李巧靈，黃勝翰，張廷貴，施建在，余玉梅，姚小元，陳昆焱，張建平，黃華發(fā)，張國(guó)建，黃朝章，莊錦標(biāo)，徐建榮*，戴麗君*

1. 福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，福建省廈門市集美區(qū)濱水路298 號(hào) 361022

2. 福建金閩再造煙葉發(fā)展有限公司，福州市羅源縣黨校路38 號(hào) 350600

3. 廈門穎德工貿(mào)有限公司，福建省廈門市集美區(qū)杏前路184-21 號(hào) 361022

“爆珠添加”作為一種卷煙賦香新技術(shù)，已成為構(gòu)建以香型塑造為核心的卷煙產(chǎn)品的重要技術(shù)手段。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于爆珠研究主要涉及爆珠壁材或芯材成分檢測(cè)［1-6］、爆珠對(duì)主流煙氣有害成分釋放量的影響［7-9］以及爆珠加工和卷煙添加裝置［10-13］、爆珠濾棒檢測(cè)裝置［14-16］的設(shè)計(jì)研制等方面。生產(chǎn)中對(duì)于卷煙爆珠的直徑、壓力、偏心、響度等物理指標(biāo)要求較嚴(yán)格，但為保證爆珠口味穩(wěn)定，還應(yīng)使爆珠內(nèi)香精的裝載量均勻一致。因此，在爆珠滴制過程中，必須嚴(yán)格控制濕珠狀態(tài)下的壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量。當(dāng)前主要采用人工離線方式檢測(cè)濕珠狀態(tài)，首先在滴制前期通過人工觀察濕珠的偏心狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)明顯偏心時(shí)，需要反復(fù)調(diào)整工藝參數(shù)，直到偏心現(xiàn)象消失；然后在10～30 min 內(nèi)，采用電子天平人工稱量該時(shí)間段內(nèi)10～50 顆濕珠的壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量，當(dāng)兩項(xiàng)指標(biāo)的均值有任一項(xiàng)超出限定范圍時(shí)，該時(shí)間段收集的濕珠視為不合格?？梢?，采用人工識(shí)別偏心程度及稱重方式，容易造成爆珠質(zhì)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致爆珠成品合格率降低。針對(duì)此問題，周密［17］和侯捷［18］分別對(duì)滴丸視覺檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，并有效提高了滴丸檢測(cè)精密度，但該技術(shù)主要用于離線檢測(cè)，具有一定局限性。為此，基于機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一種爆珠滴制在線視覺檢測(cè)設(shè)備，利用視覺成像系統(tǒng)在線檢測(cè)爆珠滴制過程中所有濕珠的內(nèi)外圓直徑及圓心距等指標(biāo)，計(jì)算濕珠不合格率，以期實(shí)現(xiàn)濕珠在線自動(dòng)化檢測(cè)，提高爆珠成品質(zhì)量穩(wěn)定性和合格率。

1 系統(tǒng)組成

爆珠滴制在線視覺檢測(cè)設(shè)備主要由圖像采集單元、圖像處理單元和數(shù)據(jù)分析單元3 部分組成。

1.1 圖像采集單元

圖像采集單元包括平行背光光源（型號(hào)LTS-2PFT5050-W，東莞樂視自動(dòng)化科技有限公司）、CCD 相機(jī)（型號(hào)acA1600-60gm-Basler acA，德國(guó)Basler 集團(tuán)）、遠(yuǎn)心鏡頭（型號(hào)DTCM118-42-AL，深圳市視清科技有限公司）和滴丸管道等，見圖1。為在線檢測(cè)所有濕珠的幾何參數(shù)，要求相機(jī)在高速下拍照，因此相機(jī)傳輸方式選用Ethernet（以太網(wǎng)口），硬件環(huán)境為Windows 7（64）+Intel（R）Core（TM）i3-2120 CPU@3.3GHz+4GB RAM。

圖1 爆珠滴制在線視覺檢測(cè)設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of on-line inspection device for flavored capsule formation process

1.2 圖像處理單元

為快速獲取濕珠的幾何參數(shù)，系統(tǒng)中采用了數(shù)字圖像處理技術(shù)。根據(jù)得到的濕珠原始圖像（圖2a），首先基于邊緣分割方法［19］通過圖像灰度提取檢測(cè)區(qū)域（圖2b 藍(lán)色），再利用Canny 算法［20］確定邊緣，最后采用最小二乘法將檢測(cè)到的邊緣擬合成圓（圖2b 中紅色代表內(nèi)圓，綠色代表外圓），并獲取內(nèi)圓直徑、外圓直徑和圓心距（綠色圓心與紅色圓心間的距離）。

