机器视觉系统实现灵活的瓶体标签检测收藏

   诸如产品转换和品类变化等因素引起的生产停机，时刻冲击着食品和饮料生厂商的利润底线任何既定的产品转换，都可能要求更换很多相关的设备选项，包括视觉系统，这可能会引发数小时、甚至是数天的生产线停产    美国一家一流的食品公司在扩大其瓶装玉米糖浆生产线时，专门接洽EPIC Vision Systems公司去开发一套精确的标签检测系统。

这家食品公司希望开发出这样一套检测系统：能够为超过20种不同的产品标签、甚至是不断扩大的产品种类提供检测，并且要求检测速度能达到500瓶/分钟为了实现这个目标，需要一个简单可靠的检测过程，用于不同产品类型之间的切换。

   标签检测中的技术挑战包括：条码数据和图案验证任务，以及由各种瓶体形状和大小的不同所带来的诸多挑战为了应对诸多变量带来的挑战，需要创建一套视觉检测系统，用于快速、精确地确定产品类型EPIC开发的检测系统。

   EPIC Vision Systems公司开发的检测系统（见图1）由一个高速气动剔除装置、自动转换和品类管理系统、一个可编程逻辑控制器（PLC）、两套康耐视的In-Sight视觉系统——In-Sight 5400和In-Sight 1400 micro，运行In-Sight Explorer软件。

当In-Sight1400 micro系统从原来的视觉系统重新调整用途时，工作团队在生产线的另一侧增加了In-Sight 5400系统，因为In-Sight 5400具有增强的处理能力，并且其PatMax工具能提供强大的模式匹配能力。

   In-Sight 5400和In-Sight 1400micro系统均采用标准的640×480图像传感器，工作距离约为15英寸（约38cm），以适应瓶子位置的变化，并使系统保持足够的视觉景深，保证检测对象被清晰聚焦。

   In-Sight 5400系统工作在大约4英寸×3英寸（约10cm×7.6cm）的视场下，使用高角度前向照明，照亮标签和条形码上的特征；同时采用Smart Vision Lights公司的两个偏离中心安装且与视场成一定角度的S75块状点光源，用于提供明亮的高对比度图像。

这些光源也可以确保直接反射的光不会干扰相机视角和图像    In-Sight 1400的视场比In-Sight 5400稍微小一些，以便于聚焦到标签的图案细节上，系统通过检测这些细节，来验证标签的位置和朝向、以及标签类型是否与当前的产品类型相匹配。

In-Sight 1400同样使用了高角度前向照明方法标签验证    在该应用中，视觉系统检测超过20个粘贴式标签和套式标签视觉传感器安装在传送带两侧，对椭圆形瓶体前面和背面的粘贴式标签、以及覆盖在整个椭圆瓶体上的套式标签进行检测，以验证每个标签是否正确，并且放置在正确的位置。

   标签验证算法采用几何模式匹配方法，来检查标签图案和条形码的正确性视觉系统检测粘贴式标签，验证瓶体前方的图案与瓶体后方的条形码相匹配，并测量标签的位置与朝向，确保标签粘贴正确另外，系统还要检测套式标签，来验证正确的品类参数；而条形码位置可以确保套式标签在垂直和水平方向上，相对于瓶子形状的正确相关性。

   系统也会测量标签相对于瓶体的位置，以保证位置偏差在±2mm范围内，这样有助于验证套式标签覆盖了瓶子的整个高度，且没有相对于椭圆形瓶子的前后发生扭曲（见图2）对圆柱形瓶体，有一点非常重要，那就是：视觉检测系统要验证套式标签没有在瓶底松脱，或者是没有相对于瓶子形状发生扭曲。

   系统读取条形码，验证产品类型、匹配瓶体前方标签的可视化特征后，还要测量条形码相对于瓶体边缘和瓶体底部的位置，以此来验证标签的位置和朝向的正确性系统使用一维条形码读取和模式匹配工具，粗略识别条形码位置，随后由边缘探测工具确定条形码边缘和瓶体边缘的精确位置。

Cognex软件和数学工具、以及手动校准的图像，将像素值和产品尺寸转换到毫米级别检测速度超过500瓶/分钟    创建这套机器视觉系统，是为了在装箱前对每一瓶玉米糖浆进行检验来自Allen Bradley公司的CompactLogix PLC，将来自康耐视的两套视觉系统的信号，组合成一个单一结果。

