基于視覺檢測的濾盤自清潔系統

沈宗毅，艾培云，呂獻周，李 乾

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司會澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

濾棒是卷煙生產中必不可少的輔料，濾棒存儲輸送系統為濾棒提供了充足固化時間，提高的卷煙品質，同時也消除了膠液滲透引起發射管道的堵塞。立庫倉儲摒棄了傳統的流動儲庫，采用料盤裝卸，濾棒在輸送過程中與裝盤機、輸送帶、料盤、高架庫以及濾棒之間不斷摩擦，極易產生靜電。由于靜電吸附效應，濾棒經常會吸附在料盤四周，必須由人工進行清理，增加了操作人員勞動強度，同時也影響了成型各工序的正常作業，降低設備的有效作業率。

1 現狀及問題分析

在濾棒發射過程中，料盤底層濾棒經常會吸附在料盤底部，跟隨空料盤被站臺回收。同時，吸附濾棒在輸送過程中經常會隨地灑落，影響卷煙生產現場清潔。卷煙生產前期為發射機端空盤濾棒殘留高峰期，隨著生產日期的增加，濾棒殘留現象有所改善，證明長期放置的濾棒更具靜電吸附效應。空料盤送到成型端裝盤時，會出現料盤中還殘留有濾棒的現象，而且均是散亂排列，在裝盤過程中便會引起裝盤濾棒排列不整齊的現象。

靜電主要由非導體之間摩擦產生。經核實，在這些工序過程中都未進行靜電消除作業，在絕緣的濾棒和料盤上便會長期有靜電滯留。為確認各工序中靜電的存在，利用靜電測試儀對工序的各個部位進行檢測，發現靜電充斥了各個部位，帶有極少靜電的絲束和盤紙在不斷運動、摩擦、靜置過程中，靜電電荷逐漸積累，靜電電壓便隨之增加，在濾棒成型工藝末端，所有殘余靜電堆積，最終導致了靜電吸附。

2 系統可行性分析

2.1 圖像識別能力驗證

論文《GDX2 內框紙檢測裝置的研制》提出一種使用CCD（Charge Coupled Device，電荷藕合器件）成像技術對內框紙形狀、表面、尺寸進行特征成像，從而判定缺陷。該技術可以運用到空盤殘留濾棒檢測當中，首先是對CCD 相機的成像檢測機型可行性分析。運用MATLAB 進行圖像邊緣提取，通過對邊緣的分析來分析圖像的特征（圖1）。選用料盤為背景，濾棒作為檢測物。經過MATLAB 的幾種邊緣識別，通過Robert 算子可以準確得出料盤中殘留濾棒的形狀位置。但上述實驗前提是基于MATLAB 開發環境，MATLAB 主要用于數據分析、算法開發、數值計算等場合，在理論上驗證了圖像識別能力可以達到要求。

圖1 MATLAB 數據分析

2.2 機器視覺檢測精度分析

根據相機分辨率（L/W）≥視場（L/W）/精度原則，項目要求視野：L/W=680/380，精度要求1 mm。根據相機像素數測算公式，像素長寬=分辨率/精度，總像素=像素長度×像素寬度，小組計算出了項目相機所需的像素數：像素長度680/1=680 pix，像素寬度為380/1=380 pix，則需要至少為680×380=258 400=25.84 萬像素的相機。

2.3 離子氣刀選擇

殘留的濾棒通過相機成像技術以檢測成像，利用壓手空氣清潔濾棒盤內的殘留濾棒（圖2）。根據濾棒空盤的形狀及尺寸，選用了目前已有的離子氣刀。離子氣刀空氣流向分析：氣刀噴嘴噴出氣流如左圖所示，屬于面狀氣流，對空料盤各個部位施加勻速壓縮空氣，氣流均勻，對底面清潔能力大致相同。可使壓縮空氣通過“柯恩達效應”形成速度放大幾十倍的簾狀氣流，查詢技術文件，超級氣刀壓縮比可達40:1，有很好的清潔效果。

圖2 離子氣刀空氣流向分析

在加裝相機時，需要特有的相機支架，而安裝離子氣刀時需要連接組件。

針對支架材料，分別從加工性能、材料強度、安裝總重、材料成本、抗彎強度能力、熱膨脹性能6 個方面進行比選，材料選用鋁合金，且相機支架承受載荷集中在相機支架中間位置。查表可知6061 鋁合金的屈服強度55.2 MPa，根據公式可以計算出支架棒料直徑d≈13.29 mm，為了方便加工，鋁合金棒料直徑d 取整為15 mm。選定支架形狀后，經過測量支架總長度L=420 mm,相機拍攝角度可以通過松開止推螺釘來調節。

