CN111537520A - 一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，涉及缺陷检测技术领域，本发明针对饮料瓶生产线，提出一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统。根据工厂产线进行模型分解，对机械执行部分、电气控制部分、图像处理部分、上位机软件系统部分四大模块进行详细分析，并在每个模块提出现有工厂模式下的问题及弊端，并详细分析缘由及改变策略，而后在满足要求的前提下，对四大模块进行设计及对内部原理进行剖析，形成以机械、电气、视觉、软件为一体的智能制造解决方案。本发明通过系统调试，可以实现对塑制饮料瓶缺陷的稳定、精准检测。

Description

一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统

技术领域

本发明涉及缺陷检测技术领域，特别涉及一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统。

背景技术

随着社会经济的快速发展、人口迅猛增长，在便携式饮料消费方面同样出现大幅度提升。这一现象造就了我国成为世界饮料的消费大国，同样，饮料瓶作为饮料的载体，同样不可或缺。因为技术种种原因，饮料瓶在生产制造的过程中，不可避免的会出现瑕疵饮料瓶，伴随着人们食品安全意识的提升，瓶身出现的瑕疵越来越不能被人们去接受，奶制品安全问题尤为突出。在现有饮料瓶生产技术层面暂时不能够避免饮料瓶身出现瑕疵，只能从另一层面去避免相应瑕疵的产品流通至市场，因此饮料瓶身的缺陷检测尤为重要。

而现有传统人工检测的方式中，需要工作人员在暗室中操作，通过目视检测回收瓶是否有缺陷，存在检查速度慢、操作繁琐、可靠性差和漏检率高等缺点，并且检测人员容易产生疲劳感，因此人工检测无法适应大规模生产的饮料瓶缺陷检测。伴随着计算机科学技术以及相应硬件软件的崛起，图像处理技术已能够解决当下饮料瓶身的检测问题，机器视觉在线检测与传统的人工检测相比，具有效率高、成本低等优点，因此机器视觉检测在食品饮料行业极具研究价值。本发明设计的系统可检测瓶口缺陷、瓶壁内外、瓶底裂纹、污垢异物和瓶内胶膜透明物。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，可检测瓶口缺陷、瓶壁内外、瓶底裂纹、污垢异物和瓶内胶膜透明物。

本发明提供了一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，包括：瓶底检测机构、瓶身检测机构、瓶口检测机构和剔除机构；

所述瓶底检测机构包括瓶底工业相机，所述瓶底工业相机的镜头朝上放置，所述瓶底工业相机上方通过支撑架安装双夹持同步带，所述双夹持同步带内部夹持饮料瓶，带动所述饮料瓶水平旋转移动，所述双夹持同步带的顶部相对应的位置安装对射传感器的第一发射端和第一接收端，所述第一发射端和第一接收端位于所述饮料瓶的两侧，所述双夹持同步带由步进电机带动运转，位于所述双夹持同步带下方的中心处设置瓶底环形光源，所述瓶底环形光源的光源方向竖直向上；

所述瓶身检测机构包括底部传送带，所述底部传送带外部跨立安装相机架，所述相机架均匀固定若干个朝向所述传送带中心的瓶身工业相机，若干个所述瓶身工业相机处于同一水平线上，每个所述瓶身工业相机的前方都设置瓶身挖洞面光源，所述瓶身工业相机的镜头位于所述瓶身挖洞面光源的圆孔处，位于所述底部传送带的两侧分别安装对射传感器的第二发射端和第二接收端；

所述瓶口检测机构包括瓶口相机，所述瓶口相机安装至所述相机架的顶部，所述瓶口相机的镜头朝向正下方；

所述剔除机构包括剔除电磁阀，在所述底部传送带的侧边安装剔除电磁阀，沿所述底部传送带运行方向位于所述电磁阀前方的位置安装剔除漫反射传感器；

所述瓶底检测机构安装在生产设备的输出端，生产出的所述饮料瓶进入所述双夹持同步带之间，所述瓶身检测机构和瓶口检测机构安装在所述瓶底检测机构的另一端，经所述双夹持同步带传送后移动至所述底部传送带的上方，所述剔除机构安装在沿所述底部传送带运行方向的所述相机架的后方。

