第一章 緒 論

1.1 論文研究的背景及意義
管制玻璃瓶生產(chǎn)的時(shí)間較早，然而自從管制玻璃瓶開(kāi)始生產(chǎn)，就伴隨有管制玻璃瓶就會(huì)有不同程度的缺陷，例如管制玻璃瓶瓶身會(huì)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(duì)購(gòu)買有缺陷管制玻璃瓶包裝產(chǎn)品使用的消費(fèi)者構(gòu)成極大的安全隱患。對(duì)此，各大機(jī)構(gòu)開(kāi)始對(duì)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)深入研究，也促使許多生產(chǎn)管制玻璃瓶廠家應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。早期，各大廠家都在使用人工檢測(cè)的方法，在檢測(cè)強(qiáng)度較大的工作環(huán)境中，由于通過(guò)肉眼或者結(jié)合放大鏡進(jìn)行觀測(cè)，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不是很穩(wěn)定，直接會(huì)影響工廠流水線生產(chǎn)效率，因此，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備被諸多生產(chǎn)廠家大力引進(jìn)，相應(yīng)的檢測(cè)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(kāi)始追求高檔次與高品質(zhì)的生活，對(duì)生活用品外觀和品質(zhì)也提出了更高的要求。現(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(huì)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(yīng)用。

在制造玻璃罐裝瓶時(shí)，從原料篩選、加工融化、退火成型的復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程中，玻璃罐裝瓶不可避免的會(huì)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(jiàn)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(huì)產(chǎn)生壓力差，這就導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)和瓶外存在壓力，在受到猛烈地撞擊后就會(huì)出現(xiàn)爆瓶，存在著極大的安全隱患，甚至影響了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行。因此，灌裝生產(chǎn)前，對(duì)罐裝玻璃制品進(jìn)行檢測(cè)，，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(cè)方法主要包括，人工檢測(cè)和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)。表 1-1 為檢測(cè)方法之間的性能對(duì)比。

......

1.2 機(jī)器視覺(jué)與機(jī)械手技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
（1）國(guó)外機(jī)器視覺(jué)與機(jī)械手技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
在國(guó)外，有很多企業(yè)在灌裝流水線上都從事過(guò)基于機(jī)器視覺(jué)的缺陷檢測(cè)工作，這些企業(yè)都擁有豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和較高的技術(shù)水平，其中比較著名的有：法國(guó)的 SGCC公司、法國(guó)的 MSG 公司、德國(guó)的 Lasor 公司等。SGCC 公司制造的在線瓶罐檢測(cè)設(shè)備擁有完善的自動(dòng)化功能，在我國(guó)國(guó)內(nèi)展會(huì)上推出，在當(dāng)時(shí)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(shì)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(cè)精度。這些國(guó)外企業(yè)制造的檢測(cè)設(shè)備售價(jià)昂貴，但仍有許多的國(guó)內(nèi)企業(yè)競(jìng)相購(gòu)置。

機(jī)械手是采用大量自動(dòng)化控制的機(jī)械裝置，是現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備。實(shí)際上，機(jī)械手屬于機(jī)器人領(lǐng)域，其主要特征就是借助計(jì)算機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)固定操作，按照程序完成相應(yīng)的任務(wù)，滿足機(jī)器人工作需求，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和高精度地工作，提升工作的適應(yīng)能力。機(jī)械手研制工作起源于美國(guó)，到了上個(gè)世紀(jì)七十年代，西方發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家都相繼開(kāi)展了此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)工作，例如瑞士的 ABB 機(jī)器人公司、德國(guó)的 KuKa（庫(kù)卡）公司、日本的 FANUC（發(fā)那科）公司等等。20 世紀(jì) 50 年代，全球首臺(tái)機(jī)械手由美國(guó)聯(lián)合控制公司制造，該型機(jī)械手具有簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且采用了示教形的控制。這家公司在首款機(jī)械手上繼續(xù)研發(fā)，又研制出了新款機(jī)械手為數(shù)控式示教再現(xiàn)型。取名 Unimate（萬(wàn)能自動(dòng)）。其中，該種機(jī)械手采用了仿照坦克炮塔式的運(yùn)動(dòng)形式，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的運(yùn)動(dòng)。此后，諸多研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)始逐步研發(fā)、生產(chǎn)球坐標(biāo)型通用的機(jī)械手，其中，研制出的 Vewrsatran 機(jī)械手最為成功。這款機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式為液壓式，它能夠做出回轉(zhuǎn)動(dòng)作或者升降動(dòng)作。20 世紀(jì) 70 年代，工業(yè)型機(jī)械手Unimate-Vicarm 開(kāi)始得到應(yīng)用，該型機(jī)械手運(yùn)用計(jì)算機(jī)的控制，保證了作業(yè)精度，滿足了生產(chǎn)要求。同時(shí)，類似的機(jī)械手還包括點(diǎn)焊機(jī)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(jī)械手，能夠通過(guò)引進(jìn)新型控制器和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提升該系列機(jī)械手的技術(shù)水平。生產(chǎn)出的新型QUANTEC 架裝機(jī)械手 KR240R3100 kultra 和 KR240R3700 kprime,對(duì)有效載荷和行程進(jìn)行優(yōu)化，固定軸 2 的位置向前移動(dòng) 400mm，在卸載時(shí)間上縮短 25%，效能損耗降低 30%，該型機(jī)械手特別適用于注塑機(jī)。如圖 1-1 為 KuKa 新型 QUANTE C 系列機(jī)械手所示。

......

