高精度颜色检测技术在包装质量检测中的研究与应用

张军

(陕西中烟宝鸡卷烟厂卷包车间，陕西 宝鸡 721013)

1 绪论

1.1 研究背景

（1）包装的重要性。卷烟包装材料是将烟支包装成盒装、条装、箱装卷烟的材料，由于是产品的外包装，其图案、颜色等因素会给消费者留下非常重要的第一印象，所以，必须对包装材料的质量严格把关，以保证卷烟外观质量的稳定性。

（2）GD 系列包装机存在的问题。我厂目前在用的包装机均为意大利GD 公司设计、上海烟机厂制造的GD 系列包装机组，具有设计合理、控制稳定、工作可靠等优点。但是，在实际生产过程中，也会偶然出现一些商标纸、内框纸等包装质量问题。由于这些包装材料是产品的外包装，会给消费者留下非常重要的第一印象，如果出现缺陷，将会严重影响企业、品牌形象。

1.2 设计方案

针对包装质量缺陷，设备原机自带以及技术改造加装了很多相应的检测器，其中有一类是利用光电传感器对包装材料的颜色进行检测来实现区分合格与缺陷的目的。受机型生产年代、检测器发展、材料颜色等因素制约，特别是对于颜色接近、反光强烈的材料，目前，设备在用的光电式颜色传感器精度已不能满足产品质量的要求，造成缺陷烟包流入市场。

因此，采用更高精度的颜色检测技术解决原有光电传感器精度低、误差大的局限，能够准确区分包装材料颜色差异，并通过控制系统将缺陷烟包准确剔除已成为当务之急。

2 系统整体方案

2.1 设计思路

我厂目前在用的GD 系列包装机的颜色传感器主要利用生产过程中商标纸、内框纸等缺失或破损后会露出内框纸或铝箔纸甚至烟支的特点，采用光电颜色传感器作为检测元件对商标纸、内框纸及铝箔纸的颜色差异进行检测，达到识别缺陷的目的。但是，由于传统的颜色传感器受单色光波的限制，光谱波长单一，仅能检测出光强度的差异；而同色系的颜色只有很小的明暗差，光强度几乎没有差别，例如好猫（猴王磨砂）的商标纸、内框纸、铝箔纸，多个牌号的内框纸和铝箔纸均为金色（如图1），而且表面光滑、反光强烈，在用的颜色传感器根本无法精确区分它们之间颜色的差别。因此，本项目选择的传感器必须是高精度的颜色传感器，能够精确识别各种颜色之间的差异。

本项目运用高精度颜色检测技术来解决GD 系列包装机存在的商标纸、内框纸破损、丢失等质量缺陷，并由可编程控制器（PLC）进行数据处理后将缺陷烟包准确剔除。分为检测系统构建、传感器等部件选型、程序设计、安装调试等四步开展研究设计。核心内容是采用精确识别各种颜色差异的高精度颜色传感器，达到准确识别缺陷的目的。

光电颜色传感器已经广泛应用于包装、装配等自动化设备中。烟草行业也大量使用光电颜色传感器进行生产在线监控。比如我们常见的KEYENCE 系列、SICK 系列、OMRON 系列光电传感器等。这类传感器由于光谱波长单一，仅能依靠光强度差别进行分析对比，检测一种或两种颜色，并且对于特别接近的颜色区分效果不佳。

2.2 任务目标

此次的课程设计题目是设计一个ZB47 商标纸质量检测器，为了解决一种烟包正面商标纸缺陷所导致的缺陷烟包流入市场的问题。该系统需要实现下述功能：在设备生产运行时，检测器能够准确识别有缺陷的烟包与正常烟包的差异。检测到缺陷的烟包时，在剔除缺陷产品的位置将其剔除，并记录下次品数量。

2.3 系统方案选择

本设计控制原理为：设备运行后，检测器将检测到的信号和正常的烟包数据进行比对，输出信号经过A/D 模块转换后将信号输入可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器将信号进行处理，对不正常的烟包输出剔除使能信号控制剔除电磁阀将缺陷烟包剔除以达到检测目的，同时，将剔除数据发送至计数器进行统计。

