柔性AI视觉全自动口罩机分析

曾繁昌 林胤

摘要：介绍了一款基于柔性AI视觉技术设计的口罩视觉检测装置，阐述了该装置的工作原理和设计思路。结合柔性AI视觉全自动口罩机的控制、定位、识别、通信等方面的功能分析，明确了视觉检测技术在口罩机生产中的重要作用，进而探索了该装置的应用前景和市场优势。

关键词：视觉检测;口罩机;柔性模块

0 引言

在传统的口罩质量检测环节中，需对口罩焊接耳带部位或口罩正反两面进行检测，确保口罩质量符合生产要求，由此导致在口罩传送过程中需针对口罩进行翻转，从而完成数据采集与检测。受检测设备成本投入、透光皮带传送过程中被污染等因素影响，无法保障数据检测精度。因此，结合口罩机技术迭代需求以及口罩质量提升需求，改进口罩视觉检测装置迫在眉睫。

1 口罩视觉检测装置

1.1    设计背景与原理

随着近年来机器视觉检测技术、工业互联网、AI等技术成为制造业的研究热点，为智能制造领域注入了新的发展活力。本文拟设计一款新型口罩视觉检测装置，其结构如图1所示，借鉴AI视觉系统设计理念，解决现有口罩视觉检测装置存在的质量问题。

该新型装置主要包含机架、传送辊、光源、口罩传送轨道、照相机等部分，其中在机架上设有多组沿水平方向安装的传送辊，传送辊侧面设有安装板，在相邻两组传送辊间安装有光源和透光板，光源紧邻口罩传送轨道，在光源上方设有照相机，透光板侧面与安装板相连接、表面与口罩传送轨道平齐，且透光板表面与口罩传送轨道间隔控制在10 mm內。该装置的创新点在于利用传送辊进行口罩的传送，在口罩位于相邻两组传送辊间时，采用相机进行拍照检测，可在口罩生产过程中进行质量检查与把关，有效降低口罩成品的废品率，提高生产效率。

1.2    装置设计方案思路

针对该新型口罩视觉检测装置的技术方案进行详细分析，装置主要包含传送辊、光源、透光板及安装板4种构件。将多组传送辊以水平形式安装在机架上，在相邻两组传送辊间设有透光板，使透光板表面与口罩传送轨道保持平齐，将高度差控制在10 mm以内，保障口罩平稳传送至下一组传送辊处，并且将透光板侧面安装在安装板上;利用照相机拍摄口罩反面图像时，选择将光源安装在透光板和口罩传送轨道的上方;在拍摄口罩正面图像时，则无需在两组传送辊间安装透光板，仅需将光源安装在口罩传送轨道的下方，并且将安装板安装在传送辊侧面。考虑到需针对口罩的焊接耳带进行检测，焊接点通常位于口罩的头、尾两部分，因此应确保相邻两组传送辊的间距大于口罩长度，保障口罩在传送辊的带动下穿过一组传送辊时，照相机能够恰好拍摄到口罩的一面图像。该新型装置通过将传送辊与透光板进行连接组合，将原有透光皮带拆除，可有效降低因皮带脏污引发误判的概率，有效节约口罩生产成本，且无须重复更换皮带，提高了生产效率，显著提升检测结果的精度。

2 柔性AI视觉智能口罩机设计方案

2.1    模块化柔性设计

2.1.1    过程检测

将本文设计的新型口罩视觉检测装置应用于口罩智能生产线中，利用传送线将装置与1台口罩成型机、2台耳带焊接机相连，可将卷料、上料、折叠、压合成型、分切、耳带焊接、下料等环节进行一体化连接，实现全自动生产。位于智能生产线中间环节的口罩视觉检测装置主要利用传送辊带动口罩向前传送，在将口罩传送至相邻两组传送辊之间时，依靠照相机与透光板拍摄到口罩表面的清晰图像，可自动完成口罩正、反两面焊接耳带质量的检测，克服以往利用透光皮带传送口罩所产生的污染、误判等问题，提升了检测结果的精确度与检测效率。

