孫 軍 甘益員 肖 榮

（1.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司四平卷煙廠，吉林 四平 136001；2.大樹智能科技（南京）有限公司，南京 211100）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，煙草行業(yè)改革的步伐也十分的迅速，要想在國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)上取得長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，必須保證卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)外許多煙機(jī)制造企業(yè)在設(shè)備上均沒(méi)有應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，尤其現(xiàn)在大多數(shù)煙廠已經(jīng)使用自動(dòng)裝封箱機(jī)，但由于原設(shè)備上沒(méi)有條包煙缺陷質(zhì)量檢測(cè)器，完全依靠人工來(lái)檢測(cè)條包煙外包裝質(zhì)量，卷煙產(chǎn)品的次品揀出率受人為因素影響較大，條包煙包裝質(zhì)量缺陷事故偶爾發(fā)生，影響企業(yè)產(chǎn)品商業(yè)信譽(yù)。傳統(tǒng)的人工來(lái)缺陷檢測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足精細(xì)生產(chǎn)的需要。當(dāng)前，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的在線檢測(cè)系統(tǒng)正好能完成重復(fù)性強(qiáng)，檢測(cè)精度高的工作。它綜合應(yīng)用了電氣、電子、光學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、圖像處理、機(jī)械等相關(guān)技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)條包煙外觀質(zhì)量、噴碼質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)和控制，剔除缺陷條包煙，更好地樹立產(chǎn)品品牌形象。

2 系統(tǒng)工作原理、成像系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖

2.1 工作原理

條包煙圖像檢測(cè)系統(tǒng)基本原理是：在生產(chǎn)檢測(cè)狀態(tài)下，條包煙到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，同步傳感器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)視覺(jué)圖像傳感器和圖像采集卡采集條包煙外觀圖像，經(jīng)圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析，在下一條包煙到達(dá)之前，完成上一條包煙的全部分析處理，而噴碼的質(zhì)量檢測(cè)是由智能相機(jī)來(lái)采集，并對(duì)采集的數(shù)碼進(jìn)行智能化處理判斷，這兩部分檢測(cè)均給出合格或者不合格的結(jié)論，傳送至PLC控制系統(tǒng)，如果是不合格品，則由PLC驅(qū)動(dòng)高速氣缸將不合格條包煙剔除。

2.2 成像系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖（見圖2）

根據(jù)包裝機(jī)的生產(chǎn)工藝流程，采用順序檢測(cè)進(jìn)行控制，系統(tǒng)程序流程見圖 1。同步觸發(fā)傳感器信號(hào)到達(dá)后，視覺(jué)圖像傳感器和智能相機(jī)采集煙條外觀圖像，經(jīng)圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析，對(duì)采集的數(shù)碼進(jìn)行智能化處理判斷，進(jìn)行缺陷判定和統(tǒng)計(jì)，并將檢測(cè)結(jié)果信號(hào)傳送至PLC[3]控制系統(tǒng)。

圖1 成像系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)備及其功能

根據(jù)卷煙制品包裝質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了圖2所示煙包質(zhì)量控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)、觸摸屏、視覺(jué)圖像傳感器、圖像采集卡、智能相機(jī)、分離裝置、觸發(fā)傳感器、LED光源、電磁閥等組成，如圖2所示。

（1）圖像采集硬件采用丹麥相機(jī) JAI-CV-A11和加拿大CORECO公司的圖像采集卡PC2-VISION，噴碼檢測(cè)采用康耐視 DVT智能相機(jī) ISXS-5RC，它們將采集的信號(hào)傳送給貝加萊工控機(jī)APC620。

（2）觸摸屏與貝加萊工控機(jī)APC620的RS485口通信，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行信息，可設(shè)置參數(shù)，以及提供多種操作方式。

（3）檢測(cè)噴碼智能相機(jī)與貝加萊工業(yè)控制計(jì)算機(jī)使用工業(yè)以太網(wǎng)和 TCP/IP通信協(xié)議通信，在Windows-XP下通過(guò)運(yùn)行FrameWork軟件編制調(diào)試智能相機(jī)參數(shù)程序。

