CN112520100B - 一种用于focke包装机的复合型烟支检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置及方法，包括烟丝侧图像采集模块、烟丝侧光电采集模块、滤嘴侧图像采集模块、控制器和人机界面。烟丝侧图像采集模块与滤嘴侧图像采集模块包括LED光源和工业相机，烟丝侧光电采集模块包括发射二极管与接收二极管及信号放大电路，控制器包括核心控制单元以及图像采集通讯接口、光电采集通讯接口、输入输出接口和以太网通讯接口。本发明采用烟丝侧视觉加光电、滤嘴侧视觉的双重检测方式，不仅能够检测FOCKE包装机模盒内常规的烟支空头、缺嘴及缺支缺陷，对反支烟、乱残烟及特殊滤嘴烟也能够准确检测，能比传统检测装置更好地保证烟包的烟支质量。

Description

一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置及方法，FOCKE包装机模盒内的烟支进行空头、缺支等缺陷检测，在检测到缺陷时向包装机控制***发送剔除信号，由包装机控制***在相应位置将缺陷烟包剔除。

背景技术

在香烟加工生产的过程中，烟丝在卷接机端卷接成烟支，然后经过输送机构传输至包装机，最后经过包装机模盒实现多支包装成盒。为了保证烟包的烟支质量，包装机上需要安装烟支检测装置，用于检测烟包内烟支是否存在空头、缺支等缺陷。

目前，FOCKE包装机组上采用的主要是机械接触式烟支检测器，这种检测器通过运动的机械探针与烟支接触间接得出烟支是否存在空头与缺支。这种检测器检测灵敏度低，无法对模盒内的反支烟及乱残烟进行有效检测,在检测过程中机械探针与烟支接触容易造成烟丝下陷，影响烟支美观。此外当一包烟中缺少一支烟，且缺少烟支的那一排烟的排列散开时，还存在缺支漏检的概率。

近几年，国内部分烟厂开始推广一种滤嘴侧具有凹陷图案的异型烟，机械接触式烟支检测器也无法实现对滤嘴凹陷图案的检测。

发明内容

本发明的目的是设计一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置及方法，实现FOCKE包装机模盒内常规的烟支空头、缺支及缺嘴检测，同时实现反支烟、乱残烟及特殊滤嘴烟的检测,提出了一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置及一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测方法。

为了实现上述目的1，本发明采用如下技术方案：

一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置，由烟丝侧图像采集模块、烟丝侧光电采集模块、滤嘴侧图像采集模块、控制器和人机界面组成；

优选地，所述烟丝侧图像采集模块与滤嘴侧图像采集模块包括LED光源和工业相机，所述烟丝侧光电采集模块包括发射二极管与接收二极管及信号放大电路，所述控制器包括核心控制单元以及图像采集通讯接口、光电采集通讯接口、输入输出接口和以太网通讯接口；

其中，所述烟丝侧图像采集模块和滤嘴侧图像采集模块分别负责采集烟支烟丝端与滤嘴端的图像并传输至控制器；所述烟丝侧光电采集模块负责采集烟支烟丝端电压并将电压传输至控制器；所述控制器利用图像处理技术对烟丝端图像分析，判断是否存在空头、反支及乱残烟等缺陷，对滤嘴端图像分析，判断是否存在缺嘴、缺支、反支及特殊滤嘴异常等缺陷，同时利用光电图像虚拟化技术将光电模块采集电压虚拟成数字图像，然后通过图像分析，判断是否存在空头等缺陷，最后控制器根据判断结果发送信号至包装机控制***；所述人机界面主要用来运行人机界面软件，提供人机交互的操作界面,方便用户查看运行信息、检测数据以及设置参数等，人机界面通过千兆以太网与控制器进行通讯。

