Công nghệ thị giác máy tính đang định hình lại các tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng cho chai thủy tinh như thế nào?

Một ánh sáng yếu phản chiếu trên thân chai trong suốt và dưới camera tốc độ cao, một bong bóng nhỏ được xác định và đánh dấu chính xác – tất cả chỉ trong vòng một phần trăm giây.

Chai thủy tinh, một loại bao bì cổ xưa, đang phải đối mặt với những yêu cầu chất lượng khắt khe trong sản xuất công nghiệp hiện đại. Các phương pháp kiểm tra thủ công truyền thống không còn đáp ứng được nhu cầu sản xuất quy mô lớn, tốc độ cao ngày nay. Với sự phát triển của công nghệ thị giác máy tính, việc kiểm tra chất lượng chai thủy tinh đang trải qua một cuộc cách mạng.

Thông qua cảm biến CCD và CMOS tiên tiến, thuật toán xử lý hình ảnh chuyên nghiệp và công nghệ trí tuệ nhân tạo, hệ thống kiểm tra trực quan có thể đạt tốc độ kiểm tra hàng chục nghìn chai mỗi giờ với độ chính xác đạt đến mức micron mà mắt người không thể đạt được, mang lại sự đảm bảo chất lượng vững chắc cho ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm.

1. Những hạn chế và thách thức của phương pháp kiểm tra truyền thống

Trong quá trình sản xuất chai thủy tinh, do tính phức tạp của quy trình sản xuất, việc xuất hiện các sản phẩm lỗi là không thể tránh khỏi. Các vấn đề như bọt khí, tạp chất, vết nứt và sai lệch kích thước gây ra rủi ro nghiêm trọng đối với chất lượng sản phẩm.

Để nâng cao chất lượng sản phẩm xuất xưởng, các nhà sản xuất thường dựa vào việc kiểm tra thủ công rộng rãi để loại bỏ sản phẩm lỗi. Phương pháp truyền thống này có những nhược điểm rõ ràng: tốc độ kiểm tra chậm, đòi hỏi nhiều nhân lực, vật lực và không gian.

Sau thời gian làm việc kéo dài, mắt người dễ bị mỏi và bỏ sót các chi tiết nhỏ, khiến việc đảm bảo chất lượng sản phẩm một cách nhất quán trở nên khó khăn. Tiêu chuẩn kiểm tra rất khó thống nhất, với sự khác biệt về đánh giá chủ quan giữa các chuyên viên kiểm định chất lượng khác nhau, và ngay cả tiêu chuẩn đánh giá của cùng một chuyên viên cũng có thể thay đổi theo thời gian.

Các dây chuyền sản xuất tốc độ cao hiện đại càng làm nổi bật những hạn chế của việc kiểm tra thủ công. Lấy sản xuất chai bia làm ví dụ, nhiều dây chuyền sản xuất bia hiện nay đạt tốc độ hơn 36.000 chai mỗi giờ, vượt xa khả năng của việc kiểm tra thủ công.

Đặc điểm của chính các chai thủy tinh cũng làm tăng thêm khó khăn trong việc kiểm tra. Tính chất trong suốt của thủy tinh khiến một số khuyết tật khó phát hiện bằng mắt thường, và đặc điểm khuyết tật ở các bộ phận khác nhau của chai (miệng chai, vai chai, đáy chai) cũng khác nhau, đòi hỏi phải kiểm tra từ nhiều góc độ.

2. Nguyên lý hoạt động và ưu điểm công nghệ của thị giác máy tính

Hệ thống kiểm tra bằng thị giác máy tính chuyển đổi mục tiêu thu được thành tín hiệu hình ảnh thông qua các sản phẩm thị giác máy tính (CMOS và CCD), sau đó được truyền đến một hệ thống xử lý hình ảnh chuyên dụng.

Hệ thống chuyển đổi hình ảnh thành tín hiệu số dựa trên các thông tin như phân bố điểm ảnh và độ sáng. Sau đó, các tín hiệu này được xử lý bằng nhiều thuật toán khác nhau để trích xuất các đặc điểm mục tiêu, và thiết bị tại chỗ được điều khiển dựa trên kết quả phân biệt.

Một hệ thống kiểm tra trực quan chai thủy tinh hoàn chỉnh thường bao gồm một số thành phần chính: hệ thống chiếu sáng quang học, camera công nghiệp tốc độ cao, card thu nhận hình ảnh, phần mềm xử lý hình ảnh chuyên dụng và bộ truyền động.

Hệ thống sử dụng các cấu hình camera và phương án nguồn sáng khác nhau để đáp ứng nhu cầu kiểm tra các bộ phận khác nhau của chai thủy tinh. Ví dụ, việc kiểm tra thân chai có thể sử dụng nhiều camera USB 3.0 với độ phân giải khác nhau, kết hợp với đèn nền hoặc đèn vòm; việc kiểm tra miệng chai yêu cầu camera có độ phân giải cao hơn, kết hợp với nguồn sáng không bóng hình vòng để làm nổi bật các chi tiết.

