高速小包香煙外觀質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、    高速小包香煙外觀質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計    摘要：針對目前煙草行業(yè)高速小包香煙外觀檢測裝置誤檢率高、穩(wěn)定性差、操作界面繁瑣等問題，設(shè)計了一種新型的小包外觀質(zhì)量檢測系統(tǒng)。首先對系統(tǒng)進行總體設(shè)計，其次對系統(tǒng)硬件進行選型設(shè)計，并通過對圖像進行多種算法綜合處理，有效定位追蹤和識別香煙外觀質(zhì)量缺陷，最后進行在線實時檢測的設(shè)計驗證。實驗表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性強，檢測精度高，適用性強，易于安裝維護。關(guān)鍵詞：高速；香煙；外觀檢測；圖像處理；精度：tp391.41 ：a0 引言現(xiàn)代化卷煙生產(chǎn)中，卷包機的生產(chǎn)速度已達900-1000包/分鐘，如此高的速度，已經(jīng)無法通過人

2、工來檢驗小包香煙外觀包裝質(zhì)量。隨著卷煙市場競爭日益激烈，用戶和煙廠對香煙的外觀包裝質(zhì)量要求越來越高，為防止壞包流入市場，造成不良影響，需要為卷包機安裝高速小包香煙外觀質(zhì)量檢測裝置。小包香煙外觀質(zhì)量檢測主要對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的外觀破損、品牌圖案缺失、表面污漬、鋁箔紙外露等缺陷進行檢測。過去主要是通過人工抽檢，精度和效率難以保證，漏檢可能性極大。隨著計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)和硬件系統(tǒng)的迅速發(fā)展，機器視覺系統(tǒng)日益完善，能夠完成的檢測任務(wù)越來越復雜，應用領(lǐng)域越來越廣泛，如工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等1。目前，應用成像原理對小包外觀質(zhì)量進行檢測的產(chǎn)品，在各個煙廠應用已經(jīng)較為廣泛，但這些產(chǎn)品多半是利用國外

3、已有的智能圖像傳感器進行集成的，界面不夠友好，操作較為繁瑣，用戶很難上手；由于智能圖像傳感器并非專門針對小包外觀檢測而設(shè)計，所以很多處理對象需要繁瑣的參數(shù)設(shè)置，同時，系統(tǒng)誤檢率高、穩(wěn)定性差2。本文以機器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合機械設(shè)計、自動控制、光學、傳感器等技術(shù)，對高速小包香煙外觀質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計展開深入地研究。通過研制該檢測系統(tǒng)，提高小包香煙外觀質(zhì)量檢測的精度和可靠性，使其能夠推廣應用到生產(chǎn)之中，以提高香煙產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和增強企業(yè)的市場競爭力3。1 系統(tǒng)總體設(shè)計本系統(tǒng)基于機器視覺原理，當小包到達檢測位光纖傳感器時，io控制板收到香煙到位信號后，一方面控制光源進行頻閃，另外一方面將曝光信號發(fā)給

4、ccd工業(yè)相機，ccd工業(yè)相機接到曝光信號后立即啟動進行拍照。工控機對圖像進行處理以及運算，判斷該小包是否有包裝質(zhì)量問題，如有問題，則通過rs232串口通知io控制板，io控制板程序?qū)υ撔“M行標記。小包到達剔除位光纖傳感器時，io控制板將收到小包到位信號，然后查看程序是否有剔除標記，如果有，則啟動電磁閥，控制電磁閥將小包吹出流水線，若無剔除標記，則順利通過。觸摸液晶屏實時顯示小包外觀檢測狀態(tài)。圖1為高速小包外觀質(zhì)量檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 圖像采集模塊系統(tǒng)采用彩色高分辨率工業(yè)ccd相機，該ccd使用千兆以太網(wǎng)接口，現(xiàn)場需要檢測煙包的2個側(cè)面，所以需要兩臺相機。由于小包在

5、皮帶上高速運動，采用常規(guī)相機拍照會產(chǎn)生大量的殘影，所以相機必須采用超高速曝光技術(shù)，相機的曝光時間設(shè)定為0.1毫秒，從而獲得高質(zhì)量、高清晰度的數(shù)字運動圖像。對于光電檢測設(shè)備，光源無疑是非常重要的。由于小包在皮帶機上高速運動，需要進行高速曝光，對光源提出了更高的要求，本系統(tǒng)采用日本nichialed光源，該光源具有亮度高、穩(wěn)定性高、使用壽命長等特點，可以使圖像質(zhì)量保持長期穩(wěn)定，不需要經(jīng)常調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，還添加了光源控制器，如果光源強度由于某些原因發(fā)生了變化，系統(tǒng)軟件能夠調(diào)節(jié)led光源的發(fā)光強度，使之達到清晰拍照的要求4。圖2為日本nichia led光源。2組led光源采用多角度無影燈方式照明，

