ZJ118A在線激光打孔煙支綜合質(zhì)量檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)＊

李華文，盧洪林，趙宇，嚴(yán)濤

［紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，云南 昆明 650231］

0 引言

細(xì)支卷煙是近幾年新興的卷煙產(chǎn)品類型，為了實(shí)現(xiàn)降焦減害，提升煙支的抽吸口感，從最初的預(yù)打孔水松紙與高透濾棒配套使用，到當(dāng)前在線激光打孔技術(shù)的推廣應(yīng)用，細(xì)支卷煙生產(chǎn)經(jīng)歷了一個(gè)吸阻數(shù)值逐漸降低，配套裝置及現(xiàn)場(chǎng)管控技術(shù)逐步完善的發(fā)展歷程。在線激光打孔具有降本增效的顯著優(yōu)勢(shì)，但在線打孔由于激光聚焦鏡安裝位置緊湊，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境中會(huì)因煙絲飛沫、粉塵堆積、保養(yǎng)不到位等因素影響而出現(xiàn)打孔缺失、漏打孔、打孔深度不夠等問(wèn)題；而國(guó)內(nèi)煙廠現(xiàn)有的各種檢測(cè)手段并不具備對(duì)在線打孔進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的能力。基于以上問(wèn)題，劉雯等［1］研究建立卷煙激光預(yù)打孔接裝紙透氣度和打孔孔徑的關(guān)系，設(shè)置不同打孔排數(shù)、孔數(shù)的激光預(yù)打孔接裝紙，分別測(cè)試其透氣度和孔面積，分析透氣度和孔面積的關(guān)聯(lián)性，建立數(shù)學(xué)模型。張桂蓮等［2］針對(duì)某水松紙廠存在的水松紙打孔精度不高的問(wèn)題，提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的水松紙打孔在線檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)打孔水松紙檢測(cè)的特定要求，對(duì)包含的形狀進(jìn)行信息提取、定位和參數(shù)測(cè)量。李華文等［3］研究的打孔裝置使用低角度打光方式，結(jié)合原機(jī)角度觸發(fā)相機(jī)采集到孔的高質(zhì)量清晰圖像，再采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，完成每個(gè)孔的位置提取，計(jì)算煙支運(yùn)行方向的對(duì)應(yīng)孔位置是否正確、各孔分布是否均勻，最終實(shí)現(xiàn)煙支端激光打孔位置次品雙倍煙支的移步剔除計(jì)算與研究。該裝置可在線實(shí)時(shí)檢查煙支端打孔情況，例如漏打或多打、錯(cuò)打、打孔間距不均勻等問(wèn)題，間接保障紙通風(fēng)、總通風(fēng)，滿足工藝指標(biāo)，對(duì)不合格的次品煙支即檢即剔。

ZJ118A卷接機(jī)組是目前全國(guó)煙草行業(yè)細(xì)支煙生產(chǎn)應(yīng)用推廣的煙支生產(chǎn)線主要機(jī)型，性能穩(wěn)定，工作效率高，故障率低。大多數(shù)廠家都在此機(jī)型安排生產(chǎn)中高端品牌煙支，為了降低細(xì)支煙的吸阻，提高紙通風(fēng)、濾嘴通風(fēng)及總通風(fēng)，減少焦油等危害，新增了在線煙支端、濾嘴端激光打孔裝置。但是，激光打孔裝置由于存在激光頭污染、鼓輪風(fēng)眼堵塞、撥煙輪撥煙效果不佳等現(xiàn)象，造成煙支出現(xiàn)激光打孔丟失、缺排、分布嚴(yán)重不均勻等問(wèn)題，給成品質(zhì)量帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。目前的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)只能采用操作人員隨時(shí)盯守，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題即停機(jī)處理的方式，但這種模式僅適用于大批量問(wèn)題煙產(chǎn)生的情形，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)煙支在線打孔即檢即剔是亟待解決的問(wèn)題。同時(shí)，“中空”特殊濾嘴在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)煙支缺嘴、濾嘴少“中空”、絮狀物填充“中空”部分、濾嘴切割錯(cuò)位無(wú)“中空”等現(xiàn)象，原機(jī)只采用1 支光電管檢測(cè)濾嘴的有無(wú)，無(wú)法解決“中空”濾嘴引發(fā)的一系列質(zhì)量隱患。