圖2 數(shù)字化處理前后的濕珠照片F(xiàn)ig.2 Images of wet capsules before and after digital processing

1.3 數(shù)據(jù)分析單元

數(shù)據(jù)分析單元主要包括輸入項(xiàng)、檢測(cè)項(xiàng)、設(shè)置項(xiàng)和統(tǒng)計(jì)項(xiàng)，見圖3。其中，輸入項(xiàng)包含香精密度和壁材密度，香精密度已知，但壁材密度未知。在爆珠滴制穩(wěn)定后，通過圖像處理單元獲得5 min 內(nèi)所有濕珠的外圓直徑、內(nèi)圓直徑及圓心距，利用式（1）和式（2）計(jì)算所有濕珠內(nèi)圓香精質(zhì)量m1（g）和外圓壁材質(zhì)量m2（g）：

式中：ρ1和ρ2分別為香精密度和壁材密度，g/cm3；D1和D2分別為內(nèi)圓直徑和外圓直徑，cm。

由圖3 可見，在輸入項(xiàng)中輸入已知的香精密度，可計(jì)算得到5 min 內(nèi)所有濕珠的香精質(zhì)量均值、內(nèi)圓直徑和外圓直徑均值。同時(shí)人工收集該時(shí)間段內(nèi)的20 顆濕珠，稱量濕珠總質(zhì)量，可計(jì)算得到壁材質(zhì)量均值（濕珠總質(zhì)量/20-香精質(zhì)量均值）。將內(nèi)圓直徑和外圓直徑均值代入式（2），可計(jì)算得到壁材密度，并在輸入項(xiàng)中輸入該值。因此，在滴制過程中可對(duì)每顆濕珠的壁材質(zhì)量、香精質(zhì)量、圓心距以及濕珠總數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)。

在設(shè)置項(xiàng)中輸入壁材質(zhì)量、香精質(zhì)量以及圓心距波動(dòng)范圍、檢測(cè)時(shí)間范圍和不合格率閾值。當(dāng)濕珠壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量?jī)身?xiàng)指標(biāo)均不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為濕珠不合格；剩余濕珠若圓心距不在設(shè)定范圍內(nèi)，也認(rèn)為不合格；統(tǒng)計(jì)出檢測(cè)時(shí)間內(nèi)超出設(shè)定范圍的濕珠總不合格數(shù)，計(jì)算總不合格率（濕珠總不合格數(shù)/濕珠總數(shù)），當(dāng)總不合格率超過閾值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，此時(shí)需要重新調(diào)整工藝參數(shù)，直到總不合格率達(dá)到要求。

圖3 在線視覺檢測(cè)工作流程圖Fig.3 Flow chart of on-line inspection

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料、設(shè)備和儀器

材料：爆珠香精（密度0.974 g/cm3），壁材配方（由福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備和儀器：爆珠在線視覺檢測(cè)設(shè)備（廈門穎德工貿(mào)有限公司）；DWJ-2000-JW-2T 滴丸機(jī)（煙臺(tái)百藥泰中藥科技有限公司），用于爆珠滴制；CQS-I煙用膠囊質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)（成都瑞拓科技股份有限公司），用于爆珠成品外觀（氣泡、圓度和直徑）檢測(cè)；CTS-II 煙用膠囊綜合測(cè)試儀（成都瑞拓科技股份有限公司），用于爆珠成品壓力檢測(cè)。

2.2 人工檢測(cè)滴制濕珠方法

在爆珠滴制穩(wěn)定后，人工觀察濕珠是否出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，若不偏心，則每間隔10 min 稱量20 顆濕珠的總質(zhì)量；用刀片切開濕珠，輕柔地?cái)D出珠內(nèi)的香精，并用吸油紙吸取壁材表面的香精，稱量壁材質(zhì)量，并計(jì)算該時(shí)間段內(nèi)壁材質(zhì)量均值（壁材質(zhì)量/20）和香精質(zhì)量均值［（濕珠總質(zhì)量-壁材質(zhì)量）/20］。

滴制濕珠4 h，每間隔10 min 記錄稱量所得的濕珠質(zhì)量、壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量的均值。香精質(zhì)量均值設(shè)定范圍為24～26 mg/顆，壁材質(zhì)量均值為53～57 mg/顆。當(dāng)每間隔10 min 取樣得到的香精質(zhì)量和壁材質(zhì)量的均值任一項(xiàng)超過設(shè)定范圍時(shí)，重新調(diào)整工藝參數(shù)（香精和壁材流速等），直至符合設(shè)計(jì)要求。每間隔1 h 收集1 次濕珠，編號(hào)為a1～a4。當(dāng)濕珠完成洗滌、干燥和平衡過程后，得到對(duì)應(yīng)時(shí)間段的成品爆珠A1～A4。

