FOCKE350 內(nèi)框紙接頭新型檢測裝置的研制

徐國現(xiàn)，陳 圣，權(quán)發(fā)香，王茂方

（紅云紅河集團會澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

在包裝硬包小盒時，內(nèi)框紙為必備原輔材料之一。內(nèi)框紙在隨機位置會含有接頭部分，必須準確檢測并剔除，由于原檢測裝置的不穩(wěn)定性，漏檢、誤檢現(xiàn)象時有發(fā)生。但是，目前在用的內(nèi)框紙接頭檢測裝置是原機自帶，設(shè)備制造商對其進行技術(shù)保護，無法再加以開發(fā)革新，導(dǎo)致了此套檢測裝置出現(xiàn)技術(shù)落后、維修困難等問題。有鑒于此，問題，研制一套新的內(nèi)框紙接頭檢測裝置，以解決原檢測裝置準確率低、故障率高、維修成本高昂等問題，提升“精益制造”能力，滿足車間降本增效的要求。

1 背景

1.1 硬盒煙包質(zhì)量的需求

在硬包包裝過程中，由于輔料供應(yīng)商制造工藝原因，內(nèi)框紙中會隨機出現(xiàn)內(nèi)框紙接頭（圖1）。按照生產(chǎn)工藝要求，內(nèi)框紙接頭必須進行精確檢測并進行處理，嚴禁帶有內(nèi)框紙的煙包流向下一道工序。

圖1 FOCKE350 內(nèi)框紙接頭

FOCKE350 原機自帶內(nèi)框紙接頭檢測裝置（圖2）。班組人員反映，原檢測裝置誤檢、漏檢現(xiàn)象頻發(fā)，不僅增加了機組人員的工作負擔，甚至會提高相關(guān)機組人員質(zhì)量考核的難度。

圖2 FOCKE350 內(nèi)框紙接頭專用檢測裝置及安裝位置

1.2 原機自帶檢測裝置工作原理

查閱FOCKE350 相關(guān)的設(shè)備資料可知，原檢測裝置是通過反射式光纖感應(yīng)不同顏色的物面反光不同來實現(xiàn)檢測，在生產(chǎn)過程中，由于原檢測裝置采用固定靈敏度設(shè)置，內(nèi)框紙紙面與光纖頭的距離發(fā)生變化d、光纖頭積灰、煙絲飛濺、內(nèi)框紙換牌等都會導(dǎo)致誤撿、漏檢現(xiàn)象（圖3）。

圖3 原檢測裝置分析原理

以上不可控外因直接制約了內(nèi)框紙接頭檢測的精準性，導(dǎo)致其誤撿、漏檢率過高。設(shè)備維修人員反映，該檢測裝置的準確性取決于“光纖頭與內(nèi)框紙的檢測距離及相對位置”和“光纖頭的清潔程度”。在生產(chǎn)過程中，光纖頭容易積灰導(dǎo)致誤檢，尤其是換牌時，內(nèi)框紙顏色發(fā)生變化，須進行調(diào)校、維修。

2 創(chuàng)新思路及方法

（1）提高內(nèi)框紙接頭檢測裝置的檢測精度和抗干擾能力，使其能夠及時分辨內(nèi)框紙接頭部分，適用于煙絲、煙塵較多的FOCKE350 硬包包裝場合。

（2）從檢測原理入手，采用更為先進的檢測技術(shù)來檢測內(nèi)框紙的接頭位置。

（3）采用更為先進的內(nèi)框紙面特征提取方案，提取內(nèi)框紙與接頭的特征。

（4）自主編制軟件，對提取的特征進行判斷、比較并進行實時監(jiān)測。

（5）利用平面鏡反射原理，使裝置布局更為合理。

3 改進理論分析

3.1 設(shè)計層面理論分析

對FOCKE350 現(xiàn)有內(nèi)框紙接頭檢測裝置進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)光纖頭感光面積?。ě? mm），光纖頭積灰或煙絲飛濺直接影響檢測的穩(wěn)定性。內(nèi)框紙接頭新型檢測裝置擬選用相機采集紙面圖像進行圖像分析，檢測面積（4 cm×2 cm 的矩形）將大大增加，在受到干擾的情況下誤漏檢次數(shù)將極大降低。

