機(jī)器視覺技術(shù)在卷煙紙剩余量控制中的運(yùn)用

鄧春寧

(龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司 福建 龍巖 364021)

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機(jī)器視覺技術(shù)在卷煙紙剩余量控制中的運(yùn)用

鄧春寧

(龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司 福建 龍巖 364021)

摘要：為解決卷煙機(jī)自動(dòng)搭接過程中卷煙紙剩余量過大的問題，利用機(jī)器視覺檢測技術(shù)對生產(chǎn)過程中的卷煙紙剩余量進(jìn)行精確測量，在最小剩余量的情況下啟動(dòng)卷接紙的自動(dòng)搭接程序，有效降低了卷煙紙的消耗，可推廣到卷煙生產(chǎn)過程中所有卷筒類的輔料自動(dòng)搭接控制過程中。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；檢測技術(shù)；卷煙紙；自動(dòng)搭接；剩余量控制

0引言

在卷煙生產(chǎn)過程中卷煙紙(俗稱盤紙)是使用量最大的輔材之一，所有卷煙機(jī)均配備自動(dòng)搭接系統(tǒng)[1]。當(dāng)系統(tǒng)檢測到卷煙紙剩余量不足時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)搭接程序，實(shí)現(xiàn)卷煙紙的自動(dòng)搭接和切換工作。現(xiàn)有卷煙機(jī)的卷煙紙自動(dòng)搭接系統(tǒng)存在卷煙紙自動(dòng)搭接后剩余量過大的問題。為此通過機(jī)器視覺技術(shù)[2]對卷煙紙的自動(dòng)搭接系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，從而節(jié)約卷煙紙的使用量，減少浪費(fèi)。

1存在問題

在生產(chǎn)過程中，當(dāng)一盤卷煙紙用完時(shí)，卷煙機(jī)的卷煙紙自動(dòng)搭接系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到另一盤新的卷煙紙上，切換過程卷煙機(jī)是在不停機(jī)的情況下完成的。

現(xiàn)有卷煙紙自動(dòng)搭接系統(tǒng)判斷卷煙紙剩余量不足的原理如圖1所示。兩盤卷煙紙分別裝在左紙盤輪2和右紙盤輪3上，在紙盤輪外邊緣安裝有等距的齒狀柵格4，卷煙紙每使用一圈，接近開關(guān)1會(huì)產(chǎn)生固定數(shù)量的脈沖，在控制系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)脈沖總數(shù)，相應(yīng)就能換算成卷煙紙轉(zhuǎn)動(dòng)的總?cè)?shù)，等卷煙紙紙盤輪轉(zhuǎn)完設(shè)定的圈數(shù)，裝置就啟動(dòng)搭接程序，實(shí)現(xiàn)卷煙紙?jiān)趦蓚€(gè)紙盤輪間的自動(dòng)搭接[3]。

1—接近開關(guān)；2—左紙盤輪；3—右紙盤輪；4—齒狀柵格圖1　原機(jī)卷煙紙剩余量檢測原理圖

由于卷煙紙是按質(zhì)量進(jìn)行采購和控制的，對每盤卷煙紙的總長沒有嚴(yán)格控制，而且卷煙紙紙芯的直徑也會(huì)有波動(dòng)，因此每盤卷煙紙的總?cè)?shù)是不一樣的。當(dāng)卷煙紙紙芯直徑相差1mm時(shí)，卷煙紙相差1÷2÷0.038≈13.16圈，卷煙紙長度相差13.16×3.14×130=5.37m。可見卷煙紙紙芯直徑對卷煙紙的總?cè)?shù)及長度影響很大，當(dāng)設(shè)定固定的圈數(shù)，紙芯直徑大的那盤卷煙紙很可能未達(dá)到設(shè)定的圈數(shù)，卷煙紙已經(jīng)用完，這時(shí)就會(huì)因?yàn)閿嗉堅(jiān)斐赏C(jī)故障，從而必須采取手工塔接，不僅浪費(fèi)更多的卷煙紙，而且會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行效率。所以正常情況下，操作工都會(huì)將轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定圈數(shù)設(shè)置得較小，從而避免出現(xiàn)卷煙紙斷紙故障，但這樣每次卷煙紙?jiān)谑Ｓ嗪芏鄷r(shí)就被廢棄，一般都把剩余量設(shè)置在10m以上，導(dǎo)致卷煙紙的極大浪費(fèi)。