进一步地，所述瓶底工业相机、瓶身工业相机和瓶口相机均采用GigE接口通过网线与控制计算机电连接，由所述控制计算机进行缺陷检测，将所述瓶底工业相机、瓶身工业相机和瓶口相机拍摄到的影像与预设影像进行匹配识别。

进一步地，所述剔除电磁阀、剔除漫反射传感器均与所述控制计算机电连接。

进一步地，所述瓶底工业相机、瓶身工业相机和瓶口相机的视野均大于90°，所述瓶身工业相机的数目不小于4个。

进一步地，所述底部传送带的表面具有吸附能力，并由驱动电机带动转动，所述驱动电机的工作电压为24V。

进一步地，所述双夹持同步带由两个竖直且并列的海绵表层传送带构成，两个所述海绵表层传送带同步同向移动，所述饮料瓶夹持在两个所述海绵表层传送带之间，由两个所述海绵表层传送带带动所述饮料瓶进行移动。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

本发明提供了一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，针对饮料瓶生产线，提出基于PLC控制的机器视觉缺陷检测系统在塑制饮料瓶检测方面的设计。根据工厂产线进行模型分解，对机械执行部分、电气控制部分、图像处理部分、上位机软件系统部分四大模块进行详细分析，并在每个模块中首先充当甲方角色提出现有工厂模式下的问题及弊端，并详细分析缘由及改变策略，而后在满足要求的前提下，对四大模块进行设计及对内部原理进行剖析，形成以机械、电气、视觉、软件为一体的智能制造解决方案。本发明通过系统调试，可以实现对塑制饮料瓶缺陷的稳定、精准检测。本发明设计系统可检测瓶口缺陷、瓶壁内外，瓶底裂纹、污垢异物和瓶内胶膜透明物。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统的整体结构图；

图2为本发明实施例提供的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统的瓶底检测机构图；

图3为本发明实施例提供的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统的瓶身检测机构图；

图4为本发明实施例提供的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统的瓶口检测机构图；

图5为本发明实施例提供的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统的剔除机构图；

图6为本发明实施例提供的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统的电气控制流程图；

图7为本发明实施例提供的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统的控制柜简图。

附图说明：1-瓶底检测机构，2-双夹持同步带，3-海绵表层传送带，4-第一发射端，5-饮料瓶，6-第一接收端，7-步进电机，8-底部传送带，9-相机架，10-瓶身工业相机，11-瓶身挖洞面光源，12-第二发射端，13-第二接收端，14-瓶口相机，15-剔除电磁阀，16-剔除漫反射传感器。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

现有机械结构缺点：检测方式是在生产设备和打包设备之间采用人工检测方式，效率并不能和生产设备同步，造成效率低下、漏检、误检率很高；人工检测无法检测到瓶底的情况，还需要在打包设备完成打包后二次检测，造成相当程度的资源浪费，成本大幅度提高；塑制饮料瓶材质为食品级塑料，质量轻薄，原有产线依托传送带上方安装导轨避免饮料瓶歪倒或者掉出传送带，但瓶身与传送带导轨之间存在摩擦，导致一部分饮料瓶并非因为生产缺陷而次品化。

为了更好的理解本申请的技术方案，做出如下解释；

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。

对射式传感器为基于sep8506红外发光管，sdp8406光电三极管和sdp8106光电达林顿管。

参照图1-7，本发明提供了一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，包括：瓶底检测机构1、瓶身检测机构、瓶口检测机构和剔除机构；