3.2 參數(shù)可靠性方面分析

（1）原有檢測裝置采用固定靈敏度設(shè)置，換牌、積塵、煙絲飛濺將導(dǎo)致檢測出現(xiàn)誤檢和漏檢，此時須由維修人員進行靈敏度調(diào)整，而且靈敏度沒有進行量化，只能靠經(jīng)驗，可靠性不高。

（2）新裝置采用“逐幀差”算法（始終以上一幀圖片作為參考），具有很強的判異和抗干擾能力，受到輕微干擾時可以智能地辨別“真?zhèn)巍苯宇^。它避免了傳統(tǒng)檢測的單一性，可以運用于不同顏色的內(nèi)框紙接頭檢測。

（3）新裝置擬采用圖像識別技術(shù)，該技術(shù)已較為成熟且參數(shù)調(diào)整可以量化、可視、簡單快捷，可以提高檢測結(jié)果的準確性。

4 改進方式

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合樹如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合樹

4.2 人機界面

人機界面的實現(xiàn)有基于MFC 和基于OpenCV 的兩種方式。由于圖像濾波和圖像識別都需要運用OpenCV 視覺庫進行，為了兼容采用基于OpenCV 的方式進行人機界面開發(fā)，人機界面的設(shè)計應(yīng)以簡潔、美觀、方便為原則（圖5）。

圖5 人機界面設(shè)計

4.3 核心算法

用當前幀每一像素點的灰度值減去上一幀相同二維坐標對應(yīng)像素點的灰度值，得到時間相鄰的兩張圖像的灰度差值圖，對該圖進行二值化閥值處理：當灰度差值大于設(shè)定的“異常點閥值”時，改寫該點灰度值為255，并將該點作為異常點；當灰度差值小于設(shè)定的“異常點閥值”時，改寫該點的灰度值為0，當處理完所有像素點后得到一張二值化圖；對二值化圖進行異常點數(shù)目統(tǒng)計，當異常點數(shù)目大于“最小判斷閥值”時，判定為檢測到內(nèi)框紙接頭（圖6、圖7）。

圖6 逐幀差算法示意

圖7 核心算法流程

通過實驗發(fā)現(xiàn)，逐幀差算法特別適合該項目。該算法能夠在不調(diào)整參數(shù)的情況下檢測不同牌號的內(nèi)框紙接頭，此算法始終以上一幀圖像（FrameLast）作參考，屬于隨動設(shè)定，具有很強的抗干擾（灰塵、煙絲飛濺、光強變化、檢測距離變化等）能力。

4.4 代碼實現(xiàn)

項目程序所有代碼有5824 行，本次檢測的關(guān)鍵代碼如圖8所示。

圖8 內(nèi)框紙接頭識別模塊程序關(guān)鍵代碼

4.5 安裝過程

（1）拆除原機內(nèi)框紙接頭檢測裝置，給新型檢測裝置騰出空間。

（2）在支架內(nèi)安裝鏡面、光源。

（3）將相機安裝在支架內(nèi)。

（4）將相機支架裝在機器上。

（5）安裝工控機，連接其與顯示器、相機及信號接口電氣線路（圖9～圖11）。

圖9 鏡面、光源、相機安裝于相機支架內(nèi)

圖10 電氣線路連接

圖11 安裝后內(nèi)框紙接頭新型檢測裝置

4.6 調(diào)試運行

4.6.1 采集幀率的確定

經(jīng)過計算，F(xiàn)OCKE包裝機每秒生產(chǎn)7包煙，則有7 張內(nèi)框紙經(jīng)過，檢測視窗范圍只有內(nèi)框紙長度的1/3，為避免漏檢問題，采集幀率至少為21 幀/s。為確保安全，放出50%的余量，最終采用32 幀/s 的采集速度。

