煙盒六面外觀檢測裝置的設(shè)計

歐陽冰

（深圳煙草工業(yè)有限責任公司 廣東省深圳市 518000）

伴隨著智能制造業(yè)的不斷發(fā)展與完善，在煙盒的生產(chǎn)過程中，煙盒六面的質(zhì)量水平已經(jīng)變得越來越重要，煙盒六面的外觀質(zhì)量不但直接體現(xiàn)著香煙產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量水平，更是代表著企業(yè)的實際生產(chǎn)工藝質(zhì)量，是一個香煙企業(yè)綜合實力的有效體現(xiàn)。因此，當前的香煙制造企業(yè)對煙盒六面的外觀檢測工作給予了高度的關(guān)注與重視，特別是在煙盒六面外觀檢測裝置的設(shè)計上，檢測裝置設(shè)計的科學與否，直接影響到實際的煙盒六面檢測效果，需要當前的設(shè)計人員切實做好設(shè)計工作，確保檢測工作的順利進行。

1 功能特征

在信息技術(shù)不斷發(fā)展與完善的時代背景下，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與當前的制造業(yè)開始相互融合發(fā)展，進而在制造業(yè)中引發(fā)了極大的變革，制造業(yè)的生產(chǎn)目標也開始由以往的數(shù)量型生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)向成為質(zhì)量型生產(chǎn)。制造業(yè)開始通過提升產(chǎn)品質(zhì)量來有效的提高產(chǎn)品的附加價值以及銷售利潤，從而最大限度的提升產(chǎn)品的市場競爭力以及市場競爭地位，而且是提升產(chǎn)品質(zhì)量的方式有很多，但是最為常見的方式還是以檢測其外觀質(zhì)量為主。影響香煙產(chǎn)品質(zhì)量的內(nèi)外部因素有很多種，例如，產(chǎn)品的外觀、品質(zhì)以及口感等。不僅是用戶，當前的制造業(yè)對于生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量的要求也變得越來越高。特別是對產(chǎn)品的外觀質(zhì)量的要求，更是在逐年的提升。當前消費者對于產(chǎn)品外觀的要求已經(jīng)逐漸高于產(chǎn)品本身的質(zhì)量需求。倘若煙盒在生產(chǎn)出來后，其六面存在一些變形、劃傷以及污漬等問題缺陷，勢必會導致煙盒的美觀度下降，其產(chǎn)品的市場價值也會隨之受到一定的影響。

當前借助應(yīng)用成像原理而設(shè)計出來的小包外包裝檢測裝置已經(jīng)在諸多的煙廠開始進行實際的應(yīng)用，本企業(yè)切實依據(jù)生產(chǎn)制作小包檢測裝置的設(shè)計經(jīng)驗以及各大煙廠的實際使用情況，生產(chǎn)設(shè)計出了適應(yīng)能力強且檢測效率高的小包外觀檢測儀器。該小包外觀檢測儀器適用于當前小包硬盒生產(chǎn)線，其自身所具有的特點具體如下。

本企業(yè)所研發(fā)設(shè)計出的小包外觀檢測儀器共配備四個相機，可以對煙盒的六個面進行同時檢測，與以往的煙盒外觀檢測儀器相比較而言，本企業(yè)所設(shè)計的小包外觀檢測儀器成功的避免了兩個相機檢測五個面的問題。每個相機的實際檢測窗口一般都可以達到128個。在對煙盒六面外觀進行檢測的過程，可以對煙盒進行自主的分包，從而在一定程度上避免連包問題，進而有效的降低檢測過程中的漏檢、漏剔以及誤剔等檢測問題的出現(xiàn)，同時該項煙盒分包技術(shù)已經(jīng)申請并獲得了國家專利的認可。

本企業(yè)所設(shè)計研發(fā)出來的煙盒六面檢測裝置使用了高亮度的LED無影柔光光源，以及頻閃光源控制器，不僅不會在煙盒的六面外觀上形成阻礙檢測的光斑以及光影，同時還可以有效的延長光源的使用時間，其檢測圖像的成像清晰度也要高于以往的煙盒六面外觀檢測儀器。質(zhì)量好的光源對于獲取煙盒六面外觀的質(zhì)量圖像有著極為重要的作用，本企業(yè)所設(shè)計使用的光源能夠在一定程度上提升預處理圖片的物體體征，并降低不需要關(guān)注的物體以及噪聲的干擾。煙盒六面的外觀質(zhì)量問題屬于小目標，檢測人員用人眼是很難發(fā)現(xiàn)的，需要借助亮度相對較高的光源才能使圖像變得清晰，因此檢測設(shè)計人員在儀器上才選配了無影柔光光源，以及頻閃光源控制器。

