復合型煙支檢測系統設計

　　顧昌鈴

　?。ㄉ虾煵輽C械有限責任公司，上海 201206）

　　摘要：設計了一種基于機器視覺(jué)和光電檢測相結合煙支檢測系統。系統將相機采集的圖像信息和光電傳感器掃描得到的電壓信號送入控制器進(jìn)行合并處理分析，最終識別出待檢煙包是否存在質(zhì)量缺陷。本系統突破的將兩種檢測技術(shù)結合在一起，優(yōu)勢互補，現已廣泛地應用在煙草包裝機上。

　　關(guān)鍵詞：機器視覺(jué)；光電檢測；空頭；缺支

　　0 引言在卷煙加工生產(chǎn)的過(guò)程中，煙支的好壞直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量，從卷接機輸送到包裝線(xiàn)的煙支因為種種原因會(huì )有各種不合格品。為了保證最終煙包內的煙支質(zhì)量，包裝線(xiàn)上需要安裝煙支檢測裝置，用于檢測煙包內單個(gè)煙支的裝填情況（空頭檢測），以及整個(gè)煙包的完整性（缺支、缺嘴檢測等），并對存在缺陷的煙包向包裝機組控制系統發(fā)送剔除信號。

　　ZB25/ZB45系列中速包裝機組是國內煙廠(chǎng)的主流機型，約有2000臺機器在使用。目前，該包裝機組上使用最多是光電式煙支檢測器，還有一些近幾年推出的機器視覺(jué)式檢測器以及少量傳統的機械接觸式檢測器。

　　光電式煙支檢測器投入市場(chǎng)較早，早期產(chǎn)品已使用超過(guò)十年，存在系統老化、可靠性下降等風(fēng)險，且在細支煙檢測、人機交互性上表現一般，同時(shí)國內部分煙廠(chǎng)開(kāi)始推廣濾嘴側具有各種圖案的異型煙，而光電式煙支檢測器無(wú)法對其進(jìn)行有效檢測；機器視覺(jué)式檢測器雖然解決了異型煙的檢測，并基本杜絕了缺支、反支煙的漏剔，但由于煙絲側的空頭情況復雜多變以及松頭的存在，因此煙絲側還存在漏剔現象。

　　基于光電式和機器視覺(jué)式各有優(yōu)勢而又都存在一些缺陷，我們將二者結合起來(lái)，設計了新型的復合型煙支檢測系統。

　　2 系統綜述

　　2.1　硬件

　　復合型煙支檢測系統采用機器視覺(jué)和光電檢測兩種技術(shù)相結合，對煙包中的缺支、缺嘴、反支以及空頭煙進(jìn)行檢測。該系統主要由控制器和煙絲側/濾嘴側圖像采集組件兩部分組成，其原理框圖如圖1所示。

　　控制器為檢測器的核心處理單元，包括人機界面和控制組件。其中人機界面由工控板和一個(gè)帶觸摸屏的彩色液晶屏組成，工控板用于操作系統及上位機軟件的運行，采用的是COM-express模塊，該模塊采用統一的行業(yè)標準，當需要進(jìn)行系統硬件升級時(shí)，無(wú)需變動(dòng)載板，只需更換COM-express模塊即可；控制組件用于工控板的外圍擴展，主要包括接口板單片機、編碼器信號采集電路、USB數據采集接口、包裝機組控制系統通訊接口、恒流源電路等。

　　煙絲側/濾嘴側傳感器包括圖像采集模塊和光電采集模塊。圖像采集模塊負責控制光源對煙支煙絲/濾嘴端面照明，通過(guò)圖像傳感器采集煙支煙絲/濾嘴端面圖像并進(jìn)行初步處理后傳送給控制器。光電采集組件負責控制光電管向煙支煙絲/濾嘴端面發(fā)射紅外光，通過(guò)模塊中單片機的ADC模塊采集經(jīng)反射產(chǎn)生的電壓信號并進(jìn)行初步處理后傳送給控制器。

　　2.2　軟件

　　本檢測系統軟件包括控制器上、下位機軟件和煙絲、濾嘴傳感器內的光電控制軟件。

　　控制器上位機軟件的功能主要包括圖像處理、數據統計、系統整體控制和與人機交互，選用的操作系統為Windows 7，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010。上位機軟件從煙絲側/濾嘴側相機接收采集到的圖像數據；通過(guò)圖像處理技術(shù)對采集到的圖像數據進(jìn)行處理，判斷是否存在空頭、缺支等缺陷，并與光電采集模塊采集的信息進(jìn)行數據合并，判斷當前煙包是否存在空頭、缺支等缺陷。若檢測到缺陷則向接口板CPU發(fā)送命令，由接口板向包裝機組控制柜發(fā)送剔除信號，處理流程如圖2所示。

　　上位機同時(shí)通過(guò)顯示屏顯示系統運行的相關(guān)信息；通過(guò)觸摸屏響應用戶(hù)的參數設置等操作。

　　控制器下位機軟件主要負責執行上位機軟件的命令，對外圍設備進(jìn)行相關(guān)操作。完成的功能主要包括：通過(guò)編碼器信號采集電路讀取編碼器的相位并傳送給上位機軟件；控制煙絲側/濾嘴側組件中的圖像采集組件在指定相位進(jìn)行圖像采集；向煙絲側/濾嘴側光電采集模塊發(fā)送相位信息；根據上位機軟件命令向包裝機組控制柜發(fā)送空頭、缺支等剔除信號。