2改進(jìn)方法

分析卷煙紙自動(dòng)搭接系統(tǒng)存在的問題，可見造成卷煙紙浪費(fèi)的主要原因在于自動(dòng)搭接系統(tǒng)無法準(zhǔn)確測量使用過程中卷煙紙的剩余量，因此可以利用機(jī)器視覺技術(shù)精確測量出使用過程中的卷煙紙剩余量，作為控制卷煙紙自動(dòng)搭接的啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)，從而減少卷煙紙的浪費(fèi)。

2.1　技術(shù)原理

改進(jìn)后的卷煙紙剩余量檢測裝置通過一臺USB內(nèi)窺鏡獲取連續(xù)拍攝的圖像，USB內(nèi)窺鏡通過支架固定在卷煙紙的正面，對準(zhǔn)卷煙紙與紙芯的聯(lián)接部位，在連續(xù)拍攝模式下不斷采集圖像，并把拍攝的圖像傳輸給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)獲取了卷煙機(jī)好煙運(yùn)行信號的情況下，計(jì)算出卷煙紙的剩余厚度，通過預(yù)先了解輔料的單層厚度就能確定輔料的剩余圈數(shù)。當(dāng)輔料的剩余圈數(shù)小于預(yù)設(shè)值時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出自動(dòng)搭接命令給卷煙機(jī)，讓卷煙機(jī)啟動(dòng)卷煙紙的自動(dòng)搭接程序，進(jìn)行卷煙紙的自動(dòng)切換。采取這種卷煙紙剩余量檢測和自動(dòng)搭接控制方式，就可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)定適合卷煙紙平穩(wěn)運(yùn)行的最小搭接剩余圈數(shù)，從而最大限度地節(jié)約卷煙紙。

2.2　技術(shù)實(shí)現(xiàn)

機(jī)器視覺卷煙紙剩余量檢測裝置的安裝如圖2所示。該裝置通過支架1將USB內(nèi)窺鏡2正對著安裝在紙盤輪3上的卷煙紙的內(nèi)邊緣，即紙芯4與卷煙紙5的接觸部位。卷煙機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，剩余量檢測裝置從卷煙機(jī)上獲取好煙運(yùn)行信號并開始從USB內(nèi)窺鏡獲取采集的圖像信號，圖像信號通過USB連接線傳送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對圖像進(jìn)行智能分析處理。計(jì)算出卷煙紙的剩余厚度并換算成卷煙紙的剩余圈數(shù)，當(dāng)卷煙紙剩余圈數(shù)小于設(shè)定圈數(shù)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出自動(dòng)搭接命令并傳輸給卷煙機(jī)，卷煙機(jī)啟動(dòng)自動(dòng)搭接程序，實(shí)現(xiàn)卷煙紙的自動(dòng)搭接和切換工作。圖3所示為機(jī)器視覺卷煙紙剩余量檢測裝置在現(xiàn)場安裝使用情況。

1—支架； 2—USB內(nèi)窺鏡；3—紙盤輪；4—紙芯；5—卷煙紙圖2　卷煙紙剩余量檢測裝置安裝示意圖

圖3　卷煙紙剩余量檢測裝置安裝效果圖

為穩(wěn)定地采集圖像，選擇可靠的USB內(nèi)窺鏡相機(jī)，其參數(shù)要求為：分辨率為640×480，幀率不低于30fps，視角范圍54°。通過繪制光路圖，每個(gè)像素能拍到的大小為0.026×0.026mm，一層卷煙紙的厚度約為0.038mm[4]，這樣一層盤紙需要1.5像素，達(dá)到需要的檢測精度。

要準(zhǔn)確計(jì)算出卷煙紙的剩余量，最重要的是選擇快速、穩(wěn)定的圖像檢測算法。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，盤紙與卷軸的顏色是不同的，盤紙一般是白色的，卷軸有的是酒紅色。有的是淺綠色，盤紙與卷軸之間存在較大的顏色差異，為了減少算法的運(yùn)算時(shí)間，選定一個(gè)較小的區(qū)域作為檢測區(qū)域，采用基于64維特征的盤紙邊緣辨別算法[5]，將色彩分布特征、領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)特征、邊緣分布特征和空間聚類特征有機(jī)結(jié)合起來，形成一個(gè)特征矢量，精確可靠的定位盤紙與卷軸的邊界線，擬合出其邊緣(為一個(gè)橢圓)。