优选地，控制器中的两个图像采集通讯接口分别与烟丝侧图像采集模块和滤嘴侧图像采集模块中的工业相机相连，光电采集通讯接口与烟丝侧光电采集模块中的接收二极管相连，三个接口又连接到控制器中的核心控制单元，核心控制单元还同时与控制器中的输入输出接口、核心处理模块以及以太网通讯接口连接，输入输出接口与包装机组控制***连接，以太网通讯接口与以太网交换机连接，以太网交换机又与人机界面连接。

优选地，在双通道FOCKE包装机上，七边形转塔的每个边上安装有模盒，所述烟丝侧光电采集模块安装于原机械接触式传感器处，穿过烟丝挡板推齐烟支，跟随机械臂运动；所述烟丝侧图像采集模块与滤嘴侧图像采集模块分别静态固定于烟丝挡板上，对准同一工位的烟包。

优选地，在所述烟丝侧图像采集模块中，烟支烟丝端部位于玻璃窗左侧，平面镜铺设在下方，工业相机与平面镜呈一定角度，LED光源沿着工业相机拍照方向对烟支进行照明。

优选地，在所述滤嘴侧图像采集模块中，烟支滤嘴端部位于玻璃窗左侧，LED光源与烟支端部成一定角度进行照明，工业相机垂直滤嘴端面安装。

优选地，在所述烟丝侧光电采集模块中，在壳体内，信号处理板、信号放大板、信号调制板、发射板以及接收板依次排列，并通过板间连接器固定，其中对于信号处理板、信号放大板和信号调制板，相邻板间焊接有铜垫柱，发射二极管和接收二极管分别焊接在发射板和接收板上，导光棒穿过接收板，一端与发射管相连，另一端与接收管相连；壳体的一端设置为8芯接口，另一端设置为滤光片；一个发射管对应一根导光棒，一根导光棒周围设置有4个接收管；将发射管嵌于发射塑料隔板内腔中，发射塑料隔板放置于发射板和接收板之间；将接收管嵌于接收塑料隔板内腔中，接收塑料隔板放置于接收板和壳体之间。

优选地，所述控制器由工控板和控制板组成，工控板上设有视觉检测控制器，控制板从上往下依次分布有以太网接口、USB接口、VGA接口和IO信号接口。

优选地，所述人机界面中间为触摸显示屏，两侧从上往下分布有快捷键；其中触摸显示屏是10.4寸的彩色液晶触摸显示屏，分辨率为1024×768。

为了实现上述目的2，本发明采用如下技术方案：

一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测方法，该方法采用如上所述的一种基于机器视觉技术与光电检测技术的复合型烟支检测装置，包括如下步骤：

步骤1：控制器的输入输出接口接收包装机组控制***的触发信号后，核心控制单元控制所述烟丝侧图像采集模块、滤嘴侧图像采集模块和烟丝侧光电采集模块分别采集烟丝端部图像、滤嘴端部图像和烟丝端部电压，并将数据传输至核心处理模块进行图像分析；

