高精度顏色檢測(cè)技術(shù)在包裝質(zhì)量檢測(cè)中的研究與應(yīng)用

張軍

(陜西中煙寶雞卷煙廠卷包車間，陜西 寶雞 721013)

1 緒論

1.1 研究背景

（1）包裝的重要性。卷煙包裝材料是將煙支包裝成盒裝、條裝、箱裝卷煙的材料，由于是產(chǎn)品的外包裝，其圖案、顏色等因素會(huì)給消費(fèi)者留下非常重要的第一印象，所以，必須對(duì)包裝材料的質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，以保證卷煙外觀質(zhì)量的穩(wěn)定性。

（2）GD 系列包裝機(jī)存在的問題。我廠目前在用的包裝機(jī)均為意大利GD 公司設(shè)計(jì)、上海煙機(jī)廠制造的GD 系列包裝機(jī)組，具有設(shè)計(jì)合理、控制穩(wěn)定、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。但是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，也會(huì)偶然出現(xiàn)一些商標(biāo)紙、內(nèi)框紙等包裝質(zhì)量問題。由于這些包裝材料是產(chǎn)品的外包裝，會(huì)給消費(fèi)者留下非常重要的第一印象，如果出現(xiàn)缺陷，將會(huì)嚴(yán)重影響企業(yè)、品牌形象。

1.2 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)包裝質(zhì)量缺陷，設(shè)備原機(jī)自帶以及技術(shù)改造加裝了很多相應(yīng)的檢測(cè)器，其中有一類是利用光電傳感器對(duì)包裝材料的顏色進(jìn)行檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)區(qū)分合格與缺陷的目的。受機(jī)型生產(chǎn)年代、檢測(cè)器發(fā)展、材料顏色等因素制約，特別是對(duì)于顏色接近、反光強(qiáng)烈的材料，目前，設(shè)備在用的光電式顏色傳感器精度已不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量的要求，造成缺陷煙包流入市場(chǎng)。

因此，采用更高精度的顏色檢測(cè)技術(shù)解決原有光電傳感器精度低、誤差大的局限，能夠準(zhǔn)確區(qū)分包裝材料顏色差異，并通過控制系統(tǒng)將缺陷煙包準(zhǔn)確剔除已成為當(dāng)務(wù)之急。

2 系統(tǒng)整體方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

我廠目前在用的GD 系列包裝機(jī)的顏色傳感器主要利用生產(chǎn)過程中商標(biāo)紙、內(nèi)框紙等缺失或破損后會(huì)露出內(nèi)框紙或鋁箔紙甚至煙支的特點(diǎn)，采用光電顏色傳感器作為檢測(cè)元件對(duì)商標(biāo)紙、內(nèi)框紙及鋁箔紙的顏色差異進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到識(shí)別缺陷的目的。但是，由于傳統(tǒng)的顏色傳感器受單色光波的限制，光譜波長(zhǎng)單一，僅能檢測(cè)出光強(qiáng)度的差異；而同色系的顏色只有很小的明暗差，光強(qiáng)度幾乎沒有差別，例如好貓（猴王磨砂）的商標(biāo)紙、內(nèi)框紙、鋁箔紙，多個(gè)牌號(hào)的內(nèi)框紙和鋁箔紙均為金色（如圖1），而且表面光滑、反光強(qiáng)烈，在用的顏色傳感器根本無法精確區(qū)分它們之間顏色的差別。因此，本項(xiàng)目選擇的傳感器必須是高精度的顏色傳感器，能夠精確識(shí)別各種顏色之間的差異。

本項(xiàng)目運(yùn)用高精度顏色檢測(cè)技術(shù)來解決GD 系列包裝機(jī)存在的商標(biāo)紙、內(nèi)框紙破損、丟失等質(zhì)量缺陷，并由可編程控制器（PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將缺陷煙包準(zhǔn)確剔除。分為檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建、傳感器等部件選型、程序設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試等四步開展研究設(shè)計(jì)。核心內(nèi)容是采用精確識(shí)別各種顏色差異的高精度顏色傳感器，達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別缺陷的目的。

