機(jī)器視覺(jué)在煙草薄膜識(shí)別中的應(yīng)用

熊 金 彭 勇 余興華

(重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司涪陵卷煙廠，重慶 408000)

在煙草行業(yè)，解包線開(kāi)箱機(jī)器人取箱后，將有些沒(méi)有薄膜覆蓋的煙包送去割膜機(jī)割膜，影響工作效率及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。為解決以上問(wèn)題，我們通過(guò)人工半自動(dòng)化薄膜識(shí)別、光電管自動(dòng)化薄膜識(shí)別等技術(shù)的應(yīng)用，都沒(méi)能很好的解決問(wèn)題。

隨著工業(yè)4.0 以及智能制造技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)在的工業(yè)控制中，機(jī)器視覺(jué)作為智能制造的一部分越來(lái)越多地引用。通過(guò)對(duì)機(jī)器視覺(jué)智能化薄膜識(shí)別的嘗試，旨在探索如何通過(guò)機(jī)器視覺(jué)準(zhǔn)確識(shí)別煙包薄膜，并與解包線PLC 系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，當(dāng)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)到煙包無(wú)薄膜時(shí)，則煙包無(wú)需割膜而直接進(jìn)入下一工位，達(dá)到提高工作效率，美化工作環(huán)境的目的。以下是從人工識(shí)別到機(jī)器識(shí)別各個(gè)過(guò)程的嘗試。

1 人工半自動(dòng)化薄膜識(shí)別的初期嘗試

解包線初始設(shè)計(jì)為所有煙包均帶薄膜，故全部煙包取箱后進(jìn)入割膜機(jī)割取。

未考慮沒(méi)有覆蓋薄膜的煙包，也未考慮判斷煙包薄膜的裝置和程序。為解決無(wú)薄膜煙包不進(jìn)入割膜機(jī)，技術(shù)人員嘗試修改PLC 程序，并在監(jiān)控系統(tǒng)增設(shè)一" 無(wú)薄膜" 按鈕，當(dāng)操作工觀察到取箱后煙包無(wú)薄膜時(shí)，立即點(diǎn)按此鈕，煙包不去割膜，直接進(jìn)入下道工位，而有薄膜煙包依然正常割膜。此種方式完全依賴于人工，當(dāng)操作工未監(jiān)控到煙包無(wú)薄膜時(shí)，煙包仍會(huì)進(jìn)入割膜機(jī)割取，并且增加了操作工工作強(qiáng)度，讓其不能兼顧其它作業(yè)。

2 光電管自動(dòng)化薄膜識(shí)別的再次嘗試

解包線取箱工位取箱后，有薄膜煙包由于薄膜的覆蓋以及取箱時(shí)箱子在提升過(guò)程中將薄膜拉高(煙箱上升過(guò)程中形成的真空或機(jī)器人夾具上的抱針的作用)，比無(wú)薄膜煙包高度約高，我們利用此點(diǎn)在取箱工位安裝光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)此開(kāi)關(guān)被遮擋時(shí)，輸入有薄膜信號(hào)給PLC，讓煙包進(jìn)入割膜機(jī)；當(dāng)此開(kāi)關(guān)未被遮擋時(shí)說(shuō)明煙包上無(wú)薄膜，輸入無(wú)薄膜信號(hào)給PLC，讓煙包直接進(jìn)入下道工序。使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于煙包高度不一致，以及有些薄膜貼包較緊，檢測(cè)中存在錯(cuò)檢的情況，導(dǎo)致仍有無(wú)薄膜煙包進(jìn)入割膜機(jī)的情況，此方式可靠性不高。

3 機(jī)器視覺(jué)智能化薄膜識(shí)別的應(yīng)用嘗試

所謂機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，就是通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品(即圖像攝取裝置)，將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝取目標(biāo)的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取各種目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)差別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。在此基礎(chǔ)上提出了通過(guò)相機(jī)成像，依據(jù)圖像處理的算法判斷有無(wú)薄膜的方法進(jìn)行嘗試。

3.1 工業(yè)相機(jī)及照明的選型

3.1.1 照明選型

工業(yè)相機(jī)準(zhǔn)備安裝于開(kāi)箱工位，此地屬于正常工作場(chǎng)所，外部光線正常，無(wú)高濃度粉塵等干擾物，故選擇1-3LUX 的普通型LED 照明。

