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ZJ118A在线激光打孔烟支综合质量检测装置的设计.pdf
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1、0引言细支卷烟是近几年新兴的卷烟产品类型,为了实现降焦减害,提升烟支的抽吸口感,从最初的预打孔水松纸与高透滤棒配套使用,到当前在线激光打孔技术的推广应用,细支卷烟生产经历了一个吸阻数值逐渐降低,配套装置及现场管控技术逐步完善的发展历程。在线激光打孔具有降本增效的显著优势,但在线打孔由于激光聚焦镜安装位置紧凑,现场生产环境中会因烟丝飞沫、粉尘堆积、保养不到位等因素影响而出现打孔缺失、漏打孔、打孔深度不够等问题;而国内烟厂现有的各种检测手段并不具备对在线打孔进行实时检测的能力。基于以上问题,刘雯等1研究建立卷烟激光预打孔接装纸透气度和打孔孔径的关系,设置不同打孔排数、孔数的激光预打孔接装纸,分别测
2、试其透气度和孔面积,分析透气度和孔面积的关联性,建立数学模型。张桂莲等2针对某水松纸厂存在的水松纸打孔精度不高的问题,提出一种基于机器视觉的水松纸打孔在线检测系统。该系统针对打孔水松纸检测的特定要求,对包含的形状进行信息提取、定位和参数测量。李华文等3研究的打孔装置使用低角度打光方式,结合原机角度触发相机采集到孔的高质量清晰图像,再采用数字图像处理技术,完成每个孔的位置提取,计算烟支运行方向的对应孔位置是否正确、各孔分布是否均匀,最终实现烟支端激光打孔位置次品双倍烟支的移步剔除计算与研究。该装置可在线实时检查烟支端打孔情况,例如漏打或多打、错打、打孔间距不均匀等问题,间接保障纸通风、总通风,满
3、足工艺指标,对不合格的次品烟支即检即剔。ZJ118A卷接机组是目前全国烟草行业细支烟生产应用推广的烟支生产线主要机型,性能稳定,工作效率高,故障率低。大多数厂家都在此机型安排生产中高端品牌烟支,为了降低细支烟的吸阻,提高纸通风、滤嘴通风及总通风,减少焦油等危害,新增了在线烟支端、滤嘴端激光打孔装置。但是,激光打孔装置由于存在激光头污染、鼓轮风眼堵塞、拨烟轮拨烟效果不佳等现象,造成烟支出现激光打孔丢失、缺排、分布严重不均匀等问题,给成品质量带来极大的挑战。目前的生产现场只能采用操作人员随时盯守,发现问题即停机处理的方式,但这种模式仅适用于大批量问题烟产生的情形,如何实现对烟支在线打孔即检即剔是亟
4、待解决的问题。同时,“中空”特殊滤*红云红河烟草(集团)有限责任公司科技项目(HYHH2021GY01)。【作者简介】李华文,男,江西宜春人,任职于红云红河烟草(集团)有限责任公司,工程师,研究方向:烟草工业自动化;卢洪林,男,云南文山人,任职于红云红河烟草(集团)有限责任公司,工程师,研究方向:设备管理;赵宇,男,云南大理人,任职于红云红河烟草(集团)有限责任公司,工程师,研究方向:设备管理;严涛,男,云南昆明人,任职于红云红河烟草(集团)有限责任公司,工程师,研究方向:设备管理。【引用本文】李华文,卢洪林,赵宇,等.ZJ118A在线激光打孔烟支综合质量检测装置的设计 J.企业科技与发展,2
5、023(8):17-21.ZJ118A在线激光打孔烟支综合质量检测装置的设计*李华文,卢洪林,赵宇,严涛红云红河烟草(集团)有限责任公司,云南昆明650231摘要:文章针对卷烟工厂在线激光打孔烟支生产中对打孔质量的检测需求,运用烟支燃烧端、滤嘴端激光打孔检测算法和滤嘴端面的几何形态检测识别方法,设计控制系统和图像采集模组,研发ZJ118A烟支激光打孔质量在线检测系统,实现在生产中对每支烟支进行实时打孔质量及中空滤嘴检测,在线同步剔除缺陷烟支,统计缺陷类型及缺陷概率等功能,保障激光打孔烟支的综合质量。关键词:ZJ118A;在线激光打孔;质量检测;装置设计中图分类号:TN249;TS43文献标识码
