تقنية الفحص البصري الكامل لزجاجات PET: تركيب النظام ومبادئ الخوارزمية واتجاهات التطوير

1. أهمية وخلفية فحص الزجاجة الكاملة لزجاجات البولي إيثيلين تيريفثالات

تُستخدم زجاجات PET على نطاق واسع في صناعات المشروبات والأغذية والأدوية. في خطوط إنتاج التعبئة عالية السرعة، قد تحدث عيوب مثل ارتفاع أو انخفاض مستويات السوائل بشكل مفرط، وإغلاق الأغطية دون المستوى المطلوب، وذلك بسبب عوامل مثل أخطاء معدات التعبئة، أو اختلافات الزجاجات، أو تقلبات خط الإنتاج. قد تتسبب مستويات السوائل المرتفعة بشكل مفرط في تمدد المنتج أو حتى انفجاره أثناء النقل أو تغيرات درجة الحرارة، بينما قد تُخالف مستويات السوائل المنخفضة بشكل مفرط مواصفات الملصق، مما يؤثر على صورة الشركة ويؤدي إلى مخاطر تنظيمية. يمكن أن تؤدي عيوب الأغطية، مثل الأغطية المرتفعة أو الملتوية أو المفقودة أو حلقات منع العبث المكسورة، بسهولة إلى تسرب السوائل أو التلوث الميكروبي. لذلك، أصبح فحص الجودة الآلي للزجاجات الممتلئة في نهاية خط الإنتاج خطوة حاسمة في ضمان جودة المنتجات الصادرة.

يعتمد التفتيش التقليدي بشكل أساسي على التفتيش البصري اليدوي، إلا أن هذه الطريقة غير فعّالة، وعرضة للإرهاق، وتتأثر بالعوامل الذاتية، مما يجعلها غير مناسبة لخطوط الإنتاج عالية السرعة التي تنتج عشرات الآلاف من الزجاجات في الساعة. كما استُخدمت تقنيات التفتيش بالأشعة السينية، والفحص بالموجات فوق الصوتية، والتفتيش بالأشعة تحت الحمراء، ولكن لكل منها مشاكلها الخاصة، مثل المخاطر الصحية، وقابلية التداخل، أو عدم كفاية الدقة. في السنوات الأخيرة، أصبحت تقنية فحص الزجاجات الكاملة القائمة على الرؤية الآلية تدريجيًا الحل السائد نظرًا لمزاياها المتمثلة في التشغيل بدون تلامس، والدقة العالية، والسرعة العالية. تلتقط هذه التقنية صورًا للزجاجة بكاميرا وتستخدم خوارزميات معالجة الصور لتحليل المؤشرات الرئيسية مثل مستوى السائل، والغطاء، والملصق، مما يحقق تقييمًا سريعًا وموضوعيًا للجودة عبر الإنترنت.

2. تركيب نظام الفحص البصري الكامل لزجاجة PET

يتكون نظام الفحص البصري الكامل لزجاجات PET عادةً من وحدة تصوير، ومصدر ضوء، ووحدة معالجة، ومشغل. يجب أن تعمل هذه المكونات معًا لتلبية متطلبات الفحص عالي السرعة والدقة.

2.1 وحدة التصوير

وحدة التصوير مسؤولة عن التقاط صور للزجاجة. مكونها الأساسي هو كاميرا صناعية (مثل نوع CCD أو CMOS). لتحسين تغطية التفتيش، يستخدم النظام غالبًا كاميرات متعددة أو يجمعها مع عاكسات لالتقاط الصور في وقت واحد من زوايا مختلفة. على سبيل المثال، يستخدم الحل النموذجي ثلاث كاميرات CCD ذات مصفوفة منطقة، متباعدة 120 درجة على طول خط الإنتاج، لتحقيق كشف خالٍ من النقاط العمياء بزاوية 360 درجة لغطاء الزجاجة ومستوى السائل. يستخدم حل مبتكر آخر كاميرا CCD صناعية واحدة فقط، ولكن مع خمس مرايا عاكسة (بما في ذلك المرايا الأولى إلى الخامسة)، لالتقاط صور متعددة الزوايا للجزء الأمامي واليسار واليمين وأعلى الزجاجة من خلال انعكاس المرآة، مما يقلل بشكل فعال من تكلفة النظام وتعقيده. عادةً ما تكون عدسة الكاميرا متساوية مع الجزء السفلي من الزجاجة لضمان تصوير واضح لخط مستوى السائل.