基于上述問(wèn)題，本文針對(duì)卷煙工廠在線激光打孔煙支生產(chǎn)中對(duì)打孔質(zhì)量的切實(shí)需求，研發(fā)激光打孔質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)中對(duì)每支煙支進(jìn)行實(shí)時(shí)打孔質(zhì)量檢測(cè)，即時(shí)判斷煙支打孔出現(xiàn)的問(wèn)題及中空濾嘴缺陷的發(fā)生，在線同步剔除缺陷煙支、統(tǒng)計(jì)缺陷類型及缺陷概率，保障打孔煙支的綜合質(zhì)量。

1 激光孔的軟件算法

1.1 激光孔圖像的畸變和矯正

激光孔圖像的畸變主要有2種：徑向畸變和切向畸變。

1.1.1 激光孔徑向畸變

徑向畸變正中心位置的畸變最小，隨著半徑的增大，畸變?cè)龃蟆＜す饪讖较蚧兛梢苑譃檎硇位兒屯靶位儯ㄈ鐖D1所示）。

圖1 徑向畸變示意圖

激光孔徑向畸變矯正公式如下（泰勒級(jí)數(shù)展開式前3項(xiàng)）：

其中：k是徑向畸變系數(shù)；r是半徑；(x,y)是理想坐標(biāo)；xdr和ydr是畸變后的像素點(diǎn)坐標(biāo)且r2=x2+y2。

1.1.2 激光孔切向畸變

切向畸變?cè)谕哥R與成像平面不平行時(shí)就會(huì)產(chǎn)生，類似于透視變換（如圖2所示）。

圖2 切向畸變示意圖

激光孔切向畸變的矯正公式如下：

其中，p是切向畸變系數(shù)。

1.1.3 激光孔畸變矯正步驟

2 種畸變最后都?xì)w結(jié)到5 個(gè)參數(shù)：k1、k2、k3、p1、p2，知道這5個(gè)參數(shù)后即可完成畸變的矯正，矯正步驟如下：①準(zhǔn)備標(biāo)定圖片。標(biāo)定圖片需要使用標(biāo)定板在不同位置、不同角度、不同姿態(tài)下拍攝，最少需要3 張，以10～20 張為宜。標(biāo)定板是黑白相間的矩形構(gòu)成的棋盤圖，制作精度要求較高。②用標(biāo)定板得到相機(jī)內(nèi)參。③根據(jù)相機(jī)內(nèi)參得到畸變映射參數(shù)。④根據(jù)映射圖像校正畸變圖像。

1.2 煙支燃燒端、濾嘴端激光打孔檢測(cè)算法

通過(guò)霍夫圓變化得到激光打孔的外接圓，確定打孔數(shù)量。笛卡爾坐標(biāo)系中圓的方程如下：

可以得到：

其中：（a，b）是圓心。

對(duì)圖像中所有的點(diǎn)進(jìn)行上述操作。如果2個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行上述操作后得到的曲線在空間a-b-r相交，即它們有一組公共的（a，b，r），意味著它們?cè)谕粋€(gè)圓上。越多曲線交于一點(diǎn)，意味著這個(gè)交點(diǎn)表示的圓由更多的點(diǎn)組成?？梢栽O(shè)置一個(gè)閾值決定多少條曲線交于一點(diǎn)即檢測(cè)到了一個(gè)圓。如果交于一點(diǎn)的曲線的數(shù)量超過(guò)了閾值，那么可以認(rèn)為這個(gè)交點(diǎn)所代表的參數(shù)（a，b，r）在原圖像中為一個(gè)圓。

