一種基于視覺檢測(cè)研制小盒煙包第六面檢測(cè)裝置

（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司湛江卷煙廠，廣東 湛江 524000）

煙草消費(fèi)市場(chǎng)多元化的發(fā)展，要求煙草企業(yè)必須要構(gòu)建符合市場(chǎng)消費(fèi)者需求的產(chǎn)品。小盒煙包是煙草生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，由于在煙包生產(chǎn)過程中，煙包與輸送帶接觸面（第六面）不能通過加裝在煙包輸煙道上的小包圖像外觀進(jìn)行檢測(cè)，如果該端面出現(xiàn)外觀質(zhì)量不合格的煙包很容易流入市場(chǎng)，影響企業(yè)的市場(chǎng)形象。加強(qiáng)對(duì)小盒煙包第六面的檢測(cè)是香煙生產(chǎn)的關(guān)鍵工序。長(zhǎng)期以來對(duì)于第六面的檢測(cè)主要是依賴于人工檢測(cè)，存在著很大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，基于此，本文設(shè)計(jì)一種基于設(shè)備視覺系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)裝置，以此提高小盒煙包第六面檢測(cè)質(zhì)量，降低殘次品概率[1-4]。

1 小盒煙包第六面檢測(cè)存在的問題

小盒煙包是卷煙生產(chǎn)中重要的一道工序，外觀質(zhì)量不合格的煙包流入市場(chǎng)會(huì)給企業(yè)聲譽(yù)帶來非常嚴(yán)重的影響。傳統(tǒng)的香煙小包外觀檢測(cè)裝置一般只能對(duì)香煙小包除與立式輸送帶接觸的五個(gè)面進(jìn)行檢測(cè)，香煙小包與立式輸送帶接觸的第六面不能被檢測(cè)到。隨著卷煙生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，小盒煙包第六面的質(zhì)量問題越來越被重視，通過工藝改造基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)第六面的檢測(cè)，例如在煙包的輸送帶中設(shè)置輔助檢測(cè)裝置，當(dāng)系統(tǒng)完成對(duì)小盒外露五個(gè)面的主檢測(cè)之后，小盒煙包在轉(zhuǎn)彎后便由立式輸送轉(zhuǎn)變?yōu)榕P式輸送，此時(shí)香煙小包的第六面便具有了檢測(cè)視角，由于輔助檢測(cè)裝置是安裝在臥式通道處，受現(xiàn)場(chǎng)工位的限制，輔助檢測(cè)裝置的攝像機(jī)不能正對(duì)香煙小包的第六面，檢測(cè)視角不正會(huì)影響數(shù)據(jù)交換機(jī)的判斷，很容易對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。當(dāng)然人工檢測(cè)也是小盒煙包檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)，由于生產(chǎn)時(shí)煙包移動(dòng)速度較快，生產(chǎn)煙包數(shù)量較多，單靠人工檢驗(yàn)效率非常低，而且根本無法做到人工檢驗(yàn)每一包煙包，檢驗(yàn)準(zhǔn)確率、效率非常低，存在著嚴(yán)重的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)調(diào)查目前小盒煙包檢測(cè)方法主要包括以下幾個(gè)方面：

1）靜止測(cè)量。采用該種方式進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須把工件固定在檢測(cè)攝像頭正下方，攝像頭與工件保持固定不動(dòng)，接著攝像頭把工件拍照，然后再通過圖像處理系統(tǒng)把所拍圖像進(jìn)行分析得出檢測(cè)結(jié)果，最后把工件從攝像頭正下方移走完成檢測(cè)。采用這種方式檢測(cè)的檢測(cè)效果雖精度高，但檢測(cè)的速度慢、效率低。

