Công nghệ kiểm tra trực quan các lỗi nắp chai PET: Từ nguyên lý đến ứng dụng công nghiệp

Trên các dây chuyền sản xuất đồ uống tốc độ cao, chất lượng niêm phong của mỗi nắp chai đóng vai trò quan trọng đối với an toàn thực phẩm và uy tín của doanh nghiệp. Công nghệ kiểm tra trực quan, cho phép máy móc "nhìn thấy" những khiếm khuyết nhỏ trên nắp chai, đã trở thành một thành phần quan trọng của hệ thống kiểm soát chất lượng công nghiệp hiện đại.

Chai PET hiện diện khắp nơi trong các ngành hàng tiêu dùng nhanh (FMCG), chẳng hạn như đồ uống và dược phẩm. Là thành phần cốt lõi của bao bì và niêm phong, chất lượng nắp chai ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và chất lượng của sản phẩm bên trong. Việc phát hiện lỗi nắp chai truyền thống chủ yếu dựa vào kiểm tra trực quan thủ công, dẫn đến hiệu quả thấp, cường độ lao động cao và tỷ lệ bỏ sót kiểm tra cao.

Công nghệ ép nén nắp chai mới nhất cho phép sản xuất nắp chai PET với tốc độ 24.000-48.000 sản phẩm mỗi giờ. Tuy nhiên, tốc độ sản xuất cao cũng làm tăng khả năng xảy ra lỗi.

Công nghệ phát hiện lỗi nắp chai PET dựa trên thị giác máy đã trở thành một công cụ kỹ thuật quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

I. Các loại lỗi thường gặp ở nắp chai PET và tác động của chúng

Các lỗi ở nắp chai PET rất đa dạng và có thể được phân loại thành các loại sau dựa trên hình dạng và vị trí của chúng:

Các khiếm khuyết về ngoại quan chủ yếu bao gồm biến dạng nắp tổng thể, vết lõm ở cạnh, vết bẩn và vết khía. Những khiếm khuyết này không chỉ ảnh hưởng đến ngoại quan sản phẩm mà còn có thể làm giảm hiệu suất bịt kín. Ví dụ, biến dạng tổng thể của nắp chai có thể dẫn đến việc nắp chai bị lỏng lẻo, có khả năng gây rò rỉ hoặc trao đổi khí.

Các khuyết tật niêm phong như nắp cong, nắp cao hoặc thiếu nắp đều ảnh hưởng trực tiếp đến tính toàn vẹn của bao bì. Nắp cong có thể tạo ra khe hở giữa nắp và thành chai, có khả năng dẫn đến rò rỉ chất lỏng hoặc khí; nắp cao cho thấy nắp chưa được vặn chặt hoàn toàn, cũng ảnh hưởng đến độ kín.

Các khiếm khuyết về cấu trúc bao gồm chiều rộng quá mức của vòng chống trộm và cầu nối bị hỏng. Việc cầu nối trong vòng chống trộm bị hỏng hoàn toàn hoặc một phần có thể ảnh hưởng đến độ an toàn của sản phẩm và khiến sản phẩm không hoạt động bình thường.

Các khuyết tật liên quan đến cổ chai bao gồm hiện tượng chảy nhựa ở thành chai, khuôn đúc bên trong kém chất lượng và đường kính bệ khóa bất thường. Những khuyết tật này phát sinh từ các vấn đề trong quá trình sản xuất phôi hoặc đúc thổi nhưng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất bịt kín của nắp chai. Ví dụ, hiện tượng chảy nhựa ở thành chai quá mức có thể ảnh hưởng đến nút chặn ngoài của nắp, làm giảm độ kín; trong khi hiện tượng chảy nhựa ở ren có thể cản trở việc vặn nắp và dễ dẫn đến nắp bị cong vênh.

Bảng 1: Các loại khuyết tật phổ biến và tác động của nắp chai PET

II. Các thành phần của Hệ thống Kiểm tra Trực quan Nắp Chai PET

Một hệ thống kiểm tra trực quan nắp chai PET hoàn chỉnh thường bao gồm ba thành phần chính: một bộ phận thu thập hình ảnh, một bộ phận xử lý hình ảnh và một bộ phận điều khiển thực hiện.

1. Đơn vị thu nhận hình ảnh

Bộ phận thu nhận hình ảnh là "con mắt" của hệ thống, chịu trách nhiệm chụp ảnh rõ nét nắp chai. Bộ phận này thường bao gồm các thành phần như nguồn sáng LED, camera công nghiệp (CCD hoặc CMOS), ống kính và thẻ thu nhận hình ảnh.

Về giải pháp hình ảnh, chụp ảnh bóng đèn nền được sử dụng rộng rãi, có thể nắm bắt rõ ràng thông tin đường viền của mẫu. Để bao phủ toàn bộ bề mặt hình trụ của nắp chai, hệ thống đa camera thường được sử dụng, chẳng hạn như hệ thống ba camera với góc 120° giữa mỗi camera, đảm bảo hình ảnh toàn bộ mặt nắp chai mà không cần xoay chai.

