包装自动控制实验指导书.pdf

实 验 指 导 书 开 课 系： 包装工程系 所属课程： 包装自动控制 实验学时： 8 制 定 人： 李光 审 核 人： 包装与印刷工程学院 实验一 包装商标图案定位控制实验 一、实验目的 了解包装商标图案光电定位控制的原理和方法，并能通过调试包装机械加工 出合格的包装袋。 二、实验设备 高速卧式枕型包装机。 三、实验原理 在包装作业过程中，卷筒半径逐渐减小，包装纸所受张力发生变化，送纸辊 与包装纸之间的摩擦因数受环境温湿度的影响而发生波动，加上商标印刷误差， 以及送纸、纵封、横封、切断各部分速度的差异等因素，使得刀辊的实际切线偏 离规定部位。即使这种位置误差很小，例如在某—包装袋上只偏差 0.1mm，但包 装机速度很快，有的高达 200 包/min，如不加以控制调节，机器运行 1 垃 i 六后， 误差积累可达 20mm，切线严重偏离规定部位，降低了包装质量，甚至造成废品。 如图所示，图(a)为合格品；图(b)为送纸速度偏低，商标后移；图(c)为送纸速度偏 高，商标前移。为了保证包装袋的正确封切，必须在卷筒纸供送系统中，引人商 标图案自动位置检测与控制系统。目前应用最广泛的是光电自动定位系统。 光电自动定位系统用光电头跟踪检测包装纸上的定位色标，通过比较送纸速 度与横封切断速度的误差，输出相应的控制信号，推动执行机构实现自动定位或 进行误差补偿。为了检测可靠，要求定位色标与包装纸的底色有明显的色差，反 差越大，检测越灵敏。色标颜色要鲜明，印刷油墨要均匀，要占有—定的面积， 一般色标呈矩形，宽 4-6mm，长 8-15mm。 四、实验步骤 1．接通高速卧式枕型包装机电源，松开塑料薄膜输送胶辊； 2．点动运行包装机，使横封机构两封头处于开始封合状态，需留有一定间 隙； 1 3．点动补偿按钮，使塑料薄膜向前或向后运行，并使色标位置处于横封器 中间。 4．调整塑料薄膜位置，使色标对准光电传感器。 5．运行包装机，查看封口状况。 五、实验分析 1．分析包装商标图案光电定位控制方法，画出其工作原理示意图； 2．分析包装商标图案定位的影响因素？ 2 实验二 包装质量视觉检测实验 一、实验目的 了解机器视觉的检测原理，采用机器视觉技术实现啤酒瓶在线缺陷检测。 二、实验设备 瓶口检测选用的光源为 50mm 直径 CCD 环形光源，瓶底检测采用的光源为 平板光源 DH-FL162111-R，瓶身检测采用的光源为条形光源 SCN-24V1-3A，选用 AVT Prosilica GC2450 高分辨率 CCD 工业数字摄像机以及大恒图像 DH-VT110 系 列图像采集卡。 三、实验原理 利用图像采集、图像分析与处理、图像识别以及次品剔除的机器视觉硬件平 台，以及采用 Visual C++ 6.0 与 Halcon 联合编程的方法开发啤酒瓶缺陷在线检测 软件系统，对采集到的图像应用灰度模式转换、图像增强、中值滤波去噪及形态 学处理等算法进行预处理，对预处理后的图像分别进行模板匹配、特征提取和区 域检测，实现对啤酒瓶瓶口、瓶底和瓶身的缺陷检测。 四、实验步骤 1．瓶口检测 （1）瓶口检测光源设计 系统可检测瓶口缺陷包括划伤、破损等影响啤酒灌装的缺陷。根据瓶口的形 状特征，采用 60°低角度环形光源，瓶口光线反射原理如图 1 所示。低角度环形 光源发出的照射光线经过瓶口密封面反射进入镜头，瓶口可以成像为均匀的光 环，如图 2(a)；如果瓶口表面有缺损，则会引起光线方向的变化，即不会有反射 光进入镜头，瓶口表面凹凸不平会导致成像的瓶口亮环出现缺口，如图 2(b)。 a 光线反射正常 b 光线反射异常 图 1 瓶口光线反射示意图 （2）瓶口检测过程 瓶口检测是在 Halcon 中通过程序编程来实现的，首先调节程序所需要的各个 参数，即程序初始化，包括输入相机分辨率、阈值等。