高速小包香煙外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前煙草行業(yè)高速小包香煙外觀檢測(cè)裝置誤檢率高、穩(wěn)定性差、操作界面繁瑣等問題，設(shè)計(jì)了一種新型的小包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，其次對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并通過對(duì)圖像進(jìn)行多種算法綜合處理，有效定位追蹤和識(shí)別香煙外觀質(zhì)量缺陷，最后進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性強(qiáng)，檢測(cè)精度高，適用性強(qiáng)，易于安裝維護(hù)。

關(guān)鍵詞：高速；香煙；外觀檢測(cè)；圖像處理；精度

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

現(xiàn)代化卷煙生產(chǎn)中，卷包機(jī)的生產(chǎn)速度已達(dá)900-1000包/分鐘，如此高的速度，已經(jīng)無法通過人工來檢驗(yàn)小包香煙外觀包裝質(zhì)量。隨著卷煙市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，用戶和煙廠對(duì)香煙的外觀包裝質(zhì)量要求越來越高，為防止壞包流入市場(chǎng)，造成不良影響，需要為卷包機(jī)安裝高速小包香煙外觀質(zhì)量檢測(cè)裝置。

小包香煙外觀質(zhì)量檢測(cè)主要對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的外觀破損、品牌圖案缺失、表面污漬、鋁箔紙外露等缺陷進(jìn)行檢測(cè)。過去主要是通過人工抽檢，精度和效率難以保證，漏檢可能性極大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和硬件系統(tǒng)的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺系統(tǒng)日益完善，能夠完成的檢測(cè)任務(wù)越來越復(fù)雜，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，如工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等[1]。

目前，應(yīng)用成像原理對(duì)小包外觀質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的產(chǎn)品，在各個(gè)煙廠應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，但這些產(chǎn)品多半是利用國(guó)外已有的智能圖像傳感器進(jìn)行集成的，界面不夠友好，操作較為繁瑣，用戶很難上手；由于智能圖像傳感器并非專門針對(duì)小包外觀檢測(cè)而設(shè)計(jì)，所以很多處理對(duì)象需要繁瑣的參數(shù)設(shè)置，同時(shí)，系統(tǒng)誤檢率高、穩(wěn)定性差[2]。

本文以機(jī)器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、光學(xué)、傳感器等技術(shù)，對(duì)高速小包香煙外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開深入地研究。通過研制該檢測(cè)系統(tǒng)，提高小包香煙外觀質(zhì)量檢測(cè)的精度和可靠性，使其能夠推廣應(yīng)用到生產(chǎn)之中，以提高香煙產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于機(jī)器視覺原理，當(dāng)小包到達(dá)檢測(cè)位光纖傳感器時(shí)，IO控制板收到香煙到位信號(hào)后，一方面控制光源進(jìn)行頻閃，另外一方面將曝光信號(hào)發(fā)給CCD工業(yè)相機(jī)，CCD工業(yè)相機(jī)接到曝光信號(hào)后立即啟動(dòng)進(jìn)行拍照。工控機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理以及運(yùn)算，判斷該小包是否有包裝質(zhì)量問題，如有問題，則通過RS232串口通知IO控制板，IO控制板程序?qū)?huì)對(duì)該小包進(jìn)行標(biāo)記。小包到達(dá)剔除位光纖傳感器時(shí)，IO控制板將收到小包到位信號(hào)，然后查看程序是否有剔除標(biāo)記，如果有，則啟動(dòng)電磁閥，控制電磁閥將小包吹出流水線，若無剔除標(biāo)記，則順利通過。觸摸液晶屏實(shí)時(shí)顯示小包外觀檢測(cè)狀態(tài)。圖1為高速小包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集模塊