2.2 نظام مصدر الضوء

الإضاءة المستقرة ضرورية لجودة الصورة. غالبًا ما يستخدم النظام مصادر إضاءة LED للمنطقة أو مصادر إضاءة حلقية لإبراز حواف الزجاجة وخطوط مستوى السائل. عادةً ما يكون مصدر الضوء مضبوطًا على وضع التشغيل المستمر، مما لا يتطلب وحدة تحكم معقدة ويوفر ثباتًا عاليًا. بناءً على خصائص الزجاجة (مثل الشفافية ولون المحتويات)، يمكن اختيار الإضاءة الخلفية (الإضاءة من خلف الزجاجة لإنشاء صورة ظلية لإبراز خط مستوى السائل) أو الإضاءة الأمامية (الإضاءة من مقدمة الزجاجة لإبراز تفاصيل السطح). على سبيل المثال، عند فحص أغطية الزجاجات، تساعد الإضاءة الخلفية في التقاط خطوط الغطاء وحلقة الدعم، بينما في الكشف عن مستوى السائل، يُعوّض الجمع بين الإضاءة الأمامية والخلفية بفعالية عن التداخل الناتج عن الرغوة. يجب أن يتجنب تصميم مصدر الضوء الانعكاسات والظلال وأن يتكيف مع بيئة الاهتزاز في خط الإنتاج.

2.3 وحدة المعالجة والمحرك

تُشغّل وحدة المعالجة (مثل حاسوب التحكم الصناعي) خوارزميات معالجة الصور لتحليل الصور الملتقطة وتحديد ما إذا كان مستوى السائل مقبولًا وغطاء الزجاجة سليمًا. تتواصل هذه الوحدة مع وحدة التحكم PLC، التي تتحكم في آلية الرفض (مثل قاذف يعمل بصمام لولبي) بناءً على نتائج الكشف، لإزالة المنتجات المعيبة تلقائيًا من خط الإنتاج. كما يدمج النظام مستشعرات ضوئية، ومشفرات دوارة، ومكونات أخرى لتتبع موضع الزجاجة وتشغيل الكاميرا لالتقاط الصور، مما يضمن تزامن الكشف مع سرعة خط الإنتاج.

3. الخوارزميات الرئيسية في الكشف الكامل عن الزجاجة

تُعدّ الخوارزميات جوهر التفتيش البصري، ويجب أن تُلبي متطلبات الدقة العالية والوقت الفعلي. فيما يلي خوارزميات نموذجية لكشف مستوى السوائل وغطاء الزجاجة.

3.1 خوارزمية الكشف عن مستوى السائل

الهدف من كشف مستوى السائل هو التحديد الدقيق للحدود بين السائل والغاز (أو الرغوة) داخل الزجاجة. تشمل الخوارزميات الشائعة طريقة تدرج الإسقاط وطريقة انتشار تدرج الإسقاط الرمادي. تتضمن هذه العمليات عادةً ثلاث خطوات: المعالجة المسبقة للصورة، وتحديد مستوى السائل، والحكم.

• معالجة الصورة مسبقًا: أولًا، تُحوّل الصورة الملونة إلى تدرج رمادي، ثم تُحوّل إلى صورة ثنائية (عادةً ما تُضبط قيمة الحد الأدنى على حوالي 200 لصورة تدرج رمادي بمستوى 256) لفصل الزجاجة عن الخلفية. في الصورة الثنائية، يُمكن إزالة التشويش من خلال عمليات مثل التآكل والتمدد، ويمكن تحديد موقع الزجاجة بدقة باستخدام تحليل المكونات المتصلة.

