一種基于視覺檢測研制小盒煙包第六面檢測裝置

（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司湛江卷煙廠，廣東 湛江 524000）

煙草消費(fèi)市場多元化的發(fā)展，要求煙草企業(yè)必須要構(gòu)建符合市場消費(fèi)者需求的產(chǎn)品。小盒煙包是煙草生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，由于在煙包生產(chǎn)過程中，煙包與輸送帶接觸面（第六面）不能通過加裝在煙包輸煙道上的小包圖像外觀進(jìn)行檢測，如果該端面出現(xiàn)外觀質(zhì)量不合格的煙包很容易流入市場，影響企業(yè)的市場形象。加強(qiáng)對小盒煙包第六面的檢測是香煙生產(chǎn)的關(guān)鍵工序。長期以來對于第六面的檢測主要是依賴于人工檢測，存在著很大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，基于此，本文設(shè)計(jì)一種基于設(shè)備視覺系統(tǒng)的自動(dòng)檢測裝置，以此提高小盒煙包第六面檢測質(zhì)量，降低殘次品概率[1-4]。

1 小盒煙包第六面檢測存在的問題

小盒煙包是卷煙生產(chǎn)中重要的一道工序，外觀質(zhì)量不合格的煙包流入市場會(huì)給企業(yè)聲譽(yù)帶來非常嚴(yán)重的影響。傳統(tǒng)的香煙小包外觀檢測裝置一般只能對香煙小包除與立式輸送帶接觸的五個(gè)面進(jìn)行檢測，香煙小包與立式輸送帶接觸的第六面不能被檢測到。隨著卷煙生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，小盒煙包第六面的質(zhì)量問題越來越被重視，通過工藝改造基本實(shí)現(xiàn)了對第六面的檢測，例如在煙包的輸送帶中設(shè)置輔助檢測裝置，當(dāng)系統(tǒng)完成對小盒外露五個(gè)面的主檢測之后，小盒煙包在轉(zhuǎn)彎后便由立式輸送轉(zhuǎn)變?yōu)榕P式輸送，此時(shí)香煙小包的第六面便具有了檢測視角，由于輔助檢測裝置是安裝在臥式通道處，受現(xiàn)場工位的限制，輔助檢測裝置的攝像機(jī)不能正對香煙小包的第六面，檢測視角不正會(huì)影響數(shù)據(jù)交換機(jī)的判斷，很容易對檢測結(jié)果造成影響。當(dāng)然人工檢測也是小盒煙包檢測的重要環(huán)節(jié)，由于生產(chǎn)時(shí)煙包移動(dòng)速度較快，生產(chǎn)煙包數(shù)量較多，單靠人工檢驗(yàn)效率非常低，而且根本無法做到人工檢驗(yàn)每一包煙包，檢驗(yàn)準(zhǔn)確率、效率非常低，存在著嚴(yán)重的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)調(diào)查目前小盒煙包檢測方法主要包括以下幾個(gè)方面：

1）靜止測量。采用該種方式進(jìn)行檢測時(shí)，必須把工件固定在檢測攝像頭正下方，攝像頭與工件保持固定不動(dòng)，接著攝像頭把工件拍照，然后再通過圖像處理系統(tǒng)把所拍圖像進(jìn)行分析得出檢測結(jié)果，最后把工件從攝像頭正下方移走完成檢測。采用這種方式檢測的檢測效果雖精度高，但檢測的速度慢、效率低。

2）動(dòng)態(tài)檢測。采用該種方式進(jìn)行檢測時(shí)，檢測攝像頭固定在機(jī)器的機(jī)架上，通過傳送機(jī)構(gòu)把工件依次從攝像頭下方移動(dòng)過去，攝像頭與工件有相對位移，攝像頭對其正下方移動(dòng)的工件進(jìn)行掃描檢測，然后再通過圖像處理系統(tǒng)把掃描圖像進(jìn)行分析得出檢測結(jié)果。采用這種方式檢測的速度快，效率高，但檢測時(shí)攝像頭與工件有相對位移，導(dǎo)致攝像頭采集的圖像信號不穩(wěn)定，檢測的效果差、精度低。

在對煙包的外觀缺陷檢測時(shí)，一般要仔細(xì)檢測工件每個(gè)表面的顏色、尺寸、完整度等細(xì)節(jié)。目前，如果要高速連續(xù)在線對一個(gè)六面的正方體或長方體煙包進(jìn)行外觀缺陷檢測時(shí)，還不能采用視覺檢測對其進(jìn)行測量，只能人工用手拿著工件憑人眼對每個(gè)面進(jìn)行觀測。因?yàn)橐曈X檢測的攝像頭只能檢測六面體的一個(gè)面，通過配置多個(gè)攝像頭，最多只能檢測五個(gè)面。無法實(shí)現(xiàn)六個(gè)面都連續(xù)在線的檢測。采用人工工藝質(zhì)量檢驗(yàn)速度慢、效果差、效率低，遠(yuǎn)無法滿足實(shí)際的工作要求。

2 基于機(jī)器視覺系統(tǒng)第六面檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖1 機(jī)器視覺系統(tǒng)第六面檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

