（机械制造及其自动化专业论文）在线啤酒瓶检测位置误差的影响分析.pdf

在线啤酒瓶检测位置误差的影响分析 学科：机械制造及其自动化 研究生： 指导教师： 王主勃 孑谚，咎 摘要 光电空瓶验瓶，是根据啤酒厂在大产量高速作业下，人工己无法对洗瓶后的 空瓶进行判别，而专门设计开发研制的新产品。运用了机、光、电、气、计算机 五大学科中的先进技术，通过计算机集中控制，各执行机构有机配合，巧妙完成 对瓶口残缺，瓶底部有洗不净的异物的空瓶进行检测、剔除。检测速度可达4 0 0 0 0 瓶时。本文首先对啤酒瓶在线检测系统原理方案做了分析研究工作。 实际生产中由于瓶子处于高速运动中，执行机构的形位误差、制造误差、 运动误差以及瓶子自身的制造误差会造成光学成像系统拍摄的图像位置各不相 同，与理想位置存在一定的偏差。当计算机在对提取的图像进行分析对比运算时， 必须给需要处理的图像规定一个范围。对处于规定范围内的图像进行处理，超过 范围的图像数据就认为是错误的图像，予以剔除。要使瓶子都能成像在设定范围 内并尽可能接近理想位置，就必须控制执行机构的检测位置误差，保证光学成像 系统采集图像的精度。研究和分析在线啤酒验瓶检测位置误差的精度并找出它的 影响因素，对提高整机的检测精度有致关重要的意义。 本文对研制的样机做了大量的瓶底污点检测和瓶口缺损检测的调试实验， 发现有4 2 以上的检错率，实际上是把合格在线啤酒瓶判断为不合格瓶子加以 剔除。因此本文试图从检测位景误差的角度来分析研究检错原因及其影响因素， 并提出改进方案，从而保证或提高系统的检测性能。 关键词：光电空瓶验瓶机；在线啤酒瓶；检测：位置误差 a n a l y s ea n dr e s e a r c ho nd e t e c t i n gp o s i t i o ne r r o r i n f l u e n c eo fb e e rb o t t l eo nl i n e d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i z a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e ： 崃l ，d 1 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 勾m ，歹 a b s t r a c t p h o t o e l e c t r i ci n s p e c t o rf o re m p t yb o t t l eh a sb e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt h a t c a nd e t e c tt h ec l e a n e de m p t yb o t t l ew i t hh ig l ls p e e da tw h i c hw o r k e rc a n ti n s p e c t b e e rb o t t l eo nl i n e t h em e c h a n i c a l 、o p t i c a la n de l e t r o n i c a lt e c h n o l o g i e sh a v eb e e n u t i l i z e dt od e t e c tt h em o u t ha n db o t t o mo fb e e rb o t t l eo nl i n ew i t ht h i sm a c h i n e t h e i n s p e c ti sa b o u t4 0 0 0 0b o t t l e sp e rh o u r t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ei n s p e c ts y s t e mo f b e e rb o t t l eo nl i n e i no r d e rt om e e tt h en e e d so fm e d i u m s i z e da n dp i n t s i z e db e e r m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s i nf a c tb e e rb o t t l eo nl i n em o v e m e n t sa th i g hs p e e d t h et o t a le r r o r so fi n s p e c t s y s t e mm a k et h eb e e rb o t t l ed e p a r t u r et h ei d e a lp o s i t i o n i ti sv i t a lt oi m p r o v et h e i n s p e c tp r e c i s i o no ft h es a m p l em a c h i n et h a tw er e s e a r c ha n da n a l y s et h ei n s p e c t