Công nghệ kiểm tra trực quan toàn bộ chai PET: Thành phần hệ thống, nguyên lý thuật toán và xu hướng phát triển

1. Tầm quan trọng và bối cảnh của việc kiểm tra toàn bộ chai PET

Chai PET là vật liệu đóng gói được sử dụng rộng rãi trong ngành đồ uống, thực phẩm và dược phẩm. Trên các dây chuyền sản xuất chiết rót tốc độ cao, các lỗi như mức chất lỏng quá cao hoặc quá thấp và nắp đậy không đạt tiêu chuẩn có thể xảy ra do các yếu tố như lỗi thiết bị chiết rót, biến dạng chai hoặc biến động dây chuyền sản xuất. Mức chất lỏng quá cao có thể khiến sản phẩm nở ra hoặc thậm chí vỡ trong quá trình vận chuyển hoặc thay đổi nhiệt độ, trong khi mức chất lỏng quá thấp có thể vi phạm thông số kỹ thuật trên nhãn, ảnh hưởng đến hình ảnh của công ty và gây ra rủi ro theo quy định. Các lỗi về nắp như nắp cao, nắp cong, nắp bị thiếu hoặc vòng chống giả bị hỏng có thể dễ dàng dẫn đến rò rỉ chất lỏng hoặc nhiễm khuẩn. Do đó, việc kiểm tra chất lượng tự động các chai đầy ở cuối dây chuyền sản xuất đã trở thành một bước quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra.

Kiểm tra truyền thống chủ yếu dựa vào kiểm tra trực quan thủ công, nhưng phương pháp này kém hiệu quả, dễ gây mệt mỏi và dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố chủ quan, khiến nó không phù hợp với các dây chuyền sản xuất tốc độ cao với hàng chục nghìn chai mỗi giờ. Các công nghệ kiểm tra bằng tia X, kiểm tra siêu âm và kiểm tra hồng ngoại cũng đã được sử dụng, nhưng mỗi công nghệ đều có những vấn đề riêng, chẳng hạn như rủi ro sức khỏe, dễ bị nhiễu hoặc không đủ độ chính xác. Trong những năm gần đây, công nghệ kiểm tra toàn bộ chai dựa trên thị giác máy đã dần trở thành giải pháp chủ đạo nhờ những ưu điểm về vận hành không tiếp xúc, độ chính xác cao và tốc độ cao. Công nghệ này chụp ảnh chai bằng camera và sử dụng các thuật toán xử lý hình ảnh để phân tích các chỉ số chính như mức chất lỏng, nắp và nhãn, đạt được đánh giá chất lượng trực tuyến nhanh chóng và khách quan.

2. Thành phần của Hệ thống Kiểm tra Trực quan Toàn bộ Chai PET

Một hệ thống kiểm tra trực quan chai PET hoàn chỉnh thường bao gồm một bộ phận hình ảnh, một nguồn sáng, một bộ xử lý và một bộ truyền động. Các thành phần này phải hoạt động cùng nhau để đáp ứng các yêu cầu kiểm tra tốc độ cao và độ chính xác cao.

2.1 Đơn vị hình ảnh

Bộ phận hình ảnh có nhiệm vụ thu thập hình ảnh của chai. Thành phần cốt lõi của nó là một camera công nghiệp (như loại CCD hoặc CMOS). Để cải thiện phạm vi kiểm tra, hệ thống thường sử dụng nhiều camera hoặc kết hợp chúng với các tấm phản xạ để chụp ảnh đồng thời từ các góc độ khác nhau. Ví dụ, một giải pháp điển hình sử dụng ba camera CCD mảng diện tích, cách nhau 120 độ dọc theo dây chuyền sản xuất, để đạt được khả năng phát hiện 360 độ không có điểm mù của nắp chai và mức chất lỏng. Một giải pháp cải tiến khác chỉ sử dụng một camera CCD công nghiệp, nhưng có năm gương phản xạ (bao gồm gương thứ nhất đến gương thứ năm), thu thập hình ảnh đa góc của mặt trước, trái, phải và đỉnh chai thông qua phản xạ gương, giúp giảm hiệu quả chi phí và độ phức tạp của hệ thống. Ống kính camera thường bằng phẳng với đáy chai để đảm bảo hình ảnh rõ nét của vạch mức chất lỏng.

