Описание проблемы.

Современное отечественное машиностроение характеризуется тенденцией автоматизации технологических процессов, связанных не только с изготовлением самих деталей и последующей сборкой изделий, но и в области контроля качества производимой продукции на различных этапах производственного цикла. Для автоматизированного контроля качества требуется внедрение со стороны производств «сквозных» технологий, таких, как применение высокотехнологичных программно-аппаратных комплексов, основанных на машинном зрении и экспертных системах.

В настоящее время в ряде отраслей промышленности РФ есть потребность в комплексных системах инспекции производимых и поставляемых малоразмерных изделий, которые производятся массово, большими партиями. К таким отраслям, в частности, относятся следующие:

• Пищевая промышленность – контроль внешнего вида, подсчёт количества, сортировка бракованных и годных продуктов, сортировка по размерам и цветам (кондитерские изделия – конфеты, цукаты и пр., орехи, овощи, фрукты).
• Химическая промышленность – контроль внешнего вида, подсчёт количества, сортировка бракованных и годных изделий, сортировка по размерам и цвету (крышки для тары алкогольных и безалкогольных напитков, малоразмерная тара для специй и пищевых добавок, тара для бытовой химии, малоразмерная упаковка).
• Автомобильная промышленность – контроль внешнего вида, подсчёт количества, сортировка бракованных и годных изделий, сортировка по размерам металлического и неметаллического автомобильного крепежа и мелких деталей (шипы противоскольжения).
• Машиностроительная отрасль – контроль внешнего вида, подсчёт количества, сортировка бракованных и годных изделий, измерение геометрических параметров, сортировка по размерам (малоразмерный инструмент: свёрла, метчики, плашки, подшипники; метизы: болты, гайки, шайбы; крепёж – пластиковые дюбели, защитные колпачки).    
• Фармацевтическая промышленность – контроль внешнего вида, подсчёт количества, сортировка бракованных и годных изделий, измерение геометрических параметров, сортировка по размерам и цветам: таблетки, капсулы, драже, пилюли, гранулы, пеллеты, суппозитории и прочие лекарственные формы.
• Медицинская отрасль – малоразмерные инструменты и принадлежности: флаконы, шприцы, иголки, уплотнения, переходники и пр. детали и узлы медицинских изделий и оборудования.   
• Электронная промышленность – контроль внешнего вида, подсчёт количества, сортировка бракованных и годных изделий, измерение геометрических параметров, сортировка по размерам и цветам: предохранители, конденсаторы, фильтры, резисторы, SMD-компоненты и другие радиотехнические изделия; датчики, малоразмерные электронные модули и сборки.
• Табачная промышленность – контроль внешнего вида, подсчёт количества, сортировка бракованных и годных изделий, измерение геометрических параметров: сигареты, папиросы, компоненты сигарет и папирос.

Техническое исполнение предлагаемой комплексной промышленной системы инспекции (КПСИ) представлено следующей модульной конструкцией: модуль загрузки изделий (МЗ), модуль инспекции (МИ) изделий и модуль выгрузки (МВ) изделий.

МЗ изделий состоит из питателя (П) и подающего устройства (ПУ). Выбор модуля загрузки осуществляется с учётом массовых и геометрических параметров изделия. Инспектируемые изделия загружаются в какой-либо из двух типов питателей: вибрационный или гравитационный. Вибрационный питатель состоит из регулируемого вибропривода и спирального лотка. Питатели предназначены для позиционирования изделий в заданном пространственном положении и требуемом количестве (по 1 штуке) для последующего перемещения их на ПУ. ПУ предлагается двух типов: конвейерное и роликовое. Конвейерное ПУ состоит из конвейера с направляющими элементами для перемещения изделий из вибрационного питателя на поворотный смотровой стол в заданном положении. Роликовое ПУ состоит из двух круглых роликов с электрическим приводом и ременной передачей. Из гравитационного питателя на вращающиеся ролики подаются изделия, где они позиционируются и поочередно подаются в систему позиционирования изделий (СПИ).  