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(jī)器視覺(jué)的玻璃瓶缺陷檢測(cè)與抓取系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)備、鏡頭設(shè)備、圖像處理設(shè)備、用于抓取的機(jī)械手設(shè)備及設(shè)備參數(shù)。

2.1 玻璃瓶缺陷檢測(cè)特點(diǎn)
本系統(tǒng)的檢測(cè)對(duì)象為精油灌裝瓶，作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的檢測(cè)領(lǐng)域，玻璃瓶缺陷檢測(cè)的特點(diǎn)包括有以下幾點(diǎn)：
（1）在不同的光源的照射下，玻璃制品表面會(huì)反射照過(guò)來(lái)的光線，而且角度也不斷變化，這對(duì)很多傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)都是不小的挑戰(zhàn)。（2）玻璃瓶的生產(chǎn)過(guò)程要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)還要保證較高的合格率。（3）由于玻璃的造型各異且做工復(fù)雜，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法不能完美地解決玻璃瓶存在缺陷檢測(cè)的各類問(wèn)題，因此，非接觸的視覺(jué)檢測(cè)為這種高精度重復(fù)性的檢測(cè)提供了有效的途徑。
針對(duì)玻璃瓶不同檢測(cè)部位的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，該系統(tǒng)主要針對(duì)以下幾個(gè)部位進(jìn)行缺陷檢測(cè)，即
①瓶口檢測(cè)：瓶口表面有無(wú)裂紋；
②瓶身檢測(cè)：瓶身表面有無(wú)凹凸毛刺或破損裂紋；
③瓶底檢測(cè)：瓶底表面有無(wú)裂紋或破損。

玻璃瓶經(jīng)過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，未檢測(cè)出存在上述問(wèn)題，則會(huì)自主地進(jìn)入到下一個(gè)檢測(cè)環(huán)節(jié)當(dāng)中。如果檢測(cè)存在任何一種問(wèn)題，系統(tǒng)就會(huì)控制剔瓶（機(jī)械手）實(shí)施抓取剔除工序，將該瓶放入廢品池。

......

2.2 系統(tǒng)硬件配置及功能分析
圖 2-1 為基于機(jī)器視覺(jué)的玻璃瓶缺陷檢測(cè)與抓取系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)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(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位，光源的選型會(huì)著實(shí)影響到采集圖像的好壞，進(jìn)而該系統(tǒng)的整體性能會(huì)受到影響。而光源的主要作用，就是為了獲得對(duì)照明顯的圖像，光源主要功能有：
①盡可能地消除無(wú)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(jì)，還可以讓圖像中的前景（目標(biāo)）和背景之間，獲得最佳的分離效果，同時(shí)對(duì)圖像處理的難度也變得容易了許多，對(duì)改善整體的機(jī)器視覺(jué)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(jì)還要考慮，光源本身的參數(shù)調(diào)節(jié)，檢測(cè)場(chǎng)地條件以及待測(cè)物體本身的光學(xué)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(jiǎn)稱自然光源。另一種是人為創(chuàng)造的光源，簡(jiǎn)稱人造光源。本系統(tǒng)檢測(cè)工作主要在操作箱內(nèi)完成，自然光源無(wú)法達(dá)到檢測(cè)要求，故選擇的是人造光源，而人造光源又包括有鹵素?zé)魺晒鉄�、氙氣燈�?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(guò)比較，性價(jià)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(jì)
LED 光源在應(yīng)用中一般可分為兩個(gè)種類，一類是正面光源，這一類光源適合于待測(cè)物體表面特征地檢測(cè)；另一類是背（面）光源，而這一類光源適用于待測(cè)物體的輪廓與透明程度地檢測(cè)。本次檢測(cè)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(cè)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(wú)影環(huán)形 LED 光源（正面光源）

無(wú)影環(huán)形 LED 光源又稱 Dome 光源，它通過(guò)多次在半球形的內(nèi)壁的反射，完全的消除掉陰影，可以達(dá)到漫射 LED 光源在整個(gè)空間區(qū)域內(nèi)的照明，對(duì)待測(cè)物體表面是凹凸不均起到很好的照射作用，如圖 2-2。無(wú)影環(huán)形 LED 光源在本次對(duì)玻璃瓶瓶口檢測(cè)的效果中表現(xiàn)得很好，因此，檢測(cè)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。

......

