徐國(guó)現(xiàn)，陳 圣，權(quán)發(fā)香，王茂方

（紅云紅河集團(tuán)會(huì)澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

在包裝硬包小盒時(shí)，內(nèi)框紙為必備原輔材料之一。內(nèi)框紙?jiān)陔S機(jī)位置會(huì)含有接頭部分，必須準(zhǔn)確檢測(cè)并剔除，由于原檢測(cè)裝置的不穩(wěn)定性，漏檢、誤檢現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。但是，目前在用的內(nèi)框紙接頭檢測(cè)裝置是原機(jī)自帶，設(shè)備制造商對(duì)其進(jìn)行技術(shù)保護(hù)，無法再加以開發(fā)革新，導(dǎo)致了此套檢測(cè)裝置出現(xiàn)技術(shù)落后、維修困難等問題。有鑒于此，問題，研制一套新的內(nèi)框紙接頭檢測(cè)裝置，以解決原檢測(cè)裝置準(zhǔn)確率低、故障率高、維修成本高昂等問題，提升“精益制造”能力，滿足車間降本增效的要求。

1 背景

1.1 硬盒煙包質(zhì)量的需求

在硬包包裝過程中，由于輔料供應(yīng)商制造工藝原因，內(nèi)框紙中會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)內(nèi)框紙接頭（圖1）。按照生產(chǎn)工藝要求，內(nèi)框紙接頭必須進(jìn)行精確檢測(cè)并進(jìn)行處理，嚴(yán)禁帶有內(nèi)框紙的煙包流向下一道工序。

圖1 FOCKE350 內(nèi)框紙接頭

FOCKE350 原機(jī)自帶內(nèi)框紙接頭檢測(cè)裝置（圖2）。班組人員反映，原檢測(cè)裝置誤檢、漏檢現(xiàn)象頻發(fā)，不僅增加了機(jī)組人員的工作負(fù)擔(dān)，甚至?xí)岣呦嚓P(guān)機(jī)組人員質(zhì)量考核的難度。

圖2 FOCKE350 內(nèi)框紙接頭專用檢測(cè)裝置及安裝位置

1.2 原機(jī)自帶檢測(cè)裝置工作原理

查閱FOCKE350 相關(guān)的設(shè)備資料可知，原檢測(cè)裝置是通過反射式光纖感應(yīng)不同顏色的物面反光不同來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，在生產(chǎn)過程中，由于原檢測(cè)裝置采用固定靈敏度設(shè)置，內(nèi)框紙紙面與光纖頭的距離發(fā)生變化d、光纖頭積灰、煙絲飛濺、內(nèi)框紙換牌等都會(huì)導(dǎo)致誤撿、漏檢現(xiàn)象（圖3）。

圖3 原檢測(cè)裝置分析原理

以上不可控外因直接制約了內(nèi)框紙接頭檢測(cè)的精準(zhǔn)性，導(dǎo)致其誤撿、漏檢率過高。設(shè)備維修人員反映，該檢測(cè)裝置的準(zhǔn)確性取決于“光纖頭與內(nèi)框紙的檢測(cè)距離及相對(duì)位置”和“光纖頭的清潔程度”。在生產(chǎn)過程中，光纖頭容易積灰導(dǎo)致誤檢，尤其是換牌時(shí)，內(nèi)框紙顏色發(fā)生變化，須進(jìn)行調(diào)校、維修。

2 創(chuàng)新思路及方法

（1）提高內(nèi)框紙接頭檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度和抗干擾能力，使其能夠及時(shí)分辨內(nèi)框紙接頭部分，適用于煙絲、煙塵較多的FOCKE350 硬包包裝場(chǎng)合。

（2）從檢測(cè)原理入手，采用更為先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)來檢測(cè)內(nèi)框紙的接頭位置。

（3）采用更為先進(jìn)的內(nèi)框紙面特征提取方案，提取內(nèi)框紙與接頭的特征。

（4）自主編制軟件，對(duì)提取的特征進(jìn)行判斷、比較并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（5）利用平面鏡反射原理，使裝置布局更為合理。

3 改進(jìn)理論分析

3.1 設(shè)計(jì)層面理論分析

對(duì)FOCKE350 現(xiàn)有內(nèi)框紙接頭檢測(cè)裝置進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)光纖頭感光面積?。ě? mm），光纖頭積灰或煙絲飛濺直接影響檢測(cè)的穩(wěn)定性。內(nèi)框紙接頭新型檢測(cè)裝置擬選用相機(jī)采集紙面圖像進(jìn)行圖像分析，檢測(cè)面積（4 cm×2 cm 的矩形）將大大增加，在受到干擾的情況下誤漏檢次數(shù)將極大降低。