3 系統設計實施

3.1 相機支架、組件的設計

相機支架、離子氣刀連接組件如圖3～圖7 所示。

圖3 支撐架

3.2 編寫識別模塊程序

如圖8 所示，在主函數中對相關庫函數加載及關鍵運行參數讀取，發出開采命令，相機開始按照參數設定采集圖像，圖像采集完成后通過USB 數據接口傳送給工控機，工控機圖像進行處理，經過動態閾值分割，檢測圖片中料盤內白色（濾棒）像素數，可以判斷空盤內是否殘留有濾棒。項目程序所有代碼有2275 行，圖9 是本檢測的關鍵代碼及工程文件。

圖4 支座

圖5 相機底座

圖6 相機支架總裝

圖7 氣刀支架設計

圖8 主函數流程

圖9 程序代碼

編寫人機界面程序，根據方案設計，加入應有功能并進行界面美化，最終人機界面實現結果如圖10 所示。

圖10 人機界面程序

3.3 電氣線路連接及元件安裝

組裝及電氣線路連接,安裝相機、工控機、顯示器并進行電路連接，經測量線路連接電阻為0.3 Ω（圖11）。

圖11 硬件安裝

根據設計原理圖，調節相機工作位置如圖12 所示。

圖12 工作位置調節

通過對相機的拍攝角度進行調整，當拍攝角度確定為28°時，畫幅可以包含整個空盤。

3.4 配置并運行程序，確定關鍵運行參數

3.4.1 確定相機拍照時機

相機拍照相位主要用于空盤進入檢測區域的拍照時機，輸送帶速度較為緩慢，這里不需要進行視頻采集，故為了降低工控機處理的圖像數據量，采用單幀采集方式，采用一個光電管監測是否有盤進入檢測區域，當有盤時立刻拍照并進行視覺判斷盤內是否有殘余濾棒，若有則進行清潔過程，無則不作任何處理。

3.4.2 采用“正交實驗”確定快門時間、異常點閥值、感光度

（1）實驗目的。為使有殘余濾棒空盤與無殘余濾棒空盤圖像容易區分，通過實驗確定快門時間、異常點閥值、感光度3 個因子最佳組合，使n 值盡可能大（望大值）。其中，n=n1-n2，n1為有殘余濾棒空盤圖像異常點數，n2為無殘余濾棒空盤圖像異常點數。

（2）挑因素選水平。通過對影響n 值的因素進行逐一刷選，得到影響n 值的3 個可控因素：快門時間、異常點閥值、感光度，各選取3 個水平（表1）。

表1 正交實驗表

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。由極差R大小順序可以得出，異常點閥值對n 值的影響最大，由主到次的順序為：異常點閥值→感光度→快門時間→實驗誤差。借助Minitab 17 將實驗結果導入，統計→方差分析→主效應圖，繪制出主效應圖，得到“算一算”之后的較優組合也為A2B2C3。

因此確定較優參數組合為：快門時間100 ms，異常點閥值65，感光度為ISO80。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為94，有內框紙接頭出現時異常點數為592，因此，最小判定閥值設定為94+（592-94）/2=343（表2）。

表2 L9（34）正交實驗安排實驗

4 實施效果

對2019 年11 月和12 月的空盤含存有殘余濾棒及空盤內殘余濾棒清除情況進行效果跟蹤。其中，3#濾棒發射機的檢測總盤數和殘余濾棒盤數分別是昨32 930 和10 357，4#濾棒發射機的檢測總盤數和殘余濾棒盤數分別是昨26 684 和8009（表3）。

從表3 可知，濾棒空盤自清潔系統運行穩定，誤檢、漏檢率成功消除，檢測成功率達到理想的100%。通過對濾棒空盤的實施偵測以及靜電清除，濾棒吸附現象得到明顯改善，并且濾棒回收也增加了濾棒的利用率，提高了濾棒工段的生產制造能力，減小了人工負擔。

表3 殘余濾棒及空盤內殘余濾棒清除情況統計表

5 總結

本文設計的濾棒自清潔系統在料盤回收過程中對其進行在線清潔，實現了濾棒清除及靜電消除的全自動化，整體提升了濾棒成型工序的有效作業率，提高了自動化水平，降低了員工的勞動強度，節約原輔材料，為各種料盤、托盤的在線清潔及生產制造各工序的靜電消除提供支持。