4.6.2 利用正交實驗確定曝光時間、光源亮度和異常點閥值

（1）實驗?zāi)康摹榱耸菇宇^圖像與非接頭圖像容易區(qū)分，通過實驗確定曝光時間、光源強度、異常點閥值3 個因子的最佳組合，使得n 值盡可能大（望大值），其中n=n1-n2，n1為接頭圖像異常點數(shù)，n2為非接頭圖像異常點數(shù)。

（2）挑因素選水平。對影響n 值的因素進行逐一篩選，得到影響n 值的3 個可控因素，分別是曝光時間、異常點閥值和光源亮度，分別選取3 個水平（表1）。由于沒有“光照強度計”來測量光源亮度因子，采用了間接測量的方法：在光源回路中有一個串聯(lián)的限流滑變電阻，該電阻值與光源亮度呈反比，即光源亮度I=k/R。其中，I 為光源亮度，k 為比例系數(shù)，R 為電阻。n 值的主效應(yīng)如圖12 所示。

表1 影響n 值的3 個可控因素的水平分布

圖12 n 值主效應(yīng)圖

（3）選擇L9（34）正交表安排實驗，R 為j 列極差（圖13）：①通過“直接看”的方法，第5號實驗的水平組合A2B2C3 為直接看的好條件（它是通過實驗實踐直接得到，比較可靠）；②由極差r 的大小順序可以得出，光源亮度對n 的影響最大，由主到次的順序為：光源亮度>異常點閥值>曝光時間>實驗誤差；③借助Minitab 16 將實驗結(jié)果導(dǎo)入，通過統(tǒng)計、方差分析繪制出主效應(yīng)圖，得到“算一算”之后的較優(yōu)組合，也為A2B2C3。因此，確定較優(yōu)參數(shù)組合為：曝光時間50 ms，異常點閥值50，限流電阻阻值50 Ω。

圖13 L9（34）正交實驗方案

4.6.3 最小判定閥值的確定

通過正交實驗結(jié)果記錄，第5號實驗結(jié)果顯示無內(nèi)框紙接頭時異常點數(shù)為15，有內(nèi)框紙接頭出現(xiàn)時異常點數(shù)為3471，因此，最小判定閥值設(shè)定為（3471-15）/2=1728。

4.6.4 較優(yōu)參數(shù)設(shè)定

按正交實驗得出的較優(yōu)參數(shù)組合進行參數(shù)設(shè)定，如圖14所示。通過200 個接頭檢測結(jié)果的驗證，準確率達到了目標要求100%，檢測能實時監(jiān)測內(nèi)框紙接頭并向主機發(fā)送正確信號。

圖14 最佳參數(shù)設(shè)定

5 改進效果

FOCKE350 內(nèi)框紙接頭新型檢測裝置研發(fā)前后進行對比后可以發(fā)現(xiàn)，誤漏檢率由改進前的8.9%降低至0；“平均每月維修次數(shù)”由改進前的2.48 次/（月·臺）降低至0.25 次/（月·臺），效果很好。

包裝機內(nèi)框紙接頭檢測裝置的價格由原來的48 454.8 元降至7962 元，可節(jié)約48 454.8-7962=40 492.8 元/臺。

6 課題創(chuàng)新點

（1）創(chuàng)新點1：檢測精度可達100%。FOCKE350 內(nèi)框紙接頭新型檢測裝置具有高精度的檢驗功能，正常情況下其檢測精度高達100%且可以有效排除外界干擾，準確地判異內(nèi)框紙接頭的存在，有效地保障了卷煙產(chǎn)品質(zhì)量，提質(zhì)增效。

（2）創(chuàng)新點2：適用范圍廣。幀間差算法的運用，使得該裝置具有很廣的適用范圍，利用色彩閥值的差值運算，可適用于各種型號內(nèi)框線的檢測。