在此過程中啟動(dòng)爆珠滴制在線視覺檢測(cè)設(shè)備，在輸入項(xiàng)中輸入香精密度0.974 g/cm3，并根據(jù)1.3節(jié)的方法計(jì)算得到壁材密度1.000 g/cm3并輸入系統(tǒng)，此時(shí)只檢測(cè)人工滴制過程中所有濕珠的圓心距、香精質(zhì)量、壁材質(zhì)量和濕珠總數(shù)，但不進(jìn)行反饋。

2.3 在線視覺檢測(cè)滴制濕珠方法

在爆珠滴制穩(wěn)定后，啟動(dòng)在線視覺檢測(cè)設(shè)備，在輸入項(xiàng)中輸入香精密度0.974 g/cm3，并根據(jù)1.3節(jié)的方法計(jì)算得到壁材密度1.000 g/cm3，在設(shè)置項(xiàng)中設(shè)置每顆濕珠壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量范圍及圓心距波動(dòng)范圍。滴制濕珠4 h，每間隔10 min 統(tǒng)計(jì)濕珠的總不合格數(shù)并計(jì)算總不合格率，當(dāng)總不合格率＞5%時(shí)啟動(dòng)報(bào)警，重新調(diào)整工藝參數(shù)，直到總不合格率＜5%。每間隔1 h 收集1 次濕珠，編號(hào)為b1～b4。當(dāng)濕珠完成洗滌、干燥和平衡過程后，得到對(duì)應(yīng)時(shí)間段的成品爆珠B1～B4。

3 結(jié)果與討論

3.1 人工檢測(cè)滴制濕珠試驗(yàn)結(jié)果分析

表 1 為 4 h 內(nèi)人工每間隔 10 min 稱量 a1～a4 濕珠質(zhì)量、壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量的均值。可見，采用人工檢測(cè)方式，在110 min 時(shí)壁材質(zhì)量均值為52.70 mg/顆，超出壁材質(zhì)量均值 53～57 mg/顆設(shè)定范圍，需要調(diào)整工藝參數(shù)，其他時(shí)間段內(nèi)所有質(zhì)量指標(biāo)均在規(guī)定范圍內(nèi)。在此過程中同時(shí)啟動(dòng)在線視覺檢測(cè)設(shè)備，記錄所有濕珠壁材質(zhì)量、香精質(zhì)量和圓心距。

圖 4 ～圖 6 為 a1～a4 濕珠壁材質(zhì)量、香精質(zhì)量及圓心距在各設(shè)定范圍內(nèi)所占比例。可見，壁材質(zhì)量的波動(dòng)范圍較大，香精質(zhì)量的波動(dòng)范圍較小，說明香精質(zhì)量相對(duì)壁材質(zhì)量更穩(wěn)定。

表1 人工檢測(cè)a1～a4濕珠質(zhì)量、壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量的均值Tab.1 Average weights of wet capsule,wall material and flavor of capsule samples a1 to a4 measured by laboratory inspection

圖4 a1～a4 濕珠壁材質(zhì)量在設(shè)定范圍內(nèi)的比例Fig.4 Percentages of wet capsule samples a1 to a4 with wall material weight within the setting ranges

圖5 a1～a4 濕珠香精質(zhì)量在設(shè)定范圍內(nèi)的比例Fig.5 Percentages of wet capsule samples a1 to a4 with flavor weight within the setting ranges

圖6 a1～a4 濕珠圓心距在設(shè)定范圍內(nèi)的比例Fig.6 Percentages of wet capsule samples a1 to a4 with center distance within the setting ranges