然后需要人工标定瓶口检 测区域，预先标定环形的圆心、内外半径。 3 （a）瓶口定位 瓶口图像比较清晰，干扰也较小一些，理想的瓶口为一个圆环，本文采用了 基于模板匹配的算法进行瓶口定位。利用图像中的基本形态得到瓶口的外圈和内 圈范围，即膨胀圈。然后通过拟合圆环的边缘找到瓶口的中心，图像中一些凹凸 不平的地方可以根据阈值缩成圆弧，根据计算结果拟合近似圆，即给出了瓶口的 定位。 （b）瓶口检测 瓶口检测实际上就是检测圆环的完整性，检测是否有断痕或者破损。瓶口图 像一般采用正常的瓶口图像为检测标准，即采用一个大小固定的白色圆环作为瓶 口检测的模板，如图 2(a)。将采集的瓶口图像与标准图像进行对比，如果与标准 瓶口的匹配度高于匹配标准，如图 2(b)，就可以继续进行下一项检测；否则为有 缺陷产品，就要直接进行剔除，如图 2(c)。 a 模板图像 图2 b 合格图像 c 有缺陷图像 瓶口图像模板匹配 瓶口图像处理算法将图像阈值处理、图像去噪、图像增强、边缘检测结合在 一起，对瓶口图像进行一体化的分析，由于瓶口缺陷处跟正常瓶口对于光线反射 的不同，就可以得到不同瓶口的边缘曲线。 2．瓶底检测 （1）瓶底检测光源设计 啤酒瓶瓶底的缺陷主要有裂纹和磨损等，而且瓶底较易产生霉变以及杂质吸 附，所以在啤酒灌装前应该严格检查瓶底。照明方式采用投射照明，采用背光源， 如图 1 所示，即将在啤酒瓶瓶底的下方放置光源，而 CCD 摄像机则在瓶口正上 方拍摄照片，通过调节相机的各个参数，获得瓶底最佳图像。 （2）瓶底检测过程 瓶底检测的瓶底定位算法需要得到瓶底圆心和半径，确定系统检测区域，从 而提取瓶底异物或者缺陷清晰度较高的缺陷图像特征。 （1）瓶底定位 对瓶底图像经过 Hough 变换，获取瓶底两个不同的圆环区域的圆心和半径， 即瓶底摩擦外环区域和防滑纹至瓶底中心区域，其外环区域为低检测度环形区 域，而中心区域则是高检测度区域。 （2）瓶底图像预处理 分别对 CCD 摄像机采集到的两个环形区域的图像进行预处理，采用图像滤 波去除图像干扰、图像去噪、通过调节相机参数改善图像的亮度和对比度，提高 4 图像质量，去除防滑纹干扰，保留瓶底缺陷的特征信息。瓶底图像的检测过程如 图 3 所示。 a 采集图像 图3 b 图像预处理 瓶底图像缺陷检测过程 c 图像处理结果 瓶底图像处理算法将图像阈值处理、图像去噪、图像增强、边缘检测结合在 一起，对瓶底图像检测区域进行分析。 3．瓶身检测 （1）瓶身检测光源设计 瓶身缺陷主要有裂纹和气泡，此外，在不同位置的啤酒瓶厚度不均也存在明 显的差异，尤其是光线折射的瓶体需要经过两层玻璃的照射，瓶身检测一般采用 穿透力较强的条形光源照射照明，还可以任意角度照射在被测物体表面。瓶身光 源采用背光源，经反光镜反射后，被瓶身检测相机识别。当瓶身有缺陷的时候， 缺陷部位的灰度值会不同于正常玻璃面。 （2）瓶身检测过程 瓶身检测不同于瓶口和瓶底检测，因为瓶身是一个 360°圆柱旋转体，至少 应该拍摄瓶身正反两面各覆盖 180°的图像才能获得完整的瓶身图像，所以本系 统在检测瓶身的过程中采用了两个瓶身检测模块，即瓶身图像的采集可以在传送 带上分两次检测完成。 由图 1 可知，在啤酒瓶输送的过程中，需要控制两根传送带的运行速度差， 保证啤酒瓶达到第二瓶身检测模块时刚好旋转 180°，此时就可以获取到整个瓶 身的完整图像。将每个瓶身模块采集到的图像分别进行图像分析，判断该瓶是否 合格，如果合格，则进入啤酒罐装工序，而如果不合格，则会传递信号至剔除结 构，则将该瓶剔除。 （1）图像预处理 根据瓶身成像的特点，首先对瓶身图像进行图像去噪、然后对瓶身图像进行 灰度调节和增强对比度，提高图像的质量。 （2）瓶身检测区域的标定 一般是通过光电传感器来确定瓶身经过的时间，从而可以保证对瓶身进行准 确检测。