復(fù)合型煙支檢測系統(tǒng)設(shè)計

作者：顧昌鈴時間：2019-05-29 來源：電子產(chǎn)品世界

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　　顧昌鈴

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201905/401025.htm

　　（上海煙草機械有限責任公司，上海 201206）

　　摘要：設(shè)計了一種基于機器視覺和光電檢測相結(jié)合煙支檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)將相機采集的圖像信息和光電傳感器掃描得到的電壓信號送入控制器進行合并處理分析，最終識別出待檢煙包是否存在質(zhì)量缺陷。本系統(tǒng)突破的將兩種檢測技術(shù)結(jié)合在一起，優(yōu)勢互補，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用在煙草包裝機上。

　　關(guān)鍵詞：機器視覺；光電檢測；空頭；缺支

　　0 引言在卷煙加工生產(chǎn)的過程中，煙支的好壞直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量，從卷接機輸送到包裝線的煙支因為種種原因會有各種不合格品。為了保證最終煙包內(nèi)的煙支質(zhì)量，包裝線上需要安裝煙支檢測裝置，用于檢測煙包內(nèi)單個煙支的裝填情況（空頭檢測），以及整個煙包的完整性（缺支、缺嘴檢測等），并對存在缺陷的煙包向包裝機組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號。

　　ZB25/ZB45系列中速包裝機組是國內(nèi)煙廠的主流機型，約有2000臺機器在使用。目前，該包裝機組上使用最多是光電式煙支檢測器，還有一些近幾年推出的機器視覺式檢測器以及少量傳統(tǒng)的機械接觸式檢測器。

　　光電式煙支檢測器投入市場較早，早期產(chǎn)品已使用超過十年，存在系統(tǒng)老化、可靠性下降等風險，且在細支煙檢測、人機交互性上表現(xiàn)一般，同時國內(nèi)部分煙廠開始推廣濾嘴側(cè)具有各種圖案的異型煙，而光電式煙支檢測器無法對其進行有效檢測；機器視覺式檢測器雖然解決了異型煙的檢測，并基本杜絕了缺支、反支煙的漏剔，但由于煙絲側(cè)的空頭情況復(fù)雜多變以及松頭的存在，因此煙絲側(cè)還存在漏剔現(xiàn)象。

　　基于光電式和機器視覺式各有優(yōu)勢而又都存在一些缺陷，我們將二者結(jié)合起來，設(shè)計了新型的復(fù)合型煙支檢測系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)綜述

　　2.1　硬件

　　復(fù)合型煙支檢測系統(tǒng)采用機器視覺和光電檢測兩種技術(shù)相結(jié)合，對煙包中的缺支、缺嘴、反支以及空頭煙進行檢測。該系統(tǒng)主要由控制器和煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)圖像采集組件兩部分組成，其原理框圖如圖1所示。

　　控制器為檢測器的核心處理單元，包括人機界面和控制組件。其中人機界面由工控板和一個帶觸摸屏的彩色液晶屏組成，工控板用于操作系統(tǒng)及上位機軟件的運行，采用的是COM-express模塊，該模塊采用統(tǒng)一的行業(yè)標準，當需要進行系統(tǒng)硬件升級時，無需變動載板，只需更換COM-express模塊即可；控制組件用于工控板的外圍擴展，主要包括接口板單片機、編碼器信號采集電路、USB數(shù)據(jù)采集接口、包裝機組控制系統(tǒng)通訊接口、恒流源電路等。

　　煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)傳感器包括圖像采集模塊和光電采集模塊。圖像采集模塊負責控制光源對煙支煙絲/濾嘴端面照明，通過圖像傳感器采集煙支煙絲/濾嘴端面圖像并進行初步處理后傳送給控制器。光電采集組件負責控制光電管向煙支煙絲/濾嘴端面發(fā)射紅外光，通過模塊中單片機的ADC模塊采集經(jīng)反射產(chǎn)生的電壓信號并進行初步處理后傳送給控制器。

　　2.2　軟件

　　本檢測系統(tǒng)軟件包括控制器上、下位機軟件和煙絲、濾嘴傳感器內(nèi)的光電控制軟件。

　　控制器上位機軟件的功能主要包括圖像處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、系統(tǒng)整體控制和與人機交互，選用的操作系統(tǒng)為Windows 7，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010。上位機軟件從煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)相機接收采集到的圖像數(shù)據(jù)；通過圖像處理技術(shù)對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行處理，判斷是否存在空頭、缺支等缺陷，并與光電采集模塊采集的信息進行數(shù)據(jù)合并，判斷當前煙包是否存在空頭、缺支等缺陷。若檢測到缺陷則向接口板CPU發(fā)送命令，由接口板向包裝機組控制柜發(fā)送剔除信號，處理流程如圖2所示。

　　上位機同時通過顯示屏顯示系統(tǒng)運行的相關(guān)信息；通過觸摸屏響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置等操作。

　　控制器下位機軟件主要負責執(zhí)行上位機軟件的命令，對外圍設(shè)備進行相關(guān)操作。完成的功能主要包括：通過編碼器信號采集電路讀取編碼器的相位并傳送給上位機軟件；控制煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)組件中的圖像采集組件在指定相位進行圖像采集；向煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)光電采集模塊發(fā)送相位信息；根據(jù)上位機軟件命令向包裝機組控制柜發(fā)送空頭、缺支等剔除信號。

