塑料瓶蓋瑕疵分揀產(chǎn)線的設(shè)計與開發(fā)

摘 要：該文探討塑料瓶蓋瑕疵分揀產(chǎn)線的研發(fā)過程，分析產(chǎn)線的機械結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)的設(shè)計方案。在機械結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計上料機構(gòu)和理料機構(gòu)。在電氣系統(tǒng)方面，該產(chǎn)線采用先進的控制技術(shù)和智能化設(shè)備。該文的研究不僅為塑料瓶蓋瑕疵分揀產(chǎn)線的設(shè)計提供理論支持和實踐經(jīng)驗，還為其他類似產(chǎn)線的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：機器視覺；瑕疵；瓶蓋分揀；機械結(jié)構(gòu)；電氣系統(tǒng)

中圖分類號：TP278 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0125-04

Abstract： This paper explores the research and development process of the plastic bottle cap defect sorting production line， and analyzes the design scheme of the mechanical structure and electrical system of the production line. In terms of mechanical structure， the feeding mechanism and material handling mechanism are designed. In terms of electrical system， the production line adopts advanced control technology and intelligent equipment. The research of this paper not only provides theoretical support and practical experience for the design of plastic bottle cap defect sorting production line， but also provides reference for the research and development of other similar production lines.

Keywords： machine vision; defects; bottle cap sorting; mechanical structure; electrical system

塑料瓶蓋瑕疵分揀產(chǎn)線的設(shè)計與開發(fā)源于生產(chǎn)線上的質(zhì)量問題和效率需求，為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，需要設(shè)計與改造塑料瓶蓋瑕疵分揀產(chǎn)線。通過設(shè)計自動化設(shè)備機械結(jié)構(gòu)和改進智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)快速、準確地分揀瓶蓋，減少人工干預，提高生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

1 研究現(xiàn)狀

目前，市場上的瓶蓋檢測瑕疵和分揀的過程中存在以下技術(shù)問題。

1）抽檢方式多是人工手動抽檢，其抽檢方式效率較低，且抽檢并不能保證所有產(chǎn)品均不會出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，進而導致檢測結(jié)果存在一定的誤差。

2）人工抽檢的過程中難以對不同厚度大小的待檢測瓶蓋進行多個同時檢測，導致其檢測效率較低，且檢測結(jié)果不準確。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)綜合運用自動化檢測技術(shù)與自動控制技術(shù)，基于機器視覺設(shè)計開發(fā)一套分揀瑕疵瓶蓋自動化產(chǎn)線改造方案，對現(xiàn)有瓶蓋生產(chǎn)線進行升級改造，實現(xiàn)對一種長圓柱形塑料瓶蓋進行自動生產(chǎn)、理料、檢測與分揀。本系統(tǒng)設(shè)計與改造了一種瓶蓋自動檢測瑕疵和分揀的設(shè)備，設(shè)備包括推板上料、理料裝置、輸送帶結(jié)構(gòu)、檢測臺和分揀結(jié)構(gòu)。該裝置可代替現(xiàn)有的人工手動抽檢的方式，解決人工抽檢所帶來的檢測結(jié)果不穩(wěn)定、檢測效率低及人工檢測無法同時對不同厚度大小的待檢測瓶蓋進行多個同時檢測定位等問題，可以對不同厚度大小的待檢測瓶蓋的定位，實現(xiàn)了自動化系統(tǒng)作業(yè)，提高檢測效率；自動檢測代替人工抽檢方式，可提高檢測結(jié)果的準確性，降低因檢測結(jié)果存在誤差所導致的液體出現(xiàn)漏氣和漏液的概率，防止后期產(chǎn)品出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。

3 系統(tǒng)研究目的、意義、假設(shè)及核心概念

3.1 研究目的

在瓶蓋的生產(chǎn)過程中會存在諸多問題，例如字跡打印不清、瓶蓋存在缺口、瓶蓋存在雜質(zhì)和瓶蓋漏氣等一系列的問題，這些問題嚴重影響到后續(xù)瓶蓋組裝，并降低了產(chǎn)品的品質(zhì)，因此在生產(chǎn)線上對瓶蓋的檢測就成為了必不可少的一環(huán)。通過對煙臺周邊市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，包括富士康在內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)，70%以上的工業(yè)表面缺陷檢測是通過人工來完成的。人工檢測瑕疵瓶蓋，不僅人力成本高，不便于統(tǒng)計，還需要工人長時間集中注意力，時間久了工人注意力下降就會導致效率低、準確率低等問題的出現(xiàn)。

