卷筒包装材料跑偏问题的研究

卷筒包装材料跑偏问题的研究

随着人们对包装质量要求的提高，包装生产线的在线检验和控制自动化程度得到了提高。卷筒包装材料在供送过程中,因为卷筒半径不断的减小引起材料供送的速度和张力发生变化,可能导致包装材料的跑偏,影响包装材料的供送质量、包装制品的成型和封合质量。传统的跑偏检测多采用光电传感技术检测包装材料上的色标,这种检测方式在检测过程中存在信号盲区现象,检测准确性不高。本文提出基于图像处理的卷筒包装材料质量检测与纠偏控制,通过CCD图像传感器分别获取合格单元的图像和包装线上的材料图像,利用图像识别方法进行分析,从而达到检测精确跑偏量的目的,实现跑偏的自动纠正。1图像采集模块本系统主要由图像获取与图像处理、纠偏2部分组成,系统原理见图1。计算机图像处理部分主要包括图像处理软件、CCD图像传感器管理软件与计算机;纠偏部分由驱动单元和步进电机、纠偏辊组成。图像采集是在图1中位置A处进行,通过CCD摄像头从该处摄取待检测材料的图像,送计算机进行分析处理。根据图像处理获得的偏差量,输出相应的控制信号,驱动执行机构实现跑偏的自动纠正。2图像采集和偏移信号研究2.1图像采集和处理对于运动物体的拍照就是需要在一个很短的时间内判断运动物体的位置并完成瞬间图像的捕获,只有捕获了所需要的瞬间位置的清晰图像,才能有效进行视觉检测。包装生产线上的图像获取,是由摄像机和图像采集卡共同完成的。在此可以选用采用三棱镜分光技术的分辨率为2K的线阵CCD摄像机和CORECOIMAGE公司的Viper-Digital图像采集卡。CCD摄像机把经过印刷的包装材料图像转换成视频信号,通过图像采集卡输入计算机,并将采集到的光强度值量化为0~255级,从而得到目标的256级灰度级数字图像。在获取包装材料的图像时,为了便于处理,要保证一幅图像里只包含一个完整的包装单元。这样,每当一个单元被传送到图1中A处时,应给出一个同步信号,通知计算机启动图像采集和处理。但实际采集的图像并不是像图2a这么标准,大多数情况下会出现图2b所示与中心位置的图像发生了错位。由于目标偏出视场,这就需要把摄像区扩大,以使目标不会偏出,但也不能过分扩大,以免一幅图像中包含两个完整单元。另外,为了便于后续的处理有必要对图像进行去噪、平滑等处理,在此不做过多的介绍。2.2其他方法检测目前常采用的图像倾斜检测方法主要有基于投影的方法、基于HOUGH变换的方法、基于交叉相关性的方法、基于Fourier变换的方法和K-最近邻簇方法等,以上这些方法对一般文档图像的倾斜角检测比较有效。对表面印刷丰富的卷筒包装材料图像来说,不但不能正确检测出图像倾斜度,并且存在计算量大或者计算复杂等缺点,这与纠偏控制的实时性要求不相适应。为了便于检测由包装材料跑偏而造成的图像倾斜度,本系统借助印刷的色标,采用色标边缘直线法来完成倾斜角的检测。2.2.1通过印刷的卷筒包装材料,设获得灰度图像的宽度为w,高度为h,像素点(x,y)的灰度值记为p(x,y),则灰度图像可表示为:对于经过印刷的卷筒包装材料,见图3a为标准图像,两块色标的下边缘直线为水平线y=b,对于图3b,如果能分别得到色块A和B的下边缘的一点,分别为(xa,ya)和(xb,yb),则图像的倾斜角度即可得到包装材料的跑偏量。所以如何快速求解色块A,B下边缘直线成为问题的关键。2.2.2下边缘点提取对于卷筒包装材料的色标一般为下边缘低于印刷图案的方形黑色色块,如果在整幅图像上从下部开始逐点寻找,运算量较大。在不影响寻找边缘点的前提下,将搜索区域定义为:A1={(x,y)|0≤x≤w/5,4h/5≤y≤h}和B1={(x,y)|4w/5≤x<w,4h/5≤y<h}对于色标的边缘来说,在每列上只有一个下边缘点。下面以第j列(0≤j≤w/5或4w/5≤j<w)为例探讨下边缘点提取方法。对区域A1由x=0开始寻找,从图像边缘y=h-1开始到y=4h/5寻找满足p(j,i)>T(T为经验阈值)的第一个点(j,i),此像素点即为下边缘点。在找到一组下边缘点后(x增大到一定程度),会出现找不到满足条件的边缘点的列(色标A的所有下边缘都已经找到),A1区域寻找结束。对区域B1从x=w-1开始寻找,方法和区域A1相同。设区域A1上寻找的下边缘点为Pi,区域B1上寻找的下边缘点为Qi,由于印刷质量、运动图像拍摄、灰度化等过程对色标边缘的影响,可采用加权平均方式分别求取两色标的下边缘中间点的坐标值,即:式中:p,q分别为A1,B1区域内下边缘点(坐标)的加权平均值;N,M分别为搜索到的A1,B1区域内下边缘点;Ai,Bi分别为A1,B1区域内下边缘点的权,权值的选取可采用中间往两边逐渐减小的原则。2.3纠偏辊偏移量q根据以上处理方法得到的下边缘直线,可以计算出当色标通过纠偏辊时的偏移量,即跑偏量ΔS为:式中:ΔS为跑偏量,L为纠偏辊到右色标块的距离,y0为标准图像中色标下边缘的纵坐标。3纠偏软件的信号输出图4为系统的控制原理图,经过图像处理得出的跑偏量如果符合系统的误差要求则不进行纠偏,如果跑偏范围超过了误差要求那么纠偏软件通过偏移控制信号输出卡给出一个适当的偏移控制信号,将其送给放大器,并通过门电路变为所需要的脉冲控制信号;再经过功率放大送至步进电机使其正转、停止或反转;步进电机轴端连接丝杆,丝杆带动固连的滚动导轨上的螺母,使滚动导轨上的纠偏辊朝跑偏的反方向移动从而达到纠偏的目的,纠偏机构的工作原理见图5,工作过程参见文献。4提高纠偏精度的分布该系统采用摄像机作为传感器,通过色标块下边缘的提取,有效地应用数字图像处理技术捕获了动