啤酒瓶自动检测系统的设计_陶跃珍

啤酒瓶自动检测系统的设计

陶跃珍，王东

（四川理工学院，四川 自贡 3000）

摘要：为检测、剔除回收啤酒瓶中的残次质量瓶，设计了一种基于机器视觉的啤酒瓶自动检测系统。该系统采用分级控制的方式，首先用8个CCD相机在线获取啤酒瓶瓶口、瓶身、瓶底及字符的图像，利用计算机对获取的图像进行处理分析，判断该啤酒瓶是否合格，并将判断结果发给PLC；然后由PLC控制的剔除器根据控制信号执行计算机的剔除指令，将不合格的啤酒瓶剔除出生产线。本系统可大大减少直接利用新啤酒瓶检测系统去检测回收啤酒瓶时的误判误检率，达到了简单、高效地分拣啤酒瓶的目的，具有一定的工业应用前景。 关键词：啤酒瓶；机器视觉；图像处理；PLC

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2010) 10－0059－03

Design of the beer bottle automatic inspection system

TAO Yue-zhen，WANG Dong

（Sichuan University of Science & Engineering，Zigong 3000，China）

Abstract：In this paper, an automatic inspection system based on machine vision was designed to reject the unqualified beer bottles, with the method of hierarchical control. In the system, eight CCD cameras are used to take the pictures about the mouth, body, bottom and character of beer bottle. Then, the images taken are processed and analyzed in PC, to determine whether the beer bottle is qualified or not. The result is sent to PLC, and the beer bottle with defect is taken out by the eliminate device controlled by PLC. The false alarm rate can be reduced greatly by using the system and the purpose of simply and high efficient beer bottle inspection is attained, with a better prospect of industry application. Key words：beer bottle；machine vision；image processing；PLC

近年来随着人们生活水平的提高，啤酒销量也在大幅增加，目前我国已成为全球啤酒销量最多的国家，年产量达4350万千升左右。与此同时，因啤酒瓶爆炸造成死伤的事件也时有发生，既威胁到消费者人身安全，又对企业形象造成不良影响。随着生产效率的提高，消费者对产品质量要求也在提高，使得啤酒瓶检测装置已经成为生产正常进行的关键设备之一。

国外的啤酒瓶一般不使用回收瓶，几乎都使用新瓶，所以国外的啤酒瓶检测装置是针对新瓶设计的。而我国企业为了降低成本，经常重复使用啤酒瓶，这些经过回收的啤酒瓶在流通过程中存在磨损，当使用从国外进口的检测装置来检测国内啤酒企业使用的回收瓶时，这些回收瓶在经过进口检测设备

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时剔除率过高，实际使用效果并不理想。为此，有些企业虽然在生产线上安装了进口检测装置，实际使用效率却较低，仍要配合传统的人工检测，导致整套设备的利用率不高。此外，目前国内啤酒生产企业配备的进口检测装置价格昂贵，维修也不方便。因此，研究国产啤酒瓶自动检测系统将具有极大的经济效益和社会效益。

