机器视觉就是用机器代替人眼进行测量和判断。机器视觉系统是指通过图像摄取装置将需要检测的目标转换成数字量信号,通过图像处理系统对测量到的图像数字信号进行处理、判断,从而控制现场的设备动作。在高速、大批量的工业生产过程中,用人工视觉检查产品质量在精度和速度上都难以保障,采用机器视觉则可以大大提高生产效率和自动化程度。
1 系统组成
机器视觉系统一般包括光源、镜头、CCD 照相机、图像处理单元（或图像采集卡） 、图像处理软件、监视器、通讯（或输入输出） 单元等。视觉系统的输出不是图像视频信号,而是经过处理后的图像数字信号。上位机和PLC 实时获得检测结果后,通过运动系统或输入输出系统执行相应控制动作。视觉系统可分为基于PC 系统和基于PLC 系统。在基于PLC 系统中,视觉作用更象一个智能化的传感器,图像处理单元独立于系统,通过串行总线和I/ O 与PLC 交换数据,系统硬件利用嵌入式计算机进行图像处理,系统软件固化在图像处理器中,通过键盘对监视器中的菜单进行配置,或在计算机上开发软件后下载。基于PLC 的机器视觉系统具有集成化、小型化的特点基于PC 的机器视觉系统中,由CCD 摄像头采集检测对象的图像,经过数据采集卡转换成数字图像,输入计算机进行处理。该系统具有简单、可靠、开发周期短等特点。
2 系统应用
在烟草行业自动化生产中,涉及到各种各样的质量检查等,如烟支钢印位置和产品包装缺陷（诸如破损、翘边、缺盖、露白、反包、包装错位、包装材料印刷错误） 的检测等。这些高速、重复的工作若依靠人工进行检测,检验合格率就得不到保证。为解决外观质量的检测问题,曾使用过接触式电感应检测装置,但由于其本身的局限性,卷烟包装成形过程中的质量检测问题未能得到解决。因此,为提高卷烟的外观质量,机器视觉系统开始应用于烟草行业,成为视觉测量的理想方案。本文以基于PC 系统为例,介绍了机器视觉系统在GDX2 包装机组小盒外观检测中的具体应用及其效果。
2. 1 系统硬件组成
系统硬件结构如图1 所示。该系统采用NI（美国国家仪器） 公司的PCI1409 图像采集卡采集烟包外观图像。由CCD 摄像头采集的图像,经过数据采集卡转换成数字化图像输入计算机,应用程序将采集到的图像与预存的标准图像进行对比、判断,并通过相应的控制系统将存在外观缺陷的烟包从设备剔除口剔除（图2） 。
图1 基于PC的机器视觉系统组成
图2 基于PC的机器视觉系统检测流程
2. 2 系统图像分析处理
（1） 系统照明。照明是进行图像处理和分析的重要外部条件之一,该系统选用了FOSTEC 可调试光源20750. 2 ,稳定可靠,有利于图像采集。
（2） 检测信号的同步。为保证检测信号的同步,增设了检测同步传感器,安装在机器背后的机械转轮上（图3） ,可用于烟包检测和残次烟包的剔除。
1. CCD 同步传感器 2. 轴编码器 3. CCD 同步检测块
图3 检测信号的同步
（3） 系统软件的构成。该系统使用了LabVIEW、I2 MAQ Vision 和IMAQ Vision Assistant 等开发软件。Lab2 VIEW的数据流式编程、IMAQ Vision 强大的图像处理能力以及IMAQ Vision Assistant 的代码自动生成功能, 不仅缩短了系统的开发周期,也降低了成本。
（4） 图像特征比较算法。利用IMAQ Subtract 函数将实时烟包图像与标准图像相减两次,可得到表示两个图像明暗程度主要区别的参数值。利用IMAQ Add 函数将两个参数叠加成一幅图像,IMAQ Threshold 函数产生一个二值图像,由IMAQ RemoveParticle 函数对图像进行处理。另一种方法是用IMAQ BCGLookup 函数替代IMAQ Threshold 函数,利用IMAQ GrayMorphology 函数对图像进行处理,该方法由于没有转换为二值图像,可以使最终产生的图像粒子更加连贯。根据最终产生图像可以判断被检测烟包是否属于残次烟包。
（5） 残次烟包的剔除。如图4 所示,检测系统利用机器原有的双垛烟包剔除装置对残次烟包进行剔除。
1. 检测传感组件 2. 烟包运行方向 3. 小包外包透明纸包装成形 4. 被检测烟包 5 烟包输送带 6有机玻璃盖 7烟包堆垛 8 残次烟垛剔除口
图4 检测传感器及剔除位置
3 应用效果
GDX2 包装机组安装了机器视觉系统后,存在包装缺陷的烟包（如烟盒破损、缺盖、露白、反包、包装错位等） 均在残次烟垛剔除口被自动剔除。据市场质量反馈统计,系统安装前1 个月内,有关烟包外观质量问题收到市场反馈3 次共8 包（小盒缺盖、包装错位等） , 系统安装后3 个月内,未接到一起烟包外观质量问题反馈。
机器视觉系统应用于GDX2 包装机组,保证了高速、自动化卷烟包装生产的顺利进行,提高了卷烟的外观质量,而且还易于实现信息集成,为企业实施计算机集成制造提供了技术基础。同时,视觉系统的检测数据可以帮助管理部门及时发现设备、材料等方面的潜在问题,有利于提升卷烟企业的总体管理水平。
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