3.2 參數(shù)可靠性方面分析

（1）原有檢測(cè)裝置采用固定靈敏度設(shè)置，換牌、積塵、煙絲飛濺將導(dǎo)致檢測(cè)出現(xiàn)誤檢和漏檢，此時(shí)須由維修人員進(jìn)行靈敏度調(diào)整，而且靈敏度沒有進(jìn)行量化，只能靠經(jīng)驗(yàn)，可靠性不高。

（2）新裝置采用“逐幀差”算法（始終以上一幀圖片作為參考），具有很強(qiáng)的判異和抗干擾能力，受到輕微干擾時(shí)可以智能地辨別“真?zhèn)巍苯宇^。它避免了傳統(tǒng)檢測(cè)的單一性，可以運(yùn)用于不同顏色的內(nèi)框紙接頭檢測(cè)。

（3）新裝置擬采用圖像識(shí)別技術(shù)，該技術(shù)已較為成熟且參數(shù)調(diào)整可以量化、可視、簡(jiǎn)單快捷，可以提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 改進(jìn)方式

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合樹如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合樹

4.2 人機(jī)界面

人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)有基于MFC 和基于OpenCV 的兩種方式。由于圖像濾波和圖像識(shí)別都需要運(yùn)用OpenCV 視覺庫進(jìn)行，為了兼容采用基于OpenCV 的方式進(jìn)行人機(jī)界面開發(fā)，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)應(yīng)以簡(jiǎn)潔、美觀、方便為原則（圖5）。

圖5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

4.3 核心算法

用當(dāng)前幀每一像素點(diǎn)的灰度值減去上一幀相同二維坐標(biāo)對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值，得到時(shí)間相鄰的兩張圖像的灰度差值圖，對(duì)該圖進(jìn)行二值化閥值處理：當(dāng)灰度差值大于設(shè)定的“異常點(diǎn)閥值”時(shí)，改寫該點(diǎn)灰度值為255，并將該點(diǎn)作為異常點(diǎn)；當(dāng)灰度差值小于設(shè)定的“異常點(diǎn)閥值”時(shí)，改寫該點(diǎn)的灰度值為0，當(dāng)處理完所有像素點(diǎn)后得到一張二值化圖；對(duì)二值化圖進(jìn)行異常點(diǎn)數(shù)目統(tǒng)計(jì)，當(dāng)異常點(diǎn)數(shù)目大于“最小判斷閥值”時(shí)，判定為檢測(cè)到內(nèi)框紙接頭（圖6、圖7）。

圖6 逐幀差算法示意

圖7 核心算法流程

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，逐幀差算法特別適合該項(xiàng)目。該算法能夠在不調(diào)整參數(shù)的情況下檢測(cè)不同牌號(hào)的內(nèi)框紙接頭，此算法始終以上一幀圖像（FrameLast）作參考，屬于隨動(dòng)設(shè)定，具有很強(qiáng)的抗干擾（灰塵、煙絲飛濺、光強(qiáng)變化、檢測(cè)距離變化等）能力。

4.4 代碼實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目程序所有代碼有5824 行，本次檢測(cè)的關(guān)鍵代碼如圖8所示。

圖8 內(nèi)框紙接頭識(shí)別模塊程序關(guān)鍵代碼

4.5 安裝過程

（1）拆除原機(jī)內(nèi)框紙接頭檢測(cè)裝置，給新型檢測(cè)裝置騰出空間。

（2）在支架內(nèi)安裝鏡面、光源。

（3）將相機(jī)安裝在支架內(nèi)。

（4）將相機(jī)支架裝在機(jī)器上。

（5）安裝工控機(jī)，連接其與顯示器、相機(jī)及信號(hào)接口電氣線路（圖9～圖11）。

圖9 鏡面、光源、相機(jī)安裝于相機(jī)支架內(nèi)

圖10 電氣線路連接

圖11 安裝后內(nèi)框紙接頭新型檢測(cè)裝置

4.6 調(diào)試運(yùn)行

4.6.1 采集幀率的確定

經(jīng)過計(jì)算，F(xiàn)OCKE包裝機(jī)每秒生產(chǎn)7包煙，則有7 張內(nèi)框紙經(jīng)過，檢測(cè)視窗范圍只有內(nèi)框紙長(zhǎng)度的1/3，為避免漏檢問題，采集幀率至少為21 幀/s。為確保安全，放出50%的余量，最終采用32 幀/s 的采集速度。