光電顏色傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包裝、裝配等自動(dòng)化設(shè)備中。煙草行業(yè)也大量使用光電顏色傳感器進(jìn)行生產(chǎn)在線監(jiān)控。比如我們常見的KEYENCE 系列、SICK 系列、OMRON 系列光電傳感器等。這類傳感器由于光譜波長(zhǎng)單一，僅能依靠光強(qiáng)度差別進(jìn)行分析對(duì)比，檢測(cè)一種或兩種顏色，并且對(duì)于特別接近的顏色區(qū)分效果不佳。

2.2 任務(wù)目標(biāo)

此次的課程設(shè)計(jì)題目是設(shè)計(jì)一個(gè)ZB47 商標(biāo)紙質(zhì)量檢測(cè)器，為了解決一種煙包正面商標(biāo)紙缺陷所導(dǎo)致的缺陷煙包流入市場(chǎng)的問題。該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)下述功能：在設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)器能夠準(zhǔn)確識(shí)別有缺陷的煙包與正常煙包的差異。檢測(cè)到缺陷的煙包時(shí)，在剔除缺陷產(chǎn)品的位置將其剔除，并記錄下次品數(shù)量。

2.3 系統(tǒng)方案選擇

本設(shè)計(jì)控制原理為：設(shè)備運(yùn)行后，檢測(cè)器將檢測(cè)到的信號(hào)和正常的煙包數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，輸出信號(hào)經(jīng)過A/D 模塊轉(zhuǎn)換后將信號(hào)輸入可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器將信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)不正常的煙包輸出剔除使能信號(hào)控制剔除電磁閥將缺陷煙包剔除以達(dá)到檢測(cè)目的，同時(shí)，將剔除數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)數(shù)器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖1 內(nèi)框紙和鋁箔紙

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件選擇與元器件介紹

（1）PLC 型號(hào)的選擇。由于ZB47 包裝機(jī)組原機(jī)控制系統(tǒng)是不對(duì)外開放的，無法寫入控制程序；因此，就需增加可編程控制器，引進(jìn)原機(jī)編碼器和相關(guān)封鎖信號(hào)以及原機(jī)剔除信號(hào)等。而ZB47 包裝機(jī)組加裝的綜合檢測(cè)系統(tǒng)具備開放的可編程控制器、人機(jī)界面、編碼器等硬件，軟件控制程序可以編制寫入，只需增加相應(yīng)的檢測(cè)器、安裝支架等，編寫相應(yīng)軟件，技術(shù)難度、成本、周期都能適當(dāng)減小。因此，我們選擇綜合檢測(cè)系統(tǒng)PLC 作為此次設(shè)計(jì)的可編程序控制器，型號(hào)為OMRON CJ1W-PA202。

（2）檢測(cè)方式的選擇。在對(duì)比出現(xiàn)質(zhì)量問題的煙包與正常煙包的外觀可知，次煙包的正面商標(biāo)紙部分缺失，但是，透明紙完好無損。煙盒主要分為商標(biāo)紙、內(nèi)框紙和鋁箔紙。缺陷煙包商標(biāo)紙缺失后露出內(nèi)框紙和鋁箔紙，采用光電傳感器作為檢測(cè)元件對(duì)商標(biāo)紙、內(nèi)框紙及鋁箔紙的顏色差異進(jìn)行檢測(cè)，能夠達(dá)到識(shí)別缺陷的目的。但目前所用的傳感器性能精度不夠，需要尋找精度更高的傳感器作為檢測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)的目的。

（3）傳感器型號(hào)的確定。通過查找大量的技術(shù)資料，對(duì)比多種傳感器的性能特點(diǎn)、參數(shù)以及應(yīng)用領(lǐng)域，最終選擇一款采用“白色LED”光源檢測(cè)距離為30 ～500mm 的光電傳感器（型號(hào)LR-W500C），與只使用紅色LED 光源的傳感器不同，LR-W500C 使用白色LED（如圖2）和全色光譜，可以可靠且穩(wěn)定地區(qū)分更大范圍的目標(biāo)物。

圖2 LED 傳感器波長(zhǎng)范圍

通過以上對(duì)光電傳感器的應(yīng)用和投光波長(zhǎng)范圍分析，最終選用“白色LED”光電傳感器LR-W500C 作為YB517 商標(biāo)紙檢測(cè)器的檢測(cè)元件。