系統(tǒng)采用彩色高分辨率工業(yè)CCD相機(jī)，該CCD使用千兆以太網(wǎng)接口，現(xiàn)場(chǎng)需要檢測(cè)煙包的2個(gè)側(cè)面，所以需要兩臺(tái)相機(jī)。由于小包在皮帶上高速運(yùn)動(dòng)，采用常規(guī)相機(jī)拍照會(huì)產(chǎn)生大量的殘影，所以相機(jī)必須采用超高速曝光技術(shù)，相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)定為0.1毫秒，從而獲得高質(zhì)量、高清晰度的數(shù)字運(yùn)動(dòng)圖像。

對(duì)于光電檢測(cè)設(shè)備，光源無疑是非常重要的。由于小包在皮帶機(jī)上高速運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)行高速曝光，對(duì)光源提出了更高的要求，本系統(tǒng)采用日本NICHIALED光源，該光源具有亮度高、穩(wěn)定性高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可以使圖像質(zhì)量保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，不需要經(jīng)常調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，還添加了光源控制器，如果光源強(qiáng)度由于某些原因發(fā)生了變化，系統(tǒng)軟件能夠調(diào)節(jié)LED光源的發(fā)光強(qiáng)度，使之達(dá)到清晰拍照的要求[4]。圖2為日本NICHIA LED光源。

2組LED光源采用多角度無影燈方式照明，消除了角落陰影以及隨機(jī)反光現(xiàn)象，避免檢測(cè)死角的出現(xiàn)，使每一個(gè)檢測(cè)面都清晰可見，可對(duì)各種包裝材質(zhì)的小包進(jìn)行有效檢測(cè)，包括反光塑面包裝、整體鐳射包裝紙等。

光源工作在頻閃狀態(tài)，可以有效降低工作溫度，提高光源的穩(wěn)定性以及壽命。由于采用了2只LED光源，光源的布置呈逆光狀態(tài)，如果同時(shí)發(fā)光會(huì)相互影響，大大降低圖象質(zhì)量。因此，該系統(tǒng)采用了分組曝光技術(shù)，徹底解決了LED光源之間的相互干擾。

如圖3所示，A、B均為L(zhǎng)ED光源，分別位于條煙的兩個(gè)端部，CCD1檢測(cè)左端部的包裝質(zhì)量，CCD2檢測(cè)右端部的包裝質(zhì)量。采用分組曝光技術(shù)，A光源先曝光，同時(shí)CCD1工作；隔1毫秒之后，B光源曝光，CCD2工作。光源之間不會(huì)造成干擾，提高了圖像質(zhì)量。

2.2 信號(hào)處理模塊

對(duì)射式檢測(cè)光纖放大器固定在煙包檢測(cè)位置上，當(dāng)煙包經(jīng)過時(shí)，傳感器發(fā)送信號(hào)給IO控制板，啟動(dòng)CCD相機(jī)進(jìn)行圖像捕捉，并開始進(jìn)行圖像處理。

高壓氣體噴氣控制裝置用來將有包裝缺陷的小包從流水線上剔除。

反射式光電管傳感器固定在小包剔除位置上，當(dāng)有包裝缺陷的小包經(jīng)過時(shí)，該傳感器發(fā)送信號(hào)給IO控制板，IO控制板將啟動(dòng)高速氣閥，將小包迅速推出流水線。

IO控制板控制系統(tǒng)中所有的IO點(diǎn)，并通過RS232接口和上位機(jī)進(jìn)行通訊。

二塊高性能千兆以太網(wǎng)網(wǎng)卡插在工控機(jī)的PCI槽內(nèi)，將圖像通過PCI總線傳遞給工控機(jī)的內(nèi)存，以供CPU進(jìn)行圖像處理[5]。

2.3 圖像處理顯示模塊

觸摸式液晶屏實(shí)時(shí)顯示小包外觀檢測(cè)狀態(tài)、班次、缺陷數(shù)目等信息。

軟件運(yùn)行在高性能MGVC視覺控制器上，作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦，需要很高的處理速度。相機(jī)采集圖片直接由千兆以太網(wǎng)傳送給控制器，以供CPU進(jìn)行圖像處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由德國(guó)MVtec公司開發(fā)的Halcon，作為一套完善、標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺算法包，擁有應(yīng)用廣泛的機(jī)器視覺集成開發(fā)環(huán)境。內(nèi)涵1000多個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，外加底層的數(shù)據(jù)管理核心，縮短了軟件開發(fā)周期，節(jié)約了產(chǎn)品成本[6]。具有快速、精確、魯棒、全面等特性。

