針管兩個部分，其中針管的缺陷對產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大。產(chǎn)生針管缺陷的原因，主要是由于針管在制作過程中針尖部位可能產(chǎn)生的毛刺，其次是針管在裝配過程中可能產(chǎn)生的倒插。

對于批量生產(chǎn)注射器，靠人工用目視和或摸來檢測針尖毛刺和倒插針容易產(chǎn)生視覺疲勞，把手劃破。這種靠人工來檢測針尖毛刺和倒插針，不但檢測效率不高，而且會有漏檢，難以保證質(zhì)量，嚴(yán)重制約了一次性注射器的生產(chǎn)效率。

針對本公司（包括國內(nèi)注射器生產(chǎn)企業(yè)）在針尖毛刺檢測方面的現(xiàn)狀，我們設(shè)計開發(fā)了基于機(jī)器視覺的一次性注射器針尖毛刺檢測系統(tǒng)，既能檢測針尖毛刺，同時能檢測針尖是否倒插等。它是用相機(jī)來采集針尖圖像，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)，對針尖的毛刺進(jìn)行自動識別，并顯示報警。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器視覺是在工業(yè)生產(chǎn)過程中代替人類視覺，對產(chǎn)品外形特征進(jìn)行自動檢測的一門技術(shù)。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall structure block diagram

基于機(jī)器視覺的一次性注射器針尖毛刺檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要由針排夾具、夾持定位裝置、圖像檢測裝置（兩個觸發(fā)拍照光電開關(guān)、兩個光源、兩個相機(jī)）、人機(jī)界面控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（步進(jìn)電機(jī)、滾珠螺桿、滑臺、兩個氣缸）等組成。如圖1所示。在針排夾具上放置一排共30個一次性注射器（由針筒和針管組成），各針管中待檢測的針尖朝上。夾持定位裝置對針管定位，使針管不超出相機(jī)拍照的視野范圍。氣缸1對針排夾具做定位。氣缸2對針排夾具做鎖緊和松開。步進(jìn)電機(jī)拖動滑臺在滾珠螺桿上做正反向運(yùn)動。圖像檢測裝置中的光電1、光源1、相機(jī)1和光電2、光源2、相機(jī)2跟隨滑臺一起運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)對針尖毛刺的動態(tài)檢測。人機(jī)界面控制系統(tǒng)對整個系統(tǒng)做運(yùn)動控制、觸發(fā)相機(jī)拍照、數(shù)據(jù)處理、測量結(jié)果顯示和故障報警提示等。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

針尖毛刺檢測系統(tǒng)的硬件部分由照明子系統(tǒng)、攝像子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成，其工作原理，如圖2所示。照明子系統(tǒng)對被測針尖進(jìn)行照明。攝像子系統(tǒng)把采集到的圖像信號經(jīng)數(shù)字處理后，通過USB接口傳輸?shù)娇刂谱酉到y(tǒng)。控制子系統(tǒng)據(jù)此再進(jìn)行分析處理，然后把檢測結(jié)果傳輸給狀態(tài)指示燈，同時控制步進(jìn)電機(jī)的動作，并通過針排夾具電磁閥來控制氣缸執(zhí)行針排夾具的定位、鎖緊或松開。

圖2 硬件系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Hardware system functional block diagram

2.1 照明子系統(tǒng)

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，一個合適的照明方式，可以獲取高品質(zhì)、高對比度的圖像。常見的照明光源類型有條形光源、背光源、環(huán)形光源、穹頂光源和同軸光源等。光源在顏色上又分為白色光、紅色光、藍(lán)色光、綠色光、黃色光和紫外光等。對于每種不同的檢測對象，必須采用不同的照明方式，才能突出被測對象的特征。

在本系統(tǒng)中，主要的任務(wù)是獲取清晰的針尖輪廓，以便于跟設(shè)定值相比較。在背光照明方式下，光源均勻地從被檢測物體的背面照射，可以獲取高清晰的針尖輪廓；而在環(huán)形光照明方式下，能產(chǎn)生最適合高反射物體的無方向、柔和的光。根據(jù)針尖這一被測物體的實(shí)際情況，并為了防止光源之間的干擾，設(shè)計了一套同時結(jié)合背光藍(lán)色照明和環(huán)形光紅色照明這兩種光源的照明子系統(tǒng)，由光源控制器以及光源1和光源2組成。

2.2 攝像子系統(tǒng)

刺、針尖倒插等圖像信息，所以設(shè)計了一套同時結(jié)合側(cè)面拍照和垂直拍照這兩種方式的攝像子系統(tǒng)。它由相機(jī)1、相機(jī)2、圖像處理器和圖像顯示器組成。