p o s i t i o ne r r o ro fb e e rb o t t l eo nl i n ea n df i n do u ta f f e c t i n gf a c t o r s i n t h i sp a p e r ，p l e n t yo fi n s p e c t i n ge x p e r i m e n t so nm o u t hb r e a k a g ea n db o t t o m d i r to fb e e rb o t t l eo nl i n eh a v eb e e nm a d eb yt h es a m p l em a c h i n e t h e r ea r ea b o u t4 2 i n s p e c t i n ge r r o rr a t e si nw h i c hr e g u l a rb o t t l em i g h tb el o o k e da su n q u a l i f i e db o t t l e a n db er e j e c t e df a l s e l y s ot h ep a p e ra n a l y s e sa n dr e s e a r c h e st h er e a s o n sf o rd e t e c t i n g f a l s e l ya n di n f l u c e n tf a c t o r sf r o mt h ep o i n to fi n s p e c t i n gp o s i t i o ne r r o r f i n a l l yt h e p a p e rp u t sf o r w a r ds o m ei m p r o v e m e n tm e a s u r e si no r d e rt oe n s u r ea n de n h a n c et h e i n s p e c tp e r f o r m a n c eo f t h ep h o t o e l e c t r i ci n s p e c t o rf o re m p t yb o t t l e k e y w o r d s ：p h o t o e l e c t r i ci n s p e c t o rf o re m p t yb o t t l e ：b e e rb o t t l e o n l i n e d e t e c t ；p o s i t i o ne r r o r 绪论 1 1 综述 1 1 1 我国包装机械的发展 1 绪论 中国包装技术协会第六次代表大会的胜利召开，吹响了我国从包装大国向包 装强国迈进的号角，这给作为包装工业基础的包装机械带来了前所未有的机遇和 挑战。然而，我国的包装机械一直是制约我国包装工业发展的一个薄弱环节，先 进或大型的包装设备长期依赖进口。近年来，每年进口的食品和包装设备接近 2 0 亿美元，几乎与我国当年全国包装机械总产值相等。包装机械的这种落后状 态，与我国目前作为包装工业大国的地位极不相称。因此，只有解决好如何建设 包装机械强国的问题，才能保证我国包装工业从包装大国迈向强国的方向和速度 等问题。 在我国迈向包装机械强国的道路上，必须解决好以下几个问题： ( 1 ) 我国包装机械目前基本上仍然处在仿制阶段，关键在于设计人员缺乏独 立创新设计的能力和现代设计知识的更新，因此必须立即实施人才战略。 当今的先进包装机械无不包含着先进包装工艺的创新。例如，最近我国大量 引进的牛奶和饮料包装用的超高温灭菌和冷灌装生产线，其最大的特点是它的工 艺创新，从而导致生产线的整个结构发生根本的变化。因此，包装机械设计人员 必须十分关注先进包装系统的发展，深入对包装工艺的研究，熟悉新型包装材料 的最新研究成果，根据市场的需求和国内的实际情况，及时开发出适合我国国情 的先进包装生产线。 设计高速精密的包装机械，需要设计人员具备系统的现代设计理论和知识。 然而，我国目前大学机械设计专业所学的课程内容仅仅是一些初步的基础知识， 就其深度和广度上，都难以满足上述设计要求。最典型的例子就是我国虽然已经 能设计制造高速啤酒灌装线中的许多设备，但至今仍然很难设计和制造出啤酒瓶 高速贴标机。原因之一就在于我国的设计人员没有掌握高速包装机械的动力学设 计理论和方法，难以解决高速工况下机构的动态精度等问题。 包装机械大量使用凸轮连杆机构作为实现给定运动参数的最可靠而经济的 传动机构，我国许多设计人员却不会根据工作循环图和精度要求，独立设计计算 凸轮连杆机构的运动学和动力学参数，只会把国外样机的凸轮连杆零件卸下来进 行逐点测绘，懂得机构学理论的人都知道。凸轮轮廓坐标测绘误差哪怕只是一丝。 就有可能导致执行机构百分之几十的动作误差，一些企业为了能生产出国外同类 比较先进的包装机械。不得不花费大量外汇去购买国外的凸轮轮廓设计软件。其 实，我们开发的凸轮连杆机构c a d c a m 软件已经能够满足企业进行凸轮连杆机构 设计的需要，并在一些企业使用中获得明显的效果。但是，多数企业的设计人员 仍然缺乏现代机构学的理论知识，不知道这类设计软件已经开发出来或者舍不得 花钱购买。 