使用Canny 邊緣檢測(cè)算子得到煙支端面的邊緣直線，再通過(guò)得到的圓心位置計(jì)算圓心距及各圓心到煙支端面的距離。Canny算法的步驟如下。

一是利用高斯濾波對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理。

二是利用一階偏導(dǎo)算子找到圖像灰度沿著水平方向Gx和垂直方向Gy的偏導(dǎo)數(shù)，并按公式（5）和公式（6）求出梯度的幅值和方位。

三是對(duì)梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制，即找到局部梯度最大值。

四是用雙閾值算法檢測(cè)和鏈接邊緣。假設(shè)激光打孔外接圓圓心的坐標(biāo)為A（x1，y1）、B（x2，y2），圓心之間的距離|AB|可以通過(guò)公式（7）計(jì)算。

假設(shè)煙支端面的直線方程為y=kx+b，圓心坐標(biāo)為(x0,y0)，圓心到直線的距離d可以通過(guò)公式（8）計(jì)算。

1.3 濾嘴端面的幾何形態(tài)檢測(cè)識(shí)別

端部圖像采集采用同軸打光搭配無(wú)相差的遠(yuǎn)心鏡頭和高幀率相機(jī)構(gòu)成，以便在最小的按組行空間采集到最佳的端部圖像。

1.3.1 中空絮狀物異常

對(duì)采集到的濾棒端面圖像去除噪聲。去噪方式選用中值濾波法，采用3×3 的濾波窗口，以盡可能地保存圖像的細(xì)節(jié)信息。濾棒圖像中的背景部分存在略微明顯的白色噪點(diǎn)，采用中值濾波可以取得較好的抑制效果。

通過(guò)計(jì)算中空濾棒外圓的外接圓、內(nèi)圓的內(nèi)接圓以及2 個(gè)圓的圓心距判定是否存在中空。d＞T，說(shuō)明無(wú)中空；d≤T，說(shuō)明有中空（T表示預(yù)置的閾值）。

圖像二值化，用圓形區(qū)域進(jìn)行閉運(yùn)算，能達(dá)到保留圓弧邊、消除毛刺的效果。如果結(jié)構(gòu)元素為圓形，膨脹操作可填充圖像中比結(jié)構(gòu)元素小的孔洞以及圖像邊緣處小的凹陷部分；腐蝕則可以消除圖像中的毛刺及細(xì)小連接成分，并將圖像縮小，從而使其補(bǔ)集擴(kuò)大。在膨脹和腐蝕2 個(gè)基本運(yùn)算的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)造出形態(tài)學(xué)運(yùn)算簇，它是由膨脹和腐蝕2個(gè)運(yùn)算的復(fù)合與集合操作（并、交、補(bǔ)等）組合而成的所有運(yùn)算構(gòu)成。首先對(duì)圖像進(jìn)行膨脹操作，然后腐蝕其結(jié)果，此過(guò)程稱為閉運(yùn)算。對(duì)于圖像X及結(jié)構(gòu)元素S，用符號(hào)X·S表示S對(duì)圖像X作閉運(yùn)算，它的定義為X·S=(X⊕S) -S。采用背景差分法，得到毛刺或絮狀物?；旌细咚菇＃?/p>

其中：I是輸入的像素；N是混合高斯模型；wq是混合高斯模型中第q個(gè)高斯分布的權(quán)值；μq和σ2q分別表示混合高斯模型中第q個(gè)高斯分布的均值和方差。q個(gè)高斯分布按照的值從大到小排序。選取排序序列中前B個(gè)高斯分布作為背景像素模型，選取方式如下：

其中：T為預(yù)置的閾值（0.5 ≤T≤1），即排序靠前的高斯分布的權(quán)值之和大于T所需的最少高斯分布個(gè)數(shù)。

獲取到背景圖像幀B以后，記當(dāng)前視頻圖像幀為fn，背景幀和當(dāng)前幀對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值分別記為B（x，y）和f（nx，y），將兩幀圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值相減，并取其絕對(duì)值，得到差分圖像Dn：

