成像式盤紙余量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏西斌

(廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠，廣西 柳州 545006)

0 引言

盤紙自動搭接系統(tǒng)是卷接機(jī)的一部分，它判斷盤紙用完的機(jī)理為:盤紙托盤邊緣有等距的齒狀柵格，盤紙每轉(zhuǎn)一圈，接近開關(guān)會產(chǎn)生固定數(shù)量的脈沖，一般在機(jī)器主控器設(shè)置這個脈沖總數(shù)(也就是盤紙轉(zhuǎn)動總?cè)?shù))，等到盤紙轉(zhuǎn)完設(shè)定的圈數(shù)，就自動進(jìn)行盤紙切換(圖1)。

輔材提供商對盤紙的總長沒有嚴(yán)格控制，另外卷軸的直徑也變化較大，因此每卷盤紙的總?cè)?shù)不一樣。這樣盤紙圈數(shù)較少時，有可能設(shè)定圈數(shù)未到，盤紙已經(jīng)用完，這個時候需要停機(jī)進(jìn)行手動搭接，浪費(fèi)更大。所以一般情況下都把盤紙余量設(shè)置在10 m 以上，以避免出現(xiàn)這個問題。這樣每次盤紙均剩很多時就被廢棄，日積月累導(dǎo)致極大浪費(fèi)。

采用機(jī)器視覺方法在線實(shí)時精確測量盤紙余量，可以在盤紙剩余4 圈左右時發(fā)出指令，卷接機(jī)自動切換盤紙，從根本上杜絕浪費(fèi)，并將對煙廠標(biāo)準(zhǔn)管理產(chǎn)生重要作用。

對于Protos 機(jī)型，盤紙自動供紙系統(tǒng)的工作機(jī)理是:右邊轉(zhuǎn)盤上的盤紙大約用到一半時旋轉(zhuǎn)180°到左邊，這時右邊轉(zhuǎn)盤靜止不動，操作工換上新盤紙，等到左邊盤紙用完時，自動供紙系統(tǒng)會進(jìn)行切換，使右邊轉(zhuǎn)盤開始工作。在這個過程中可以發(fā)現(xiàn)，盤紙總是在左邊轉(zhuǎn)盤用完。為此，在左邊轉(zhuǎn)盤附近安裝一個攝像頭，它對準(zhǔn)盤紙的內(nèi)框(卷軸)，按照一個固定的頻率拍照，然后將圖像傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上的軟件自動測量盤紙邊緣到內(nèi)框的距離即盤紙厚度，當(dāng)盤紙厚度小于設(shè)定值時，軟件自動向IO 放大板發(fā)送盤紙用完信號，IO 放大板收到后，立即向卷煙機(jī)的自動供紙系統(tǒng)發(fā)送切換盤紙命令，以完成自動換紙。

1 產(chǎn)品總體方案

圖1 接近開關(guān)檢測盤紙用量

如圖2 所示，由于盤紙總是在左邊轉(zhuǎn)盤用完，可以在其左下角位置安裝一根可扳動的鋼管，鋼管頭部設(shè)置一個USB 工業(yè)內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡前方設(shè)置一個45°反光鏡。鋼管軸線與盤紙徑向面平行，在45°反光鏡的作用下，內(nèi)窺鏡相當(dāng)于垂直盤紙徑向面對盤紙內(nèi)框拍照。內(nèi)窺鏡自帶4顆LED 燈，亮度足夠，因此不需要另外加光源。內(nèi)窺鏡工作在連續(xù)拍攝模式，每拍一幅盤紙圖像就將它發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)(或稱為控制盒)安裝在卷煙機(jī)控制面板上方的平臺上，由機(jī)箱、微型嵌入式主板、127 mm(5 英寸)觸摸液晶屏、液晶屏轉(zhuǎn)換板、觸摸控制板、IO 放大板、開關(guān)機(jī)按鈕、換紙使能按鈕和報警器組成，并安裝圖像檢測軟件，接受內(nèi)窺鏡傳送來的盤紙圖像，并自動測量盤紙厚度，當(dāng)盤紙厚度小于設(shè)定值時，通知IO 放大板向卷煙機(jī)自動供紙系統(tǒng)發(fā)送切換盤紙命令。

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

鋼管是可以繞自身轉(zhuǎn)動軸向垂直于圖2 紙面方向扳動的，這是出于兩個方面的考慮:1)鋼管向垂直于紙面方向扳動90°之后，可以為右邊轉(zhuǎn)盤安裝盤紙和繞紙(圖1)讓出空間，安裝好了再把鋼管扳回去;2)鋼管扳動90°之后朝向操作工，方便對內(nèi)窺鏡和反光鏡進(jìn)行清潔和保養(yǎng)。

