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        基于機器視覺的卷接機接裝紙圖像檢測系統(tǒng)

        2020-03-06 04:54:24吳成剛謝崇泉張瑞蘋
        食品與機械 2020年1期
        關(guān)鍵詞:檢測

        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

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