易拉罐空罐缺陷智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

楊 陽 趙春磊 查 朦 錢黎明 任俊楠

（1.南通理工學(xué)院，南通 226002；2.康美包（蘇州）有限公司，蘇州 215028）

易拉罐屬于飲料行業(yè)中必備的一種包裝容器，在啤酒、奶粉等產(chǎn)業(yè)中也有一定的應(yīng)用。易拉罐包裝具有一定的優(yōu)勢，但在實(shí)際使用中可能因?yàn)楦鞣N各樣的因素，使得易拉罐很容易出現(xiàn)空罐污染、空罐變形等缺陷而影響產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而影響產(chǎn)品的使用。所以，在易拉罐灌裝前，必須檢測好易拉罐空罐是否存在缺陷，這是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要防線。鑒于此，設(shè)計(jì)了一款易拉罐空罐缺陷檢測系統(tǒng)，針對(duì)易拉罐空罐的各個(gè)部位進(jìn)行精確、高速的檢測。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)工作原理

易拉罐空罐缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以將高速的圖像處理技術(shù)和相機(jī)功能相結(jié)合為基礎(chǔ)，將易拉罐空罐用光線照射，然后利用相機(jī)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)空罐的圖像采集。待檢測物品觸發(fā)光線接觸到相機(jī)后，光源隨后開始工作，相機(jī)拍照。相機(jī)處理圖像后，可將處理好的圖像高速傳輸?shù)焦た貦C(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步處理，最后將傳輸結(jié)果輸送到可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和信號(hào)板上。接收到信號(hào)后，將圖像傳輸?shù)綑z測系統(tǒng)，判定易拉罐是否為不合格產(chǎn)品[1]。

1.2 缺陷檢測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

易拉罐空罐缺陷檢測系統(tǒng)要求在易拉罐灌裝前完成圖像采集和處理程序，從而更加精確地找到缺陷并處理缺陷。缺陷檢測系統(tǒng)主要包含檢測裝置、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、負(fù)壓輸送帶和剔除裝置等結(jié)構(gòu)。

（1）檢測裝置。檢測裝置包含相機(jī)、半導(dǎo)體光源以及鏡頭3部分，可全面檢測易拉罐空罐。

（2）控制系統(tǒng)。采用PLC控制系統(tǒng)，用于剔除相機(jī)采集出來的不合格易拉罐產(chǎn)品，并統(tǒng)計(jì)其中不合格的易拉罐數(shù)量，為客戶數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)提供依據(jù)。為了保證PLC控制系統(tǒng)和整體系統(tǒng)的通信，需要落實(shí)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)工作[2]。

（3）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由工控機(jī)和顯示器組成。一般情況下，缺陷檢測的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要應(yīng)用兩臺(tái)工控機(jī)協(xié)同工作，以便更好地完成易拉罐缺陷檢測。

（4）負(fù)壓輸送帶?？紤]到易拉罐自身質(zhì)量很小，再加上傳輸鏈條的潤滑后，在傳輸易拉罐的過程中很容易出現(xiàn)空罐滑動(dòng)位移的情況。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，易拉罐在進(jìn)入加速的鏈條道后，傳輸中心會(huì)有所下移，很大程度上減少了易拉罐傾倒情況的出現(xiàn)。易拉罐缺陷檢測系統(tǒng)就是利用氣體吸收的原理，適當(dāng)增加易拉罐底部的重量，確保易拉罐在運(yùn)輸中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。具體操作是在負(fù)壓輸送帶中增加電機(jī)，確保氣體有效吸收，并在傳輸鏈道上打上了小孔，防止漏氣[3]。

