CN103206922B - 一种叶丝宽度快速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶丝宽度快速测量装置包括：工件台系统，照明系统，成像系统，控制系统以及计算机系统五部分。LED照明系统照射在叶丝承载盒上，叶丝承载盒由步进电机带动经过线阵CCD采集完成图像的采集。计算机完成图像处理工作。本发明具有结构紧凑、自动化程度高、计算精确的优点，用于香烟叶丝宽度的高精度检测中。

Description

一种叶丝宽度快速测量装置

技术领域

本发明涉及一种结构紧凑的叶丝宽度测量装置，用于在线测量、计算机视觉和工业自动化检测。属于工业自动化测量和数字图像处理领域。

背景技术

叶丝宽度是切叶丝工序的主要质量指标，我国烟草行业制丝线切叶丝工序的叶丝宽度范围是0.7～1.1mm，允差是±0.1mm。叶丝宽度对卷烟的物理指标和感官质量都有一定程度的影响：在烟片切丝过程中，随着切丝宽度的增加，叶片的出丝率相应的有所提高，灰损率下降；但叶丝过宽时，卷制的香烟容易空头，燃烧性较差，烟支引燃速度较慢；在叶中含梗率较高的条件下，随着叶丝宽度的增加，叶丝中的含杂量升高，对卷烟质量不利。

烟支燃吸时，烟气焦油释放量不仅与烟草原料化学成分与品种有关，而且与叶丝的物理特性如叶丝宽度、长度等有关。

因此，如何快速高效测量叶丝宽度，并指导切丝机的调整，成为保障切丝质量的关键手段之一。

目前，常规的测量方式是采用投影仪，由工人逐根分段测量，此方法中需测叶丝数量多、形状不规则，对测量员而言劳动强度大，速度慢，测试结果稳定性差。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种叶丝宽度快速测量装置，具有结构紧凑、测量快速和测量精准的优点。

本发明采用的技术方案如下：一种叶丝宽度快速测量装置，包括：成像系统101、照明系统102、工件台系统103、控制系统104和计算机105；其中：

成像系统101用于采集叶丝图像，它包括线阵CCD相机201和CCD镜头202；线阵CCD相机201的像元尺寸为4μm×4μm，采用后口径为25mm螺纹接口与镜头连接，CCD镜头202选用缩小的0.4×倍率；

照明系统102为成像系统101提供高均匀度、高亮度的线光源；由高亮度LED阵列205、聚光棒203、散热器和风扇204组成，LED阵列205所发光被聚光棒203汇聚成线光源，投射在工件台系统103中的叶丝承载盒305上；在此过程中产生的热量，经过散热器和风扇204导出；照明系统102固定在叶丝宽度快速测量装置的支架上1061，从侧面进行照明；

工件台系统103由叶丝承载盒305、叶丝承载盒底座304、传动电机303、滚轴丝杠306、滑轨302、光栅尺读数头301、光栅尺307和光电开关308组成；叶丝承载盒305固定在叶丝盒底座306上，传动电机303转动通过滚轴丝杠306将圆周运动转换为直线运动带动叶丝承载盒底座304沿着滑轨302做一维运动；光栅尺307的刻度粘贴在叶丝承载盒底座304侧面，光栅读数头301固定在叶丝承载盒底座旁的底板1081上；光栅尺和光栅读数头307和301对叶丝承载盒305、叶丝承载盒底座304的位置进行反馈；在叶丝承载盒底座下方固定有光电开关308，光电开关可限制叶丝承载盒底座306的行程;

控制系统(104)用于在功能上连接成像系统101、工件台系统103和计算机105，在各系统之间起到桥梁作用，协调各个系统进行有序工作，包括MCU主控制器1041、光栅尺读数模块1042、CPLD计数模块1043、相机触发模块1044、电机驱动模块1045、光电开关复位模块1046、串口通信模块1047、图像采集模块1048以及图像传输模块1049；

控制系统104内部数据交换存在于CPLD计数模块1043和MCU主控制器1041。MCU主控制器1041向CPLD发送查询CPLD计数模块1043当前计数值的信号，CPLD计数模块1043向MCU主控制器1041发送当前计数值；

控制系统104与工件台系统103之间为双向通信1072，当光栅读数头301和光栅尺307发生相对位移时，光栅尺读数模块1042向CPLD计数模块1043以脉冲形式发送信号，报告当前叶丝承载盒305位置；MCU主控制器1041向电机驱动模块1045发送脉冲信号驱动传动电机303工作；在叶丝承载盒底座306移动过程中碰触到固定在其下方的光电开关308时，光电开关复位模块1046向MCU主控制器1041发送复位信号，MCU主控制器1041对复位信号进行响应；