3.1.2 相機(jī)芯片

在機(jī)器視覺(jué)中主要采用兩類光電傳感芯片，分別是CCD 和CMOS 芯片，無(wú)論是CCD 還是CMOS，他們的作用都是通過(guò)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行存儲(chǔ)以獲取圖像，CCD 相機(jī)芯片較CMOS 芯片具有光線靈敏度高以及圖像對(duì)比度高，取圖速度慢的特點(diǎn)，為了得到更好的圖像保真和質(zhì)量，本例中對(duì)取圖速度沒(méi)有太高的要求，故選擇應(yīng)用較多CCD 芯片。

3.1.3 相機(jī)分辨率

根據(jù)系統(tǒng)需求選擇所需的分辨率。本系統(tǒng)為檢測(cè)煙包表面是否有薄膜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位置，我們選擇煙包側(cè)面為所測(cè)表面，要求拍攝視野的大小約1000*700mm,由于拍攝視野較大，故精度要求0.5mm，測(cè)量精度可以考慮1/2 亞像素精度，那么相機(jī)的最低分辨率應(yīng)選擇在：(1000/0.5/2)* (700/0.5/2)=1000*700pixcel,因此選擇1024*768 像素的相機(jī)[1]。

3.1.4 彩色和黑白相機(jī)

彩色相機(jī)多用于處理與顏色有關(guān)的圖像，而黑白相機(jī)同樣分辨率的情況下，精度比彩色更高，尤其在做圖像處理中，黑白工業(yè)相機(jī)得到的灰度信息可直接處理。由于煙包薄膜的單一性，不涉及多顏色處理，因此選用精度更高的黑白相機(jī)。

3.1.5 傳輸接口

根據(jù)傳輸距離，數(shù)據(jù)大小有USB、1394、Camerlink、以太網(wǎng)等接口方式，考慮到傳輸距離以及便于與PLC 之間數(shù)據(jù)傳遞，本例選用以太網(wǎng)通訊方式。

3.1.6 綜合選擇

綜合以上選型要求，結(jié)合產(chǎn)品價(jià)格和產(chǎn)品性能的需要，我們選擇了普通LED 光源、康耐斯In_sight5401 相機(jī)及其視覺(jué)軟件。

3.2 In_sight5401 相機(jī)的硬件安裝、連接、組態(tài)

將工業(yè)相機(jī)及光源平行安裝于煙包側(cè)面，并物理連接光源電源線和相機(jī)TCP/IP 通信網(wǎng)線，通過(guò)工業(yè)交換機(jī)連接至PLC的Profinet 網(wǎng)絡(luò)，在PLC 硬件組態(tài)中安裝In-sight5401 相機(jī)GSD文件，隨后在Profinet 網(wǎng)絡(luò)中組態(tài)In-sight5401 相機(jī)，為其分配IP 地址192.168.1.11，如圖1。

圖1 In-sight5401 相機(jī)在PLC 中的硬件組態(tài)

3.3 In_sight5401 相機(jī)視覺(jué)軟件的安裝及算法編程

3.3.1 In_sight5401 相機(jī)視覺(jué)軟件的安裝及連接

在電腦上安裝編程視覺(jué)軟件Cognex In-Sight Software 4.5版本，網(wǎng)線連接工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，為連接設(shè)置一個(gè)空閑IP，如192.168.1.251，子網(wǎng)掩碼設(shè)為255.255.255.0，連接好后打開(kāi)Insight 瀏覽器，打開(kāi)“系統(tǒng)”菜單欄下的菜單項(xiàng)，點(diǎn)擊“將傳感器/設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)”，找到5401 相機(jī)，設(shè)置相應(yīng)的IP 地址，讓相機(jī)、電腦、PLC 處于同一個(gè)網(wǎng)段，連接成功后在In-sigh 網(wǎng)絡(luò)一覽會(huì)出現(xiàn)Insight1 相機(jī)。