3.2 研究意義

本系統(tǒng)主要為了解決市場上檢測和分揀瓶蓋效率低、準確率低以及對后面瓶蓋組裝等問題，通過對多個待檢測瓶蓋同時檢測，提高分揀瑕疵瓶蓋的效率和質(zhì)量，實現(xiàn)自動化、數(shù)字化節(jié)省生產(chǎn)成本和便于統(tǒng)計。

3.3 研究假設(shè)

塑料瓶蓋瑕疵分揀產(chǎn)線研究問題主要涉及自動化檢測、分揀技術(shù)以及產(chǎn)線的優(yōu)化等方面。以下是針對煙臺昌瑞包裝科技有限公司調(diào)研發(fā)現(xiàn)的研究問題。

1）自動化檢測技術(shù)：如何有效、準確地檢測出塑料瓶蓋上的瑕疵，如缺字、斷線、錯位、黑點、缺料、下管破損、印字不良、壓不到位和劃傷等?，F(xiàn)有的機器視覺技術(shù)、深度學習等方法可能可以應(yīng)用于此，但仍需要研究如何針對不同類型的瑕疵進行優(yōu)化，提高檢測精度和效率。

2）分揀技術(shù)：一旦檢測出瑕疵，如何將不合格的瓶蓋從合格的瓶蓋中分揀出來。這可能需要研究使用機器人、自動化設(shè)備等，實現(xiàn)快速、準確、高效地分揀。

3）產(chǎn)線優(yōu)化：如何優(yōu)化現(xiàn)有的塑料瓶蓋生產(chǎn)線，使其能夠更好地適應(yīng)瑕疵檢測與分揀的需求。這可能涉及產(chǎn)線的布局、設(shè)備的選擇、生產(chǎn)流程的設(shè)計等方面。

該企業(yè)現(xiàn)有的瓶蓋瑕疵分揀設(shè)備，主要包含上料倉、提升傳送帶、振動盤和下料口。待檢測瓶蓋先被倒入到上料倉，再經(jīng)提升傳送帶提升至振動盤，振動盤起到理料作用，將瓶蓋整理成封閉面朝下的方向，但理料效率低，吹氣口的氣泵需要一直工作，浪費能源。整理好的瓶蓋沿著籠子狀金屬下料裝置一個一個下滑到底端，瓶蓋朝向都是封閉面朝上，以便工人對瓶蓋內(nèi)側(cè)進行瑕疵的人工檢測，但人工檢測的效率低且準確率僅80%左右。

基于以上問題，該項目研究如何使用機器視覺技術(shù)，通過視覺相機來對瓶蓋進行360°無死角的檢測；研究為了保證視覺檢測口一次檢測一個瓶蓋，如何拉開瓶蓋間距；研究如何重新設(shè)計理料結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自動上料，保證待檢測的瓶蓋準確定位。

3.4 核心概念

3.4.1 機器視覺技術(shù)

視覺檢測自動化設(shè)備在瓶蓋外觀缺陷檢測中的應(yīng)用主要有3個方面：一是尺寸測量，包括蓋體外徑、螺紋內(nèi)徑、蓋子高度等。二是表面瑕疵檢測，比如粘膠、毛邊、缺口、變形、黑點、溢料、崩牙、色差、油污和褶皺等。三是瓶蓋上的印刷質(zhì)量檢查，一些產(chǎn)品的瓶蓋上會印有生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、條碼和二維碼等信息，需要檢測是否存在缺印、漏印、印刷模糊、噴印不全和歪斜等不良情況。視覺檢測自動化設(shè)備采用自動上料方式，通過配置能夠?qū)ζ可w的正面、反面、內(nèi)部和側(cè)面360°進行全方位、全自動測量，還可以自動剔除不良品。檢測數(shù)據(jù)實時存儲，便于后續(xù)的管理和查詢。

機器視覺檢測的工作原理主要有以下5個過程：圖像采集—圖像預處理—字符分割—字符識讀—圖像后期處理。

3.4.2 星盤間距結(jié)構(gòu)

星盤間距結(jié)構(gòu)是一種旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，包括轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動連接在機架上的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上固定連接有轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上設(shè)有若干個用于放置產(chǎn)品零件的彈簧夾具基臺，機架內(nèi)設(shè)有用于驅(qū)動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動機構(gòu)。機架上還設(shè)有若干個用于固定產(chǎn)品零件的輔助固定機構(gòu)。輔助固定機構(gòu)包括通過鉸接軸鉸接在基臺上的定位叉和設(shè)于基臺上的定位柱。