差分后得到“中空”濾嘴毛絮。

1.3.2 中空同心圓異常

識(shí)別中空同心圓異常的計(jì)算過(guò)程如下：①利用閾值分割對(duì)濾棒端面進(jìn)行二值化，提取端面連通區(qū)域。②對(duì)二值化圖像的內(nèi)圓進(jìn)行填充，再用Canny 算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)得到完整的外圓輪廓。③把二值化后的圖像和填充的內(nèi)圓圖像進(jìn)行異或操作，得到外輪廓和內(nèi)圓的異或圖。④把得到的外圓輪廓圖像和外輪廓加內(nèi)圓的圖像進(jìn)行異或操作，得到內(nèi)圓連通區(qū)域。⑤對(duì)得到的內(nèi)圓圖像用Canny 算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，得到完整的內(nèi)圓的輪廓。⑥得到2 個(gè)外圓和內(nèi)圓輪廓后，用最小二乘法對(duì)2 個(gè)輪廓進(jìn)行圓擬合，進(jìn)而得到2 個(gè)圓。⑦擬合出內(nèi)外圓即可得到外圓的圓心坐標(biāo)（x1，y1）和半徑R，內(nèi)圓的圓心坐標(biāo)（x2，y2）和半徑r。通過(guò)2 個(gè)圓的信息可以計(jì)算得出圓心距d=（計(jì)算偏心程度）；大壁厚L1=R-(r-d)；小壁厚L2=R-(r+d) 。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心硬件由高性能工控機(jī)、高幀率面幀相機(jī)、時(shí)序驅(qū)動(dòng)模塊、光源控制器等硬件構(gòu)成。系統(tǒng)控制原理如圖3所示，圖像采集模組采用雙相機(jī)并行采圖模式，煙支端環(huán)孔采圖的每個(gè)工位有2個(gè)相機(jī)同時(shí)對(duì)運(yùn)行中的煙支序列的奇偶2 支煙支進(jìn)行同步單面采圖，通過(guò)CPU 高速并行處理后對(duì)缺陷煙支進(jìn)行剔除、統(tǒng)計(jì)等功能的操作。

圖3 系統(tǒng)控制原理框架圖

2.2 濾嘴端激光孔和濾嘴端面圖像采集模組的設(shè)計(jì)

由于打孔后煙支在鼓輪上運(yùn)行時(shí)，貼合鼓輪一面的圖像沒(méi)辦法拍到，因此濾嘴端激光環(huán)孔和端面圖像采集采用A、B2組集成圖像模組分別在2個(gè)鼓輪上進(jìn)行拍照采圖，A 模組采集1 支煙支的正面圖像，經(jīng)過(guò)鼓輪交接后，再由B 模組采集同一支煙支對(duì)應(yīng)的背面圖像，利用圖像處理軟件并行處理，將同一支煙支的A、B 面圖像的處理結(jié)果合并判斷后，判別當(dāng)前煙支為合格煙支或不合格煙支。

為實(shí)現(xiàn)高速并行采圖計(jì)算的需求，每一個(gè)模組由2 臺(tái)激光環(huán)孔采集相機(jī)+1 臺(tái)端面圖像采集相機(jī)構(gòu)成；3 臺(tái)相機(jī)通過(guò)結(jié)構(gòu)緊湊的外殼和光源封裝在一起，防護(hù)等級(jí)高，能有效避免煙灰粉塵對(duì)相機(jī)的干擾影響。圖像模組中的3臺(tái)相機(jī)都配裝有無(wú)相差畸變的遠(yuǎn)心鏡頭（如圖4所示）。

圖4 集成模組的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 相機(jī)模組及剔除位置的安裝

分別在中間輪、傳送輪上安裝相機(jī)模組A 和相機(jī)模組B（如圖5 所示）；由于剔除口已經(jīng)過(guò)了原機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)剔除工位，所以改造后借用取樣輪作為缺陷煙支的剔除口，同時(shí)保留原機(jī)的取樣功能。

圖5 相機(jī)模組及剔除口位置安裝示意圖

2.4 時(shí)序驅(qū)動(dòng)模塊及視覺(jué)控制器

采用具有FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）核心的驅(qū)動(dòng)模塊控制整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)與卷煙機(jī)同步。從卷煙機(jī)獲取同步脈沖信號(hào)并在預(yù)標(biāo)定位置輸出采圖信號(hào)，觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行采圖；接收到視覺(jué)控制器的不合格信號(hào)后，在預(yù)定義的位置驅(qū)動(dòng)電磁閥將缺陷煙支剔除。

