基于視覺(jué)檢測(cè)的濾盤自清潔系統(tǒng)

沈宗毅，艾培云，呂獻(xiàn)周，李 乾

（紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司會(huì)澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

濾棒是卷煙生產(chǎn)中必不可少的輔料，濾棒存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)為濾棒提供了充足固化時(shí)間，提高的卷煙品質(zhì)，同時(shí)也消除了膠液滲透引起發(fā)射管道的堵塞。立庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)摒棄了傳統(tǒng)的流動(dòng)儲(chǔ)庫(kù)，采用料盤裝卸，濾棒在輸送過(guò)程中與裝盤機(jī)、輸送帶、料盤、高架庫(kù)以及濾棒之間不斷摩擦，極易產(chǎn)生靜電。由于靜電吸附效應(yīng)，濾棒經(jīng)常會(huì)吸附在料盤四周，必須由人工進(jìn)行清理，增加了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也影響了成型各工序的正常作業(yè)，降低設(shè)備的有效作業(yè)率。

1 現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

在濾棒發(fā)射過(guò)程中，料盤底層濾棒經(jīng)常會(huì)吸附在料盤底部，跟隨空料盤被站臺(tái)回收。同時(shí)，吸附濾棒在輸送過(guò)程中經(jīng)常會(huì)隨地灑落，影響卷煙生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)清潔。卷煙生產(chǎn)前期為發(fā)射機(jī)端空盤濾棒殘留高峰期，隨著生產(chǎn)日期的增加，濾棒殘留現(xiàn)象有所改善，證明長(zhǎng)期放置的濾棒更具靜電吸附效應(yīng)?？樟媳P送到成型端裝盤時(shí)，會(huì)出現(xiàn)料盤中還殘留有濾棒的現(xiàn)象，而且均是散亂排列，在裝盤過(guò)程中便會(huì)引起裝盤濾棒排列不整齊的現(xiàn)象。

靜電主要由非導(dǎo)體之間摩擦產(chǎn)生。經(jīng)核實(shí)，在這些工序過(guò)程中都未進(jìn)行靜電消除作業(yè)，在絕緣的濾棒和料盤上便會(huì)長(zhǎng)期有靜電滯留。為確認(rèn)各工序中靜電的存在，利用靜電測(cè)試儀對(duì)工序的各個(gè)部位進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)靜電充斥了各個(gè)部位，帶有極少靜電的絲束和盤紙?jiān)诓粩噙\(yùn)動(dòng)、摩擦、靜置過(guò)程中，靜電電荷逐漸積累，靜電電壓便隨之增加，在濾棒成型工藝末端，所有殘余靜電堆積，最終導(dǎo)致了靜電吸附。

2 系統(tǒng)可行性分析

2.1 圖像識(shí)別能力驗(yàn)證

論文《GDX2 內(nèi)框紙檢測(cè)裝置的研制》提出一種使用CCD（Charge Coupled Device，電荷藕合器件）成像技術(shù)對(duì)內(nèi)框紙形狀、表面、尺寸進(jìn)行特征成像，從而判定缺陷。該技術(shù)可以運(yùn)用到空盤殘留濾棒檢測(cè)當(dāng)中，首先是對(duì)CCD 相機(jī)的成像檢測(cè)機(jī)型可行性分析。運(yùn)用MATLAB 進(jìn)行圖像邊緣提取，通過(guò)對(duì)邊緣的分析來(lái)分析圖像的特征（圖1）。選用料盤為背景，濾棒作為檢測(cè)物。經(jīng)過(guò)MATLAB 的幾種邊緣識(shí)別，通過(guò)Robert 算子可以準(zhǔn)確得出料盤中殘留濾棒的形狀位置。但上述實(shí)驗(yàn)前提是基于MATLAB 開(kāi)發(fā)環(huán)境，MATLAB 主要用于數(shù)據(jù)分析、算法開(kāi)發(fā)、數(shù)值計(jì)算等場(chǎng)合，在理論上驗(yàn)證了圖像識(shí)別能力可以達(dá)到要求。