表2 為人工檢測(cè)滴制爆珠成品A1～A4 的各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。可見，A1～A3 中因氣泡、圓度和直徑超標(biāo)造成的爆珠成品不合格率均小于6%，但A4 不合格率達(dá)到13.71%，主要原因是直徑超標(biāo)比例較多，達(dá)12.93%。分析發(fā)現(xiàn)，人工檢測(cè)下a4 香精質(zhì)量均值在 24～26 mg/顆設(shè)定范圍內(nèi)，但圖 5 顯示 a4 香精質(zhì)量＜23 mg/顆的比例較多，占13.75%，而a1～a3 香精質(zhì)量＜23 mg/顆的比例分別為0.48%、1.51%和2.44%。其中，a4 香精質(zhì)量在22～23 mg/顆的比例占12.64%，換算可得內(nèi)圓直徑為3.50～3.55 mm/顆。由于濕珠在干燥過程中香精質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生一定損失，而爆珠成品所要求的最小直徑為3.45 mm，由此造成A4 直徑不合格率達(dá)12.93%，因此濕珠香精質(zhì)量最低值設(shè)置為23 mg/顆。根據(jù)爆珠成品所要求的最大直徑為3.75 mm，換算可得濕珠香精質(zhì)量最高值為27 mg/顆，故確定香精質(zhì)量波動(dòng)范圍設(shè)置為23～27 mg/顆（對(duì)應(yīng)內(nèi)圓直徑為3.55～3.75 mm/顆）。

由表 2 可見，A1～A4 爆珠成品的壓力 SD 值和最小壓力值均滿足要求，但A3 的壓力均值＞1.8 kgf。分析發(fā)現(xiàn)，人工檢測(cè)下a3 壁材質(zhì)量均值在53～57 mg/顆設(shè)定范圍內(nèi)，但圖 4 顯示 a3 壁材質(zhì)量＞63 mg/顆的比例為16.18%，a1 和a2 壁材質(zhì)量＞63 mg/顆的比例分別為9.91%和12.54%，因此濕珠壁材質(zhì)量最高值設(shè)置為63 mg/顆。

在 A1～A4 爆珠成品中，A1 和 A2 的壓力檢測(cè)結(jié)果均滿足要求且不合格率均小于6%，因此以a1和a2 的在線視覺檢測(cè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。若a1 和a2 的總不合格率＜5%，其圓心距的合格率必須＞95%，根據(jù)圖 6 數(shù)據(jù)，a1 和 a2 圓心距＜0.22 mm的比例分別為97.40%和97.85%，均滿足要求。在爆珠滴制在線視覺檢測(cè)設(shè)備設(shè)置項(xiàng)中輸入香精質(zhì)量波動(dòng)范圍 23～27 mg/顆、圓心距＜0.22 mm、壁材質(zhì)量最高值63 mg/顆，再分別輸入不同壁材質(zhì)量的最低值，使總不合格率＜5%。結(jié)果顯示，壁材質(zhì)量最低值為50 mg/顆時(shí)，a1 和a2 的總不合格率分別為3.67%和3.49%。同理分析，在此范圍內(nèi)a3 和a4 的總不合格率分別為9.21%和10.51%，說明該設(shè)置范圍能夠區(qū)分爆珠成品的質(zhì)量水平。因此，可確定濕珠壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量波動(dòng)范圍分別為50～63 mg/顆和23～27 mg/顆（對(duì)應(yīng)外圓直徑和內(nèi)圓直徑分別為 5.20～5.58 mm/顆和 3.56～3.76 mm/顆）以及圓心距＜0.22 mm。a1～a4 在設(shè)定范圍內(nèi)壁材質(zhì)量、香精質(zhì)量和圓心距的合格率及總不合格率見表3。

表2 A1～A4 爆珠成品不合格率和壓力指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)①Tab.2 Data of failure rates and pressure indexes of final capsule samples A1 to A4

表3 在線視覺設(shè)備檢測(cè)a1～a4 壁材質(zhì)量、香精質(zhì)量和圓心距合格率及總不合格率①Tab.3 Qualified rates of wall material weight,flavor weight and center distance and total failure rates for wet capsule samples a1 to a4 inspected by on-line inspection device （%）

3.2 在線視覺檢測(cè)滴制濕珠試驗(yàn)結(jié)果分析

在爆珠滴制在線視覺檢測(cè)設(shè)備中輸入壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量波動(dòng)范圍分別為50～63 mg/顆和23～27 mg/顆以及圓心距＜0.22 mm，采用在線視覺檢測(cè)設(shè)備反饋的數(shù)據(jù)滴制濕珠，圖7～圖9 為 b1～b4 濕珠壁材質(zhì)量、香精質(zhì)量以及圓心距在各設(shè)定范圍內(nèi)的比例。由圖7 可見，b1 和b2 壁材質(zhì)量出現(xiàn)2 個(gè)明顯分布峰，而b3 和b4 壁材質(zhì)量分布更為集中，說明b3和b4 壁材質(zhì)量在滴制過程中更穩(wěn)定；由圖8 可見，b1～b4 香精質(zhì)量波動(dòng)水平相當(dāng)；由圖 9 可見，b3 和b4 圓心距明顯較小，這可能是b3 和b4 壁材質(zhì)量波動(dòng)較小引起的。

