機器視覺系統(tǒng)在GDX2 包裝機內包檢測上的應用

孟慶濤

（河南中煙工業(yè)有限責任公司漯河卷煙廠，河南漯河 462000）

0 引言

隨著卷煙行業(yè)設備技術日益朝著自動化、高速化、連續(xù)化、精密化、柔性化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程的操作復雜度逐漸下降，而維護、維修的技術含量不斷上升[1]。為進一步提高設備綜合效率和降低設備生命周期費用，越來越多的卷煙廠選擇使用機器視覺檢測系統(tǒng)，以提高設備的可靠性，減少設備停機（總檢修）時間，降低運行檢修費用，改善設備性能，延長設備使用壽命，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。機器視覺系統(tǒng)是利用光電成像裝置采集被控目標的圖像，經(jīng)計算機或專用圖像處理模塊進行數(shù)字處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，進行尺寸、形狀、顏色的識別，將計算機的快速性、可重復性與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結合，大大提高了生產(chǎn)的柔性和自動化程度[2-3]。

由于視覺系統(tǒng)具有非接觸、速度快、精度合適等突出優(yōu)點，使器視覺技術得到了廣泛的應用，取得了巨大的經(jīng)濟與社會效益[4]。機器視覺系統(tǒng)在煙草行業(yè)主要應用于煙草雜物剔除、煙包或煙條外觀質量檢測、煙支外觀檢測、煙支鋼印檢測等方面[5-6]。趙眾等[7]改進了Sobel 算子法、通過Radon 變換判斷產(chǎn)品是否合格，并開發(fā)了由攝像頭、光纖傳感器、PLC、剔除裝置等組成的煙包封條缺陷檢測系統(tǒng)，結果表明改進后的系統(tǒng)可快速識別出煙包封條的歪斜、折角、缺失等現(xiàn)象。盡管卷煙包裝設備的檢測系統(tǒng)日趨完善，但與目前的工藝要求相比，仍存在一定缺陷，比如其內部包裝質量的檢測和監(jiān)控還不夠完善，從近年來市場質量反饋情況看，消費者的關注度正在從追求“外觀精美”向“內在質量”轉變。因此，針對卷煙內包質量檢測，將基恩士機器視覺系統(tǒng)應用于國內常用的GD 系列卷煙包裝機，對卷煙內包裝進行實時監(jiān)控及剔除，以期提高設備效能和產(chǎn)品質量。

1 基恩士機器視覺系統(tǒng)結構原理

1.1 系統(tǒng)結構

如圖1 所示，基恩士機器視覺系統(tǒng)主要由檢測組件、主控箱、觸摸顯示屏等組成。主控箱主要構成器件：CV-X150 圖像處理系統(tǒng)、KV1000 PLC 及其擴展單元、開關電源、固態(tài)繼電器、報警燈、風扇、VT3-X15D 觸摸屏、電源開關。檢測組件的主要構成器件：LED 照明裝置、CCD 照相機、攝像鏡頭、調整機構。

圖1 基恩士機器視覺系統(tǒng)主要組成部件

1.2 工作原理

該視覺系統(tǒng)采用CCD 相機對需要檢測的煙包面進行拍照，根據(jù)包裝機編碼器角度值觸發(fā)拍攝圖像，圖像處理單元CVX150 根據(jù)像素分布和亮度等信息，利用良品學習檢測瑕疵，用黑白面積檢測有無，利用辨別、區(qū)域像素值等算法，對煙包圖像進行分析，如果發(fā)現(xiàn)任何一個圖像參數(shù)超出預設范圍，視為存在表面質量缺陷，給出控制信號，使不合格煙包通過GD 卷煙包裝機8 輪時將其剔除；系統(tǒng)顯示器實時顯示圖像及其檢測結果，并給出統(tǒng)計數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組成及工作原理如圖2 所示。