Модуль инспекции (МИ) изделий представляет собой несущую систему из алюминиевого профиля со следующими системами: СПИ, система фотосъемки (СФ) – цифровые камеры для фотосъёмки, система освещения (СО) – управляемые светодиодные модули и устройства сортировки изделий (УСИ).

СПИ представлена поворотным смотровым столом круглой формы, который предназначен для позиционирования изделий с высокой повторяемостью в поле зрения цифровых камер. Смотровой стол выполнен из прозрачного стекла для возможности получения изображения вида изделий снизу.

СФ представлена шестью цифровыми камерами для получения изображения, с объективами с фиксированным фокусным расстоянием и телецентрическими объективами. Для выполнения высокоточных измерений геометрических параметров изделий использование телецентрических объективов обусловлено уменьшением перспективных искажений изображений в кадре. Получение изображения нижнего вида изделия обеспечивается цифровой камерой, которая установлена под смотровым столом. Инспекция боковой поверхности изделия осуществляется четырьмя камерами, которые располагаются вокруг смотрового стола таким образом, чтобы суммарная площадь полей зрения каждой камеры была не меньше площади боковой поверхности изделия. Для инспекции вида изделия сверху применяется цифровая камера, которая установлена над смотровым столом.

СО представлена шестью светодиодными модулями, каждый из которых устанавливается таким образом возле соответствующей цифровой камеры, чтобы получить наиболее четкое и контрастное изображение изделия. В качестве световых модулей используются промышленные светодиодные осветители.

Обработка дискретных и цифровых сигналов, обработка полученных изображений изделий, и управления исполнительными устройствами, получение и распределение электрического питания устройств осуществляются системой управления и питания (СУП).    

СУП состоит из промышленного компьютера (ПК), блока управления и питания (БУП) и блока преобразования сигнала (БПС).

Полученные в результате фотосъемки изображения передаются в ПК для дальнейшей обработки. В ПК установлено следующие программные модули, объединенные в единую программную систему:

• модуль графического интерфейса оператора (модуль отображается на панели оператора);
• модуль формирования внешних сигналов (формируются сигналы на сортировку и комплектацию, визуализация и аудиализация режимов работы системы);
• модуль обработки изображений изделий (программные алгоритмы и средства обработки цифровых изображений);
• модуль обработки состояния датчиков (программно-аппаратное устройство для получения сигналов с датчиков КПСИ и преобразования в цифровой формат);
• модуль пользовательских библиотек (наборы средств для программного анализа результатов обработки цифровых изображений);
• модуль управления отчетностью (программные средства управления базами данных результатов инспекции и их архивирования).

После обработки изображений со всех цифровых камер и получения результата в цифровом виде формируется сигнал на УСИ. В состав УСИ входят: три сопла для подачи направленной струи сжатого воздуха на изделия, три пневматических клапана для управления подачей сжатого воздуха, которые объединены в пневматический остров, а также устройства перемещения отсортированных изделий в сортировочные контейнеры.

Выбор критериев сортировки производится пользователем на панели оператора (ПО). Управление режимами работы осуществляется через пульт автоматики (ПА).

Обеспечение безопасной эксплуатации КПСИ реализуется системой безопасности (СБ), которая включает в себя систему аппаратной безопасности (САБ) и систему информационной безопасности (СИБ). 

МВ предназначен для приема и хранения отсортированных изделий. Модуль выгрузки представлен несущей системой из алюминиевого профиля, система приёма изделий (СПИ) с тремя направляющими лотками и тремя сортировочными контейнерами, а также системой автоматической комплектации (САК).

Для обеспечения требуемого уровня качества сжатого воздуха в КПСИ применяется блок локальной воздухоподготовки с отсечным клапаном, фильтром и регулятором давления (редукционный клапан).       

Порядок работы системы.

