تقنية الفحص البصري لعيوب أغطية زجاجات PET: من المبادئ إلى التطبيقات الصناعية

في خطوط إنتاج المشروبات عالية السرعة، تُعدّ جودة إحكام إغلاق كل غطاء زجاجة أمرًا بالغ الأهمية لسلامة الغذاء وسمعة الشركة. وقد أصبحت تقنية الفحص البصري، التي تُمكّن الآلات من "اكتشاف" العيوب الدقيقة في أغطية الزجاجات، عنصرًا أساسيًا في مراقبة الجودة الصناعية الحديثة.

تُستخدم زجاجات البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) على نطاق واسع في صناعات السلع الاستهلاكية سريعة الدوران، مثل المشروبات والأدوية. وباعتبارها عنصرًا أساسيًا في التعبئة والتغليف، تؤثر جودة غطاء الزجاجة بشكل مباشر على سلامة وجودة محتوياتها. ويعتمد الكشف التقليدي عن عيوب أغطية الزجاجات بشكل أساسي على الفحص البصري اليدوي، الذي يعاني من انخفاض الكفاءة، وكثافة العمالة، وارتفاع معدل تفويت عمليات التفتيش.

تتيح أحدث تقنيات صب ضغط أغطية الزجاجات إنتاج أغطية زجاجات PET بسرعة تتراوح بين 24,000 و48,000 وحدة في الساعة. ومع ذلك، فإن سرعات الإنتاج العالية تزيد من احتمالية حدوث عيوب.

لقد برزت تقنية اكتشاف عيوب أغطية زجاجات PET المعتمدة على الرؤية الآلية كأداة تقنية رئيسية لضمان جودة المنتج.

I. الأنواع الشائعة لعيوب أغطية زجاجات PET وتأثيراتها

تتنوع عيوب أغطية زجاجات PET على نطاق واسع ويمكن تصنيفها إلى الفئات التالية بناءً على شكلها وموقعها:

تشمل عيوب المظهر بشكل رئيسي تشوه الغطاء بشكل عام، وانبعاجات الحواف، والبقع، والخدوش. لا تؤثر هذه العيوب على مظهر المنتج فحسب، بل قد تؤثر أيضًا على أدائه في الإغلاق. على سبيل المثال، قد يؤدي تشوه غطاء الزجاجة بشكل عام إلى ارتخاء في ملاءمته مع سطح الزجاجة، مما قد يؤدي إلى تسرب أو تبادل غازات.

تؤثر عيوب الإغلاق، مثل الغطاء الملتوي أو المرتفع أو المفقود، بشكل مباشر على سلامة العبوة. يمكن أن يُحدث الغطاء الملتوي فجوة بين الغطاء وسطح الزجاجة، مما قد يؤدي إلى تسرب السائل أو دخول الغاز؛ ويشير الغطاء المرتفع إلى عدم إحكام إغلاق الغطاء تمامًا، مما يؤثر أيضًا على الإغلاق.

تشمل العيوب الهيكلية العرض المفرط للحلقة المضادة للسرقة وجسر التوصيل المكسور. يمكن أن يؤدي الكسر الكامل أو الجزئي لجسر التوصيل في الحلقة المضادة للسرقة إلى الإضرار بسلامة المنتج ومنعه من العمل بشكل صحيح.

تشمل عيوب عنق الزجاجة تآكل تشطيب الزجاجة، وسوء صب التشطيب الداخلي، وقطر غير طبيعي لمنصة حلقة القفل. تنشأ هذه العيوب من مشاكل في إنتاج القالب المسبق أو عملية النفخ، ولكنها قد تؤثر بشكل مباشر على أداء إحكام غطاء الزجاجة. على سبيل المثال، قد يتداخل تآكل تشطيب الزجاجة المفرط مع السدادة الخارجية للغطاء، مما يُضعف إحكامه؛ بينما قد يُعيق تآكل الخيوط تثبيت الغطاء، ويؤدي بسهولة إلى انحناء الأغطية.

الجدول 1: أنواع العيوب الشائعة وتأثيرات أغطية زجاجات PET

II. مكونات نظام الفحص البصري لأغطية زجاجات PET

يتكون نظام الفحص البصري الكامل لغطاء زجاجة PET عادةً من ثلاثة مكونات رئيسية: وحدة التقاط الصور، ووحدة معالجة الصور، ووحدة التحكم في التنفيذ.

1. وحدة التقاط الصور

وحدة التقاط الصور هي "عين" النظام، وهي مسؤولة عن التقاط صور واضحة لغطاء الزجاجة. تتضمن هذه الوحدة عادةً مكونات مثل مصدر ضوء LED، وكاميرا صناعية (CCD أو CMOS)، وعدسة، وبطاقة التقاط صور.

فيما يتعلق بحلول التصوير، يُستخدم تصوير الظل بالإضاءة الخلفية على نطاق واسع، مما يُمكّن من التقاط معلومات محيط العينة بوضوح. لتغطية السطح الأسطواني لغطاء الزجاجة بالكامل، يُستخدم غالبًا نظام متعدد الكاميرات، مثل نظام ثلاثي الكاميرات بزاوية 120 درجة بين كل كاميرا، مما يضمن صورة كاملة لجانب غطاء الزجاجة دون الحاجة إلى تدويرها.

