一次性注射器针尖毛刺在线检测系统

【作 者】邰兆海

上海康德莱企业发展集团股份有限公司，上海，201803

一次性注射器（国外称为安全注射器）是一种新型的医疗器械，它能避免交叉感染，深受广大医患人员的欢迎。一次性注射器可以分为针筒和针管两个部分，其中针管的缺陷对产品的质量影响很大。产生针管缺陷的原因，主要是由于针管在制作过程中针尖部位可能产生的毛刺，其次是针管在装配过程中可能产生的倒插。

对于批量生产注射器，靠人工用目视和或摸来检测针尖毛刺和倒插针容易产生视觉疲劳，把手划破。这种靠人工来检测针尖毛刺和倒插针，不但检测效率不高，而且会有漏检，难以保证质量，严重制约了一次性注射器的生产效率。

针对本公司（包括国内注射器生产企业）在针尖毛刺检测方面的现状，我们设计开发了基于机器视觉的一次性注射器针尖毛刺检测系统，既能检测针尖毛刺，同时能检测针尖是否倒插等。它是用相机来采集针尖图像，通过数字图像处理技术，对针尖的毛刺进行自动识别，并显示报警。

1 系统的总体结构设计

机器视觉是在工业生产过程中代替人类视觉，对产品外形特征进行自动检测的一门技术。

图1 总体结构框图Fig.1 Overall structure block diagram

基于机器视觉的一次性注射器针尖毛刺检测系统的结构，主要由针排夹具、夹持定位装置、图像检测装置（两个触发拍照光电开关、两个光源、两个相机）、人机界面控制系统和执行机构（步进电机、滚珠螺杆、滑台、两个气缸）等组成。如图1所示。在针排夹具上放置一排共30个一次性注射器（由针筒和针管组成），各针管中待检测的针尖朝上。夹持定位装置对针管定位，使针管不超出相机拍照的视野范围。气缸1对针排夹具做定位。气缸2对针排夹具做锁紧和松开。步进电机拖动滑台在滚珠螺杆上做正反向运动。图像检测装置中的光电1、光源1、相机1和光电2、光源2、相机2跟随滑台一起运动，以实现对针尖毛刺的动态检测。人机界面控制系统对整个系统做运动控制、触发相机拍照、数据处理、测量结果显示和故障报警提示等。

2 系统的硬件设计

针尖毛刺检测系统的硬件部分由照明子系统、摄像子系统和控制子系统组成，其工作原理，如图2所示。照明子系统对被测针尖进行照明。摄像子系统把采集到的图像信号经数字处理后，通过USB接口传输到控制子系统。控制子系统据此再进行分析处理，然后把检测结果传输给状态指示灯，同时控制步进电机的动作，并通过针排夹具电磁阀来控制气缸执行针排夹具的定位、锁紧或松开。

图2 硬件系统原理框图Fig.2 Hardware system functional block diagram

2.1 照明子系统

在机器视觉系统中，一个合适的照明方式，可以获取高品质、高对比度的图像。常见的照明光源类型有条形光源、背光源、环形光源、穹顶光源和同轴光源等。光源在颜色上又分为白色光、红色光、蓝色光、绿色光、黄色光和紫外光等。对于每种不同的检测对象，必须采用不同的照明方式，才能突出被测对象的特征。

在本系统中，主要的任务是获取清晰的针尖轮廓，以便于跟设定值相比较。在背光照明方式下，光源均匀地从被检测物体的背面照射，可以获取高清晰的针尖轮廓；而在环形光照明方式下，能产生最适合高反射物体的无方向、柔和的光。根据针尖这一被测物体的实际情况，并为了防止光源之间的干扰，设计了一套同时结合背光蓝色照明和环形光红色照明这两种光源的照明子系统，由光源控制器以及光源1和光源2组成。

2.2 摄像子系统

刺、针尖倒插等图像信息，所以设计了一套同时结合侧面拍照和垂直拍照这两种方式的摄像子系统。它由相机1、相机2、图像处理器和图像显示器组成。

本系统设计是动态检测，相机、光源、触发拍照光电是跟随滑台一起运动的，这就要求图像的获取和处理与滑台的运动同步进行。调整好相机的位置，采用与滑台同步的节奏获取图像，并迅速进行图像信号处理，然后把处理完毕的图像数据及时送给控制子系统。

2.3 控制子系统

在动态检测中，要抓拍到稳定的图像，并把检测结果传送到显示界面，就要解决好防止拍照抖动、控制拍照时序、数据处理和信息显示等问题。为此，设计了一套具有防止抖动、数据处理、控制与显示等功能的人机界面控制子系统。它由PLC、扩展模块、触摸屏、触发拍照光电、步进电机、针排夹具电磁阀和LED状态指示灯等组成。

针排夹具电磁阀通过控制气缸来执行对针排夹具的定位、锁紧或松开任务，以防止动态检测中被测对象抖动。步进电机拖动滑台沿着针排夹具长度方向运动，滑台上悬挂了相机、光源，以实现对针尖毛刺的动态检测。触发拍照光电检测被测针尖的位置是否到达相机采集区域。触摸屏用来操作控制、设置运动参数、显示检测结果、统计生产信息和故障报警提示等。PLC和扩展模块协调指挥针排夹具电磁阀动作、步进电机运动、相机拍照和光源亮灭，还接收摄像子系统送来的图像数据，并进行归类与处理，然后去点亮LED状态指示灯等，完成对整个系统的控制。