對擬合出的邊緣上的每個(gè)點(diǎn)計(jì)算其領(lǐng)域的加權(quán)平均梯度方向，沿這個(gè)梯度方向以一定的寬度向外尋找盤紙的外邊緣(如圖4所示)。盤紙相對于背景也應(yīng)該有較大的灰度差異，因此可以對邊緣圖像在梯度方向上進(jìn)行投影，投影的極大值即為盤紙外邊界。外邊界到分界線的距離即為該方向上的盤紙厚度。如果盤紙還很厚，盤紙邊緣超出了相機(jī)的視角范圍，外邊界在檢測區(qū)域之外，這個(gè)時(shí)候?qū)ふ业耐队皹O大值相對很小，因此將分界線到檢測區(qū)域邊界的距離作為盤紙厚度。

圖4　圖像檢測算法搜索方向示意圖

對于分界線上的每一個(gè)點(diǎn)都可以計(jì)算一個(gè)方向上的盤紙厚度。為了進(jìn)一步加強(qiáng)算法的穩(wěn)定性，可以對相機(jī)視野內(nèi)所有方向上盤紙的厚度取平均值作為最終結(jié)果。

圖5所示的兩條直線為實(shí)際的檢測效果卷煙紙的內(nèi)、外邊緣，這兩條直線的距離可換算成盤紙剩余的圈數(shù)。

圖5　圖像信號檢測效果圖

為保證卷煙紙剩余量檢測裝置獨(dú)立于煙機(jī)運(yùn)行，采用與卷煙機(jī)臺并行接線、分時(shí)控制的方式，如圖6所示。當(dāng)卷煙紙剩余量檢測裝置工作時(shí)，繼電器K1通電，常閉觸點(diǎn)斷開，切斷卷煙機(jī)臺的換紙信號，常開觸點(diǎn)閉合，卷煙紙剩余量檢測裝置控制發(fā)送切紙信號；當(dāng)卷煙紙剩余量檢測裝置由于某種原因處于故障時(shí)，繼電器K1斷電，常閉觸點(diǎn)閉合，常開觸點(diǎn)斷開，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為卷煙機(jī)臺的換紙。

圖6　切紙信號接線圖

3應(yīng)用效果

改進(jìn)后的卷煙紙自動(dòng)搭接系統(tǒng)采用機(jī)器視覺技術(shù)判斷卷煙紙的剩余量，擺脫了對卷煙紙紙芯直徑、卷煙紙圈數(shù)等不確定參數(shù)的依賴性，能夠最大限度地降低卷煙紙的消耗，同時(shí)本技術(shù)能夠有效地運(yùn)用到接裝紙、成型紙等所有卷煙生產(chǎn)過程中用到的卷筒類輔料的自動(dòng)搭接系統(tǒng)中，具有較大的推廣價(jià)值。

表1是改進(jìn)前后同一臺卷煙機(jī)卷煙紙剩余量的比較數(shù)據(jù)。經(jīng)過改進(jìn)的#21機(jī)組卷煙紙剩余量平均值最小為3.6m，最大為4.38m，總平均值為3.94m，而未經(jīng)過改進(jìn)前機(jī)組卷煙紙剩余量平均值最小為13.38m，最大為17.01m，總平均值為14.83m，改進(jìn)效果明顯。

表1　自動(dòng)搭接系統(tǒng)改進(jìn)前后卷煙紙剩余量比較數(shù)據(jù)

4結(jié)語

采用機(jī)器視覺檢測技術(shù)可精確測量卷煙紙的剩余圈數(shù)，通過實(shí)際運(yùn)行比較，發(fā)現(xiàn)檢測精度誤差在1圈左右，每盤卷煙紙能節(jié)省10m左右，效果明顯。且該設(shè)備獨(dú)立于煙機(jī)的控制系統(tǒng)，不會(huì)對煙機(jī)產(chǎn)生額外的影響，當(dāng)該設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，煙機(jī)自帶的換紙系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，不會(huì)影響正常生產(chǎn)。

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Applioation of Machine Vision Technology in Control of Cigarette Paper Remnant

DENG Chun-ning

(Device management Dept , Longyan Tobacco Industrial Co.,Ltd., Longyan 364021, China)

Abstract:To solve the problem of excessive cigarette paper during the process of cigarette machine automatic splice, the machine vision technology is used to accurately measure the cigarette paper remnant during the production. The automatic splice program is started in the case of the minimum remaining amount to effectively reduce the consumption of cigarette paper. It can be applied to all roll class materials automatic splice systems of cigarette manufacturing.

Keywords:machine vision; inspection technology; cigarette paper; automatic splice; paper remnant control

收稿日期：2013-06-12

中圖分類號：TP274+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)01-0214-03

作者簡介：鄧春寧(1974-)，男，福建龍巖人，高級工程師，碩士，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備、自動(dòng)控制工程及在線檢測設(shè)備的管理維護(hù)。