基于X射線的異形煙煙包缺支檢測系統(tǒng)

張 欽，汪明主，秦 思，王均明，羅紅兵，黃明清

（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北紅安 431500）

0 引言

目前，在常規(guī)煙的包裝機(jī)械上，煙包缺支檢測主要是光電式，還有傳統(tǒng)的機(jī)械接觸式［1］，光電式檢測器實(shí)現(xiàn)了檢測自動(dòng)化，檢測效率較高，但只要傳感器中任意一個(gè)出現(xiàn)故障，整個(gè)檢測系統(tǒng)都將受到很大的影響［2］。近年來隨著機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展，采用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量檢測及煙盒缺支檢測的應(yīng)用及專利非常多［3-5］，章磊等［6］提出了一種基于機(jī)器視覺的煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了煙支空頭、缺支的自動(dòng)檢測。顧昌鈴［7］設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺和光電相結(jié)合的復(fù)合型煙支檢測系統(tǒng)，將2種檢測技術(shù)結(jié)合在一起，并且一體化設(shè)計(jì)、優(yōu)勢互補(bǔ)，準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙包中缺支、缺嘴、反支以及空頭煙的檢測。以上煙支檢測技術(shù)都是基于現(xiàn)有煙草包裝機(jī)器包裝通道上實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)階段，煙草行業(yè)個(gè)性化產(chǎn)品越來越多，各種規(guī)格的煙支，各種異形包裝形式也層出不窮，導(dǎo)致異形包裝煙不能在常規(guī)包裝機(jī)上進(jìn)行包裝。異形包裝的煙支是通過手工裝填煙支然后機(jī)器進(jìn)行透明紙包裝，按現(xiàn)有檢測方式無法進(jìn)行煙支缺支檢測。

X射線因其波長短、能量大，照射在物體上后僅部分被吸收，其余會(huì)經(jīng)過原子間隙穿透物體，表現(xiàn)出很強(qiáng)的穿透性。X射線的穿透能力取決于射線管電壓的大小，以及被射物體的密度與厚度，X射線成像即是基于這一效應(yīng)［8］?；诖诵?yīng)，X射線在工業(yè)檢測中已有了大量的應(yīng)用［9］。汪希偉等［10］提出了X射線成像系統(tǒng)技術(shù)及其在包裝食品檢測中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了使用X射線成像技術(shù)對(duì)食品中異物的檢測。陸志文［11］提出了基于X射線透射原理的爆珠煙在線檢測技術(shù)。董方旭等［12］還提出了一種X射線數(shù)字成像檢測缺陷尺寸的測量方法。這些技術(shù)均實(shí)現(xiàn)了X射線成像技術(shù)在小尺寸物件檢測方面的應(yīng)用［13-15］。

本文主要利用X射線（頻譜在紫外線附近）穿透物體時(shí)具有衰減的特性即穿透效應(yīng)來探測煙包是否缺支。系統(tǒng)對(duì)手工裝填煙支的異形煙包在煙包輸送帶上選擇合適的位置安裝圖像傳感器，然后檢測X射線穿透煙包后的強(qiáng)度，判定煙包里是否缺支，缺支時(shí)觸發(fā)煙包剔除動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)煙包的缺支檢測功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由工控機(jī)、觸摸屏、X射線發(fā)射系統(tǒng)、射線接收成像系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，構(gòu)成完整的X射線產(chǎn)生、接收、成像、圖像處理以及相關(guān)IO信號(hào)控制整套系統(tǒng)，其整體架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of system composition

待檢煙包通過傳送機(jī)構(gòu)間歇性向前移動(dòng)（每包煙之間存在間隙），當(dāng)待檢測煙包到達(dá)檢測區(qū)域時(shí)，光電傳感器檢測到煙包到位，主控制板通過高壓控制信號(hào)控制高壓電源工作，產(chǎn)生高壓驅(qū)動(dòng)X射線管發(fā)射出X射線。X射線穿透煙包到達(dá)射線傳感器并生成圖像，經(jīng)過圖像采集卡將圖像發(fā)送給工業(yè)計(jì)算機(jī)。

