基于机器视觉技术的易拉罐罐底喷码检测系统设计

杭州自动化技术研究院有限公司 唐 慧

随着改革开放的不断深化和人们生活水平的稳健提高，我国食品饮料行业维持快速增长的势头，以易拉罐为容器的饮料需求量也不断地增加，生产加工过程中的产品质量是企业品牌价值体现，同时也直接关系到消费者的切身利益。产品质量的控制往往需要对产品信息进行检测、追踪。喷码就是目前厂商通常记录产品信息的重要手段，而在喷码过程中难免会出现诸如字符漏喷或者部分字符漏喷、字符不完整、字符混乱、字符位置不正确、字符的字体不对或者不一致等缺陷[1]，因此，需要在线实时地对喷码结果进行识别检测，以便及时剔除喷码不合格的不良品，减少喷码不良对企业带来的损失。为此有必要研究一种检测速度快、准确率高、鲁棒性好的易拉罐罐底喷码检测系统，对喷码的字符有无等缺陷进行可靠地检验，基本达到真正的“零缺陷”。与常规的机器视觉检测系统相比，金属制品( 针对易拉罐) 的机器视觉检测存在成像较常规透明材料困难[2]。本文应用美国康耐视公司的高速智能相机以及强大的IN-SIGHT视觉软件解决易拉罐高速生产线上的喷码后字符的检测与识别的难题，达到每小时识别72000瓶罐底喷码字符的速度和99.99%的准确率的技术要求，突破食品饮料行业易拉罐生产过程中提高生产速度所面临的技术瓶颈，提高产品的生产品质，减少消费者的投诉，从而提升企业的品牌价值，促进业绩的提升和企业的发展。

1 易拉罐罐底喷码质量缺陷

在易拉罐饮料生产过程中，在油墨喷码机前面往往会安装一到两个吹水装置，用于将易拉罐罐底需要喷码部位的水滴除去干净，这样喷码机喷印的质量才得以保障。但若是吹水装置没有调整好或者生产中该装置被挪位，那很有可能罐底水滴去除不干净，造成喷码模糊或者缺码的情况。第二种情况是喷码机喷孔被油墨堵塞，喷码机使用时间过长或者清理不及时都会造成类似情况的发生，若是没有及时发现，就会出现漏喷或者缺码生产事故。还有一种情况是喷码机的触发传感器或者喷码机喷头被挪位，导致字符漏喷或者缺码、飞码、喷码位置不正确的情况。

图1 喷码质量缺陷示意图

2 系统的设计目标

根据客户对检测系统的需求分析，确定系统的设计目标如下：

（1）高速实时性

通常，易拉罐生产线速度已经达到72000罐/小时，在易拉罐高速通过系统时，能实现视觉检测要求。

（2） 剔除的准确性

系统采集并处理易拉罐罐底图像后，输出执行信号，高速的 前提下确保剔除的准确性。

（3）I/O的扩展性

提供灵活的I/O 接口功能，方便与各种不同的传感器或执行部件配合，以满足现场的测控需求。

（4）数据统计要求

实时记录、统计、显示各种检测数据，方便客户修定参数，及时发现问题，达到设备维护的工作效率。

（5）数据通讯要求

可通过Ethernet或串行接口实现数据的交换，以及远距离的传输。

3 系统结构设计

该易拉罐罐底（凹面）喷码检测系统主要由光源与视觉处理系统、电气控制与人机交互系统、次品剔除装置等组成。当易拉罐通过成像系统时，金属接近开关触发光源频闪和工业智能相机，获得高速易拉罐罐底图像，智能相机对其分析处理，由电气控制系统执行检测结果，从而达到分拣不良品的目的。

图2 基于机器视觉的易拉罐罐底喷码检测系统图

图3 系统工作流程图

4 系统主要硬件配置

（1）光源配置

因为被检测物体是铝质易拉罐，罐底为凹面，考虑到金属材质表面的反光与图像采集的稳定性，所以选用了东莞OPT公司的球积分光源，型号是OPT-RID240，该光源的特点是具有积分效果的半球面内壁，均匀反射从底部360度发射出的光线，使整个图像十分均匀。

图4 球积分光源模型图

（2）工业智能相机配置

由于智能相机已经固化了成熟的机器视觉算法，使用户基本无需编程，就可以实现诸如有无判断、表面缺陷检查、尺寸测量、OCR 识别、条码阅读等功能，极大的提高了系统的开发速度[3]。本文检测的目标物是易拉罐，在生产线上处于高速运动状态，最高速度达15个/秒。为了能采集到清晰稳定的图像，并实时完成OCR视觉处理功能，本系统选取康耐视In-Sight Micro1400智能相机。该相机尺寸技巧，仅30mm*30mm*60mm，能够以最小体积的视觉系统，应用于最高速的流水线。基于In-Sight Explorer的智能图像处理工具、OCR字符读取及验证，以及In-Sight强大的电子表格脚本语言开发图像处理算法。从而能够方便地对图像进行字符的训练，形成字符库。喷码识别如图5所示。

（3）工业计算机及PLC 的配置

综合考虑系统要求的快速性、稳定性以及性价比等因素，系统采用研华触摸工控电脑1261H。统计输入输出点数，以及通讯串口等因素，选取西门子S7-200PLC，CPU为224。

5 电子表格算法设计

采用康耐视技术视觉工具，为用户开发机器视觉系统提供了极大的方便。由于软件已经固化了康耐视成熟的机器视觉算法，使用户基本无需进行高级语言编程，只需用电子表格进行脚本算法的构建，就可以实现诸如有无判断、OCR 识别的功能，大大提高了系统的开发速度。

图5 喷码识别示意图

6 结束语

本文基于易拉罐罐底喷码检测系统实现了高速自动化生产线易拉罐罐底（凹面）喷码质量自动化检测，能根据喷码的日期和时间的不断变化，准确的识别喷码的缺陷，该系统不仅结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、精确度高，最大的优点是高速，相对以往OCR字符识别验证，速度上有大的提升。其检测效果远远优于人工检测效果，并且无接触的检测保证了在检测过程中不引入污染。本检测系统已成功应用于项目，取得了满意的运行效果，准确率完全达到了系统的设计目标。随着食品饮料行业自动化水平的不断提高，人工费用的增长，该系统具备良好地推广应用价值，对打破国外设备垄断的局面带来积极的意义。

[1]彭晓辉.基于HALCON的IC卡喷码符号识别技术研究与实现[D]. 广东工业大学,2006.

[2]贺超英,张辉.基于机器视觉的罐盖质量检测系统设计[J].仪表技术与传感器,2011,2.

[3]徐赤,王志平,凌永祥,祝晓春,秦嘉炜.基于智能视觉系统的饮料瓶缺陷检测技术[J].自动化与仪器仪表,2011,5.