控制系统104与成像系统101之间为双向通信1073，当CPLD计数模块1043内的计数值达到预定值后，控制系统104向成像系统101发送采集图像的命令，即CPLD计数模块1043像相机触发模块1044发送启动CCD相机201采集图像的命令；CCD相机201采集图像后成像系统101向控制系统104传输图像数据，即图像采集模块1048向MCU主控制器1041传输图像数据；

控制系统104与计算机105之间为双向通行1074，当计算机105控制工件台系统103的运动、停止时，需要向控制系统(104)发送串口命令，即串口通信模块1047向MCU主控制器1041发送启动、正向扫描、反向扫描和停止等命令；控制系统104接收到来自于计算机105的串口命令后需要返回相应的串口数据供计算机105验证串口命令发送正确与否，即MCU主控制器1041向串口通信模块1047发送串口命令；控制系统104需要将来自于成像系统101的图像数据传输传送到计算机105中进行处理，即MCU主控制器1041向图像传输模块1049发送图像数据；

计算机器105接收控制系统104传来的图像，并进行图像处理，从而得到叶丝宽度。

所述叶丝承载盒305包括：上盖401、玻璃402、顶块403、基座404、磁铁405、弹簧406和叶丝盒底板407；其中上盖401位于最顶端，上盖中央部位为镂空结构，镂空部位用玻璃402填补。顶块403位于玻璃402和上盖401下方，顶块403通过弹簧406与叶丝盒底板407连接。在叶丝盒底板407上固定了磁铁405，磁铁405用于吸附上盖401和使得上盖401和基座404可以良好的接触在一起；基座404通过螺钉与叶丝盒底板407进行牢固结合。

所述传动电机303采用步进电机。

本发明与现有的技术相比的有益效果在于：

（1）本发明中工件台系统采用传动电机、导轨丝杠、滑轨带动叶丝盒底座做一维运动，结构紧凑可靠。

（2）本发明采用高分辨率、景深大、视野宽、高灵敏度、清晰度高和低噪声的线阵CCD，其像元尺寸小4μm×4μm，像元数量多，配合缩小0.4倍的CCD镜头，使得每个图像像素代表10μm，与控制系统和计算机相配合可以达到优于0.01mm的测量精度。

（3）本发明中的叶丝承载盒设计独特，可将形状走向不规则的香烟叶丝展平压在叶丝盒顶块上，将其固定住，并且叶丝承载盒可以利用夹紧装置固定在叶丝盒底座上。

（4）本发明中采用光栅尺精确测量叶丝盒底座沿滑轨运动的距离，反馈给MCU主控制器，使其可精确控制相机信号的触发步长。保证在图像在扫描过程中不被拉伸也不被压缩。

（5）本发明可一次性快速测量多根叶丝，并利用多个测量数据准确计算出每根烟丝的平均宽度和波动性。应用这种方法能够大幅降低检测人员的工作量、提高工作效率，提升日常工艺生产中切丝质量的监控水平，增强切丝工序的质量保证能力。

附图说明

图1为本发明叶丝宽度测量装置结构示意图；

图2为本发明中照明系统结构示意图；

图3为本发明中工件台系统示意图；

图4为本发明中控制系统组成框图；

图5为本发明中叶丝承载盒结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的叶丝宽度测量装置包含了五部分：成像系统101、照明系统102、工件台系统103、控制系统104和计算机105。照明系统102将线光源投射在工件台系统103的叶丝承载盒305上，叶丝承载盒305通过工件台系统103上的传动电机303带动往复运动，此时成像系统101以一定的步长采集叶丝图像，当扫描结束后将合并为一幅二维叶丝图像。整个图像的采集是由计算机105与控制系统104进行通信完成的，最终采集的图像由计算机105进行计算得出结果。

成像系统101包括线阵CCD相机201和CCD镜头202；其中线阵CCD相机201的像元尺寸为4μm×4μm，像元数量为10550，用后口径为25mm直径的螺丝口与镜头连接，CCD镜头202选用缩小的0.4×倍率。成像系统固定在叶丝宽度测量装置的支架1061上，位于工件台系统上方。