Về lợi thế kỹ thuật, thị giác máy trước tiên cải thiện độ chính xác của việc kiểm tra, tiêu chuẩn hóa các tiêu chuẩn kiểm tra và loại bỏ những khác biệt riêng lẻ trong kiểm tra thủ công.

Thứ hai, nó giúp tăng tốc độ kiểm tra đáng kể, cho phép kiểm tra toàn diện sản phẩm theo thời gian thực. Về mặt kinh tế, chi phí đầu tư ban đầu trung bình thấp hơn nhiều so với chi phí nhân công.

Các hệ thống này cũng có thể tóm tắt và phân tích dữ liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định vấn đề trong các quy trình thượng nguồn và đưa ra các đề xuất cho các quy trình tiếp theo, đạt được sự tối ưu hóa liên tục của quy trình sản xuất.

3. Thực hành ứng dụng: Triển khai cụ thể việc kiểm tra trực quan chai thủy tinh

Trong các ứng dụng thực tế, việc kiểm tra trực quan chai thủy tinh bao gồm nhiều chỉ số chính. Kiểm tra kích thước bao gồm các thông số như chiều cao chai, đường kính ngoài thân chai, đường kính ngoài miệng chai và chiều cao miệng chai, đảm bảo mỗi chai đều đáp ứng các thông số kỹ thuật.

Việc phát hiện lỗi phức tạp hơn, bao gồm các lỗi về hình thức bên ngoài của thân chai (bong bóng, tạp chất, nếp nhăn, dính, nứt, xước, dấu vân tay, v.v.), lỗi ở đáy chai (không bằng phẳng, đáy nhọn, đáy lệch tâm, v.v.) và lỗi ở vai chai (vai nghiêng, chai bị méo, v.v.).

Kiểm tra miệng chai đặc biệt quan trọng vì nó liên quan trực tiếp đến hiệu quả niêm phong của bao bì. Ngoài việc phát hiện các loại khuyết tật tương tự như trên thân chai, nó còn đòi hỏi khả năng phát hiện chuyên biệt các vấn đề cụ thể như vết khía, vết nứt và miệng chai không đều.

Thiết bị kiểm tra tiên tiến sử dụng chế độ làm việc cộng tác đa trạm. Ví dụ, một thiết bị kiểm tra hoàn toàn tự động dựa trên thị giác máy tính AI bao gồm trạm phía trước, trạm kiểm tra một, trạm camera bay, trạm kiểm tra hai, trạm kiểm tra ba, trạm kiểm tra bốn và trạm kiểm tra năm, kết hợp với cơ cấu vận chuyển qua lại để vận chuyển chai lọ.

Mỗi trạm được trang bị một hệ thống camera mảng khu vực chuyên dụng và sơ đồ nguồn sáng để chụp ảnh các chai từ nhiều góc độ khác nhau. Một số thiết bị sử dụng tới 34 camera, được kết nối thông qua nhiều card thu thập dữ liệu USB 3.0 4 cổng, để đạt được phạm vi phủ sóng toàn diện.

4. Những thách thức kỹ thuật và giải pháp đổi mới

Việc kiểm tra trực quan chai thủy tinh gặp phải nhiều thách thức kỹ thuật. Đầu tiên là việc thu nhận chính xác những sai lệch nhỏ nhất và khả năng chống lại sự nhiễu loạn từ môi trường.

Việc phát hiện đường kính miệng chai đòi hỏi độ chính xác cao, nhưng trong các tình huống thực tế, ngay cả những sai lệch nhỏ trong định vị sản phẩm cũng có thể dẫn đến lỗi trong việc trích xuất cạnh trong quá trình khớp hình tròn do sự phản xạ không đều của bề mặt thủy tinh và sự biến dạng nhẹ của chai.

Thứ hai, có vấn đề về ranh giới thang độ xám bị mờ trong việc phát hiện vết bẩn. Một số vết bẩn nhỏ có thể có sự khác biệt rất nhỏ về thang độ xám so với nền chai, dễ dẫn đến việc phân loại sai là nền hoặc bỏ sót không phát hiện được.

Tính chất trong suốt của vật liệu thủy tinh cũng có thể gây ra hiện tượng "mờ nhòe phối cảnh" của các vết bẩn, đặc biệt là các vết bẩn bên trong chai. Sự xuyên thấu của ánh sáng gây ra hiện tượng chồng chất các sắc độ xám, khiến việc xác định chính xác ngưỡng sắc độ xám "vết bẩn - nền" trở nên khó khăn.

Sự nhiễu động động từ ánh sáng môi trường và phản xạ cũng là một yếu tố không thể bỏ qua. Bề mặt nhẵn của chai thủy tinh dễ bị phản xạ, và những thay đổi nhỏ về cường độ ánh sáng trong môi trường phát hiện có thể gây ra sự dao động trong giá trị thang độ xám của hình ảnh được camera thu lại, ảnh hưởng đến kết quả phát hiện.

