吳成剛 楊 塵 謝崇泉 張瑞蘋

(湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 恩施 445002)

接裝紙的接裝長度是煙支外觀質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，接裝紙的接裝長度誤差一般要求為±0.50 mm以內(nèi)[1]。接裝紙長度超差成因復(fù)雜，包括材料問題、卷接機精度、工況問題及操作問題等，通用的解決辦法是人工抽檢和手動糾偏，而在接裝機高速運行過程中，操作工難以對高速運行的接裝紙長度進行實時、精確地測量和調(diào)整，容易出現(xiàn)煙支錯長短的質(zhì)量事故。根據(jù)文獻[2]和實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，接裝紙固有特性和接裝機機械結(jié)構(gòu)特性是導(dǎo)致接裝紙長度變化的主要因素?，F(xiàn)有接裝紙糾偏技術(shù)主要有3類：① 通過加裝張力檢測及控制機構(gòu)保證接裝紙張力，如張力配重法、張力傳感器法等。該方法可在一定程度上提高接裝紙張力的穩(wěn)定性，減少接裝紙錯長短的可能性，但不能杜絕接裝紙超差[3]。② 加裝光電糾偏系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)導(dǎo)軌[4]。接裝紙錯長短產(chǎn)生并非因?qū)к壊痪又性斐?，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)軌來解決，可能導(dǎo)致原本居中的導(dǎo)軌偏離中心。③ 圖像檢測法[5]，通過斜拍導(dǎo)出鼓輪處的煙支接裝紙，進而計算長度。該方案目前只能抽樣檢測30%左右的煙支，而斜拍方式對安裝位置極其敏感且難以調(diào)校，在導(dǎo)出鼓輪處拍照并不能判斷誤差方向，更無法自動調(diào)整導(dǎo)軌。采用上述傳統(tǒng)的穩(wěn)定材料張力、對材料行走路線糾偏、抽樣檢測等方法，雖然可以減少超差煙支的數(shù)量，但無法杜絕超差煙支流入下道工序。

機器視覺具有高速非接觸的特點，是卷接機在線質(zhì)量控制的理想手段。但是受制于卷接機空間狹小、灰塵大的問題，無法將相機直接安裝在卷接機內(nèi)部。針對上述傳統(tǒng)接裝紙糾偏技術(shù)存在的不足，擬提出一種基于機器視覺的香煙卷接機接裝紙圖像檢測系統(tǒng)，設(shè)計直角棱鏡轉(zhuǎn)折光路，將工業(yè)相機、光學(xué)組件、光源封閉一體防塵，并將圖像傳感器安裝在狹小的卷接機內(nèi)部，直接采集過渡鼓輪上的煙支圖像，計算測量煙支接裝紙長度，記錄長度誤差超過允差的不合格煙支圖像，將長度誤差超過允差的煙支予以剔除。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 需求分析

通過卷煙接裝機運行數(shù)據(jù)分析、資料查詢、實地調(diào)研等手段，發(fā)現(xiàn)造成接裝紙漂移的主要原因包括：① 接裝紙紙盤偏擺。接裝紙紙盤更換會造成安裝位置變化，或因接裝紙紙盤自身卷制不均勻、安裝不當(dāng)?shù)仍?，在放卷過程中會產(chǎn)生一定的偏擺，導(dǎo)致接裝紙呈“蛇形”傳送[6]。② 接裝紙張力不均勻。接裝紙本身帶有一定的伸縮性，其紙張克重均勻程度、涂膠后吸濕性能等指標(biāo)都會對其伸縮率造成影響。如果水松紙的橫向方向克重和吸濕性有差異，在經(jīng)過幾道送紙輥后，受時大時小張力的影響，水松紙會產(chǎn)生一定量的橫向位移[6]，尤其是在接裝機變速和拼接時漂移現(xiàn)象最為明顯。③ 機械傳動誤差。接裝紙從開卷到接裝，中間要經(jīng)過多道工序，包括上膠、加熱、切割等工位。期間，機械傳動累積誤差較大，也是導(dǎo)致接裝紙漂移的重要原因。導(dǎo)軌的寬度一般會大于接裝紙寬度，也會導(dǎo)致接裝紙不受控制的波動。④ 分切、搓接等工序引起的誤差。水松紙在分切工序中，因分切刀左右鋒利程度不同，容易導(dǎo)致一定的偏移；在搓接輪上，如果吸風(fēng)口被堵，也容易導(dǎo)致水松紙產(chǎn)生較大的偏移。由上述分析可知，影響接裝紙漂移的因素很多且無法避免。

