基于機器視覺的玻璃瓶缺陷檢測與抓取系統(tǒng)研究
第一章 緒 論
管制玻璃瓶生產(chǎn)的時間較早，然而自從管制玻璃瓶開始生產(chǎn)，就伴隨有管制玻璃瓶就會有不同程度的缺陷，例如管制玻璃瓶瓶身會出現(xiàn)裂紋、瓶口處缺損、瓶壁內(nèi)有氣泡、瓶身表面粗糙等一系列缺陷，不但一直困擾著生產(chǎn)管制玻璃瓶的廠家，還對購買有缺陷管制玻璃瓶包裝產(chǎn)品使用的消費者構(gòu)成極大的安全隱患。對此，各大機構(gòu)開始對機器視覺檢測技術(shù)深入研究，也促使許多生產(chǎn)管制玻璃瓶廠家應用此項技術(shù)。早期，各大廠家都在使用人工檢測的方法，在檢測強度較大的工作環(huán)境中，由于通過肉眼或者結(jié)合放大鏡進行觀測，導致檢測結(jié)果不是很穩(wěn)定，直接會影響工廠流水線生產(chǎn)效率，因此，機器視覺檢測設(shè)備被諸多生產(chǎn)廠家大力引進，相應的檢測技術(shù)得到了合理的改善。伴隨科技日新月異的發(fā)展，人們也逐漸開始追求高檔次與高品質(zhì)的生活，對生活用品外觀和品質(zhì)也提出了更高的要求�，F(xiàn)如今在罐裝瓶行業(yè)中，由于玻璃這種材質(zhì)具有靚麗的外觀和優(yōu)良的阻隔性，被眾多廠家用作灌裝器具，人們常會采用玻璃罐裝瓶灌裝的產(chǎn)品，比如啤酒、藥品、調(diào)料和植物精油等等。所以，人們?nèi)粘Ｉ钪胁ＡЧ扪b瓶包裝有著廣泛的應用。
在制造玻璃罐裝瓶時，從原料篩選、加工融化、退火成型的復雜生產(chǎn)過程中，玻璃罐裝瓶不可避免的會產(chǎn)生瓶口破裂、缺口，玻璃罐裝瓶身表面劃痕、凸凹不平等常見的缺陷現(xiàn)象。用這些帶有缺陷的玻璃罐裝瓶灌裝產(chǎn)品后，在液體或者氣體裝入后都會產(chǎn)生壓力差，這就導致瓶內(nèi)和瓶外存在壓力，在受到猛烈地撞擊后就會出現(xiàn)爆瓶，存在著極大的安全隱患，甚至影響了整個生產(chǎn)過程的順利進行。因此，灌裝生產(chǎn)前，對罐裝玻璃制品進行檢測，，并剔除掉帶有缺陷的玻璃瓶就顯得尤為重要。目前，玻璃瓶常用檢測方法主要包括，人工檢測和機器視覺系統(tǒng)檢測。表 1-1 為檢測方法之間的性能對比。
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（1）國外機器視覺與機械手技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
在國外，有很多企業(yè)在灌裝流水線上都從事過基于機器視覺的缺陷檢測工作，這些企業(yè)都擁有豐富的研發(fā)經(jīng)驗和較高的技術(shù)水平，其中比較著名的有：法國的 SGCC公司、法國的 MSG 公司、德國的 Lasor 公司等。SGCC 公司制造的在線瓶罐檢測設(shè)備擁有完善的自動化功能，在我國國內(nèi)展會上推出，在當時受到了廣泛的關(guān)注；Lasor公司所研發(fā)的設(shè)備主要優(yōu)勢在于采用 CCD 攝像技術(shù)，能夠分辨 0.1mm 單位的缺陷，擁有較高的在線檢測精度。這些國外企業(yè)制造的檢測設(shè)備售價昂貴，但仍有許多的國內(nèi)企業(yè)競相購置。
機械手是采用大量自動化控制的機械裝置，是現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。實際上，機械手屬于機器人領(lǐng)域，其主要特征就是借助計算機控制程序?qū)崿F(xiàn)固定操作，按照程序完成相應的任務，滿足機器人工作需求，從而實現(xiàn)自動化和高精度地工作，提升工作的適應能力。機械手研制工作起源于美國，到了上個世紀七十年代，西方發(fā)達工業(yè)化國家都相繼開展了此項技術(shù)的研發(fā)工作，例如瑞士的 ABB 機器人公司、德國的 KuKa（庫卡）公司、日本的 FANUC（發(fā)那科）公司等等。