6、消除了角落陰影以及隨機反光現(xiàn)象，避免檢測死角的出現(xiàn)，使每一個檢測面都清晰可見，可對各種包裝材質(zhì)的小包進行有效檢測，包括反光塑面包裝、整體鐳射包裝紙等。光源工作在頻閃狀態(tài)，可以有效降低工作溫度，提高光源的穩(wěn)定性以及壽命。由于采用了2只led光源，光源的布置呈逆光狀態(tài)，如果同時發(fā)光會相互影響，大大降低圖象質(zhì)量。因此，該系統(tǒng)采用了分組曝光技術(shù)，徹底解決了led光源之間的相互干擾。如圖3所示，a、b均為led光源，分別位于條煙的兩個端部，ccd1檢測左端部的包裝質(zhì)量，ccd2檢測右端部的包裝質(zhì)量。采用分組曝光技術(shù)，a光源先曝光，同時ccd1工作；隔1毫秒之后，b光源曝光，ccd2工作。光源之間不會造成

7、干擾，提高了圖像質(zhì)量。2.2 信號處理模塊對射式檢測光纖放大器固定在煙包檢測位置上，當煙包經(jīng)過時，傳感器發(fā)送信號給io控制板，啟動ccd相機進行圖像捕捉，并開始進行圖像處理。高壓氣體噴氣控制裝置用來將有包裝缺陷的小包從流水線上剔除。反射式光電管傳感器固定在小包剔除位置上，當有包裝缺陷的小包經(jīng)過時，該傳感器發(fā)送信號給io控制板，io控制板將啟動高速氣閥，將小包迅速推出流水線。io控制板控制系統(tǒng)中所有的io點，并通過rs232接口和上位機進行通訊。二塊高性能千兆以太網(wǎng)網(wǎng)卡插在工控機的pci槽內(nèi)，將圖像通過pci總線傳遞給工控機的內(nèi)存，以供cpu進行圖像處理5。2.3 圖像處理顯示模塊觸摸式液晶屏實

8、時顯示小包外觀檢測狀態(tài)、班次、缺陷數(shù)目等信息。軟件運行在高性能mgvc視覺控制器上，作為整個系統(tǒng)的大腦，需要很高的處理速度。相機采集圖片直接由千兆以太網(wǎng)傳送給控制器，以供cpu進行圖像處理。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計由德國mvtec公司開發(fā)的halcon，作為一套完善、標準的機器視覺算法包，擁有應用廣泛的機器視覺集成開發(fā)環(huán)境。內(nèi)涵1000多個獨立的函數(shù)，外加底層的數(shù)據(jù)管理核心，縮短了軟件開發(fā)周期，節(jié)約了產(chǎn)品成本6。具有快速、精確、魯棒、全面等特性。halcon支持windows、linux和mac os x等操作系統(tǒng)環(huán)境。函數(shù)庫經(jīng)編寫調(diào)試無誤以后，可以導出為c、c#、c+、visual basic和de

9、lphi等多種編程語言。同時可以為大量的圖像獲取設(shè)備提供接口，保證硬件的獨立性，也為百余種工業(yè)相機和圖像采集卡提供接口，例如genlcam、gige和iidc 1394等7。3.1 模板匹配定位小包要在軌道上快速運動，限位裝置不能夾緊，所以小包在運動過程中有一定的抖動，圖像中小包的位置也會有一定移動，為了保證各檢測工具檢測位置的準確性，在煙包圖像上選取一個典型的圖案作為模板，用模板匹配定位確定小包圖像檢測點的位置8。模板匹配定位為其他檢測工具重新標定位置。如果由于機械原因，圖像晃動很大，其他圖像對象的檢測位置必須隨著煙包圖像位置的變化而變化，從而避免誤檢。圖案檢測對象找到目標圖案后，會和原來圖

10、案的位置進行比較，確定煙包圖像的位移幅度，從而將其他圖像對象的檢測位置進行跟隨調(diào)整。3.2 顏色檢測顏色檢測主要用來檢測煙包包裝時出現(xiàn)的內(nèi)襯、外翻以及污點等缺陷。一般情況下，包裝內(nèi)襯、外翻主要發(fā)生在煙包的邊角上，并且這些錯誤在圖像上表現(xiàn)為顏色均值以及方差的劇烈變化。顏色檢測時，虛線框限定了對象的處理范圍，通過計算虛框范圍內(nèi)圖像色度實際的均值和方差，用實際均值、方差值和標準值進行比較，從而判斷是否發(fā)生包裝質(zhì)量問題。3.3檢測設(shè)置由于小包的運行速度很快，約為950包/分鐘，這就意味著每包煙的軟件處理時間最多為35000us，因此要求檢測時間低于35000us，保險起見設(shè)置低于30000us。由于模