   次品跟踪逻辑中整合了如下信号：来自安装在传送带上的Dynapar公司的一个Hollowshaft增量编码器的信号；来自SICK公司的一个光电传感器的产品触发信号；以及相机的输出信号PLC能够在检测过程中记录每个瓶子的位置，并跟踪瓶子到传送带下方的次品回收站。

该系统采用防故障的次品跟踪逻辑，以确保只有那些验证合格的瓶子进入包装环节（见图3）任何在视觉检测站没有通过检测的瓶子，都将进入次品回收站    由于检测环境是带有冲洗清洁流程的食品生产线，因此In-Sight 1400系统被放置于APG公司提供的防水箱体中，In-Sight 5400系统上安装了镜头盖，确保达到IP67的工业防护等级。

PLC和HMI一体化实现快速转换    检验标准是由每个瓶子和标签的品类参数所决定的为了适应种类繁多的标签和瓶体检测需求，生产线上的一个PLC会将品类信息传送给系统中集成的CompactLogix PLC。

编码器也会跟踪产品位置，直到产品到达下游的次品回收站    在产品类型发生任何变化的过程中，操作团队有一个两步流程来变换视觉系统第一步：从In-Sight视觉系统的板载存储器中选择正确的程序文件（.job）；第二步：操作员需要根据包装尺寸，重新调节相机的位置。

   使用Cognex VisionView HMI人机界面，只需两分钟就能完成产品转换操作通过人机界面上的选择屏幕，操作员可以将相机脱机为离线状态，并使用品类选择按钮，从预编程的.job文件中选择要检测的品类。

用条形码值的最后几位数字作为品类文件名称的一部分，这样就能将文件名称与当前的产品标签对应起来选择好需要检测的品类后，操作员将相机重新联机到检测状态，然后转动手拨盘到正确的号码位置，并重新锁定滑轨，从而在运行期间保持相机和光电探测器的位置。

   为了应对所瓶子尺寸的变化，系统为相机中心线提供了高度调节功能对预置的中心线位置，品类转换时会被操作人员记录和修改，以确保相机能够对瓶体的正确区域成像为了开发这种相机中心线的高度调节能力，EPIC使用了来自Igus公司的导轨产品，定制可调节的滑轨和安装零件，以实现必要的正确运动范围。

   所有的相机和光源都安装在一个定制的安装底座上，该底座是使用Dassault Systèmes公司的SOLID-WORKS 3D CAD软件设计的在设计中对安装底座建模，使得EPIC团队能够设计出在空间和尺寸上满足客户需求的安装方案，确保成像组件被可靠固定。

   该系统在设计上保证了品类转换过程的简单性和可重复性，并且当操作员沿着生产线移动进行相关改变时，如改变传送带导轨宽度，系统仍可正常运行对于大多数品类转换，完成整个视觉系统的转换过程，花费的时间不到两分钟。

   对于新标签类型，监管员或训练有素的操作人员使用钥匙开关进入程序训练功能钥匙与I/O接口捆绑在一起，能够启用和禁用相机程序内的图案训练功能创建新的产品程序类型，需要将图案模型训练为前面标签的一个独特特征，并训练背面标签上的UPC条码（统一商品条码）。

训练新图案模型、并以与产品UPC相对应的文件名称保存这个训练程序，完成整个过程只需要几分钟的时间    为了接收品类信息，视觉系统的PLC与客户生产线上的PLC和In-Sight视觉系统集成在一起，集成是通过以太网实现的。

生产线上的PLC将当前的品类代码传送给视觉系统，视觉系统中的PLC被编程，以验证相机是否正在运行正确的检测程序，来检测当前瓶体的尺寸和标签类型    假设该系统可以使用自动化更换部件进行机械定位，但是这样做会增加系统设计成本和硬件成本。

而且，PLC信息也可以完全自动化相机程序更改，但是这也会增加编程成本，并在一定情况下降低操作的灵活性

图1EPIC机器视觉系统以超过500瓶/分钟的检测速度运行确保在包装之前对每个瓶体进行检测

图2使用CognexVisionView人机界面操作员可以看到每个瓶体检测的相机视图

图3机器视觉系统保证只有检验合格的瓶子才可以进入装运环节

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