基于机器视觉的检测技术开发及其在制笔工业的应用

上海晨光文具股份有限公司    南京理工大学 湖北大学

上海晨光文具股份有限公司(以下简称晨光文具)是一家整合创意价值与制造优势、倡导时尚文具生活方式、提供学习和工作场景解决方案的综合文具供应商,主要从事晨光及其所属品牌学生文具、办公用品、儿童美术等产品的设计、研发、制造和销售。

晨光文具是国家高新技术企业,作为中国制笔行业的龙头企业,拥有“中国制笔工业基地”、“中国制笔中心”、“国家级工业设计中心”、“中国轻工业制笔工程技术重点实验室”、“上海市认定企业技术中心”、“上海市制笔工程技术研究中心”六个国家级和省部级研究平台。2015年公司在主板上市,一直保持高速增长,2016年度实现营业收入46.62亿元,净利润4.93亿元;2017年度实现营业收入63.57亿元,同比增长 36.35%,净利润6.34亿元,同比增长28.63%,成为亚洲销量和销售额最大的企业。

公司通过多年探索构建以企业为主导的产学研合作模式,分别与上海交通大学、上海理工大学、南京理工大学、湖北大学等进行产学研合作。

一、产学研合作的主要做法

1、项目攻关

围绕晨光文具以及中国制笔工业的实际需要,以圆珠笔的各个部件的生产、装配和质检为切入点,研究基于机器视觉的笔头、笔芯和零配件自动筛选系统的关键技术,设计基于机器视觉技术的智能检测和筛选系统,应用于制笔工业的笔头生产、笔芯生产和笔类装配工艺中。2015年3月开始与南京理工大学、上海理工大学、湖北大学等高校建立项目攻关小组。2016年获得上海市经济和信息化委员会专项资金资助项目《基于机器视觉的检测技术开发及其在制笔工业中的应用》(项目编号:沪CXY-2016-009)和上海市科委《光学检测技术开发及其在智能制造中的应用》(项目编号:16PJ1431000)等项目支持。

围绕关键技术,项目攻关小组研发了基于机器视觉技术的笔头外观、笔芯墨水、划线检测以及零配件的检测技术,能够针对不同规格笔头的表面缺陷,还能够针对笔芯划线断线、积墨、单边等书写不正常问题,以及墨水和尾塞油灌注量偏差,实现快速、准确的进行全面检测,从而提高了笔头、笔芯和零配件的自动质检筛选速度和装配速度,实现生产过程的在线快速高效的自动检测和筛选。

基于机器视觉的检测技术开发及其在制笔工业的应用,未见国内外与项目完全相同报道,项目综合技术达到国内领先水平。

2、产业链的协同发展

晨光文具立足区域经济发展现状及产业发展特色,整合国内制笔行业高端产业链条、先进信息技术等资源开展产业示范园区建设;引入大数据和人工智能技术,通过创新的技术+服务+投资,开展示范性产业模式建设;开展技术成果转化、产教融合、人才培养、双创孵化、招商引智等产业服务,打造实体业务与网络平台的融合运行机制;以产业大数据为核心,加速政府、企业和院校间的资源整合,搭建沟通平台协同运作,推动区域产业发展升级。

晨光文具重视产学研合作体系的建设,设立总工程师办公室、技术中心和研发部门,专门对外合作,与高校、科研机构共同开展相关理论和应用研究、解决生产和研发的技术问题、建立与产品开发和生产制造密切联系的研发机制和人才培养机制。在过去三年,晨光文具与上海交通大学、华东理工大学、东华大学、上海师范大学、上海应用技术大学、南京理工大学、湖北大学、西安科技大学等十多所高校逐步合作进行产业关键技术攻关,并取得良好的效果。

3、技术支持

制笔工业过去是一个以手工为主的劳动密集型传统制造业。除了笔头、墨水和注塑元件是机器制造之外,所有检测、筛选、装配、包装、打标、货运等均由人工完成。晨光经过近10年产业升级,生产线逐渐使用自动化和半自动化设备,解决部分筛选、装配、包装和打标问题,然而多数检测依然以人工为主。制笔工业的检测主要有笔头、墨水、尾塞油、笔芯、笔杆、其他配件、成品、标签和包装等内容。除了墨水和尾塞油使用化学分析测试方法之外,其他均使用物理检测方法,如光学、力学、热学和电子学等。