小包外觀檢測儀器中所使用到的主要元器件都是使用國外進口的產(chǎn)品，全部出自大品牌之手，其元器件的性能不僅穩(wěn)定可靠，而且其工作效率也相對較高，當元器件出現(xiàn)故障時，可以直接使用備用件對其進行更換，簡單方便。小包外觀檢測儀器中所使用的圖像處理器，是日本Keyence公司所研制的新一代處理器，能夠在實際的工作中安置多個檢測點，以此來對煙盒六面外觀進行高質(zhì)量的檢測，同時真正的實現(xiàn)通信功能，使用的是嵌入式系統(tǒng)，在高速運轉(zhuǎn)的過程中，可以保持長久的穩(wěn)定性并不會死機。同時MAC高速氣閥吹氣剔除，從而可以完成實時的持續(xù)準確剔除。

除此之外，小包外觀檢測儀器不僅運行穩(wěn)定，且實際工作中的故障率相對較低，并具有一定的防塵、防震以及抗干擾等功能。針對檢測數(shù)據(jù)和NG圖片的數(shù)據(jù)采集而言，對所采集的NG窗口、時間以及頻率等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一般的保存時間為1年，檢測儀器會自動刪除一些時間相對較早的NG圖片數(shù)據(jù)，并留有數(shù)據(jù)采集的接口。小包外觀檢測儀器利用圖像傳感器對生產(chǎn)出來的良品煙盒進行學習，并將其他與之不相符的煙盒評定為不良制品，并對煙盒產(chǎn)品的實際出廠參數(shù)進行快速的檢測，從而在一定程度上減少當前操作人員的調(diào)試以及檢測工作作業(yè)量。因為要對煙盒的六面外觀進行檢測，因此需要截取原有皮帶機的400毫米來對當前的煙盒六面外觀檢測儀器進行安裝，在對煙盒六面外觀檢測儀器安裝完成后，再將皮帶機進行重新的連接，對皮帶機進行接駁時，要是專業(yè)的接駁設(shè)備，以此來提升皮帶機的接駁速度，通常情況下，可以在30分鐘內(nèi)完成皮帶機的接駁，根據(jù)多家使用單位的實際經(jīng)驗考證，皮帶進行接駁后的實際使用年限為5到8年。

2 系統(tǒng)組成

2.1 電氣結(jié)構(gòu)

本企業(yè)所設(shè)計研發(fā)的小包外觀檢測儀器的電氣結(jié)構(gòu)主要有以下幾部分組成，分別為光源控制器、圖像處理器、相機、光源、PLC等。煙盒六面外觀檢測儀器電氣結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1：煙盒六面外觀質(zhì)量檢測儀器電氣結(jié)構(gòu)圖

本文以電氣結(jié)構(gòu)中的相機為例，對其相機的有關(guān)設(shè)計進行簡單的闡述。根據(jù)當前的掃描方式的不同，用于煙盒六面外觀質(zhì)量檢測的相機屬于工業(yè)相機，其中工業(yè)相機又可以分為面陣相機以及線陣相機，因為需要對煙盒六面外觀質(zhì)量進行檢測，檢測人員需要得到一定的二維圖像特征，因此在設(shè)計中所使用到的相機為面陣相機。相機按拍照的色彩也可以分為黑白或是彩色。當煙盒通過傳感器位置時，如果選用了黑白相機，將無法對煙盒六面的外觀質(zhì)量進行有效的核查，因此，隨時用的為彩色相機。上文曾提及在檢測過程中會留存數(shù)據(jù)通信接口，一般情況下，工業(yè)相機的常見數(shù)據(jù)接口一般有USB2.0、USB3.0以及GigE等接口，在實際的設(shè)計中會切實依據(jù)當前小包硬盒生產(chǎn)線的實際檢測需求來甄選最為合適的通訊數(shù)據(jù)接口。如表1所示。