1 系统组成

啤酒瓶的检测主要包括瓶口检测、瓶身检测、瓶底检测和啤酒瓶字符检测几个模块，这种积木式的设计方法是为了方便企业根据自身的条件进行选择[1]。系统构成如图1所示。

由于啤酒瓶是一个360°的旋转体，要获得瓶身

收稿日期：2010－05－10

基金项目：四川理工学院人才启动工程（07ZR30） 作者简介：陶跃珍（1979－），女，湖北武汉人，讲师，主要从事机器视觉、检测控制等方向的研究。

・60・ 产品开发与设计 机械 2010年第10期 总第37卷 和字符完整的图像，至少要拍摄到瓶身正反两幅图像，但由于瓶身是一个直径约为73 mm的圆柱体且有一定的厚度，若缺陷和字符不是正对CCD摄像头而是处于瓶身图像的边界处，则采集不到缺陷和字符的图像，即使再旋转180°获得的图像中仍观察不到该处的缺陷和字符。所以本系统采用了三个瓶身和字符检测模块，同时瓶身和字符图像的采集可以在一个位置由两个摄像机完成。具体过程如下：啤酒瓶由传送带传输至检测系统时，先经过第一个瓶身字符检测模块，然后由两根皮带夹持继续向前移动[2]，并经过瓶口检测模块。在此过程中，由于两皮带运行速度不同，啤酒瓶作直线运动时存在一定的转动，通过调整两皮带的速差，就可以控制啤酒瓶到达第二个瓶身字符检测模块时旋转了120°。在经过第二个瓶身字符检测模块后，进入第二个皮带传输装置中进行瓶底检测，在此过程中啤酒瓶又旋转了120°，然后进入第三个瓶身字符检测模块，就可以获取瓶身和字符的完整图像。将每个模块获取的图像都送入计算机中进行处理分析，判断该瓶是否合格。如果合格，则PLC不会发出剔除信号给剔除器；若不合格，则发出信号到剔除器，将该瓶剔除出传送带即可。

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传送带

毛发杂物的图像，故此处需采用透射照明。将平板光源置于啤酒瓶下方，CCD从瓶口上方进行拍照，采集装置如图3所示。

图2 瓶口图像采集单元 图3 瓶底图像采集单元

平板光源

CCD摄像机 穹形光源

CCD摄像机

瓶身可能出现的缺陷主要包括气泡和裂纹，通常采用穿透能力较强的红光或红外背光源进行照明，光线穿透瓶身成像于CCD靶面。当瓶身有缺陷时，缺陷部位的透光率就与正常玻璃不一样，导致其在图像中的灰度值也不同于正常区域的灰度值，通过合适的阈值分割可将缺陷提取出来，如图4所示。

平板光源

CCD摄像机CCD摄像机

图4 瓶身和字符图像采集单元

为了区别于其他的玻璃瓶，国家技术监督局要求啤酒瓶生产产家在啤酒瓶上打上专用的标志，该标志位于瓶底以上20 mm范围内，是以B字开头带有生产日期的一串字符。实验证明，平板状光源以背向方式照明时图象没有反光点，而且字符较为清晰。但是由于瓶底对光吸收较多，因此字符的下半部分没有足够的对比度，造成了字符边缘模糊不清。在试验过程中通过将摄像头、啤酒瓶字符区和光源放置在一条倾斜的直线上，可使瓶底区域成像在字 符的下侧[3]，就达到了使字符的边缘更清晰的目的。

1.瓶身和字符检测模块一 2.瓶口检测模块 3.瓶身和字符检测模块二

4.瓶底检测模块 5.瓶身和字符检测模块三 6.剔除器

图1 系统组成结构示意图

2 图像采集

由于瓶口是一个弧形表面，因而要实现表面的均匀照明必须使用穹形光源，目前比较理想的方案是使用有孔的穹形LED光源，CCD摄像机就从该光源的孔中对瓶口进行拍照，采集装置如图2所示。如果缺损在瓶口边沿，图像中边沿亮环将不会封闭；如果缺损在瓶口其它位置，图像中会出现除边沿处亮环以外的其它亮斑。

瓶底可能存在的缺陷包括裂纹、砂眼、气泡和毛发杂物等，由于玻璃瓶易反光，此处若采用反射照明方式，瓶底会出现大面积的反光，难以采集到

3 图像处理

啤酒瓶检测系统利用安装在各检测装置处的光电传感器来确定对啤酒瓶进行拍照的时间，从而保证啤酒瓶检测区域在图像中的位置固定。但在直线式空瓶检测中，啤酒瓶图像在视野中的位置有一定的抖动，所以应预先估算出啤酒瓶在图像中的检测