所述瓶底检测机构1包括瓶底工业相机，所述瓶底工业相机的镜头朝上放置，用于获取所述饮料瓶5瓶底的图像，所述瓶底工业相机上方通过支撑架安装双夹持同步带2，所述双夹持同步带2内部夹持饮料瓶5，将生产设备中生产出来的所述饮料瓶5挪动至所述双夹持同步带2中，所述双夹持同步带2带动所述饮料瓶5水平旋转移动，所述双夹持同步带2的顶部相对应的位置安装对射传感器的第一发射端4和第一接收端6，所述第一发射端4和第一接收端6位于所述饮料瓶5的两侧，当所述饮料瓶5经过所述第一发射端4和第一接收端6之间时，所述第一发射端4和第一接收端6之间的信号被切断，此信号发送至控制计算机中，由所述控制计算机控制所述瓶底工业相机进行所述饮料瓶5底部图像的获取，并将获取的图像传回所述控制计算机，进行瓶底缺陷的检测，所述双夹持同步带2由步进电机7或伺服电机带动运转，位于所述双夹持同步带2下方的中心处设置瓶底环形光源，所述瓶底环形光源的光源方向竖直向上，所述瓶底环形光源用于照射所述饮料瓶5的底部，保证所述瓶底工业相机获取图像的清晰度和明亮度；

所述瓶身检测机构包括底部传送带8，所述饮料瓶5经过所述双夹持同步带2的传送后，落在所述底部传送带8的上方，所述底部传送带8的上表面低于所述双夹持同步带2的下表面，保证所述饮料瓶5自然落在所述底部传送带8的上表面，所述底部传送带8外部跨立安装相机架9，所述相机架9均匀固定若干个朝向所述传送带中心的瓶身工业相机10，若干个所述瓶身工业相机10处于同一水平线上，每个所述瓶身工业相机10的前方都设置瓶身挖洞面光源11，所述瓶身工业相机10的镜头位于所述瓶身挖洞面光源11的圆孔处，所述瓶身挖洞面光源11的中心处设置圆孔，便于将所述瓶身工业相机10的镜头固定在其中，位于所述底部传送带8的两侧分别安装对射传感器的第二发射端12和第二接收端13，当所述饮料瓶5经过所述第二发射端12和第二接收端13之间时，所述第二发射端12和第二接收端13之间的信号被切断，此信号发送至控制计算机中，由所述控制计算机控制所述瓶身工业相机10进行所述饮料瓶5瓶身图像的获取，并将获取的图像传回所述控制计算机，进行瓶身缺陷的检测；

所述瓶口检测机构包括瓶口相机14，所述瓶口相机14安装至所述相机架9的顶部，所述瓶口相机14的镜头朝向正下方，所述瓶口相机14的视野范围包括整个瓶口范围，当所述控制计算机收到所述第二发射端12和第二接收端13之间的信号被切断的信息后，控制所述瓶口相机14进行瓶口图像的获取，并将获取的图像传回所述控制计算机，进行瓶口缺陷的检测；

所述剔除机构包括剔除电磁阀15，在所述底部传送带8的侧边安装剔除电磁阀15，沿所述底部传送带8运行方向位于所述电磁阀前方的位置安装剔除漫反射传感器16，所述剔除电磁阀15、剔除漫反射传感器16均与所述控制计算机电连接。

沿所述底部传送带8的运行方向，所述剔除机构位于所述瓶口检测机构的后方，所述剔除电磁阀15连接在所述控制计算机的输出端，当所述控制计算机进行检测时发现有缺陷存在时，标记该饮料瓶5，控制所述剔除电磁阀15将有缺陷的所述饮料瓶5剔除出所述底部传送带8表面，所述剔除漫反射传感器16用于检测标记的饮料瓶5是否到达剔除位置；

所述瓶底检测机构1安装在生产设备的输出端，生产出的所述饮料瓶5进入所述双夹持同步带2之间，所述瓶身检测机构和瓶口检测机构安装在所述瓶底检测机构1的另一端，经所述双夹持同步带2传送后移动至所述底部传送带8的上方，所述剔除机构安装在沿所述底部传送带8运行方向的所述相机架9的后方。