為了徹底杜絕接裝紙不合格煙支流入下道工序，同時便于操作人員快速調(diào)整設(shè)備，并減少超差煙支產(chǎn)生的可能性降低消耗，接裝紙檢測系統(tǒng)應(yīng)該具備以下特征：① 對于煙支接裝紙長度100%全檢，對于超過最大允差的要準(zhǔn)確剔除；② 具備導(dǎo)軌調(diào)整指示功能，可指導(dǎo)操作人員及時、快速、準(zhǔn)確地調(diào)整導(dǎo)軌，最大程度地降低不合格率；③ 可根據(jù)接裝紙長度變化的規(guī)律分析原因，系統(tǒng)不能解決的問題可以提示指導(dǎo)操作人員排查問題；④ 具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，方便與現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)對接。

1.2 系統(tǒng)總體框架

卷接機接裝紙圖像檢測系統(tǒng)主要由圖像傳感器、控制器和工控機構(gòu)成，如圖1所示?？刂破饕环矫娓鶕?jù)煙支同步信號，產(chǎn)生相機和光源的觸發(fā)信號給圖像傳感器，另一方面根據(jù)剔除指令，控制剔除機構(gòu)對當(dāng)前檢測得到的不合格煙支進行剔除處理；圖像傳感器根據(jù)觸發(fā)信號控制相機曝光和光源開啟，以獲取其下方的煙支圖像，并將采集圖像傳送到工控機進行后續(xù)分析；工控機安裝的上位機軟件，對接收的采集圖像進行處理，計算煙支接裝紙的長度，對超差煙支給控制器發(fā)出剔除指令，同時，通過實時動態(tài)導(dǎo)軌標(biāo)尺引導(dǎo)操作人員快速準(zhǔn)確地調(diào)校導(dǎo)軌，并根據(jù)切口及接裝位置軌跡分析相關(guān)設(shè)備部件運行狀況，有異常及時提醒操作人員處理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Schematic diagram of tipping paper image detecting system

1.3 硬件組成

1.3.1 圖像傳感器設(shè)計與安裝 卷接機運行速度快，每秒需要檢測約100～200只煙支的接裝紙長度，高速非接觸測量，機器視覺是首選[7]。自行設(shè)計的圖像傳感器由相機、鏡頭、光源、直角三棱鏡構(gòu)成，其中，所采用的工業(yè)面陣相機，通過降低行像素高度，幀率最高可達150幀/s，最高檢測速度可達18 000支/min，相機采用千兆網(wǎng)接口，速度快、抗干擾能力強、傳輸距離遠。相機行像素1 600 像素，最大視野80 mm時，分辨能力達到0.05 mm，可以滿足檢測精度要求。

為了滿足安裝空間要求，并保持正視于煙支和視野，采用了三棱鏡將光路轉(zhuǎn)折90°。同時將定制光源直接安裝在底板上，并在底板底部安裝高透視窗，使圖像傳感裝置結(jié)構(gòu)緊湊，滿足IP61的防護等級。傳感器可以和鼓輪平行布局，視窗的中心正對于切口，橫截面尺寸50 mm×50 mm，基本不會影響到設(shè)備運行和操作維護。保養(yǎng)只需要用鏡頭紙擦拭視窗即可。所設(shè)計的圖像傳感器三位結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圖像傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計Figure 2 Imaging sensor

圖像傳感器(圖3中紅框部分)呈管狀，安裝于最終分切后的過渡鼓輪上方，與鼓輪平行布局。所采取的正視拍照方式不需要計算圖像還原，可識別誤差方向，優(yōu)勢顯著。所設(shè)計的圖像傳感裝置集成了工業(yè)相機、鏡頭、光學(xué)組件和光源，占用空間小，防護等級高，免維護保養(yǎng)。圖像傳感器可以同時獲取內(nèi)外排煙支接裝紙的圖像，最高幀率可達100幀/s，適用于速度不高于12 000支/min的卷接機。

