FOCKE350 內框紙接頭新型檢測裝置的研制

徐國現(xiàn)，陳 圣，權發(fā)香，王茂方

（紅云紅河集團會澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

在包裝硬包小盒時，內框紙為必備原輔材料之一。內框紙在隨機位置會含有接頭部分，必須準確檢測并剔除，由于原檢測裝置的不穩(wěn)定性，漏檢、誤檢現(xiàn)象時有發(fā)生。但是，目前在用的內框紙接頭檢測裝置是原機自帶，設備制造商對其進行技術保護，無法再加以開發(fā)革新，導致了此套檢測裝置出現(xiàn)技術落后、維修困難等問題。有鑒于此，問題，研制一套新的內框紙接頭檢測裝置，以解決原檢測裝置準確率低、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 硬盒煙包質量的需求

在硬包包裝過程中，由于輔料供應商制造工藝原因，內框紙中會隨機出現(xiàn)內框紙接頭（圖1）。按照生產工藝要求，內框紙接頭必須進行精確檢測并進行處理，嚴禁帶有內框紙的煙包流向下一道工序。

圖1 FOCKE350 內框紙接頭

FOCKE350 原機自帶內框紙接頭檢測裝置（圖2）。班組人員反映，原檢測裝置誤檢、漏檢現(xiàn)象頻發(fā)，不僅增加了機組人員的工作負擔，甚至會提高相關機組人員質量考核的難度。

圖2 FOCKE350 內框紙接頭專用檢測裝置及安裝位置

1.2 原機自帶檢測裝置工作原理

查閱FOCKE350 相關的設備資料可知，原檢測裝置是通過反射式光纖感應不同顏色的物面反光不同來實現(xiàn)檢測，在生產過程中，由于原檢測裝置采用固定靈敏度設置，內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、內框紙換牌等都會導致誤撿、漏檢現(xiàn)象（圖3）。

圖3 原檢測裝置分析原理

以上不可控外因直接制約了內框紙接頭檢測的精準性，導致其誤撿、漏檢率過高。設備維修人員反映，該檢測裝置的準確性取決于“光纖頭與內框紙的檢測距離及相對位置”和“光纖頭的清潔程度”。在生產過程中，光纖頭容易積灰導致誤檢，尤其是換牌時，內框紙顏色發(fā)生變化，須進行調校、維修。

2 創(chuàng)新思路及方法

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

（2）從檢測原理入手，采用更為先進的檢測技術來檢測內框紙的接頭位置。

（3）采用更為先進的內框紙面特征提取方案，提取內框紙與接頭的特征。

（4）自主編制軟件，對提取的特征進行判斷、比較并進行實時監(jiān)測。

（5）利用平面鏡反射原理，使裝置布局更為合理。

3 改進理論分析

3.1 設計層面理論分析

對FOCKE350 現(xiàn)有內框紙接頭檢測裝置進行調查，發(fā)現(xiàn)光纖頭感光面積小（Ф2 mm），光纖頭積灰或煙絲飛濺直接影響檢測的穩(wěn)定性。內框紙接頭新型檢測裝置擬選用相機采集紙面圖像進行圖像分析，檢測面積（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）原有檢測裝置采用固定靈敏度設置，換牌、積塵、煙絲飛濺將導致檢測出現(xiàn)誤檢和漏檢，此時須由維修人員進行靈敏度調整，而且靈敏度沒有進行量化，只能靠經驗，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），具有很強的判異和抗干擾能力，受到輕微干擾時可以智能地辨別“真?zhèn)巍苯宇^。它避免了傳統(tǒng)檢測的單一性，可以運用于不同顏色的內框紙接頭檢測。

（3）新裝置擬采用圖像識別技術，該技術已較為成熟且參數(shù)調整可以量化、可視、簡單快捷，可以提高檢測結果的準確性。

4 改進方式

4.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)結構綜合樹如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)結構綜合樹

4.2 人機界面

人機界面的實現(xiàn)有基于MFC 和基于OpenCV 的兩種方式。由于圖像濾波和圖像識別都需要運用OpenCV 視覺庫進行，為了兼容采用基于OpenCV 的方式進行人機界面開發(fā)，人機界面的設計應以簡潔、美觀、方便為原則（圖5）。