所述瓶底工业相机、瓶身工业相机10和瓶口相机14均采用GigE接口通过网线与控制计算机电连接，由所述控制计算机进行缺陷检测，进行图像的比对和处理，将所述瓶底工业相机、瓶身工业相机10和瓶口相机14拍摄到的影像与预设影像进行匹配识别。

工作原理：由于饮料瓶材质极轻，通过对称放置传送带方法，利用利用传送带的摩擦力，可以实现瓶底悬空并且随传送带移动，在传送带底部架设瓶底工业相机，以及在瓶底设置瓶底环形光源。在瓶身检测相机及光源架设方案上，本设计采用了非以往“单相机+棱镜”的解决方案，而是率先采取多相机同步检测策略。每个瓶身检测相机所覆盖的饮料瓶视野均大于90°，这种架设方案可以确保检测范围能够覆盖整个瓶身表面，并且在相机视野交叉部分能够依据多个角度的成像判断其瑕疵问题。在瓶口相机布置方案方面，本设计选择沿用市场主流方案，在瓶口正上方放置工业相机，如图所示，相机视野可以覆盖整个瓶口，并且和瓶身检测相机视野能够有重合部分，确保饮料瓶能够被全方位无死角检测。采用漫反射传感器和电磁阀相互配合，在底部、瓶身、瓶口完成图像处理后，经由软件系统调度，当接收到漫反射反馈信号时，软件系统控制电磁阀动作，从而剔除次品饮料瓶，合格产品的得以继续运行。

生产设备产生饮料瓶后经由瓶底机构传输至底部传感器处触发瓶底光源及瓶底相机，随后经由瓶身吸附传送带运送至瓶身传感器处并行触发瓶身挖洞光源后，再次触发瓶身相机，最终在剔传感器处做出是否次品判断，并动作剔除电磁阀剔除次品，完成在线检测流程。

在机械执行部分和电气控制部分相互配合下，将饮料瓶精准运输至检测预设区域内，并触发相对应的相机抓拍。在拿到采集图片后，采用几款主流图像处理库OpenCV、Nivision、TensorFlow、Halcon进行了相应的对比后，无论是从项目周期还是开发难度来说，Halcon更适合用作本发明的图像处理算法库。

实施例1

所述瓶底工业相机、瓶身工业相机10和瓶口相机14的视野均大于90°，所述瓶身工业相机10的数目不小于4个，四个所述瓶身工业相机10呈圆周均匀分布，保证其中的所述饮料瓶5能够被完全拍摄，在相机视野交叉部分能够依据多个角度的成像判断其瑕疵问题。

实施例2

所述底部传送带8的表面具有吸附能力，并由驱动电机带动转动，所述底部传送带8通过在其表面开设凹陷并在凹陷内设置真空吸附泵，若干个凹陷均匀设置在所述底部传送带8的表面，可使所述底部传送带8产生吸附能力，所述驱动电机的工作电压为24V，可以精准控制传送带速度，在安装调试方面拥有很大的可操作性。

实施例3

所述双夹持同步带2由两个竖直且并列的海绵表层传送带3构成，海绵表层不会对所述饮料瓶5造成压损，使得所述饮料瓶5变形，两个所述海绵表层传送带3同步同向移动，所述饮料瓶5夹持在两个所述海绵表层传送带3之间，由两个所述海绵表层传送带3带动所述饮料瓶5进行移动。

剔除机构的工作原理：

在固定部位放置CCD采集所述饮料瓶5的图像，利用计算机对图像处理分析所述饮料瓶5表面缺陷，如若发现正在被检测的所述饮料瓶5表面有缺陷，计数器就会开始计数，经过规定的计数之后，计数器发出一个脉冲，这个脉冲控制所述剔除电磁阀15的开启，从而控制气缸中活塞的运动，在表面有损伤的所述饮料瓶5到达剔除部位时，脉冲控制电磁阀通电，高压气进图气缸推动活塞杆迅速向前运动将有缺陷的所述饮料瓶5顶到侧面的斜滚道上进入废物箱，电磁阀开启固定的时间后电复位，气缸中的无弹簧侧接通大气，在弹簧力的作用下立刻回到初始位置。