鋼管尾部設(shè)計(jì)一個直徑為4 mm 或6 mm 的螺紋孔，用于安裝小型節(jié)流閥，通過氣管從機(jī)臺引入清潔空氣對鋼管內(nèi)部持續(xù)吹氣，即在鋼管內(nèi)部制造一個正向壓力，阻止粉塵進(jìn)入，從而保持鋼管內(nèi)部各器件的清潔、正常工作。鋼管、內(nèi)窺鏡、反光鏡及外接的節(jié)流閥所組成的整體機(jī)構(gòu)稱之為視頻盒。

控制盒是該產(chǎn)品控制和計(jì)算的中心，它上面安裝上位機(jī)軟件，相當(dāng)于人的大腦，其主要功能有5 點(diǎn):1)連續(xù)獲取USB 內(nèi)窺鏡的圖像數(shù)據(jù)，并計(jì)算盤紙厚度;2)當(dāng)盤紙快用完時發(fā)送切換盤紙命令;3)發(fā)送換紙使能命令，即通知自動供紙系統(tǒng)(PLC)此后控制盒發(fā)來的換紙命令是否有效;4)提供觸摸式人機(jī)交互界面;5)自動監(jiān)測內(nèi)窺鏡和軟件工作狀況，發(fā)生故障時報警。控制盒面板上安裝127 mm(5 吋)觸摸液晶屏、開關(guān)機(jī)按鈕和換紙使能按鈕，盒體寬度不大于150 mm，高度不大于100 mm，相當(dāng)于人的手掌大小。控制盒外接聲光報警器，用于故障報警。

2 產(chǎn)品關(guān)鍵器件

a)USB 工業(yè)內(nèi)窺鏡

采用高清CMOS 圖像傳感器，圖像分辨率為640 ×480，幀率為30 fps。內(nèi)窺鏡呈管狀，外徑9 mm，長度為50 mm，質(zhì)量僅56 g，鏡頭周圍自帶4 顆LED，標(biāo)準(zhǔn)USB接口。

b)USB 工業(yè)內(nèi)窺鏡的主要作用是持續(xù)采集盤紙圖像，每采集完一次就立即發(fā)送給主機(jī)進(jìn)行處理。

c)反光鏡

可以采用小包上用的反光鏡，厚度為1 mm。它安裝在內(nèi)窺鏡前面，主要作用是將成像光路改變90°，便于盤紙檢測裝置安裝。

d)微型嵌入式主板

采用微型嵌入式主板，12V DC 供電。其CPU 主頻為1.66 GHz，內(nèi)存為DDR 32GB。該主板提供VGA 和LVDS接口，可以接普通顯示器或LCD 液晶屏。主板上帶有2個RS232、2 個USB 2.0 和1 個8 位的可編程GPIO，因此可以方便連接USB 內(nèi)窺鏡和輸出換紙命令。

微型嵌入式主板的主要作用:

1)作為圖像處理硬件平臺，上面安裝盤紙檢測軟件，持續(xù)獲取USB 內(nèi)窺鏡的圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算;2)通過GPIO 編程向IO 放大板發(fā)送換紙信號;3)通過GPIO 編程向IO 放大板發(fā)送換紙使能信號;4)從GPIO 輸入口讀取PLC 發(fā)來的通知檢測信號，并立即啟動內(nèi)窺鏡拍照檢測;5)通過GPIO 編程向IO 放大板發(fā)送報警信號;6)通過LVDS 接口連接觸摸屏向外提供操作界面。

e)觸摸液晶屏

采用127 mm(5 吋)彩色觸摸液晶屏，其分辨率為640 ×480。觸摸液晶屏的主要作用是通過LVDS 連接到微型嵌入式主板，作為顯示器和人機(jī)交互界面。

f)IO 放大板

需提供4 路輸入和4 路輸出，輸入與輸出之間采用光耦隔離，其主要作用是:

1)將GPIO 發(fā)送來的換紙信號進(jìn)行放大處理后給自動供紙系統(tǒng)(PLC);2)將GPIO 發(fā)送來的換紙使能信號進(jìn)行放大處理后給自動供紙系統(tǒng);3)將PLC 發(fā)送來的通知檢測信號進(jìn)行處理后給GPIO;4)將GPIO 發(fā)送來的報警信號進(jìn)行放大處理后使報警器報警。

3 產(chǎn)品模塊分解

成像式盤紙余量檢測裝置主要由3 個模塊組成:

