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多相機係統：視覺係統檢查軟包裝的密封質量
日期：2017-12-11
來源：J9九游会中国
不言而喻，二類和三類醫療器材和醫療用品供應商無法承擔無菌產品被汙染的風險。然而，即使包裝工藝嚴格符合衛生要求，但是異物仍然有可能存在於熱封材料層之間。在某些情況下，這些異物可能會形成足夠大的微通道，從而破壞產品對周圍環境的密封性，並最終導致細菌進入。
手動檢查包裝的密封性往往耗時且容易出錯。畢竟密封中的汙染物，如毛發和隱藏的顆粒，對於肉眼檢查而言非常具有挑戰性，容易出錯或疏漏。而且，密封被損壞的包裝，也可能具有人眼無法看到的微孔或裂口。毋庸置疑，如果這樣的包裝進入醫院和其他醫療環境中，不但會危害醫療器材和醫療用品的無菌性，而且還會對病人的健康帶來潛在危害。
了解到這一點後，美國DWFritz Automation公司開發了一套名為ASI的自動化密封檢測係統。該係統采用多相機機器視覺係統，旨在對生產線上的包裝進行100％的在線檢查，以確保無菌產品在整個供應鏈中保持無菌狀態。ASI係統設計用於檢查由柔性聚合物膜形成的包裝的密封完整性和包裝上的其他缺陷。該係統設計用於檢查由兩行、四列共八個獨立的小袋構成的包裝，每個小袋中裝有手術器材，並用帶有呼吸孔的Tyvek蓋密封。為了檢查八個小袋周圍的密封情況，ASI材料處理係統拾取每個包裝，並以250mm/s的速度將其精確地移動到兩個相機陣列處，相機朝上放置，帶有集成的閃光照明（見圖1）。在12秒的檢查周期內，不少於9台相機會采集378幅圖像，探測並分類小於50μm的缺陷。
在客戶應用現場，ASI係統是生產線的一個組成部分，其通過自動傳送機連接到包裝設備，包裝設備執行各種類型的醫療器械和醫療用品的包裝。在操作過程中，隨著包裝通過進料傳送機進入係統，其被檢測到後將相關信息輸入到Control Logix PLC（來自美國Allen-Bradley公司），該PLC用於控製機器的操作，PLC接收到信息後觸發輸出信號，以提升包裝下的抓取手指。當包裝升高到進料台位置時，PLC觸發In-Sight 5605智能相機視覺係統（來自康耐視公司），來捕獲包裝的圖像。
首先，由相機自帶的處理器對圖像進行分析，完成預檢查對準，以確定包裝的方向，並提供X、Y和T坐標，以便龍門架上的真空吸盤能夠以正確的方向拾取包裝進行檢查。由於在每個包裝上的八個小袋子之間，一個方向上有四條密封通道，另一個方向上有五條密封通道（見圖2），工程師在兩個麵朝上的光學陣列組件的設計中，需要使用至少九台相機。
視覺係統
對於每個相機/鏡頭組和照明組件，工程師選用了德國Basler公司的Ace 2048×2048黑白相機，該相機采用比利時CMOSIS（現在是ams Sensors Belgium）公司的CMV4000 CMOS圖像傳感器。為了滿足應用的分辨率要求，每台像素尺寸為5.5μm相機的400萬像素全局快門傳感器，與來自美國施乃德光學公司的40mm鏡頭配套使用。這種配置實現了25mm的視場。y軸光學陣列的四台相機連接到一台工業PC（iPC，來自研華科技）。同樣，用另一台相同的iPC控製x軸光學陣列中的五台相機。iPC以主從配置安排，主iPC運行一個OPC服務器，通過以太網與PLC機器控製器通訊。
在操作過程中，圖像采集和部件處理緊密同步。從PLC到iPC的編碼器反饋觸發每個相機陣列以每7.5mm的行程捕獲圖像，隨著包裝從相機的視場中經過，高低角度燈交替選通。這會產生連續但重疊的圖像，這些圖像通過USB3接口傳輸到工業PC，並拚接在一起，然後重構不同照明下的12×12英寸包裝的兩幅圖像。
圖像分析
圖像分析軟件使用各種算法來執行特定的視覺任務。一種算法用於識別密封通道，另一種算法用於尋找Tyvek中的褶皺。還有一種算法可以測量沿每個物品周邊的密封寬度，並確保它不低於特定的最小值，以識別可能密封線太窄的區域。其他算法應用於圖像以探測密封內部捕獲的微粒、Tyvek蓋中的褶皺、有破損的密封、光滑密封，並找出可能存在的任何孔洞或穿孔。需要幾種算法來探測毛發。一種針對黑色毛發，一種針對金色毛發，還有一種針對灰白毛發。圖像分析完成後，主iPC將結果傳送給PLC，然後PLC觸發兩個氣缸中的一個，或將包裝傳遞到下一個工序，或將其丟棄到廢品箱。