Halcon支持Windows、Linux和Mac OS X等操作系統(tǒng)環(huán)境。函數(shù)庫(kù)經(jīng)編寫調(diào)試無誤以后，可以導(dǎo)出為C、C#、C++、Visual basic和Delphi等多種編程語言。同時(shí)可以為大量的圖像獲取設(shè)備提供接口，保證硬件的獨(dú)立性，也為百余種工業(yè)相機(jī)和圖像采集卡提供接口，例如GenlCam、GigE和IIDC 1394等[7]。

3.1 模板匹配定位

小包要在軌道上快速運(yùn)動(dòng)，限位裝置不能夾緊，所以小包在運(yùn)動(dòng)過程中有一定的抖動(dòng)，圖像中小包的位置也會(huì)有一定移動(dòng)，為了保證各檢測(cè)工具檢測(cè)位置的準(zhǔn)確性，在煙包圖像上選取一個(gè)典型的圖案作為模板，用模板匹配定位確定小包圖像檢測(cè)點(diǎn)的位置[8]。

模板匹配定位為其他檢測(cè)工具重新標(biāo)定位置。如果由于機(jī)械原因，圖像晃動(dòng)很大，其他圖像對(duì)象的檢測(cè)位置必須隨著煙包圖像位置的變化而變化，從而避免誤檢。圖案檢測(cè)對(duì)象找到目標(biāo)圖案后，會(huì)和原來圖案的位置進(jìn)行比較，確定煙包圖像的位移幅度，從而將其他圖像對(duì)象的檢測(cè)位置進(jìn)行跟隨調(diào)整。

3.2 顏色檢測(cè)

顏色檢測(cè)主要用來檢測(cè)煙包包裝時(shí)出現(xiàn)的內(nèi)襯、外翻以及污點(diǎn)等缺陷。一般情況下，包裝內(nèi)襯、外翻主要發(fā)生在煙包的邊角上，并且這些錯(cuò)誤在圖像上表現(xiàn)為顏色均值以及方差的劇烈變化。

顏色檢測(cè)時(shí)，虛線框限定了對(duì)象的處理范圍，通過計(jì)算虛框范圍內(nèi)圖像色度實(shí)際的均值和方差，用實(shí)際均值、方差值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從而判斷是否發(fā)生包裝質(zhì)量問題。

3.3檢測(cè)設(shè)置

由于小包的運(yùn)行速度很快，約為950包/分鐘，這就意味著每包煙的軟件處理時(shí)間最多為35000us，因此要求檢測(cè)時(shí)間低于35000us，保險(xiǎn)起見設(shè)置低于30000us。

由于模板匹配耗時(shí)很大，所以在設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，模板匹配工具的區(qū)域范圍不宜過大，同時(shí)，顏色檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量不宜過多，防止檢測(cè)超時(shí)，造成漏檢。根據(jù)圖像檢測(cè)內(nèi)容的需求，選擇合適的形狀，可以使檢測(cè)參數(shù)更精確。

3.4 系統(tǒng)界面

本系統(tǒng)人機(jī)界面簡(jiǎn)潔、友好，程序啟動(dòng)后，系統(tǒng)界面如圖4所示，分為四大功能區(qū)域。

功能面板包含系統(tǒng)所有操作功能，日常維護(hù)工作使用“主菜單”下的“牌號(hào)管理”、“圖像記錄”、“工作信息”、“設(shè)備參數(shù)”、“界面參數(shù)”按鍵即可完成。