圖7 b1～b4 濕珠壁材質(zhì)量在設(shè)定范圍內(nèi)比例Fig.7 Percentages of wet capsule samples b1 to b4 with wall material weight within the setting ranges

圖8 b1～b4 濕珠香精質(zhì)量在設(shè)定范圍內(nèi)比例Fig.8 Percentages of wet capsule samples b1 to b4 with flavor weight within the setting ranges

表4為b1～b4濕珠在設(shè)定范圍內(nèi)壁材質(zhì)量、香精質(zhì)量和圓心距合格率及總不合格率。結(jié)果顯示，b1～b4 中香精質(zhì)量和圓心距合格率均超過97%；b1和b2 中壁材質(zhì)量合格率超過89%，b3 和b4 中壁材質(zhì)量合格率超過99%；b1～b4 中總不合格率均小于5%，其中b3和b4的總不合格率僅為0.07%和0.12%。

表5 為在線視覺檢測(cè)滴制爆珠成品B1～B4 的各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，B1～B4 中氣泡、圓度超標(biāo)和直徑超標(biāo)不合格率均＜2%，壓力均值、SD 值、合格率和最小壓力值均滿足要求。

綜上可見，人工檢測(cè)主要關(guān)注濕珠香精質(zhì)量和壁材質(zhì)量的均值，無法對(duì)圓心距進(jìn)行客觀表征，且檢測(cè)的濕珠數(shù)量有限，以滴制1 h 為例，每10 min 取樣20 顆，每小時(shí)僅檢測(cè)120 顆濕珠，由于壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量均值不能真實(shí)地反映所有濕珠質(zhì)量波動(dòng)情況，且整體波動(dòng)程度不同，在設(shè)定范圍內(nèi)的濕珠比例存在明顯差異，從而造成爆珠成品A4 不合格率達(dá)到13.71%，爆珠成品A3 的壓力均值＞1.8 kgf 的設(shè)計(jì)要求。在線視覺檢測(cè)主要關(guān)注濕珠圓心距、香精質(zhì)量和壁材質(zhì)量在設(shè)定范圍內(nèi)的不合格率，可對(duì)圓心距進(jìn)行客觀表征，并在滴制過程中對(duì)濕珠進(jìn)行全檢，以滴制1 h 為例，滴制速度為5 顆/s，每小時(shí)可檢測(cè)1.8 萬顆濕珠，通過統(tǒng)計(jì)壁材質(zhì)量、香精質(zhì)量和圓心距的合格比例，計(jì)算得到總不合格率，當(dāng)總不合格率＞5%時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，可及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)進(jìn)而控制濕珠質(zhì)量的穩(wěn)定性。

表4 在線視覺設(shè)備檢測(cè)b1～b4 濕珠壁材質(zhì)量、香精質(zhì)量和圓心距合格率及總不合格率Tab.4 Qualified rates of wall material weight,flavor weight and center distance and total failure rates for wet capsule samples b1 to b4 inspected by on-line inspection device （%）

表5 B1～B4 爆珠成品各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)①Tab.5 Inspection data of final capsule samples B1 to B4

4 結(jié)論

基于視覺成像技術(shù)設(shè)計(jì)了一種爆珠滴制在線檢測(cè)裝置，通過在爆珠滴制過程中檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)濕珠壁材質(zhì)量（外圓直徑）、香精質(zhì)量（內(nèi)圓直徑）和圓心距的不合格率，計(jì)算得到濕珠總不合格率，并可根據(jù)報(bào)警提示及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)濕珠在線自動(dòng)化檢測(cè)。以爆珠成品合格率和各項(xiàng)物理指標(biāo)為對(duì)象，進(jìn)行人工檢測(cè)和在線視覺檢測(cè)滴制爆珠對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：①采用人工檢測(cè)，每間隔10 min 稱量20 顆濕珠壁材質(zhì)量和香精質(zhì)量均值，無法真實(shí)地反映濕珠質(zhì)量波動(dòng)情況，造成爆珠成品不合格率出現(xiàn)明顯差異，爆珠成品A4 不合格率達(dá)到13.71%，爆珠成品A3 壓力均值＞1.8 kgf，超出設(shè)計(jì)要求；②采用在線視覺檢測(cè)，B1～B4 爆珠成品的外觀合格率以及壓力指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，可有效控制濕珠質(zhì)量穩(wěn)定性，減少人工檢測(cè)誤差，提高爆珠成品的合格率。