本系統(tǒng)設(shè)計是動態(tài)檢測，相機(jī)、光源、觸發(fā)拍照光電是跟隨滑臺一起運(yùn)動的，這就要求圖像的獲取和處理與滑臺的運(yùn)動同步進(jìn)行。調(diào)整好相機(jī)的位置，采用與滑臺同步的節(jié)奏獲取圖像，并迅速進(jìn)行圖像信號處理，然后把處理完畢的圖像數(shù)據(jù)及時送給控制子系統(tǒng)。

2.3 控制子系統(tǒng)

在動態(tài)檢測中，要抓拍到穩(wěn)定的圖像，并把檢測結(jié)果傳送到顯示界面，就要解決好防止拍照抖動、控制拍照時序、數(shù)據(jù)處理和信息顯示等問題。為此，設(shè)計了一套具有防止抖動、數(shù)據(jù)處理、控制與顯示等功能的人機(jī)界面控制子系統(tǒng)。它由PLC、擴(kuò)展模塊、觸摸屏、觸發(fā)拍照光電、步進(jìn)電機(jī)、針排夾具電磁閥和LED狀態(tài)指示燈等組成。

針排夾具電磁閥通過控制氣缸來執(zhí)行對針排夾具的定位、鎖緊或松開任務(wù)，以防止動態(tài)檢測中被測對象抖動。步進(jìn)電機(jī)拖動滑臺沿著針排夾具長度方向運(yùn)動，滑臺上懸掛了相機(jī)、光源，以實(shí)現(xiàn)對針尖毛刺的動態(tài)檢測。觸發(fā)拍照光電檢測被測針尖的位置是否到達(dá)相機(jī)采集區(qū)域。觸摸屏用來操作控制、設(shè)置運(yùn)動參數(shù)、顯示檢測結(jié)果、統(tǒng)計生產(chǎn)信息和故障報警提示等。PLC和擴(kuò)展模塊協(xié)調(diào)指揮針排夾具電磁閥動作、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動、相機(jī)拍照和光源亮滅，還接收攝像子系統(tǒng)送來的圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行歸類與處理，然后去點(diǎn)亮LED狀態(tài)指示燈等，完成對整個系統(tǒng)的控制。

在控制系統(tǒng)中，處理好觸發(fā)拍照、數(shù)據(jù)接收等時序關(guān)系是很重要的。其光電感應(yīng)、觸發(fā)相機(jī)拍照、圖像信號處理和PLC接收數(shù)據(jù)的控制時序，如圖3所示。

圖3 光電感應(yīng)、觸發(fā)拍照、圖像處理、數(shù)據(jù)接收的控制時序圖Fig.3 Photoelectric sensors, triggered camera, image processing, data reception control sequential chart

要獲得準(zhǔn)確、清晰的圖像，必須考慮到相機(jī)拍照的景深與視野范圍。側(cè)面拍照，可以獲取針尖高度、針尖傾斜等圖像信息；垂直拍照，可以獲取針尖毛

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

針尖毛刺檢測系統(tǒng)的軟件部分，由圖像模塊化流程處理軟件、PLC程序和觸摸屏程序組成。

圖像模塊化流程處理軟件的設(shè)計，主要包括針尖圖像采集、顏色灰度處理、二值化處理。PLC程序的設(shè)計，主要包括確認(rèn)產(chǎn)品種類與規(guī)格、判別操作方式；控制針排夾具氣缸的動作、電機(jī)的運(yùn)行、光源的亮滅、相機(jī)的觸發(fā)拍照；讀取圖像檢測數(shù)據(jù)信號以及對信號進(jìn)行處理并輸出驅(qū)動狀態(tài)指示燈；統(tǒng)計生產(chǎn)信息、輸出故障報警信號。觸摸屏程序的設(shè)計，主要包括：菜單選擇、品種規(guī)格選擇、操作方式選擇、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、自動與手動操作、顯示故障名稱、顯示生產(chǎn)信息和檢測結(jié)果。

3.1 圖像模塊化流程處理軟件

圖像模塊化流程處理軟件采用嵌入式系統(tǒng)模塊化軟件包，通過設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)的模塊化軟件包為針尖毛刺圖像處理提供了有效的功能，用它可以完成彩色、灰度以及二值圖像的顯示、處理（統(tǒng)計、濾波）等。