新型包装机械往往是机电一体化的设备，充分利用信息技术的最新成果。我 西安工业大学硕士学位论文 们一些企业的设计人员却对电子产品不熟悉，不敢或不会选用，大大限制了包装 机械水平的提高，最典型的例子是许多国外新型包装机械大都采用分离传动，使 得整机的传动链大大缩短，结构大为简化，工作精度和速度大大提高。这里面的 关键技术之一是采用了多电机拖动的同步化技术，其实掌握这种技术并不很难， 只是一些设计人员不了解包装机械的这一发展趋势。另一关键技术是大量采用伺 服传动，老设计人员却不会设计和选用伺服机构及其控制系统。先进的包装机械 大量采用若干新型检测系统，保证包装机械的稳定可靠运转，而我们的许多设计 人员却对这些检测元件知之甚少。 为了解决我国包装机械企业在发展过程中存在的上述问题，缩短我国包装机 械在速度、精度和可靠性等方面与国外先进包装机械的差距，从单纯仿制逐步过 渡到自主创新设计，首先，可以对现有各企业的设计人员进行现代设计方法学的 短期培训，尽快掌握现代机构学理论，学会c a d c a m ( 有限元和优化设计) 、反 求工程、动力学设计、机电一体化、人机工程等现代技术、改变许多设计人员对 高速和精密包装机械中用的很多的凸轮、连杆机构与伺服机构、先进控制系统等 都不会设计的状态。其次，呼吁教育部尽快恢复培养包装工程研究生的二级学科 目录，以便让有关学校能大量培养出适应当前发展急需的、掌握现代设计理论和 方法的高层次设计人才，调整现有人才结构。第三，采取“走出去”和“请进来” 的办法，提高现有设计人员的水平。 ( 2 ) 组织重点项目攻关 我国包装机械生产企业大多数是中小企业，缺乏龙头企业。即使是较大的包 装机械生产企业，由于其技术力量主要是忙于应付当前的生产，研发力量与资金 都严重不足，难以独立承担大型成套生产线的研发工作。因此有必要首先选出目 前进口量较大的先进包装机械，组织全国的有关力量，集中优势兵力，进行消化 吸收和创新设计。事实上，目前我国已有不少科研院所和大学具有相当一批研发 科技人员，但大都缺少项目可做，他们已经具备相当的现代设计知识，但缺乏某 方面包装机械的实践经验，现代企业的领导者应善于将国内外的这些技术力量集 成起来，使之服务于自己的攻关任务之中。目前世界上流行的虚拟制造技术为企 业集成国内外的设计制造力量创造了前所未有的条件，关键就在于企业的领导者 能否根据项目的特点整理出适合有关方面科技力量的攻关的课题，并在经费上给 予充分的保证。一个较大的项目，必须按照系统工程的思想开展工作，最好有具 备项目管理硕士水平的人员来进行协调，但企业一般都缺乏项目管理的专门人 才。 我国新型包装机械的开发项目列入国家科技攻关项目目录的微乎其微，行业 协会应该将有关企业和院所组织起来，形成产学研一体化攻关机制，充分发挥各 自的优势，共同向主管部门进行申请，力争获得政府有关部门更多的政策和资金 支持。 包装机械的研发项目也可以挤入国家十大重点攻关项目的大篮子里，作为它 们的配套项目进行同步开发。包装机械应该尽可能采用新材料和熟处理与表面处 理等新技术，大幅度提高产品的性能和可靠性，因而便可以把包装机械项目装入 新材料开发的这个大篮子里。环境工程是我国目前为保证我国企业可持续发展的 重大研究课题，新型包装机械完全可以在这一大篮子中找到它的一席之地。 开发适合我国国情的先进包装系统，是我国包装机械开发人员责无旁贷的责 任。完全照搬国外的包装机械并不能完全满足我国经济协调发展的需要。因为我 国人口众多，人均消费水平比发达国家低，而且城乡差异较大，包装系统的设计 2 西安工业大学硕士学位论文 应以价廉物美为主，不能盲目追求高精尖。因此，提出适合我国国情的先进包装 机械开发课题，并争取列入国家科技攻关项目目录，是我国科技工作者必须时刻 考虑的问题。 ( 3 ) 发挥现有企业优势，将包装机械做大做强 首先，改变现有企业大而全的局面，有条件的企业应选择有前途的产品做专、 做精、做细，成为该类包装机械生产的龙头生产企业，从而带动一批相关中小企 业为其配套，优化产业结构，形成该类包装机械的优化配置的产业链。技术力量 较强的包装机械生产企业，应该把目光投向目前我国仍然在大量进口的包装生产 线上，尽快开发出能替代进口的设备。从近年来进口的包装机械数据看到，高速 灌装生产线、无菌包装生产线、打包机械、纸与纸制品生产线和包装机械配套件 等占有较大的比例，我国包装机械生产企业应从中寻找到适合自身优势的切入 点，充分消化吸收国外设备的优点，开发出相应的替代产品。 第二，大力发展适合包装机械的配套设备专业化生产企业，使之能生产优质 而价廉的凸轮机构、伺服机构、检测系统、传动系统、控制系统等。目前，我国 的电子、电气、气压传动、液压传动和机械传动等零部件生产水平远远落后于发 达国家，存在着巨大的发展空间。 第三，在世界范围内进行资源的优化配置，集成出能够成套供应先进包装机 械的能力，改变我国许多包装机械生产企业不能进行成套技术服务的状况。前方 企业希望包装机械生产企业能提供“交钥匙”工程的服务，这就要求包装机械生 产企业必须具有承担工程总承包的技术力量，具有熟练提供工艺和成套设备供应 的能力。 ( 4 ) 发挥自身优势，扩大市场份额 在保证质量的前提下，我国包装机械生产企业应充分发挥其加工成本低和维 护便捷的优势，提高产品的可靠性，改善产品的外观质量，在国内外市场上与国 外企业进行性能价格比的公平竞争，赢得更大的市场份额。 包装机械生产企业应不断对其生产的产品进行升级换代，扩大品种，适应用 户能进行多品种生产的需要，做到一机多能，满足包装形态随市场多变的需求， 减少用户的运行成本。除了注意发挥我国生产企业生产成本低的优势外，更要在 提高技术含量上下功夫。采用模块化设计思路，进一步降低生产成本，就是国外 企业正在采用的一种行之有效的好方法。 有的美国包装机械的销售策略之一是与包装材料生产厂家同步开发市场，利 用包装材料生产企业的强大销售网络扩大相应包装机械的销售渠道。我国的包装 机械生产企业不妨也可仿效这一在美国行之有效的销售策略。有的美国包装材料 生产企业在销售包装材料时，甚至可以无偿赠送其配套的包装机械。实际上，包 装机械的成本已经打在包装材料里了，而且占的比例很少，用户几乎感觉不出来， 而且在心理上觉得占了便宜。因为包装材料是常年消费的，其销售额远远大于包 装机械的成本。因此，如果能与包装材料生产企业构成销售同盟，包装机械生产 企业就可以不用为销售去发愁了。 售后服务应该成为我国包装机械生产企业与国外包装机械企业争夺国内市 场的重要法宝。国外设备尽管可靠性较高，但是一旦出现故障，常常要等待国外 的维修部件或请国外专家来现场维修，十分影响生产。国内包装机械生产企业完 全可以承诺2 4 小时达到现场维修的优质售后服务条件。如果企业能够很好实现 这一承诺，肯定可以赢得不少用户的青睐。 ( 5 ) 重视品牌战略，注意以客户为中心的市场开发策略，加强销售和维修网 西安工业大学硕士学位论文 络的建设。维护消费者的利益，靠质量、价格、服务赢得企业的可持续发展。 所谓国外的知名包装机械生产企业，不外乎都是靠它们的产品在质量、价格 和服务等方面的长期信誉支撑起来的。粗制滥造的产品永远不可能成为名牌产 品，以牺牲质量和可靠性为代价的廉价产品也许暂时能迎合某些用户的需要，长 远来讲，同样也不可能成为知名品牌。 品牌应该具有鲜明的特色。美国的包装机械以大型高速为其特色，因为美国 的包装机械用户以大型生产企业为主。靠大批量生产来降低生产成本，主要满足 美国国内大流通的需要，其产量和品种均居世界之首。德国的包装机械以高精尖 为特色，尤其在高速度、高可靠性、高包装质量、高度自动化、高度成套性等方 面享誉世界，特别在灌装生产线和大型制袋、充填、充气、封口包装机等机型上 在世界市场上占据重要地位，成为当今世界上的第一大包装机械出口国。日本的 包装机械以中小企业为主，因而产品多是中小型包装机械，以多品种取胜，充分 发挥日本电子技术的优势。意大利的包装机械充分发挥传统机械结构的优势，以 其高性能、价格适中、外观考究、便于操作和维修等特点，成为第二大包装机械 出口国。在我国也颇受欢迎，我国的包装机械生产企业如何造就具有自身鲜明特 色的品牌产品，不能完全照搬这四大包装机械生产国的模式，必须走一条具有中 国特色的发展道路，以满足国内市场高中低不同档次的多种需求为主，创造在各 自水平上的符合用户要求的名牌产品；在经受国内市场严格考验的基础上，逐步 扩大国外市场的销售份额，最终使我国包装机械生产能与世界的四大包装机械强 国栖齐身于同一行列。 1 1 2 空瓶检测机的发展现状 随着人民生活水平的不断提高，国内啤酒饮料行业和啤酒饮料生产设备也 得到了极大的发展。2 0 0 0 年4 万瓶时的生产线刚刚在个别啤酒企业使用，2 0 0 2 年6 万瓶时，甚至l o 万瓶时的生产线已经开始步入市场找寻使用厂家了。伴 随着生产线速度( 产量) 的不断提高，其自动化控制程度也越来越高。生产线在 线质量控制、在线功能检测的自动化程度也在不断提高。为了提高产品的竞争能 力，各啤酒饮料企业都在争先开发生产高档产品，对产品的内在质量和外在包装 都提出了更高的要求。目前这些高速生产线上都已经全部配置了全自动的检测设 备一多功能空瓶检测机。对瓶口影响密封质量的破损以及瓶底未得到充分清洗 的污渍污物进行灌装前的检测，保证合格的洁净空瓶进入灌装生产线。 随著竞争的加剧和消费者维权意识的增强，使得啤酒生产企业越来越注重产 品质量。以前，国内对啤酒瓶的检测主要是人工灯光目视检测。这种检测方法效 率底，并且由于视觉疲劳等原因，传统的人工灯光检测不能保证啤酒瓶检验的可 靠性：而且啤酒瓶的两个熏要部位瓶口和瓶底人工灯光法无法检测，造成部 分漏气瓶和瓶底有污渍的啤酒瓶通过检测进入生产线并流入市场，给企业形象造 成一定损害。此外，随着高速啤酒灌装生产线的投入应用，生产线上许多功能已 无法像低速生产线那样可以用人工来完成，必须采用机器来完成，因此研制在线 检测设备就越发显得重要和必不可少。 空瓶验瓶机是适应饮料生产企业自动化生产的配套设备，其重要功能是实时 对空饮料容器( 透明瓶) 进行密封面、残留液、污垢、缺损等项目进行检测，及 时剔除不合格的空瓶，从而保证饮料灌装质量。空瓶验瓶机取代了人工抽样检测， 提高了工作效率，也降低了人为因素对质量的影响。 西安工业大学硕士学位论文 多功能检测机的工作就是通过光电检测头对生产线上的空瓶进行检测、通过 计算机运算处理器采集的图像信号后作出判断，将不合格瓶子剔除。