2.1.2    PLC控制

基于PLC进行口罩传送过程中的运动控制，设计一款长延时检测系统。系统硬件部分主要由S7-313-2DP可编程控制器、上位机与组态监控软件、PS307-5A电源、传感器、数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块组成，利用PLC实现对相应工位的长延时检测，与翻转机构配合提供翻转、启动等功能;系统软件主要由上料、定位、图像采集等模块组成，当照相机捕捉到图像信息后即进入系统创作状态中，经由设计迭代等流程生成最终设计方案，保障生产过程的自动化。

2.1.3    智能定位

基于计算机视觉进行口罩生产过程中的定位检测，通过计算机识别颜色实现物体与背景的分离，保障全自动同步焊接耳带的精准定位与牢固焊接。采用ROI进行图像分割与图像区域提取，选取高斯滤波针对选定图像区域进行滤波降噪处理，消除因光照等因素影响产生的噪声;再针对图像进行腐蚀、膨胀操作，以去除图像内细小图像的边缘点及空洞，通过对图像进行边界平滑，实现最大轮廓的有效提取;最后借助滤波器进行边缘检测与增强处理，基于最小多边形进行最大轮廓的包围，有效加快定位速度，降低操作的复杂程度，进一步提高生产效率。

2.1.4    感应识别

在人工智能视觉识别模块的硬件设计上，选取光电转换器、数字信号处理器及运算器进行并联设计，利用运算器将从照相机处接收到的图像转换为语言代码，采用数字信号处理器进行计算，并通过传感器进行传输;在软件设计上，利用照相机与加速器进行配合，在照相机获取图像信息后，利用加速器自动完成图像的测量计算，在唤醒定位调制器的基础上，由GPS系统和信号接收天线分别提取图像和信号信息，经由滤波器过滤后从输出端口将图像按概率输出，提高图像识别的精度与效率。

2.1.5    网络通信

采用OPC技术实现柔性AI视觉全自动口罩机的网络通信功能，依次配置PC站的硬件机架和控制台，为组态设置与诊断提供支持;随后组态PC Station并进行组态下载，待检查组态处于正确状态显示画面，连接被激活后，即说明下载成功;最后进行数据通信测试，待测得通信连接被建立后，采用C#语言编写OPC客户端程序，即可实现网络通信功能。

2.2    产品应用性能和市场优势

2.2.1    助力智能生产线转型

通过将基于柔性AI的全封闭式口罩智能生产线投入实际生产中，设备实现了全自动生产，每小时产能达到4 000片，为半自动化口罩机工厂的转型与量产提供技术支持，满足N95等高品质口罩的生产需求。

2.2.2    提升产品合格率

柔性AI视觉全自动口罩机装有SMC气缸配件和电磁阀，装置响应速度大幅提升，并且基于微电脑控制、友好的人机界面，实现耳带焊接流程的全自动同步开展，配合视觉检测设备提升产品合格率，进一步减少产能浪费，提高生产效益。

2.2.3    扩大市场应用范围和产量

近年来随着计算机视觉技术的进步，促使智慧医疗领域受到学术界、产业界的持续关注，采用视觉检测等先进技术促进口罩机传统技术迭代和转型升级成了行业共识。实践证明，将柔性AI视觉全自动口罩机投入实际运行后，可日产口罩16万余片，口罩机满产产量达到60台/月，并且在国家发改委、财政部等部门的政策支持下，口罩日渐由防护用品过渡为生活日用品，国内潜在需求与海外市场需求均昭示着医疗防护物资将成为朝阳产业，为口罩机的研发生产提供了广阔的市场前景。

3 结语

基于计算机视觉技术进行柔性AI视觉全自动口罩机的设计、研发与生产，采用模块化柔性设计方式，可有效规避因口罩需求量浮动引发的设备闲置、产能浪费问题，为制造企业的灵活生产与智能生产线运行提供了技术支撑。

收稿日期：2020-06-05

作者简介：曾繁昌（1990—），男，广东揭西人，工程师，主要从事项目研发工作。