（4）分離裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將條包煙減速通過(guò)并分離。

（5）觸發(fā)傳感器、光源、電磁閥分別為，光纖放大器FS-21R，光纖探頭FU35-FA和NF-DB04，光源組為可變色譜LED攝影燈，噴碼檢測(cè)光源為紅色光源，剔除電磁閥選用MAC 公司35A系列產(chǎn)品。

4 圖像處理軟件設(shè)計(jì)

4.1 圖像處理軟件算法

圖像處理軟件開發(fā)基于 Windows XP 下的VC6.0++,圖像處理函數(shù)庫(kù)采用 Coreco公司的Sapera5.3。

下面針對(duì)幾種特定的檢測(cè)功能，簡(jiǎn)單介紹圖像處理軟件算法設(shè)計(jì)原理。

（1）錯(cuò)牌檢測(cè)

錯(cuò)牌是指其它品牌的煙條偶爾混入到當(dāng)前流水線中，這是一種嚴(yán)重缺陷，要求接近100%的剔除概率。針對(duì)這種缺陷，采取模板匹配的圖像處理方式進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)踐證明識(shí)別準(zhǔn)確率比較理想，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，它的做法是，事先采集相應(yīng)品牌的特征圖片，作為標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行保存，系統(tǒng)工作時(shí)，每條經(jīng)過(guò)檢測(cè)的煙條圖片都和標(biāo)準(zhǔn)圖片進(jìn)行模板匹配運(yùn)算識(shí)別，得到當(dāng)前的相似度系數(shù)，通過(guò)與預(yù)先設(shè)定的相似度門限值進(jìn)行比較，從而判斷是否出現(xiàn)錯(cuò)牌缺陷。

模板匹配的數(shù)學(xué)原理是將模板（子圖）與目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行二維相關(guān)運(yùn)算，在設(shè)定范圍內(nèi)搜索出相關(guān)系數(shù)的最大值，再與設(shè)定值比較，從而可以判斷是否匹配成功，如果匹配成功說(shuō)明在目標(biāo)區(qū)域存在與標(biāo)準(zhǔn)模板相近似的圖案。每一種品牌的煙包裝都存在獨(dú)特的牌號(hào)圖案，所以一般截取該圖案作為該品牌煙條的標(biāo)準(zhǔn)模板。

模板匹配在Sapera函數(shù)類庫(kù)中位于CProSearchArea類和CProSearchEdge類，具體使用涉及幾十個(gè)成員函數(shù)[5]。

（2）表面異常檢測(cè)

表面異常缺陷是指煙條表面像素出現(xiàn)超出正常范圍的灰度值分布，這種情況往往表示煙條表面出現(xiàn)了一定程度的表面缺陷，由于個(gè)別像素正常情況下也會(huì)出現(xiàn)比較大的波動(dòng)，因此采用統(tǒng)計(jì)指標(biāo)（均值、方差）來(lái)衡量表面異常的程度，根據(jù)正常煙條的指標(biāo)范圍設(shè)定門限，當(dāng)出現(xiàn)超過(guò)范圍的煙條時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)判斷并剔除。

統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算函數(shù)在 Sapera函數(shù)類庫(kù)中位于CProBasic類，函數(shù) bool Stats(CProImage& in, float*mean, float *sd, float *min, float *max)。

各參數(shù)函義：in是待計(jì)算的圖像，mean,sd,min,max分別是均值、方差、最小值和最大值。

（3）拉線缺陷檢測(cè)

拉線缺陷包括拉線缺失、拉線歪斜和拉線錯(cuò)牙等幾種情況，本系統(tǒng)中采集到的正常拉線的圖像特征表現(xiàn)為垂直的線，因此可以通過(guò)在設(shè)定區(qū)域?qū)ふ抑本€的圖像處理算法來(lái)檢查拉線的完好情況，判斷直線的方法一般采用 Hough變換來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Hough變換可以找出設(shè)定區(qū)域內(nèi)直線是否存在以及直線的斜率、數(shù)量等參數(shù)，綜合運(yùn)用這些參數(shù)就可以判斷出拉線的各種缺陷。

例如：Hough變換在 Sapera函數(shù)類庫(kù)中位于CproBasic 類，Hough變換函數(shù)形式為：

bool Hough(CProImage& in, CProImage& out,XformDir direction, int startAngle, int endAngle, float angleIncr, HoughAccumMode accumulate)[6]。