3.2 設(shè)計(jì)安裝支架

（1）設(shè)計(jì)底座及固定軸，確定安裝位置。

（2）設(shè)計(jì)傳感器安裝背板、夾塊，確定軸加持固定方式。使檢測(cè)器安裝角度可以靈活調(diào)整。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主控制程序（圖3）

4.2 移位寄存器程序（圖4）

4.3 剔除程序（圖5）

4.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

圖3

圖4

圖5

檢測(cè)器命名為517 商標(biāo)紙檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)缺陷煙包時(shí)，顯示屏界面上顯示“517 商標(biāo)紙”故障，并應(yīng)在“故障統(tǒng)計(jì)”頁面的“517 商標(biāo)紙檢測(cè)”項(xiàng)增加數(shù)量。在觸摸屏上“設(shè)定開關(guān)”頁面，可以對(duì)該檢測(cè)功能進(jìn)行開啟和關(guān)閉。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 PLC 測(cè)試

程序編寫后，使用編程工具把程序?qū)懭隤LC 中，用實(shí)驗(yàn)室的開關(guān)板與試驗(yàn)臺(tái)輸出指示燈模擬輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，進(jìn)行程序的初步調(diào)試。

5.2 檢測(cè)器測(cè)試

首先，將LR-W500C 傳感器外接直流電源進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，參數(shù)調(diào)整設(shè)置后，對(duì)好貓（猴王磨砂）商標(biāo)紙、內(nèi)框紙、鋁箔紙三者分別進(jìn)行檢測(cè)。其中，商標(biāo)紙的檢測(cè)數(shù)據(jù)范圍是910-990、內(nèi)框紙的檢測(cè)數(shù)據(jù)范圍是305-420、鋁箔紙的檢測(cè)數(shù)據(jù)范圍是95-200。

在ZB47 YB517 小包機(jī)成型輪前第三包煙工位上方安裝傳感器。調(diào)整后運(yùn)行設(shè)備，利用商標(biāo)紙正面缺失缺陷煙包進(jìn)行驗(yàn)證，檢測(cè)器檢測(cè)到此類缺陷煙包后，該煙包在YB517 原機(jī)剔除器處被自動(dòng)剔除。之后，又進(jìn)行了多種方式的驗(yàn)證（包括連續(xù)多盒、間斷多盒等），檢測(cè)器均能準(zhǔn)確檢測(cè)出缺陷煙包并剔除。

缺陷煙包剔除同時(shí)：（1）綜合檢測(cè)系統(tǒng)顯示屏“故障顯示”頁面上顯示“517 商標(biāo)紙”故障，并在“故障統(tǒng)計(jì)”頁面的“517商標(biāo)紙檢測(cè)”項(xiàng)數(shù)量加1；（2）在觸摸屏上“設(shè)定開關(guān)”頁面，可以對(duì)該檢測(cè)功能進(jìn)行開啟和關(guān)閉。

5.3 效果驗(yàn)證

進(jìn)行為期1 個(gè)月的3 班連續(xù)點(diǎn)檢測(cè)試，測(cè)試商標(biāo)紙檢測(cè)器在ZB47 機(jī)組使用的有效性和穩(wěn)定性，通過測(cè)試表明，項(xiàng)目設(shè)計(jì)的檢測(cè)器能夠精確檢測(cè)、剔除商標(biāo)紙出現(xiàn)的破損、丟失等缺陷煙包，測(cè)試準(zhǔn)確率為100%。

6 結(jié)語

本論文通過探索設(shè)計(jì)一種新型商標(biāo)紙質(zhì)量檢測(cè)器，將高精度顏色檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于GD 系列包裝機(jī)的包裝材料質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)，解決原有顏色光電傳感器精度低、誤差大的局限，能夠精確檢測(cè)包裝質(zhì)量缺陷，并利用數(shù)據(jù)處理將缺陷煙包準(zhǔn)確剔除，該項(xiàng)目對(duì)保證卷煙外觀質(zhì)量的穩(wěn)定性有著重要意義。