步骤2：根据图像分析结果通过输入输出接口向包装机组控制***发送相应剔除信号和诊断信号；

步骤3：控制器通过以太网交换机与人机界面进行通信，采集图像与电压数据，处理效果实时在人机界面显示；

步骤4：操作者通过人机界面显示屏查看***运行的相关信息，并通过触摸屏设置***的相关参数。

优选地，步骤1中图像分析过程包括对烟丝端部图像、滤嘴端部图像和烟丝端部电压的处理：其中，对烟丝端部图像和滤嘴端部图像的处理如下步骤所示：

步骤1.1.1：对烟丝与滤嘴端部图像进行预处理，包括滤波去噪、亮度补偿校正、畸变校正处理；

步骤1.1.2：在每个烟支位置设置比烟支直径大的兴趣区域(将烟支抖动范围包括进去)；

步骤1.1.3：通过投影与距离变换相结合的烟支自动定位技术，在兴趣区域内将当前烟支准确的分离，依次进行灰度化、二值化、腐蚀、膨胀、查找并绘制烟丝或滤嘴轮廓；

步骤1.1.4：计算出轮廓面积即兴趣区域的像素数，也即目标的像素数，通过像素数判断是否存在空头或缺支缺陷；

其中，对烟丝端部电压的处理如下步骤所示：

步骤1.2.1：对烟丝端部电压进行电压数据图像虚拟化，将每个烟支的烟丝侧0～5V电压按256个灰度级进行0～255灰度值之间的转化；

步骤1.2.2：在空图像的对应烟支位置处画同烟支直径的圆，圆内以转化后的灰度值填充；

步骤1.2.3：按图像处理方法，进行灰度图像直方统计获取像素数最多的灰度值即为当前烟支的灰度值，通过灰度值判断是否存在空头缺陷。

此外，在空头的检测结果上对视觉与光电图像进行了合并关联，即可以通过烟丝视觉图像同时查看视觉与光电检测效果。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明创新的将机器视觉技术与光电检测技术结合运用于FOCKE包装机的烟支检测中，不仅能够检测常规的烟支空头、缺嘴及缺支缺陷，对反支烟、乱残烟及特殊滤嘴烟也能够准确检测；同时采用两种检测方式进行烟支空头检测，相辅相成，准确率更高；此外，光电与视觉检测图像全关联，能提供清晰直观的检测效果，光电调试更加方便，能比传统检测装置更好地保证烟包的烟支质量。

附图说明

图1为本发明的电路框图；

图2为烟丝侧图像采集模块正面剖视图；

其中，201为玻璃窗；202为平面镜；203为工业相机及镜头，204为LED光源；

图3为滤嘴侧图像采集模块正面剖视图；

其中，401为LED光源，402为玻璃窗，403为工业相机及镜头；

图4中a为烟丝侧光电采集模块正面剖视图，b为烟丝侧光电采集模块侧面视图；

其中，501为8芯接口和螺母(含导线和塑料插座)；502为M3内六角沉头螺钉；503为信号处理板；504为板间连接器；505为信号放大板；506为铜垫柱；507为信号调制板；508为发射板；509为发射二极管；510为接收板；511为接收二极管；512为发射塑料隔板；513为接收塑料隔板；514为滤光片；515为导光柱；516为壳体；517为M2.5十字盘头螺钉；518为盖；

图5为控制器正面视图及左侧面视图；

其中，601为以太网接口；602为USB接口；603为VGA接口；604为IO信号接口；

图6为本发明的处理流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1本发明电路框图所示，一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置，由烟丝侧图像采集模块、烟丝侧光电采集模块、滤嘴侧图像采集模块、控制器和人机界面组成。

具体地，控制器中的两个图像采集通讯接口分别与烟丝侧图像采集模块和滤嘴侧图像采集模块中的工业相机相连，光电采集通讯接口与烟丝侧光电采集模块中的接收二极管相连，三个接口又连接到控制器中的核心控制单元，核心控制单元还同时与控制器中的输入输出接口、核心处理模块以及以太网通讯接口连接，输入输出接口与包装机组控制***连接，以太网通讯接口与以太网交换机连接，以太网交换机又与人机界面连接。

采集模块在双通道FOCKE包装机上的安装位置为，七边形转塔的每个边上安装有模盒，烟支被推入模盒后转塔开始进行圆周运动，先经过烟丝侧光电采集模块进行空头检测，然后再经过烟丝侧图像采集模块与滤嘴侧图像采集模块进行视觉的空头与缺支等检测；烟丝侧光电采集模块安装于原机械接触式传感器处，跟随机械臂运动，穿过烟丝挡板推齐烟支的同时进行空头光电检测；烟丝侧图像采集模块与滤嘴侧图像采集模块分别静态固定于安装挡板上，对准同一工位的烟包，简单可靠。

