SENE封箱机机器视觉检测装置

SENE封箱机机器视觉检测装置

黄烁翁俊杰*

厦门烟草工业有限责任公司 福建省厦门市  361022

通讯作者 翁俊杰

摘要：针对烟草行业SBNE系列封箱机箱内缺条烟、条烟破损、牌号装错等产品质量缺陷。设计了一种新型分体式封箱机箱内烟条机器视觉质量检测装置，安装在封箱机烟条推入烟箱区域的前后两侧，现场采集产品照片，进行图像处理和缺陷标识，保存缺陷图片，自动传输至封箱机CPU，通过修改封箱机控制程序，实现缺陷产品的剔除和报警，防止缺陷产品进入下道工序，造成产品质量事故。

关键词：SBNE封箱机、机器视觉、智能工业相机

传统的封箱机缺条检测装置基于其安装位置和检测方式的影响，只能在烟条堆叠区域检测缺条，烟条堆叠动作完成后还要经过两次纵向转移，一次横向转移进入烟箱，在该过程中容易丢失烟条，缺乏箱内烟条的直接检测手段。传统检测的检测手段为5*5排列的25个红外接近开关，只能检测每个烟条中心处是否被遮挡，不能检测烟条是否破损、倾斜、挤压、错牌，大量红外接近开关可维护性差，出现个别故障时排查、更换时间较久，各烟草公司为此问题也研发了金属接近开关检测装置、接触式接近开关检测装置，但都不能消除后续工步烟条转移带来的质量问题，往往仅针对部分品牌、部分包装特点的烟条提升了检测效果。

伴随着IT技术的高速发展，现有智能工业相机已集成固态硬盘、专用低功耗CPU、USB总线相机、I/O控制板、图像采集卡等设备，具备RJ45、USB2.0、I/O接口，体积和功耗都控制在非常优秀的水平，且搭载WINDOWS系统，使得利用工业相机视觉识别对产品质量的检测成为可能，在低帧率拍照场景，还可以通过RJ45网口、USB接口，挂载多台从相机，实现多角度拍摄，本系统使用一台主相机，挂载一台从相机，通过触摸屏控制人机交互系统，实现拍照、缺陷分析、参数设置、切换牌号、查看缺陷图片等一系列功能。

封箱机机器视觉烟条质量检测系统是以智能工业相机、Gige工业相机作为图像传感器，启动封箱机烟条质量检测系统软件后，运用光源LED控制，经过图像采集获得烟箱头尾两侧的箱内烟条外观图像，并提取所要检测的区域，分析处理图像模块，计算出设定区域的平均灰度和方差值，与预设值相比较，判断是否合格，再对拍照区域的阴影进行阈值判断，如果其图像阴影像素阈值区域超过设定值，判定存在缺陷，通过带有光耦隔离的I/O接口传输至外围电路，外围电路将NPN型输出信号转换为PNP型，并连接到封箱机西门子PLC的I/O模块，控制剔除装置完成一系列剔除和报警动作，完成坏烟箱的剔除任务。该控制方式取消了以往外挂控制器、报警器的方式，直接利用原机西门子PLC系统进行控制，并通过主机的运行工步判断触发相位，不需要安装额外的凸轮相位检测装置。

智能工业相机以上升沿触发为触发条件，从相机以下降沿作为触发条件。当封箱机PLC运行到相应工步，输出一个触发信号到西门子I/O模块，再经过线路传输至智能相机I/O输入点，两台相机同时收到有效触发信号后，相机开始采集一帧图像，并同时传输到主机，算法如图1所示。

图1 智能工业相机操作步骤及流程

每个有效沿对应一次触发，只输出一帧图像。系统采用C++编程语言，采用MFC编写人机界面，后台图像处理软件为Halcon，通过调用Halcon算子处理图像文件并输出结果，其具体实施步骤为：

1、载入halcon软件算库函数halcon.dll；

2、初始化MFC，完成了MFC控件的加载以后，在使用其他接口之前，载入保存的参数文件data.ini，载入相机配置文件，通过特定相机的昵称设置查找相机Camera1、Camera2；

