铝塑包装机中胶囊的红外在线有序排列检测

1．北京印刷学院，北京102600；2．哈尔滨工程大学，哈尔滨150001；3．黑龙江大学，哈尔滨150080 【摘 要】：利用红外光电非接触检测技术，通过对胶囊的体、帽外形尺寸局部特征信息的提取、检测、识别，实现铝塑包装过程中胶囊的在线检测与调头。同时考虑到胶囊行进过程中跳动、倾斜及随机干扰造成的误判、漏判，设计了两对红外光电传感器用以同时检测胶囊上下两个边缘部位的光信号，两个检测信号经加法运算补偿、微分运算处理，将体现胶囊的帽、体微小几何尺寸差别特征的弱模拟信号直接转变成数字量检测，提高了检测的准确率及抗干扰能力，并由步进电机控制胶囊掉头，有效地解决了胶囊体、帽的位置调整，分色调头排列，达到帽、体一致。包装后的胶囊版块整齐有序，提高了产品的整体质量及档次，同时起到防伪作用。具有可靠性高、速度快、结构简单、适用性广和非接触、数字化在线检测的特点，准确率达99.9%。 关键词：胶囊；有序排列；铝塑包装机 在现有的胶囊铝塑包装生产中，把充填完毕的胶囊无序地加一入充料斗，胶囊成600斜角从存料斗底部自动进人送料斗，无序地进入加料器内，加料器带动盘刷，将其刷人泡眼内进行热封和冲裁。胶囊体与胶囊盖排列杂乱无序，不仅影响美观，也影响到产品的整体质量水平，后虽经改进，采用机械方法对体、帽方向进行判断，但存在速度慢、漏判和误判率高、调头装置成本高等缺点。利用红外光电检测方法，将体现胶囊的帽、体边缘微小几何尺寸差别的弱的模拟信号直接转变成数字量检测，可以有效的克服了上述药品包装方式的缺点，具有可靠性高、速度快、结构简单、成本低廉、非接触、数字化、适用性广的特点。不论胶囊处于何种状态都能，将胶囊进行分色调头排列，达到帽、体一致，提高了产品的档次，同时起到防伪作用，可为任何铝塑包装机配套。 1 胶囊图象局部特征的提取与简化 胶囊图像识别中可利用的特征有：颜色、高度、宽度、边缘轮廓的分布等特征。可以采用反射成像方式提取胶囊图像的颜色及边缘信息等特征。颜色特征比较直观，但胶囊类药品表皮颜色种类繁多，且有单双色及透明之分，并且由于光线的反射作用使基于颜色特征识别胶囊的可靠性下降，在彩色图像中需要分别处理R、C、B3个分量，计算量大，在实时系统中这是不能容忍的。边缘轮廓含有丰富的胶囊信息，包括胶囊高、宽、形状及大小等，利用边缘特征的提取，可以提高胶囊检测的准确性。 边缘和类可分为2种：（1）阶跃性边缘，可用微分算子来做边缘检测算子，可用的算子有梯度算子Sobel算子和Kirsh算子；（2）屋顶状边缘，对于屋顶状边缘可用拉普拉斯变换和Marr算子。由于系统检测的对象中存在着大量的反射、折射等现象，并且可见光透明度较强，图像中所反映出来的灰度信息连续性较强，这对边缘检测加大了难度，同样不适于实时在线系统。 仔细观察胶囊会发现，胶囊中部的体、帽直径间直径存在微小差别△h＝h1－h2，为阶跃型边缘，如果准确提取胶囊△h的差值特征信号，对信号进行微分运算，将得到与之体帽排列顺序对应的正或负脉冲，就能判别胶囊的排列方向。帽在前时△h＞0，正脉冲；体在前时△h＜0，负脉冲。如果采用红外透过投影方式检测，△h检测完全可以由硬件直接实现，正负脉冲识别直接、简洁，计算量小，更适于胶囊的在线有序排列检测与控制。实验装置见图1。 2 检测原理及装置 图1中，H为胶囊滑道直径；h为胶囊直径，取H－h＝1.5～2mm；为避免可见光的散射、透射、衍射影响，同时保证对透明胶囊亦能正常检测，装置中采用胶囊外壳材料不透明的红外光源和红外光电三极管组成的光电对管作为传感器件，发光和接收器件分别安放在胶囊滑道两侧。 其中各光电传感对管的逻辑功能分别为：A关闭单片机对D、C传感器的信号采集，上升沿有效；D为开启单片机对B、C传感器的信号采集，下降沿有效；B、C为胶囊边缘信息采集识别传感器，E调向转盘启动和触发器复位传感器，F为调向转盘初始位置校正传感器，高电平有效。工作过程如下： 仪器通电后，由F给出位置信号，控制电机带动转盘，校正调向转盘的初始位置，转盘结构见图2。胶囊在送料管滑道中靠重力自由滑落，图1中表示为由左向右，依次通过6对红外光电对管A、B、C、D、E、F，各传感信号经放大整形后的时序见图3。 当胶囊处于滑道任意位置时，胶囊两侧的边缘信息分别由光电对管B、C检测，为避免胶囊在滑道中的调动引起误判，B、C两信号经加法运算，信号大小正比于滑道与胶囊边缘空隙的通光面积，在光电对管接收直径固定的条件下，（B＋C）∝（H－h），即正比于滑道直径与胶囊直径的差值，为一仅与胶囊体、帽直径有关的常数，与胶囊在滑道中的径向位置无关，有效地避免胶囊行进过程调动引起的误判。（B＋C）经微分运算，将体现胶囊特征的模拟量转变成数字量G，得到代表体、帽排列方向特征的正或负脉冲，经整流二极管去掉负脉冲，实现数字量检测，G用于胶囊的自动调头控制。 为保证采集的唯一性，尽可能避免各种干扰对采集信号的影响，设立A、D两个光电对管，分别置于B、C对管两侧，用于对管B、C信号传输的开启和关闭，保证只采集胶囊中部约1/2长度内的边缘信息，即仅检测T₁～T₂时间段内的信号G。同时在滑道和转盘的交接处设立启动光电对管E，当胶囊尾部通过光电对管F的位置，F表示胶囊尾部行已进入转盘内，上升沿有效，步进电机根据光电对管B、C的判断结果，带动转盘逆时针旋转180°，完成一次胶囊的检测、调向，电路各传感单元原理见图4所示。 3 结 语 采用红外透过投影的检测方式，通过胶囊局部的阶跃边缘特征提取，实现胶囊在线有序排列检测与控制。经现场实验，检测准确率为99.9%，识别速率为10000粒/h。整个检测、运算、控制过程简洁、快速，具有很高的实用价值。