如图2烟丝侧图像采集模块正面剖视图所示，烟支烟丝端部位于玻璃窗201左侧，平面镜202铺设在模块下方，工业相机203通过平面镜202以一定角度拍摄烟支烟丝端部图像，LED光源204沿着工业相机拍照方向对烟支进行照明，通过平面镜镜像成像能大大缩小图像采集模块尺寸；当烟支出现空头时，烟支白色盘纸被照亮，***拍摄到的烟丝区域比正常烟支要小，烟支的空头程度越大，拍摄到的烟丝区域就越小，***可以根据每支烟拍摄到的烟丝区域图像面积来判断烟支是否存在空头。

如图3滤嘴侧图像采集模块正面剖视图所示，烟支滤嘴端部位于玻璃窗402左侧，LED光源401与烟支成一定角度安装对烟支滤嘴的端面进行照明，工业相机403垂直于滤嘴端面安装；当模盒中出现缺支或缺嘴时，模盒内缺支或缺嘴部分光源无法照射进去，与白色滤嘴形成鲜明对比，***可以判断出该模盒内存在缺嘴、缺支、反支等缺陷。

如图4烟丝侧光电采集模块正面剖视图及右侧面视图所示，先将发射二极管509和接收二极管511分别焊接到发射板508和接收板510上，将滤光片514通过光学专用胶水粘接到壳体516上，然后将发射塑料隔板512放置于发射板508和接收板510之间，发射板508和接收板510通过板间连接器504固定，然后将导光柱515穿过接收板510后***发射塑料隔板512中直至抵住发射二极管509为止；将铜垫柱506分别焊接在信号处理板503、信号放大板505、信号调制板507上后按照图示顺序将每两块板间的板间连接器504对插，然后再通过M2.5十字盘头螺钉517固定于壳体516的螺钉孔中；将8芯接口和螺母1拧在盖518上，然后将8芯接口和螺母501的塑料插座***MCU板503上的插座中，最后通过M3内六角沉头螺钉502将盖518固定到壳体516上.

具体地，发射二极管509通过前端的导光柱505将红外光引出至滤光片514然后照射在烟支烟丝端部，烟丝会对部分光进行反射，接收二极管511通过滤光片接收烟丝反射的红外光，当烟支烟丝出现空头时，发射二极管509发射的光经过烟丝反射的整个距离拉长，接收二极管511接收的光减弱，信号放大板505与调制板507将微弱电流的变化进行调制放大，提升了检测灵敏度，使常用量程范围内检测分辨率更高，检测准确度更高，信号处理板503主要负责与控制器之间通过串口进行通信。

在光电采集模块将烟丝空头深浅信息转换为电压数据后，***利用光电数据图像虚拟化技术，将电压信息转换为图像灰度，将0～5000mV电压与灰度0～255形成对应，便于直接采用现有机器视觉软件平台进行检测，最后在图像处理过程中，在每个烟支兴趣区域内先进行灰度值的直方统计，形成统计特征，灰度值最大位置即为该烟支的灰度值。

如图5控制器正面视图及左侧面视图所示，控制器是检测装置的核心，主要由工控板和控制板组成。工控板上设有视觉检测控制器，用于操作***以及检测软件的运行；控制板用于工控板的***扩展，从上往下依次分布有以太网接口、USB接口、VGA接口和IO信号接口，其中以太网接口601用于检测软件与人机界面软件进行以太网通信，USB接口602主要用于***软件升级及键盘鼠标等外设接入，VGA接口603主要用于控制器VGA显示，IO信号接口604主要用于控制器供电及与包装机组控制***交互。控制器控制烟丝侧光电采集模块、烟丝侧图像采集模块和滤嘴侧图像采集模块采集数据，同时进行数据分析处理，判断当前是否存在缺陷。在检测到不合格烟包时，向包装机组控制***发送不合格信号，由包装机组控制***在相应位置将不合格的烟包剔除。

人机界面由触摸显示屏、快捷键组成，人机界面中间为触摸显示屏，两侧从上往下分布有快捷键。触摸显示屏是10.4寸的彩色液晶触摸显示屏，分辨率为1024×768，提供触摸控制功能，用于人机交互操作，用户可以通过显示屏查看***运行的相关信息，并可以通过触摸屏设置***相关参数。人机界面两侧的快捷键用于快捷显示屏关电、人机界面重启等功能的快捷键，方便用户操作。