1. 圖像傳感器 2. 過濾鼓輪 3. 待檢測煙支 4. 已剔除煙支

1.3.2 控制器 系統(tǒng)需要煙支時鐘信號觸發(fā)相機拍照和光源頻閃，給CIS提供剔除信號，這些信號時序嚴(yán)格，PLC的速度無法滿足要求。如果采用運動控制卡和光源驅(qū)動器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)所需的功能，但是需要在工控機中插入運動控制卡，現(xiàn)有工控機無法提供接口。再者外部需要安裝接口板和光源驅(qū)動器，占用空間大，卷接機也無法提供相應(yīng)的安裝空間。

設(shè)計選用基于STM32的控制器[8]，該控制器提供USB接口與工控機通訊，一路光源電源輸出口驅(qū)動頻閃燈，一路直流電機輸出口預(yù)留給糾偏系統(tǒng)，4路高速數(shù)字輸入輸出端口可用于相機觸發(fā)和次品剔除?；赟TM32的控制器能從卷接機煙支同步控制器獲取雙倍煙支同步脈沖信號，經(jīng)過延時處理后發(fā)送給圖像傳感器觸發(fā)拍照。通過USB與工控機通訊，發(fā)送煙支序號，獲取到剔除命令后再結(jié)合煙支序號和同步信號向煙支同步控制器發(fā)送剔除信號。

1.4 軟件設(shè)計

1.4.1 軟件功能說明 上位機軟件運行在卷接機自帶的工控機中，主要功能包括：① 從圖像傳感器獲取煙支圖像；② 向圖像傳感器發(fā)送圖像獲取參數(shù)；③ 通過USB向控制器傳送剔除命令；④ 軟件識別接裝位置和切口位置，測量煙支接裝紙長度；⑤ 顯示接裝紙導(dǎo)軌偏差、煙支圖像、誤差曲線；⑥ 設(shè)置參數(shù)；⑦ 保存測量數(shù)據(jù)和超差煙支的圖像。

上位機軟件對采集得到的煙支圖像進行處理分析，識別出切口和接裝紙的邊緣，并測量出切口到邊緣的長度，根據(jù)設(shè)定的允差發(fā)出剔除命令，具體工作流程如圖4 所示。

1.4.2 軟件功能設(shè)計 借助OpenCV軟件平臺[9-10]進行上位機軟件系統(tǒng)開發(fā)，其主要功能界面包括：標(biāo)尺界面和圖像界面。

所設(shè)計的上位機軟件系統(tǒng)圖像界面(圖5)一方面直接顯示觀察拍攝得到的照片及誤差曲線，另一方面作為人機交互接口，方便操作人員進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。具體的參數(shù)設(shè)置包括：① “亮度”用于調(diào)整圖片的亮度；② “延時”是系統(tǒng)參數(shù)，用于補償電路的延時；③ “位置”是指拍照的位置，如果煙支上下不居中可以調(diào)整該參數(shù)；④ “剔除開始”及“剔除結(jié)束”用于調(diào)整傳感器和剔除閥間的路徑，單位是DCP，可以有小數(shù)。

圖4 基于STM32的控制器Figure 4 Controller based on STM32

圖5 上位機軟件系統(tǒng)圖像界面Figure 5 Image interface of host software system

如圖6所示的超差煙支圖像中，黃色線表示視野中心，從左到右依次有4根垂直的藍色線，分別表示內(nèi)排煙支接裝位置、內(nèi)排煙支切口位置、外排煙支切口位置、外排煙支接裝位置，單位均為像素，采用亞像素分析法可以精確到0.3像素。

定義接裝線長度誤差和切口寬度誤差分別為：

e=(X4+X1-X3-X2)/(2×p)，

(1)

g=(X3-X2)/p，

(2)

式中：

e——接裝線長度誤差，mm；

g——切口寬度誤差，mm；

X1——內(nèi)排煙支接裝位置，像素；

X2——內(nèi)排煙支切口位置，像素；

X3——外排煙支切口位置，像素；

X4——外排煙支接裝位置，像素；

p——像素空間和物理空間轉(zhuǎn)換的系數(shù)，像素/mm。

所設(shè)計的上位機軟件系統(tǒng)標(biāo)尺界面(圖6)作為操作人員常用界面，用于標(biāo)示導(dǎo)軌的位置。當(dāng)導(dǎo)軌位置居中時，測量結(jié)果顯示為零，藍色三角和紅色三角對準(zhǔn)。當(dāng)標(biāo)尺偏離零點靠右，測量結(jié)果顯示為正數(shù)，表示導(dǎo)軌偏向操作側(cè)應(yīng)該向遠側(cè)調(diào)整導(dǎo)軌。反之，向操作側(cè)調(diào)整導(dǎo)軌。具體的參數(shù)設(shè)置功能欄包括：① “接裝紙寬”指接裝紙的實際寬度；② “允差”是最大允許誤差，超過“允差”的煙支會被剔除；③ “剔除”是統(tǒng)計剔除率和剔除數(shù)量的顯示，不能修改數(shù)值，但可以通過“清零”將其數(shù)值歸零；④ “生成報表”用于上傳統(tǒng)計數(shù)據(jù)，與生成制造管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后才能使用。