20 世紀 50 年代，全球首臺機械手由美國聯(lián)合控制公司制造，該型機械手具有簡單的機械結(jié)構(gòu)，并且采用了示教形的控制。這家公司在首款機械手上繼續(xù)研發(fā)，又研制出了新款機械手為數(shù)控式示教再現(xiàn)型。取名 Unimate（萬能自動）。其中，該種機械手采用了仿照坦克炮塔式的運動形式，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的運動。此后，諸多研發(fā)機構(gòu)開始逐步研發(fā)、生產(chǎn)球坐標型通用的機械手，其中，研制出的 Vewrsatran 機械手最為成功。這款機械手驅(qū)動方式為液壓式，它能夠做出回轉(zhuǎn)動作或者升降動作。20 世紀 70 年代，工業(yè)型機械手Unimate-Vicarm 開始得到應用，該型機械手運用計算機的控制，保證了作業(yè)精度，滿足了生產(chǎn)要求。同時，類似的機械手還包括點焊機械手，能夠按照程序設(shè)定完成高精度的焊接工藝。2011 年，KuKa 公司還推出了新型 QUANTECK 系列機械手，能夠通過引進新型控制器和驅(qū)動技術(shù)，提升該系列機械手的技術(shù)水平。生產(chǎn)出的新型QUANTEC 架裝機械手 KR240R3100 kultra 和 KR240R3700 kprime,對有效載荷和行程進行優(yōu)化，固定軸 2 的位置向前移動 400mm，在卸載時間上縮短 25%，效能損耗降低 30%，該型機械手特別適用于注塑機。如圖 1-1 為 KuKa 新型 QUANTE C 系列機械手所示。
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第二章 硬件配置及功能分析
本章主要介紹的內(nèi)容為基于機器視覺的玻璃瓶缺陷檢測與抓取系統(tǒng)的整體設(shè)計框架，以及本系統(tǒng)中主要硬件設(shè)備的選型原則，包括光源設(shè)備、攝像機設(shè)備、鏡頭設(shè)備、圖像處理設(shè)備、用于抓取的機械手設(shè)備及設(shè)備參數(shù)。
本系統(tǒng)的檢測對象為精油灌裝瓶，作為一個相對獨立的檢測領(lǐng)域，玻璃瓶缺陷檢測的特點包括有以下幾點：
（1）在不同的光源的照射下，玻璃制品表面會反射照過來的光線，而且角度也不斷變化，這對很多傳統(tǒng)檢測技術(shù)來說都是不小的挑戰(zhàn)。（2）玻璃瓶的生產(chǎn)過程要求實現(xiàn)自動化控制，在提高生產(chǎn)效率的同時還要保證較高的合格率。（3）由于玻璃的造型各異且做工復雜，傳統(tǒng)的檢測方法不能完美地解決玻璃瓶存在缺陷檢測的各類問題，因此，非接觸的視覺檢測為這種高精度重復性的檢測提供了有效的途徑。
針對玻璃瓶不同檢測部位的特點，結(jié)合實際情況，該系統(tǒng)主要針對以下幾個部位進行缺陷檢測，即
①瓶口檢測：瓶口表面有無裂紋；
②瓶身檢測：瓶身表面有無凹凸毛刺或破損裂紋；
③瓶底檢測：瓶底表面有無裂紋或破損。
玻璃瓶經(jīng)過檢測系統(tǒng)時，未檢測出存在上述問題，則會自主地進入到下一個檢測環(huán)節(jié)當中。如果檢測存在任何一種問題，系統(tǒng)就會控制剔瓶（機械手）實施抓取剔除工序，將該瓶放入廢品池。
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圖 2-1 為基于機器視覺的玻璃瓶缺陷檢測與抓取系統(tǒng)的整體設(shè)計框架，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成包括以下幾部分：
(1)光源技術(shù)及選型
1）光源的選型
正確的選用光源在該機器視覺系統(tǒng)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位，光源的選型會著實影響到采集圖像的好壞，進而該系統(tǒng)的整體性能會受到影響。而光源的主要作用，就是為了獲得對照明顯的圖像，光源主要功能有：