• تحديد موقع مستوى السائل: تُستخدم طريقة تدرج الإسقاط بشكل شائع. أولاً، يُحسب مجموع قيم التدرج الرمادي لكل صف على طول الاتجاه الرأسي للصورة لتشكيل منحنى إسقاط. ونظرًا للتغيير المفاجئ في التدرج الرمادي عند مستوى السائل، ستزداد قيمة تدرج الإسقاط بشكل كبير. ومن خلال مسح منحنى التدرج، يمكن العثور على الصف الذي يحتوي على أقصى قيمة تدرج، وبالتالي تحديد موضع مستوى السائل. ولتحسين الدقة، يمكن الجمع بين استراتيجية انتشار التدرج لتعزيز إشارة التدرج باستخدام خصائص مستوى السائل السابقة، مما يجعل التوطين أكثر استقرارًا. تُظهر التجارب أنه يمكن التحكم في خطأ تحديد موقع مستوى السائل لهذه الطريقة في حدود 0.68 مم، ويبلغ وقت المعالجة لإطار واحد حوالي 23.8 مللي ثانية، مما يلبي متطلبات التصوير عالي السرعة. بالنسبة للصور متعددة الزوايا (مثل المناظر اليسرى واليمنى التي يتم الحصول عليها من خلال المرآة)، يحسب النظام موضع مستوى السائل بشكل منفصل. إذا كان كلاهما ضمن النطاق القياسي، فيُعتبر مؤهلاً (مؤهلاً)؛ إذا كان مستوى السائل مرتفعًا جدًا أو منخفضًا جدًا أو لا يمكن اكتشافه (على سبيل المثال، في زجاجة ممتلئة)، فيُعتبر غير مؤهل.

3.2 خوارزمية اكتشاف غطاء الزجاجة

يتطلب كشف أغطية الزجاجات تحديد العيوب، مثل ارتفاع الأغطية، وميلها، وعدم وجود أغطية، وكسر حلقات منع العبث. تعتمد الخوارزميات في الغالب على العلاقة الهندسية بين غطاء الزجاجة وحلقة الدعم.

• تحديد محور التماثل: أولاً، يتم تحديد حافة صورة الزجاجة. يُحدَّد محور تماثل الزجاجة بتركيب نقاط محيطية يمينًا ويسارًا لتصحيح ميلانها.

• موقع حلقة الدعم: حلقة الدعم (حلقة المحول) مثبتة نسبيًا على جسم الزجاجة، وتظهر كخط مستقيم في الصورة. يمكن تحديد موقع حلقة الدعم عن طريق عدّ البكسلات السوداء في كل صف وتحديد صف الذروة؛ أو باستخدام خاصية كشف الزوايا، تُحدد نقطتا نهاية حلقة الدعم بأقصى نقطة انحناء للمحيط، ثم يُركب خط مستقيم.

• تحديد العيوب: بناءً على خوارزمية مطابقة خط مستقيم، يُحسب ميل الخط المستقيم أعلى غطاء الزجاجة ومسافته بينه وبين حلقة الدعم. إذا تجاوز فرق الميل بين الخطين المستقيمين حدًا معينًا (مثل 0.005)، يُعتبر الغطاء ملتويًا؛ وإذا كان الميلان متوازيين لكن المسافة تتجاوز نطاق المعايرة (مثل 20 بكسل)، يُعتبر الغطاء مرتفعًا؛ وإذا تعذر اكتشاف مساحة الغطاء، تُعتبر الزجاجة بدون غطاء. بالنسبة لحلقات الحماية من العبث المكسورة، يمكن اكتشاف الفجوة بين حلقة الدعم وحلقة الحماية من العبث: إذا لم تكن هناك فجوة، فهذا يشير إلى احتمال كسر حلقة الحماية أو انفصالها. يتميز هذا النوع من الخوارزميات بدقة تزيد عن 99% وسرعة معالجة تبلغ 100 مللي ثانية/صورة.

4. دمج عملية التفتيش مع خط الإنتاج

عادةً ما تُجهّز محطة فحص الزجاجات الممتلئة بعد التعبئة والتغطية، وقبل وضع الملصقات والتغليف. تتم عملية الفحص كما يلي:

١. التقاط الصورة: تدخل الزجاجة إلى محطة الفحص عبر حزام ناقل. يُشغّل المستشعر الكهروضوئي الكاميرا ومصدر الضوء لالتقاط صور متعددة الزوايا في آنٍ واحد.