Thiết kế chiếu sáng đóng vai trò quan trọng đối với chất lượng hình ảnh. Ánh sáng phù hợp có thể làm nổi bật các đặc điểm của mục tiêu và giảm thiểu nhiễu từ phản xạ và bóng đổ. Nguồn sáng LED là phương pháp chiếu sáng được ưa chuộng cho các hệ thống thị giác nhờ tuổi thọ cao, độ ổn định tuyệt vời và khả năng tùy chỉnh cao.

2. Bộ xử lý hình ảnh

Bộ xử lý hình ảnh là "bộ não" của hệ thống kiểm tra trực quan, chịu trách nhiệm phân tích và xử lý hình ảnh thu được và xác định các đặc điểm khuyết tật. Bộ phận này thường bao gồm các bước như tiền xử lý ảnh, trích xuất đặc điểm, phân loại và xác định khuyết tật.

Trong giai đoạn tiền xử lý ảnh, lọc trung vị thích ứng thường được sử dụng để loại bỏ nhiễu, phân đoạn ngưỡng lặp được sử dụng để nhị phân hóa, và toán tử Canny được sử dụng để phát hiện cạnh. Các phương pháp này trích xuất hiệu quả các cạnh đặc trưng của nắp chai, đặt nền tảng cho việc xác định khuyết tật tiếp theo.

Đối với các loại khuyết tật phức tạp, cần có các thuật toán tiên tiến hơn. Ví dụ, để phát hiện vật thể lạ trên bề mặt nắp chai, không gian màu HSV có thể được sử dụng thay cho không gian RGB truyền thống để khắc phục nhược điểm của thang độ xám không đều trên bề mặt nắp chai và các đặc điểm vật thể lạ không rõ ràng. Đối với các khuyết tật tinh vi như cầu gãy, thuật toán phân đoạn ngưỡng động đã cho thấy kết quả tốt. Thuật toán này sử dụng lọc trung bình để thu được vùng nền, so sánh hình ảnh đang kiểm tra với nền và đặt ngưỡng động để phân đoạn vùng bị gãy.

3. Đơn vị kiểm soát thực hiện

Bộ điều khiển thực hiện chịu trách nhiệm thực hiện các thao tác tương ứng dựa trên kết quả xử lý. Nó thường bao gồm một PLC (Bộ điều khiển logic lập trình), một thiết bị loại bỏ khí nén và một hệ thống định vị. Khi hệ thống phát hiện sản phẩm lỗi, nó sẽ gửi tín hiệu đến PLC, điều khiển van điện từ kích hoạt xi lanh, loại bỏ sản phẩm không đạt yêu cầu khỏi dây chuyền sản xuất. Các hệ thống tiên tiến cũng bao gồm chức năng định vị, ghi lại vị trí trạm máy đóng nắp tương ứng với sản phẩm lỗi, cung cấp thông tin chính xác để sửa chữa và điều chỉnh.

Bảng 2: Cấu hình điển hình của Hệ thống kiểm tra trực quan nắp chai PET

III. Thuật toán phát hiện khóa và đổi mới công nghệ

Công nghệ cốt lõi của hệ thống kiểm tra trực quan nắp chai PET nằm ở các thuật toán xử lý hình ảnh và các khuyết tật khác nhau đòi hỏi các phương pháp phát hiện khác nhau.

1. Thuật toán định vị nắp chai và trích xuất đường viền

Định vị nắp chai là bước đầu tiên trong quá trình phát hiện khuyết tật. Sử dụng phương pháp phát hiện cạnh toán tử Canny kết hợp với phương pháp trích xuất đường viền 8 lân cận, vị trí của nắp chai trên ảnh có thể được xác định chính xác. Sau đó, phương pháp bình phương nhỏ nhất được sử dụng để khớp đường viền đỉnh nắp và các đường vòng đỡ, tính toán vị trí và góc tương đối của chúng, làm cơ sở để xác định nắp cao hay cong.

2. Thuật toán phát hiện chuyên dụng cho các lỗi phức tạp

Xử lý ảnh thang độ xám thông thường bị hạn chế về hiệu quả trong việc phát hiện vật lạ trên bề mặt nắp chai. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc chuyển đổi ảnh từ không gian màu RGB sang không gian màu HSV và sử dụng thành phần bão hòa có thể làm nổi bật hiệu quả các đặc điểm vật lạ và cải thiện độ chính xác phát hiện. Đối với các khuyết tật tinh vi như cầu nối bị hỏng một phần của vòng chống trộm, phương pháp ngưỡng cố định gặp khó khăn trong việc phân đoạn sản phẩm hiệu quả do khe hở nhỏ (0,2-0,3mm) và sự phân bố thang độ xám đột ngột. Thuật toán phân đoạn ngưỡng động, thông qua ước lượng nền và so sánh chênh lệch, có thể xác định chính xác các khuyết tật tinh vi này.