照明系统102位于工件台系统和照明系统之间，采用斜入射的方式照明工件台，详细结构和功能将在图2中做出说明。

工件台系统103固定于叶丝宽度测量装置底板上，负责叶丝盒往复的直线运动。详细结构和功能将在图3中处进行说明。

控制系统核心为MCU主控制器1041，其他模块包括光栅尺读数模块1042、CPLD计数模块1043、相机触发模块1044、电机驱动模块1045、光电开关复位模块1046、串口通信模块1047、图像采集模块1048以及图像传输模块1049。MCU主控制器监视CPLD计数模块的值，CPLD计数模块根据光栅尺反馈的信号，当计数值达到预定值时，CPLD触发相机进行图像采集。主控制器发送脉冲驱动电机步进，在叶丝盒底座往复移动中碰到不同位置光电开关时，主控制器响应相应动作。主控制器与上位机的通信采用全双工串行通信接口RS-232。控制命令包括工件台启动扫描，正向运动，反向运动，停止等命令。

计算机105主要功能是对采集的图像进行图像处理以测量多点叶丝宽度值、平均值等特质尺寸。处理过程主要包括了“图像预处理”、“图像分割”、“图像细化”、“图像去毛刺”以及“平均宽度”和“矩阵翻转”等方法。其更为详细的过程见于“一种基于图像处理的烟丝宽度测量方法”（专利号：201210141982）。

控制系统104是以MCU为主控制器的单片机系统，以PCB板的形式固定在装置的左侧，其详细功能在图4中做详细说明。

计算机105系统主要负责运行处理叶丝图像的程序运行。图像处理的程序已经在“一种基于图像处理的烟丝宽度测量方法”（专利号：201210141982）中做了详尽表述。计算机系统利用两种接口和控制系统相连接，分别为RS-232全双工串口通信和高速USB2.0图像数据传输通路。

如图2所示，照明系统102由高亮度LED阵列205、聚光棒203、散热器和风扇204组成，LED阵列205固定在聚光棒的后方，所发光为白光，被聚光棒203汇聚成线光源，投射在工件台系统103中的叶丝承载盒305上照明叶丝；由于高亮度LED功率较大，在此过程中产生的热量，经过散热片和风扇204导出；照明系统102主要为叶丝提供高亮度均照明。

如图3所示，工件台系统103由叶丝承载盒305、叶丝承载盒底座304、传动电机303、滚轴丝杠306、滑轨302、光栅尺读数头301、光栅尺307和光电开关308；叶丝承载盒305位于工件台系统顶端，暴露于照明系统之下。叶丝盒底座306负责夹紧叶丝承载盒。传动电机303转动通过滚轴丝杠306带动叶丝承载盒底座304沿着滑轨302做匀速运动；光栅尺读数头301固定在叶丝盒底座304一侧的底板上，光栅尺307的刻度粘贴在叶丝盒底座304一侧的底板1081上；当工件台进行扫描运动时，光栅尺读数头301将记录叶丝承载盒305的精确位置，并向控制系统104进行反馈；光电开关308位于叶丝承载盒底座306下方，当叶丝承载盒306运动过程中碰触到光电开关308时，光电开关308反馈复位信号到控制系统104的MCU主控制器1041中。

如图4所示，控制系统104，包括MCU主控制器1041、光栅尺读数模块1042、CPLD计数模块1043、相机触发模块1044、电机驱动模块1045、光电开关复位模块1046、串口通信模块1047、图像采集模块1048以及图像传输模块1049。

控制系统104包括8组具有功能连接的部分。1、在控制系统104为一块PCB电路板。控制系统104内有两个可以编程的模块，分别为MCU主控制器1041和CPLD计数模块1043，其中MCU主控制器1041监视CPLD计数模块1043中的计数值，CPLD计数模块1043向MCU主控制器1041发送当前计数值。2、当光栅尺读数头301和光栅尺307发生相对位移时，光栅尺读数模块1042向CPLD计数模块1043发送反应叶丝承载盒底座304当前位置的信息。3、CPLD计数模块1043中的值与其预定值相同以后，说明叶丝承载盒底座已经移动了一段固定距离，此时CPLD计数模块1043向相机触发模块1044发送拍照命令，触发CCD相机201进行拍照动作。4、传动电机303的转动时通过MCU主控制器1041对电机驱动模块1045发送一定宽度的脉冲实现的。5、传动电机303带动叶丝盒底座304运动到一定位置时会碰触到光电开光308，此时光电开关复位模块1046向MCU主控制器1041发送复位脉冲，MCU主控制器1041做出相应的反应动作。6、CCD相机201采集图像后需要通过MCU主控制器1041进行缓存，即图像采集模块1048向MCU主控制器1041发送图像数据。7、MCU主控制器1041需要将图像数据传输到计算机105中进行处理，即MCU主控制器1041向图像传输模块1049发送图像数据。8、计算机105通过软件向控制系统104发送命令以控制传动电机303的启动、正转和反转等。因此MCU主控制器1041与串口通信模块1047之间采用全双工的串口通信。