在空瓶检测 过程中，需要对瓶子进行输送、定位以方便检测和控制剔除。我们将这种瓶子输 送、定位机构称为执行机构。瓶子进入执行机构后做圆周回转运动，并在回转过 程中完成各种检测的，我们称为回转式检验机；相应的瓶子进入执行机构做直线 运动并完成检测的称为直列式检验机。回转式检验机执行机构由回转盘，压紧带 轮、输送链道等组成。回转盘由上下两片组成，上片和瓶颈接触，下片和瓶身接 触。接触处按照半运动学结构设计原理均作成相应的圆弧槽形状，当瓶子进入圆 弧槽后，在压紧皮带的作用下，与圆弧槽紧密定位。直列式机构由两组输送带、 输送链道组成，两组输送带结构一致，速度大小不相同方向相反，( 速度差导致 皮带磨损，4 万瓶时的速度差为1 6 6 m s ) 与瓶子接触的两条输送带间距小于瓶 子直径，瓶子在输送带的张力、弹性力及摩擦力的作用下旋转着直线前进。由于 输送带的宽度在实际使用中受瓶身形状公差的影响较大，因此在高速生产线上输 送带也作成上下两层，输送带宽度将大大减小。回转式机构通过在回转盘上与圆 弧槽对应位置安装触发杆来触发传感器发出脉冲信号给控制电路，控制检测系统 开始检测。赢列式机构则直接利用瓶子( 瓶颈部位) 做触发器，与回转式相比结 构要简单，相应的精度也有所提高。我们知道，在线实时检测有两方面的含义， 一个是瓶子要到达准确的检测位置，一个是传感器( 控制器) 要准确控制检测系 统开始检测。所谓准确的检测位置就是瓶子的中心线和检测系统的中心( 理论上) 重合。由于各种误差两个中心线是不可能完全重合，不重合的程度就是机器的精 度表现。 多功能检验机主要是对瓶口和瓶底进行检测。那么瓶日和瓶底到达理想检测 位置并进行检测，主要取决于两个因素了：l 、瓶子能否理想的到达检测位置；2 、 检测系统能否在瓶子到达理想位置时开始检测，即传感器触发信号的精度。其实 质是触发杆的位置精度。 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m i h o 系统、h e u f t 系统；美国i n d u s t r i a l d y n a m i c sc o m p a n y ， l t d 的o m n i v i s i o ni 系统。我国在这方面的研究则相对比较滞后，虽有部分企 业和研究机构在研制，但尚未商品化。由于国外设备价格昂贵，备品配件以及售 后服务价格高昂，对于国内多数中小啤酒厂而言门槛过高，难以普及。因此国内 众多啤酒生产厂家和玻璃瓶制作厂家强烈呼吁国内能够开发制造出适合我国国 情的啤酒瓶在线自动检测设备。 由于现代饮料生产线基本上都是高速、连续作业，所以对空瓶验瓶机的处理 能力、工作稳定性都有一定要求。同时，考虑到开发成本、维护方便等因素，要 求空瓶验瓶机必须尽可能采取成熟技术、成品部件，降低使用门槛。本设备的使 用对象定位于中、小型饮料生产企业，由于这些单位存在着资金少、技术力量薄 弱、管理相对不规范、产品市场不稳定等问题，所以本设备应该采取模块化结构， 除了基本功能外，其它功能设计为可选部件( 模块) ，一方面可以针对企业的不 同要求进行相应组合，在投资尽量小的前提下满足功能要求，从而使设备的适应 性更强；另外一方面可以降低维护方面的技术要求，从而延长设备的使用周期。 另外，目前我国啤酒及部分品种饮料( 玻璃瓶灌装) 生产行业绝大部分采取 回收旧瓶，再经过清洗、消毒，重新灌装。由于地域不同、生产批次不同以及原 材料不同，导致厂家回收来的旧瓶颜色不一，这给检验瓶底污渍带来很大困难。 所以，验瓶机还应该具有一定的自适应性。我国已成为世界啤酒消费大国，国内 西安工业大学硕士学位论文 许多大型啤酒生产企业的啤酒年生产总量以每年3 0 万吨的速度递增，已经开始 进入了高速的发展时期，并跻身于国际竞争中。相比之下，我国的啤酒瓶生产质 量与国外相比还有很大差距，此外，由于我国国情所决定，几乎所有啤酒生产企 业均部分采用回收瓶。这就对啤酒瓶在线检测技术提出了很高的要求。这些企业 每年投资上千万元用于进口国外先进检测设备，但由于其所设计的检测参数不 同，所以造成大量的误剔除酒瓶，过去1 条啤酒包装生产线每小时平均生产2 万瓶，现在已经达到了4 万瓶。如此高速的流水线，给企业和国家造成了很大的 浪费。 i 2 课题背景来源与意义 基于以上调查研究可知，合理的研究目标对整个研究的成功而言至关重要， 而合理的研究目标建立在对现有产品的客观分析、对市场需求的周密调研以及对 自身研究基础的合理评估之上。目前，国内销售的产品多为美德等国的产品，这 些产品由于知识产权保护、昂贵人力资源以及缺乏与之竞争产品的原因，普遍价 格昂贵，无法为中小啤酒厂所接受。同时，这类产品普遍大而全，有很多功能是 中小啤酒生产厂家所不需要的，造成很大浪费。另外，这些产品普遍使用美德等 国标准，与我国的生产标准存在一定差异，也是这类产品在我国企业不能被广泛 采用的一个主要原因。最后，这类软件还存在着外语界面，操作烦琐，对工人知 识水平要求较高的缺点。就市场需求而言，大多数啤酒生产主要集中在降低价格， 方便操作、符合国家标准与中小企业现实需要方面。 本课题来源于浙江舟山普坨轻工机械厂与我校王玉林老师课题组签订的合 同项目“啤酒瓶在线检测系统研制”。