圖像處理軟件在工業(yè)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，實(shí)時(shí)分析當(dāng)前接收到的圖像，確定當(dāng)前煙包是否有缺支現(xiàn)象，并將分析結(jié)果通知給主控制板。當(dāng)煙包到達(dá)剔除位置時(shí)，控制板發(fā)出剔除信號(hào)，驅(qū)動(dòng)剔除機(jī)構(gòu)把煙包剔出流水線，存在缺陷的煙包將不會(huì)影響流水線的正常運(yùn)行。此外，檢測器還具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，可以有效支持生產(chǎn)管理。

要做到空盒、缺支檢測，X射線投射方向必須與煙盒運(yùn)動(dòng)方向垂直，與煙支長度方向一致。為減少輻射量，射線管產(chǎn)生的射線呈寬度較小的片狀區(qū)域，在高度上全程覆蓋煙盒的厚度，而在寬度上僅覆蓋煙盒的一小部分，相當(dāng)于射線對(duì)煙盒進(jìn)行了切片透射。當(dāng)煙盒隨傳送帶在檢測區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，射線持續(xù)發(fā)射，從而形成對(duì)整個(gè)煙盒的全程切片掃描。當(dāng)煙盒通過后，射線管即關(guān)閉發(fā)射。

X射線穿透煙盒的示意如圖2所示。

圖2 X射線穿透示意圖Fig.2 Schematic diagram of X-ray penetration

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由X射線發(fā)射系統(tǒng)、射線接收成像系統(tǒng)、主控制板系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)組成。

（1）X射線發(fā)射系統(tǒng)：系統(tǒng)由X射線管、X射線高壓電源組成；X射線管為透射式。

X射線管型號(hào)：科頤維KYW1300型；陽極電壓：20 kV，陽極電流：0～1 mA，最大功率：15 kW，燈絲電壓：<2.5 V，X 光輻射角：20°。高壓電源：威思曼MRS20P20VP5型，陽極電壓：最大21 kV，陽極電流：最大1 mA。

（2）射線接收成像系統(tǒng)包含X射線CCD圖像傳感器、圖像采集卡。

X射線CCD圖像傳感器的功能特點(diǎn)包括：16位A/D轉(zhuǎn)換；信噪比36 000：1；可編程動(dòng)態(tài)范圍，步進(jìn)1.875至15個(gè)像素；連續(xù)運(yùn)行的最小掃描時(shí)間為50微秒；X射線能量范圍5 keV至250 keV；探測器間距1.6 mm，單個(gè)CCD圖像傳感器集成了64個(gè)探測器；電壓DC12V，電流200 mA。圖像采集卡與主機(jī)采用GigE接口，最大傳輸速度為40 MB/s；最大攜帶24個(gè)CCD圖像傳感器；積分時(shí)間105～50毫秒；工作溫度0～60 ℃。

（3）主控制板系統(tǒng)由主控制板、DC24V開關(guān)電源、各類傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。主控制板接收各傳感器的輸入信號(hào)，并根據(jù)輸入信號(hào)控制X射線發(fā)射系統(tǒng)工作。同時(shí)接收?qǐng)D像處理系統(tǒng)的分析結(jié)果，并根據(jù)信號(hào)向剔除機(jī)構(gòu)和警告裝置發(fā)送信號(hào)剔除缺陷煙包。

（4）圖像處理系統(tǒng)由圖像處理板及觸摸屏組成。當(dāng)煙盒水平進(jìn)入到檢測區(qū)通道，由光電傳感器發(fā)出煙盒到位信號(hào)給主板，主板發(fā)出采集圖像數(shù)據(jù)指令，圖像處理板開始通過CCD圖像傳感器采集圖像數(shù)據(jù)，采集完成后進(jìn)行一系列的圖像處理（邊緣檢測、曲線化、波谷分析、間距測定等），判斷是否缺支，如果缺支啟動(dòng)剔除流程，剔除機(jī)構(gòu)把該包煙剔除出流水線。

硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件總體布局圖Fig.3 General hardware layout

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用Visual Studio 2015平臺(tái)編程，軟件控制流程見圖4。

圖4 軟件運(yùn)行流程圖Fig.4 Flow chart of software running

系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集透視圖像數(shù)據(jù)，檢測圖像有變化時(shí)開始收集煙包數(shù)據(jù)，直到煙包運(yùn)行結(jié)束，形成一個(gè)煙包的透視圖像。系統(tǒng)分析該圖像是否有10支煙，如果不夠則驅(qū)動(dòng)剔除裝置剔除。

圖像采集后，經(jīng)過以下步驟處理缺支煙包：（1）計(jì)算圖像左右邊界；（2）確定圖像上下邊界；（3）數(shù)據(jù)曲線化；（4）計(jì)算缺支檢測需要的數(shù)據(jù)；（5）根據(jù)公式計(jì)算是否缺支；（6）如果缺支則發(fā)送剔除信號(hào)。

由于煙支為圓形，煙支之間可能存在間隙，也可能間隙不明顯，當(dāng)射線穿過間隙時(shí)，圖像將呈現(xiàn)為明顯的白色。煙與煙之間的間隙大小不一致，圖像中的白色區(qū)域也會(huì)呈現(xiàn)出不同的大小。同時(shí)，由于煙包是由傳送帶移動(dòng)，X射線的切片式掃描成像結(jié)果與煙包移動(dòng)速度有關(guān)：對(duì)同樣大小的煙支間隙，當(dāng)煙包移動(dòng)速度快時(shí)，圖像中的白色區(qū)域大；煙包移動(dòng)速度慢時(shí)，圖像中的白色區(qū)域小。

圖像采集卡完成圖像采集，并發(fā)送給圖像處理板。圖像處理板對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，獲得灰度圖像。灰度圖像上每個(gè)像素的顏色值即為灰度，是指黑白圖像中點(diǎn)的顏色深度，范圍從0到255，白色為255，黑色為0?；叶葓D像按照各像素點(diǎn)的灰度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為大小為64·200的矩陣數(shù)據(jù)。圖像的高度方向?yàn)?4個(gè)像素，寬度方向?yàn)?00個(gè)像素。

將矩陣數(shù)據(jù)中每一列的64個(gè)灰度數(shù)據(jù)求平均值，獲得一個(gè)大小為200的灰度數(shù)組A。在圖中按照此灰度數(shù)組打點(diǎn)，并將這200個(gè)點(diǎn)平滑連接繪制出圖像灰度曲線。因此，灰度曲線圖中亮（灰度值高）的區(qū)域?yàn)椴ǚ?，暗（灰度值低）的區(qū)域?yàn)椴ü?，如圖5中的曲線所示。

圖5 圖像數(shù)據(jù)曲線化圖Fig.5 Graph of image data

根據(jù)上述灰度數(shù)組A，計(jì)算出以下數(shù)值：（1）波谷數(shù)量X；（2）累計(jì)空白數(shù)量Y；（3）最大連續(xù)空白數(shù)量Z；（4）總體灰度均值W。

各數(shù)值的計(jì)算方法：

（1）遍歷數(shù)組內(nèi)各元素A［i］，當(dāng)滿足條件（A［i-1］>A［i］

（2）以數(shù)組內(nèi)的最大值作為空白灰度M，遍歷數(shù)組，當(dāng)A［i］與M的差值小于5時(shí)，認(rèn)為該像素為空白，標(biāo)記A［i］為空白，并累計(jì)空白數(shù)量Y=Y+1。數(shù)組遍歷完成后即可獲得累計(jì)空白數(shù)量Y。