（5）剔除裝置。剔除裝置的主體結(jié)構(gòu)包含高速高頻氣缸、氣源處理部件和電磁控制閥，用于完成易拉罐空罐缺陷的精準(zhǔn)剔除。

2 易拉罐空罐缺陷智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

2.1 易拉罐空罐系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

易拉罐是一種薄鐵皮制的罐裝容器。易拉罐從生產(chǎn)后到被用于飲料的罐裝，這一過程中經(jīng)歷的搬運(yùn)、上下料次數(shù)較多，可能導(dǎo)致易拉罐表面出現(xiàn)大大小小的損傷和缺陷。這些缺陷一般存在于罐口、罐身和罐底等部位。其中：罐口缺陷包括缺料、翹邊、卷邊等；罐身缺陷包括油污、鐵屑、罐身凹陷、癟罐及劃痕等；罐底缺陷包括油污、鐵屑、罐底變形及劃痕等。易拉罐系統(tǒng)主要包括5個(gè)模塊，分別為采集裝置、圖像分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、端子缺陷識(shí)別模塊以及篩選裝置，如圖1所示。

2.2 易拉罐空罐主要模塊的功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)借助模擬信號(hào)輸入函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的有效控制和數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集模塊的功能實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)多樣化的數(shù)據(jù)采集通道。要提前設(shè)置好數(shù)據(jù)文件的保存路徑、采樣頻率、點(diǎn)數(shù)以及通道號(hào)等重要參數(shù)[4]。在數(shù)據(jù)保存路徑選擇上，應(yīng)該選擇便于管理和調(diào)用的數(shù)據(jù)文件保存形式，將數(shù)據(jù)文件保存到固定位置，方便瀏覽查找。對(duì)于采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，應(yīng)該在各個(gè)通道設(shè)置列，便于文件存放。

2.2.2 圖像分析模塊

通過攝像頭采集易拉罐表面圖像信息，將圖像相關(guān)信息數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)顯示在顯示屏中形成在線信號(hào)波形，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將采集到的圖像以文件形式儲(chǔ)存。使用圖像讀取模塊讀取保存的文件，進(jìn)行均值預(yù)處理，展示相應(yīng)時(shí)域和頻域的波形數(shù)據(jù)。其中，時(shí)域波形以時(shí)間軸為間隔，頻域波形以頻率軸為間隔。處理模塊主要處理相關(guān)的信號(hào)，處理流程包含帶通濾波、包絡(luò)檢波以及低通濾波[5]。對(duì)采集到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理后轉(zhuǎn)到包絡(luò)檢波環(huán)節(jié)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整和變換，最后進(jìn)入低通濾波，完成圖像的整體處理。

2.2.3 缺陷識(shí)別模塊

缺陷識(shí)別模塊主要是通過在系統(tǒng)中增加傳感器，對(duì)易拉罐表面信息進(jìn)行傳感，及時(shí)感知異常部分。一些部位出現(xiàn)異常傳感信息時(shí)，則表示這個(gè)部位可能存在缺陷。針對(duì)檢測到的異常模塊信息，系統(tǒng)會(huì)將這些易拉罐通過分區(qū)通道傳送到篩選裝置，由專門的技術(shù)人員對(duì)缺陷進(jìn)行再次檢查、篩選。

2.3 易拉罐空罐缺陷檢測流程

當(dāng)易拉罐經(jīng)過輸送帶傳輸時(shí)，會(huì)慢慢由普通鏈道轉(zhuǎn)向負(fù)壓鏈道。在負(fù)壓鏈道傳輸時(shí)，傳輸速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鏈道，從而通過速度差距將不同的易拉罐隔開一定的間距。在負(fù)壓鏈道的傳輸板上增加小孔，這樣在負(fù)壓作用下易拉罐可以牢牢吸附在負(fù)壓板上，從而達(dá)到穩(wěn)定傳輸?shù)哪康?。?dāng)易拉罐傳輸?shù)焦怆娤到y(tǒng)中時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟照明功能和拍照功能，從而采集易拉罐空罐的圖像，并進(jìn)行除噪處理，進(jìn)一步增強(qiáng)圖像的采集質(zhì)量。當(dāng)圖像采集并處理完成后，需要進(jìn)一步定位易拉罐空罐的位置。有異常情況的空罐，則會(huì)在定位步驟中出現(xiàn)差錯(cuò)，此時(shí)可以直接將其視為不合格易拉罐。具體的易拉罐空罐缺陷檢測流程，如圖2所示。