圖6 上位機軟件系統(tǒng)標(biāo)尺界面Figure 6 Image interface of host software system

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗條件設(shè)置

為驗證文章所提出香煙卷接機接裝紙圖像檢測系統(tǒng)功能的有效性，利用某卷煙廠1#卷接機組2019年11月23日～27日10個班次的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分別對軟件功能、系統(tǒng)穩(wěn)定性、速度、全檢、漏剔、誤剔等項目進行測試分析。測試時卷接機運行速度6 000～6 500支/min。

2.2 基本功能驗證

(1) 軟件功能：軟件啟動停止正常，指示導(dǎo)軌位置正常，圖片顯示正常，誤差曲線正常，剔除計數(shù)正常，參數(shù)設(shè)置正常。

(2) 穩(wěn)定性：測試期間圖像系統(tǒng)能正常工作，未發(fā)生故障。

(3) 速度：卷接機最高運行速度6 500支/min，煙支DCP信號計數(shù)值與圖像計數(shù)值一致。模擬運行速度12 000支/min，軟件模擬觸發(fā)，周期10 ms，觸發(fā)技術(shù)與圖像計數(shù)一致。

(4) 全檢：比較煙支DCP信號計數(shù)值與圖像計數(shù)值一致，煙支100%全檢。

(5) 漏剔：通過高頻次多組質(zhì)量抽檢，每30 min抽檢一次，每次抽檢3組，每組20支煙，發(fā)現(xiàn)超差煙支0支。

(6) 誤剔：檢查1 000張系統(tǒng)保存的超差煙支圖像，通過專用的分析軟件回放，沒有發(fā)現(xiàn)誤剔的煙支，剔除率一般在0.1‰左右(剔除統(tǒng)計結(jié)果見表1)。

通過5 d的測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，檢測剔除功能正常，達到了設(shè)計要求，滿足卷接機在線全檢的要求。

表1 剔除煙支數(shù)量統(tǒng)計Table 1 Statistics of number of removed cigarettes

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 超差煙支類型評估

借助所提出的香煙卷接機接裝紙圖像檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果，對實際生產(chǎn)過程中的超差煙支類型進行了評估和探討，對1 000支剔除煙支的圖片進行回放分析。通常，剔除煙支主要包括3類(圖7)：① 一般超差煙支。煙支外觀完整，但接裝紙超過允許誤差。② 外觀超差煙支。煙支外觀不完整或者嚴(yán)重畸變，如接裝紙搭接不牢、煙支缺嘴、錯牙、接裝紙夾沫等。③ 位置超差煙支。該類煙支因卷接機飛煙、堵塞等導(dǎo)致被遮擋或者嚴(yán)重錯位。

通過對1 000張超差煙支圖像數(shù)據(jù)進行分析，各種類型超差煙支分類結(jié)果如表2所示。一般超差占93.9%，主要出現(xiàn)在機器運轉(zhuǎn)異?；蛘邠Q接裝紙時。值得注意的是，一般超差在機器正常工況下很少出現(xiàn)，但是系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)偶發(fā)的個別煙支有很大的誤差。外觀超差、位置超差占的比重雖然只有6.1%但危害性大，不剔除很可能堵塞煙道、煙庫。這兩種情況人工不可預(yù)料也很難發(fā)現(xiàn)，但香煙卷接機接裝紙圖像檢測系統(tǒng)可以有效將其剔除。

圖7 超差煙支類型圖像Figure 7 Out of tolerance cigarette image

表2 超差煙支分類統(tǒng)計表Table 2 Classification statistics of out of tolerance cigarettes

