顧昌鈴

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺和光電檢測相結(jié)合煙支檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)將相機(jī)采集的圖像信息和光電傳感器掃描得到的電壓信號送入控制器進(jìn)行合并處理分析，最終識別出待檢煙包是否存在質(zhì)量缺陷。本系統(tǒng)突破的將兩種檢測技術(shù)結(jié)合在一起，優(yōu)勢互補(bǔ)，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用在煙草包裝機(jī)上。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;光電檢測;空頭;缺支

0 引言

在卷煙加工生產(chǎn)的過程中，煙支的好壞直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量，從卷接機(jī)輸送到包裝線的煙支因?yàn)榉N種原因會有各種不合格品。為了保證最終煙包內(nèi)的煙支質(zhì)量，包裝線上需要安裝煙支檢測裝置，用于檢測煙包內(nèi)單個(gè)煙支的裝填情況（空頭檢測），以及整個(gè)煙包的完整性（缺支、缺嘴檢測等），并對存在缺陷的煙包向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號。

ZB25/ZB45系列中速包裝機(jī)組是國內(nèi)煙廠的主流機(jī)型，約有2000臺機(jī)器在使用。目前，該包裝機(jī)組上使用最多是光電式煙支檢測器，還有一些近幾年推出的機(jī)器視覺式檢測器以及少量傳統(tǒng)的機(jī)械接觸式檢測器。

光電式煙支檢測器投入市場較早，早期產(chǎn)品已使用超過十年，存在系統(tǒng)老化、可靠性下降等風(fēng)險(xiǎn)，且在細(xì)支煙檢測、人機(jī)交互性上表現(xiàn)一般，同時(shí)國內(nèi)部分煙廠開始推廣濾嘴側(cè)具有各種圖案的異型煙，而光電式煙支檢測器無法對其進(jìn)行有效檢測;機(jī)器視覺式檢測器雖然解決了異型煙的檢測，并基本杜絕了缺支、反支煙的漏易剔，但由于煙絲側(cè)的空頭情況復(fù)雜多變以及松頭的存在，因此煙絲側(cè)還存在漏剔現(xiàn)象。

基于光電式和機(jī)器視覺式各有優(yōu)勢而又都存在一些缺陷，我們將二者結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了新型的復(fù)合型煙支檢測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)綜述

2.1 硬件

復(fù)合型煙支檢測系統(tǒng)采用機(jī)器視覺和光電檢測兩種技術(shù)相結(jié)合，對煙包中的缺支、缺嘴、反支以及空頭煙進(jìn)行檢測。該系統(tǒng)主要由控制器和煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)圖像采集組件兩部分組成，其原理框圖如圖1所示。

控制器為檢測器的核心處理單元，包括人機(jī)界面和控制組件。其中人機(jī)界面由工控板和一個(gè)帶觸摸屏的彩色液晶屏組成，工控板用于操作系統(tǒng)及上位機(jī)軟件的運(yùn)行，采用的是COM-express模塊，該模塊采用統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)需要進(jìn)行系統(tǒng)硬件升級時(shí)，無需變動(dòng)載板，只需更換COM-express模塊即可;控制組件用于工控板的外圍擴(kuò)展，主要包括接口板單片機(jī)、編碼器信號采集電路、USB數(shù)據(jù)采集接口、包裝機(jī)組控制系統(tǒng)通訊接口、恒流源電路等。

煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)傳感器包括圖像采集模塊和光電采集模塊。圖像采集模塊負(fù)責(zé)控制光源對煙支煙絲/濾嘴端面照明，通過圖像傳感器采集煙支煙絲/濾嘴端面圖像并進(jìn)行初步處理后傳送給控制器。光電采集組件負(fù)責(zé)控制光電管向煙支煙絲/濾嘴端面發(fā)射紅外光，通過模塊中單片機(jī)的ADC模塊采集經(jīng)反射產(chǎn)生的電壓信號并進(jìn)行初步處理后傳送給控制器。