11、板匹配耗時很大，所以在設(shè)置檢測點時，模板匹配工具的區(qū)域范圍不宜過大，同時，顏色檢測點的數(shù)量不宜過多，防止檢測超時，造成漏檢。根據(jù)圖像檢測內(nèi)容的需求，選擇合適的形狀，可以使檢測參數(shù)更精確。3.4 系統(tǒng)界面本系統(tǒng)人機界面簡潔、友好，程序啟動后，系統(tǒng)界面如圖4所示，分為四大功能區(qū)域。功能面板包含系統(tǒng)所有操作功能，日常維護工作使用“主菜單”下的“牌號管理”、“圖像記錄”、“工作信息”、“設(shè)備參數(shù)”、“界面參數(shù)”按鍵即可完成。圖像顯示區(qū)在系統(tǒng)工作時，顯示輸送線上小包的實時圖像，以及系統(tǒng)對各個圖像對象處理識別后的結(jié)果，共有2個窗口，分別顯示2個相機從不同角度捕獲到的煙包圖像，每個窗口均可最大化，方便細致觀

12、察各煙包圖像的缺陷情況。圖像對象面板用于管理和配置圖像處理的各種對象，完成軟件核心的圖像識別功能。上述模板匹配、顏色檢測工具即在此處。運行信息面板顯示當前批次的運行信息以及各類計數(shù)。4 系統(tǒng)實驗與設(shè)備安裝4.1 系統(tǒng)實驗啟動檢測功能之前，首先進行系統(tǒng)配置。系統(tǒng)對煙包缺陷檢測效果的好壞，取決于ccd曝光時間調(diào)節(jié)和圖像處理對象的選取和配置。由于不同牌號的煙包印刷圖樣以及顏色、位置都有區(qū)別，所以針對不同的牌號，系統(tǒng)必須為其配置不同的參數(shù)。參數(shù)設(shè)置完成以后，即可進行檢測。圖5為系統(tǒng)檢測流程。系統(tǒng)可對8種缺陷進行檢測，對采集的圖像采用多種算法綜合處理，檢測準確度與精度非常優(yōu)秀，對于爛包、錯牌號之類的嚴重

13、缺陷，可以做到100%的剔除，檢測速度可達900包/分鐘以上。表1為系統(tǒng)可檢測缺陷種類與指標，表2為系統(tǒng)檢測精度。4.2設(shè)備安裝整機采用模塊化設(shè)計，視頻系統(tǒng)與電控系統(tǒng)整合在一個主機柜內(nèi)，使得體積大大減小，檢測箱安裝在跑道上方，幾乎不占用操作空間，易于維護，全鋁合金外殼，精致美觀。圖6為設(shè)備現(xiàn)場安裝圖。5 總結(jié)該高速小包外觀質(zhì)量檢測系統(tǒng)基于機器視覺原理，選用穩(wěn)定的led光源及高速曝光相機，獲得清晰的高速運動煙包圖像，通過對圖像進行多種算法綜合處理，有效定位追蹤并識別香煙外觀質(zhì)量缺陷，檢測精度可達99%以上，檢測速度可達到900包/分鐘以上，并實現(xiàn)產(chǎn)品檢測狀態(tài)實時顯示和缺陷小包剔除功能。實驗表明，

14、該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性高，適用性強，易于安裝維護。design of a high-speed cigarette case surface inspection systemlin chunrong（jiangxi tobacco industry co.， ltd. ganzhou cigarette factory， ganzhou341000， china）abstract：in order to solve the problems that the high-speed cigarette case surface inspection systems have a high false

15、 detection rate， poor stability， complicated operation interface and so on， which now exist in tobacco industry， it designs a new cigarette case surface inspection system. first of all， it carried on the overall system design， and then， selected the hardware equipment needed for the system. in addit

16、ion， the appearance quality defect of cigarette cases could be identified and tracked by means of various algorithms for image processing. the last was to verify the reliability of online real time detection. it proves that the system is not only appropriate and user-friendly but also stable and easy to maintain.keywords：high-speed， cigarette， appearance detection， image processing， accuracy參考文獻：1劉朝營，許自成，閆鐵軍.機器視覺技術(shù)在煙草行業(yè)的應用狀況j.中國農(nóng)業(yè)科技導報，2011（04）：79-84.2張立勛，徐鄧，鄭啟旺，張樂年.煙條外觀檢測主控系統(tǒng)設(shè)計j.電氣與自動化，2012，41（2）：174-176.3劉小波，謝志江，許積飚，等.一種小包煙包裝質(zhì)量在線檢測儀設(shè)計j.現(xiàn)代科學儀器，2009（06）：39-