機(jī)器視覺技術(shù)，即采用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS 和CCD 兩種)把圖像抓取到，然后將該圖像傳送至處理單元，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作。機(jī)器視覺伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)日臻成熟，已是現(xiàn)代加工制造業(yè)不可或缺的產(chǎn)品，主要由圖像采集單元、圖像處理單元及控制執(zhí)行單元三大部分組成。系統(tǒng)的圖像采集單元包括圖像采集卡、光源、CCD 工業(yè)相機(jī)，工控機(jī)作為圖像處理單元，以處理結(jié)果作為控制執(zhí)行單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺第六面檢測裝置硬件檢測裝置，包括：1）人機(jī)界面。人機(jī)界面與控制器相連實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。2）控制器。該系統(tǒng)有2 個(gè)控制器，包括控制板、CPU 板、控制器上蓋和控制器下蓋。3）圖像采集器。圖像采集器包括殼體、工業(yè)相機(jī)、鏡頭、LED 光源、漫反射板、分光片和海綿吸光墊；殼體左側(cè)面上設(shè)有玻璃窗，殼體內(nèi)部頂端安裝有光源支架，LED 光源和漫反射板安裝在光源支架相應(yīng)位置。海綿吸光墊貼在殼體的內(nèi)部底端。分光片與玻璃窗呈45°角安裝在漫反射板與海綿吸光墊之間，其中漫反射板、分光片和海綿吸光墊三者呈Z 字形。殼體內(nèi)部右側(cè)安裝有相機(jī)支架，工業(yè)相機(jī)和鏡頭安裝在相機(jī)支架上。在殼體相應(yīng)位置安裝有插座，外接電源通過插座分別給LED 光源和工業(yè)相機(jī)供電。在殼體的頂部貼有橡膠墊，在橡膠墊上蓋有上蓋。4）編碼器和接近開關(guān)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺系統(tǒng)第六面檢測裝置的軟件系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2 所示。該檢測裝置系統(tǒng)軟件包含控制板上位機(jī)軟件以及單片機(jī)控制程序。控制板上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)檢測系統(tǒng)的全局控制和圖像處理。

圖2 機(jī)器視覺系統(tǒng)第六面檢測軟件運(yùn)行流程圖

1）全局控制：控制板上位機(jī)軟件與圖像采集裝置、控制板接口通訊，接收處理圖像采集裝置采集到的圖像信息數(shù)據(jù)，判斷是否存在缺陷，同時(shí)是否發(fā)送命令剔除相應(yīng)的缺陷煙包，在液晶屏上以人機(jī)界面顯示相關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行信息以及用戶的參數(shù)設(shè)置。

2）圖像處理：兩個(gè)圖像采集器通過該圖像采集器通訊口將拍攝的圖像傳送給CPU 板供其處理和分析。CPU板的圖像處理程序獲取煙包端面圖像后，依次進(jìn)行濾波、灰度化、水平與垂直投影等，然后選用模板匹配算法、灰度分析算法、邊緣檢測算法三種算法，分別對處理后的圖像進(jìn)行處理、分析，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果與設(shè)定值的差值大小，綜合判斷煙包端面是否存在缺陷。

單片機(jī)通過輸入采集電路讀取編碼器相位、接近開關(guān)信號來判斷小盒煙包是否完成堆疊，具體判斷方法是編碼器一圈是1 800 步對應(yīng)一包煙，當(dāng)?shù)诙Φ?00 步時(shí)已經(jīng)完成堆疊。一旦完成堆疊單片機(jī)通過兩路光源控制電路控制兩個(gè)圖像采集器中LED 光源同時(shí)打開，然后推桿往回走，走到接近開關(guān)的位置時(shí)CPU 板通過圖像采集器通訊口控制兩個(gè)圖像采集器中工業(yè)相機(jī)采集堆疊煙包的兩個(gè)端面圖像，并將圖像傳輸給CPU 板，LED 光源只有在煙包完成堆疊并且推桿準(zhǔn)備推煙的時(shí)候才打開，其余時(shí)間光源處于關(guān)閉狀態(tài)。CPU 板通過處理和分析并將分析結(jié)果與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，若相差大于一定值時(shí)，則判斷煙包端面包裝存在缺陷，這時(shí)單片機(jī)通過輸出驅(qū)動(dòng)電路向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)出煙包剔除信號，由包裝機(jī)組控制系統(tǒng)在相應(yīng)位置將端面缺陷煙包剔除。

3）單片機(jī)控制程序采用C 語言編寫，執(zhí)行控制板上位機(jī)軟件的命令，同時(shí)還包含以下操作：采集增量式編碼器實(shí)時(shí)相位發(fā)送給控制板上位機(jī)軟件，在相應(yīng)的相位曝光拍照采集第六面圖像，向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號等。

3 測試結(jié)果

在紅外光源照射下，拍照小盒煙包圖像呈現(xiàn)灰白色。如圖3 所示。

圖3 機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測圖

通過綜合分析，基于機(jī)器視覺系統(tǒng)的小盒煙包第六面檢測裝置具有以下優(yōu)勢：

1）該檢測裝置不僅能夠檢測透明紙包裝之前煙包包裝紙是否存在缺陷，也能夠用于檢測小盒煙包在完成透明紙包裝和堆疊后是否存在端面缺陷，尤其是煙包的兩個(gè)端面，對于軟包出現(xiàn)的封簽歪斜、脫落、缺失、破損以及標(biāo)簽紙露白等；對于硬包出現(xiàn)的上蓋破損、變形、脫落、撕爛等，從而保證小盒煙包包裝檢測的全面性，同時(shí)也提高了檢測的準(zhǔn)確性，從根本上減少不合格產(chǎn)品的流出。

2）該檢測裝置圖像采集器采用半透、半反光源設(shè)計(jì)的光路結(jié)構(gòu)，使工業(yè)相機(jī)采集圖像更加清晰，提高了檢測的準(zhǔn)確性。