基于機器視覺的卷接機接裝紙圖像檢測系統

吳成剛 楊 塵 謝崇泉 張瑞蘋

(湖北中煙工業有限責任公司，湖北 恩施 445002)

接裝紙的接裝長度是煙支外觀質量的重要指標之一，接裝紙的接裝長度誤差一般要求為±0.50 mm以內[1]。接裝紙長度超差成因復雜，包括材料問題、卷接機精度、工況問題及操作問題等，通用的解決辦法是人工抽檢和手動糾偏，而在接裝機高速運行過程中，操作工難以對高速運行的接裝紙長度進行實時、精確地測量和調整，容易出現煙支錯長短的質量事故。根據文獻[2]和實際調研發現，接裝紙固有特性和接裝機機械結構特性是導致接裝紙長度變化的主要因素?，F有接裝紙糾偏技術主要有3類：① 通過加裝張力檢測及控制機構保證接裝紙張力，如張力配重法、張力傳感器法等。該方法可在一定程度上提高接裝紙張力的穩定性，減少接裝紙錯長短的可能性，但不能杜絕接裝紙超差[3]。② 加裝光電糾偏系統，自動調節導軌[4]。接裝紙錯長短產生并非因導軌不居中造成，通過調節導軌來解決，可能導致原本居中的導軌偏離中心。③ 圖像檢測法[5]，通過斜拍導出鼓輪處的煙支接裝紙，進而計算長度。該方案目前只能抽樣檢測30%左右的煙支，而斜拍方式對安裝位置極其敏感且難以調校，在導出鼓輪處拍照并不能判斷誤差方向，更無法自動調整導軌。采用上述傳統的穩定材料張力、對材料行走路線糾偏、抽樣檢測等方法，雖然可以減少超差煙支的數量，但無法杜絕超差煙支流入下道工序。

機器視覺具有高速非接觸的特點，是卷接機在線質量控制的理想手段。但是受制于卷接機空間狹小、灰塵大的問題，無法將相機直接安裝在卷接機內部。針對上述傳統接裝紙糾偏技術存在的不足，擬提出一種基于機器視覺的香煙卷接機接裝紙圖像檢測系統，設計直角棱鏡轉折光路，將工業相機、光學組件、光源封閉一體防塵，并將圖像傳感器安裝在狹小的卷接機內部，直接采集過渡鼓輪上的煙支圖像，計算測量煙支接裝紙長度，記錄長度誤差超過允差的不合格煙支圖像，將長度誤差超過允差的煙支予以剔除。

1 系統設計

1.1 需求分析

通過卷煙接裝機運行數據分析、資料查詢、實地調研等手段，發現造成接裝紙漂移的主要原因包括：① 接裝紙紙盤偏擺。接裝紙紙盤更換會造成安裝位置變化，或因接裝紙紙盤自身卷制不均勻、安裝不當等原因，在放卷過程中會產生一定的偏擺，導致接裝紙呈“蛇形”傳送[6]。② 接裝紙張力不均勻。接裝紙本身帶有一定的伸縮性，其紙張克重均勻程度、涂膠后吸濕性能等指標都會對其伸縮率造成影響。如果水松紙的橫向方向克重和吸濕性有差異，在經過幾道送紙輥后，受時大時小張力的影響，水松紙會產生一定量的橫向位移[6]，尤其是在接裝機變速和拼接時漂移現象最為明顯。③ 機械傳動誤差。接裝紙從開卷到接裝，中間要經過多道工序，包括上膠、加熱、切割等工位。期間，機械傳動累積誤差較大，也是導致接裝紙漂移的重要原因。導軌的寬度一般會大于接裝紙寬度，也會導致接裝紙不受控制的波動。④ 分切、搓接等工序引起的誤差。水松紙在分切工序中，因分切刀左右鋒利程度不同，容易導致一定的偏移；在搓接輪上，如果吸風口被堵，也容易導致水松紙產生較大的偏移。由上述分析可知，影響接裝紙漂移的因素很多且無法避免。

為了徹底杜絕接裝紙不合格煙支流入下道工序，同時便于操作人員快速調整設備，并減少超差煙支產生的可能性降低消耗，接裝紙檢測系統應該具備以下特征：① 對于煙支接裝紙長度100%全檢，對于超過最大允差的要準確剔除；② 具備導軌調整指示功能，可指導操作人員及時、快速、準確地調整導軌，最大程度地降低不合格率；③ 可根據接裝紙長度變化的規律分析原因，系統不能解決的問題可以提示指導操作人員排查問題；④ 具備數據統計分析功能，方便與現有生產管理系統對接。