以采集瓶身内壁有异物的情况为例，对采集的瓶身图像进行预处理，其 瓶身图像和预处理之后的图像如图 4 所示。 5 a 瓶身图像 b 瓶身预处理图像 图 4 瓶身图像和预处理后图像 瓶身图像处理算法将图像去噪、图像增强、边缘检测结合在一起，对瓶身图 像检测区域进行分析。 五、实验分析 1．对啤酒瓶瓶口进行缺陷检测，根据国家标准判定啤酒瓶有无严重影响瓶 口密封性的缺陷？ 2．根据预处理后的瓶底图片进行缺陷分析，提取每个缺陷特征，根据设定 的判断条件判断瓶底是否合格？ 3．对预处理后的瓶身图像进行缺陷分析，而后根据设定的标准判断瓶身缺 陷是否合格？ 6 实验三 包装机械 PLC 控制实验 了解可编程序控制器(PLC)的结构、原理及工作过程。并将 PLC 应用于粉剂 包装机上，要求编制程序，实现 PLC 对包装机机构运动的自动控制。 一、实验目的 1．进一步学习包装机的工作原理，掌握用可编程控制器（简称 PLC）驱动 控制包装机中步进电机的方法； 2．了解高频脉冲输出方法； 3．熟悉 PLC 编程和程序调试的方法； 二、实验设备 1．可编程序控制器一台； 2．PLC-III 型实验箱一台； 3．装有编程软件和开发软件的计算机一台； 4．通信线一根，连接线若干； 5．步进电机控制模块 1 套； 6．步进电机及驱动器 2 套； 7．DXD.F-40 型自动粉剂包装一台。 三、实验原理 在包装机械中，各执行机构可设置单独的步进电机驱动，并由 PLC 自动控制， 这样不仅可省去复杂的机械传动，而且加工更加灵活，适于多种应用场合。 PLC 以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、 体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动 控制中。包装机械中步进电机的 PLC 控制系统主要由可编程控制器、环行脉冲分 配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，如图 1 所示。 图 1 包装机械 PLC 控制系统 四、实验步骤 1．打开编程软件，根据包装机工作原理和步进电机设置情况，制定方案， 设计线路图，用 FXGP/WIN-C 编程软件编制实验程序； 2．在断电的情况下用编程电缆连接 PLC 的通信口和计算机的串行通信接口 COM1； 3．将步进电机驱动器与步进电机、直流电源与步进电机按设计线路图连接， 7 上电，＋5V 的指示灯亮； 4．正常后，按以下方法接线： PLC 输入 00：接步进电机控制模块上的开关 TL10； 01：接步进电机控制模块上的开关 TL4； 1M：接 24V； PLC 输出 00：A 相输出端 TL9 01：/A 相输出端 TL3 02：B 相输出端 TL2 03：/B 相输出端 TL1 1L：接 GND； 5．用菜单命令“文件”/“打开”，打开实验程序； 6．下载实验程序，成功完成后，使 PLC 处于运行状态，RUN 指示灯亮； 7．组态软件处于全速运行状态，单击“步进电机实验”； 8．在界面上输入 30 度角度后，点击正转按钮，按下步进电机控制模块上的 停止开关，步进电机会正转 30 度，在界面上输入 90 度，步进电机会正转 90 度； 9．在界面上输入 30 度角度后，点击“反转”按钮，按下步进电机控制模块上 的启动开关，步进电机会反转 30 度，在界面上输入 90 度，步进电机会反转 90 度； 10．实验结束，在上位机界面上按“主界面”按钮，返回主界面，完成实验。 五、实验分析 整理出运行和监视程序时观察到的现象。 1．写出 I/O 分配表、程序梯形图、清单。 2．仔细观察实验现象，认真记录实验中发现的问题、错误、故障及解决方法。 8