2 應用效果

目前煙草行業(yè)內的主力硬盒包裝機GDX2（國產(chǎn)化型號ZB45）原機傳感器檢測功能不夠完善，僅對卷煙小盒內包裝內襯紙的偏移、缺失及內框紙殘缺三種類型缺陷進行檢測[9]。在實際生產(chǎn)過程中，因原輔材料、機械振動等非正常因素導致的內襯紙褶皺、破損、框架紙偏移等質量缺陷很難通過原機檢測進行檢出[10]。因此，針對卷煙小盒內包缺陷，將基恩士機器視覺系統(tǒng)應用于GD 卷煙包裝機，用于檢測卷煙小盒內包質量缺陷，并重點針對卷煙內襯紙及內框紙的各類缺陷狀態(tài)進行檢測及剔除。該項目以現(xiàn)場檢測方式進行試驗。

圖2 基恩士機器視覺系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 基恩士機器視覺系統(tǒng)在檢測卷煙內襯紙缺陷上的應用

該系統(tǒng)在檢測卷煙內襯紙上的應用主要集中在3 輪上，適用于內襯紙正、反面破損、嚴重皺褶、特殊產(chǎn)品的LOGO 檢測等。

針對內襯紙不同的質量缺陷，設定5 個不同的檢測窗口，通過注冊圖像，并對【檢測范圍】作調整，如果敏感度太高（把輕微不良判定不合格），可以把【判定條件】中的上限調高，或者把【濾波器】中的【二值化】的閥值【下限值】調高。反之，則相反。正確檢測內襯紙正、反面破損、嚴重皺褶、特殊產(chǎn)品的LOGO 模糊等質量缺陷。

如果生產(chǎn)設備不穩(wěn)定，內襯紙頻繁出現(xiàn)輕微不平整，反光變化劇烈，或者翻蓋不穩(wěn)定，可以設定【運行條件】較少設備干擾。

2.2 基恩士機器視覺系統(tǒng)在檢測卷煙內框紙缺陷上的應用

該視覺系統(tǒng)在檢測卷煙內框紙上的應用主要集中在5 輪上，適用于內框紙缺失、內框紙臟污、破損移檢測，以及內框紙的位置“上、下、左、右”偏移檢測。

針對內框紙出現(xiàn)的質量缺陷，設定7 個檢測窗口，分別檢測正面內框紙臟污、破損、嚴重位移；內框紙上下位置偏移，左右歪斜；內框紙左、右耳朵的左右位置；內框紙左、右耳朵有無缺損，及偏移角度；上邊緣是否撕裂或缺損；表面臟污或撕裂；5 輪處產(chǎn)品有無等，調整方法與內襯紙調整方法基本相同。

2.3 檢測效果測試

確定應用目標，參數(shù)調整試驗完成后，根據(jù)質量標準要求制作缺陷煙包，對該設備進行了為期2 個月的動態(tài)試驗，每次間隔測試10 盒缺陷煙包，共測試30 盒，測試結果見表1。

為檢測設備的剔除精度，選取不同時間段對測試過程中的誤剔除數(shù)量進行統(tǒng)計，結果見表2。其中剔除數(shù)量由設備自動統(tǒng)計，所有產(chǎn)品均經(jīng)過人工二次檢查，以杜絕誤檢現(xiàn)象，每次抽檢數(shù)量均大于規(guī)定標準。

表1 2019 年9-10 月基恩士機器視覺系統(tǒng)檢測剔除測試統(tǒng)計表

表2 2019 年9-10 月基恩士機器視覺系統(tǒng)誤檢率統(tǒng)計表

測試結果：通過測試，檢測誤差極小，而且控制范圍可隨意調節(jié)，完全滿足卷煙小盒內包裝質量在線控制要求。

3 結果與討論

（1）基恩士機器視覺系統(tǒng)在GD 卷煙包裝機上的開發(fā)和應用，可以實現(xiàn)對卷煙小盒內包裝質量檢測全覆蓋，設備維修人員、機組操作人員可對內包檢測實況、檢測情況、剔除情況等相關資料進行實時查看，簡化了工作流程。

（2）基恩士機器視覺系統(tǒng)在GDX2 包裝機上的應用，減少了對人為干預質量的依賴，減輕了機組操作人員的工作強度，提高了工程師及維修人員判斷問題、解決問題的工作效率，同時也提升了現(xiàn)階段的設備性能，具有一定的推廣應用價值。