[align=center]The application of Machine vision in the empty bottle inspection 李巍巍 （山東藝術學院現代技術教育部，山東 濟南）[/align] 摘要：針對現場啤酒空瓶檢測的特點，分析機器視覺在啤酒空瓶檢測方面的應用價值，將其應用于啤酒瓶空瓶檢測，在啤酒生產線綜合應用PLC與計算機，形成在線啤酒空瓶檢測機。 關鍵詞：機器視覺,空瓶檢測 Abstract：Aimed at the characteristic of empty bottle inspection, analyzed the machine vision and its value of application in empty bottle inspection. The system applied the machine vision in the empty bottle inspection. Combined the PLC with computer, applied it in the beer production line, formed the empty bottle inspector. Key words：machine vision, empty bottle inspection 1 引言 在啤酒釀造過程中，影響產品質量的因素很多，例如原料質量、工藝、釀酒技術等，另外酒瓶缺陷和污物（瓶口、瓶身和瓶底）也是影響啤酒質量的一個關鍵要素。所以在啤酒灌裝前必須對空啤酒瓶進行檢測，把不合格品剔除，才能進行啤酒的灌裝。而目前我國大多數啤酒廠還是采用人工對空啤酒瓶質量進行檢測，效率低下，速度慢，勞動強度大。 機器視覺極適用于大批量生產過程中的測量、檢查和辨識，線陣CCD在連續(xù)、掃描在線測量中的應用非常具有優(yōu)勢。用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度，而且機器視覺易于實現信息集成，可極大地提高產品質量，提高生產效率。所以，針對啤酒瓶檢測這種帶有高度重復性的工作，應用機器視覺理論開發(fā)一套啤酒空瓶檢測裝置實現空瓶的自動化檢測在實際中具有很大的意義。 2 機器視覺簡介 簡言之，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。 2.1 機器視覺的原理 機器視覺是用計算機來分析從攝像機所獲得的圖像的一種方法，分析結果被用來報告信息（探測結果）、控制工藝過程或移動物體。 采用CCD照相機將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如：面積、長度、數量、位置等；最后，根據預設的容許度和其他條件輸出結果，如：尺寸、角度、偏移量、個數、合格/不合格、有/無等[sup][1][/sup] 。 2.2機器視覺的特點 機器視覺檢測技術具有速度快、精度高、自動化程度高等突出的優(yōu)點，能很好的滿足現代制造業(yè)的需求，在實際中顯示出廣闊的應用前景。機器視覺與傳統(tǒng)計算機視覺從廣義上來說都是利用圖像處理技術達到對目標的理解、識別等，但是從應用上來說機器視覺具有獨特的特點: 1、機器視覺是一項綜合技術，其中包括數字圖像處理技術、機械工程技術、控制技術、電光源照明技術、光學成像技術、傳感器技術、模擬與數字視頻技術、計算機軟硬件技術，人機接口技術等。這些技術在機器視覺中是并列關系，相互協(xié)調應用才能構成一個成功的機器視覺應用系統(tǒng)。 2、機器視覺更強調實用性，要求能夠適應工業(yè)生產中惡劣的環(huán)境，要有合理的性價比，要有通用的工業(yè)接口，能夠由普通工人來操作，有較高的容錯能力，有較高的安全性，不會破壞工業(yè)產品，還必須有較強的通用性和可移植性。 3、機器視覺更強調實時性，要求高速度和高精度，因而計算機視覺和數字圖像處理理論中的許多技術日前還難以應用于機器視覺，它們的發(fā)展速度遠遠超過其在工業(yè)生產中的實際應用速度。 3 啤酒瓶檢測的特點 啤酒空瓶的檢測具有如下特點： 1、材料是玻璃，這對很多傳統(tǒng)檢測技術來說是個難題； 2、啤酒空瓶檢測強調實時、在線，確保對過程實現全面控制，提高生產效率和產品的合格率。比如現在很多啤酒生產線生產速度在36000瓶/時以上，這是許多傳統(tǒng)檢測手段無法提供的； 3、空瓶形狀復雜，不利于實現接觸方式檢測，而非接觸方式是傳統(tǒng)檢測技術所不能解決的問題。 針對啤酒空瓶檢測的特點與要求，實際中主要針對四個方面進行檢測，檢測環(huán)節(jié)與檢測內容簡列如下： 1、瓶口檢測：瓶口密封面檢測,螺紋檢測 2、瓶壁檢測:瓶壁內、外表面污物檢測,磨損度檢測 3、瓶底檢測: 瓶底污物,裂紋 4、瓶內殘液檢測:殘留堿液,殘留油,殘留水 空瓶經過檢測機，如果上述4項檢測都合格則順利進入生產線的下一個環(huán)節(jié)，如果不合格將由剔除器來剔除。如瓶子破損則被剔除到垃圾箱，直接銷毀；如瓶子內有殘留液，則剔除到另一條傳送帶，經過傳送帶傳送到洗瓶環(huán)節(jié)。 4 系統(tǒng)設計 在圖像的采集處理上，系統(tǒng)通過4個相機分別獲取瓶口、瓶底、瓶壁的圖像，并加以識別處理，圖象處理的結果可送入人機界面，也可以通訊給PLC。