高精度顏色檢測技術在包裝質量檢測中的研究與應用

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，由于是產品的外包裝，其圖案、顏色等因素會給消費者留下非常重要的第一印象，所以，必須對包裝材料的質量嚴格把關，以保證卷煙外觀質量的穩定性。

（2）GD 系列包裝機存在的問題。我廠目前在用的包裝機均為意大利GD 公司設計、上海煙機廠制造的GD 系列包裝機組，具有設計合理、控制穩定、工作可靠等優點。但是，在實際生產過程中，也會偶然出現一些商標紙、內框紙等包裝質量問題。由于這些包裝材料是產品的外包裝，會給消費者留下非常重要的第一印象，如果出現缺陷，將會嚴重影響企業、品牌形象。

1.2 設計方案

針對包裝質量缺陷，設備原機自帶以及技術改造加裝了很多相應的檢測器，其中有一類是利用光電傳感器對包裝材料的顏色進行檢測來實現區分合格與缺陷的目的。受機型生產年代、檢測器發展、材料顏色等因素制約，特別是對于顏色接近、反光強烈的材料，目前，設備在用的光電式顏色傳感器精度已不能滿足產品質量的要求，造成缺陷煙包流入市場。

因此，采用更高精度的顏色檢測技術解決原有光電傳感器精度低、誤差大的局限，能夠準確區分包裝材料顏色差異，并通過控制系統將缺陷煙包準確剔除已成為當務之急。

2 系統整體方案

2.1 設計思路

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

本項目運用高精度顏色檢測技術來解決GD 系列包裝機存在的商標紙、內框紙破損、丟失等質量缺陷，并由可編程控制器（PLC）進行數據處理后將缺陷煙包準確剔除。分為檢測系統構建、傳感器等部件選型、程序設計、安裝調試等四步開展研究設計。核心內容是采用精確識別各種顏色差異的高精度顏色傳感器，達到準確識別缺陷的目的。

光電顏色傳感器已經廣泛應用于包裝、裝配等自動化設備中。煙草行業也大量使用光電顏色傳感器進行生產在線監控。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單一，僅能依靠光強度差別進行分析對比，檢測一種或兩種顏色，并且對于特別接近的顏色區分效果不佳。

2.2 任務目標

此次的課程設計題目是設計一個ZB47 商標紙質量檢測器，為了解決一種煙包正面商標紙缺陷所導致的缺陷煙包流入市場的問題。該系統需要實現下述功能：在設備生產運行時，檢測器能夠準確識別有缺陷的煙包與正常煙包的差異。檢測到缺陷的煙包時，在剔除缺陷產品的位置將其剔除，并記錄下次品數量。

2.3 系統方案選擇

本設計控制原理為：設備運行后，檢測器將檢測到的信號和正常的煙包數據進行比對，輸出信號經過A/D 模塊轉換后將信號輸入可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器將信號進行處理，對不正常的煙包輸出剔除使能信號控制剔除電磁閥將缺陷煙包剔除以達到檢測目的，同時，將剔除數據發送至計數器進行統計。

圖1 內框紙和鋁箔紙

3 系統硬件設計

3.1 硬件選擇與元器件介紹

（1）PLC 型號的選擇。由于ZB47 包裝機組原機控制系統是不對外開放的，無法寫入控制程序；因此，就需增加可編程控制器，引進原機編碼器和相關封鎖信號以及原機剔除信號等。而ZB47 包裝機組加裝的綜合檢測系統具備開放的可編程控制器、人機界面、編碼器等硬件，軟件控制程序可以編制寫入，只需增加相應的檢測器、安裝支架等，編寫相應軟件，技術難度、成本、周期都能適當減小。因此，我們選擇綜合檢測系統PLC 作為此次設計的可編程序控制器，型號為OMRON CJ1W-PA202。

（2）檢測方式的選擇。在對比出現質量問題的煙包與正常煙包的外觀可知，次煙包的正面商標紙部分缺失，但是，透明紙完好無損。煙盒主要分為商標紙、內框紙和鋁箔紙。缺陷煙包商標紙缺失后露出內框紙和鋁箔紙，采用光電傳感器作為檢測元件對商標紙、內框紙及鋁箔紙的顏色差異進行檢測，能夠達到識別缺陷的目的。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元件，實現精確檢測的目的。

（3）傳感器型號的確定。通過查找大量的技術資料，對比多種傳感器的性能特點、參數以及應用領域，最終選擇一款采用“白色LED”光源檢測距離為30 ～500mm 的光電傳感器（型號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，可以可靠且穩定地區分更大范圍的目標物。

圖2 LED 傳感器波長范圍

通過以上對光電傳感器的應用和投光波長范圍分析，最終選用“白色LED”光電傳感器LR-W500C 作為YB517 商標紙檢測器的檢測元件。

3.2 設計安裝支架

（1）設計底座及固定軸，確定安裝位置。

（2）設計傳感器安裝背板、夾塊，確定軸加持固定方式。使檢測器安裝角度可以靈活調整。

4 軟件設計

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 人機界面設計

圖3

圖4

圖5

檢測器命名為517 商標紙檢測，當出現缺陷煙包時，顯示屏界面上顯示“517 商標紙”故障，并應在“故障統計”頁面的“517 商標紙檢測”項增加數量。在觸摸屏上“設定開關”頁面，可以對該檢測功能進行開啟和關閉。

5 系統調試

5.1 PLC 測試

程序編寫后，使用編程工具把程序寫入PLC 中，用實驗室的開關板與試驗臺輸出指示燈模擬輸入信號和輸出信號，進行程序的初步調試。

5.2 檢測器測試

首先，將LR-W500C 傳感器外接直流電源進行靜態測試，參數調整設置后，對好貓（猴王磨砂）商標紙、內框紙、鋁箔紙三者分別進行檢測。其中，商標紙的檢測數據范圍是910-990、內框紙的檢測數據范圍是305-420、鋁箔紙的檢測數據范圍是95-200。

在ZB47 YB517 小包機成型輪前第三包煙工位上方安裝傳感器。調整后運行設備，利用商標紙正面缺失缺陷煙包進行驗證，檢測器檢測到此類缺陷煙包后，該煙包在YB517 原機剔除器處被自動剔除。之后，又進行了多種方式的驗證（包括連續多盒、間斷多盒等），檢測器均能準確檢測出缺陷煙包并剔除。

缺陷煙包剔除同時：（1）綜合檢測系統顯示屏“故障顯示”頁面上顯示“517 商標紙”故障，并在“故障統計”頁面的“517商標紙檢測”項數量加1；（2）在觸摸屏上“設定開關”頁面，可以對該檢測功能進行開啟和關閉。

5.3 效果驗證

進行為期1 個月的3 班連續點檢測試，測試商標紙檢測器在ZB47 機組使用的有效性和穩定性，通過測試表明，項目設計的檢測器能夠精確檢測、剔除商標紙出現的破損、丟失等缺陷煙包，測試準確率為100%。

6 結語

本論文通過探索設計一種新型商標紙質量檢測器，將高精度顏色檢測技術應用于GD 系列包裝機的包裝材料質量檢測環節，解決原有顏色光電傳感器精度低、誤差大的局限，能夠精確檢測包裝質量缺陷，并利用數據處理將缺陷煙包準確剔除，該項目對保證卷煙外觀質量的穩定性有著重要意義。