表1：數(shù)據(jù)接口優(yōu)劣勢對比表

Camera Link 采集速度相對較快，相機參數(shù)設(shè)置簡易。相機數(shù)量少，且價格昂貴，需要一定的相機文件作為支持。

同時，相機的實際分辨率對煙盒六面外觀的細節(jié)處理有著相對重要的作用，相機的自身分辨率越高，對煙盒六面外觀的圖像采集就越清晰，其中一些小的缺陷或是質(zhì)量問題就越容易被檢測出來。相機的鏡頭就是人體的眼睛一樣，更為精準點說，相機就像人體眼睛中的晶狀體，外界物質(zhì)通過光線的照射，再將光線反射到人體的眼睛之中。在小包硬盒煙盒的檢測過程中，相機鏡頭會向所要照明的物體經(jīng)過光線的發(fā)射，來傳遞到傳感器上、之后相機就會將接收到了的電信號轉(zhuǎn)化成為圖像信號，鏡頭與相機之間的實際匹配質(zhì)量將之間影響著圖像的清晰度，對煙盒六面外觀的檢測工作也有著極大的影響，所以檢測技術(shù)人員需要在實際工作開始之前，甄選出最為合適的鏡頭，所使用的CCD機型其參數(shù)初始數(shù)值為表2所示。

表2：CCD機型的參數(shù)初始值表

當使用相機對煙盒六面外觀進行檢測時，一旦良品煙盒被判定為NG產(chǎn)品時，檢測人員需要按照程序?qū)ζ溥M行處理。當良品煙盒被誤判成為NG產(chǎn)品時一般可以分為以下三種情況，第一，檢測到煙盒六面上存在淺談的缺陷，第二，誤檢到工件以及圖形的輪廓忽視特定的位置，第三，誤檢到了細小的缺陷、這時檢測人員可以在操作屏幕上點擊“追加學習”按鍵，對煙盒進行重新的檢測。若是在“追加學習”后，小包外觀檢測儀器還是可以檢測出煙盒存在一定的缺陷，檢測人員可以對“缺陷濃度下限”進行提升。若是仍然發(fā)生誤檢的行為，檢測人員可以在良品學習的界面將“降低干擾”選項進行勾選，并提升其初始參數(shù)。倘若是位置偏移補正失敗，檢測人員可以通過“位置偏移補正”來對其參數(shù)進行設(shè)定。倘若在“追加學習”后，小包外觀檢測儀器仍可以檢測出良品煙盒存在細小的缺陷，可以將“缺陷量”的初始參數(shù)進行上調(diào)。

最后，是對電機的選擇，電機一般可以分為兩種，分別為步進電機以及伺服電機兩種。步進電機是通過對脈沖的數(shù)量來控制其相機的轉(zhuǎn)動角度，每一個脈沖信號都可以控制著一個步距。在步進電機進行慢速運動時，會出現(xiàn)一定的低頻波動。而伺服電機與步進電機相比較而言，具有一定的優(yōu)勢。第一，在實際的運行過程中，當相機的驅(qū)動器接收到脈沖反饋時，電機將會計算其脈沖數(shù)量，并對其步距位置進行計算，一般可以精確在0.001毫米。伺服電機具有一個的自我調(diào)節(jié)能力，在慢速運動下，可以自主的尋找共振點，以此來促進電機的平穩(wěn)運行。同時伺服電機的實際控制方式為閉環(huán)控制，內(nèi)部運行的主體架構(gòu)是相互補充的，并且其實際的反應(yīng)速度是相當快的，一般只需要幾毫米的時間。

2.2 分煙機構(gòu)

上文曾提及到本企業(yè)所設(shè)計研發(fā)的分煙機構(gòu)已經(jīng)申請并獲取了國家專利的認證，切實符合小包硬盒生產(chǎn)線的實際檢測以及分煙需求。適應(yīng)“爛煙”以及“脹包”等類型的分煙，在當前的實際檢測工作中適應(yīng)性相對較強，最大限度的避免了傳統(tǒng)檢測儀器在實際的檢測工作中，無法進行剔除連包煙盒的檢測缺陷。分煙機構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2：分煙機構(gòu)示意圖

圖2中的圓形皮帶的實際線運轉(zhuǎn)速度是小包煙盒運輸?shù)狡俣鹊?.9倍，二者之間所產(chǎn)生的速度差，是可以將連包煙盒進行有效的分離的，一般的分離距離為50毫米到80毫米左右，其中普通小包的長度為90mm，同時可以持續(xù)的剔除機構(gòu)的入口處，以此來保證煙盒在整體的運行過程中都是經(jīng)由皮帶所夾住，來進行運行的，從而有效的實現(xiàn)了煙盒的自主分包。

