復(fù)合型煙支檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　顧昌鈴

　　（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，上海 201206）

　　摘要：設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)和光電檢測(cè)相結(jié)合煙支檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)將相機(jī)采集的圖像信息和光電傳感器掃描得到的電壓信號(hào)送入控制器進(jìn)行合并處理分析，最終識(shí)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(cè)技術(shù)結(jié)合在一起，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用在煙草包裝機(jī)上。

　　關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；光電檢測(cè)；空頭；缺支

　　0 引言在卷煙加工生產(chǎn)的過(guò)程中，煙支的好壞直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量，從卷接機(jī)輸送到包裝線的煙支因?yàn)榉N種原因會(huì)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(cè)裝置，用于檢測(cè)煙包內(nèi)單個(gè)煙支的裝填情況（空頭檢測(cè)），以及整個(gè)煙包的完整性（缺支、缺嘴檢測(cè)等），并對(duì)存在缺陷的煙包向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號(hào)。

　　ZB25/ZB45系列中速包裝機(jī)組是國(guó)內(nèi)煙廠的主流機(jī)型，約有2000臺(tái)機(jī)器在使用。目前，該包裝機(jī)組上使用最多是光電式煙支檢測(cè)器，還有一些近幾年推出的機(jī)器視覺(jué)式檢測(cè)器以及少量傳統(tǒng)的機(jī)械接觸式檢測(cè)器。

　　光電式煙支檢測(cè)器投入市場(chǎng)較早，早期產(chǎn)品已使用超過(guò)十年，存在系統(tǒng)老化、可靠性下降等風(fēng)險(xiǎn)，且在細(xì)支煙檢測(cè)、人機(jī)交互性上表現(xiàn)一般，同時(shí)國(guó)內(nèi)部分煙廠開(kāi)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(cè)器無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)；機(jī)器視覺(jué)式檢測(cè)器雖然解決了異型煙的檢測(cè)，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(jī)器視覺(jué)式各有優(yōu)勢(shì)而又都存在一些缺陷，我們將二者結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了新型的復(fù)合型煙支檢測(cè)系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)綜述

　　2.1　硬件

　　復(fù)合型煙支檢測(cè)系統(tǒng)采用機(jī)器視覺(jué)和光電檢測(cè)兩種技術(shù)相結(jié)合，對(duì)煙包中的缺支、缺嘴、反支以及空頭煙進(jìn)行檢測(cè)。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(cè)器的核心處理單元，包括人機(jī)界面和控制組件。其中人機(jī)界面由工控板和一個(gè)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(jī)軟件的運(yùn)行，采用的是COM-express模塊，該模塊采用統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)需要進(jìn)行系統(tǒng)硬件升級(jí)時(shí)，無(wú)需變動(dòng)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(kuò)展，主要包括接口板單片機(jī)、編碼器信號(hào)采集電路、USB數(shù)據(jù)采集接口、包裝機(jī)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(fù)責(zé)控制光源對(duì)煙支煙絲/濾嘴端面照明，通過(guò)圖像傳感器采集煙支煙絲/濾嘴端面圖像并進(jìn)行初步處理后傳送給控制器。光電采集組件負(fù)責(zé)控制光電管向煙支煙絲/濾嘴端面發(fā)射紅外光，通過(guò)模塊中單片機(jī)的ADC模塊采集經(jīng)反射產(chǎn)生的電壓信號(hào)并進(jìn)行初步處理后傳送給控制器。

　　2.2　軟件

　　本檢測(cè)系統(tǒng)軟件包括控制器上、下位機(jī)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(jī)軟件的功能主要包括圖像處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)整體控制和與人機(jī)交互，選用的操作系統(tǒng)為Windows 7，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010。上位機(jī)軟件從煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)相機(jī)接收采集到的圖像數(shù)據(jù)；通過(guò)圖像處理技術(shù)對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)合并，判斷當(dāng)前煙包是否存在空頭、缺支等缺陷。若檢測(cè)到缺陷則向接口板CPU發(fā)送命令，由接口板向包裝機(jī)組控制柜發(fā)送剔除信號(hào)，處理流程如圖2所示。

　　上位機(jī)同時(shí)通過(guò)顯示屏顯示系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)信息；通過(guò)觸摸屏響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置等操作。

　　控制器下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)軟件的命令，對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作。完成的功能主要包括：通過(guò)編碼器信號(hào)采集電路讀取編碼器的相位并傳送給上位機(jī)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(jìn)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(jī)軟件命令向包裝機(jī)組控制柜發(fā)送空頭、缺支等剔除信號(hào)。

