基于甘油噴嘴視覺成像檢測系統(tǒng)的研究

摘 要：針對濾棒成型過程中甘油噴灑含量無法實時監(jiān)測的問題，本文采用了在線視覺檢測系統(tǒng)，通過對比研究法確定最佳補(bǔ)光光源位置、相機(jī)安裝位置和檢測方法。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r在線監(jiān)測甘油噴霧嘴的均勻度和液滴情況，確保甘油噴灑狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足了缺陷剔除率≥99.9%的檢測要求，并縮短了甘油噴嘴的清洗拆卸時間。本文研究實現(xiàn)了高速生產(chǎn)甘油噴嘴噴灑狀態(tài)的可視化，為濾棒成型過程的質(zhì)量控制提供了重要支持。

關(guān)鍵詞：甘油噴嘴；物理除霧；角度檢測；位置偏移補(bǔ)正；視覺檢測

中圖分類號：TS 43" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在醋酸纖維濾棒成型過程中，甘油的含量影響醋纖濾棒的硬度、壓降和縮頭等[1]，因此濾棒中甘油的含量是濾棒質(zhì)量控制的一項主要指標(biāo)，對濾棒成型工藝的質(zhì)量控制極其重要，并影響煙支的卷接質(zhì)量。目前，行業(yè)內(nèi)濾棒甘油施加量校準(zhǔn)的方法是在生產(chǎn)現(xiàn)場利用干棒和濕棒[2]，采用人工進(jìn)行計量驗證，再用氣相色譜儀、近紅外漫反射光譜法[3]進(jìn)行離線計量檢測。離線檢測所需時間長且抽檢量少，無法反饋動態(tài)變化情況。成品濾棒甘油含量檢驗是在固化24h后采用抽檢濾棒硬度指標(biāo)進(jìn)行檢驗，這種方式存在一定的滯后性，導(dǎo)致硬度不夠、彈性不足、膠孔等問題濾棒流入下一道工序，影響卷煙質(zhì)量。李天麗等[4]的研究主要集中于甘油含量的自動調(diào)節(jié)。因此設(shè)計一種實時在線檢測甘油噴灑含量的系統(tǒng)尤為重要。本文利用模擬量算法、視覺成像系統(tǒng)研究出一套甘油噴嘴視覺檢測系統(tǒng)。

1 甘油噴嘴視覺檢測工作原理

剔除系統(tǒng)控制器利用模擬量輸入信號對成型機(jī)速度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號。通過控制器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為速度，實現(xiàn)檢測、剔除模塊與成型機(jī)速度同步。并利用視覺成像檢測模塊分析霧化角度是否滿足質(zhì)量需求，如果滿足，判斷為OK信號，不滿足即判斷為NG信號。并將NG信號傳給剔除系統(tǒng)。剔除系統(tǒng)根據(jù)檢測信號進(jìn)行濾波處理，并計算出滯后剔除時間與延時剔除時間，對異常濾棒進(jìn)行精準(zhǔn)剔除。

甘油噴嘴視覺檢測系統(tǒng)包括視覺成像檢測系統(tǒng)，安裝模塊、剔除系統(tǒng)和甘油霧化噴灑系統(tǒng)等。其中視覺成像檢測系統(tǒng)由控制模塊、檢測模塊和人機(jī)界面等組成。檢測模塊包括2組相機(jī)、補(bǔ)光光源和物理除霧組件。2組相機(jī)設(shè)置在甘油霧化噴灑模塊玻璃窗的外部；補(bǔ)光光源設(shè)置在甘油霧化噴灑模塊的內(nèi)部，對2組相機(jī)進(jìn)行補(bǔ)光；物理除霧組件設(shè)置在玻璃窗上，使相機(jī)拍照成像更清晰。

甘油霧化噴灑系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。圖1詳細(xì)展示了該系統(tǒng)的3個主要部分，即甘油霧化噴灑系統(tǒng)、視覺成像檢測系統(tǒng)和安裝模塊。這些組件共同協(xié)作，使系統(tǒng)能夠精確控制甘油的霧化效果，并由視覺成像檢測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測。

KDF4濾棒成型機(jī)組中甘油噴嘴及其固定座的改進(jìn)設(shè)計方案如圖2所示，旨在解決原設(shè)計中存在的問題，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和使用效率。