4.6.2 利用正交實(shí)驗(yàn)確定曝光時(shí)間、光源亮度和異常點(diǎn)閥值

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹榱耸菇宇^圖像與非接頭圖像容易區(qū)分，通過實(shí)驗(yàn)確定曝光時(shí)間、光源強(qiáng)度、異常點(diǎn)閥值3 個(gè)因子的最佳組合，使得n 值盡可能大（望大值），其中n=n1-n2，n1為接頭圖像異常點(diǎn)數(shù)，n2為非接頭圖像異常點(diǎn)數(shù)。

（2）挑因素選水平。對(duì)影響n 值的因素進(jìn)行逐一篩選，得到影響n 值的3 個(gè)可控因素，分別是曝光時(shí)間、異常點(diǎn)閥值和光源亮度，分別選取3 個(gè)水平（表1）。由于沒有“光照強(qiáng)度計(jì)”來測(cè)量光源亮度因子，采用了間接測(cè)量的方法：在光源回路中有一個(gè)串聯(lián)的限流滑變電阻，該電阻值與光源亮度呈反比，即光源亮度I=k/R。其中，I 為光源亮度，k 為比例系數(shù)，R 為電阻。n 值的主效應(yīng)如圖12 所示。

表1 影響n 值的3 個(gè)可控因素的水平分布

圖12 n 值主效應(yīng)圖

（3）選擇L9（34）正交表安排實(shí)驗(yàn)，R 為j 列極差（圖13）：①通過“直接看”的方法，第5號(hào)實(shí)驗(yàn)的水平組合A2B2C3 為直接看的好條件（它是通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐直接得到，比較可靠）；②由極差r 的大小順序可以得出，光源亮度對(duì)n 的影響最大，由主到次的順序?yàn)椋汗庠戳炼?異常點(diǎn)閥值>曝光時(shí)間>實(shí)驗(yàn)誤差；③借助Minitab 16 將實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入，通過統(tǒng)計(jì)、方差分析繪制出主效應(yīng)圖，得到“算一算”之后的較優(yōu)組合，也為A2B2C3。因此，確定較優(yōu)參數(shù)組合為：曝光時(shí)間50 ms，異常點(diǎn)閥值50，限流電阻阻值50 Ω。

圖13 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)方案

4.6.3 最小判定閥值的確定

通過正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄，第5號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示無內(nèi)框紙接頭時(shí)異常點(diǎn)數(shù)為15，有內(nèi)框紙接頭出現(xiàn)時(shí)異常點(diǎn)數(shù)為3471，因此，最小判定閥值設(shè)定為（3471-15）/2=1728。

4.6.4 較優(yōu)參數(shù)設(shè)定

按正交實(shí)驗(yàn)得出的較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，如圖14所示。通過200 個(gè)接頭檢測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)到了目標(biāo)要求100%，檢測(cè)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)框紙接頭并向主機(jī)發(fā)送正確信號(hào)。

圖14 最佳參數(shù)設(shè)定

5 改進(jìn)效果

FOCKE350 內(nèi)框紙接頭新型檢測(cè)裝置研發(fā)前后進(jìn)行對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)，誤漏檢率由改進(jìn)前的8.9%降低至0；“平均每月維修次數(shù)”由改進(jìn)前的2.48 次/（月·臺(tái)）降低至0.25 次/（月·臺(tái)），效果很好。

包裝機(jī)內(nèi)框紙接頭檢測(cè)裝置的價(jià)格由原來的48 454.8 元降至7962 元，可節(jié)約48 454.8-7962=40 492.8 元/臺(tái)。

6 課題創(chuàng)新點(diǎn)

（1）創(chuàng)新點(diǎn)1：檢測(cè)精度可達(dá)100%。FOCKE350 內(nèi)框紙接頭新型檢測(cè)裝置具有高精度的檢驗(yàn)功能，正常情況下其檢測(cè)精度高達(dá)100%且可以有效排除外界干擾，準(zhǔn)確地判異內(nèi)框紙接頭的存在，有效地保障了卷煙產(chǎn)品質(zhì)量，提質(zhì)增效。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)2：適用范圍廣。幀間差算法的運(yùn)用，使得該裝置具有很廣的適用范圍，利用色彩閥值的差值運(yùn)算，可適用于各種型號(hào)內(nèi)框線的檢測(cè)。