2.2 Hệ thống nguồn sáng

Độ chiếu sáng ổn định là yếu tố quan trọng đối với chất lượng hình ảnh. Hệ thống thường sử dụng nguồn sáng vùng LED hoặc nguồn sáng vòng để làm nổi bật các cạnh chai và đường viền mức chất lỏng. Nguồn sáng thường được đặt ở chế độ bật liên tục, không yêu cầu bộ điều khiển phức tạp và mang lại độ ổn định cao. Tùy thuộc vào đặc điểm của chai (chẳng hạn như độ trong suốt và màu sắc của nội dung), có thể chọn đèn nền (chiếu sáng từ phía sau chai để tạo bóng làm nổi bật đường mức chất lỏng) hoặc đèn chiếu sáng phía trước (chiếu sáng từ phía trước chai để tăng cường chi tiết bề mặt). Ví dụ, khi kiểm tra nắp chai, đèn nền giúp bắt được đường viền của nắp và vòng đỡ, trong khi trong phát hiện mức chất lỏng, việc kết hợp đèn nền phía trước và đèn nền sẽ bù hiệu quả sự can thiệp do bọt gây ra. Bố cục nguồn sáng phải tránh phản xạ và bóng đổ và thích ứng với môi trường rung động của dây chuyền sản xuất.

2.3 Bộ xử lý và thiết bị truyền động

Bộ xử lý (chẳng hạn như máy tính điều khiển công nghiệp) chạy các thuật toán xử lý hình ảnh để phân tích hình ảnh thu được và xác định mức chất lỏng có đạt yêu cầu hay không và nắp chai có bình thường hay không. Bộ xử lý này giao tiếp với bộ điều khiển PLC, bộ phận này điều khiển cơ chế loại bỏ (chẳng hạn như bộ đẩy chai điều khiển bằng van điện từ) dựa trên kết quả phát hiện để tự động loại bỏ sản phẩm lỗi khỏi dây chuyền sản xuất. Hệ thống cũng tích hợp các cảm biến quang điện, bộ mã hóa vòng quay và các thành phần khác để theo dõi vị trí chai và kích hoạt camera chụp ảnh, đảm bảo việc phát hiện được đồng bộ với tốc độ dây chuyền sản xuất.

3. Các thuật toán chính trong phát hiện chai đầy

Thuật toán là cốt lõi của kiểm tra trực quan và phải đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác cao và thời gian thực. Sau đây là các thuật toán điển hình để phát hiện mức chất lỏng và phát hiện nắp chai.

3.1 Thuật toán phát hiện mức chất lỏng

Mục tiêu của việc phát hiện mức chất lỏng là xác định chính xác ranh giới giữa chất lỏng và khí (hoặc bọt) bên trong chai. Các thuật toán chính thống bao gồm phương pháp chiếu gradient và phương pháp khuếch tán gradient chiếu thang độ xám. Quy trình của chúng thường bao gồm ba bước: tiền xử lý ảnh, định vị mức chất lỏng và đánh giá.

• Tiền xử lý ảnh: Đầu tiên, ảnh màu được chuyển đổi sang thang độ xám, sau đó được nhị phân hóa (ngưỡng thường được đặt ở khoảng 200 cho ảnh thang độ xám 256 mức) để tách chai khỏi nền. Đối với ảnh nhị phân hóa, nhiễu có thể được loại bỏ thông qua các phép toán như xói mòn và giãn nở, và diện tích chai có thể được định vị thô bằng phương pháp phân tích thành phần liên thông.

