王 強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽 蚌埠，233010)

一、引言

目前市場(chǎng)主流G.D X2包裝機(jī)在5號(hào)輪位置沒(méi)有內(nèi)襯紙缺損檢測(cè)裝置，而且一旦產(chǎn)生內(nèi)襯紙缺損的煙包在5號(hào)輪包裝后無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)。該包裝機(jī)在商標(biāo)紙包裝過(guò)程中也沒(méi)有設(shè)計(jì)有效的鋁箔紙缺損檢測(cè)裝置，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中該包裝機(jī)在3號(hào)輪和4號(hào)輪的封裝過(guò)程中經(jīng)常產(chǎn)生多種缺陷煙包，同時(shí)還會(huì)造成煙支丟失等多種缺陷，產(chǎn)生嚴(yán)重的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。為了保證煙包的質(zhì)量，保護(hù)消費(fèi)者利益、維護(hù)企業(yè)形象，設(shè)計(jì)、安裝了一套煙包內(nèi)襯紙及鋁箔紙檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)小盒煙包是否存在內(nèi)襯紙缺損及鋁箔紙缺損等缺陷，并在檢測(cè)到缺陷煙包時(shí)向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號(hào)，包裝機(jī)組在8號(hào)輪位置處將缺陷煙包剔除。

二、檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）硬件設(shè)計(jì)

圖1 檢測(cè)裝置的原理框圖

該檢測(cè)裝置如圖1所示，由圖像采集裝置、控制箱、增量式編碼器、相應(yīng)電纜組成。其中圖像采集裝置包含紅外光源、CMOS工業(yè)相機(jī)、光學(xué)鏡頭等硬件設(shè)備。為了區(qū)別內(nèi)襯紙(不含金屬成分)和鋁箔紙(含金屬成分)，根據(jù)金屬對(duì)紅外光有吸收特性，特采用紅外光源照射小盒煙包，同時(shí)在圖像采集裝置中安裝紅外濾光片，減少可見(jiàn)光的干擾，保證檢測(cè)的穩(wěn)定?？刂葡鋬?nèi)包含工控板、控制板、觸摸液晶屏、接口板等設(shè)備。工控板負(fù)責(zé)控制上位機(jī)軟件以及操作系統(tǒng)的運(yùn)行?？刂瓢迳衔粰C(jī)軟件的控制命令由單片機(jī)全面執(zhí)行，同時(shí)包含讀取增量式編碼器相位、與包裝機(jī)組控制系統(tǒng)通訊等。圖像采集裝置通訊接口用于連接CMOS工業(yè)相機(jī)。該應(yīng)用檢測(cè)裝置采用COM Express模塊，COM Express模塊是基于PCI Express總線的高集成計(jì)算機(jī)模塊，安裝在特殊應(yīng)用載板上，用戶可以自主設(shè)定。

單片機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算編碼器相位，到達(dá)曝光相位時(shí)，頻閃的紅外光源點(diǎn)亮，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)由CMOS工業(yè)相機(jī)對(duì)待檢小盒煙包進(jìn)行拍照，圖像采集裝置經(jīng)過(guò)預(yù)處理將煙包內(nèi)襯紙和鋁箔紙表面圖像送至控制箱。通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)產(chǎn)品圖像數(shù)據(jù)再次處理判定小盒煙包是否存在鋁箔紙破損、內(nèi)襯紙缺失破損等問(wèn)題，檢測(cè)系統(tǒng)控制箱依據(jù)判定結(jié)果向包裝機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)煙包剔除信號(hào)。包裝機(jī)控制系統(tǒng)在8號(hào)輪把缺陷破損的小盒煙包剔除。在診斷信號(hào)輸出相位，控制板判定系統(tǒng)是否存在故障，若存在故障，激活輸出通道，發(fā)送診斷信號(hào)。

（二）軟件設(shè)計(jì)

該檢測(cè)裝置系統(tǒng)軟件包含控制板上位機(jī)軟件以及單片機(jī)控制程序?？刂瓢迳衔粰C(jī)軟件負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)的全局控制和圖像處理。