本系統(tǒng)的圖像模塊化流程處理軟件設(shè)計，充分考慮到拍照時的景深和視野要求，以及根據(jù)光源燈投射在針尖部位時毛刺會有反光的特點(diǎn)來捕捉毛刺，并對毛刺有無和毛刺大小的界定采用反光面積值的大小來表示。所以，對針尖的圖像檢測先進(jìn)行高度檢測，再進(jìn)行毛刺檢測。采集到針尖高度和針尖毛刺的圖像信息后，再進(jìn)行灰度處理、位置修正、面積測量、二值化處理等。整個對針尖進(jìn)行圖像模塊化流程處理的檢測結(jié)果，如圖4所示。

圖4 針尖檢測結(jié)果圖Fig.4 Needle Point Test Results

通過圖4這組圖片，可以說明圖像模塊化流程處理的過程。(1) 是把抓拍的針尖高度照片，是經(jīng)過顏色灰度過濾、邊緣位置修正、二值化處理后得到的圖片。此高度值作為后續(xù)抓拍針尖照片的景深標(biāo)準(zhǔn)。(2)是針尖源圖，直接通過CCD相機(jī)抓拍到的只截取針尖部分的圖片。(3)是針尖照片經(jīng)二值化處理后的圖片。(4)是對反光面積值再進(jìn)一步二值化處理后，能直接反映出針尖部位有無毛刺的圖片，其中A是有毛刺的圖片，B是沒有毛刺的圖片。

3.2 PLC程序

PLC程序采用梯形圖指令編程實(shí)現(xiàn)。它是以光電感應(yīng)、PLC觸發(fā)相機(jī)拍照、圖像處理、接收測量數(shù)據(jù)的控制時序，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)的排序處理結(jié)果來驅(qū)動LED狀態(tài)指示燈，協(xié)調(diào)控制針排夾具氣缸的動作、電機(jī)的運(yùn)行和光源的亮滅等。程序操作控制方式有三種，分別適用于不同的工況。

圖5 PLC程序流程框圖Fig.5 PLC Program Flow Diagram

PLC的子程序有7個，各子程序的功能如下：子程序1的功能是鎖緊氣缸伸出、電機(jī)正轉(zhuǎn)開始和相機(jī)開始拍照；子程序2的功能是讀取圖像數(shù)據(jù)并排序，把當(dāng)前結(jié)果送屏顯示、狀態(tài)燈顯示當(dāng)前結(jié)果；子程序3的功能是讀取圖像數(shù)據(jù)并排序，把當(dāng)前結(jié)果送屏顯示，狀態(tài)燈不顯示當(dāng)前結(jié)果；子程序4的功能是讀取圖像數(shù)據(jù)并排序，把當(dāng)前結(jié)果送屏顯示，狀態(tài)燈顯示上次結(jié)果；子程序5的功能是控制相機(jī)停止拍照，使電機(jī)正轉(zhuǎn)停止和反轉(zhuǎn)開始；子程序6的功能是鎖緊氣缸退回，擋塊氣缸仍伸出；子程序7的功能是鎖緊氣缸退回，擋塊氣缸也退回。

PLC主程序的流程框圖，見圖5所示。

3.3 觸摸屏程序

觸摸屏程序跟PLC程序的協(xié)調(diào)配合，通過USB接口實(shí)現(xiàn)。

在觸摸屏程序中，有數(shù)據(jù)寫入PLC和從PLC讀取數(shù)據(jù)的控制指令，以及對應(yīng)的存貯數(shù)據(jù)單元各2個；有菜單選擇、方式選擇、參數(shù)設(shè)置、操作控制、檢測結(jié)果顯示和故障報警提示等功能畫面共20幅。觸摸屏程序中的幾個主要功能畫面圖，如圖6所示。

4 結(jié)束語

采用機(jī)器視覺技術(shù)的一次性注射器針尖毛刺檢測系統(tǒng)，已于2011年7月1日成功地投入到生產(chǎn)流水線上使用。數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)對每張圖片的處理時間約為60毫秒，對針尖倒插和針尖倒鉤毛刺這種嚴(yán)重缺陷的檢測正確率可達(dá)100%。

本項目的研發(fā)成功屬國內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)了國內(nèi)對針尖毛刺檢測采用針排不動相機(jī)運(yùn)動這種動態(tài)檢測方式的空白。它解決了人工檢測難的問題，并能有效地保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的速度。

圖6 觸摸屏程序主要功能畫面圖Fig.6 Map of main functions of the touch screen program

目前，我們正在研發(fā)不但可在X軸方向動態(tài)檢測，還可在Z軸方向自動調(diào)整相機(jī)位置的針尖毛刺檢測機(jī)，以適應(yīng)各種不同高度針管規(guī)格的針尖毛刺檢測需要。