يُعد تصميم الإضاءة أمرًا بالغ الأهمية لجودة الصورة. فالإضاءة المناسبة تُبرز معالم الهدف وتُقلل من تداخل الانعكاسات والظلال. تُعدّ مصادر إضاءة LED طريقة الإضاءة المُفضّلة لأنظمة الرؤية نظرًا لعمرها الطويل، وثباتها الممتاز، وإمكانية تخصيصها العالية.

2. وحدة معالجة الصور

وحدة معالجة الصور هي "عقل" نظام الفحص البصري، وهي مسؤولة عن تحليل ومعالجة الصور الملتقطة وتحديد سمات العيوب. تتضمن هذه الوحدة عادةً خطوات مثل المعالجة المسبقة للصورة، واستخراج السمات، وتصنيف العيوب وتحديدها.

خلال مرحلة المعالجة المسبقة للصورة، يُستخدم غالبًا ترشيح المتوسط ​​التكيفي لإزالة التشويش، وتُستخدم تجزئة العتبات التكرارية للثنائية، ويُستخدم مُشغّل كاني للكشف عن الحواف. تستخرج هذه الطرق بفعالية الحواف المميزة لغطاء الزجاجة، مما يُمهّد الطريق لتحديد العيوب لاحقًا.

بالنسبة لأنواع العيوب المعقدة، يلزم استخدام خوارزميات أكثر تطورًا. على سبيل المثال، للكشف عن الأجسام الغريبة على سطح غطاء الزجاجة، يمكن استخدام مساحة ألوان HSV بدلًا من مساحة RGB التقليدية للتغلب على عيوب تدرج الرمادي غير المتساوي على سطح غطاء الزجاجة وعدم وضوح سمات الأجسام الغريبة. بالنسبة للعيوب الدقيقة، مثل الجسور المكسورة، أظهرت خوارزمية تجزئة العتبة الديناميكية نتائج جيدة. تستخدم هذه الخوارزمية ترشيح المتوسط ​​للحصول على منطقة خلفية، وتقارن الصورة قيد الفحص بالخلفية، وتحدد عتبة ديناميكية لتجزئة المنطقة المكسورة.

3. وحدة مراقبة التنفيذ

وحدة التحكم في التنفيذ مسؤولة عن تنفيذ العمليات المقابلة بناءً على نتائج المعالجة. تتكون عادةً من وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC)، وجهاز رفض هوائي، ونظام تحديد المواقع. عندما يكتشف النظام وجود منتج معيب، يُرسل إشارة إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، التي تتحكم في صمام الملف اللولبي لتشغيل الأسطوانة، مما يؤدي إلى إزالة المنتج غير المؤهل من خط الإنتاج. تتضمن الأنظمة المتقدمة أيضًا وظيفة تحديد المواقع التي تسجل محطة آلة التغطية المقابلة للمنتج المعيب، مما يوفر معلومات دقيقة للإصلاح والتعديل.

الجدول 2: التكوين النموذجي لنظام الفحص البصري لأغطية زجاجات PET

ثالثًا: خوارزميات كشف المفاتيح والابتكارات التكنولوجية

تكمن التكنولوجيا الأساسية لنظام الفحص البصري لأغطية زجاجات PET في خوارزميات معالجة الصور، وتتطلب العيوب المختلفة طرق كشف مختلفة.

1. خوارزمية تحديد موضع غطاء الزجاجة واستخراج المحيط

يُعد تحديد موضع غطاء الزجاجة الخطوة الأولى في اكتشاف العيوب. باستخدام تقنية كشف حواف مشغل كاني، بالإضافة إلى استخراج محيطات الجوار الثمانية، يُمكن تحديد موضع غطاء الزجاجة في الصورة بدقة. بعد ذلك، تُستخدم طريقة المربعات الصغرى لملاءمة محيط قمة الغطاء وخطوط حلقة الدعم، مع حساب موضعهما النسبي وزاويتهما، والتي تُشكل أساسًا لتحديد ما إذا كان الغطاء مرتفعًا أم معوجًا.

2. خوارزمية الكشف المخصصة للعيوب المعقدة

معالجة الصور التقليدية بدرجات الرمادي محدودة الفعالية في اكتشاف الأجسام الغريبة على سطح غطاء الزجاجة. أظهرت الأبحاث أن تحويل الصور من فضاء ألوان RGB إلى فضاء ألوان HSV واستخدام مُكوّن التشبع يُبرز خصائص الأجسام الغريبة بفعالية ويُحسّن دقة الكشف. بالنسبة للعيوب الدقيقة، مثل جسر التوصيل المكسور جزئيًا لحلقة الحماية من السرقة، تُواجه طريقة العتبة الثابتة صعوبة في تجزئة المنتج بفعالية بسبب صغر الفجوة (0.2-0.3 مم) والتوزيع المفاجئ لدرجات الرمادي. تستطيع خوارزمية تجزئة العتبة الديناميكية، من خلال تقدير الخلفية ومقارنة الفروق، تحديد هذه العيوب الدقيقة بدقة.