①盡可能地消除無感興趣的區(qū)域；②提高圖像的信噪比，方便于圖像可以較好的被處理；③影響圖像的因素被減少了，包括有照射角度、物體的材質(zhì)；④盡可能地增大感興趣區(qū)域與其他區(qū)域的灰度值之間的差異。
好的光源設(shè)計，還可以讓圖像中的前景（目標）和背景之間，獲得最佳的分離效果，同時對圖像處理的難度也變得容易了許多，對改善整體的機器視覺系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性給予很大地幫助。另外，光源設(shè)計還要考慮，光源本身的參數(shù)調(diào)節(jié)，檢測場地條件以及待測物體本身的光學屬性。光源可以大體上分為兩種，一種是自然界產(chǎn)生的光源，簡稱自然光源。另一種是人為創(chuàng)造的光源，簡稱人造光源。本系統(tǒng)檢測工作主要在操作箱內(nèi)完成，自然光源無法達到檢測要求，故選擇的是人造光源，而人造光源又包括有鹵素燈熒光燈、氙氣燈和 LED（發(fā)光二極管）。幾種人造光源的性能比較如表 2-1 所示，通過比較，性價比最高的是 LED 光源，因此，本系統(tǒng)采用 LED 作為系統(tǒng)光源。
2）LED 光源的照明設(shè)計
LED 光源在應用中一般可分為兩個種類，一類是正面光源，這一類光源適合于待測物體表面特征地檢測；另一類是背（面）光源，而這一類光源適用于待測物體的輪廓與透明程度地檢測。本次檢測物體的部位有玻璃瓶的瓶口、玻璃瓶的瓶身和玻璃瓶的瓶底。因此根據(jù)待測物體的反射光屬性不同，分別選擇了不同形式的 LED 光源照明。
①無影環(huán)形 LED 光源（正面光源）
無影環(huán)形 LED 光源又稱 Dome 光源，它通過多次在半球形的內(nèi)壁的反射，完全的消除掉陰影，可以達到漫射 LED 光源在整個空間區(qū)域內(nèi)的照明，對待測物體表面是凹凸不均起到很好的照射作用，如圖 2-2。無影環(huán)形 LED 光源在本次對玻璃瓶瓶口檢測的效果中表現(xiàn)得很好，因此，檢測玻璃瓶瓶口的光源選用了陜西維視圖像公司的AFT-RD200 漫反射圓頂光源，如圖 2-3。
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3.1 Blob 分析 .................................................. 21
3.2 Halcon 分析軟件........................................... 22
第四章 基于 Halcon 的玻璃瓶缺陷檢測實驗研究..................45
4.1 基于 Halcon 的玻璃瓶瓶口檢測實驗....................... 45
4.1.1 采集玻璃瓶瓶口圖像 ..................................... 45
第五章 基于 FVRTS 平臺的機械手抓取操作實驗研究.............87
5.1 FVRTS 簡介............................................... 87
5.2 視覺引導標定 ............................................. 88
第六章 基于 VC++的玻璃瓶缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
本章詳細介紹了檢測軟件的整體結(jié)構(gòu)和檢測流程，分析了軟件的功能模塊，并根據(jù)硬件自帶的庫函數(shù)，開發(fā)了系統(tǒng)軟件整體構(gòu)架平臺，采用基于 Halcon 視覺軟件的開源代碼，在 VC++6.0 環(huán)境下實現(xiàn)玻璃瓶缺陷檢測算法，以及圖像處理軟件 Halcon和機械手行程控制軟件 RT TOOLBOX2 設(shè)計與通信。