人機界面與驗瓶機PLC通訊，可以讀寫PLC內部數據。瓶子通過無壓力傳送單元傳入驗瓶機，而驗瓶機PLC結合檢測元件與編碼器，最終達到剔除不合格瓶子的結果。系統(tǒng)框架如圖1-1所示。 4.1 CPU模塊 選用SIMATIC S7-300系列CPU315-2DP。它具有MPI接口和PROFIBUS-DP主/從接口，可用于中大規(guī)模的I/O配置，也可用于建立分布式I/O結構，正適合建立與各遠程子站相接的結構。它具有64K的程序存貯器，2048個位存貯器，64個計數器，128個定時器，定時范圍為10ms-9990s。 CPU315-2DP總I/O地址空間為1024/1024字節(jié)，其中過程映像I/O為128/128字節(jié)。數字I/O總數為8192個通道，其中集中的I/O為1024個通道。模擬I/O總數為512個通道，其中集中的I/O通道數為256I/128O。每個系統(tǒng)可以擴展32個模塊，模塊內集成背板總線。 [align=center][IMG=機器視覺在啤酒瓶檢測中的應用]/uploadpic/tech/2008/4/20080408150508393357.jpg[/IMG] 圖1-1系統(tǒng)硬件框架[/align] 4.2 視覺傳感器 視覺傳感器采用VS710，它是一個智能化的、一體化的、帶PROFIBUS接口的、分布式的灰度級工業(yè)視覺系統(tǒng)，它將圖象處理器、CCD、I/O集成在一個小型機箱內，提供PROFIBUS的聯(lián)網方式或集成的I/O和RS232接口。更重要的，通過PC WINDOWS下的Pro Vision參數化軟件進行組態(tài)，VS710第一次將PC的靈活性、PLC的可靠性、分布式網絡技術和一體化設計結合在一起，在PLC和PC體系之間找到了完美的平衡[sup][2][3][/sup] 。 VS710集成數字化照相機：高分辨率CCD,768＊512方形象素；直接象素數字化采樣，無轉換誤差；集成全幀快門，適合運動物體。 VS710集成CPU快速處理灰度圖像：80486 100M CPU，直接處理象素數據；16MB RAM，可執(zhí)行復雜程序；16MB FLASHDISK，最多存儲200個程序；2MB 圖像存儲器，可在處理圖像時同步抓取下一幅圖像；采用倍速掃描技術，圖像采集過程中即可進行評估；半幀模式時吞吐率達25件/秒，全幀模式時達16件/秒。 VS710采用標準連接接口： PROFIBUS-DP，傳輸率9.6Kbps-12Mbps；節(jié)點地址號1-125，標準9針接口；9.6Kbps-115Kbps。 VS710采用ProVision軟件進行參數化：利用PROFIBUS-DP對幾個從屬VS710進行遠程配置；用RS232和PROFIBUS進行在線參數傳輸；畫面只顯示有問題的圖像而不影響處理性能。 4.3 視頻檢測環(huán)節(jié) 以瓶底檢測為例，閃光燈通過光學透鏡和濾光系統(tǒng)照射在瓶口中，瓶口密封面反射光線傳送到CCD相機，在CCD相機中成像為圓環(huán)。處理后的圖像將用于評估，以判斷瓶口的好壞。 [align=center][IMG=機器視覺在啤酒瓶檢測中的應用]/uploadpic/tech/2008/4/2008040815053149849J.jpg[/IMG] 圖2 瓶口檢測圖像[/align] 圖像的主要形狀是環(huán)形，如果沿環(huán)形的某個位置上有缺陷，則缺陷處的灰度相對環(huán)形的其他位置會有一個較大的變化。這個灰度的變化是我們檢測的重要參數，通過它可以確定瓶口是否有缺損。圖3為有殘缺瓶口的圖像。 [align=center] 圖3 有殘缺瓶口的圖像 圖4[/align] 在圖象上畫一條線，然后分析線上的灰度值，對灰度的變化進行分析，變化最大的點即為外邊緣點，同樣的方法找另外兩個點，通過三點即可以確定圓心。 使用相同的畫線分析灰度變化的方法可以找到內徑圓，這樣就得到我們所要處理的精確區(qū)域，在這個圓環(huán)內尋找灰度變化點，從而找到缺陷點。 5 小結 本系統(tǒng)主要是PLC、視覺系統(tǒng)、傳感器、上位機的靈活結合應用，系統(tǒng)采用視覺傳感器拍攝和處理實時圖象，最終準確剔除壞瓶。使用了多個光電開關以及編碼器，利用距離的確定性來準確的定位高速運動中的瓶子，以達到準確剔除的目的。在生產線中實時處理圖象，具有設置處理精度，自動剔除有缺陷瓶，顯示處理結果，統(tǒng)計歸檔重要信息的功能。 參考文獻 [1] 關勝曉. 機器視覺及其應用發(fā)展. 自動化博覽，2005年3期 [2] 鐘權龍，許積飆. 西門子機器視覺系統(tǒng)在煙草行業(yè)的應用. 現代制造，2004年22期 [3] Siemens AG. SIMATIC VS710 Hardware Configuration. Siemens AG Bereich Automation and Drives Geschaeftsgebiet Industrial Automation Systems Postfach 4848,D-90327 Nuemberg. 1998 通訊地址：山東省濟南市文化東路91號 山東藝術學院現代技術教育部網絡中心 李巍巍 收 郵編：250100 聯(lián)系電話：13688638006