图1 内框纸和铝箔纸

3 系统硬件设计

3.1 硬件选择与元器件介绍

（1）PLC 型号的选择。由于ZB47 包装机组原机控制系统是不对外开放的，无法写入控制程序；因此，就需增加可编程控制器，引进原机编码器和相关封锁信号以及原机剔除信号等。而ZB47 包装机组加装的综合检测系统具备开放的可编程控制器、人机界面、编码器等硬件，软件控制程序可以编制写入，只需增加相应的检测器、安装支架等，编写相应软件，技术难度、成本、周期都能适当减小。因此，我们选择综合检测系统PLC 作为此次设计的可编程序控制器，型号为OMRON CJ1W-PA202。

（2）检测方式的选择。在对比出现质量问题的烟包与正常烟包的外观可知，次烟包的正面商标纸部分缺失，但是，透明纸完好无损。烟盒主要分为商标纸、内框纸和铝箔纸。缺陷烟包商标纸缺失后露出内框纸和铝箔纸，采用光电传感器作为检测元件对商标纸、内框纸及铝箔纸的颜色差异进行检测，能够达到识别缺陷的目的。但目前所用的传感器性能精度不够，需要寻找精度更高的传感器作为检测元件，实现精确检测的目的。

（3）传感器型号的确定。通过查找大量的技术资料，对比多种传感器的性能特点、参数以及应用领域，最终选择一款采用“白色LED”光源检测距离为30 ～500mm 的光电传感器（型号LR-W500C），与只使用红色LED 光源的传感器不同，LR-W500C 使用白色LED（如图2）和全色光谱，可以可靠且稳定地区分更大范围的目标物。

图2 LED 传感器波长范围

通过以上对光电传感器的应用和投光波长范围分析，最终选用“白色LED”光电传感器LR-W500C 作为YB517 商标纸检测器的检测元件。

3.2 设计安装支架

（1）设计底座及固定轴，确定安装位置。

（2）设计传感器安装背板、夹块，确定轴加持固定方式。使检测器安装角度可以灵活调整。

4 软件设计

4.1 主控制程序（图3）

4.2 移位寄存器程序（图4）

4.3 剔除程序（图5）

4.4 人机界面设计

图3

图4

图5

检测器命名为517 商标纸检测，当出现缺陷烟包时，显示屏界面上显示“517 商标纸”故障，并应在“故障统计”页面的“517 商标纸检测”项增加数量。在触摸屏上“设定开关”页面，可以对该检测功能进行开启和关闭。

5 系统调试

5.1 PLC 测试

程序编写后，使用编程工具把程序写入PLC 中，用实验室的开关板与试验台输出指示灯模拟输入信号和输出信号，进行程序的初步调试。

5.2 检测器测试

首先，将LR-W500C 传感器外接直流电源进行静态测试，参数调整设置后，对好猫（猴王磨砂）商标纸、内框纸、铝箔纸三者分别进行检测。其中，商标纸的检测数据范围是910-990、内框纸的检测数据范围是305-420、铝箔纸的检测数据范围是95-200。

在ZB47 YB517 小包机成型轮前第三包烟工位上方安装传感器。调整后运行设备，利用商标纸正面缺失缺陷烟包进行验证，检测器检测到此类缺陷烟包后，该烟包在YB517 原机剔除器处被自动剔除。之后，又进行了多种方式的验证（包括连续多盒、间断多盒等），检测器均能准确检测出缺陷烟包并剔除。

缺陷烟包剔除同时：（1）综合检测系统显示屏“故障显示”页面上显示“517 商标纸”故障，并在“故障统计”页面的“517商标纸检测”项数量加1；（2）在触摸屏上“设定开关”页面，可以对该检测功能进行开启和关闭。

5.3 效果验证

进行为期1 个月的3 班连续点检测试，测试商标纸检测器在ZB47 机组使用的有效性和稳定性，通过测试表明，项目设计的检测器能够精确检测、剔除商标纸出现的破损、丢失等缺陷烟包，测试准确率为100%。

6 结语

本论文通过探索设计一种新型商标纸质量检测器，将高精度颜色检测技术应用于GD 系列包装机的包装材料质量检测环节，解决原有颜色光电传感器精度低、误差大的局限，能够精确检测包装质量缺陷，并利用数据处理将缺陷烟包准确剔除，该项目对保证卷烟外观质量的稳定性有着重要意义。