针对晨光目前生产中存在的问题,公司采用产学研合作的模式,借助高校在机器视觉技术方面研究的优势,攻克笔头、笔芯和零配件自动检测和筛选的关键技术,应用于制笔生产与装配工艺中,完成笔头自动检测量10亿只/年的生产线建设,完成笔芯内墨水、尾塞油和划线自动检测千万只/年的生产线建设,申请发明专利5项、申请实用新型专利7项、发表文章3篇、并获得软件著作权1项。

4、人才培养

高校为企业发展提供各种咨询服务和有偿的实验场所,相关专业教授到企业开展专题技术报告,对具有行业应用背景的技术人才和管理人才进行培养。同时,企业为大学提供实习场所、使大学的研究成果更容易为市场所接受;企业技术专家到高校和研究所讲学,为学生提供应用领域的新技术和新的思想;发展“技术创新工业化与信息化”两化深度融合人才培养方式,加强专业技术人才队伍建设,为实现制笔行业由传统的粗放型制造模式向密集型信息化产业模式的转型提供人才支撑。

主要的人才培养模式分为两种:一种培养研究型人才;一种培养应用型人才。前者,以国家科研项目为基础,高校的研究能力与企业的资源实力互补,双方共同研究、共享合作成果;后者以企业应用项目为基础,学校理论学习与企业实践培训相结合的方式,使学生更好地适应晨光以及智能制造行业人才需求。

在这两种模式的驱动下,晨光主要培养了三类毕业生:(1)学位论文联合培养:采用大学和企业双导师模式,在企业实习并完成硕士毕业论文或本科毕业论文,由校企双方指导答辩。(2)顶岗实习联合培养:根据晨光企业岗位需求,从高校招聘相关专业的在校学生,在实习期表现优秀的学生,实习期满后企业留用。(3)“项目引领”人才培养模式:与相关院校签订产学合作协议,以做项目的模式在实践中培养人才。

二、产学研合作取得的主要成绩

1、解决的主要问题

中国制笔业经过近10余年的快速发展,已成为世界制笔大国,产量占世界80%以上,而销售额则只占25%,因此中国制笔工业在质量和品牌建设上仍有很大的提升空间。

晨光文具以圆珠笔部件的生产、装配和质检为切入点,与南京理工大学通过产学研合作,研究基于机器视觉的笔头、笔芯和零配件自动筛选系统的关键技术,设计基于机器视觉技术的智能检测和筛选系统,应用于制笔工业的笔头生产、笔芯生产和零配件检测工艺中。针对不同规格笔头的表面缺陷,快速、准确地进行全表面检测,实现高效率地检验及筛选。对于笔芯划线断线、积墨、单边等书写不正常问题,以及墨水和尾塞油灌注量偏差,实现生产过程在线快速高效自动检测。运用基于机器视觉的智能笔头识别及在线筛选技术,能在笔头、笔芯和笔类生产和装配过程中自动准确的将各种制造缺陷的笔头、笔芯和零配件筛选出来。

2、技术突破

在笔头外观检测方面,突破人工筛选主观性强、效率低且劳动力成本不断提高的现状,构建出笔头图像自动采集与处理的质量检测筛选系统。结合笔头质量的特点和目标,通过多角度采集笔头图像,可对掉珠、初写角度、长度规格、表面碰伤、碗口圆度和厚度等情况进行测定;改进了现有图像目标识别算法,通过对图像进行预处理和特征提取,能够更好地实现笔头缺陷位置的定位与识别。

在笔芯划线质量检测方面,从划线线体灰度、线体边沿平滑性、划线实际轨迹与划线理论轨迹的吻合度、划线线体形态学特征四个方面评估划线质量,不仅可以更全面准确地评估划线质量,而且该评估结果可以用来与划线时的笔头运动速度、运动轨迹、笔姿的空间运动变化相结合,研究分析笔头系统、笔头纸面系统的微观运动过程。

在非透明笔芯油墨和尾油检测方面,建立了三维空间景物到二维成像平面灰度图像的变换模型和逆向工程,找到了点扩散函数与物距关系模型标定方法。在生产线的笔芯在运动的过程中触发传感器,传感器发送信号给相机拍摄图像并将图像传送至计算机中,根据采集图像的散焦模糊程度逆向得出尾油距离笔芯尾部的距离,散焦模糊形成的原因是拍摄物体所处位置偏离相机的聚焦平面,拍摄物体就会在光学传感器上形成模糊的散焦图像,偏离距离越远,图像的散焦模糊程度越大。利用这一变化特性再结合笔芯尾端离相机距离不变这一预知参数信息,可以通过散焦模糊来检测尾塞油在笔芯管中的高度,如果笔芯墨水和硅油的高度太高或者太低,则不符合笔芯的品质要求,将笔芯判断的结果由工控机发送到产线上的可编程逻辑器件,由可编程逻辑器件控制产线上的剔除装置将不合格的笔芯在笔芯生产的过程中剔除掉。生产过程中的难点,在于需要在保证产线正常生产速度的情况下,兼顾图像处理算法的准确性和稳定性:如图像算法复杂图太大,计算机处理速度无法跟上产线速度;而如算法图简单,则无法对笔芯准确识别。只有寻找到一个最佳平衡点,才能实现笔芯、尾塞油的自动检测和不合格笔芯的自动剔除。

