机器视觉系统实现灵活的瓶体标签检测

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。