易拉罐空罐缺陷檢測將對(duì)成功定位的空罐分割成多個(gè)檢測單元?？紤]到易拉罐的形狀各異，還有一些不規(guī)則形狀，需要借助圖像分割處理，對(duì)空罐的相應(yīng)缺陷進(jìn)行圖像信息采集。做好缺陷數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)后，設(shè)計(jì)定值的比較，能夠?qū)Ρ扰袛嘁桌薜纳a(chǎn)是否滿足要求。

系統(tǒng)檢測時(shí)，采用LabVIEW建立虛擬診斷設(shè)備。處理電控發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷檢測問題是目前發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷檢測中比較先進(jìn)的缺陷檢測方法，能夠在虛擬診斷模型下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。以LMS公司的Testlab軟件結(jié)構(gòu)為藍(lán)本，參照東方所的DASP軟件，在LabVIEW 7.0虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)上，開發(fā)出電控發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)測與缺陷檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)按照功能劃分為參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)及顯示模塊、幅域分析模塊、時(shí)域分析模塊、頻域分析模塊、時(shí)頻分析模塊和缺陷檢測模塊。系統(tǒng)采用M公司提供的PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)采集，并按后序數(shù)據(jù)處理的要求分類存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)流文件和波形數(shù)據(jù)文件。

第一，缺陷問診。系統(tǒng)在使用過程中難免會(huì)出現(xiàn)故障，而實(shí)踐中也經(jīng)常圍繞缺陷檢測流程討論檢修方法。問診是基礎(chǔ)，通過對(duì)生產(chǎn)員的詢問來了解缺陷發(fā)生、發(fā)展的全過程，以獲得相關(guān)信息，為進(jìn)一步診斷打好基礎(chǔ)。

第二，癥狀確認(rèn)。問診后不能急于動(dòng)手，還需要確認(rèn)癥狀，因?yàn)榇嬖谥T多因素可能會(huì)使問診信息在一定程度上失真。比如，生產(chǎn)員提供的信息不夠準(zhǔn)確。有的信息是因?yàn)樯a(chǎn)員描述不夠準(zhǔn)確，有的信息是因?yàn)樯a(chǎn)員本人對(duì)生產(chǎn)情況了解不夠詳細(xì)，因此需要通過缺陷再現(xiàn)確認(rèn)癥狀。

第三，直觀檢查。并非所有的缺陷檢測都需要?jiǎng)佑迷\斷儀，有時(shí)通過直觀檢查也可以快速找到缺陷原因或重要線索，因此維修中需要靈活運(yùn)用多種手段，確保按照由簡至繁的原則進(jìn)行診斷，以提高維修效率。

第四，解碼診斷。利用系統(tǒng)中的電控發(fā)動(dòng)機(jī)自檢測系統(tǒng)讀取缺陷碼，是檢測電控發(fā)動(dòng)機(jī)過程中非常重要的一步。缺陷碼對(duì)調(diào)整方向的確定和檢測流程具有重要意義。讀取缺陷碼的方法可分為人工讀碼和采用儀器檢測兩種。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)的這款易拉罐空罐缺陷檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)易拉罐空罐圖像的采集和處理。結(jié)果表明：智能檢測系統(tǒng)能夠針對(duì)易拉罐的罐口、罐身、罐底各個(gè)部位可能存在的異物、變形等缺陷進(jìn)行有效檢測。如今，這款易拉罐空罐缺陷智能檢測系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)企業(yè)生產(chǎn)的過程，并與其他檢測系統(tǒng)配合使用，擁有廣闊的應(yīng)用前景。