• Định vị mức chất lỏng: Phương pháp gradient chiếu thường được sử dụng. Đầu tiên, tổng các giá trị thang độ xám cho mỗi hàng dọc theo hướng dọc của ảnh được tính toán để tạo thành đường cong chiếu. Do sự thay đổi đột ngột của thang độ xám ở mức chất lỏng, giá trị gradient chiếu sẽ tăng đáng kể. Bằng cách quét đường cong gradient, có thể tìm thấy hàng chứa giá trị gradient lớn nhất, từ đó xác định vị trí mức chất lỏng. Để cải thiện độ chính xác, có thể kết hợp chiến lược khuếch tán gradient để tăng cường tín hiệu gradient bằng cách sử dụng các đặc điểm mức chất lỏng trước đó, giúp định vị ổn định hơn. Các thí nghiệm cho thấy lỗi định vị mức chất lỏng của phương pháp này có thể được kiểm soát trong vòng 0,68 mm và thời gian xử lý cho một khung hình duy nhất là khoảng 23,8 ms, đáp ứng các yêu cầu của hình ảnh tốc độ cao. Đối với hình ảnh nhiều góc (chẳng hạn như góc nhìn trái và phải thu được qua gương), hệ thống sẽ tính toán vị trí mức chất lỏng riêng biệt. Nếu cả hai đều nằm trong phạm vi tiêu chuẩn, thì được coi là đạt yêu cầu (đủ tiêu chuẩn); nếu quá cao, quá thấp hoặc không thể phát hiện được mức chất lỏng (ví dụ, trong một chai đầy), thì được coi là不合格 (không đủ tiêu chuẩn).

3.2 Thuật toán phát hiện nắp chai

Việc phát hiện nắp chai cần xác định các khuyết tật như nắp cao, nắp nghiêng, không có nắp và vòng chống giả bị hỏng. Các thuật toán chủ yếu dựa trên mối quan hệ hình học giữa nắp chai và vòng đỡ.

• Vị trí trục đối xứng: Đầu tiên, việc phát hiện cạnh được thực hiện trên ảnh chai. Trục đối xứng của chai được xác định bằng cách khớp các điểm đường viền trái và phải để hiệu chỉnh độ nghiêng của chai.

• Vị trí Vòng đỡ: Vòng đỡ (vòng tiếp hợp) được cố định tương đối chặt vào thân chai và xuất hiện dưới dạng một đường thẳng trên ảnh. Vòng đỡ có thể được định vị bằng cách đếm số điểm ảnh đen trên mỗi hàng và tìm hàng đỉnh; hoặc bằng cách sử dụng phát hiện góc, hai điểm cuối của vòng đỡ được xác định bằng điểm cong đường viền lớn nhất, sau đó một đường thẳng được tạo ra.

• Đánh giá Khuyết tật: Dựa trên thuật toán khớp đường thẳng, độ dốc và khoảng cách giữa đường thẳng ở đỉnh nắp chai và đường thẳng của vòng đỡ được tính toán. Nếu độ dốc chênh lệch giữa hai đường thẳng vượt quá ngưỡng (ví dụ: 0,005), nắp chai được đánh giá là cong; nếu độ dốc song song nhưng khoảng cách vượt quá phạm vi hiệu chuẩn (ví dụ: 20 pixel), nắp chai được đánh giá là cao; nếu không phát hiện được diện tích nắp chai, chai được coi là không có nắp. Đối với vòng chống giả bị vỡ, khe hở giữa vòng đỡ và vòng chống giả có thể được phát hiện: nếu không có khe hở, điều đó cho thấy vòng chống giả có thể bị vỡ hoặc tách rời. Loại thuật toán này có độ chính xác trên 99% và tốc độ xử lý 100 ms/ảnh.

4. Tích hợp quy trình kiểm tra với dây chuyền sản xuất

Trạm kiểm tra chai đầy thường được thiết lập sau khi chiết rót và đóng nắp nhưng trước khi dán nhãn và đóng gói. Quy trình kiểm tra như sau:

1. Thu nhận hình ảnh kích hoạt: Chai đi vào trạm kiểm tra qua băng chuyền. Cảm biến quang điện kích hoạt camera và nguồn sáng để thu nhận hình ảnh đa góc đồng thời.

