啤酒瓶在线检测系统的研制
2006-08-24 10:31:01.0 来源：中华印刷包装网 责编：中华印刷包装网
目前啤酒生产企业越来越重视产品质量，越来越多的企业在灌装生产线上使用了各种自动检测设备，以期提高检测的可靠性。传统的灌装线空瓶检验方式是人工灯光检测。但在现代高速灌装线上，由于视觉疲劳等原因，仅靠传统的人工类光检测不能保证可靠性，而且啤酒瓶的两个重要部位——瓶口和瓶底无法检测，造成部分漏气瓶和瓶底赃物瓶流入市场，给企业形象造成损害。
1 前言
目前国外基于图像处理技术的空瓶在线检测系统已相对成熟且有大量产品投放市场，如：德国的MIHO系统、HEUFT系统；美国INDUSTRIALDYNAMICSCOMPANY，LTD的OMNIVISIONI系统。我国在这方面则比较落后。
当前我国多数啤酒生产厂家正在向每小时四万瓶以上的生产线方向发展，在这种速度下依靠人工检测将变得异常困难，他们急需大量的空瓶在线检测设备。而国外产品售价过高且维护困难，对于多数中小啤酒厂而言门槛过高。
2 系统设计目标的确定
在参考国外各公司机型的基础上，分析当前中国企业需要和目前我们的技术力量的情况，确定了本系统设计的目标是：
(1)将瓶底检测与瓶口检测模块作为系统的基本模块，首先保证完成；将外壁检测模块、内壁检测模块、残留液检测模块、透明物检测模块作为附加模块，留待以后扩展。
(2)系统检测速度为：瓶径64mm时为42000瓶/h。
(3)瓶底检测分辨率及剔除率为：无标志和无磨损瓶：大小为2.5mm×2.5mm时，剔除率98%；大小为3.0mm×3.0mm时，剔除率99%。有标志、磨损、深色、色差时：大小为3.5mm×3.5mm时，剔除率98%；大小为4.0mm×4.0mm时，剔除率99%。
(4)可对混色瓶或深色瓶进行处理。
3 系统设计方案的确定
3.1 系统总方案选择
本系统有3种方案可供选择：一种方案是直接购买国外的机器视觉系统，在该系统的基础上进行二次开发；第二种方案是采用图像卡加工业控制计算机，并配以自我研制的控制软件，考虑到处理速度的需要，需采用多系统的工业控制计算机；第三种方案是采用分级控制系统，即以工业控制机完成上层的控制管理工作，下层配以由DSP芯片为核心的系统，完成图像采集与图像处理工作。
第一种方案虽然开发速度快，但一来系统昂贵，且以后每生产一台都必须支付软件注册费，二来能够达到速度要求的现成视觉系统也几乎不存在，故该方案被放弃。第三种方案由于开发周期过长，不利于占领市场且该方案建立在算法已经完全成熟的基础上，因而，该方案被作为未来完善的方向而推迟采用。最终，第二种方案在现阶段被采用。
3.2 系统总体方案确定
待检测的空瓶由传送带送来。到达混瓶与色差补偿光源位置时，该光源闪光，混瓶与色差传感器对透射光进行检测，并把检测结果送色差补偿电路以便对瓶底检测时光源亮度进行补偿。当空瓶到达瓶底检测位置时，在色差补偿电路与摄像机光源同步电路的作用下，光源闪光且快门打开，通过成像系统使摄像机成像。所成图像经图像采集卡送入瓶底计算机进行处理，处理后如有污物，则通过32路I/O卡送出剔除信号，该信号经放大，控制剔除机构将该瓶推离传送带。当空瓶进入瓶口处理位置时，进行瓶口处理，处理过程与瓶底基本相似。瓶底处理总控管理计算机与瓶口处理计算机通过串口进行状态通讯，以保证系统协调工作。双系统公用同一触摸屏进行显示与操作，通过触摸屏切换电路完成两系统之间的切换工作。
4 系统软件设计
4.1 模块划分
系统软件分为三大模块：系统管理与用户界面模块、瓶口处理模块(瓶底处理模块)、机器控制与双机通讯模块。系统管理与用户界面模块的功能主要是完成生产数据的管理、系统各模块之间的协调以及系统设置参数的输入与存储。瓶口处理模块(瓶底处理模块)是系统的核心，完成图像的采集、处理、污点与破损的判断，以及剔除信号的发送工作。由于处理方法的不同。瓶口处理模块应在瓶口处理机上运行，而瓶底处理模块则只可在瓶底处理机上运行。
机器控制与双机通讯模块完成对机器启停、速度控制、故障诊断以及双机之间的通讯功能。
4.2 软件系统结构
为了实现以上3个模块同步协调工作，系统开辟了3个线程。其中主线程完成系统管理与用户界面功能，两个辅助线程分别完成瓶底(瓶口)处理功能和机器控制与双机通讯功能。三个线程之间通过全局变量完成通讯工作。通过事件进行线程之间的同步工作。
4.3 瓶口与瓶底处理模块的实现
由于该系统对处理速度的要求较高，一般的图像处理方法并不适合。我们采用了简单二值化与统计方法很好地解决了该问题。
在瓶口检测方面，我们通过特殊成像装置，使闪光灯光线照射到瓶口密封面上并返回摄像机。一个完好的平面反射光线应为完整且光滑的圆环，若有破损，则圆环断裂(贯通破损)或圆环出现内凹(内沿破损)或圆环出现外凸(外沿破损)，用户可以通过设定三个极限值来定义断裂、内凹、外凸的大小。系统通过将实际断裂、内凹、外凸的大小与设定值进行比较以决定是否剔除。为了避免由于瓶子本向倾斜而造成的误判，该模块通过一定方法实现了对瓶口位置自动进行跟踪的功能。
在瓶底检测方面，首先对图像采集卡得到的灰度图像进行二值化，然后通过统计方法，对各个独立污点计算其大小，将得到的污点大小值与用户设定允许污点大小值进行比较，以决定是否剔除。
5 结束语
系统很好地解决了空啤酒瓶在线检测问题，且价格较底，很好地满足了大多数中小啤酒生产厂家的需要，取得了较好的经济效益。另外，该系统的开发成功对其它饮料瓶在线检测系统的研制也有很好的参考价值。 (peter)
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