1.2 系統總體框架

卷接機接裝紙圖像檢測系統主要由圖像傳感器、控制器和工控機構成，如圖1所示。控制器一方面根據煙支同步信號，產生相機和光源的觸發信號給圖像傳感器，另一方面根據剔除指令，控制剔除機構對當前檢測得到的不合格煙支進行剔除處理；圖像傳感器根據觸發信號控制相機曝光和光源開啟，以獲取其下方的煙支圖像，并將采集圖像傳送到工控機進行后續分析；工控機安裝的上位機軟件，對接收的采集圖像進行處理，計算煙支接裝紙的長度，對超差煙支給控制器發出剔除指令，同時，通過實時動態導軌標尺引導操作人員快速準確地調校導軌，并根據切口及接裝位置軌跡分析相關設備部件運行狀況，有異常及時提醒操作人員處理。

圖1 系統結構圖Figure 1 Schematic diagram of tipping paper image detecting system

1.3 硬件組成

1.3.1 圖像傳感器設計與安裝 卷接機運行速度快，每秒需要檢測約100～200只煙支的接裝紙長度，高速非接觸測量，機器視覺是首選[7]。自行設計的圖像傳感器由相機、鏡頭、光源、直角三棱鏡構成，其中，所采用的工業面陣相機，通過降低行像素高度，幀率最高可達150幀/s，最高檢測速度可達18 000支/min，相機采用千兆網接口，速度快、抗干擾能力強、傳輸距離遠。相機行像素1 600 像素，最大視野80 mm時，分辨能力達到0.05 mm，可以滿足檢測精度要求。

為了滿足安裝空間要求，并保持正視于煙支和視野，采用了三棱鏡將光路轉折90°。同時將定制光源直接安裝在底板上，并在底板底部安裝高透視窗，使圖像傳感裝置結構緊湊，滿足IP61的防護等級。傳感器可以和鼓輪平行布局，視窗的中心正對于切口，橫截面尺寸50 mm×50 mm，基本不會影響到設備運行和操作維護。保養只需要用鏡頭紙擦拭視窗即可。所設計的圖像傳感器三位結構如圖2所示。

圖2 圖像傳感器結構設計Figure 2 Imaging sensor

圖像傳感器(圖3中紅框部分)呈管狀，安裝于最終分切后的過渡鼓輪上方，與鼓輪平行布局。所采取的正視拍照方式不需要計算圖像還原，可識別誤差方向，優勢顯著。所設計的圖像傳感裝置集成了工業相機、鏡頭、光學組件和光源，占用空間小，防護等級高，免維護保養。圖像傳感器可以同時獲取內外排煙支接裝紙的圖像，最高幀率可達100幀/s，適用于速度不高于12 000支/min的卷接機。

1. 圖像傳感器 2. 過濾鼓輪 3. 待檢測煙支 4. 已剔除煙支

1.3.2 控制器 系統需要煙支時鐘信號觸發相機拍照和光源頻閃，給CIS提供剔除信號，這些信號時序嚴格，PLC的速度無法滿足要求。如果采用運動控制卡和光源驅動器雖然能夠實現所需的功能，但是需要在工控機中插入運動控制卡，現有工控機無法提供接口。再者外部需要安裝接口板和光源驅動器，占用空間大，卷接機也無法提供相應的安裝空間。

設計選用基于STM32的控制器[8]，該控制器提供USB接口與工控機通訊，一路光源電源輸出口驅動頻閃燈，一路直流電機輸出口預留給糾偏系統，4路高速數字輸入輸出端口可用于相機觸發和次品剔除。基于STM32的控制器能從卷接機煙支同步控制器獲取雙倍煙支同步脈沖信號，經過延時處理后發送給圖像傳感器觸發拍照。通過USB與工控機通訊，發送煙支序號，獲取到剔除命令后再結合煙支序號和同步信號向煙支同步控制器發送剔除信號。

1.4 軟件設計

1.4.1 軟件功能說明 上位機軟件運行在卷接機自帶的工控機中，主要功能包括：① 從圖像傳感器獲取煙支圖像；② 向圖像傳感器發送圖像獲取參數；③ 通過USB向控制器傳送剔除命令；④ 軟件識別接裝位置和切口位置，測量煙支接裝紙長度；⑤ 顯示接裝紙導軌偏差、煙支圖像、誤差曲線；⑥ 設置參數；⑦ 保存測量數據和超差煙支的圖像。