1)視頻盒

由鋼管、內(nèi)窺鏡及固定塊、反光鏡、節(jié)流閥和航空插頭等組成。

2)控制盒

由盒體、微型嵌入式主板、127 mm(5 吋)觸摸液晶屏、液晶屏轉(zhuǎn)換板、觸摸控制板、IO 放大板、開關(guān)機(jī)按鈕、換紙使能按鈕和報警器組成。

3)上位機(jī)軟件

由界面、主程序和檢測算法組成。

4 視頻盒設(shè)計(jì)方案

Protos 型卷接機(jī)組的盤紙總是在左邊轉(zhuǎn)盤用完，因此在左側(cè)盤紙的左下方安裝一個鋼管作為支撐，并由支撐點(diǎn)向盤紙方向延伸一根矩形管，內(nèi)窺鏡通過一個固定塊安裝在矩形管里，矩形管和鋼管通過螺釘連接，內(nèi)窺鏡前方設(shè)置一個45°的反光鏡，相機(jī)的軸線與盤紙徑向平面平行，在45°反光鏡的作用下相當(dāng)于相機(jī)垂直拍攝盤紙，從而能夠有效檢測盤紙剩余量。

視頻盒尾部設(shè)計(jì)安裝一個航空插頭(公頭)，USB 內(nèi)窺鏡的數(shù)據(jù)線焊接到插頭一端引腳上，另一端通過母頭和數(shù)據(jù)線連接到控制盒的USB 接口上，這樣控制盒與視頻盒之間接線就變得比較簡單，而視頻盒也成為一個可方便更換的部件。

另外，由于現(xiàn)場環(huán)境中煙絲粉塵比較多，為使內(nèi)窺鏡和反光鏡在較長時期內(nèi)保持清潔，在矩形管尾部設(shè)計(jì)一個M5 螺紋孔，用于安裝小型節(jié)流閥，通過氣管從機(jī)臺引入清潔空氣對矩形管內(nèi)部處持續(xù)吹氣，從而阻止粉塵進(jìn)入。視頻盒的安裝效果如圖3 所示。

圖3 視頻盒安裝效果圖

5 控制盒設(shè)計(jì)方案

控制盒中裝有液晶屏、觸摸控制板、液晶屏轉(zhuǎn)換板、微型主板、IO 放大板等，將主板上的USB 接口、以太網(wǎng)口和IO 放大板的輸出端子設(shè)計(jì)在控制盒外面。把主板上的電源插頭拿掉，引兩根導(dǎo)線到IO 板上，讓IO 板為它供電。外部電源(12 V)通過IO 板上的電源端子引入。觸摸屏控制板上原有的USB 接口改成RS232 接口。

控制盒面板上設(shè)計(jì)兩個按鈕，一個是自復(fù)式電源開關(guān)，另一個是自鎖式換紙使能按鈕，換紙使能信號給IO板。IO 板要放大處理三個信號:1)GPIO 發(fā)來的切換盤紙命令;2)GPIO 發(fā)來的報警命令;3)自鎖式換紙使能按鈕產(chǎn)生的換紙使能。IO 板外部接線端子有四組:電源、換紙命令、換紙使能、報警命令。

控制盒不采用風(fēng)扇，而是將外殼做成散熱片的形式，CPU 直接貼在散熱外殼上。控制盒安裝在卷接機(jī)控制臺上方平臺上，其大小為三維效果如圖4 所示。

圖4 控制盒三維效果圖

6 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案

a)上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件提供的主要功能匯總?cè)缦?

1)按日期瀏覽歷史圖像;

2)自動保存圖像，可以設(shè)置保存期限、保存換紙時盤紙圖像或所有圖像、保存所有圖像時的頻率(間隔多少幅)，還可以導(dǎo)出歷史圖像;

3)按日期瀏覽工作記錄，包括時間、盤紙總數(shù)、剩余厚度等信息;

4)可以設(shè)置相機(jī)拍照間隔(單位是ms)、圖像x 方向偏移、圖像y 方向偏移;

5)圖像顯示區(qū)實(shí)時顯示盤紙剩余厚度;

6)可以設(shè)置盤紙剩余厚度;

7)通電自啟動、自動開始檢測;

8)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)軟件和硬件故障，如檢測結(jié)果異常、內(nèi)窺鏡故障、成像異常等，出現(xiàn)故障時軟件報警;