2.3 處理算法

在對小包外觀進行六面的實時檢測過程中，小包外觀檢測儀器會對傳送帶上的煙盒進行六面拍攝，將拍攝的圖片輸入到計算機的圖像處理軟件之中，之后借助圖像處理算法來對煙盒的圖像的特征進行分析，之后技術(shù)人員可以借助計算機的幫助，來將外觀檢測儀器所拍攝的圖像與企業(yè)產(chǎn)品標準圖像進行對比，并對其對比數(shù)據(jù)進行分析，將所得到的結(jié)果輸出，并通過有關(guān)的指令控制I/O對其執(zhí)行有關(guān)動作。當前由企業(yè)所生產(chǎn)的煙盒在產(chǎn)出過程中一般所存在的外觀缺陷主要可以分為六點。

（1）有煙盒上沒有封簽、封簽沒有在煙盒的居中位置，封簽的部位出現(xiàn)了損壞。

（2）沒有煙盒的包裝紙。包裝出現(xiàn)搓搓，包裝紙存在錯牌。

（3）煙盒的包裝紙傾斜或是錯位，其連接處有些許翹起。

（4）煙盒的包裝紙存在一定的破損，印刷處存在一定的污染。

（5）煙盒的油封線錯位。

（6）煙盒出現(xiàn)嚴重的形變。

針對煙盒外觀進行檢測，其中所包含的算法是相對較為困難的開發(fā)技術(shù)難點，因為，在相對較為優(yōu)異的算法控制下，其煙盒外觀的檢測質(zhì)量及效率才會切實的提升，在算法圖庫中存在著諸多的圖像處理函數(shù)，在這些函數(shù)的基礎(chǔ)上，地當前的煙盒外觀檢測算法進行優(yōu)化與設(shè)計，可以切實提升當前煙盒外觀檢測質(zhì)量，降低復檢次數(shù)，為企業(yè)節(jié)約煙盒檢測成本。值得注意的是，為行之有效的滿足當前檢測系統(tǒng)的要求，其設(shè)計軟件需要具備一定的數(shù)據(jù)上傳性能。為有效的滿足當前煙盒外觀檢測質(zhì)量與效率，技術(shù)人員在確保檢測儀器架構(gòu)無誤的情況下，要對其硬件配置進行合適的搭配，其所要使用的硬件設(shè)施要具有一定的經(jīng)濟適用性以及運行可行性。在硬件配置中需要含有數(shù)字照相機、照明機構(gòu)以及I/O控制系統(tǒng)。以此來充分的保證其檢測質(zhì)量與效率。

在其算法的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員需要借助I/O控制系統(tǒng)，對煙盒外觀的檢測情況進行分析與控制。在小包外觀檢測裝置上的相機對煙盒進行拍攝后，就需要將工控機上的圖像進行分析處理。倘若煙盒外觀的色差以及角度都要算法的公差之內(nèi)，那就可以說明該煙盒的外觀質(zhì)量是合乎規(guī)定的，反之，就是外觀不合理。要對其處理完成后，就可以借助I/O控制面板將數(shù)據(jù)信息及時的輸送給主控系統(tǒng)，再由主控系統(tǒng)對其進行數(shù)據(jù)處理，對不合格的煙盒進行剔除并對其進行跟蹤，同時主控系統(tǒng)也會將檢測結(jié)果上傳到企業(yè)的信息服務(wù)器之中，為后續(xù)的煙盒外觀檢測以及煙盒外觀檢測標準的制定提供客觀真實的數(shù)據(jù)信息。同時其所預留下來的數(shù)據(jù)控制接口可以用來接收遠程命令，以此來對當前的煙盒檢測工作進行集中控制，從而有效的提升當前煙盒外觀檢測工作的質(zhì)量與效率。

2.4 控制系統(tǒng)

小包外觀檢測儀器的控制系統(tǒng)一般分為兩個主體部分，分別為邏輯控制部分以及檢測控制部分。邏輯控制部分一般是指一些電機的啟動與關(guān)閉、剔除控制以及反向堵煙判斷等，而檢測控制部分則包含觸發(fā)控制、NG窗口統(tǒng)計以及PC通信檢測數(shù)據(jù)等。同時檢測裝置中的煙盒輸送方式的設(shè)計，是直接關(guān)系到煙盒的六面外觀能否被同時進行相機覆蓋的主要因素，并且其檢測裝置的實際結(jié)構(gòu)也要受到其影響。檢測控制部分一般都是使用二次成像技術(shù)，在煙盒被皮帶夾持時，相機會對煙盒的上下兩個面進行檢測，同時其他相機就會對煙盒的前后左右四個方位進行檢測覆蓋，以此來完成對煙盒的六面檢測。