2 甘油噴嘴固定座研究

現(xiàn)有KDF4濾棒成型機(jī)組的甘油噴嘴安裝在銅管連接座上，甘油噴嘴固定座如圖3所示。鑒于銅管的材質(zhì)特性，頻繁拆卸安裝后，銅管連接座容易形變并漏油。通過對比發(fā)現(xiàn)，KDF2濾棒成型機(jī)組的甘油噴嘴卡設(shè)于一個固定的銅底座上，長時間使用沒有漏油形變問題，因此，對KDF4甘油霧化噴灑模塊進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，新設(shè)計“⊥”形甘油噴嘴固定座，并設(shè)置多排帶螺紋的通孔，有助于快速固定噴嘴和甘油分流管。

甘油噴嘴固定座的設(shè)計優(yōu)化顯著提升了設(shè)備的穩(wěn)定性和密封性，有效避免了因頻繁拆卸安裝導(dǎo)致的漏油問題。

3 檢測模塊成像效果研究

檢測模塊的相機(jī)安裝位置、補(bǔ)光光源安裝位置和玻璃視窗物理除霧將最終影響檢測模塊的成像效果。

檢測模塊的相機(jī)安裝位置決定視覺成像的角度和清晰度。2組相機(jī)需要對7個甘油噴嘴進(jìn)行拍照，基于甘油霧化模塊結(jié)構(gòu)和相機(jī)成像原理，比較不同位置和不同角度相機(jī)的拍照效果，確定相機(jī)的最佳安裝位置為甘油噴灑模塊開設(shè)玻璃視窗的外側(cè)。

補(bǔ)光光源底部補(bǔ)光如圖4所示。圖4主要描述了光源照射到物體表面時，因光的散射而產(chǎn)生顏色變化的現(xiàn)象，說明光通過不同介質(zhì)時會發(fā)生折射、反射和吸收等現(xiàn)象，并影響圖像質(zhì)量。

補(bǔ)光光源頂部補(bǔ)光如圖5所示。圖5討論了光源強(qiáng)度對圖像質(zhì)量的影響，指出增加光源強(qiáng)度可以提高圖像的對比度，使細(xì)節(jié)更清晰，但光源強(qiáng)度過大可能會導(dǎo)致過曝光或燒傷等問題。

補(bǔ)光光源側(cè)面補(bǔ)光如圖6所示。圖6說明了光源距離物體表面的距離對圖像質(zhì)量的影響。光源過近可能導(dǎo)致圖像模糊，而光源過遠(yuǎn)則可能無法取得足夠的照明效果。

補(bǔ)光光源背部補(bǔ)光如圖7所示。圖7討論了光源顏色對圖像質(zhì)量的影響，指出不同光源產(chǎn)生的顏色會影響圖像的整體外觀，例如紅色光源產(chǎn)生溫暖效果，藍(lán)色光源產(chǎn)生冷色調(diào)效果。

由于相機(jī)需要拍攝甘油噴嘴噴灑的角度，因此將補(bǔ)光光源設(shè)置在甘油噴嘴固定座的左側(cè)，相機(jī)從右側(cè)透過玻璃視窗對甘油噴嘴進(jìn)行拍照。補(bǔ)光光源的光線對甘油噴嘴進(jìn)行照明，使相機(jī)成像更清晰。但是補(bǔ)光后，相機(jī)拍照容易反光，通過反復(fù)對比試驗，相機(jī)最佳光源角度為（45±5）°，并將甘油噴灑箱內(nèi)靠近補(bǔ)光光源一側(cè)的箱體噴涂黑色涂層，以提高成像識別度。

由于相機(jī)須透過甘油噴灑模塊的玻璃視窗對甘油噴嘴進(jìn)行拍照，因此玻璃視窗的清潔度會直接影響成像清晰度。而甘油霧化噴灑過程中甘油分子會漂浮在空氣中或附著在物體表面，玻璃視窗表面也會被甘油分子附著，形成霧氣，影響成像。設(shè)計初期，在玻璃窗表面加裝吹氣管除霧，但是考慮甘油特性，吹氣會影響甘油噴嘴噴灑效果，因此取消該方案，在玻璃視窗表面增加氣缸驅(qū)動的刮板，由與主機(jī)氣路系統(tǒng)連接的電磁閥控制氣缸運(yùn)動，從而控制刮板對玻璃視窗的刮刷頻次，以確保玻璃視窗無霧。刮板安裝位如圖8所示。