3.4.3 上料機構(gòu)及運行機構(gòu)

上料機構(gòu)完成瓶蓋的自動上料。推板上料機構(gòu)用于瓶蓋傳送控制，一是控制上料機構(gòu)的及時補料，二是控制瓶蓋位置以便于將瓶蓋整理成一個方向。運行機構(gòu)用于控制瓶蓋排成一條直線運行，傳送到視覺檢測位置，完成待檢，實現(xiàn)過程的全自動化。

4 系統(tǒng)軟件與硬件研究

4.1 研究設(shè)計

從電氣控制整體結(jié)構(gòu)來看，整個系統(tǒng)分為2部分：機器視覺系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)。PLC連接現(xiàn)場的傳感器輸入設(shè)備和電機、氣缸輸出設(shè)備等。PLC通過輸入傳感器的不同狀態(tài)，控制輸送帶電機運行和停止，控制分揀氣缸的伸出與縮回。機器視覺系統(tǒng)負責對待測瓶蓋進行拍照、圖像數(shù)據(jù)的采集及處理、瑕疵結(jié)果的判斷。PLC與機器視覺通過通信互通信息，當機器視覺判定為瑕疵品時PLC控制輸送皮帶停止運行，分揀氣缸完成一次分揀動作，把瑕疵品推入次品區(qū)，若判斷結(jié)果為合格品，皮帶正常運行，帶動合格品落入正品區(qū)。

4.2 研究對象

從結(jié)構(gòu)組成來分，該系統(tǒng)包括采集及通信模塊、控制器模塊、視覺檢測模塊、監(jiān)控模塊和終端模塊。采集及通信模塊即傳感檢測部分和通信模塊。控制器模塊即信息處理及控制部分，由PLC實現(xiàn)。視覺檢測模塊由視覺相機、視覺控制器、光源和視覺軟件等組成。監(jiān)控模塊即實時監(jiān)控部分，由觸摸屏實現(xiàn)。終端模塊即終端設(shè)備部分，由提升皮帶電機、氣缸等實現(xiàn)。

系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2部分。硬件設(shè)計包括元器件選型、機械設(shè)計、電氣設(shè)計和接線問題。軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)處理、通信方法、輸出控制、視覺圖像采集及判斷等部分的程序設(shè)計。

4.3 研究發(fā)現(xiàn)或結(jié)論

4.3.1 硬件機械設(shè)計

機械設(shè)計需要結(jié)合工藝流程進行設(shè)計。該企業(yè)生產(chǎn)的瓶蓋直徑為30 mm，高度為45 mm，分揀瓶蓋需要在上料過程中對瓶蓋進行瓶蓋朝向的整理，利用上下表面密度不同調(diào)整瓶蓋朝向，再通過視覺相機進行檢查，最后視覺相機反饋給PLC，PLC控制氣缸將不合格產(chǎn)品剔除生產(chǎn)線。

首先進行瓶蓋朝向整理，二級推板與平面與水平面傾斜15°，推板寬度為22 mm，靠近料倉最近的推板邊緣，正上方裝一個金屬擋板，傾斜可以利用重力使瓶蓋更容易進入二級推板上，金屬擋板起到剔料作用。推板上料，有糾正瓶蓋朝向的作用，糾正完的瓶蓋朝向為瓶蓋口朝右。

然后通過一級推板將瓶蓋推送至1級傳送帶，1級傳送帶在前，2級傳送帶在后，一級傳送帶通過弧形擋板使瓶蓋向出口處不斷收攏下落，分揀瓶蓋不會出現(xiàn)淤堵和過多瓶蓋積壓的現(xiàn)象，且在1級傳送帶下方，有垂直位移差，傳送帶寬度均大于瓶蓋直徑。1級傳送帶垂直方向高于2級傳送帶，因為1級傳送帶終點處因傳送帶會有一定弧度彎曲，使用光滑金屬板保證軌道面水平，在金屬板正上方安裝一個掛鉤裝置，掛鉤裝置將同一種朝向的瓶蓋勾起，整理成封閉面朝下，1級、2級傳送帶的垂直位移差可將另一種朝向瓶蓋在重力作用下整理成封閉面在下。