2. Xử lý hình ảnh: Máy tính điều khiển công nghiệp chạy thuật toán để trích xuất các đặc điểm về mức chất lỏng và nắp.

3. Đánh giá và Thực hiện Kết quả: Hệ thống đưa ra tín hiệu "đạt/không đạt" dựa trên việc mực chất lỏng có nằm trong phạm vi tiêu chuẩn hay không và nắp có đạt yêu cầu hay không. Sau khi nhận được tín hiệu, bộ điều khiển PLC sẽ nhanh chóng loại bỏ các chai bị lỗi tại trạm loại bỏ bằng thiết bị đẩy.

Hệ thống cần thích ứng với các dây chuyền sản xuất tốc độ cao (lên đến 36.000 chai/giờ), do đó, hiệu quả thuật toán và khả năng đồng bộ hóa phần cứng là rất quan trọng. Hơn nữa, để đối phó với nhiễu do rung lắc chai, giọt nước và ánh sáng chói, thuật toán cần kết hợp thiết kế mạnh mẽ, chẳng hạn như sử dụng các chiến lược đánh giá xếp tầng hộp chữ nhật đa chiều và lọc hình ảnh.

5. Ứng dụng công nghiệp và xu hướng phát triển

Công nghệ kiểm tra trực quan đã được ứng dụng rộng rãi trên các dây chuyền sản xuất bao bì PET trong ngành đồ uống, bia và dược phẩm. Như thể hiện trong Hình 2, một dây chuyền chiết rót thông thường tích hợp nhiều hệ thống kiểm tra tại các trạm chính: kiểm tra chai đã được chiết trước khi thổi (kiểm tra các khuyết tật ở miệng, vai và đáy), kiểm tra chai đầy sau khi chiết (mức chất lỏng, nắp và mã hóa), kiểm tra nhãn sau khi dán nhãn (nhãn sai, hư hỏng và góc cong vênh), và kiểm tra bao bì sau khi đóng gói (kiểm tra chai bị thiếu, xác minh trọng lượng). Hệ thống giám sát chất lượng đầu cuối này cải thiện đáng kể khả năng tự động hóa sản xuất và tính nhất quán của sản phẩm.

Xu hướng phát triển trong tương lai bao gồm:

• Thuật toán thông minh: Tích hợp công nghệ học sâu để đào tạo các mô hình xác định các lỗi phức tạp (như lỗi in nhãn hoặc hư hỏng nhỏ ở chai), cải thiện khả năng thích ứng và độ chính xác của hệ thống.

• Kết hợp nhiều cảm biến: Kết hợp các cảm biến trọng lượng, quang phổ cận hồng ngoại, v.v., để theo dõi chất lượng bên trong như chất lượng nội dung và tạp chất trong khi phát hiện mức chất lỏng và nắp chai.

• Thiết kế linh hoạt: Thiết bị cần hỗ trợ chuyển đổi sản xuất nhanh chóng, thích ứng với nhu cầu phát hiện các loại chai và chất lỏng khác nhau thông qua nguồn sáng có thể điều chỉnh, giá đỡ camera và phần mềm tham số.

• Tối ưu hóa chi phí: Phát triển các giải pháp hình ảnh đa góc camera đơn (như hệ thống kết hợp gương) để giảm chi phí phần cứng đồng thời đảm bảo hiệu suất, thúc đẩy các doanh nghiệp vừa và nhỏ áp dụng công nghệ này.

6. Tóm tắt

Công nghệ kiểm tra trực quan toàn bộ chai PET, thông qua hệ thống hình ảnh tiên tiến và thuật toán hiệu quả, đạt được khả năng phát hiện tự động trực tuyến các khía cạnh chất lượng quan trọng như mức chất lỏng và nắp chai, thay thế hiệu quả việc kiểm tra thủ công truyền thống, đảm bảo chất lượng sản phẩm và cải thiện hiệu quả sản xuất. Với sự tiến bộ của công nghệ thị giác máy và trí tuệ nhân tạo, các hệ thống trong tương lai sẽ phát triển theo hướng chính xác hơn, tốc độ nhanh hơn và khả năng thích ứng mạnh mẽ hơn, cung cấp hỗ trợ công nghệ then chốt cho việc nâng cấp thông minh các ngành công nghiệp như đồ uống, thực phẩm và dược phẩm.