剔除模塊控制器采集主機(jī)的速度信號，并將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，以確定主機(jī)實時運(yùn)行車速。視覺成像控制系統(tǒng)根據(jù)實際相機(jī)拍照與系統(tǒng)設(shè)定模板進(jìn)行匹配，判定成像是否在設(shè)定范圍內(nèi)。

4 剔除模塊剔除效果研究

剔除模塊控制器采集主機(jī)模擬量0V～10V對應(yīng)主機(jī)0m/min～

300m/min的速度信號，將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，確定主機(jī)實時運(yùn)行車速。視覺成像控制系統(tǒng)根據(jù)實際相機(jī)拍照與系統(tǒng)設(shè)定模板進(jìn)行匹配，判定成像是否在設(shè)定范圍內(nèi)。超出設(shè)定范圍，視覺成像控制系統(tǒng)就提供信號給剔除模塊控制系統(tǒng)，剔除模塊控制系統(tǒng)根據(jù)NG信號進(jìn)行濾波處理，并計算滯后剔除時間與延時剔除時間，控制剔除閥通斷，進(jìn)行異常濾棒剔除。

由于剔除模塊設(shè)置在成型機(jī)分煙輪位置，視覺成像檢測系統(tǒng)設(shè)置在開松機(jī)甘油噴淋室位置，因此剔除模塊剔除的準(zhǔn)確性受主機(jī)運(yùn)行車速、成型濾棒長度和滯后剔除所需時間等參數(shù)影響。本文以成型濾棒長度為120mm為例計算缺陷濾棒延時剔除的時間，如公式（1）所示。

t1=δx+18×120v" （1）

式中：δx為分煙輪剔除口到成像檢測模塊的位置距離；18為分煙輪剔除口一次剔除成型濾棒數(shù)量；120為成型濾棒長度；v為主機(jī)線速度的平均值。

“標(biāo)準(zhǔn)化”指令的計算方式如圖9所示，涉及輸入值VALUE、最小值MIN和最大值MAX。該指令的計算公式為OUT=（VALUE-MIN）/（MAX-MIN）。具體來說，該公式用于將輸入值VALUE轉(zhuǎn)換為一個處于0～1的標(biāo)準(zhǔn)化輸出值OUT。這個轉(zhuǎn)換是通過減去最小值MIN，并除以最大值MAX和最小值MIN的差值來實現(xiàn)的。

圖9簡單描述了這種函數(shù)關(guān)系。橫軸表示輸入值VALUE，縱軸表示輸出值OUT。折線從（0，0）點(diǎn)開始，到（1，1）點(diǎn)結(jié)束，代表了一個理想化的函數(shù)關(guān)系y=x/（x-min），其中x對應(yīng)VALUE，y對應(yīng)OUT。然而，需要注意的是，函數(shù)表達(dá)式y(tǒng)=x/（x-min）并不完全等同于“標(biāo)準(zhǔn)化”指令的計算公式，但它直觀地展示出標(biāo)準(zhǔn)化過程中的一個簡化模型。

在HO5G編輯器中，對于剔除模塊與視覺成像檢測系統(tǒng)，需要明確兩者的位置關(guān)系及其工作原理。剔除模塊位于成型機(jī)的分煙輪位置，視覺成像檢測系統(tǒng)位于開松機(jī)的甘油噴淋室位置。這一設(shè)置使剔除模塊的準(zhǔn)確性受主機(jī)運(yùn)行車速、成型濾棒長度和滯后剔除所需時間等多個參數(shù)的影響。

以成型濾棒長度為120mm為例，為了計算缺陷濾棒的延時剔除時間t1，需要考慮分煙輪剔除口到成像檢測模塊的位置距離（Δx）、分煙輪剔除口一次剔除成型濾棒數(shù)量（此處給出的是18）以及成型機(jī)線速度等參數(shù)。

由于模擬量不穩(wěn)定，因此利用濾波算法求取平均值，10ms取一次信號，通過排序算法求取成型機(jī)的最大線速度vmax和最小線速度vmin，以1ms取一次結(jié)果，計算出成型機(jī)線速度平均值（次數(shù)可以根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)定）。可以根據(jù)實際情況更改延時剔除時間，以確保異常濾棒被準(zhǔn)確剔除。