本系統(tǒng)利用 Halcon 機器視覺技術(shù)實現(xiàn)玻璃瓶缺陷檢測，Halcon 擁有的函數(shù)高達一千多個，函數(shù)之間各自獨立，Halcon 不僅僅具有完善的綜合標準軟件庫，Halcon還可提供良好的機器視覺集成開發(fā)環(huán)境。Halcon 一直都擁有著非常豐富的函數(shù)庫，包括所有標準級的圖像處理方法、高級的圖像處理方法、Blob 分析方法、形態(tài)學和提取特征等。另外，Halcon 重要特點是具有快速的原型化與開放式的結(jié)構(gòu)，編寫機器視覺應用程序可在交互編程環(huán)境中快速的、實時的寫入，可以加入新的算子有助于對提升已有的機器視覺功能。
FVRTS 的研發(fā)平臺整合了識別圖像匹配處理技術(shù)、機器視覺檢測技術(shù)、機械手智能控制和 PLC 邏輯控制等多項技術(shù)。從功能上可以分為視覺引導部分和機械手控制部分，其中視覺引導部分由機器視覺部分構(gòu)成。FVRTS 平臺的應用領(lǐng)域廣泛，包括有科學教育研究、計算機自動化控制、機器視覺系統(tǒng)、機械制造、人工智能控制、通信系統(tǒng)、智能安防、航空航天等領(lǐng)域。FVRTS 平臺在本系統(tǒng)中會涉及到進行玻璃瓶的視覺引導標定、機器視覺識別系統(tǒng)研究和智能機械手控制算法的研究。
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第七章 總結(jié)與展望
本文基于機器視覺的玻璃瓶缺陷檢測與抓取系統(tǒng)研究，以計算機為核心，集成了機器視覺技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及機械手自動運動控制技術(shù)，把當今主流的兩大技術(shù)充分的結(jié)合起來，利用機器視覺技術(shù)檢測和定位的精確性，深度挖掘六自由度的機械手抓取技術(shù)，兩者相輔相成，互相發(fā)揮其自身的技術(shù)優(yōu)勢。最后利用成熟的軟件設(shè)計平臺 VC++6.0 完成了玻璃瓶的缺陷檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)工作。本文針對以下幾個方面展開研究工作：
（1）基于機器視覺的玻璃瓶缺陷檢測與抓取系統(tǒng)的總體設(shè)計
提出一套完整的基于機器視覺檢測缺陷玻璃瓶的系統(tǒng)的方法，對機器視覺的各個部分尋找硬件和軟件的解決方案。硬件方面包括鏡頭、照明方案的選擇、CCD 相機、圖像采集卡和機器視覺軟件的選取。軟件方面，運用 Halcon 機器視覺軟件和 FVRTS 機械手控制平臺。
（2）基于機器視覺玻璃瓶缺陷檢測中算法的應用
根據(jù) Blob 分析流程，調(diào)用 Halcon 機器視覺軟件中合適的算子，反復實驗，得到相對合理的檢測流程，包括采集圖像、圖像預處理、圖像分割、形態(tài)學處理、連通性分析和特征提取。
（3）基于 Halcon 的玻璃瓶缺陷檢測實驗研究
通過對 Halcon 機器視覺軟件中大量算子的研究，結(jié)合 Blob 檢測方法的使用，針對玻璃瓶的瓶口、瓶身和瓶底，做出相應檢測方案的調(diào)整。這樣做的目的在于檢測部位不同、缺陷特征不同，可較好檢測出有缺陷瓶子，不至于造成漏檢和錯檢。最后通過實驗，總結(jié)出對檢測瓶子不同部位的結(jié)論，并提出檢測思路和設(shè)計方案。
（4）基于 FVRTS 平臺的機械手抓取實驗研究
利用 FVRTS 平臺提供的六自由度機械手精密控制，在視覺精確定位的基礎(chǔ)上，完成了抓取玻璃瓶的一系列操作，機器視覺與機械手通過以太網(wǎng)進行通信，實現(xiàn)了實時互聯(lián)。
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參考文獻（略）
本文編號：313588
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