2）動(dòng)態(tài)檢測(cè)。采用該種方式進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)攝像頭固定在機(jī)器的機(jī)架上，通過傳送機(jī)構(gòu)把工件依次從攝像頭下方移動(dòng)過去，攝像頭與工件有相對(duì)位移，攝像頭對(duì)其正下方移動(dòng)的工件進(jìn)行掃描檢測(cè)，然后再通過圖像處理系統(tǒng)把掃描圖像進(jìn)行分析得出檢測(cè)結(jié)果。采用這種方式檢測(cè)的速度快，效率高，但檢測(cè)時(shí)攝像頭與工件有相對(duì)位移，導(dǎo)致攝像頭采集的圖像信號(hào)不穩(wěn)定，檢測(cè)的效果差、精度低。

在對(duì)煙包的外觀缺陷檢測(cè)時(shí)，一般要仔細(xì)檢測(cè)工件每個(gè)表面的顏色、尺寸、完整度等細(xì)節(jié)。目前，如果要高速連續(xù)在線對(duì)一個(gè)六面的正方體或長(zhǎng)方體煙包進(jìn)行外觀缺陷檢測(cè)時(shí)，還不能采用視覺檢測(cè)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，只能人工用手拿著工件憑人眼對(duì)每個(gè)面進(jìn)行觀測(cè)。因?yàn)橐曈X檢測(cè)的攝像頭只能檢測(cè)六面體的一個(gè)面，通過配置多個(gè)攝像頭，最多只能檢測(cè)五個(gè)面。無法實(shí)現(xiàn)六個(gè)面都連續(xù)在線的檢測(cè)。采用人工工藝質(zhì)量檢驗(yàn)速度慢、效果差、效率低，遠(yuǎn)無法滿足實(shí)際的工作要求。

2 基于機(jī)器視覺系統(tǒng)第六面檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖1 機(jī)器視覺系統(tǒng)第六面檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

機(jī)器視覺技術(shù)，即采用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS 和CCD 兩種)把圖像抓取到，然后將該圖像傳送至處理單元，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。機(jī)器視覺伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)日臻成熟，已是現(xiàn)代加工制造業(yè)不可或缺的產(chǎn)品，主要由圖像采集單元、圖像處理單元及控制執(zhí)行單元三大部分組成。系統(tǒng)的圖像采集單元包括圖像采集卡、光源、CCD 工業(yè)相機(jī)，工控機(jī)作為圖像處理單元，以處理結(jié)果作為控制執(zhí)行單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺第六面檢測(cè)裝置硬件檢測(cè)裝置，包括：1）人機(jī)界面。人機(jī)界面與控制器相連實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。2）控制器。該系統(tǒng)有2 個(gè)控制器，包括控制板、CPU 板、控制器上蓋和控制器下蓋。3）圖像采集器。圖像采集器包括殼體、工業(yè)相機(jī)、鏡頭、LED 光源、漫反射板、分光片和海綿吸光墊；殼體左側(cè)面上設(shè)有玻璃窗，殼體內(nèi)部頂端安裝有光源支架，LED 光源和漫反射板安裝在光源支架相應(yīng)位置。海綿吸光墊貼在殼體的內(nèi)部底端。分光片與玻璃窗呈45°角安裝在漫反射板與海綿吸光墊之間，其中漫反射板、分光片和海綿吸光墊三者呈Z 字形。殼體內(nèi)部右側(cè)安裝有相機(jī)支架，工業(yè)相機(jī)和鏡頭安裝在相機(jī)支架上。在殼體相應(yīng)位置安裝有插座，外接電源通過插座分別給LED 光源和工業(yè)相機(jī)供電。在殼體的頂部貼有橡膠墊，在橡膠墊上蓋有上蓋。4）編碼器和接近開關(guān)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺系統(tǒng)第六面檢測(cè)裝置的軟件系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2 所示。該檢測(cè)裝置系統(tǒng)軟件包含控制板上位機(jī)軟件以及單片機(jī)控制程序。控制板上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)的全局控制和圖像處理。