完成一个有表面损伤的所述饮料瓶5的剔除。剔除漫反射传感器的工作原理：漫反射型是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一般到3米。

剔除漫反射传感器的工作原理：漫反射型是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一般到3米。

特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，其特征在于，包括：瓶底检测机构(1)、瓶身检测机构、瓶口检测机构和剔除机构；

所述瓶底检测机构(1)包括瓶底工业相机，所述瓶底工业相机的镜头朝上放置，所述瓶底工业相机上方通过支撑架安装双夹持同步带(2)，所述双夹持同步带(2)内部夹持饮料瓶(5)，带动所述饮料瓶(5)水平旋转移动，所述双夹持同步带(2)的顶部相对应的位置安装对射传感器的第一发射端(4)和第一接收端(6)，所述第一发射端(4)和第一接收端(6)位于所述饮料瓶(5)的两侧，所述双夹持同步带(2)由步进电机(7)带动运转，位于所述双夹持同步带(2)下方的中心处设置瓶底环形光源，所述瓶底环形光源的光源方向竖直向上；

所述瓶身检测机构包括底部传送带(8)，所述底部传送带(8)外部跨立安装相机架(9)，所述相机架(9)均匀固定若干个朝向所述传送带中心的瓶身工业相机(10)，若干个所述瓶身工业相机(10)处于同一水平线上，每个所述瓶身工业相机(10)的前方都设置瓶身挖洞面光源(11)，所述瓶身工业相机(10)的镜头位于所述瓶身挖洞面光源(11)的圆孔处，位于所述底部传送带(8)的两侧分别安装对射传感器的第二发射端(12)和第二接收端(13)；

所述瓶口检测机构包括瓶口相机(14)，所述瓶口相机(14)安装至所述相机架(9)的顶部，所述瓶口相机(14)的镜头朝向正下方；

所述剔除机构包括剔除电磁阀(15)，在所述底部传送带(8)的侧边安装剔除电磁阀(15)，沿所述底部传送带(8)运行方向位于所述电磁阀前方的位置安装剔除漫反射传感器(16)；

所述瓶底检测机构(1)安装在生产设备的输出端，生产出的所述饮料瓶(5)进入所述双夹持同步带(2)之间，所述瓶身检测机构和瓶口检测机构安装在所述瓶底检测机构(1)的另一端，经所述双夹持同步带(2)传送后移动至所述底部传送带(8)的上方，所述剔除机构安装在沿所述底部传送带(8)运行方向的所述相机架(9)的后方。

2.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，其特征在于，所述瓶底工业相机、瓶身工业相机(10)和瓶口相机(14)均采用GigE接口通过网线与控制计算机电连接，由所述控制计算机进行缺陷检测，将所述瓶底工业相机、瓶身工业相机(10)和瓶口相机(14)拍摄到的影像与预设影像进行匹配识别。

3.如权利要求2所述的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，其特征在于，所述剔除电磁阀(15)、剔除漫反射传感器(16)均与所述控制计算机电连接。

4.如权利要求2所述的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，其特征在于，所述瓶底工业相机、瓶身工业相机(10)和瓶口相机(14)的视野均大于90°，所述瓶身工业相机(10)的数目不小于4个。

5.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，其特征在于，所述底部传送带(8)的表面具有吸附能力，并由驱动电机带动转动，所述驱动电机的工作电压为24V。

6.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的饮料瓶缺陷检测系统，其特征在于，所述双夹持同步带(2)由两个竖直且并列的海绵表层传送带(3)构成，两个所述海绵表层传送带(3)同步同向移动，所述饮料瓶(5)夹持在两个所述海绵表层传送带(3)之间，由两个所述海绵表层传送带(3)带动所述饮料瓶(5)进行移动。

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