　　光電控制軟件對(duì)下位機(jī)軟件發(fā)送的相位脈沖進(jìn)行識(shí)別，在相位掃描區(qū)間對(duì)煙絲和濾嘴端面進(jìn)行動(dòng)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(jì)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(jī)軟件。光電控制軟件使用Keil編程工具和C語(yǔ)言進(jìn)行編程。

　　3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)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(jì)：第一種為分體設(shè)計(jì)；第二種為一體化設(shè)計(jì)。

　　分體設(shè)計(jì)是將圖像采集模塊和光電采集模塊獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用兩個(gè)結(jié)構(gòu)殼體，好處是每個(gè)獨(dú)立模塊結(jié)構(gòu)上相對(duì)簡(jiǎn)單，并且二者不會(huì)相互干涉；壞處是分體式設(shè)計(jì)帶來(lái)的空間占用大，兩個(gè)模塊不能同時(shí)對(duì)一包煙進(jìn)行檢測(cè)，給現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試帶來(lái)不便。

　　一體化設(shè)計(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)整體，使兩種檢測(cè)方式共存于一個(gè)檢測(cè)工位，且兩個(gè)模塊內(nèi)部獨(dú)立運(yùn)行，并且分別采用標(biāo)準(zhǔn)的輸出接口，便于升級(jí)、替換，好處是結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試便捷，壞處是圖像采集模塊需要在煙支動(dòng)態(tài)中拍照，可能產(chǎn)生采集的圖像出現(xiàn)動(dòng)態(tài)模糊問(wèn)題。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，我們采用提高光源亮度、減小曝光時(shí)間、優(yōu)化圖像降噪處理等方法，可以很好的解決圖像動(dòng)態(tài)模糊的問(wèn)題，達(dá)到檢測(cè)要求。

　　通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集比較以及現(xiàn)場(chǎng)安裝等因素的綜合考慮，一體化設(shè)計(jì)雖然在動(dòng)態(tài)中拍照，但經(jīng)過(guò)處理可以達(dá)到使用要求，而現(xiàn)場(chǎng)安裝位置又緊張，因此決定采用一體化設(shè)計(jì)方案。如圖3所示為一體化設(shè)計(jì)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和現(xiàn)場(chǎng)安裝效果。

　　3.2　控制器上位機(jī)軟件

　　控制器上位機(jī)程序采用基于對(duì)話框的Windows應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)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(guò)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(guò)串口接受光電數(shù)據(jù)；分別對(duì)圖像和光電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷當(dāng)前煙包中是否存在空頭、缺支等缺陷；在檢測(cè)到缺陷時(shí)向接口板CPU發(fā)送命令，告知其在指定的相位向包裝機(jī)組控制柜發(fā)送剔除信號(hào)；通過(guò)顯示屏顯示系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)信息；通過(guò)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(jī)軟件開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，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(lán)三通道彩色圖像轉(zhuǎn)化為黑、白之間的過(guò)渡色組成的單通道圖像。顏色分離是將紅、綠、藍(lán)三通道彩色圖像分離成紅、綠、藍(lán)三種顏色的單通道圖像，也可以在HSV、Lab等其它顏色空間進(jìn)行分離。二值化是通過(guò)單個(gè)或多個(gè)分割閾值將圖像中的目標(biāo)和背景區(qū)域分離的過(guò)程。圖像的去噪即是圖像增強(qiáng)的一種，通過(guò)采用特定的方法，把CMOS成像過(guò)程中的雜質(zhì)過(guò)濾掉，以更便于后期的圖像處理。

　　控制器上位機(jī)程序功能分配表如表1所示。其具體的運(yùn)行過(guò)程如下：(1)開(kāi)始進(jìn)行軟件初始化，啟動(dòng)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(jī)發(fā)送初始化相機(jī)命令和基本設(shè)置命令，并查詢是否識(shí)別相機(jī)。

　　(2)軟件正常則進(jìn)入工作界面，開(kāi)始接收?qǐng)D像，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷當(dāng)前煙包中是否存在空頭、缺支等缺陷。

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

　　(4)綜合光電和視覺(jué)檢測(cè)結(jié)果，向下位機(jī)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)故障進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)。

　　(6)在軟件正常工作時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行規(guī)格、統(tǒng)計(jì)使能、相機(jī)參數(shù)、密碼等。

　　4 結(jié)論

　　復(fù)合型煙支檢測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)市場(chǎng)需求，從硬件到軟件完全自主開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，它將光電和視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合在一起，準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙包中缺支、缺嘴、反支以及空頭煙的檢測(cè)。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　顧昌鈴(1982-),男，江蘇邗江，工程師，學(xué)士，主要研究方向：自動(dòng)控制，智能制造

　　單位：上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司

　　通信地址：上海市浦東新區(qū)金港路1041號(hào)

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本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第66頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處