3. حلول المعالجة المُسرّعة بالأجهزة

لتلبية متطلبات خطوط الإنتاج عالية السرعة، تستخدم بعض الأنظمة حلول تسريع الأجهزة، مثل مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGAs). على سبيل المثال، يستخدم نظام فحص قائم على نظام على شريحة (SoPC) شريحة FPGA EP2C35F6726C. وبفضل إمكانيات المعالجة المتوازية للأجهزة، يُقلل النظام وقت المعالجة إلى حوالي 90 مللي ثانية لكل زجاجة، وهو أسرع بكثير من الحلول البرمجية (عادةً ما تكون من 2 إلى 3 زجاجات في الثانية).

رابعًا: نتائج التطبيقات الصناعية وتوقعات التكنولوجيا

لقد تم استخدام تقنية الفحص البصري لأغطية زجاجات PET على نطاق واسع في صناعات المشروبات والأدوية، مما أدى إلى تحقيق نتائج كبيرة.

1. نتائج التطبيقات الصناعية

أثبتت التطبيقات العملية أن أنظمة الفحص البصري قادرة على تحقيق دقة كشف تتجاوز 99% ومعالجة أكثر من 12,000 زجاجة في الساعة، متجاوزةً بذلك كفاءة ودقة الفحص اليدوي بكثير. على سبيل المثال، يحقق نظام فحص أغطية زجاجات PET الحلقية غير المدعمة في مصنع للأدوية دقة 99.97% في الكشف عن الأغطية العادية و99.20% في الكشف عن الأجسام الغريبة على سطح الغطاء والحلقات المكسورة. وحقق نظام فحص بصري طورته مجموعة هانغتشو واهاها دقة 99.90% في اختبارات خط الإنتاج الفعلية، مع معدل كشف عن المنتجات المعيبة بنسبة 100% ومعدل رفض خاطئ بنسبة 0.08% فقط.

2. اتجاهات تطوير التكنولوجيا

في المستقبل، ستتطور تقنية الفحص البصري لأغطية زجاجات PET نحو قدرات ذكية ومتكاملة. ويتم إدخال تقنيات الذكاء الاصطناعي والتعلم العميق في مجال الفحص البصري. ومن خلال عمليات الالتفاف والتدريب على العينات الصغيرة، يتم إنشاء نماذج فحص أكثر ملاءمة لمنتجات محددة، وتوسيع نطاق الفحص، وتحسين كفاءة المعدات.

يُمكّن الجمع بين منصة التدريب والصيانة السحابية وتقنية الحوسبة الطرفية النظام من تحسين الخوارزميات باستمرار من خلال التحديثات عن بُعد مع ضمان الأداء الفوري. تستطيع تقنيات الفحص البصري ثلاثي الأبعاد، مثل أنظمة الإزاحة بالليزر، تحديد موضع غطاء الزجاجة بدقة تصل إلى مستوى الميكرون، مما يوفر معلومات ثلاثية الأبعاد أغنى من الرؤية ثنائية الأبعاد. خامسًا: الخلاصة

أصبحت تقنية الفحص البصري لعيوب أغطية زجاجات PET أداةً أساسيةً لمراقبة الجودة في الإنتاج الصناعي الحديث. بدءًا من الكشف الكهروضوئي البسيط في بداياته، وصولًا إلى أنظمة الرؤية متعددة الكاميرات الحالية، ومن خوارزميات معالجة الصور التقليدية إلى إدخال الذكاء الاصطناعي، حقق هذا المجال تقدمًا ملحوظًا.

مع ظهور الثورة الصناعية الرابعة، ستصبح تقنية الفحص البصري لأغطية زجاجات PET أكثر ذكاءً وترابطًا. فهي لن تكتشف العيوب فحسب، بل ستُحسّن أيضًا عمليات الإنتاج من خلال تحليل البيانات والصيانة التنبؤية، مما يُحسّن جودة المنتج وكفاءته بشكل عام. في المستقبل، ومع زيادة قوة الحوسبة وتحسين الخوارزميات، ستُحقق أنظمة الفحص البصري إنجازات جديدة في الدقة والسرعة والقدرة على التكيف، مما يوفر مراقبة جودة أكثر موثوقية لصناعة التعبئة والتغليف.

بالنسبة للمصنعين، يُعدّ اعتماد أنظمة الفحص البصري المتقدمة ليس فقط وسيلةً لتحسين جودة المنتج، بل أيضًا مسارًا رئيسيًا لخفض تكاليف الإنتاج، وتعزيز صورة العلامة التجارية، وتحقيق التصنيع الذكي. ومع اتساع نطاق هذه التكنولوجيا وانخفاض تكاليفها، ستُستخدم تقنية الفحص البصري على نطاق أوسع من قِبل الشركات الصغيرة والمتوسطة، مما يُسهم في التحسين المستمر للجودة في جميع أنحاء القطاع.