5 不同背景下的試驗情況

基于不同光源照射強(qiáng)度的白色背景視覺識別效果對比見表1。

從表1可以看出，隨著光源照射強(qiáng)度增加，視覺識別率并非呈線性增長。當(dāng)光源照射強(qiáng)度從200klux增至210klux時，識別率從20%提升至37%，表明適當(dāng)提高光源強(qiáng)度有助于提升視覺識別效果。然而，當(dāng)光源照射強(qiáng)度繼續(xù)增至220klux及以上時，識別率并未繼續(xù)提高，反而出現(xiàn)了過曝現(xiàn)象，導(dǎo)致識別率下降，甚至無法正常識別。

基于不同光源照射強(qiáng)度的藍(lán)色背景視覺識別效果對比見表2。

對藍(lán)色背景來說，光源照射強(qiáng)度的變化對視覺識別率具有顯著影響。隨著光源照射強(qiáng)度增加，即從200klux增至220klux，視覺識別率從40%提升至75%，表明適當(dāng)提高光源強(qiáng)度能夠減少成像干擾（特別是過暗區(qū)域），從而提高識別系統(tǒng)的性能。然而，當(dāng)光源照射強(qiáng)度進(jìn)一步增至230klux及以上時，識別率開始下降，成像干擾轉(zhuǎn)變?yōu)檫^亮或過曝，導(dǎo)致識別系統(tǒng)難以準(zhǔn)確捕捉目標(biāo)信息。因此，選擇光源照射強(qiáng)度時需要找到一個平衡點(diǎn)，以確保最佳的視覺識別效果。

基于不同光源照射強(qiáng)度的藍(lán)色背景視覺識別效果對比見表3。

當(dāng)光源照射強(qiáng)度從200klux增至220klux時，成像中的過暗區(qū)域顯著減少，從40%降至5%，同時視覺識別率也從40%大幅提升至75%。表明適當(dāng)提高光源強(qiáng)度能夠有效減少成像干擾，顯著提高視覺識別系統(tǒng)的性能。然而，隨著光源強(qiáng)度繼續(xù)增至230klux及以上，盡管識別率仍保持在較高水平（70%），但成像中開始出現(xiàn)略亮區(qū)域，并在240klux和250klux分別出現(xiàn)過亮和過曝現(xiàn)象，導(dǎo)致識別率降至57%和50%。因此可以得出結(jié)論，在藍(lán)色背景下進(jìn)行視覺識別時，選擇適中的光源照射強(qiáng)度至關(guān)重要，以確保最佳識別效果和成像質(zhì)量。

基于不同光源照射強(qiáng)度的黑色背景視覺識別效果對比見表4。

當(dāng)光源照射強(qiáng)度較低時（200klux～220klux），由于成像中存在大面積的過暗區(qū)域，因此導(dǎo)致視覺識別系統(tǒng)無法有效識別目標(biāo)，視覺識別率極低甚至無法識別。然而，隨著光源照射強(qiáng)度增加，從230klux開始，成像中的過暗區(qū)域顯著減少，略亮區(qū)域逐漸增加，視覺識別率也顯著提升。在240klux，視覺識別率達(dá)到最高，為98.9%，表明適當(dāng)提高光源強(qiáng)度對于提升黑色背景下的視覺識別效果至關(guān)重要。盡管在250klux識別率略有下降，但整體仍保持在較高水平。因此可以得出結(jié)論，在黑色背景下進(jìn)行視覺識別時，選擇合適的光源照射強(qiáng)度是確保高識別率的關(guān)鍵。

6 結(jié)論

甘油噴嘴視覺檢測系統(tǒng)的檢測效果與相機(jī)安裝位置、補(bǔ)光光源安裝位置和玻璃視窗物理除霧效果直接相關(guān)，相機(jī)安裝位置決定相機(jī)拍攝角度，補(bǔ)光光源安裝位置和玻璃視窗物理除霧效果決定成像清晰度。

甘油噴嘴視覺檢測系統(tǒng)提供信號，并由剔除系統(tǒng)的控制模塊經(jīng)運(yùn)算確定異常濾棒位置并進(jìn)行剔除，缺陷濾棒剔除準(zhǔn)確性與剔除系統(tǒng)算法密切相關(guān)。

甘油噴嘴視覺檢測系統(tǒng)適用于成型濾棒施加膠線的檢測剔除，在實際運(yùn)用中需要根據(jù)濾棒成型車速、檢測模塊與剔除模塊位置設(shè)置系統(tǒng)算法，以進(jìn)行視覺檢測和缺陷剔除。

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