全局控制：控制板上位機(jī)軟件與圖像采集裝置、控制板接口通訊，接收處理圖像采集裝置采集到的圖像信息數(shù)據(jù)，判斷是否存在內(nèi)襯紙及鋁箔紙缺陷，同時(shí)是否發(fā)送命令剔除相應(yīng)的缺陷煙包，在液晶屏上以人機(jī)界面顯示相關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行信息以及用戶的參數(shù)設(shè)置。

圖像處理：選用成熟的視覺(jué)函數(shù)庫(kù)，庫(kù)內(nèi)包含了大量的圖像處理基本函數(shù)。通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)，檢測(cè)系統(tǒng)軟件對(duì)工業(yè)相機(jī)拍攝到的小盒煙包內(nèi)表面圖像先進(jìn)行灰度化、閾值分割、形態(tài)學(xué)處理，再查找、繪制目標(biāo)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)輪廓，最后計(jì)算出有效輪廓面積。為了提高煙包表面圖片處理速度，采用灰度化操作使煙包表面RGB色彩圖片轉(zhuǎn)換成單通道的灰度圖片；閾值分割操作是從多值化的數(shù)字圖像中提取目標(biāo)區(qū)域，將目標(biāo)區(qū)域內(nèi)圖像的像素點(diǎn)灰度值設(shè)為255，背景圖像的像素點(diǎn)灰度值設(shè)為0；形態(tài)學(xué)處理是濾除圖片中的細(xì)小空洞和平滑數(shù)字圖像邊緣像素，使圖像連續(xù)、斷點(diǎn)減少，提高查找目標(biāo)輪廓的速度；最后通過(guò)繪制出輪廓線，計(jì)算目標(biāo)區(qū)域里輪廓面積，從而得到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的有效像素個(gè)數(shù)。

單片機(jī)控制程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，執(zhí)行控制板上位機(jī)軟件的命令，同時(shí)還包含以下操作：采集增量式編碼器實(shí)時(shí)相位發(fā)送給控制板上位機(jī)軟件，在相應(yīng)的相位曝光拍照采集內(nèi)襯紙及鋁箔紙圖像，向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號(hào)等。

三、測(cè)試結(jié)果

在紅外光源照射下，拍照小盒煙包圖像呈現(xiàn)灰白色。

圖2 煙包圖像目標(biāo)區(qū)域

圖2中繪制了控制板上位機(jī)軟件中煙包所需要提取特征的目標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)以下幾種缺陷情況的檢測(cè)：

內(nèi)襯紙缺失。內(nèi)襯紙缺失的缺陷檢測(cè)主要由圖2中目標(biāo)區(qū)域1和目標(biāo)區(qū)域9來(lái)完成。在小盒煙包完好的情況下，目標(biāo)區(qū)域1中內(nèi)襯紙和鋁箔紙交界處會(huì)有白色高亮度灰度特征出現(xiàn)，目標(biāo)區(qū)域9中煙包與模盒交界處會(huì)表現(xiàn)出低亮度灰度特征；當(dāng)內(nèi)襯紙缺失時(shí)，目標(biāo)區(qū)域1內(nèi)高亮度灰度特征會(huì)消失，而目標(biāo)區(qū)域9中，會(huì)出現(xiàn)高亮度灰度特征，如圖3所示。通過(guò)目標(biāo)區(qū)域1和目標(biāo)區(qū)域9中的高亮度區(qū)域內(nèi)的有效像素?cái)?shù)判斷當(dāng)前煙包是否存在內(nèi)襯紙缺失。

內(nèi)襯紙露白。內(nèi)襯紙露白的缺陷檢測(cè)主要由圖2中目標(biāo)區(qū)域2、目標(biāo)區(qū)域3、目標(biāo)區(qū)域6、目標(biāo)區(qū)域7和目標(biāo)區(qū)域10來(lái)完成。當(dāng)內(nèi)襯紙露白時(shí)，目標(biāo)區(qū)域2、目標(biāo)區(qū)域3、目標(biāo)區(qū)域6、目標(biāo)區(qū)域7或目標(biāo)區(qū)域10會(huì)出現(xiàn)高亮度灰度特征，如圖4所示；而在煙包完好的情況下，該特征會(huì)消失，灰度特征表現(xiàn)為低亮度。通過(guò)目標(biāo)區(qū)域2、目標(biāo)區(qū)域3、目標(biāo)區(qū)域6、目標(biāo)區(qū)域7和目標(biāo)區(qū)域10中的高亮度區(qū)域內(nèi)的有效像素?cái)?shù)判斷當(dāng)前煙包是否存在內(nèi)襯紙露白。