机械 2010年第10期 总第37卷 产品开发与设计 ・61・

区域，然后由计算机在估算的区域中进行精确搜索，获得啤酒瓶准确位置。

以瓶口检测为例：先根据CCD到瓶口平面的距离估算出瓶口检测区域在瓶口图像中大概的位置，再通过计算机运用投影法确定瓶口检测区域的精确位置。这样就不需要计算机在整幅图像中进行运算来确定检测区域，节省了运算时间。通过确定检测区域，就可避免啤酒瓶图像中非检测区域的干扰，使计算机只在预先设定好的区域中进行图像处理，从而达到大大缩短处理运算时间、提高识别效率的目的。

对于采集到的啤酒瓶各部位的图像，首先应进行图像预处理，然后进行图像分割，通过分析啤酒瓶各缺陷、污点和字符的特点，采用一定的智能判断与决策来完成对啤酒瓶缺陷、污点和字符的搜索与识别。

5 结束语

本设计使用PLC作为底层控制的控制器，同时能实时地和PC机进行简单指令的交互，一方面使上位机获得外围状态并对系统进行调度，另一方面接收上位机的检测结果，并根据结果实时地控制剔除器，将不合格啤酒瓶从传送带上推出，达到了简单、高效地检测啤酒瓶的目的，具有较好的工业应用前景。

参考文献：

[1]任谋. 玻璃空瓶检测技术与应用概念[J]. 中国食品工业，1999，（2）：43.

[2]梁敏敏. 在线高速智能空瓶检测系统的研究与开发[D]. 山东大学，2008.

[3]邬文俊. 基于机器视觉技术的啤酒瓶字符自动识别系统的研究[D]. 湖北工业大学，2005.

（上接第34页）

4 系统控制

性能优越的机器视觉系统应该以稳定可靠的硬件设备来保证。现在国内外的大部分机器视觉系统中，外围的自动化控制系统使用PLC对整个生产线、运动装置、机械手、剔除器等进行控制。本课题在实验室实验阶段，本着通用性和实用性的原则，我们选用三菱的FX系列PLC对整个外围系统进行控制，而FX1N很适合于本研究中的小型控制系统。

用PLC控制啤酒瓶自动检测系统的工作原理为：当啤酒瓶传输到检测位置时，扩散反射型光电开关能接收到啤酒瓶反射回来的光束，就会发出触发信号到PLC，于是PLC判断啤酒瓶到达检测位置，就会输出启动信号到CCD相机，控制CCD对该啤酒瓶进行拍照。CCD拍得的照片被传送到计算机进行图像处理分析，以判断该瓶在此模块是否存在缺陷。系统的传动部分是由交流电机驱动，使用变频器来控制，通过编码器和光电开关对每个啤酒瓶进行编号，将相同编号的图像处理结果汇总分析，从而判断该瓶是否为不合格瓶。若为不合格瓶则向PLC发出信号，当该编号的啤酒瓶触发了剔除器旁的光电开关时，PLC接到信号后即向剔除器发出控制命令，控制剔除器将不合格瓶从传输线上推出。

4 结论

（1）利用Ansys软件对柱塞泵进行有限元模态分析，在保证计算精度的前提下，采用精度高的有限元单元和约束形式，求出了柱塞泵的固有频率和模态振型。

（2）对主要研究对象－泵壳进行了计算模态分析，得出壳体的固有频率值，为避免共振现象，采用内壁增设加强筋和改变泵壳材料的方案，优化了壳体的结构，提高壳体结构刚度。利用有限元技术，对优化后的壳体模型进行了计算模态分析，分析结果表明优化后壳体的固有频率值与激振源的频率值能够在一定程度上错开从而避免共振现象，降低了结构振动和噪声。

参考文献：

[1]赵罘，辛洪兵，张力，等. 单机头电脑刺绣模态分析及优化设计[J]. 机械设计与研究，2005，（2）：70-72.

[2]张力，张恒，孟春玲. 复合材料高速储能飞轮模态分析[J]. 北京工商大学学报：自然科学，2003，（3）：42-44.

[3]杜平安．结构有限元分析的形状处理方法[J]．机械与电子，2000，（1）：26-27.

[4]丁康，李巍华，朱小勇．齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[M]．北京：机械工业出版社，2005.