　　光電控制軟件對下位機軟件發(fā)送的相位脈沖進(jìn)行識別，在相位掃描區間對煙絲和濾嘴端面進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，得到各排煙支的電壓曲線(xiàn)；在各煙支相位區間內計算得到各煙支煙絲/濾嘴的電壓最小值，并將該值及電壓曲線(xiàn)數據發(fā)送給控制器上位機軟件。光電控制軟件使用Keil編程工具和C語(yǔ)言進(jìn)行編程。

　　3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現

　　3.1　煙絲側/濾嘴側傳感器

　　煙絲側/濾嘴側傳感器分別包括圖像采集模塊和光電采集模塊兩部分?？紤]兩種方案設計：第一種為分體設計；第二種為一體化設計。

　　分體設計是將圖像采集模塊和光電采集模塊獨立進(jìn)行設計，采用兩個(gè)結構殼體，好處是每個(gè)獨立模塊結構上相對簡(jiǎn)單，并且二者不會(huì )相互干涉；壞處是分體式設計帶來(lái)的空間占用大，兩個(gè)模塊不能同時(shí)對一包煙進(jìn)行檢測，給現場(chǎng)安裝調試帶來(lái)不便。

　　一體化設計是將光電數據采集模塊和圖像數據采集模塊封裝成一個(gè)結構整體，使兩種檢測方式共存于一個(gè)檢測工位，且兩個(gè)模塊內部獨立運行，并且分別采用標準的輸出接口，便于升級、替換，好處是結構緊湊，現場(chǎng)安裝調試便捷，壞處是圖像采集模塊需要在煙支動(dòng)態(tài)中拍照，可能產(chǎn)生采集的圖像出現動(dòng)態(tài)模糊問(wèn)題。經(jīng)過(guò)反復試驗，我們采用提高光源亮度、減小曝光時(shí)間、優(yōu)化圖像降噪處理等方法，可以很好的解決圖像動(dòng)態(tài)模糊的問(wèn)題，達到檢測要求。

　　通過(guò)對兩個(gè)方案的試驗數據采集比較以及現場(chǎng)安裝等因素的綜合考慮，一體化設計雖然在動(dòng)態(tài)中拍照，但經(jīng)過(guò)處理可以達到使用要求，而現場(chǎng)安裝位置又緊張，因此決定采用一體化設計方案。如圖3所示為一體化設計傳感器內部結構示意圖和現場(chǎng)安裝效果。

　　3.2　控制器上位機軟件

　　控制器上位機程序采用基于對話(huà)框的Windows應用程序設計，負責圖像和光電數據處理以及系統的整體控制。其基本功能包括：通過(guò)控制組件接口板上的通訊接口與圖像采集組件通訊，從圖像采集組件接收采集到的圖像數據；通過(guò)串口接受光電數據；分別對圖像和光電數據進(jìn)行處理，判斷當前煙包中是否存在空頭、缺支等缺陷；在檢測到缺陷時(shí)向接口板CPU發(fā)送命令，告知其在指定的相位向包裝機組控制柜發(fā)送剔除信號；通過(guò)顯示屏顯示系統運行的相關(guān)信息；通過(guò)觸摸屏響應用戶(hù)的參數設置等操作。

　　圖像處理部分是上位機軟件開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，主要涉及到以下幾種處理方法：去噪、顏色分離、灰度化、二值化等?；叶然菍⒓t、綠、藍三通道彩色圖像轉化為黑、白之間的過(guò)渡色組成的單通道圖像。顏色分離是將紅、綠、藍三通道彩色圖像分離成紅、綠、藍三種顏色的單通道圖像，也可以在HSV、Lab等其它顏色空間進(jìn)行分離。二值化是通過(guò)單個(gè)或多個(gè)分割閾值將圖像中的目標和背景區域分離的過(guò)程。圖像的去噪即是圖像增強的一種，通過(guò)采用特定的方法，把CMOS成像過(guò)程中的雜質(zhì)過(guò)濾掉，以更便于后期的圖像處理。

　　控制器上位機程序功能分配表如表1所示。其具體的運行過(guò)程如下：(1)開(kāi)始進(jìn)行軟件初始化，啟動(dòng)軟件并讀取保存的配置文件，恢復之前的設置；向下位機發(fā)送初始化相機命令和基本設置命令，并查詢(xún)是否識別相機。

　　(2)軟件正常則進(jìn)入工作界面，開(kāi)始接收圖像，并對其進(jìn)行數據處理，判斷當前煙包中是否存在空頭、缺支等缺陷。

　　(3)通過(guò)串口接受光電采集數據，并對其進(jìn)行數據處理，判斷當前煙包中是否存在空頭、缺支等缺陷。

　　(4)綜合光電和視覺(jué)檢測結果，向下位機發(fā)送剔除命令和系統故障狀態(tài)。

　　(5)系統出現故障時(shí)，系統會(huì )對故障進(jìn)行信息統計。

　　(6)在軟件正常工作時(shí)，可以對其進(jìn)行規格、統計使能、相機參數、密碼等。

　　4 結論

　　復合型煙支檢測系統是根據市場(chǎng)需求，從硬件到軟件完全自主開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，它將光電和視覺(jué)檢測技術(shù)結合在一起，準確的實(shí)現了對煙包中缺支、缺嘴、反支以及空頭煙的檢測。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　顧昌鈴(1982-),男，江蘇邗江，工程師，學(xué)士，主要研究方向：自動(dòng)控制，智能制造

　　單位：上海煙草機械有限責任公司

　　通信地址：上海市浦東新區金港路1041號

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本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第66頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處