鋁箔紙褶皺、破損。鋁箔紙褶皺、破損的缺陷檢測(cè)主要由圖2中目標(biāo)區(qū)域4、目標(biāo)區(qū)域5和目標(biāo)區(qū)域8來(lái)完成。當(dāng)鋁箔紙褶皺、破損時(shí)，目標(biāo)區(qū)域4、目標(biāo)區(qū)域5或目標(biāo)區(qū)域8會(huì)出現(xiàn)高亮度灰度特征，如圖5、圖6所示；而在煙包完好的情況下，該特征會(huì)消失，灰度特征表現(xiàn)為低亮度。需要說(shuō)明的是，當(dāng)內(nèi)襯紙缺失時(shí)，目標(biāo)區(qū)域2、目標(biāo)區(qū)域3、目標(biāo)區(qū)域6、目標(biāo)區(qū)域7和目標(biāo)區(qū)域10也可以用來(lái)檢測(cè)鋁箔紙褶皺、破損。通過(guò)目標(biāo)區(qū)域4、目標(biāo)區(qū)域5和目標(biāo)區(qū)域8中的高亮度區(qū)域內(nèi)的有效像素?cái)?shù)判斷當(dāng)前煙包是否存在鋁箔紙褶皺、破損。

圖3 內(nèi)襯紙缺失

圖4 內(nèi)襯紙露白

圖5 鋁箔紙褶皺

圖6 鋁箔紙破損

用戶選取多個(gè)目標(biāo)區(qū)域，當(dāng)內(nèi)襯紙或鋁箔紙出現(xiàn)缺損時(shí)，各目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的有效像素個(gè)數(shù)與正常煙包會(huì)產(chǎn)生明顯差異，內(nèi)襯紙或鋁箔紙缺損程度越大，各目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的有效像素個(gè)數(shù)與正常煙包差異越大。控制箱會(huì)根據(jù)處理分析得出的各目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的有效像素個(gè)數(shù)來(lái)判斷當(dāng)前目標(biāo)區(qū)域是否存在缺損，當(dāng)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的有效像素?cái)?shù)量不在用戶設(shè)定的基準(zhǔn)值范圍內(nèi)時(shí)，也認(rèn)為該目標(biāo)區(qū)域存在缺損，從而達(dá)到檢測(cè)煙包內(nèi)襯紙、鋁箔紙缺損的目的。

四、結(jié)論

視覺(jué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)活動(dòng)，在許多人眼無(wú)法識(shí)別判定的場(chǎng)所，如高速檢測(cè)判定、精確定位等不可見(jiàn)物體感知情況下，視覺(jué)技術(shù)顯示出非凡的優(yōu)越性，包裝機(jī)上的生產(chǎn)線檢測(cè)需要這種高速檢測(cè)特征的產(chǎn)品。

該檢測(cè)裝置具有以下顯著特點(diǎn)：彩色觸摸屏，操作便捷；同時(shí)儲(chǔ)存多種煙包品牌，同一目標(biāo)物可設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，單獨(dú)設(shè)置每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的類(lèi)型、位置、參數(shù)；具有編碼器、工業(yè)相機(jī)、輸出開(kāi)路等故障信號(hào)自診斷；對(duì)產(chǎn)量、缺陷情況詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，保存歷史缺陷圖片，故障統(tǒng)計(jì)；用戶自主選擇缺陷煙包的剔除使能功能；頻閃紅外光源，避免光干擾，光源穩(wěn)定；功耗低，噪聲小。目前有許多煙廠用戶使用該應(yīng)用檢測(cè)裝置，實(shí)踐證明該檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到缺陷煙包，降低不合格產(chǎn)品流入市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。