2. معالجة الصور: يقوم الكمبيوتر الصناعي بتشغيل الخوارزمية لاستخراج ميزات مستوى السائل والغطاء.

٣. تقييم النتائج وتنفيذها: يُصدر النظام إشارة "نجاح/فشل" بناءً على ما إذا كان مستوى السائل ضمن النطاق القياسي وما إذا كان الغطاء مؤهلاً. بعد استقبال الإشارة، تقوم وحدة التحكم PLC بإزالة الزجاجات المعيبة فورًا من محطة الرفض باستخدام قاذف.

يحتاج النظام إلى التكيف مع خطوط الإنتاج عالية السرعة (حتى 36,000 زجاجة/ساعة)، لذا، تُعدّ كفاءة الخوارزمية وأداء مزامنة الأجهزة أمرًا بالغ الأهمية. علاوة على ذلك، للتعامل مع التداخل الناتج عن اهتزاز الزجاجات وقطرات الماء والوهج، يجب أن تتضمن الخوارزمية تصميمًا متينًا، مثل استخدام استراتيجيات الحكم المتتالي متعدد المستطيلات وتصفية الصور.

5. تطبيقات الصناعة واتجاهات التطوير

طُبّقت تقنية الفحص البصري على نطاق واسع في خطوط إنتاج عبوات PET في صناعات المشروبات والبيرة والأدوية. وكما هو موضح في الشكل 2، يدمج خط التعبئة النموذجي أنظمة فحص متعددة في محطات رئيسية: فحص الزجاجات المعبأة مسبقًا قبل النفخ (للتحقق من وجود عيوب في الفوهة والكتف والقاع)، وفحص الزجاجة الممتلئة بعد التعبئة (لفحص مستوى السائل والغطاء والترميز)، وفحص الملصقات بعد وضع العلامات (للتأكد من وجود أخطاء في الملصقات أو وجود تلف أو زوايا ملتوية)، وفحص التعبئة بعد التعبئة (للتأكد من وجود زجاجات مفقودة أو وزن). يُحسّن نظام مراقبة الجودة الشامل هذا أتمتة الإنتاج بشكل كبير ويضمن اتساق المنتج.

وتشمل اتجاهات التنمية المستقبلية ما يلي:

• الخوارزميات الذكية: دمج تقنية التعلم العميق لتدريب النماذج التي تحدد العيوب المعقدة (مثل أخطاء طباعة الملصقات أو أضرار الزجاجات البسيطة)، مما يحسن قدرة النظام على التكيف والدقة.

• دمج أجهزة الاستشعار المتعددة: الجمع بين أجهزة استشعار الوزن، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة، وما إلى ذلك، لمراقبة الجودة الداخلية مثل جودة المحتويات والشوائب أثناء اكتشاف مستويات السوائل وأغطية الزجاجات.

• تصميم مرن: يجب أن تدعم المعدات التحول السريع للإنتاج، والتكيف مع احتياجات الكشف عن أنواع الزجاجات والسوائل المختلفة من خلال مصادر الضوء القابلة للتعديل، وحوامل الكاميرا، والبرمجيات البارامترية.

• تحسين التكلفة: تطوير حلول التصوير متعددة الزوايا باستخدام كاميرا واحدة (مثل أنظمة الجمع بين المرايا) لتقليل تكاليف الأجهزة مع ضمان الأداء، وتعزيز اعتماد التكنولوجيا من قبل الشركات الصغيرة والمتوسطة.

6. ملخص

بفضل أنظمة التصوير المتطورة والخوارزميات الفعّالة، تُحقق تقنية الفحص البصري الكامل لعبوات PET الكشف الآلي عبر الإنترنت عن جوانب الجودة الرئيسية، مثل مستويات السوائل وأغطية العبوات، مما يُغني عن الفحص اليدوي التقليدي، ويضمن جودة المنتج، ويُحسّن كفاءة الإنتاج. مع تطور تقنيات الرؤية الآلية والذكاء الاصطناعي، ستتطور أنظمة المستقبل نحو دقة أعلى وسرعة أكبر وقدرة أكبر على التكيف، مما يُوفر دعمًا تقنيًا رئيسيًا للتطوير الذكي لصناعات مثل المشروبات والأغذية والأدوية.