1. Загрузка изделий в МЗ через питатель.
2. Пользователь подает электрическое и пневматическое питание на КПСИ через ПА.
3. Далее пользователь выбирает на ПО тип изделия, которое загружен в питатель и запускает программу инспекции.
4. Питатель начинает работу – производится предварительное позиционирование изделий и перемещение на ПУ.
5. С помощью ПУ изделия передаются на СПИ – смотровой стол, который вращается с заданной скоростью.
6. Поступившие изделия на смотровом столе пересекают линию действия датчика наличия изделия. Сигнал от датчика поступает через БПС в ПК.
7. ПК формирует сигналы на выполнение кадров СФ. Для обеспечения фотографий требуемого качества работает СО при включении КПСИ.
8. Полученные изображения от СФ в модуль обработки изображений изделий.
9. Результат из модуля обработки изображений согласно выбранному Пользователем программному инструментарию поступает в модуль пользовательских библиотек (контроль геометрии, контроль цвета, обнаружение дефектов, а также другие).
10. По результатам работы модуля пользовательских библиотек в БПС формируются сигналы на УСИ, с помощью которого производится сортировка по выбранным критериям.
11. Далее отсортированные изделия попадают в САК, где согласно заданному Пользователем объёму партии производится отсчёт по количеству и отсеканию от основного потока.   

Комплексная система автоматической инспекции параметров основывается на следующих подходах и методах:

• метод всестороннего контроля поверхности (полный телесный угол – 4π стерадиан) изделия с применением прозрачного смотрового стола и полного набора из шести фотокамер для получения изображений со всех направлений обзора;
• метод мультикритериальной сортировки годных и бракованных изделий;
• применение телецентрической оптики как для объектива фотокамеры, так и для формирования диаграммы направленности средств освещения;
• применение технологий разработки интуитивно-понятных и эргономичных человеко-машинных интерфейсов;
• разработка встраиваемых систем управления реляционными базами данных с применением стандартных программных интерфейсов на базе средств MySQL, Microsoft SQL Server, Oracle Database и подобных.

Комплексное применение указанных методов и подходов обеспечивает возможность получения технических и технологических решений соответствующих сформулированных ранее требованиям.

Новизна предлагаемого решения заключается в следующих функциональных принципах и характеристиках КПСИ, которые отсутствуют у аналогичных систем инспекции:

1. Аппаратная модульность системы обеспечивается сменой узлов МЗ для оперативной переналадки КПСИ с одного вида изделия на другой. Это приводит к снижению затрат для конечного потребителя.
2. Программная модульность системы позволяет обеспечивать подбор готовых пользовательских библиотек для всех известных в настоящее время задач инспекции внешнего вида изделий. Для конечного потребителя это возможность контролировать любые критерии внешнего вида изделия: форма, цвет, геометрические параметры, поверхностные дефекты, а также другие.
3. Многокритериальная сортировка – возможность инспекции любых малогабаритных изделий изготавливающихся с высокой производительностью по любым возможным комбинациям критериев сортировки. Преимуществом данного функционала для потребителя будет возможность одновременного определения геометрических параметров, цвета, формы, поверхностных дефектов, считывания машинописной текстовой и кодовой информации и прочее. С точки зрения потребителя такой функционал позволяет полностью заменить визуальную инспекцию изделий оператором на автоматическую инспекцию системой. Многокритериальная сортировка позволяет обеспечить высокую производительность и максимально допустимое исключение влияния человеческого фактора на процесс инспекции.
4. УСИ позволяет физически сортировать изделия по трем видам. Например, требуется сортировка изделий по нескольким критериям одновременно – сортировка по цвету и форме. Также может быть выполнена сортировка по одному критерию годности и по двум критериям брака, т.е. может быть два типа брака (который можно устранить и который нельзя).
5. САК позволяет комплектовать любую партию изделий, которые были отсортированы КПСИ. Например, когда требуется комплектовать коробки с отсортированными изделиями по 100 штук.

На страницу проекта