圖2 機(jī)器視覺系統(tǒng)第六面檢測(cè)軟件運(yùn)行流程圖

1）全局控制：控制板上位機(jī)軟件與圖像采集裝置、控制板接口通訊，接收處理圖像采集裝置采集到的圖像信息數(shù)據(jù)，判斷是否存在缺陷，同時(shí)是否發(fā)送命令剔除相應(yīng)的缺陷煙包，在液晶屏上以人機(jī)界面顯示相關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行信息以及用戶的參數(shù)設(shè)置。

2）圖像處理：兩個(gè)圖像采集器通過該圖像采集器通訊口將拍攝的圖像傳送給CPU 板供其處理和分析。CPU板的圖像處理程序獲取煙包端面圖像后，依次進(jìn)行濾波、灰度化、水平與垂直投影等，然后選用模板匹配算法、灰度分析算法、邊緣檢測(cè)算法三種算法，分別對(duì)處理后的圖像進(jìn)行處理、分析，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果與設(shè)定值的差值大小，綜合判斷煙包端面是否存在缺陷。

單片機(jī)通過輸入采集電路讀取編碼器相位、接近開關(guān)信號(hào)來判斷小盒煙包是否完成堆疊，具體判斷方法是編碼器一圈是1 800 步對(duì)應(yīng)一包煙，當(dāng)?shù)诙Φ?00 步時(shí)已經(jīng)完成堆疊。一旦完成堆疊單片機(jī)通過兩路光源控制電路控制兩個(gè)圖像采集器中LED 光源同時(shí)打開，然后推桿往回走，走到接近開關(guān)的位置時(shí)CPU 板通過圖像采集器通訊口控制兩個(gè)圖像采集器中工業(yè)相機(jī)采集堆疊煙包的兩個(gè)端面圖像，并將圖像傳輸給CPU 板，LED 光源只有在煙包完成堆疊并且推桿準(zhǔn)備推煙的時(shí)候才打開，其余時(shí)間光源處于關(guān)閉狀態(tài)。CPU 板通過處理和分析并將分析結(jié)果與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，若相差大于一定值時(shí)，則判斷煙包端面包裝存在缺陷，這時(shí)單片機(jī)通過輸出驅(qū)動(dòng)電路向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)出煙包剔除信號(hào)，由包裝機(jī)組控制系統(tǒng)在相應(yīng)位置將端面缺陷煙包剔除。

3）單片機(jī)控制程序采用C 語(yǔ)言編寫，執(zhí)行控制板上位機(jī)軟件的命令，同時(shí)還包含以下操作：采集增量式編碼器實(shí)時(shí)相位發(fā)送給控制板上位機(jī)軟件，在相應(yīng)的相位曝光拍照采集第六面圖像，向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號(hào)等。

3 測(cè)試結(jié)果

在紅外光源照射下，拍照小盒煙包圖像呈現(xiàn)灰白色。如圖3 所示。

圖3 機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測(cè)圖

通過綜合分析，基于機(jī)器視覺系統(tǒng)的小盒煙包第六面檢測(cè)裝置具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）該檢測(cè)裝置不僅能夠檢測(cè)透明紙包裝之前煙包包裝紙是否存在缺陷，也能夠用于檢測(cè)小盒煙包在完成透明紙包裝和堆疊后是否存在端面缺陷，尤其是煙包的兩個(gè)端面，對(duì)于軟包出現(xiàn)的封簽歪斜、脫落、缺失、破損以及標(biāo)簽紙露白等；對(duì)于硬包出現(xiàn)的上蓋破損、變形、脫落、撕爛等，從而保證小盒煙包包裝檢測(cè)的全面性，同時(shí)也提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性，從根本上減少不合格產(chǎn)品的流出。

2）該檢測(cè)裝置圖像采集器采用半透、半反光源設(shè)計(jì)的光路結(jié)構(gòu)，使工業(yè)相機(jī)采集圖像更加清晰，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。