我们课题组研制的验瓶机属于回转式光电 验瓶机，是根据啤酒厂在大产量高速作业下，人工己无法对沈瓶后的空瓶进行判 别，而专门设计开发研制的新产品。它运用了机、光、电、气、计算机等学科的 先进技术，通过计算机集中控制，各执行机构有机配合，巧妙完成对瓶口残缺， 瓶底有污渍或破损的空瓶进行检测、剔除。产量可达4 0 0 0 0 瓶时。实际生产中 由于瓶子处于高速运动中，执行机构的制造误差、运动误差以及瓶子自身的制造 误差会造成光学成像系统拍摄的图像位置各不相同，与理想位置存在一定的偏 差，造成图象处理中产生一定的误差( 误剔除) 。当计算机在对提取的图像进行 分析运算时，必须给需要处理的图像规定一个范围。对处于规定范围内的图像进 行处理，超过范围的图像数据就认为是错误的图像，予以剔除。要使瓶予都能成 像在设定范围内并尽可能接近理想位置，就必须控制执行机构的运动精度，保证 光学成像系统采集图像的精度。研究和分析在线啤酒瓶检测位置误差的精度并找 出它的影响因素，对提高整机( 系统) 的检测精度有致关重要的意义。 本文通过对研制的样机做了大量的瓶底污渍检测和瓶口缺损检测的调试实 验，发现有2 4 的检错率( 把合格啤酒瓶错误地检测为不合格而误剔除) 。因 此本文试图从检测位置误差的角度来分析研究检错原因及其影响因素，并提出改 进方案，从而保证或提高系统的检测性能。 6 西安工业大学硕士学位论文 1 3 本文的研究工作 1 3 1 学术思想、特点与创新之处 回转式光电验瓶机，运用了机、光、电、气、计算机五大学科中的先进技 术，通过计算机集中控制，各执行机构有机配合，巧妙完成对瓶口残缺，瓶底有 污渍或破损的空瓶进行检测、剔除。根据研制的光电验瓶机样机在现场检测高速 运转的啤酒瓶时，出现把合格瓶检测为不合格的情况，展开分析研究，综合运用 机械学、光学、图像学、电子控制及计算机知识解决了实际存在的问题。本研究 项目的特点是把分析研究与调试实验结合起来，从而降低设计成本，提高设计成 功率，且保证设计精度。创新之处在于在线啤酒瓶检测位置偏差的提出与求解以 及五维光电位置传感器的应用。 1 3 2 技术路线与措施 回转式光电验瓶机工作原理是：利用光学成像原理，现场提取被检测瓶瓶口 和瓶底的图像输入计算机进行分析判断、输出处理信号给执行机构，剔除不合格 瓶子i ij 。实际生产中由于瓶子处于高速运动中，执行机构的制造误差、运动误差 以及瓶子自身的制造误差会造成光学成像系统拍摄的图像位置各不相同，与理想 位置存在一定的偏差。当计算机在对提取的图像进行分析运算时，必须给需要处 理的图像规定一个范围。对处于规定范围内的图像进行处理，超过范围的图像数 据就认为是错误的图像，予以剔除。要使瓶子都能成像在设定范围内并尽可能接 近理想位置，就必须控制执行机构的运动精度，保证光学成像系统采集图像的精 度。研究和分析执行机构的运动精度并找出它的影响因素，对提高整机( 系统) 的检测精度有致关重要的意义。本文试就此展开讨论，分别对瓶底检测和瓶口检 测系统检错率加以分析研究，结合现场调试实验，提出了改进方案。 1 4 小结 啤酒瓶在线实时检测有两方面的含义，一个是瓶子要到达准确的检测位置， 一个是传感器( 控制器) 要准确控制检测系统开始检测。所谓准确的检测位置就 是瓶子的中心线和检测系统的中心( 理论上) 重合。由于各种误差两个中心线是 不可能完全重合，不重合的程度就是机器的精度表现。在线啤酒瓶以4 万瓶小 时速度运动，相当于每秒要从检测位置经过1 1 个啤酒瓶，1 7 2 7 m m 的运动距离， 检测系统若选取千分之一秒的快门时间，那么啤酒瓶在检测位置偏差1 7 3 m m ，再 加上检测机构各部件机械精度的偏差，形成的最大检测位置偏差，可能会造成检 错事件发生。本文就以检测位置偏差为切入点来分析研究检错事件的成因及其解 决方案。 2 在线啤酒瓶检测原理方案分析 2 在线啤酒瓶检测原理方案分析 多功能检测机的工作原理是：利用光学成像原理，现场提取被检测瓶瓶口和 瓶底的图像输入计算机进行分析判断、输出处理信号给执行机构，剔除不合格瓶 子。 2 1 总体结构 本设备总体结构包括机械部分( 传动夹持输送) 、光学成像系统、松下c c d 摄像祝、电气控制部分、气动机构及元件等，参见图2 1 。 图2 1 ( a ) 回转光电验瓶机整机结构示意图图2 1 ( b ) 回转光电验瓶机检测结构示意图 2 1 。1 机械部分 空瓶靠压部分采用星轮结构，加工方便、精度高、易于维护。星轮直径较大， 可以增强该机构的强度和稳定性。夹持机构采用真空弹性吸盘，靠夹容易，夹持 力强、脱离时反向吹气，脱开迅速。传动部分主要指由传动链道通过斜齿轮传动 及摩擦传动带动星轮旋转，降低推瓶阻力，在星轮轴与动力轮之间加有气动离合 器及刹车装置技术成熟；传送部分采取饮料生产行业普遍应用的链道传动方式。 剔除机构与星轮结合，采用压缩空气强吹及链道分流方式。散光板装在瓶底光源 与瓶底之间，设计成平面旋转式结构，并用清水和旋转毛刷将空瓶从链道带来的 油污或杂物及时清洗掉，保证瓶底光源的一致性。c c d 摄像机及交焦镜头等安装 在一个高强度底板上，固定在星轮上方，固定高度根据不同的瓶高可以手动调整， 同样，检测不同尺寸的瓶子时，星轮也要更换成相应的规格。 