再通過2級傳送帶的出口端，其設(shè)置有等間距拉大結(jié)構(gòu)。瓶蓋輸送至星盤結(jié)構(gòu)，所述星盤結(jié)構(gòu)起到將瓶蓋逐個拉大距離的作用。至視覺檢測端，4個視覺相機中有3個安裝在同一水平面，按120°空間等距分布，第4個相機安裝在瓶蓋檢測位置正上方。這種布置保證了視覺相機拍照無盲區(qū)，瑕疵件檢測出來后通過氣缸推入次品區(qū)，合格品再由輸送帶送入下料區(qū)。

4.3.2 硬件電氣設(shè)計

整個系統(tǒng)的電氣設(shè)計分為2部分：PLC部分和機器視覺部分。

1）瑕疵分揀系統(tǒng)的PLC電氣接線。本瑕疵分揀系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器（PLC）、傳感器、執(zhí)行器以及其他輔助設(shè)備構(gòu)成。其中，PLC作為核心控制單元，負責處理傳感器信號并控制執(zhí)行器動作。PLC與其他模塊的通信是采用基于以太網(wǎng)通信接口的TCP協(xié)議。以下對主要組成電路進行說明。

電源接入回路。確保主電源穩(wěn)定接入PLC及其他電氣設(shè)備的電源模塊，使用符合規(guī)格的電源線和斷路器，以保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

傳感器連接回路。傳感器作為檢測系統(tǒng)的重要組成部分，其輸出信號需正確接入PLC的輸入模塊。需根據(jù)傳感器類型和檢測需求選擇合適的連接方式。

執(zhí)行器控制回路。PLC的輸出模塊需與執(zhí)行器控制線路相連，以實現(xiàn)對執(zhí)行器（如電機、氣缸等）的精確控制。需根據(jù)執(zhí)行器類型和動作要求選擇合適的驅(qū)動方式和控制邏輯。

輸入設(shè)備接入回路。將操作員控制按鈕、開關(guān)等輸入設(shè)備接入PLC的輸入模塊，確保操作員能夠方便地對系統(tǒng)進行控制。

輸出設(shè)備連接回路。將系統(tǒng)狀態(tài)指示燈、顯示器等輸出設(shè)備接入PLC的輸出模塊，以便實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)和操作反饋。

2）瑕疵分揀系統(tǒng)的機器視覺電氣接線。機器視覺技術(shù)通過模擬人類視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)對產(chǎn)品表面瑕疵的快速、準確檢測。該系統(tǒng)由多個核心組件構(gòu)成，包括相機、光源、顯示屏和控制器。這些組件通過通信電纜緊密相連，共同協(xié)作，以實現(xiàn)高效、準確的瑕疵分揀。

首先，相機作為機器視覺系統(tǒng)的“眼睛”，負責捕捉瓶蓋的圖像。為了獲取清晰、高質(zhì)量的圖像，需要選擇合適的光源來照亮瓶蓋。不同的光源類型和照射方式會對圖像采集產(chǎn)生直接影響。在瓶蓋分揀產(chǎn)線中，通常會使用均勻柔和的照明方式，以減少陰影和反光，從而提高圖像質(zhì)量。

其次，顯示屏用于展示相機捕捉到的圖像，幫助操作人員實時監(jiān)控生產(chǎn)線的運行狀態(tài)?？刂破鲃t是機器視覺系統(tǒng)的“大腦”，負責處理圖像數(shù)據(jù)、識別瑕疵，并發(fā)出相應(yīng)的控制信號?？刂破魍ㄟ^算法對圖像進行分析，識別出瓶蓋上的瑕疵，如污漬、劃痕、變形等。一旦識別到瑕疵，控制器會立即發(fā)出指令，通過PLC系統(tǒng)控制機械臂或其他執(zhí)行機構(gòu)將瑕疵瓶蓋分揀出來。

機器視覺系統(tǒng)的輸入輸出與PLC系統(tǒng)通過以太網(wǎng)建立通信，形成瓶蓋自動瑕疵分揀產(chǎn)線的電氣系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)作為產(chǎn)線的大腦，負責協(xié)調(diào)各個設(shè)備之間的運行，確保生產(chǎn)線的穩(wěn)定、高效運行。機器視覺系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)的緊密結(jié)合，使得整個產(chǎn)線實現(xiàn)了高度自動化和智能化，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

在實際應(yīng)用中，機器視覺系統(tǒng)的性能受到多種因素的影響，如光照條件、相機參數(shù)、圖像處理算法等。因此，在實際應(yīng)用中需要不斷優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和算法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。