3.2 接裝紙錯長短問題成因分析

影響接裝紙長度的原因有：接裝紙的偏擺、張力不均勻等材料問題；紙路、相關(guān)鼓輪、切刀等機械部件的動靜態(tài)精度問題，接裝紙的安裝及紙路的調(diào)校等操作問題。借助所提出的香煙卷接機接裝紙圖像檢測系統(tǒng)，獲取2019年11月24日9點(表示為2409)和2019年11月27日11點(表示為2711)的數(shù)據(jù)文件，對式(1)和(2)計算結(jié)果進行頻譜分析。

3.2.1 切口分析 圖8和圖9顯示2409、2711的切口寬度和頻譜，表3統(tǒng)計了2409、2711的頻譜和強度。其中，譜線1的周期約為22 s，與卷接機搓鼓槽數(shù)一致；譜線2周期約為18 s，與卷接機靠攏鼓槽數(shù)一致；譜線3周期約為14 s，與卷接機最終分切鼓、過渡鼓的槽數(shù)一致；譜線5、6、7、8、10是譜線3的2、3、4、5、6次諧波。實際運行中，譜線4曾出現(xiàn)異常大的情況，操作人員立即停機檢測，發(fā)現(xiàn)切刀帶膠，鏟除膠后重新運行，譜線4恢復(fù)正常水平，因此認(rèn)為譜線4和切刀相關(guān)，但二者之間的關(guān)聯(lián)有待進一步研究。

從譜線圖8(b)和圖9(b)可知切口關(guān)系較大的機構(gòu)分別為最終分切鼓、過渡鼓和切刀。2409的切口寬度變化較小，譜線3是主要的譜線；2711切口寬度變化較大，譜線4是主要譜線。也就是說，影響2711寬度變化主要是切刀引起的。由于2409和2711是在同一臺卷接機上獲取的，其鼓輪影響基本相同。因此，可以根據(jù)切口寬度的變化來判斷切刀工作狀態(tài)，在切口變化較大時需提醒操作人員檢測切刀。

3.2.2 誤差分析 由圖10和圖11可知，2409的譜線除了譜線4外還有很多譜線，多且雜規(guī)律性不強；2711的主譜線非常明顯就是譜線4，說明2711的誤差主要是切刀引起的。由此可知，影響接裝紙長度的最主要因素是接裝紙的張力和切刀。

圖12(a)是2409的誤差概率分布，三角形分布頂點在(-0.038，3.73)，方差約為0.4。圖12(b)是2711的誤差概率分布，正態(tài)分布有兩個波峰，分別在(-0.095，2.02)(0.069，2.92)，方差約為0.3，有兩個波說明在運行過程中對導(dǎo)軌進行了一次調(diào)整，調(diào)整量為0.164 mm。根據(jù)誤差概率分布可知，2711的一致性更好。2711在切刀狀況較差的情況下，誤差一致性更好，說明2711的材料穩(wěn)定性更好。如果在切刀情況基本一致的條件下，可以根據(jù)誤差的一致性判斷材料質(zhì)量的優(yōu)劣。

圖8 2409切口距離和頻譜圖Figure 8 Slot and spectrum output of 2409 dataset

圖9 2711切口距離和頻譜圖Figure 9 Slot and spectrum output of 2711 dataset

表3 切口譜線統(tǒng)計表Table 3 Statistics of slot spectrum

4 結(jié)論

基于機器視覺的卷接機接裝紙圖像檢測系統(tǒng)，在狹小的卷接機內(nèi)部布置圖像傳感裝置，能直接檢測每一支煙支外觀和接裝紙長度，剔除超差煙支。通過合理的光學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)了機器視覺檢測在卷接機在線檢測中的應(yīng)用，保證了超差煙支不流入下道工序，根據(jù)獲取的導(dǎo)軌位置信息指導(dǎo)操作人員及時調(diào)整導(dǎo)軌，提高了產(chǎn)品合格率。此外，通過對檢測誤差的頻譜分析和概率統(tǒng)計，初步確定了切刀及接裝紙質(zhì)量對檢測誤差波動的影響，后續(xù)工作將重點研究并確定誤差波動和切刀工況、材料質(zhì)量之間的內(nèi)部關(guān)聯(lián)。

圖10 2409誤差和頻譜圖Figure 10 Error and spectrum output of 2409 dataset

圖11 2711誤差和頻譜圖Figure 11 Error and spectrum output of 2711 dataset

圖12 誤差概率分布圖Figure 12 Error probability distribution