在上述一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置的基础上，本发明提出一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测方法，如图6所示，主要包括以下步骤：

步骤1：控制器的输入输出接口接收包装机组控制***的触发信号后，核心控制单元控制所述烟丝侧图像采集模块、滤嘴侧图像采集模块和烟丝侧光电采集模块分别采集烟丝端部图像、滤嘴端部图像和烟丝端部电压，并将数据传输至核心处理模块进行图像分析；

步骤2：根据图像分析结果通过输入输出接口向包装机组控制***发送相应剔除信号和诊断信号；

步骤3：控制器通过以太网交换机与人机界面进行通信，采集图像与电压数据，处理效果实时在人机界面显示；

步骤4：操作者通过人机界面显示屏查看***运行的相关信息，并通过触摸屏设置***的相关参数。

其中，步骤1中图像分析过程包括对烟丝端部图像、滤嘴端部图像和烟丝端部电压的处理；其中，对烟丝端部图像和滤嘴端部图像的处理如下步骤所示：

步骤1.1.1：对烟丝与滤嘴端部图像进行预处理，包括滤波去噪、亮度补偿校正、畸变校正处理；

步骤1.1.2：在每个烟支位置设置比烟支直径大的兴趣区域(将烟支抖动范围包括进去)；

步骤1.1.3：通过投影与距离变换相结合的烟支自动定位技术，在兴趣区域内将当前烟支准确的分离，依次进行灰度化、二值化、腐蚀、膨胀、查找并绘制烟丝或滤嘴轮廓；

步骤1.1.4：计算出轮廓面积即兴趣区域的像素数，也即目标的像素数，通过像素数判断是否存在空头或缺支缺陷；

其中，对烟丝端部电压的处理如下步骤所示：

步骤1.2.1：对烟丝端部电压进行电压数据图像虚拟化，将每个烟支的烟丝侧0～5V电压按256个灰度级进行0～255灰度值之间的转化；

步骤1.2.2：在空图像的对应烟支位置处画同烟支直径的圆，圆内以转化后的灰度值填充；

步骤1.2.3：按图像处理方法，进行灰度图像直方统计获取像素数最多的灰度值即为当前烟支的灰度值，通过灰度值判断是否存在空头缺陷。

以上，为本实施例的完整实现过程。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置，由烟丝侧图像采集模块、烟丝侧光电采集模块、滤嘴侧图像采集模块、控制器和人机界面组成；

其中，所述烟丝侧图像采集模块与滤嘴侧图像采集模块包括LED光源和工业相机，所述烟丝侧光电采集模块包括发射二极管与接收二极管及信号放大电路，所述控制器包括核心控制单元以及图像采集通讯接口、光电采集通讯接口、输入输出接口和以太网通讯接口；

其特征为，控制器中的两个图像采集通讯接口分别与烟丝侧图像采集模块和滤嘴侧图像采集模块中的工业相机相连，光电采集通讯接口与烟丝侧光电采集模块中的接收二极管相连，三个接口又连接到控制器中的核心控制单元，核心控制单元还同时与控制器中的输入输出接口、核心处理模块以及以太网通讯接口连接，输入输出接口与包装机组控制***连接，以太网通讯接口与以太网交换机连接，以太网交换机又与人机界面连接；

在双通道FOCKE包装机上，七边形转塔的每个边上安装有模盒，烟丝侧光电采集模块安装于原机械接触式传感器处，穿过烟丝挡板推齐烟支，跟随机械臂运动；烟丝侧图像采集模块与滤嘴侧图像采集模块分别静态固定于烟丝挡板上，对准同一工位的烟包；