合適的照明
該係統的另一項挑戰是照明。由於包裝本身的形狀，並且由於密封區域在八個長方體形狀小袋之間的通道中凹陷，所以工程師不得不開發緊湊的定製照明係統，裝配在小袋子間的通道內，以便靠近密封區域。高度專業化的閃光照明解決方案是每個相機/鏡頭組和照明組件的組成部分之一，並提供機器視覺軟件所需的對比度來探測所需的密封缺陷。探測50μm缺陷需要每像素10μm或12μm的分辨率，材料處理係統必須在定位公差方麵實現嚴格的軸控製，以在將密封區域呈現給相機時保持±1mm的景深。
在ASI開發期間，負責指定零件處理和機器視覺係統的工程團隊必須解決幾項設計挑戰。首先，事實上每個八袋包裝可能包含大量不同尺寸和重量的物品，再加上包裝本身有一定的柔性度，並不是很硬挺，從而使包裝在處理期間容易翻轉。另一項設計挑戰是Tyvek蓋子的透氣性，這為吸盤的真空拾取帶來了一定的挑戰。另外，柔性材料的波紋和不平坦的表麵，對將其抓取並送到機器視覺相機檢測係統中而言，也是一項不小的挑戰。盡管包裝具有靈活性，並且可能包含各種不同重量和尺寸的醫療器材和醫療用品，但由於在1英尺y軸行程和2英尺x軸行程範圍內的景深要求±1mm，物料處理係統必須保持包裝平整度。
因為這需要使用相對較重的真空吸盤，其強度足以使多孔包裝保持平坦，而不會受到其內裝物體重量的影響，因此工程師選擇了機器人上的三軸機架係統，用於提供所需要的平滑、精確和可重複的運動。除了最小化無菌二類和三類醫療器材和醫療用品汙染的風險外，ASI係統還可能影響食品、軍需用品、消費品或幾乎任何其他依賴於完整氣密性封裝的柔性包裝應用。
手動檢查包裝的密封性往往耗時且容易出錯。畢竟密封中的汙染物，如毛發和隱藏的顆粒，對於肉眼檢查而言非常具有挑戰性，容易出錯或疏漏。而且，密封被損壞的包裝，也可能具有人眼無法看到的微孔或裂口。毋庸置疑，如果這樣的包裝進入醫院和其他醫療環境中，不但會危害醫療器材和醫療用品的無菌性，而且還會對病人的健康帶來潛在危害。
了解到這一點後，美國DWFritz Automation公司開發了一套名為ASI的自動化密封檢測係統。該係統采用多相機機器視覺係統，旨在對生產線上的包裝進行100％的在線檢查，以確保無菌產品在整個供應鏈中保持無菌狀態。ASI係統設計用於檢查由柔性聚合物膜形成的包裝的密封完整性和包裝上的其他缺陷。該係統設計用於檢查由兩行、四列共八個獨立的小袋構成的包裝，每個小袋中裝有手術器材，並用帶有呼吸孔的Tyvek蓋密封。為了檢查八個小袋周圍的密封情況，ASI材料處理係統拾取每個包裝，並以250mm/s的速度將其精確地移動到兩個相機陣列處，相機朝上放置，帶有集成的閃光照明（見圖1）。在12秒的檢查周期內，不少於9台相機會采集378幅圖像，探測並分類小於50μm的缺陷。
圖1：DWFritz自動密封檢測係統，通過在自動傳送機上吸附包裝來檢查密封件的所有麵。專門設計的真空吸盤能夠拾取多孔包裝，然後將包裝移動到朝上放置的相機陣列處。
生產線整合在客戶應用現場，ASI係統是生產線的一個組成部分，其通過自動傳送機連接到包裝設備，包裝設備執行各種類型的醫療器械和醫療用品的包裝。在操作過程中，隨著包裝通過進料傳送機進入係統，其被檢測到後將相關信息輸入到Control Logix PLC（來自美國Allen-Bradley公司），該PLC用於控製機器的操作，PLC接收到信息後觸發輸出信號，以提升包裝下的抓取手指。當包裝升高到進料台位置時，PLC觸發In-Sight 5605智能相機視覺係統（來自康耐視公司），來捕獲包裝的圖像。
首先，由相機自帶的處理器對圖像進行分析，完成預檢查對準，以確定包裝的方向，並提供X、Y和T坐標，以便龍門架上的真空吸盤能夠以正確的方向拾取包裝進行檢查。由於在每個包裝上的八個小袋子之間，一個方向上有四條密封通道，另一個方向上有五條密封通道（見圖2），工程師在兩個麵朝上的光學陣列組件的設計中，需要使用至少九台相機。