圖1 MATLAB 數(shù)據(jù)分析

2.2 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)精度分析

根據(jù)相機(jī)分辨率（L/W）≥視場(chǎng)（L/W）/精度原則，項(xiàng)目要求視野：L/W=680/380，精度要求1 mm。根據(jù)相機(jī)像素?cái)?shù)測(cè)算公式，像素長(zhǎng)寬=分辨率/精度，總像素=像素長(zhǎng)度×像素寬度，小組計(jì)算出了項(xiàng)目相機(jī)所需的像素?cái)?shù)：像素長(zhǎng)度680/1=680 pix，像素寬度為380/1=380 pix，則需要至少為680×380=258 400=25.84 萬(wàn)像素的相機(jī)。

2.3 離子氣刀選擇

殘留的濾棒通過(guò)相機(jī)成像技術(shù)以檢測(cè)成像，利用壓手空氣清潔濾棒盤內(nèi)的殘留濾棒（圖2）。根據(jù)濾棒空盤的形狀及尺寸，選用了目前已有的離子氣刀。離子氣刀空氣流向分析：氣刀噴嘴噴出氣流如左圖所示，屬于面狀氣流，對(duì)空料盤各個(gè)部位施加勻速壓縮空氣，氣流均勻，對(duì)底面清潔能力大致相同?？墒箟嚎s空氣通過(guò)“柯恩達(dá)效應(yīng)”形成速度放大幾十倍的簾狀氣流，查詢技術(shù)文件，超級(jí)氣刀壓縮比可達(dá)40:1，有很好的清潔效果。

圖2 離子氣刀空氣流向分析

在加裝相機(jī)時(shí)，需要特有的相機(jī)支架，而安裝離子氣刀時(shí)需要連接組件。

針對(duì)支架材料，分別從加工性能、材料強(qiáng)度、安裝總重、材料成本、抗彎強(qiáng)度能力、熱膨脹性能6 個(gè)方面進(jìn)行比選，材料選用鋁合金，且相機(jī)支架承受載荷集中在相機(jī)支架中間位置。查表可知6061 鋁合金的屈服強(qiáng)度55.2 MPa，根據(jù)公式可以計(jì)算出支架棒料直徑d≈13.29 mm，為了方便加工，鋁合金棒料直徑d 取整為15 mm。選定支架形狀后，經(jīng)過(guò)測(cè)量支架總長(zhǎng)度L=420 mm,相機(jī)拍攝角度可以通過(guò)松開(kāi)止推螺釘來(lái)調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施

3.1 相機(jī)支架、組件的設(shè)計(jì)

相機(jī)支架、離子氣刀連接組件如圖3～圖7 所示。

圖3 支撐架

3.2 編寫識(shí)別模塊程序

如圖8 所示，在主函數(shù)中對(duì)相關(guān)庫(kù)函數(shù)加載及關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)讀取，發(fā)出開(kāi)采命令，相機(jī)開(kāi)始按照參數(shù)設(shè)定采集圖像，圖像采集完成后通過(guò)USB 數(shù)據(jù)接口傳送給工控機(jī)，工控機(jī)圖像進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)閾值分割，檢測(cè)圖片中料盤內(nèi)白色（濾棒）像素?cái)?shù)，可以判斷空盤內(nèi)是否殘留有濾棒。項(xiàng)目程序所有代碼有2275 行，圖9 是本檢測(cè)的關(guān)鍵代碼及工程文件。

圖4 支座

圖5 相機(jī)底座

圖6 相機(jī)支架總裝

圖7 氣刀支架設(shè)計(jì)

圖8 主函數(shù)流程

圖9 程序代碼

編寫人機(jī)界面程序，根據(jù)方案設(shè)計(jì)，加入應(yīng)有功能并進(jìn)行界面美化，最終人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖10 所示。

圖10 人機(jī)界面程序

3.3 電氣線路連接及元件安裝

組裝及電氣線路連接,安裝相機(jī)、工控機(jī)、顯示器并進(jìn)行電路連接，經(jīng)測(cè)量線路連接電阻為0.3 Ω（圖11）。

圖11 硬件安裝

根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖，調(diào)節(jié)相機(jī)工作位置如圖12 所示。

圖12 工作位置調(diào)節(jié)

通過(guò)對(duì)相機(jī)的拍攝角度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)拍攝角度確定為28°時(shí)，畫幅可以包含整個(gè)空盤。