3、调用OpenFramegrabber函数进行相机初始化，获得相机的句柄；

4、调用SetFramegrabberParam设置一系列相机参数，将相机工作模式调整至系统需求的状态；

5、调用GrabImageStart开启相机图像获取。

6、抓取图像：主动调用GrabImage 来获取一帧同步图像数据，或调用GrabImageAsync获取一帧异步图像；

7、处理图像：调用GetImageSize以及SetPart来达到图像自适应窗口大小，再调用GenRectangle、Decompose、MeanImage、Intensity等一系列图像变换函数，将原始图像处理成不同的小块监视区域，分别对每个小块图像进行判定，以提升判断的准确性；

8、迭加十字线、自动曝光参考窗口、白平衡参考窗口：DumpWindowImage 函数，被设置为可见状态的十字线、自动曝光图像修正、白平衡修正，将被迭加到输入的图像上；

9、将图像保存并显示图像，通过I/O输出结果；

10、反初始化：在退出程序前关闭相机。

本装置涉及到封箱机烟条质量检测系统人机界面和封箱机西门子PLC控制系统的开发，相机采用Mindvision智能工业相机以及Mindvision Gige从相机，对烟箱两侧端面待包装的烟条进行外观和颜色识别，通过与正确的产品参数进行对比判断产品质量。智能工业相机与封箱机西门子PLC控制系统交互采用各自的I/O模块。烟条被推进器推入烟箱，推进器后退过程中的电机位置标志位触发了封箱机下一工步的动作，此时经修改的程序会额外产生一组触发信号，由西门子PLC系统发出信号触发主相机、从相机LED灯闪光并拍照，采集封箱机箱内两端烟条的外观图像，智能工业相机再经过图像读取、图像处理、数据分析和条件判断，判断出烟条外观是否合格的结果。如果封箱机机器视觉烟条质量检测系统识别到不合格的图像时，通过与西门子PLC交互的I/O输入控制板以及外围电路,反馈给西门子PLC控制系统，其中信号的传输经过光电耦合电路、NPN-PNP信号转换电路，通过西门子PLC控制系统处理相关信息后将输出信号传送剔除装置，将不合格的烟箱剔除。其系统结构如图2所示。

图2机器视觉烟条质量检测装置结构图

本系统还采用了以下设计：

光电耦合隔离电路：硬件上西门子PLC控制系统与智能工业相机输入输出全部采用光耦隔离，输入端电压为18~24V；输出为开漏，最大电流不得超过 50mA。采用高性能光电耦合器将智能工业相机输入输出信号与西门子PLC系统输入输出信号隔离，避免其互相干扰。

畸变矫正：由于主相机安装物距非常短，需使用短焦距大广角镜头，无畸变广角镜头成本过于高昂，故而采用了视场角为W115.43°x81.61°/T30.70°x23.00°广角镜头，会产生一定桶形畸变，因而采用图像畸变矫正技术消除了图像畸变。

图像存储系统：智能工业相机硬件配有USB 3.0 Camera，使用SSD硬盘作为存储器件，由微控制器直接对含有缺陷的外观图像等相关信息存在SSD硬盘上，可以方便的进行质量追溯和图片转存。

Halcon算子：经测试，最终选用灰度分析和阈值分析算子划定检测框。其中灰度分析可以根据条烟外观的亮度和亮度方差判定每个烟条是否存在错牌、露白等质量问题。通过阈值分析中计算低阈值色块面积的方法寻找缺烟条形成的空洞，进而判断烟条是否缺失。

结语

通过以上方法实现了SENE封箱机机器视觉检测装置的软硬件架构，保证了很好的成像效果，最大化的减少了光斑的影响，最终使用Halcon算子中的灰度分析和阈值分析，能够以较好的效果检测箱内烟条的质量与数量，并保存缺陷图像，剔除缺陷烟箱，便于质量追溯，整体项目达到了预期目标。

[1]意大利 SENZANI公司 SBNE T06601电气手册，2002

[2]迈德威视公司 迈德威视产品手册，2023

[3]廖常初，S7-300/400PLC 应用技术（第3版）[M].北京：机械工业出版社 2011