2.2 軟件

本檢測系統(tǒng)軟件包括控制器上、下位機(jī)軟件和煙絲、濾嘴傳感器內(nèi)的光電控制軟件。

控制器上位機(jī)軟件的功能主要包括圖像處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)整體控制和與人機(jī)交互，選用的操作系統(tǒng)為Windows7，開發(fā)環(huán)境為VisualStudio2010。上位機(jī)軟件從煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)相機(jī)接收采集到的圖像數(shù)據(jù);通過圖像處理技術(shù)對采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否存在空頭、缺支等缺陷，并與光電采集模塊采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，判斷當(dāng)前煙包是否存在空頭、缺支等缺陷。若檢測到缺陷則向接口板CPU發(fā)送命令，由接口板向包裝機(jī)組控制柜發(fā)送剔除信號，處理流程如圖2所示。

上位機(jī)同時(shí)通過顯示屏顯示系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)信息;通過觸摸屏響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置等操作。

控制器下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)軟件的命令，對外圍設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作。完成的功能主要包括：通過編碼器信號采集電路讀取編碼器的相位并傳送給，上位機(jī)軟件;控制煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)組件中的圖像采集組件在指定相位進(jìn)行圖像采集;向煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)光電采集模塊發(fā)送相位信息;根據(jù)上位機(jī)軟件命令向包裝機(jī)組控制柜發(fā)送空頭、缺支等剔除信號。

光電控制軟件對下位機(jī)軟件發(fā)送的相位脈沖進(jìn)行識別，在相位掃描區(qū)間對煙絲和濾嘴端面進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，得到各排煙支的電壓曲線;在各煙支相位區(qū)間內(nèi)計(jì)算得到各煙支煙絲/濾嘴的電壓最小值，并將該值及電壓曲線數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器上位機(jī)軟件。光電控制軟件使用Keil編程工具和C語言進(jìn)行編程。

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)傳感器

煙絲側(cè)/濾嘴側(cè)傳感器分別包括圖像采集模塊和光電采集模塊兩部分?？紤]兩種方案設(shè)計(jì)：第-種為分體設(shè)計(jì);第二種為一體化設(shè)計(jì)。

分體設(shè)計(jì)是將圖像采集模塊和光電采集模塊獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用兩個(gè)結(jié)構(gòu)殼體，好處是每個(gè)獨(dú)立模塊結(jié)構(gòu)上相對簡單，并且二者不會相互干涉;壞處是分體式設(shè)計(jì)帶來的空間占用大，兩個(gè)模塊不能同時(shí)對一包煙進(jìn)行檢測，給現(xiàn)場安裝調(diào)試帶來不便。

一體化設(shè)計(jì)是將光電數(shù)據(jù)采集模塊和圖像數(shù)據(jù)采集模塊封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)整體，使兩種檢測方式共存于一個(gè)檢測工位，且兩個(gè)模塊內(nèi)部獨(dú)立運(yùn)行，并且分別采用標(biāo)準(zhǔn)的輸出接口，便于升級、替換，好處是結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場安裝調(diào)試便捷，壞處是圖像采集模塊需要在煙支動(dòng)態(tài)中拍照，可能產(chǎn)生采集的圖像出現(xiàn)動(dòng)態(tài)模糊問題。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，我們采用提高光源亮度、減小曝光時(shí)間、優(yōu)化圖像降噪處理等方法，可以很好的解決圖像動(dòng)態(tài)模糊的問題，達(dá)到檢測要求。

通過對兩個(gè)方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集比較以及現(xiàn)場安裝等因素的綜合考慮，一體化設(shè)計(jì)雖然在動(dòng)態(tài)中拍照，但經(jīng)過處理可以達(dá)到使用要求，而現(xiàn)場安裝位置又緊張，因此決定采用一體化設(shè)計(jì)方案。如圖3所示為一體化設(shè)計(jì)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和現(xiàn)場安裝效果。

3.2 控制器上位機(jī)軟件

控制器上位機(jī)程序采用基于對話框的Windows應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)圖像和光電數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)的整體控制。其基本功能包括：通過控制組件接口板上的通訊接口與圖像采集組件通訊，從圖像采集組件接收采集到的圖像數(shù)據(jù);通過串口接受光電數(shù)據(jù);分別對圖像和光電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷當(dāng)前煙包中是否存在空頭、缺支等缺陷;在檢測到缺陷時(shí)向接口板CPU發(fā)送命令，告知其在指定的相位向包裝機(jī)組控制柜發(fā)送剔除信號;通過顯示屏顯示系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)信息;通過觸摸屏響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置等操作。