2 1 2 光学成像系统 光学成像系统主要包括摄像机、镜头和光源。其中镜头采用日本精工6 倍电 动变焦镜头，变焦范围1 2 5 m m 7 5 m m 。由予瓶底与瓶1 3 检测处于不同的两个 工位，所以它们的成像系统是分开的。 a 瓶底成像系统瓶底成像系统由c c d 摄像机、电动变焦镜头、光学视场扩展补 偿镜头和照射光源几部分组成，结构见图2 2 ( a ) 。变焦镜头可以适应不同直径 8 西安丁业大学硕士学位论文 高度的空瓶，保证获得图像的大小和清晰度；视场扩展镜头是为了改变成像光路， 弥补普通镜头视角小的缺陷，保证摄像机可以从瓶口内拍摄到瓶底的全部；光源 部分从瓶底下方照亮瓶底，要求亮度均匀、流明大、寿命长，这里采用自行设计、 制作的超高亮度l e d 阵列平板光源。同时在光源与瓶底之间用散光板保证亮度 均匀。 b 瓶口成像系统瓶口成像系统由c c d 摄像机、电动变焦镜头、光学视场扩展补 偿镜头、遮光筒、圆环斜反射镜和照射光源几部分组成，结构见图2 2 ( b 1 。 这里与瓶底检测有所不同的是 环形光源发光经环形反射镜改变光 路，呈倒伞形照亮瓶口上端面；环形 光源采用日本c s c 专用l e d 光源； 遮光筒用来减少瓶内杂散光线的干 扰；补偿镜头用来减少近距离拍摄的 图像变形。 ( a )( b ) 图2 2 瓶底瓶口成像示意图 2 2 在线检测系统工作流程分析 综观已有的空瓶验瓶机，就整个机器的检测形式而言，无非具有两种形式 赢线型和星轮型。直线型的优点是体积小，比较节省空间，但其内部机构与 剔除系统比较复杂。反之，虽然星轮型体积大，需要大的安装空间，但其内部结 构与剔除系统比较简单，因此本次设计采用星轮方式。其工作流程如图2 3 ： 链道传输一星轮定位一真空夹持- * c c d 摄像机拍照一图像采集卡读取图像 一软件图像处理、判断一气动分瓶。 即由摄像机采集样本( 空瓶) 图像，送计算机进行图像处理，根据预先设定 的参数，判断样本( 空瓶) 的合格与否，用气动机构将合格与不合格的空瓶进行 分离。 光电验瓶机工作一般应该从机器调照开始，但由于机器调整完全是一种机械 调整，调整过程与在线检测系统无关。挺个检测系统的工作过程由以下部分构成： 图像调整与检测参数输入。在整个检测开始前，必须进行图像调整与检测 参数的输入( 一旦调整合适后，系统应该可以进行记忆，无须再次设定) 。这时 应该进入测试状态，系统自动且不断产生光源、摄像机和图像采集卡所需的触发 信号。用户可以通过触摸屏选择用户界面上的相应按钮等，动态调节镜头( 光圈、 焦距) 、以及采集卡参数( 亮度、对比度) ，采集到的图像不断显示在用户界面上 以便用户观察。待图像参数调整合适后，就进入检测参数输入阶段。这时，用户 将各个标准瓶手动推入星轮，并不断调整各项检测参数，指导所有标准瓶全部可 以正确检测为止，整个调整工作就宣告结束。 正常工作状态。在图像调整与检测参数输入后，即可以进入正常工作状态， 即检测状态。整个正常工作状态由辅助检测、信号触发、图像采集、图像处理、 西安工业大学硕士学位论文 剔除执行，机器工作状态检测几部分构成。瓶子沿链道进入验瓶机后，首先进入 辅助检测工位，在这里将对瓶子的透光性能进行检测、以便于正式检测时进行光 照补偿，从而处理混色瓶问题。之后，瓶子在星轮的带动下继续前移，当瓶子进 入检测工位后，光电传感器被触发，该触发信号分别被送入光源、摄像枫和图像 卡作为触发信号，光源闪光、摄像机开始拍摄、图像卡进行采集。之后，啤酒瓶 圈2 3 回转光电验瓶机示意图 在星轮带动下继续前移，同时，拍摄到的图像由采集卡采集后，进入计算机。计 算机进行必要处理，根据设定的检测条件进行检测，如果被判为不合格，计算机 将向气动系统送出剔除信号，气动系统将位于剔除工位的啤酒瓶剔除。在整个机 器工作中，还必须不断检测机器状态，防止事故的发生。 报警状态。为了保证系统的安全可靠运转，系统具有报警状态。当出现连续剔 除错误( 该剔未剔、不该剔除而剔除) 、机器停止运转、瓶子堵塞等情况时系统 进入报警状态。此时，整个机器停止运行，机器顶端红色报警灯闪烁，蜂鸣器鸣 叫，计算机弹出错误对话框，给出错误提示。待修正错误后，人工重新进入检测 状态即可。 西安工业大学硕士学位论文 2 3 在线检测系统功能分析 2 3 1 系统功能分懈 通过分析，可以将检测系统的功能分解，如图2 4 所示：整个系统由图像调 整与检测参数输入、啤酒瓶检测、报警处理、生产统计与管理四大模块组成。其 中啤酒瓶检测为系统的核心模块，其它几个模块是辅助模块，几个模块相辅相成 缺一不可。 2 3 2 软硬件分工 图2 4 系统功能分解图 一般从逻辑上讲，软硬件在实现功能方面是等价的。软件可以实现的功能硬 件一般也可以完成，反之，硬件可以完成的功能软件也可以完成。一般采用硬件 完成时速度加快，但一般成本较高，且缺芝灵活性。而软件正好相反，成本较高， 比较灵活，但速度一般较慢。此外，软硬件合理分工，互相配合，可以在一定程 度上发挥各自优势，提高系统的整体效率。从系统整体效率出发，我们将频闪发 生、混色处理、瓶子位置检测与触发、剔除复核报警功能采用硬件完成。这样在 软件完成检测、生产统计与管理、报警处理的同时中，就可以实现混色处理、瓶 子位置检测与触发、剔除复核报警等并行处理，从而提高系统效率。