3.3.2 視覺(jué)軟件的圖像設(shè)置

在Insight 瀏覽器打開(kāi)Insight1 相機(jī)，會(huì)出現(xiàn)相機(jī)軟件的編程調(diào)試界面，這是一張電子表格樣式的界面，一個(gè)電子表格稱為一個(gè)JOB，在界面中A0 是圖像設(shè)置項(xiàng)，該單元主要是設(shè)置圖像的屬性，如圖像的觸發(fā)源，曝光時(shí)間，白平衡等，如圖2，雙擊圖標(biāo)Image，會(huì)彈出AcquireImage 屬性對(duì)話框，這里設(shè)置手動(dòng)觸發(fā)，開(kāi)啟自動(dòng)曝光，設(shè)置曝光目標(biāo)亮度時(shí)間和最大曝光時(shí)間等參數(shù)，圖像能適應(yīng)白天夜間光線的變化，單擊確定。

圖2 In-sight5401 視覺(jué)軟件的圖像設(shè)置

3.3.3 IO 設(shè)置

In-sight5401 相機(jī)帶有三個(gè)輸出IO，本例中需通過(guò)一個(gè)IO 輸出來(lái)控制采集圖像時(shí)點(diǎn)亮光源，將相機(jī)的物理IO0 接到一個(gè)光藕上。

當(dāng)IO0 有脈沖輸出時(shí)光藕導(dǎo)通，光源就會(huì)點(diǎn)亮，這樣就可以得到一幅有光源照亮的圖像，輸出信號(hào)時(shí)間到時(shí)，相機(jī)停止輸出信號(hào)，光源處于熄滅狀態(tài)，這樣的好處是可以大大提高LED 光源的使用壽命。同時(shí)在瀏覽器中選擇傳感器中的離散I/O 設(shè)置，選擇輸出設(shè)置，設(shè)置IO0 為采集開(kāi)始，設(shè)置脈沖寬度為30ms。

3.3.4 In-sight5401 的算法編程

In-sight5401 視覺(jué)軟件有多種算法，如Blob(斑點(diǎn))、邊、直方圖、圖案匹配、圖像、顏色等。Blob 的功能主要是一組灰階值高(低)于規(guī)定閾值的像數(shù)值，該函數(shù)用于查找暗背景上的亮點(diǎn)。邊工具的作用是在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)檢測(cè)亮邊或是暗邊。

比對(duì)分析拍攝煙包的圖片，當(dāng)無(wú)薄膜時(shí)，整副圖片較暗，灰階值高，而有薄膜時(shí)，由于相機(jī)光源在薄膜上反光，亮點(diǎn)變多。因此選用Blobs(斑點(diǎn))算法作為我們判斷有無(wú)薄膜的主算法，添加Blobs 下的ExtractBlobs 工具至表格中，設(shè)置相應(yīng)的屬性，通過(guò)摸索在算法中設(shè)置合理閾值，當(dāng)大于此閾值時(shí)，輸出為1，認(rèn)為有薄膜；當(dāng)小于此閾值時(shí)，輸出為0，認(rèn)為無(wú)薄膜，輔助PLC 作相應(yīng)輸出。

3.4 解包線PLC 程序的再處理

在解包線PLC 程序中，將相機(jī)輸入地址中的值作比較，當(dāng)值等于1 時(shí)，表示有薄膜煙包；當(dāng)值等于0 時(shí)，表示無(wú)薄膜煙包。再由不同煙包類型控制取箱穿梭車去向不同的工位，從而實(shí)現(xiàn)有薄膜煙包進(jìn)入割膜機(jī)割膜，無(wú)薄膜煙包直接進(jìn)入下道工序。

4 結(jié)論

以上是一例機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)上識(shí)別煙包是否覆蓋薄膜的簡(jiǎn)單應(yīng)用，先用In-sight5401 相機(jī)拍攝照片，再用Cognex In-Sight Software 軟件對(duì)所拍攝的照片進(jìn)行分析處理，通過(guò)如Blobs(斑點(diǎn))等算法，找出煙包表面是否覆蓋薄膜的合理閾值，接著輸出相應(yīng)的數(shù)值給PLC，最后比較對(duì)應(yīng)數(shù)值決定煙包是否進(jìn)入割膜機(jī)割膜的過(guò)程。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，視覺(jué)系統(tǒng)判斷煙包有無(wú)薄膜的成功率大于99%，很好地起到了視覺(jué)識(shí)別煙草薄膜的效果，讓設(shè)備根據(jù)視覺(jué)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，大大降低了操作工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，美化了工作環(huán)境。