一种PET瓶瓶盖和液位检测机的设计

张建中，何召明，张树君，王庆，高锦哲

（1.山东科技大学 泰安校区，山东 泰安 271019；2.山东科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266510；3.山东明佳包装检测科技有限公司，山东 泰安 271019）

0 引言

随着食品饮料行业的快速发展以及人们生活水平的不断提高，人们越来越重视产品的质量安全。瓶盖未盖好，瓶盖有毛刺或裂缝、液位过高、液位过低等不合格现象，都会影响产品在消费者心中的形象。目前，关于PET瓶瓶盖和液位的检测方法有多种，例如人工检测、传感器检测、计算机视觉检测等，但是都有其缺陷和不足，而且随着自动化生产线的普遍使用，这些检测方法已经不能满足自动化生产线的要求［1］，因此设计出一种高效PET瓶瓶盖和液位的检测设备是此行业面临的重要问题。本设计为了实现快速、精确地检测PET 瓶瓶盖和液位的质量。在原有的计算机视觉的基础上，通过新颖的机械结构设计、相机架构、光学镜片的设计以及稳定的图像处理算法。提供了一种能够在高速自动化生产线上进行实时不间断检测瓶盖和液位的一种检测设备，从而避免了现有技术上存在的问题。

1 检测机的整体结构

PET 瓶瓶盖和液位检测机是一套瓶装线上用于检测产品瓶盖和液位的模块化系统［2］，其中组成包括4 各部分，如图1 所示。

检测过程为：瓶子经过检测柜时，对其进行拍照，输入到图像处理系统，进行检测。检测柜跨在输送带上，通过机械调节装置能适应不同高度和直径的瓶型，实时图像的采集，检测柜中的主触发器，激活后的检测功能将控制容器被剔除的整个过程。后面的剔除器可以代替人工将不合格的产品进行剔除。剔除确认装置用于对剔除后的产品进行剔除确认，确保不合格品全部被剔除。

图1 检测过程图

2 检测柜的机械结构的设计

1）龙门式整体框架结构。

为使整台设备不受外界振动影响，整体框架设计成龙门式结构，不与输送链相接触，照像机与光反射设备分别安装在框架结构两侧，保证摄取图像稳定，如图2 所示。

2）同步升降结构。

图2 龙门式结构

用4 个丝杠支撑检测柜，每个丝杠底端固定齿轮，用不锈钢链条可实现4 个丝杠同步转动，保证了升降调节时的水平性。利用直齿锥齿轮传动，可方便链道旁工人的手工调节，如图3 所示。

图3 同步升降结构

3 图像的检测处理

3.1 检测处理难点及解决方法

1）本装置检测重点在于检测柜中相机的图像采集以及图像处理，在此过程中需要攻克的技术难点是：（1）单个、两个相机架构存在盲区，漏检避不可免；（2）一个柜子中各方向的光互相影响；（3）生产条件对设备稳定性的影响。

2）本设计解决方法是：（1）采用多相机架构［3］，100%的视角覆盖率；（2）采用特殊的光学镜片设计消除影响；（3）使用稳定的算法消除生产因素的影响。

检测机内部结构如图4 所示。

图4 检测机内部结构

3.2 三相机设计

如图5 所示，现有的单、双相机的架构存在的漏检率为50%和12%。三相机架构漏检率为3%，由于实际生产中次品出现概率至多为1%，因此实际漏检率为0.03%，提高了产品检测性能。

3.3 使用特殊的光学器件消除光线间的影响

使用光学元件的组合将不同方向的光过滤掉，使每个相机拍摄的图像就和单个光源照射一样，保证了图像采集的清晰度［4］。从根本上保证了检测效果的稳定性。

3.4 研制专有算法适应生产线

1）持胚环的Ransac 定位［5］。分别采集左右两侧样本点利用RANSAC 拟合得到持胚环的精确位置如图6。

2）瓶体的去水珠、去毛刺和抗旋转。利用Lucas-Kanade图像配准算法完成参数的估计。计算得到瓶体的对称轴。根据对称性对瓶体左右进行或运算，如图7 所示。

3）检测区域中我们会使用几何形状匹配、对比度分析、灰度直方图对封盖质量进行评估，经现场验证有较好的实用效果。同时对液位的高低采用相对位置比较的方式，只要设置好了液位和基准线的相对位置，软件会自动地对液位进行判断，非常智能，如图8 所示。

图5 相机检测

图6 Ransac 定位

图7 瓶体图像

4 结论

图8 检测区域

PET 瓶瓶盖和液位检测设备，是基于机器视觉系统的图像处理。本设计通过新颖的机械结构设计、相机架构、光学镜片的设计以及稳定的图像处理算法，使检测效率高、精度高，配备在柔性自动化生产线上，其运行可靠，倒瓶率低，检测速度达到42 000 瓶/h，解决了现有的技术问题。对饮料瓶质量检测行业产生深远的影响，同时该设备的研发也为以后更高效、更智能的设备的设计提供参考。

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