上位機軟件對采集得到的煙支圖像進行處理分析，識別出切口和接裝紙的邊緣，并測量出切口到邊緣的長度，根據設定的允差發出剔除命令，具體工作流程如圖4 所示。

1.4.2 軟件功能設計 借助OpenCV軟件平臺[9-10]進行上位機軟件系統開發，其主要功能界面包括：標尺界面和圖像界面。

所設計的上位機軟件系統圖像界面(圖5)一方面直接顯示觀察拍攝得到的照片及誤差曲線，另一方面作為人機交互接口，方便操作人員進行系統參數設置。具體的參數設置包括：① “亮度”用于調整圖片的亮度；② “延時”是系統參數，用于補償電路的延時；③ “位置”是指拍照的位置，如果煙支上下不居中可以調整該參數；④ “剔除開始”及“剔除結束”用于調整傳感器和剔除閥間的路徑，單位是DCP，可以有小數。

圖4 基于STM32的控制器Figure 4 Controller based on STM32

圖5 上位機軟件系統圖像界面Figure 5 Image interface of host software system

如圖6所示的超差煙支圖像中，黃色線表示視野中心，從左到右依次有4根垂直的藍色線，分別表示內排煙支接裝位置、內排煙支切口位置、外排煙支切口位置、外排煙支接裝位置，單位均為像素，采用亞像素分析法可以精確到0.3像素。

定義接裝線長度誤差和切口寬度誤差分別為：

e=(X4+X1-X3-X2)/(2×p)，

(1)

g=(X3-X2)/p，

(2)

式中：

e——接裝線長度誤差，mm；

g——切口寬度誤差，mm；

X1——內排煙支接裝位置，像素；

X2——內排煙支切口位置，像素；

X3——外排煙支切口位置，像素；

X4——外排煙支接裝位置，像素；

p——像素空間和物理空間轉換的系數，像素/mm。

所設計的上位機軟件系統標尺界面(圖6)作為操作人員常用界面，用于標示導軌的位置。當導軌位置居中時，測量結果顯示為零，藍色三角和紅色三角對準。當標尺偏離零點靠右，測量結果顯示為正數，表示導軌偏向操作側應該向遠側調整導軌。反之，向操作側調整導軌。具體的參數設置功能欄包括：① “接裝紙寬”指接裝紙的實際寬度；② “允差”是最大允許誤差，超過“允差”的煙支會被剔除；③ “剔除”是統計剔除率和剔除數量的顯示，不能修改數值，但可以通過“清零”將其數值歸零；④ “生成報表”用于上傳統計數據，與生成制造管理系統聯網后才能使用。

圖6 上位機軟件系統標尺界面Figure 6 Image interface of host software system

2 結果與分析

2.1 試驗條件設置

為驗證文章所提出香煙卷接機接裝紙圖像檢測系統功能的有效性，利用某卷煙廠1#卷接機組2019年11月23日～27日10個班次的實際生產數據分別對軟件功能、系統穩定性、速度、全檢、漏剔、誤剔等項目進行測試分析。測試時卷接機運行速度6 000～6 500支/min。

2.2 基本功能驗證

(1) 軟件功能：軟件啟動停止正常，指示導軌位置正常，圖片顯示正常，誤差曲線正常，剔除計數正常，參數設置正常。

(2) 穩定性：測試期間圖像系統能正常工作，未發生故障。

(3) 速度：卷接機最高運行速度6 500支/min，煙支DCP信號計數值與圖像計數值一致。模擬運行速度12 000支/min，軟件模擬觸發，周期10 ms，觸發技術與圖像計數一致。

(4) 全檢：比較煙支DCP信號計數值與圖像計數值一致，煙支100%全檢。

(5) 漏剔：通過高頻次多組質量抽檢，每30 min抽檢一次，每次抽檢3組，每組20支煙，發現超差煙支0支。

(6) 誤剔：檢查1 000張系統保存的超差煙支圖像，通過專用的分析軟件回放，沒有發現誤剔的煙支，剔除率一般在0.1‰左右(剔除統計結果見表1)。

通過5 d的測試，系統運行穩定，檢測剔除功能正常，達到了設計要求，滿足卷接機在線全檢的要求。

表1 剔除煙支數量統計Table 1 Statistics of number of removed cigarettes

3 現場應用

3.1 超差煙支類型評估

借助所提出的香煙卷接機接裝紙圖像檢測系統檢測結果，對實際生產過程中的超差煙支類型進行了評估和探討，對1 000支剔除煙支的圖片進行回放分析。通常，剔除煙支主要包括3類(圖7)：① 一般超差煙支。煙支外觀完整，但接裝紙超過允許誤差。② 外觀超差煙支。煙支外觀不完整或者嚴重畸變，如接裝紙搭接不牢、煙支缺嘴、錯牙、接裝紙夾沫等。③ 位置超差煙支。該類煙支因卷接機飛煙、堵塞等導致被遮擋或者嚴重錯位。