Các giải pháp tiên tiến bao gồm việc áp dụng các mô hình thuật toán hiện đại. Một số hệ thống sử dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo dựa trên các mô hình mạng nơ-ron sâu để mã hóa và trích xuất các đặc điểm từ hình ảnh chai thủy tinh, dẫn đến việc phân loại chất lượng chính xác hơn.

Việc ứng dụng các mô-đun tích chập lai giúp cải thiện hơn nữa khả năng trích xuất đặc trưng. Bằng cách sử dụng các nhân tích chập có kích thước khác nhau và các nhân tích chập giãn nở với tỷ lệ giãn nở khác nhau, hệ thống có thể thu thập các đặc trưng đa tỷ lệ và thích ứng với nhu cầu phát hiện các khuyết tật có kích thước khác nhau.

Để đáp ứng các yêu cầu đồng bộ hóa, các công ty như Basler đã phát triển các giải pháp tùy chỉnh, điều chỉnh tín hiệu đầu ra IO của camera để đạt được khả năng điều khiển đồng bộ các nguồn sáng khác nhau trong khi camera đang thu thập hình ảnh, cải thiện hiệu suất thời gian thực của tín hiệu kích hoạt nguồn sáng.

5. Xu hướng phát triển tương lai và triển vọng ngành

Với sự phát triển không ngừng của trí tuệ nhân tạo và công nghệ học sâu, việc kiểm tra trực quan chai thủy tinh đang hướng tới sự thông minh và khả năng thích ứng cao hơn. Các hệ thống thị giác máy truyền thống dựa vào việc thiết lập thủ công các thông số và ngưỡng phát hiện, trong khi các hệ thống dựa trên AI có thể tự động học các đặc điểm khuyết tật từ lượng lớn dữ liệu.

Sự phát triển của các nền tảng mã nguồn thấp đã làm giảm rào cản ứng dụng cho thị giác máy tính. Ví dụ, nền tảng mã nguồn thấp thị giác máy tính thông minh của Rectvision, tập trung vào công nghệ trí tuệ nhân tạo, cung cấp cho các nhà phát triển một chuỗi công cụ hoàn chỉnh, trọn gói cho việc thu thập hình ảnh, chú thích hình ảnh, phát triển thuật toán, đóng gói thuật toán và tích hợp ứng dụng.

Lập trình không cần mã và vận hành trực quan đang trở thành xu hướng mới trong ngành. Phần mềm kiểm tra bằng thị giác như SGVision cho phép người dùng xây dựng quy trình kiểm tra chai thủy tinh mà không cần lập trình, nhanh chóng thiết lập các thông số phát hiện thông qua thao tác trực quan, đạt được mục tiêu "thiết lập và sử dụng ngay", rút ​​ngắn đáng kể chu kỳ triển khai quy trình kiểm tra dây chuyền sản xuất.

Mức độ tích hợp đang ngày càng tăng. Các hệ thống kiểm tra thị giác hiện đại không chỉ thực hiện phát hiện khuyết tật mà còn thu thập và phân tích dữ liệu từ quy trình sản xuất, cho phép truy xuất nguồn gốc chất lượng và tối ưu hóa quy trình, cung cấp cho các công ty sản xuất sự hỗ trợ dữ liệu toàn diện hơn.

Với sự phổ biến của công nghệ và việc giảm chi phí, việc kiểm tra chai thủy tinh bằng thị giác máy sẽ mở rộng từ các doanh nghiệp sản xuất lớn sang các doanh nghiệp vừa và nhỏ, và từ các sản phẩm cao cấp sang các sản phẩm thông thường, thúc đẩy sự cải thiện toàn diện về chất lượng của toàn ngành.

Kinh nghiệm của Công ty TNHH Thiết bị Kiểm tra Jinan Maotong cho thấy rằng việc hợp tác với các nhà cung cấp thiết bị thị giác máy chuyên nghiệp có thể giúp thiết bị kiểm tra duy trì hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp nhiệt độ cao, nhiều bụi bẩn, và thậm chí nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

Trong tương lai, với sự phát triển hơn nữa của công nghệ trí tuệ nhân tạo, hệ thống kiểm tra thị giác chai thủy tinh sẽ không chỉ có khả năng nhận diện khuyết tật mà còn dự đoán xu hướng chất lượng và chủ động điều chỉnh quy trình sản xuất, đạt được sự chuyển đổi từ phát hiện thụ động sang phòng ngừa chủ động. Đây sẽ là một hướng đi quan trọng cho trí tuệ công nghiệp và là một biểu hiện thu nhỏ của sự chuyển đổi và nâng cấp ngành công nghiệp sản xuất của Trung Quốc.

Công nghệ kiểm tra hình ảnh "con mắt thông minh" này đang giúp ngành công nghiệp sản xuất truyền thống tìm ra con đường dẫn đến chất lượng, đảm bảo rằng mỗi chai thủy tinh xuất xưởng đều có thể vượt qua sự kiểm tra nghiêm ngặt.