6、:A文章编号:1674-0688(2023)08-0017-05企业科技创新李华文,卢洪林,赵宇,等.ZJ118A在线激光打孔烟支综合质量检测装置的设计17嘴在实际生产过程会出现烟支缺嘴、滤嘴少“中空”、絮状物填充“中空”部分、滤嘴切割错位无“中空”等现象,原机只采用1支光电管检测滤嘴的有无,无法解决“中空”滤嘴引发的一系列质量隐患。基于上述问题,本文针对卷烟工厂在线激光打孔烟支生产中对打孔质量的切实需求,研发激光打孔质量在线检测系统,实现在生产中对每支烟支进行实时打孔质量检测,即时判断烟支打孔出现的问题及中空滤嘴缺陷的发生,在线同步剔除缺陷烟支、统计缺陷类型及缺陷概率,保障打孔烟支的综合质量
7、。1激光孔的软件算法1.1激光孔图像的畸变和矫正激光孔图像的畸变主要有2种:径向畸变和切向畸变。1.1.1激光孔径向畸变径向畸变正中心位置的畸变最小,随着半径的增大,畸变增大。激光孔径向畸变可以分为枕形畸变和桶形畸变(如图1所示)。dr桶形畸变图像枕形畸变图像正常图像图1径向畸变示意图激光孔径向畸变矫正公式如下(泰勒级数展开式前3项):xdr=x(1+k1r2+k2r4+k3r6)ydr=y(1+k1r2+k2r4+k3r6)(1)其中:k是径向畸变系数;r是半径;(x,y)是理想坐标;xdr和ydr是畸变后的像素点坐标且r2=x2+y2。1.1.2激光孔切向畸变切向畸变在透镜与成像平面不平行
8、时就会产生,类似于透视变换(如图2所示)。dt正常图像切向畸变图像图2切向畸变示意图激光孔切向畸变的矫正公式如下:xdr=x+2p1y+p2(r2+2x2)ydr=y+2p2x+p1(r2+2y2)(2)其中,p是切向畸变系数。1.1.3激光孔畸变矫正步骤2种畸变最后都归结到5个参数:k1、k2、k3、p1、p2,知道这5个参数后即可完成畸变的矫正,矫正步骤如下:准备标定图片。标定图片需要使用标定板在不同位置、不同角度、不同姿态下拍摄,最少需要3张,以1020张为宜。标定板是黑白相间的矩形构成的棋盘图,制作精度要求较高。用标定板得到相机内参。根据相机内参得到畸变映射参数。根据映射图像校正畸变图
9、像。1.2烟支燃烧端、滤嘴端激光打孔检测算法通过霍夫圆变化得到激光打孔的外接圆,确定打孔数量。笛卡尔坐标系中圆的方程如下:(x-a)2+(y-b)2=r2(3)可以得到:a=x-rcosb=y-rsin(4)其中:(a,b)是圆心。对图像中所有的点进行上述操作。如果2个不同点进行上述操作后得到的曲线在空间 a-b-r 相交,即它们有一组公共的(a,b,r),意味着它们在同一个圆上。越多曲线交于一点,意味着这个交点表示的圆由更多的点组成。可以设置一个阈值决定多少条曲线交于一点即检测到了一个圆。如果交于一点的曲线的数量超过了阈值,那么可以认为这个交点所代表的参数(a,b,r)在原图像中为一个圆。使
10、用Canny边缘检测算子得到烟支端面的边缘直线,再通过得到的圆心位置计算圆心距及各圆心到烟支端面的距离。Canny算法的步骤如下。一是利用高斯滤波对图像进行平滑处理。二是利用一阶偏导算子找到图像灰度沿着水平方向Gx和垂直方向Gy的偏导数,并按公式(5)和公式(6)求出梯度的幅值和方位。G=G2x+G2y(5)=arctan(GyGx)(6)三是对梯度幅值进行非极大值抑制,即找到局部梯度最大值。四是用双阈值算法检测和链接边缘。假设激光企业科技与发展,2023年,第8期,总第502期18打孔外接圆圆心的坐标为A(x1,y1)、B(x2,y2),圆心之间的距离|AB|可以通过公式(7)计算。|AB|
11、=(x1-x2)2+(y1-y2)2(7)假设烟支端面的直线方程为y=kx+b,圆心坐标为(x0,y0),圆心到直线的距离d可以通过公式(8)计算。d=|kx0-y0+b|1+k2(8)1.3滤嘴端面的几何形态检测识别端部图像采集采用同轴打光搭配无相差的远心镜头和高帧率相机构成,以便在最小的按组行空间采集到最佳的端部图像。1.3.1中空絮状物异常对采集到的滤棒端面图像去除噪声。去噪方式选用中值滤波法,采用33的滤波窗口,以尽可能地保存图像的细节信息。滤棒图像中的背景部分存在略微明显的白色噪点,采用中值滤波可以取得较好的抑制效果。通过计算中空滤棒外圆的外接圆、内圆的内接圆以及2个圆的圆心距判定是
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