甘勝勇　

(常德煙草機械有限責任公司 總師辦, 湖南 常德, 415000)

高速煙支表面污點檢測技術

甘勝勇

(常德煙草機械有限責任公司 總師辦, 湖南 常德, 415000)

為了解決卷煙高速生產過程中煙支表面成像和污點檢測問題, 設計了一套光學系統(tǒng), 使煙支外表面能均勻地成像于傳感器上, 得到展開的無變形圖像。通過靜態(tài)與動態(tài)試驗, 驗證了該系統(tǒng)可在10 000支/min速度下拍攝到煙支的無變形圖像, 并能辨別出不小于1 mm × 1 mm的污點。因此, 本文設計的系統(tǒng)能替代原有光學系統(tǒng), 滿足卷煙生產中對煙支表面污點檢測的需要。

高速煙支; 表面成像; 污點檢測

現代卷煙廠對巻煙接嘴機組生產出來的煙支有很高的質量要求, 大部分的不合格煙支會在高速的卷煙接嘴生產過程中被檢測出來并剔除。除了最基本的缺嘴、漏氣、松頭、過輕、過重、輕煙端等缺陷以外, 不同的卷煙廠會對其不同的香煙品種提出不同的檢測項目和質量要求, 其中有些卷煙廠要求對煙支的表面圖像進行分析, 例如煙支表面的污點、鋼印的位置、鋼印的套色等。要滿足這類的質量要求, 往往僅對煙支拍照一兩次是不夠的, 而是需要煙條表面的均勻成像技術。簡單來講, 就是對已經卷成圓柱狀的煙條表面, 通過光學、電子、數字的技術, 還原成一張攤開平鋪的圖片, 再進行分析, 找出缺陷煙支后剔除。這一工作是卷煙機組在連續(xù)高速運行狀態(tài)中進行的, 因而對檢測、分析、執(zhí)行的實時性都有很高的要求。同行業(yè)中, 僅在德國的香煙卷接機組中有類似的產品及技術研究, 如豪尼公司的ORIS-XR系統(tǒng)[1]。本設計填補了國內相關領域技術的空缺, 并為日后同類型產品的研發(fā)提供了理論依據及基礎。

1　煙支表面污點檢測系統(tǒng)的設計原理

1.1系統(tǒng)結構

成像系統(tǒng)組件由LED光源、反光杯、反光錐面、反光鏡、聚焦透鏡組成, 其作用是照亮一小段柱表面(即煙條表面), 并使其在成像平面上成像, 以供傳感器、處理器系統(tǒng)讀取。當煙條沿其軸線方向連續(xù)運動時, 處理器連續(xù)讀取多幅圖像, 經整合后可得到完整的煙條表面展開圖。

1.2光路原理

圖2中28是卷制成型的煙條，煙條在透明的玻璃管46中沿其軸線44方向高速運動。53是金屬材料制成的反光杯，該反光杯是關于軸線44對稱的，中間有孔以便玻璃管46及煙條28通過。

對稱于軸線44環(huán)形布置的LED光源48發(fā)出基本平行于煙條中心線的發(fā)散光束52，該光束射入反光杯53內并被其內表面54反射，由于內表面54是經過設計的曲面，使得反射的光束會聚于煙條中心線44上，因而在煙條表面形成環(huán)繞的光帶94，起到一個聚光照明的作用。

另外一個光學組件由反光錐面 65和反光鏡66組成，右邊部分65是對稱于軸線44的圓錐體的一部分，而左邊部分66是被兩個平面傾斜切割的圓柱體，該兩個平面對稱于過軸線44的水平面，因而造成了兩個傾斜的內表面76和76A。煙條受光表面94的圖像經過65的內表面70和76（76A）的兩次反射到達上聚焦透鏡80和下聚焦透鏡86，然后聚焦于傳感器81和88。傳感器81和88接收到的圖像分別對應于煙條光帶的上半部和下半部。

圖1　煙支表面成像系統(tǒng)組件

圖2　光路示意圖

圖3　光源平面上的反射曲線

圖4　反光杯光路仿真

1.3LED光源及反光杯

LED光源采用21顆白色高亮LED, 發(fā)射角為25°, 發(fā)射中心線平行于煙條中心線。所有 LED在垂直于煙條中心線的平面上以環(huán)形均勻布置, 任一LED中心點距離煙條中心線15 mm[2–5]。

在圖3所示的煙條中, LED分布在垂直于煙條中心線的一個平面上, 取煙條中心線上的一點F1, 再取垂直平面上其中一個LED的中心點F2, 以F1和F2為焦點的橢圓上的曲線?CPD作為反射面做出反射曲線。根據橢圓性質有: LED發(fā)出的光束, 射到反射曲線?CPD上的部分, 全部會聚到點F1上[6]。同理, 對于環(huán)形布置的每一顆LED, 在過其中心點及煙條中心線的平面上都可以得到這樣的光束會聚特性。