圖5 人機界面設計

4.3 核心算法

用當前幀每一像素點的灰度值減去上一幀相同二維坐標對應像素點的灰度值，得到時間相鄰的兩張圖像的灰度差值圖，對該圖進行二值化閥值處理：當灰度差值大于設定的“異常點閥值”時，改寫該點灰度值為255，并將該點作為異常點；當灰度差值小于設定的“異常點閥值”時，改寫該點的灰度值為0，當處理完所有像素點后得到一張二值化圖；對二值化圖進行異常點數(shù)目統(tǒng)計，當異常點數(shù)目大于“最小判斷閥值”時，判定為檢測到內框紙接頭（圖6、圖7）。

圖6 逐幀差算法示意

圖7 核心算法流程

通過實驗發(fā)現(xiàn)，逐幀差算法特別適合該項目。該算法能夠在不調整參數(shù)的情況下檢測不同牌號的內框紙接頭，此算法始終以上一幀圖像（FrameLast）作參考，屬于隨動設定，具有很強的抗干擾（灰塵、煙絲飛濺、光強變化、檢測距離變化等）能力。

4.4 代碼實現(xiàn)

項目程序所有代碼有5824 行，本次檢測的關鍵代碼如圖8所示。

圖8 內框紙接頭識別模塊程序關鍵代碼

4.5 安裝過程

（1）拆除原機內框紙接頭檢測裝置，給新型檢測裝置騰出空間。

（2）在支架內安裝鏡面、光源。

（3）將相機安裝在支架內。

（4）將相機支架裝在機器上。

（5）安裝工控機，連接其與顯示器、相機及信號接口電氣線路（圖9～圖11）。

圖9 鏡面、光源、相機安裝于相機支架內

圖10 電氣線路連接

圖11 安裝后內框紙接頭新型檢測裝置

4.6 調試運行

4.6.1 采集幀率的確定

經過計算，F(xiàn)OCKE包裝機每秒生產7包煙，則有7 張內框紙經過，檢測視窗范圍只有內框紙長度的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 利用正交實驗確定曝光時間、光源亮度和異常點閥值

（1）實驗目的。為了使接頭圖像與非接頭圖像容易區(qū)分，通過實驗確定曝光時間、光源強度、異常點閥值3 個因子的最佳組合，使得n 值盡可能大（望大值），其中n=n1-n2，n1為接頭圖像異常點數(shù)，n2為非接頭圖像異常點數(shù)。

（2）挑因素選水平。對影響n 值的因素進行逐一篩選，得到影響n 值的3 個可控因素，分別是曝光時間、異常點閥值和光源亮度，分別選取3 個水平（表1）。由于沒有“光照強度計”來測量光源亮度因子，采用了間接測量的方法：在光源回路中有一個串聯(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 值的主效應如圖12 所示。

表1 影響n 值的3 個可控因素的水平分布

圖12 n 值主效應圖

（3）選擇L9（34）正交表安排實驗，R 為j 列極差（圖13）：①通過“直接看”的方法，第5號實驗的水平組合A2B2C3 為直接看的好條件（它是通過實驗實踐直接得到，比較可靠）；②由極差r 的大小順序可以得出，光源亮度對n 的影響最大，由主到次的順序為：光源亮度>異常點閥值>曝光時間>實驗誤差；③借助Minitab 16 將實驗結果導入，通過統(tǒng)計、方差分析繪制出主效應圖，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：曝光時間50 ms，異常點閥值50，限流電阻阻值50 Ω。

圖13 L9（34）正交實驗方案

4.6.3 最小判定閥值的確定

通過正交實驗結果記錄，第5號實驗結果顯示無內框紙接頭時異常點數(shù)為15，有內框紙接頭出現(xiàn)時異常點數(shù)為3471，因此，最小判定閥值設定為（3471-15）/2=1728。

4.6.4 較優(yōu)參數(shù)設定

按正交實驗得出的較優(yōu)參數(shù)組合進行參數(shù)設定，如圖14所示。通過200 個接頭檢測結果的驗證，準確率達到了目標要求100%，檢測能實時監(jiān)測內框紙接頭并向主機發(fā)送正確信號。

圖14 最佳參數(shù)設定

5 改進效果

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

包裝機內框紙接頭檢測裝置的價格由原來的48 454.8 元降至7962 元，可節(jié)約48 454.8-7962=40 492.8 元/臺。

6 課題創(chuàng)新點

（1）創(chuàng)新點1：檢測精度可達100%。FOCKE350 內框紙接頭新型檢測裝置具有高精度的檢驗功能，正常情況下其檢測精度高達100%且可以有效排除外界干擾，準確地判異內框紙接頭的存在，有效地保障了卷煙產品質量，提質增效。

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