視覺(jué)控制器由采用4.7 GHz 高頻版“志強(qiáng)”CPU處理器的工業(yè)主機(jī)構(gòu)成，配置有高速固態(tài)硬盤和RTX3090Ti高速圖形處理顯卡；“志強(qiáng)”CPU處理器能在滿足多線程高速圖像處理的同時(shí)，長(zhǎng)期不間斷穩(wěn)定運(yùn)行。

在視覺(jué)控制器上運(yùn)行專用檢測(cè)軟件，用于圖像采集、圖像處理、缺陷檢出及分類、缺陷顯示、數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)置等。

3 檢測(cè)效果

ZJ118A 圖像采集模組安裝位置如圖6 所示，濾嘴端激光環(huán)孔及濾嘴端中空檢測(cè)為U 組采圖模組、D組采圖模組，燃燒端激光孔檢測(cè)為R 組采圖模組。設(shè)備按設(shè)計(jì)論證的工作模式進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，能實(shí)時(shí)采集到ZJ118A接裝機(jī)全速運(yùn)行中煙支的清晰圖像。

圖6 圖像采集模組安裝位置

3.1 濾嘴端激光環(huán)孔檢測(cè)效果

檢測(cè)系統(tǒng)檢出以下打孔問(wèn)題并正確剔除次品煙支：①在線濾嘴端雙排激光打孔裝置漏打（單支煙單排正常打孔數(shù)量為15 個(gè)，除U 組、D 組工位無(wú)法探測(cè)到鼓輪吸附面的激光孔外，單檢測(cè)工位在成像角度中心±60°范圍內(nèi)至少檢測(cè)5 個(gè)孔）；②雙打錯(cuò)位超過(guò)±100%（正常雙排完全平齊，錯(cuò)位為0，現(xiàn)以正常孔間距約為1.13 mm 計(jì)算錯(cuò)位距離）；③外排打孔距濾嘴端面超過(guò)±10%（正常外排距濾嘴端面約12.8 mm）；④雙排打孔間距超過(guò)±35%（正常雙排間距約為1.5 mm）；⑤針對(duì)U組、D組在成像角度中心±60°范圍內(nèi)能檢測(cè)到的5個(gè)孔，單排打孔間距超過(guò)±100%（正?？组g距約為1.13mm）。

3.2 “中空”濾嘴檢測(cè)效果

檢出不合格“中空”濾嘴（至少包含無(wú)“中空”“中空”被絮狀物填充）等次品煙支并正確剔除。

3.3 燃燒端激光排孔檢測(cè)效果

檢出在線煙支端激光打孔裝置漏打或多打（單支煙正常打孔數(shù)量為4 個(gè)）、錯(cuò)打超過(guò)±50%（第一個(gè)孔距煙絲端面約4.5 mm）、打孔間距不均勻超過(guò)±50%（正?？组g距約為2.8 mm）等錯(cuò)誤，次品煙支都被正確剔除。

3.4 剔除效果

經(jīng)過(guò)連續(xù)在線的試運(yùn)行及視覺(jué)算法的迭代，驗(yàn)證了軟件的功能，在線運(yùn)行中抓取識(shí)別并成功剔除了不同類型缺陷的煙支；驗(yàn)證結(jié)果見表1。

4 結(jié)語(yǔ)

本裝置用于檢測(cè)ZJ118A 卷煙機(jī)在卷煙生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的激光打孔缺陷煙支和“中空”濾嘴缺陷煙支，一旦檢測(cè)到相關(guān)缺陷即通過(guò)聲光報(bào)警提示操作人員，通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)移位后在原機(jī)剔除工位直接剔除。同時(shí)，該裝置具備人機(jī)交互功能，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行中煙支圖像的采集、統(tǒng)計(jì)檢測(cè)總數(shù)、質(zhì)量缺陷計(jì)數(shù)等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)具有質(zhì)量缺陷煙支的存圖、統(tǒng)計(jì)、剔除及生產(chǎn)班次自動(dòng)切換管理等功能，能有效地保證在線打孔煙支的質(zhì)量。