通過對1 000張超差煙支圖像數據進行分析，各種類型超差煙支分類結果如表2所示。一般超差占93.9%，主要出現在機器運轉異?；蛘邠Q接裝紙時。值得注意的是，一般超差在機器正常工況下很少出現，但是系統發現偶發的個別煙支有很大的誤差。外觀超差、位置超差占的比重雖然只有6.1%但危害性大，不剔除很可能堵塞煙道、煙庫。這兩種情況人工不可預料也很難發現，但香煙卷接機接裝紙圖像檢測系統可以有效將其剔除。

圖7 超差煙支類型圖像Figure 7 Out of tolerance cigarette image

表2 超差煙支分類統計表Table 2 Classification statistics of out of tolerance cigarettes

3.2 接裝紙錯長短問題成因分析

影響接裝紙長度的原因有：接裝紙的偏擺、張力不均勻等材料問題；紙路、相關鼓輪、切刀等機械部件的動靜態精度問題，接裝紙的安裝及紙路的調校等操作問題。借助所提出的香煙卷接機接裝紙圖像檢測系統，獲取2019年11月24日9點(表示為2409)和2019年11月27日11點(表示為2711)的數據文件，對式(1)和(2)計算結果進行頻譜分析。

3.2.1 切口分析 圖8和圖9顯示2409、2711的切口寬度和頻譜，表3統計了2409、2711的頻譜和強度。其中，譜線1的周期約為22 s，與卷接機搓鼓槽數一致；譜線2周期約為18 s，與卷接機靠攏鼓槽數一致；譜線3周期約為14 s，與卷接機最終分切鼓、過渡鼓的槽數一致；譜線5、6、7、8、10是譜線3的2、3、4、5、6次諧波。實際運行中，譜線4曾出現異常大的情況，操作人員立即停機檢測，發現切刀帶膠，鏟除膠后重新運行，譜線4恢復正常水平，因此認為譜線4和切刀相關，但二者之間的關聯有待進一步研究。

從譜線圖8(b)和圖9(b)可知切口關系較大的機構分別為最終分切鼓、過渡鼓和切刀。2409的切口寬度變化較小，譜線3是主要的譜線；2711切口寬度變化較大，譜線4是主要譜線。也就是說，影響2711寬度變化主要是切刀引起的。由于2409和2711是在同一臺卷接機上獲取的，其鼓輪影響基本相同。因此，可以根據切口寬度的變化來判斷切刀工作狀態，在切口變化較大時需提醒操作人員檢測切刀。

3.2.2 誤差分析 由圖10和圖11可知，2409的譜線除了譜線4外還有很多譜線，多且雜規律性不強；2711的主譜線非常明顯就是譜線4，說明2711的誤差主要是切刀引起的。由此可知，影響接裝紙長度的最主要因素是接裝紙的張力和切刀。

圖12(a)是2409的誤差概率分布，三角形分布頂點在(-0.038，3.73)，方差約為0.4。圖12(b)是2711的誤差概率分布，正態分布有兩個波峰，分別在(-0.095，2.02)(0.069，2.92)，方差約為0.3，有兩個波說明在運行過程中對導軌進行了一次調整，調整量為0.164 mm。根據誤差概率分布可知，2711的一致性更好。2711在切刀狀況較差的情況下，誤差一致性更好，說明2711的材料穩定性更好。如果在切刀情況基本一致的條件下，可以根據誤差的一致性判斷材料質量的優劣。

圖8 2409切口距離和頻譜圖Figure 8 Slot and spectrum output of 2409 dataset

圖9 2711切口距離和頻譜圖Figure 9 Slot and spectrum output of 2711 dataset

表3 切口譜線統計表Table 3 Statistics of slot spectrum

4 結論

基于機器視覺的卷接機接裝紙圖像檢測系統，在狹小的卷接機內部布置圖像傳感裝置，能直接檢測每一支煙支外觀和接裝紙長度，剔除超差煙支。通過合理的光學設計，實現了機器視覺檢測在卷接機在線檢測中的應用，保證了超差煙支不流入下道工序，根據獲取的導軌位置信息指導操作人員及時調整導軌，提高了產品合格率。此外，通過對檢測誤差的頻譜分析和概率統計，初步確定了切刀及接裝紙質量對檢測誤差波動的影響，后續工作將重點研究并確定誤差波動和切刀工況、材料質量之間的內部關聯。

圖10 2409誤差和頻譜圖Figure 10 Error and spectrum output of 2409 dataset

圖11 2711誤差和頻譜圖Figure 11 Error and spectrum output of 2711 dataset

圖12 誤差概率分布圖Figure 12 Error probability distribution