圖2：密封到12x12英寸，8袋柔性聚乙烯上的Tyvek蓋子，密封高達2英寸的醫療器械。需要定製照明才能合適地照亮密封區域（褐色區域），以探測小於50μm的缺陷。
在操作過程中，材料處理係統首先將包裝沿包括四個相機/鏡頭組和照明組件的y軸光學陣列移動；然後再將包裝沿包括五個相機/鏡頭組和照明組件的x軸光學陣列移動。視覺係統
對於每個相機/鏡頭組和照明組件，工程師選用了德國Basler公司的Ace 2048×2048黑白相機，該相機采用比利時CMOSIS（現在是ams Sensors Belgium）公司的CMV4000 CMOS圖像傳感器。為了滿足應用的分辨率要求，每台像素尺寸為5.5μm相機的400萬像素全局快門傳感器，與來自美國施乃德光學公司的40mm鏡頭配套使用。這種配置實現了25mm的視場。y軸光學陣列的四台相機連接到一台工業PC（iPC，來自研華科技）。同樣，用另一台相同的iPC控製x軸光學陣列中的五台相機。iPC以主從配置安排，主iPC運行一個OPC服務器，通過以太網與PLC機器控製器通訊。
在操作過程中，圖像采集和部件處理緊密同步。從PLC到iPC的編碼器反饋觸發每個相機陣列以每7.5mm的行程捕獲圖像，隨著包裝從相機的視場中經過，高低角度燈交替選通。這會產生連續但重疊的圖像，這些圖像通過USB3接口傳輸到工業PC，並拚接在一起，然後重構不同照明下的12×12英寸包裝的兩幅圖像。
圖像分析
圖像分析軟件使用各種算法來執行特定的視覺任務。一種算法用於識別密封通道，另一種算法用於尋找Tyvek中的褶皺。還有一種算法可以測量沿每個物品周邊的密封寬度，並確保它不低於特定的最小值，以識別可能密封線太窄的區域。其他算法應用於圖像以探測密封內部捕獲的微粒、Tyvek蓋中的褶皺、有破損的密封、光滑密封，並找出可能存在的任何孔洞或穿孔。需要幾種算法來探測毛發。一種針對黑色毛發，一種針對金色毛發，還有一種針對灰白毛發。圖像分析完成後，主iPC將結果傳送給PLC，然後PLC觸發兩個氣缸中的一個，或將包裝傳遞到下一個工序，或將其丟棄到廢品箱。
合適的照明
該係統的另一項挑戰是照明。由於包裝本身的形狀，並且由於密封區域在八個長方體形狀小袋之間的通道中凹陷，所以工程師不得不開發緊湊的定製照明係統，裝配在小袋子間的通道內，以便靠近密封區域。高度專業化的閃光照明解決方案是每個相機/鏡頭組和照明組件的組成部分之一，並提供機器視覺軟件所需的對比度來探測所需的密封缺陷。探測50μm缺陷需要每像素10μm或12μm的分辨率，材料處理係統必須在定位公差方麵實現嚴格的軸控製，以在將密封區域呈現給相機時保持±1mm的景深。
圖3：高度專業化的小尺寸頻閃照明解決方案，是每個相機/鏡頭組和照明組件的組成部分之一，其提供機器視覺軟件所需的對比度來探測密封缺陷。
包裝處理挑戰在ASI開發期間，負責指定零件處理和機器視覺係統的工程團隊必須解決幾項設計挑戰。首先，事實上每個八袋包裝可能包含大量不同尺寸和重量的物品，再加上包裝本身有一定的柔性度，並不是很硬挺，從而使包裝在處理期間容易翻轉。另一項設計挑戰是Tyvek蓋子的透氣性，這為吸盤的真空拾取帶來了一定的挑戰。另外，柔性材料的波紋和不平坦的表麵，對將其抓取並送到機器視覺相機檢測係統中而言，也是一項不小的挑戰。盡管包裝具有靈活性，並且可能包含各種不同重量和尺寸的醫療器材和醫療用品，但由於在1英尺y軸行程和2英尺x軸行程範圍內的景深要求±1mm，物料處理係統必須保持包裝平整度。
因為這需要使用相對較重的真空吸盤，其強度足以使多孔包裝保持平坦，而不會受到其內裝物體重量的影響，因此工程師選擇了機器人上的三軸機架係統，用於提供所需要的平滑、精確和可重複的運動。除了最小化無菌二類和三類醫療器材和醫療用品汙染的風險外，ASI係統還可能影響食品、軍需用品、消費品或幾乎任何其他依賴於完整氣密性封裝的柔性包裝應用。