3、产业带动和市场推广情况

晨光文具作为行业的领军企业,率先采用智能检测技术代替人工操作,显著地提高企业制笔产品质量,提升企业品牌知名度,大大提高笔类产品附加值,2017年营业收入增长36.35%,净利润增长28.63%。此举还为企业增强了产品的国际竞争力,2017年创汇增长14.3%。也缩小了我国制笔行业核心技术与国外的差距,使笔类产品制造技术接近国际先进水平,促进了我国笔类产品进入国际高端市场,为实现我国由制笔大国向制笔强国的转变奠定了坚实的基础。

这些都将有力地带动文具产业通过产学研合作,采用先进技术,实现传统产业的创新驱动和转型升级。

4、取得的成效

完成视觉检测新装置4台,包括非透明笔芯尾油高度检测装置、两种笔头筛选装置、完成笔芯划线检测装置和零配件检测装置。

发表文章3篇,录用文章1篇;形成企业技术标准两项;联合培养研究生6名(毕业3名);联合申请发明专利5项,实用新型专利7项,并获得软件著作权1项。

三、下一步深化产学研合作的打算

产学研合作是提升企业技术创新能力的重要路径,不仅可以解决企业的制造技术和加工工艺难题,更能为企业培养理论基础扎实和实践经验丰富的优秀研发人才。因此,产学研合作对于实现文具企业的转型升级与可持续发展必不可少。高校、企业之间应该通过资源互补、利益共享、风险共担的方式,积极开展研发活动,突破与共享行业的关键性技术,提升企业的技术创新能力。

产学研合作项目为高校学生提供了校外实训基地,丰富了高校人才培样模式。接下来要把产学研结合提高到一个新的认识层次,坚持实践教学走产学研合作育人之路,积极探索应用型人才培养新思路,努力提高人才培养质量的水平。聘请有关企事业单位一线管理人员、技术人员、行业知名专家、教授成立专业建设指导委员会,有效地参与高校教育、教学重大事宜,关键环节的研讨与决策,指导专业开发、专业建设,承担教学指导、专题讲座等任务,切实推进硕士双导师制度。通过聘请高校教师担任技术顾问、安排科技人员挂职锻炼等形式,吸引高校人才到经济社会发展的第一线工作,将科技力量直接引入基层,为企业提供技术服务,实现科技与经济紧密结合。选派企业的科技人员到高校进修培训,参加研究工作,提高科研业务能力。

校企双方可充分利用自身资源优势,互通有无,共建省级、部级或国家级重点实验室、研究生工作站等科研创新平台,加深科技合作。

专家点评

晨光文具是中国制笔行业的龙头企业,拥有六个国家级和省部级研究平台。2017年营业收入63.57亿元,年产圆珠笔50亿支。巨量的产品检测,采用传统的人工目测的方式,不仅容易引起视觉疲劳,还导致15%左右的差错率。晨光文具与南京理工大学、湖北大学通过产学研合作,研发出基于机器视觉的笔头、笔芯和零配件的智能检测和筛选系统,代替传统的人工目测,使产品生产合格率提升到99.9%,极大地提高了投放市场的笔类产品质量,降低了生产成本,提高了生产效率,取得可观的经济效益,2017年营业收入增长36.35%,净利润增长28.63%。与此同时,晨光文具率先采用智能检测技术代替人工操作,也提升了企业品牌的知名度,增强了产品的国际竞争力,为实现我国由制笔大国向制笔强国的转变奠定坚实的基础。

晨光文具重视产学研合作体系的建设,设立总工程师办公室、技术中心和研发部门,专门对外开展合作,多年来保持与高校、科研机构的产学研合作,建立与产品开发和生产制造密切联系的研发机制和人才培养机制,业务分工明确,知识产权明晰,技术研究和人才培养并举,高效率地推进科技成果转化和产业化。课题团队内部拥有一套较为完善的人才激励制度,为人才的成长、培养和发展创造良好的条件。