第三章 基于 Blob 分析玻璃瓶缺陷檢測(cè)算法研究與實(shí)驗(yàn)..............21
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(cè)實(shí)驗(yàn)研究..................45
4.1 基于 Halcon 的玻璃瓶瓶口檢測(cè)實(shí)驗(yàn)....................... 45
4.1.1 采集玻璃瓶瓶口圖像 ..................................... 45
第五章 基于 FVRTS 平臺(tái)的機(jī)械手抓取操作實(shí)驗(yàn)研究.............87
5.1 FVRTS 簡(jiǎn)介............................................... 87

5.2 視覺(jué)引導(dǎo)標(biāo)定 ............................................. 88

第六章 基于 VC++的玻璃瓶缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本章詳細(xì)介紹了檢測(cè)軟件的整體結(jié)構(gòu)和檢測(cè)流程，分析了軟件的功能模塊，并根據(jù)硬件自帶的庫(kù)函數(shù)，開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)軟件整體構(gòu)架平臺(tái)，采用基于 Halcon 視覺(jué)軟件的開(kāi)源代碼，在 VC++6.0 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)玻璃瓶缺陷檢測(cè)算法，以及圖像處理軟件 Halcon和機(jī)械手行程控制軟件 RT TOOLBOX2 設(shè)計(jì)與通信。

6.1 軟件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)利用 Halcon 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)玻璃瓶缺陷檢測(cè)，Halcon 擁有的函數(shù)高達(dá)一千多個(gè)，函數(shù)之間各自獨(dú)立，Halcon 不僅僅具有完善的綜合標(biāo)準(zhǔn)軟件庫(kù)，Halcon還可提供良好的機(jī)器視覺(jué)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Halcon 一直都擁有著非常豐富的函數(shù)庫(kù)，包括所有標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的圖像處理方法、高級(jí)的圖像處理方法、Blob 分析方法、形態(tài)學(xué)和提取特征等。另外，Halcon 重要特點(diǎn)是具有快速的原型化與開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，編寫機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用程序可在交互編程環(huán)境中快速的、實(shí)時(shí)的寫入，可以加入新的算子有助于對(duì)提升已有的機(jī)器視覺(jué)功能。

FVRTS 的研發(fā)平臺(tái)整合了識(shí)別圖像匹配處理技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)、機(jī)械手智能控制和 PLC 邏輯控制等多項(xiàng)技術(shù)。從功能上可以分為視覺(jué)引導(dǎo)部分和機(jī)械手控制部分，其中視覺(jué)引導(dǎo)部分由機(jī)器視覺(jué)部分構(gòu)成。FVRTS 平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括有科學(xué)教育研究、計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)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(tái)在本系統(tǒng)中會(huì)涉及到進(jìn)行玻璃瓶的視覺(jué)引導(dǎo)標(biāo)定、機(jī)器視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)研究和智能機(jī)械手控制算法的研究。

......

第七章 總結(jié)與展望

7.1 總結(jié)
本文基于機(jī)器視覺(jué)的玻璃瓶缺陷檢測(cè)與抓取系統(tǒng)研究，以計(jì)算機(jī)為核心，集成了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，把當(dāng)今主流的兩大技術(shù)充分的結(jié)合起來(lái)，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)和定位的精確性，深度挖掘六自由度的機(jī)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(shì)。最后利用成熟的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái) VC++6.0 完成了玻璃瓶的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)工作。本文針對(duì)以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究工作：
（1）基于機(jī)器視覺(jué)的玻璃瓶缺陷檢測(cè)與抓取系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
提出一套完整的基于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)缺陷玻璃瓶的系統(tǒng)的方法，對(duì)機(jī)器視覺(jué)的各個(gè)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(jī)、圖像采集卡和機(jī)器視覺(jué)軟件的選取。軟件方面，運(yùn)用 Halcon 機(jī)器視覺(jué)軟件和 FVRTS 機(jī)械手控制平臺(tái)。
（2）基于機(jī)器視覺(jué)玻璃瓶缺陷檢測(cè)中算法的應(yīng)用
根據(jù) Blob 分析流程，調(diào)用 Halcon 機(jī)器視覺(jué)軟件中合適的算子，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到相對(duì)合理的檢測(cè)流程，包括采集圖像、圖像預(yù)處理、圖像分割、形態(tài)學(xué)處理、連通性分析和特征提取。
（3）基于 Halcon 的玻璃瓶缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究
通過(guò)對(duì) Halcon 機(jī)器視覺(jué)軟件中大量算子的研究，結(jié)合 Blob 檢測(cè)方法的使用，針對(duì)玻璃瓶的瓶口、瓶身和瓶底，做出相應(yīng)檢測(cè)方案的調(diào)整。這樣做的目的在于檢測(cè)部位不同、缺陷特征不同，可較好檢測(cè)出有缺陷瓶子，不至于造成漏檢和錯(cuò)檢。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出對(duì)檢測(cè)瓶子不同部位的結(jié)論，并提出檢測(cè)思路和設(shè)計(jì)方案。
（4）基于 FVRTS 平臺(tái)的機(jī)械手抓取實(shí)驗(yàn)研究

利用 FVRTS 平臺(tái)提供的六自由度機(jī)械手精密控制，在視覺(jué)精確定位的基礎(chǔ)上，完成了抓取玻璃瓶的一系列操作，機(jī)器視覺(jué)與機(jī)械手通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)互聯(lián)。

......

參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：313588