（3）同（2），遍歷數(shù)組，當(dāng)遇到第一個(gè)標(biāo)記為空白的元素時(shí)，設(shè)置空白判定K=TRUE，非空白時(shí)設(shè)置K=FALSE。當(dāng)滿足條件（K=TRUE并且A［i］已標(biāo)記為空白）時(shí)，連續(xù)空白數(shù) B［j］=B［j］+1。滿足條件（K=FALSE）時(shí)，j=j+1。遍歷完成后，數(shù)組B就記錄下所有的連續(xù)空白數(shù)量，其最大值即為最大連續(xù)空白數(shù)量Z。

（4）由人工在圖像模板上設(shè)置重點(diǎn)檢測區(qū)域（即圖5中的直線），該區(qū)域由4個(gè)（x，y）坐標(biāo)值表示，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域內(nèi)各像素點(diǎn)的灰度平均值，可獲得總體灰度均值W。

為了補(bǔ)償煙包移動(dòng)速度及煙支間隙的差異帶來的圖像灰度變化，軟件還提供一個(gè)可設(shè)置的靈敏度參數(shù)S1。（S1可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中靈活調(diào)整，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明一般在130左右）

當(dāng)同時(shí)滿足以下 3個(gè)條件：X ≥ 10；Y<7；Z<4；或者，滿足以下1個(gè)條件：W

4 應(yīng)用效果及分析

4.1 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證工藝條件

為檢驗(yàn)煙包缺支檢測系統(tǒng)性能，利用某卷煙廠異型煙小盒包裝機(jī)2020年5月12～17日6個(gè)班次的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分別對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、檢測準(zhǔn)確率、誤剔、漏剔、檢測速度等項(xiàng)目進(jìn)行測試驗(yàn)證。檢測時(shí)煙包通過傳送機(jī)構(gòu)輸送的運(yùn)行速度為100包/min（步進(jìn)間歇運(yùn)動(dòng)）。

4.2 基本功能驗(yàn)證

在包裝速度為100包/min時(shí)，通過以下各項(xiàng)驗(yàn)證，獲得了滿意的實(shí)用效果。

（1）穩(wěn)定性：測試期間各系統(tǒng)能正常工作，檢測系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、剔除系統(tǒng)都能工作正常，沒有發(fā)生故障；（2）缺支檢測準(zhǔn)確率測試：利用測試用的缺支煙包，在每次開班前進(jìn)行1次測試，班中隨機(jī)測試2次。測試結(jié)果為缺支檢測準(zhǔn)確率100%；（3）顯示系統(tǒng)：系統(tǒng)工作界面顯示正常，檢測總數(shù)、不合格數(shù)、剔除比例與實(shí)際情況相符合；（4）誤剔：每班統(tǒng)計(jì)誤剔煙包總數(shù)，以檢測的剔除數(shù)為基數(shù)計(jì)算誤剔率，誤剔率＜0.2%；（5）漏剔：通過班中高頻率質(zhì)量抽檢，每30 min抽檢1次，每次檢測10包煙，每包10支煙，結(jié)果沒發(fā)現(xiàn)漏剔煙包；（6）檢測速度：包裝速度為100包/min，軟件系統(tǒng)的計(jì)數(shù)與實(shí)際包裝速度完全一致。

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于X射線異形煙煙包缺支檢測系統(tǒng)，能夠加裝在異型煙小盒包裝機(jī)之后，對(duì)缺支煙包進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和剔除。檢測系統(tǒng)主要由工控機(jī)、觸摸屏、X射線發(fā)射系統(tǒng)、光子接收成像系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，構(gòu)成完整的X射線產(chǎn)生、接收、成像、圖像處理、IO控制整套系統(tǒng)。通過對(duì)生成的X射線圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否缺支，如果缺支啟動(dòng)剔除流程，剔除機(jī)構(gòu)把該包煙剔除出流水線。通過運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，缺支檢測系統(tǒng)缺支檢出率達(dá)到99.9%以上，誤剔率小于0.2%，還可根據(jù)需要調(diào)整檢測的靈敏度，具備很高的實(shí)用價(jià)值，能夠配套用于現(xiàn)有卷煙工業(yè)中的各類異型煙小盒包裝機(jī)的自動(dòng)化檢測。