另外，以上 功能采用硬件处理时，代价并不是很高，从而保证了系统的性能价格比。 西安工业大学硕士学位论文 2 3 3 在线检测系统结构方框图 生产线上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 便对瓶底检测的光源亮度进行补偿。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3 2 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。其在线检测系统结构方框图如图2 5 。 2 4 主要算法研究 圈2 5 结构方框图 啤酒瓶在线检测系统的设计方案大致有两种，一为模板匹配方法，就是提供 一种标准啤酒瓶的资料；二为传统方法，对瓶子进行边缘检测，总结瓶子的特征 量。 1 2 西安工业大学硕士学位论文 2 4 1 模板匹配方法 如何在一幅图像中找到已知的物体，比如抓拍到了一张射门的照片，如何在 该照片中找到足球的位置。这时就可以采用模板匹配的方法。所谓模板匹配，其 实想法很简单：拿已知的模板( 在本例中为足球的图像) ，和原图像中同样大小 的一块区域去对。最开始时，模板的左上角点和图像的左上角点是重合的，拿模 板和原图像中同样大小的一块区域去对，然后平移到下一个像素，仍然进行同样 的操作。所有的位置都对完后，差别最小的那块就是我们要找的物体。 我们用 平方误差之和来衡量原图中的块和模板之间的差别。 模板匹配是数字图像处理的重要组成部分之一。把不同传感器或同一传感器 在不同时间、不同成像条件下对同一景物获取的两幅或多幅图像在空间上对准， 或根据已知模式到另一幅图中寻找相应模式的处理方法就叫做模板匹配。 假设要在搜索区域中寻找与模板图像相关程度最大的位置，可以通过模板匹 配来计算两者的相关程度。图2 6 是模板匹配算法的示意图。假设模板( b ) 叠放 在搜索图( a ) 上平移，模板覆盖下的部分记作子图s i j ，其中i j 是这块子图的左上 角像点在s 图中的坐标。从图中可得出i j 的取值范围：l _ i s k - m + l 、1 匀s l - n + i 。 衡量模板t 和子图s i ，j 的匹配程度，可用下列两种测度： m d ( i ，) = i s ”( r n ，h ) 一r ( m ，”) 】2 m 一1 一i “n 或者d ( i ) = x x l s “( 珊，一) 一丁( 聊，疗i ( 2 1 ) ( 2 2 ) 展开前一个式子，有如下式： 以“) ：兰兰b u ( ，强哟一玎对一2 m 娶nu 哟。玎坞啦+ 芝m ：n ! ：口协卅2 ( 2 3 ) 以f ，) = b ”( ，强哟一玎对一2 娶u 哟玎坞啦+ 芝：日地卅 ( 2 3 ) ( 2 3 ) 式右边的第三项表示模板的总能量，是一个常数，与( i ，j ) 无关。第一项是 模板覆盖下那块子图像的能量，它随( i ，j ) 位置而缓慢改变。第二项是子图像和 模板的互相关函数，随( i ，j ) 变化而迅速改变。模板t 和予图s i ，j 匹配时这一 项的值最大，因此可用下列相关函数来反应匹配程度： z s ”( m ，n ) x t ( m ，n ) 尉t d 2 专西磊f妒( m ，n ) r ( 2 4 ) 此处介绍的模板匹配算法在w i n d o w s2 0 0 0 下用v i s u a lc + + 编制，可方便地 移植到多种操作平台。 西安工业大学硕士学位论文 ( a ) 搜囊区域 图2 6 模块匹配算法示意图 2 4 2 边缘检测、连通区域标记和特征量提取 对于边缘检测，有若干个检测模板( 既边缘检测矩阵) 可以直接实现检测功 能，将常用的检测实现公式列出如下( 检测模版可以从相应的算法很容易的得 到) ： r o b e r t s 算子： g 【i ，i = i f i ，j j f i + l ，j + 1 【+ 1 f i + l ，j 卜f i ，j + l j1 ： s o b e l 算子： g i ，i = i f i 一1 ，j + 1 + 2 f i ，j + 1 + f i + l ，j + 1 一f i - 1 ，j - 1 - 2 f i ，j 一1 一f i + 1 ，j - 1 1 + f i - 1 ，j 一1 + 2 f i 一1 ，j + f i 一1 ，j + 1 一f i + l ，j - 1 一2 f i + l ，j 一f i + l ，j + 1 i ：其中g i ，j 表示处理后( i ，j ) 点的灰度值，f i ，j 表示处理前该点灰度值。 数字图像的边缘检测是图像分割、目标区域的识别、区域形状提取等图像分 析领域十分重要的基础，图像理解和分析的第一步往往就是边缘检测，目前它已 成为机器视觉研究领域最活跃的课题之一，在工程应用中占有十分重要的地位。 连通区域区域标记算法的优势比较明显，相对来说它的结构比较简单，利用 起来思路很清晰，当然它最大的优点是比其他的算法简单。在对处理过的图像进 行连通区域标记后，各个区域由于位置的不同而显现出不同的特征，容易根据它 们的形状或面积进行比较。 在连通区域标记后，就要用到特征量的提取。特征