基于熱成像技術的條盒膠點視覺檢測系統

楊錳 張弛 沈濤 應洲

摘 要：目的：為解決卷煙廠條盒上膠檢測中，透明的熱融膠是否上膠的檢測難點，文中設計了通過熱成像技術對熱融膠是否正確上膠的檢測系統，用于FX-2型包裝機。方法：該系統選用可調式支架、紅外熱成像儀來捕獲轉塔內條盒兩個噴膠后尚未封口的折疊面，將獲取的熱成像圖像傳入高性能工控機，各自帶圖像聯合處理。結果：實驗證明，該系統可以通過熱成像檢測到條盒是否正確上膠。結論：該系統結構合理，易于安裝與維護，檢測精度高，參數可調，系統穩定可靠。

關鍵詞：機器視覺;紅外熱成像;可見光成像;紅外熱成像與可見光成像結合;圖像處理;條盒膠點檢測

中圖分類號：TS434 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0011-03

目前各卷煙廠都會利用機器視覺、流量劑等檢測方式對條盒是否正確上膠進行檢測。

熱融膠加熱后呈透明膠質液態，首先利用常規機器視覺技術很難將條盒上各個膠點呈現出來。其次，熱融膠溫度不夠或者已凝固就失去了粘合的作用，普通的機器視覺技術是無法將這部分煙條識別并剔除的。

流量劑的檢測原理是，在一定時間內檢測通過流量劑的膠量以此來判斷設備是否進行噴膠和噴膠的量。采用該方法來檢測條盒上的膠點經實際使用中發現，一旦熱融膠凝固后造成流量劑內部堵塞后將影響噴膠工作，即：噴不出膠或膠量變少，造成質量事故。

因此煙廠迫切的需要一種能夠穩定有效檢測條盒膠點的裝置。文中在深入研究膠點成像的基礎上，設計一種基于熱成像與可見光相結合的條盒膠點檢測系統，攻克了條盒透明熱融膠點檢測的難點。在支架的配合下，熱像儀可自由調節，配合分時視頻截取技術與熱圖像分析技術，通過對條盒上膠待測面的一次視頻截取即可獲得多子帶圖像，通過對各子帶圖像的處理，可以分別提取出條盒膠點的圖像。

1 系統總體設計方案

系統主要由采圖、控制、運算三大部分構成，見圖1。采圖模塊主要包含支架、紅外熱成像儀，控制部分主要包含I/O卡、PLC，運算部分主要包含工控機、顯示器。控制部分是該系統的樞紐，PLC通過獲取FX-2 779條盒包裝輔機的編碼器相位信號，當機器轉動到預設相位時，PLC發送信號到工控機截取熱成像儀時實拍攝的視頻形成圖片文件，同時通過I/O卡與工控機進行通信，獲取剔除信號并反饋給FX-2的控制系統完成缺陷煙條剔除。采圖模塊的結構設計成對稱式分布，兩臺熱成像儀分別固定于FX-2 779條盒包裝機折疊輪兩側，分別檢測條盒兩側上膠部分，熱成像儀的高度以及角度均可調整。運算模塊的工控機采用Windows系統，檢測軟件可以調整檢測參數并顯示實時運行狀態。

2 系統硬件

2.1 采圖部分

檢測器：

采圖部分采用了2臺美國菲力爾AX8系列高速紅外熱視儀為系統關鍵元氣件，對每個條盒左右兩端的4個膠點實時采圖，配合先進的圖像處理算法，能有效檢測未正常上膠條盒的缺陷。

可通過AX8采集熱圖像、可見光圖像或使用FLIR專有的MSX多波段動態成像功能將二者融合后的圖像進行檢測，檢測手段更豐富，檢測精度更高。如圖2：

因為FX-2包裝機條盒機779所用的膠水為熱熔膠，其膠水的溫度一般為70℃-100℃，和周圍環境的溫度差距較大，利用可見光和熱圖像融合后的圖像進行識別四個膠點是件很容易的事。

通過實際生產采圖可見，紅外熱成像儀用于檢測條盒左右兩端的熱溶膠點是非常有效的。

圖3為普通相機視野下的條盒折耳，從圖像中可以看出條盒上的膠點是無法識別出來的。圖4為紅外熱像儀采集到的4個熱溶膠點圖像。

支架：

兩個紅外熱相儀分別安裝在條盒機779折疊輪兩側上方的鋼梁上，如圖5所示。主要機械零件用本色噴砂氧化鋁材加工。具體設計時綜合考慮：安裝空間尺寸，拍攝角度調整，組件在包裝機維護時的易拆卸性，整體防塵，相機散熱等因素。

2.2 控制部分

視覺檢測通過工控機的擴展I/O模塊進行信號連接，對原機的控制軟件進行修改，在原有電氣結構不變的情況下實現對條盒左右兩端4個膠點的檢測、剔除和計數功能。

信號處理與控制：

原機采用的是倍福（Beckhoff）公司的控制系統，編程軟件為TwinCAT。本項目需要用到的程序均采用功能塊圖（FBD）的方式編寫，功能塊圖（FBD）在TwinCAT里的描述為：在PLC用功能塊圖編程是面向功能的結構化邏輯順序級聯（網絡）。在一個網絡之內，執行方向始終是從左到右。所有的輸入值必須在功能塊執行之前產生。在原機控制系統程序下添加以下功能：

（1）在原機源程序及硬件模塊上增加一個相位輸出信號，用于控制熱成像儀在固定的位置觸發拍照采圖。

（2）增加原機狀態輸出信號，即原機控制器處于正常工作狀態后發送一個輸出信號通知膠點檢測系統可以準備進行檢測。

（3）在原機源程序及硬件模塊上增加一個剔除輸入信號，此信號由膠點檢測系統發送，檢測系統檢測到未正常上膠的條盒后將其移位，待缺陷條盒到達779條盒機廢煙剔除出口時，檢測系統發送剔除信號給原機控制系統將其直接剔除。

（4）增加膠點檢測使能輸入信號，此信號由膠點檢測系統發送。此信號用于關閉檢測功能，一旦檢測系統出現故障后，關閉此檢測使能，原機能正常運行不影響原機正常生產。

2.3 運算模塊

該模塊采用高性能工控機，可以勝任長期不間斷運行，通過交換機接受2個紅外熱像意氣傳回的圖像。操作系統采用Windows，算法庫調用HACLON，界面采用C編寫，便于調整參數與狀態的實時顯示。

3 膠點圖像處理

3.1 圖像處理基本流程

在紅外熱像儀成功截取4個膠點圖像后，剩下的事就簡單多了，機器視覺其匹配的算法都非常成熟，在人工智能引入外觀檢測算法前，常用的膠點檢測流程分別見圖6。