小包外觀檢測儀器使用了日本KEYENCE公司的CV-X系列圖像處理器，該項圖像處理器是KEYENCE公司的新一代研發(fā)產(chǎn)品，可以兼容CV-5000系列的處理器中的所有功能，并在其中增加了一項智能學習功能，將以往的手柄操作模式調(diào)整為當前的鼠標操作。其中智能學習功能是指小包外觀檢測儀器借助對良品煙盒的學習，以此來有效的增加當前煙盒產(chǎn)品的檢測參數(shù)，進而降低檢測人員的工作量，倘若需要對煙盒的某一部位進行重點檢測，只需要技術(shù)人員在其中增加一定的小窗口數(shù)量即可，小包外觀檢測儀器對良品煙盒的智能學習步驟如下，首先，需要對其定位進行設(shè)置，之后要將檢測窗口進行設(shè)定，并在皮帶上傳送一些良品煙盒，讓小包外觀檢測儀器對良品煙盒進行智能學習。同時，可以對其上下限的參數(shù)進行檢測，在操作界面上點擊良品學習后，便可以對其進行復數(shù)的追加，對良品煙盒的偏差數(shù)據(jù)進行保存，在操作屏幕上，檢測人員只需要點擊“REC”按鍵，并放置良品，之后點擊“追加學習”便可以將良品煙盒的圖像進行存儲，同時值得注意的是，在外部也可以觸發(fā)良品煙盒的存儲圖像，小包外觀檢測儀器每追加一次智能學習，在其指示區(qū)域內(nèi)就會增加一個指示圖標，一頁的指示圖標約為30個。

2.5 剔除機構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集

為了更好的適應(yīng)加速后的煙包剔除，本企業(yè)使用了流量相對較大的MAC高速電磁閥，并對小包外觀檢測儀器的剔除噴嘴做了相對較為專業(yè)的研究與分析，從而使得當前的NG煙包在滿足剔除標準時可以被儀器進行高效率的剔除。借助計算機技術(shù)、圖像處理器、PLC通訊以及NG圖片的采集來有效的完成當前的檢測數(shù)據(jù)采集。

3 技術(shù)規(guī)格

本企業(yè)所設(shè)計的小包外觀檢測儀器其基本規(guī)格類型主要有以下幾種，分別為電源電壓、實際功率、檢測箱尺寸、控制箱尺寸、設(shè)備總質(zhì)量以及剔除機構(gòu)尺寸。其中電源電壓為220V?AC±10%/50Hz，實際運行功率為400W，檢測箱規(guī)格（包含分煙機構(gòu)）為516×420×430（cm），控制箱尺寸為550×400×450（cm），設(shè)備總體質(zhì)量為70千克。其中檢驗規(guī)格表具體如表3所示。

表3：檢測儀器檢測規(guī)格表

4 安裝位置以及方法

對小包外觀檢測儀器的安裝需要將原有的小包跑道進行截斷，截斷長度約為400mm，并將我司專利設(shè)計的分包機構(gòu)加裝到截斷的缺口處。并對截斷的小包跑道進行重新的更換或是對其進行接駁，之后將控制箱以及安裝箱進行安裝，最后將剔除機構(gòu)進行最后的安裝，其中檢測以及剔除部分的實際長度約為700毫米。同時在對煙盒進行六面檢測時，其底面的檢測是最為薄弱的環(huán)節(jié)，為切實做好六面檢測，需要在煙盒的傳輸方式上進行特殊的設(shè)計，使得數(shù)字相機可以充分的檢測到煙盒的底部，完成煙盒六面外觀的同時檢測。

5 結(jié)論

綜上所述，隨著經(jīng)濟的發(fā)展與社會的進步，制造業(yè)要想在復雜多變的市場經(jīng)濟中脫穎而出，就需要不斷的提升自身的產(chǎn)品制造質(zhì)量，以此來充分的提升只是你的產(chǎn)業(yè)核心競爭力以及市場經(jīng)濟地位，而提升產(chǎn)品質(zhì)量最為有效的手段就是控制產(chǎn)品質(zhì)量。并且當前消費者對于產(chǎn)品外觀的需求已經(jīng)開始高于對其本身質(zhì)量的需求。因此，當前的煙盒在出廠之前，一定要切實做好外觀檢測，煙盒的外觀質(zhì)量也是其產(chǎn)品整體質(zhì)量的主要體現(xiàn)。所以，當前的技術(shù)人員要切實做好檢測儀器設(shè)計，以此來充分的確保當前煙盒六面外觀檢測工作，進而使得企業(yè)的經(jīng)濟效益可以達到最大化。