3）軟件設(shè)計。本系統(tǒng)最終要通過軟件編程，實現(xiàn)瓶蓋上料后根據(jù)傳感器反饋的信號，控制電機的運行和停止，并啟動機器視覺CCD拍照，經(jīng)過視覺軟件的圖像處理，判斷檢測結(jié)果，再將結(jié)果輸出給PLC，PLC控制下料口氣缸的動作。

PLC與視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換采用的是基于以太網(wǎng)2e9d48052f2ad84bd3b7890610f60364接口的TCP通信，軟件設(shè)計中通過雙方發(fā)送通信請求，然后開始建立通信，隨后關(guān)閉通信。這樣，避免了因為多個設(shè)備通信的傳輸而出現(xiàn)的數(shù)據(jù)沖突。

4.4 機器的主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)：要分揀的瓶蓋外形為塑料拉環(huán)瓶蓋，圓柱形，直徑為50 mm，長度為45 mm，一端封閉；壓力選擇范圍為500～880 N；最大速度為3 000個/h；氣源壓力為0.4～0.7 MPa；耗氣量小于等于40 L/min；電源220 V/50 Hz。機器可以實現(xiàn)常用瓶蓋的自動瑕疵檢測，目前已在食用油瓶蓋、酒瓶蓋等生產(chǎn)行業(yè)得到應(yīng)用。

4.5 與同類產(chǎn)品比較

目前國內(nèi)瓶蓋自動瑕疵檢測設(shè)備大多是在傳統(tǒng)的瓶蓋上料裝置基礎(chǔ)上進行設(shè)計和改進，保持了機器價格的適中定位。多數(shù)具有設(shè)計、生產(chǎn)基礎(chǔ)的企業(yè)依據(jù)各自生產(chǎn)的瓶蓋自動化產(chǎn)線實際情況，結(jié)合使用不同的自動上料方式、傳送方式來實現(xiàn)瓶蓋的自動瑕疵分揀。

國內(nèi)相同類型的機器主要是在允許瓶蓋的最大直徑、檢測速度、上料方式和傳送方式上有所區(qū)別，多數(shù)機器的允許瓶蓋最大直徑在80～100 mm，檢測分揀速度為2 400～2 700個/h。

自動上料的方式則各不相同，有采用振動盤上料，也有用落料式上料或刮板式上料，每種方式上料的質(zhì)量、上料的速度有所不同，可以滿足不同需求的客戶。推板式輸送上料機構(gòu)，上料速度更快。對于機器的傳送方式，國內(nèi)有部分機器采用凸輪分割器的分度旋轉(zhuǎn)方式進行傳送，相比所設(shè)計的星盤傳送機構(gòu)，凸輪分割器有更高的傳送精度，但分割器傳送時工位之間需旋轉(zhuǎn)角度，增加了傳送時間，影響了轉(zhuǎn)送速度，降低了傳送效率。

5 應(yīng)用價值

該裝置解決并代替了現(xiàn)有的人工手動抽檢的方式所帶來的檢測結(jié)果不穩(wěn)定，檢測效率低，且檢測過程中無法同時對不同厚度大小的待檢測瓶蓋進行多個同時檢測定位的問題，可實現(xiàn)對不同厚度大小的待檢測瓶蓋的定位固定，實現(xiàn)了自動化系統(tǒng)作業(yè)，提高檢測效率，最高可對3 000個/h待檢測瓶蓋進行檢測，并且代替了人工抽檢的方式，提高了檢測結(jié)果的準確性，瑕疵分揀的準確率達97%。一臺設(shè)備可節(jié)省2名勞動力的成本。

參考文獻：

[1] 田林曉.基于YOLO框架的醫(yī)用創(chuàng)可貼瑕疵識別與分揀研究[D].金華：浙江師范大學，2019.

[2] 王鑫，周海燕，劉梁昊.果蔬分揀機械手研究進展[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2020，48（11）：4-8.

[3] 張炳星，高軍偉，王建沖，等.基于機器視覺的圓形墊圈尺寸測量系統(tǒng)設(shè)計[J].工具技術(shù)，2023，57（7）：141-145.

[4] 郭建軍，楊霖，張恩威，等.基于機器視覺的裂紋雞蛋分揀系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備.2024，45（1）：45-52.

[5] 王銳鋒，徐智浩，劉成沛，等.機械系統(tǒng)直軸零件直徑高精度視覺測量方法研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2023（7）：111-116.

作者簡介：莊艷艷（1986-），女，碩士，講師。研究方向為工業(yè)自動化。