圖像顯示區(qū)在系統(tǒng)工作時(shí)，顯示輸送線上小包的實(shí)時(shí)圖像，以及系統(tǒng)對(duì)各個(gè)圖像對(duì)象處理識(shí)別后的結(jié)果，共有2個(gè)窗口，分別顯示2個(gè)相機(jī)從不同角度捕獲到的煙包圖像，每個(gè)窗口均可最大化，方便細(xì)致觀察各煙包圖像的缺陷情況。

圖像對(duì)象面板用于管理和配置圖像處理的各種對(duì)象，完成軟件核心的圖像識(shí)別功能。上述模板匹配、顏色檢測(cè)工具即在此處。

運(yùn)行信息面板顯示當(dāng)前批次的運(yùn)行信息以及各類計(jì)數(shù)。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與設(shè)備安裝

4.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

啟動(dòng)檢測(cè)功能之前，首先進(jìn)行系統(tǒng)配置。系統(tǒng)對(duì)煙包缺陷檢測(cè)效果的好壞，取決于CCD曝光時(shí)間調(diào)節(jié)和圖像處理對(duì)象的選取和配置。由于不同牌號(hào)的煙包印刷圖樣以及顏色、位置都有區(qū)別，所以針對(duì)不同的牌號(hào)，系統(tǒng)必須為其配置不同的參數(shù)。參數(shù)設(shè)置完成以后，即可進(jìn)行檢測(cè)。圖5為系統(tǒng)檢測(cè)流程。

系統(tǒng)可對(duì)8種缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)采集的圖像采用多種算法綜合處理，檢測(cè)準(zhǔn)確度與精度非常優(yōu)秀，對(duì)于爛包、錯(cuò)牌號(hào)之類的嚴(yán)重缺陷，可以做到100%的剔除，檢測(cè)速度可達(dá)900包/分鐘以上。表1為系統(tǒng)可檢測(cè)缺陷種類與指標(biāo)，表2為系統(tǒng)檢測(cè)精度。

4.2設(shè)備安裝

整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，視頻系統(tǒng)與電控系統(tǒng)整合在一個(gè)主機(jī)柜內(nèi)，使得體積大大減小，檢測(cè)箱安裝在跑道上方，幾乎不占用操作空間，易于維護(hù)，全鋁合金外殼，精致美觀。圖6為設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝圖。

5 總結(jié)

該高速小包外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)基于機(jī)器視覺原理，選用穩(wěn)定的LED光源及高速曝光相機(jī)，獲得清晰的高速運(yùn)動(dòng)煙包圖像，通過對(duì)圖像進(jìn)行多種算法綜合處理，有效定位追蹤并識(shí)別香煙外觀質(zhì)量缺陷，檢測(cè)精度可達(dá)99%以上，檢測(cè)速度可達(dá)到900包/分鐘以上，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品檢測(cè)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和缺陷小包剔除功能。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性高，適用性強(qiáng)，易于安裝維護(hù)。

Design of a high-speed cigarette case surface inspection system

LIN Chunrong

（Jiangxi Tobacco Industry Co.， Ltd. Ganzhou Cigarette Factory， Ganzhou341000， China）

Abstract：In order to solve the problems that the high-speed cigarette case surface inspection systems have a high false detection rate， poor stability， complicated operation interface and so on， which now exist in tobacco industry， it designs a new cigarette case surface inspection system. First of all， it carried on the overall system design， and then， selected the hardware equipment needed for the system. In addition， the appearance quality defect of cigarette cases could be identified and tracked by means of various algorithms for image processing. The last was to verify the reliability of online real time detection. It proves that the system is not only appropriate and user-friendly but also stable and easy to maintain.

Keywords：high-speed， cigarette， appearance detection， image processing， accuracy

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作者簡(jiǎn)介：林春榮（1974—），男，江西興國(guó)人，江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司贛州卷煙廠助理工程師，主要從事設(shè)備管理及在線檢測(cè)設(shè)備的管理維護(hù)工作.