4.2 防偽噴碼檢測(cè)

針對(duì)條包煙上噴印防偽數(shù)碼過(guò)程中出現(xiàn)的“漏噴、模糊、缺字、移位”等質(zhì)量問(wèn)題，本系統(tǒng)通過(guò)智能相機(jī)獲取噴印在BOPP包裝膜上的防偽數(shù)碼圖象并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，采用工控機(jī)和軟件（FrameWork）技術(shù)對(duì)圖象數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別，坐標(biāo)計(jì)算，灰度分布圖、OCR識(shí)別、測(cè)量等，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖象特征值，再通過(guò)系統(tǒng) OCR軟傳感器對(duì)組成數(shù)碼的每一位字符的形態(tài)，特征、像素等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算測(cè)定，并在容許度和其他設(shè)定的參數(shù)條件范圍內(nèi)通過(guò)系統(tǒng)所具有的智能化學(xué)習(xí)功能對(duì)字符的特征進(jìn)行學(xué)習(xí)處理，以判別噴印的防偽數(shù)碼字符的正常表現(xiàn)形態(tài)。并將智能化處理判斷結(jié)果傳給 PLC控制系統(tǒng)，由 PLC運(yùn)行用戶程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行邏輯處理，控制高速電磁閥驅(qū)動(dòng)高速氣缸，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)超出檢測(cè)設(shè)定的參數(shù)條件的不合格條包煙的剔除并報(bào)警。

4.3 自動(dòng)建模功能

由于每完成一次完整的檢測(cè)需要人工設(shè)置比較多的超差門限參數(shù)，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，給現(xiàn)場(chǎng)的使用帶來(lái)不便，因此軟件特別設(shè)計(jì)了自動(dòng)建模功能，可以幫助人工比較快的找出合適的門限值。自動(dòng)建模的工作原理是先打開自動(dòng)建模功能，然后讓一定數(shù)量的合格條包煙通過(guò)檢測(cè)器，軟件將自動(dòng)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)該批條包煙的每項(xiàng)指標(biāo)的分布范圍，再按照經(jīng)驗(yàn)系數(shù)自動(dòng)分配好每個(gè)檢測(cè)門限的默認(rèn)值，一般情況下再經(jīng)過(guò)人工的簡(jiǎn)單修正就可以投入使用。

5 PLC程序流程圖

PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集輸入點(diǎn)信號(hào)，并將有缺陷條包煙的結(jié)果保持在寄存器 LR和HR中，同步移位后進(jìn)行剔除，如此反復(fù)進(jìn)行完成每條條包煙的自動(dòng)檢測(cè)控制工作（見圖3）。

圖3 PLC軟件程序框圖

6 結(jié)論

本文主要研究設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、工業(yè)控制機(jī)和觸摸屏的控制系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)中軟件、硬件及人機(jī)界面設(shè)計(jì)，通過(guò)它們的結(jié)合，解決了條包煙外觀和噴碼質(zhì)量檢測(cè)的問(wèn)題。在湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司四平卷煙廠YP11A型裝封箱機(jī)上于2009年10月應(yīng)用后，系統(tǒng)對(duì)條包煙反包、包裝錯(cuò)位、無(wú)透明紙、無(wú)拉線、透明紙皺、條盒翹邊、錯(cuò)牌號(hào)、噴碼漏噴、模糊、缺字、移位等多種質(zhì)量缺陷的條包煙，對(duì)不合格條包煙進(jìn)行剔除。經(jīng)過(guò)三個(gè)月的運(yùn)行，十分穩(wěn)定，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，取得明顯的間接效益。

[1]張廣軍.機(jī)器視覺(jué) [M].北京∶科學(xué)出版社,2005.

[2]孫即祥.圖像分析 [M].北京∶冶金工業(yè)出版社,2005∶124-178

[3]趙朝陽(yáng),史麗萍.基于PLC的變電站監(jiān)控自動(dòng)化的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電氣應(yīng)用,2006,25(6)∶46-48.

[4]高潮.基于機(jī)器視覺(jué)的裂紋缺陷檢測(cè)技術(shù) [J].航空精密制造技術(shù),2007,10(5)∶23-25.

[5]Sapera++ Programmer’s Manual 5.0.

[6]Sapera Processing Programmer’s Manual 5.30.