　　光電控制軟件對下位機軟件發(fā)送的相位脈沖進行識別，在相位掃描區(qū)間對煙絲和濾嘴端面進行動態(tài)掃描，得到各排煙支的電壓曲線；在各煙支相位區(qū)間內(nèi)計算得到各煙支煙絲/濾嘴的電壓最小值，并將該值及電壓曲線數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器上位機軟件。光電控制軟件使用Keil編程工具和C語言進行編程。

　　3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

　　3.1　煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)傳感器

　　煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)傳感器分別包括圖像采集模塊和光電采集模塊兩部分?？紤]兩種方案設(shè)計：第一種為分體設(shè)計；第二種為一體化設(shè)計。

　　分體設(shè)計是將圖像采集模塊和光電采集模塊獨立進行設(shè)計，采用兩個結(jié)構(gòu)殼體，好處是每個獨立模塊結(jié)構(gòu)上相對簡單，并且二者不會相互干涉；壞處是分體式設(shè)計帶來的空間占用大，兩個模塊不能同時對一包煙進行檢測，給現(xiàn)場安裝調(diào)試帶來不便。

　　一體化設(shè)計是將光電數(shù)據(jù)采集模塊和圖像數(shù)據(jù)采集模塊封裝成一個結(jié)構(gòu)整體，使兩種檢測方式共存于一個檢測工位，且兩個模塊內(nèi)部獨立運行，并且分別采用標準的輸出接口，便于升級、替換，好處是結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場安裝調(diào)試便捷，壞處是圖像采集模塊需要在煙支動態(tài)中拍照，可能產(chǎn)生采集的圖像出現(xiàn)動態(tài)模糊問題。經(jīng)過反復(fù)試驗，我們采用提高光源亮度、減小曝光時間、優(yōu)化圖像降噪處理等方法，可以很好的解決圖像動態(tài)模糊的問題，達到檢測要求。

　　通過對兩個方案的試驗數(shù)據(jù)采集比較以及現(xiàn)場安裝等因素的綜合考慮，一體化設(shè)計雖然在動態(tài)中拍照，但經(jīng)過處理可以達到使用要求，而現(xiàn)場安裝位置又緊張，因此決定采用一體化設(shè)計方案。如圖3所示為一體化設(shè)計傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和現(xiàn)場安裝效果。

　　3.2　控制器上位機軟件

　　控制器上位機程序采用基于對話框的Windows應(yīng)用程序設(shè)計，負責圖像和光電數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)的整體控制。其基本功能包括：通過控制組件接口板上的通訊接口與圖像采集組件通訊，從圖像采集組件接收采集到的圖像數(shù)據(jù)；通過串口接受光電數(shù)據(jù)；分別對圖像和光電數(shù)據(jù)進行處理，判斷當前煙包中是否存在空頭、缺支等缺陷；在檢測到缺陷時向接口板CPU發(fā)送命令，告知其在指定的相位向包裝機組控制柜發(fā)送剔除信號；通過顯示屏顯示系統(tǒng)運行的相關(guān)信息；通過觸摸屏響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置等操作。

　　圖像處理部分是上位機軟件開發(fā)的難點和重點，主要涉及到以下幾種處理方法：去噪、顏色分離、灰度化、二值化等?；叶然菍⒓t、綠、藍三通道彩色圖像轉(zhuǎn)化為黑、白之間的過渡色組成的單通道圖像。顏色分離是將紅、綠、藍三通道彩色圖像分離成紅、綠、藍三種顏色的單通道圖像，也可以在HSV、Lab等其它顏色空間進行分離。二值化是通過單個或多個分割閾值將圖像中的目標和背景區(qū)域分離的過程。圖像的去噪即是圖像增強的一種，通過采用特定的方法，把CMOS成像過程中的雜質(zhì)過濾掉，以更便于后期的圖像處理。

　　控制器上位機程序功能分配表如表1所示。其具體的運行過程如下：(1)開始進行軟件初始化，啟動軟件并讀取保存的配置文件，恢復(fù)之前的設(shè)置；向下位機發(fā)送初始化相機命令和基本設(shè)置命令，并查詢是否識別相機。

　　(2)軟件正常則進入工作界面，開始接收圖像，并對其進行數(shù)據(jù)處理，判斷當前煙包中是否存在空頭、缺支等缺陷。

　　(3)通過串口接受光電采集數(shù)據(jù)，并對其進行數(shù)據(jù)處理，判斷當前煙包中是否存在空頭、缺支等缺陷。

　　(4)綜合光電和視覺檢測結(jié)果，向下位機發(fā)送剔除命令和系統(tǒng)故障狀態(tài)。

　　(5)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會對故障進行信息統(tǒng)計。

　　(6)在軟件正常工作時，可以對其進行規(guī)格、統(tǒng)計使能、相機參數(shù)、密碼等。

　　4 結(jié)論

　　復(fù)合型煙支檢測系統(tǒng)是根據(jù)市場需求，從硬件到軟件完全自主開發(fā)的產(chǎn)品，它將光電和視覺檢測技術(shù)結(jié)合在一起，準確的實現(xiàn)了對煙包中缺支、缺嘴、反支以及空頭煙的檢測。

　　參考文獻

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