3. Giải pháp xử lý tăng tốc phần cứng

Để đáp ứng nhu cầu của dây chuyền sản xuất tốc độ cao, một số hệ thống sử dụng các giải pháp tăng tốc phần cứng như FPGA (mảng cổng lập trình được). Ví dụ, một hệ thống kiểm tra dựa trên SoPC (hệ thống trên chip) sử dụng chip FPGA EP2C35F6726C. Tận dụng khả năng xử lý song song của phần cứng, hệ thống này giảm thời gian xử lý xuống còn khoảng 90ms mỗi chai, nhanh hơn đáng kể so với các giải pháp dựa trên phần mềm (thường là 2-3 chai mỗi giây).

IV. Kết quả ứng dụng công nghiệp và triển vọng công nghệ

Công nghệ kiểm tra trực quan nắp chai PET đã được sử dụng rộng rãi trong ngành đồ uống và dược phẩm, đạt được những kết quả đáng kể.

1. Kết quả ứng dụng công nghiệp

Các ứng dụng thực tế đã chứng minh rằng hệ thống kiểm tra trực quan có thể đạt độ chính xác phát hiện trên 99% và xử lý hơn 12.000 chai mỗi giờ, vượt xa hiệu quả và độ chính xác của kiểm tra thủ công. Ví dụ, hệ thống kiểm tra nắp chai PET dạng vòng không được hỗ trợ của một nhà máy dược phẩm đạt độ chính xác 99,97% khi phát hiện nắp bình thường và độ chính xác 99,20% khi phát hiện vật lạ trên bề mặt nắp và vòng bị vỡ. Hệ thống kiểm tra trực quan do Tập đoàn Wahaha Hàng Châu phát triển đã đạt được độ chính xác 99,90% trong thử nghiệm dây chuyền sản xuất thực tế, với tỷ lệ phát hiện sản phẩm bị lỗi 100% và tỷ lệ từ chối sai chỉ 0,08%.

2. Xu hướng phát triển công nghệ

Trong tương lai, công nghệ kiểm tra trực quan nắp chai PET sẽ phát triển theo hướng thông minh và tích hợp. Trí tuệ nhân tạo và công nghệ học sâu đang được ứng dụng vào lĩnh vực kiểm tra trực quan. Thông qua các phép toán tích chập và đào tạo mẫu nhỏ, chúng tạo ra các mô hình kiểm tra phù hợp hơn với từng sản phẩm cụ thể, mở rộng phạm vi kiểm tra và cải thiện hiệu suất thiết bị.

Sự kết hợp giữa nền tảng đào tạo và bảo trì đám mây và công nghệ điện toán biên cho phép hệ thống liên tục tối ưu hóa thuật toán thông qua các bản cập nhật từ xa, đồng thời đảm bảo hiệu suất theo thời gian thực. Các công nghệ kiểm tra hình ảnh 3D, chẳng hạn như hệ thống dịch chuyển laser, có thể phát hiện vị trí nắp chai với độ chính xác đến từng micron, cung cấp thông tin ba chiều phong phú hơn so với hình ảnh 2D. V. Kết luận

Công nghệ kiểm tra trực quan các khuyết tật trên nắp chai PET đã trở thành công cụ kiểm soát chất lượng không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp hiện đại. Từ việc phát hiện quang điện đơn giản ban đầu đến hệ thống quan sát đa camera ngày nay, và từ các thuật toán xử lý hình ảnh truyền thống đến sự ra đời của trí tuệ nhân tạo, lĩnh vực này đã đạt được những tiến bộ đáng kể.

Với sự ra đời của Công nghiệp 4.0, công nghệ kiểm tra trực quan nắp chai PET sẽ trở nên thông minh và kết nối mạng hơn nữa. Nó không chỉ phát hiện lỗi mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất thông qua phân tích dữ liệu và bảo trì dự đoán, nâng cao chất lượng và hiệu quả sản phẩm tổng thể. Trong tương lai, với sức mạnh tính toán ngày càng tăng và các thuật toán được tối ưu hóa, hệ thống kiểm tra trực quan sẽ đạt được những đột phá mới về độ chính xác, tốc độ và khả năng thích ứng, mang lại khả năng kiểm soát chất lượng đáng tin cậy hơn cho ngành công nghiệp bao bì.

Đối với các nhà sản xuất, việc áp dụng hệ thống kiểm tra trực quan tiên tiến không chỉ là phương tiện cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn là chìa khóa để giảm chi phí sản xuất, nâng cao hình ảnh thương hiệu và hướng tới sản xuất thông minh. Khi công nghệ ngày càng phổ biến và chi phí giảm, công nghệ kiểm tra trực quan sẽ được các doanh nghiệp vừa và nhỏ sử dụng rộng rãi hơn, thúc đẩy cải tiến chất lượng liên tục trong toàn ngành.