把圖3中?CPD段橢圓曲線繞煙條中心線旋轉一周, 可得到反光杯曲面。由于LED發(fā)射角比較小, 因此這一反光杯可使 LED發(fā)出的大部分光聚集在煙條表面上形成環(huán)繞煙條表面的光帶。在初步的幾何光路設計以后, 使用光學分析軟件Lighttools進行光學仿真驗證, 仿真的光路如圖4所示。且據觀察所得, 環(huán)繞煙條表面的光帶是均勻的。

1.4反光錐面和反光鏡

如圖5所示, 反光鏡2的鏡面與煙條軸線成45°角，其繞煙條軸線旋轉一周便形成反光內錐面。反光鏡3是上下2個傾斜平面, 分別與過煙條軸線的水平面成45°角。當煙條表面被1.3所述光源和反光杯1照亮, 其圖像將經過反光錐面2和反光鏡3的兩次反射到達上鏡頭4和下鏡頭5, 從而在上成像平面6和下成像平面7上成像。如果在上下成像平面位置放置傳感器, 那么在合適的鏡頭焦距下, 只要調整好焦點即傳感器到鏡頭的距離, 就能使成像清晰度合乎要求。

圖5　反光錐面和反光鏡剖面圖

圖6　靜態(tài)試驗裝置

圖7　靜態(tài)試驗結果

圖8　動態(tài)試驗裝置

圖9　動態(tài)試驗煙條樣品　

圖10　動態(tài)試驗煙條展開圖

2　試驗及結果分析

2.1靜態(tài)試驗

靜態(tài)試驗目的是驗證光路的正確性。如圖 6所示, 試驗裝置由照明部件(包括 LED板和反光杯)、成像部件(反光錐面、反光鏡及鏡頭)、毛玻璃片、LED驅動板、電源、玻璃管及被測煙條組成。

準備工作: 調整焦點。通電熱機后, 質量合格的被測煙條放進玻璃管內, 用支承物維持其居于玻璃管中間, 毛玻璃片上應出現半圓形成像。觀察毛玻璃片上的成像邊沿是否清晰, 如否, 調整毛玻璃片到鏡頭之距離直到清晰。

試驗過程: 制作黑白相間的被測煙條, 其縱向條紋黑白寬度各 0.2 mm。把該煙條放進玻璃管并維持居中, 觀察并記錄毛玻璃片上的成像。

試驗結果如圖7所示。

結果分析: 毛玻璃片上的成像亮暗相間, 間隔均勻, 亮條數與被測煙條上半部白條數相等, 亮條與暗條寬度大致相等, 說明各光學部件組裝起來能夠均勻成像。

2.2動態(tài)試驗

動態(tài)試驗裝置如圖 8所示。試驗目的: 檢測成像組件、傳感器、處理器組成的檢測系統(tǒng)對煙支表面上不同尺寸污點的識別能力。

試驗裝置及原理: 采用有機玻璃管模擬煙支運行通道, 并利用壓縮空氣使煙支以一定速度經過成像組件, 在玻璃管末端裝有一個光電開關, 用于檢測煙支位置以及速度(使用示波器捕捉脈沖信號可計算出煙支經過的速度)。

上下傳感器板和高速處理器以一定頻率記錄煙支表面的成像, 并把上下每一幅圖像還原為一小段煙支表面展開圖, 一支煙過后就可得到該煙支的整體表面展開圖。最后通過通訊接口把結果發(fā)至電腦中以圖像形式顯示[7–9]。圖9和圖10分別是被測煙條及其展開圖。

污點辨認試驗過程及結果: 在被測煙條上涂一個1 mm × 1mm的污點, 模擬生產過程中煙條運動速度, 使其以 7～10 m/s(相當于7 000～10 000支/min)速度通過。電腦展開圖二值化以后的結果如圖11所示。

圖11證明, 本裝置能在最高10 000支/min[10]速度下成功辨別出大于1 mm × 1 mm的污點。

圖11　1 mm × 1 mm污點

3　結論

目前國內絕大部分卷煙機組每通道的速度都不大于10 000支/min, 本設計原理上能滿足卷煙生產中對煙支表面污點檢測的需要。由于本裝置對污點的辨別能力受以下因素影響: (1) 成像組件的制作精度; (2) 傳感器的分辨率, 主要影響展開圖的煙條周向分辨率; (3) 對煙支表面成像進行記錄的頻率, 主要影響展開圖的煙條軸向分辨率, 因此本文中試驗所用光學元件仍有改進的空間。

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(責任編校: 劉剛毅)

High-speed spot detection technology on cigarette surface

Gan Shengyong
(Office of Chief Engineer, Changde Tobacco Machinery Co Ltd, Changde 415000, China)

In nowadays high-speed cigarette production lines, defective cigarettes with contaminated spots are often discovered. To resolve the problem, the design of an optical rod inspection system is presented, which is able to capture the undistorted surface images of cigarettes in high-speed production. The experiment results show that the proposed design is able to identify a defect spot not less than 1 mm × 1 mm on a cigarette under the production speed of 10 000 cigarettes per minute. This solution is feasible in the actual production line.

high-speed cigarette; surface imaging; defect spot inspection

TS 43

1672–6146(2016)02–0091–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.02.021

甘勝勇, gansy@ccdtm.com。

2016–03–17