9)通過GPIO 發(fā)送換紙命令、使能換紙命令、報警命令，并可以設(shè)置命令參數(shù)如脈沖寬度、報警持續(xù)時間等，還提供換紙測試和報警測試。

b)主程序框架

每支香煙煙紙部分的長度是60 mm，卷接機(jī)的正常生產(chǎn)速度大概是每分鐘7 200 支煙，盤紙平均直徑是138 mm，可計(jì)算盤紙卷軸的轉(zhuǎn)速是［(7200 ×60)/(3.14×138)］/ 60 ≈16.6 圈/s，也即盤紙卷軸轉(zhuǎn)一圈的時間是60 ms。因此，如果上位機(jī)軟件的檢測時間小于60 ms，就可以保證盤紙每轉(zhuǎn)一圈就計(jì)算一次盤紙厚度，檢測分辨率高。

主程序框架如圖5 所示，開始檢測后內(nèi)窺鏡按照固定的幀率(大于16.6 fps)采集盤紙圖像，然后傳送給上位機(jī)軟件，軟件算法首先分析判斷圖像是否異常，異常即代表內(nèi)窺鏡或成像環(huán)境發(fā)生較大變化，這個時候軟件會控制報警器報警。若無異常再進(jìn)行盤紙厚度計(jì)算，并且當(dāng)該厚度小于一定的閾值時，軟件自動發(fā)出換紙命令。

圖5 主程序框架

根據(jù)主程序框架，上位機(jī)軟件涉及到兩種圖像算法，1)如何檢測判斷內(nèi)窺鏡成像是否異常;2)計(jì)算盤紙余量的算法。兩個算法總耗時應(yīng)該小于60 ms，一般情況下應(yīng)限制在50 ms 以內(nèi)。

c)成像異常判定算法

成像異常的原因可能是:1)內(nèi)窺鏡感光元器件損壞;2)內(nèi)窺鏡LED 燈損壞或亮度衰減;3)鏡頭和反光鏡落灰使圖像變暗。不管什么原因，異常圖像跟正常的相比一定存在較大差異。因此，在圖像處理參數(shù)面板中設(shè)置好盤紙檢測區(qū)域后，自動把盤紙分割出來并計(jì)算盤紙R、G、B 三通道地平均灰度和標(biāo)準(zhǔn)偏差，然后把這些參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值保存起來，以后每次計(jì)算盤紙余量之前先分割出盤紙，然后計(jì)算上述參數(shù)值并分別與標(biāo)準(zhǔn)值對比，如果差別大于一定的閾值，則判定成像出現(xiàn)異常。

d)盤紙余量檢測算法

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，盤紙與盤紙卷軸的顏色是不同的，盤紙一般是白色的，盤紙卷軸有的是酒紅色，有的是淺綠色，盤紙與卷軸之間存在較大的顏色對比。盤紙余量檢測算法應(yīng)該是在一個檢測區(qū)域(ROI)中進(jìn)行的，首先確定盤紙和卷軸的分界線(是一個橢圓)，然后對分界線上的每個點(diǎn)計(jì)算其鄰域的加權(quán)平均梯度方向，沿著這個方向以一定的寬度尋找盤紙外邊界。盤紙相對于背景也應(yīng)該有較大的灰度差異，因此可以對邊緣圖像在梯度方向上進(jìn)行投影，投影的極大值即為盤紙外邊界。外邊界到分界線的距離即為該方向上的盤紙厚度。如果盤紙還很厚，外邊界在ROI 之外，這個時候?qū)ふ业耐队皹O大值相對很小，因此將分界線到ROI 邊界的距離作為盤紙厚度。

由上述可知，對于分界線上的每一個點(diǎn)都可以計(jì)算一個方向上的盤紙厚度，為了進(jìn)一步加強(qiáng)算法的穩(wěn)定性，可以對內(nèi)窺鏡視野內(nèi)所有方向上盤紙的厚度取平均值作為最終結(jié)果。

7 結(jié)論

采用圖像檢測的方法可以精確計(jì)算盤紙的剩余量，而且不受盤紙卷軸直徑大小的限制，盤紙的切紙是采用原機(jī)的切紙?jiān)恚⒃贗O 控制板中加入了保護(hù)機(jī)制，確保盤紙不會跑空。采用成像式盤紙余量檢測系統(tǒng)可以保證盤紙的剩余量在4 m 之內(nèi)，且不同生產(chǎn)速度下的盤紙剩余量不超過0.5 m，比采用脈沖計(jì)數(shù)的方法穩(wěn)定性要高出很多。

［1］張錚，王艷平，薛桂香.數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［2］劉志剛，鮑加貞，湯加虎.基于VC 的最小二乘擬合圓在LAMOST 中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代制造工程，2008，1.

［3］陳天華.數(shù)字圖像處理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.