3.4 配置并運(yùn)行程序，確定關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)

3.4.1 確定相機(jī)拍照時(shí)機(jī)

相機(jī)拍照相位主要用于空盤進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的拍照時(shí)機(jī)，輸送帶速度較為緩慢，這里不需要進(jìn)行視頻采集，故為了降低工控機(jī)處理的圖像數(shù)據(jù)量，采用單幀采集方式，采用一個(gè)光電管監(jiān)測(cè)是否有盤進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，當(dāng)有盤時(shí)立刻拍照并進(jìn)行視覺(jué)判斷盤內(nèi)是否有殘余濾棒，若有則進(jìn)行清潔過(guò)程，無(wú)則不作任何處理。

3.4.2 采用“正交實(shí)驗(yàn)”確定快門時(shí)間、異常點(diǎn)閥值、感光度

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。為使有殘余濾棒空盤與無(wú)殘余濾棒空盤圖像容易區(qū)分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定快門時(shí)間、異常點(diǎn)閥值、感光度3 個(gè)因子最佳組合，使n 值盡可能大（望大值）。其中，n=n1-n2，n1為有殘余濾棒空盤圖像異常點(diǎn)數(shù)，n2為無(wú)殘余濾棒空盤圖像異常點(diǎn)數(shù)。

（2）挑因素選水平。通過(guò)對(duì)影響n 值的因素進(jìn)行逐一刷選，得到影響n 值的3 個(gè)可控因素：快門時(shí)間、異常點(diǎn)閥值、感光度，各選取3 個(gè)水平（表1）。

表1 正交實(shí)驗(yàn)表

通過(guò)“直接看”的方法，第5 號(hào)實(shí)驗(yàn)的水平組合A2B2C3 為直接看的好條件，它是通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐直接得到，比較可靠。由極差R大小順序可以得出，異常點(diǎn)閥值對(duì)n 值的影響最大，由主到次的順序?yàn)椋寒惓｜c(diǎn)閥值→感光度→快門時(shí)間→實(shí)驗(yàn)誤差。借助Minitab 17 將實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入，統(tǒng)計(jì)→方差分析→主效應(yīng)圖，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：快門時(shí)間100 ms，異常點(diǎn)閥值65，感光度為ISO80。最小判定閥值的確定：通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄，第5 號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示無(wú)內(nèi)框紙接頭時(shí)異常點(diǎn)數(shù)為94，有內(nèi)框紙接頭出現(xiàn)時(shí)異常點(diǎn)數(shù)為592，因此，最小判定閥值設(shè)定為94+（592-94）/2=343（表2）。

表2 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)安排實(shí)驗(yàn)

4 實(shí)施效果

對(duì)2019 年11 月和12 月的空盤含存有殘余濾棒及空盤內(nèi)殘余濾棒清除情況進(jìn)行效果跟蹤。其中，3#濾棒發(fā)射機(jī)的檢測(cè)總盤數(shù)和殘余濾棒盤數(shù)分別是昨32 930 和10 357，4#濾棒發(fā)射機(jī)的檢測(cè)總盤數(shù)和殘余濾棒盤數(shù)分別是昨26 684 和8009（表3）。

從表3 可知，濾棒空盤自清潔系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，誤檢、漏檢率成功消除，檢測(cè)成功率達(dá)到理想的100%。通過(guò)對(duì)濾棒空盤的實(shí)施偵測(cè)以及靜電清除，濾棒吸附現(xiàn)象得到明顯改善，并且濾棒回收也增加了濾棒的利用率，提高了濾棒工段的生產(chǎn)制造能力，減小了人工負(fù)擔(dān)。

表3 殘余濾棒及空盤內(nèi)殘余濾棒清除情況統(tǒng)計(jì)表

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的濾棒自清潔系統(tǒng)在料盤回收過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行在線清潔，實(shí)現(xiàn)了濾棒清除及靜電消除的全自動(dòng)化，整體提升了濾棒成型工序的有效作業(yè)率，提高了自動(dòng)化水平，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約原輔材料，為各種料盤、托盤的在線清潔及生產(chǎn)制造各工序的靜電消除提供支持。