在控制系统中，处理好触发拍照、数据接收等时序关系是很重要的。其光电感应、触发相机拍照、图像信号处理和PLC接收数据的控制时序，如图3所示。

图3 光电感应、触发拍照、图像处理、数据接收的控制时序图Fig.3 Photoelectric sensors, triggered camera, image processing, data reception control sequential chart

要获得准确、清晰的图像，必须考虑到相机拍照的景深与视野范围。侧面拍照，可以获取针尖高度、针尖倾斜等图像信息；垂直拍照，可以获取针尖毛

3 系统的软件设计

针尖毛刺检测系统的软件部分，由图像模块化流程处理软件、PLC程序和触摸屏程序组成。

图像模块化流程处理软件的设计，主要包括针尖图像采集、颜色灰度处理、二值化处理。PLC程序的设计，主要包括确认产品种类与规格、判别操作方式；控制针排夹具气缸的动作、电机的运行、光源的亮灭、相机的触发拍照；读取图像检测数据信号以及对信号进行处理并输出驱动状态指示灯；统计生产信息、输出故障报警信号。触摸屏程序的设计，主要包括：菜单选择、品种规格选择、操作方式选择、运行参数设置、自动与手动操作、显示故障名称、显示生产信息和检测结果。

3.1 图像模块化流程处理软件

图像模块化流程处理软件采用嵌入式系统模块化软件包，通过设置参数实现。嵌入式系统的模块化软件包为针尖毛刺图像处理提供了有效的功能，用它可以完成彩色、灰度以及二值图像的显示、处理（统计、滤波）等。

本系统的图像模块化流程处理软件设计，充分考虑到拍照时的景深和视野要求，以及根据光源灯投射在针尖部位时毛刺会有反光的特点来捕捉毛刺，并对毛刺有无和毛刺大小的界定采用反光面积值的大小来表示。所以，对针尖的图像检测先进行高度检测，再进行毛刺检测。采集到针尖高度和针尖毛刺的图像信息后，再进行灰度处理、位置修正、面积测量、二值化处理等。整个对针尖进行图像模块化流程处理的检测结果，如图4所示。

图4 针尖检测结果图Fig.4 Needle Point Test Results

通过图4这组图片，可以说明图像模块化流程处理的过程。(1) 是把抓拍的针尖高度照片，是经过颜色灰度过滤、边缘位置修正、二值化处理后得到的图片。此高度值作为后续抓拍针尖照片的景深标准。(2)是针尖源图，直接通过CCD相机抓拍到的只截取针尖部分的图片。(3)是针尖照片经二值化处理后的图片。(4)是对反光面积值再进一步二值化处理后，能直接反映出针尖部位有无毛刺的图片，其中A是有毛刺的图片，B是没有毛刺的图片。

3.2 PLC程序

PLC程序采用梯形图指令编程实现。它是以光电感应、PLC触发相机拍照、图像处理、接收测量数据的控制时序，并根据测量数据的排序处理结果来驱动LED状态指示灯，协调控制针排夹具气缸的动作、电机的运行和光源的亮灭等。程序操作控制方式有三种，分别适用于不同的工况。

图5 PLC程序流程框图Fig.5 PLC Program Flow Diagram

PLC的子程序有7个，各子程序的功能如下：子程序1的功能是锁紧气缸伸出、电机正转开始和相机开始拍照；子程序2的功能是读取图像数据并排序，把当前结果送屏显示、状态灯显示当前结果；子程序3的功能是读取图像数据并排序，把当前结果送屏显示，状态灯不显示当前结果；子程序4的功能是读取图像数据并排序，把当前结果送屏显示，状态灯显示上次结果；子程序5的功能是控制相机停止拍照，使电机正转停止和反转开始；子程序6的功能是锁紧气缸退回，挡块气缸仍伸出；子程序7的功能是锁紧气缸退回，挡块气缸也退回。

PLC主程序的流程框图，见图5所示。

3.3 触摸屏程序

触摸屏程序跟PLC程序的协调配合，通过USB接口实现。

在触摸屏程序中，有数据写入PLC和从PLC读取数据的控制指令，以及对应的存贮数据单元各2个；有菜单选择、方式选择、参数设置、操作控制、检测结果显示和故障报警提示等功能画面共20幅。触摸屏程序中的几个主要功能画面图，如图6所示。

4 结束语

采用机器视觉技术的一次性注射器针尖毛刺检测系统，已于2011年7月1日成功地投入到生产流水线上使用。数据表明，本系统对每张图片的处理时间约为60毫秒，对针尖倒插和针尖倒钩毛刺这种严重缺陷的检测正确率可达100%。

本项目的研发成功属国内首创，填补了国内对针尖毛刺检测采用针排不动相机运动这种动态检测方式的空白。它解决了人工检测难的问题，并能有效地保证产品的质量和生产的速度。

图6 触摸屏程序主要功能画面图Fig.6 Map of main functions of the touch screen program

目前，我们正在研发不但可在X轴方向动态检测，还可在Z轴方向自动调整相机位置的针尖毛刺检测机，以适应各种不同高度针管规格的针尖毛刺检测需要。