所述烟丝侧光电采集模块，在壳体内，信号处理板、信号放大板、信号调制板、发射板以及接收板依次排列，并通过板间连接器固定，其中对于信号处理板、信号放大板和信号调制板，相邻板间焊接有铜垫柱，发射二极管和接收二极管分别焊接在发射板和接收板上，导光柱穿过接收板，一端与发射二极管相连，另一端与接收二极管相连；壳体的一端设置为8芯接口，另一端设置为滤光片；一个发射管对应一根导光棒，一根导光棒周围设置有4个接收管；将发射管嵌于发射塑料隔板内腔中，发射塑料隔板放置于发射板和接收板之间；将接收管嵌于接收塑料隔板内腔中，接收塑料隔板放置于接收板和壳体之间。

2.根据权利要求1所述的一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置，其特征为，在所述烟丝侧图像采集模块中，烟支烟丝端部位于玻璃窗左侧，平面镜铺设在下方，工业相机与平面镜呈一定角度，LED光源沿着工业相机拍照方向对烟支烟丝端部进行照明。

3.根据权利要求1所述的一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置，其特征为，在所述滤嘴侧图像采集模块中，烟支滤嘴端部位于玻璃窗左侧，LED光源与烟支滤嘴端成一定角度进行照明，工业相机垂直滤嘴端面安装。

4.根据权利要求1所述的一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置，其特征为，所述控制器由工控板和控制板组成，工控板上设有视觉检测控制器，控制板从上往下依次分布有以太网接口、USB接口、VGA接口和IO信号接口。

5.根据权利要求1所述的一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置，其特征为，所述人机界面中间为触摸显示屏，两侧从上往下分布有快捷键；其中触摸显示屏是10.4寸的彩色液晶触摸显示屏，分辨率为1024×768。

6.一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测方法，其特征在于：采用权利要求1所述的一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测装置，包括如下步骤：

步骤1：控制器的输入输出接口接收包装机组控制***的触发信号后，核心控制单元控制烟丝侧图像采集模块、滤嘴侧图像采集模块和烟丝侧光电采集模块分别采集烟丝端部图像、滤嘴端部图像和烟丝端部电压，并将数据传输至核心处理模块进行图像分析；

步骤2：根据图像分析结果通过输入输出接口向包装机组控制***发送相应剔除信号和诊断信号；

步骤3：控制器通过以太网交换机与人机界面进行通信，采集图像与电压数据，处理效果实时在人机界面显示；

步骤4：操作者通过人机界面显示屏查看***运行的相关信息，并通过触摸屏设置***的相关参数。

7.根据权利要求6所述的一种用于FOCKE包装机的复合型烟支检测方法，其特征为：步骤1中图像分析过程包括对烟丝端部图像、滤嘴端部图像和烟丝端部电压的处理：

其中，对烟丝端部图像和滤嘴端部图像的处理如下步骤所示：

步骤1.1.1：对烟丝与滤嘴端部图像进行预处理，包括滤波去噪、亮度补偿校正、畸变校正处理；

步骤1.1.2：在每个烟支位置设置比烟支直径大的兴趣区域，将烟支抖动范围包括进去；

步骤1.1.3：通过投影与距离变换相结合的烟支自动定位技术，在兴趣区域内将当前烟支准确的分离，依次进行灰度化、二值化、腐蚀、膨胀、查找并绘制烟丝和滤嘴轮廓；

步骤1.1.4：计算出轮廓面积即兴趣区域的像素数，也即目标的像素数，通过像素数判断是否存在空头和缺支；

其中，对烟丝端部电压的处理如下步骤所示：

步骤1.2.1：对烟丝端部电压进行电压数据图像虚拟化，将每个烟支的烟丝侧0～5V电压按256个灰度级进行0～255灰度值之间的转化；

步骤1.2.2：在空图像的对应烟支位置处画同烟支直径的圆，圆内以转化后的灰度值填充；

步骤1.2.3：按图像处理方法，进行灰度图像直方统计获取像素数最多的灰度值即为当前烟支的灰度值，通过灰度值判断是否存在空头缺陷。

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