如图5所示，叶丝承载盒305包括：上盖401、玻璃402、顶块403、基座404、磁铁405、弹簧406和叶丝盒底板407。叶丝承载盒的用于压盖叶丝的盖子是由上盖401和玻璃402组成的，玻璃嵌在上盖上。顶块403位于玻璃402和上盖401下方，顶块403通过弹簧406与叶丝盒底板407连接。在叶丝盒底板407上固定了磁铁405，磁铁405吸力将上盖401和基座404紧紧吸附在一起。基座与叶丝盒底板407之间的连接时通过螺丝紧固的。

利用上述的叶丝承载盒可将形状多变、规则不一的叶丝放置在玻璃和顶块之间，使得叶丝被牢靠固定，运动过程中不发生形变。

总之，本发明结构紧凑、使用方便、测量准确的叶丝宽度测量仪器。应用这种仪器能够大幅降低检测人员的工作量、提高工作效率，提升日常工艺生产中切丝质量的监控水平，增强切丝工序的质量保证能力，对提高切丝质量具有十分重要的意义。

Claims (3)

1.一种叶丝宽度快速测量装置，其特征在于包括：成像系统(101)、照明系统(102)、工件台系统(103)、控制系统(104)和计算机(105)；其中：

成像系统(101)用于采集叶丝图像，它包括线阵CCD相机(201)和CCD镜头(202)；线阵CCD相机(201)的像元尺寸为4μm×4μm，采用后口径为25mm螺纹接口与镜头连接，CCD镜头(202)选用缩小的0.4×倍率；

照明系统(102)为成像系统(101)提供高均匀度、高亮度的线光源；由高亮度LED阵列(205)、聚光棒(203)、散热器和风扇(204)组成，LED阵列(205)所发光被聚光棒(203)汇聚成线光源，投射在工件台系统(103)中的叶丝承载盒(305)上；在此过程中产生的热量，经过散热器和风扇(204)导出；照明系统(102)固定在叶丝宽度快速测量装置的支架上(1061)，从侧面进行照明；

工件台系统(103)由叶丝承载盒(305)、叶丝承载盒底座(304)、传动电机(303)、滚轴丝杠(306)、滑轨(302)、光栅尺读数头(301)、光栅尺(307)和光电开关(308)组成；叶丝承载盒(305)固定在叶丝承载盒底座(304)上，传动电机(303)转动通过滚轴丝杠(306)将圆周运动转换为直线运动带动叶丝承载盒底座(304)沿着滑轨(302)做一维运动；光栅尺(307)的刻度粘贴在叶丝承载盒底座(304)侧面，光栅读数头(301)固定在叶丝承载盒底座旁的底板(1081)上；光栅尺(307)和光栅读数头(301)对叶丝承载盒(305)、叶丝承载盒底座(304)的位置进行反馈；在叶丝承载盒底座下方固定有光电开关(308)，光电开关可限制叶丝承载盒底座(304)的行程；

控制系统(104)用于在功能上连接成像系统(101)、工件台系统(103)和计算机(105)，在各系统之间起到桥梁作用，协调各个系统进行有序工作，包括MCU主控制器(1041)、光栅尺读数模块(1042)、CPLD计数模块(1043)、相机触发模块(1044)、电机驱动模块(1045)、光电开关复位模块(1046)、串口通信模块(1047)、图像采集模块(1048)以及图像传输模块(1049)；

控制系统(104)内部数据交换发生在于CPLD计数模块(1043)和MCU主控制器(1041)之间；MCU主控制器(1041)向CPLD发送查询CPLD计数模块(1043)当前计数值的信号，CPLD计数模块(1043)向MCU主控制器(1041)发送当前计数值；

控制系统(104)与工件台系统(103)之间为双向通信(1074)，当光栅读数头(301)和光栅尺(307)发生相对位移时，光栅尺读数模块(1042)向CPLD计数模块(1043)以脉冲形式发送信号，报告当前叶丝承载盒(305)位置；MCU主控制器(1041)向电机驱动模块(1045)发送脉冲信号驱动传动电机(303)工作；在叶丝承载盒底座(304)移动过程中碰触到固定在其下方的光电开关(308)时，光电开关复位模块(1046)向MCU主控制器(1041)发送复位信号，MCU主控制器(1041)对复位信号进行响应；

控制系统(104)与成像系统(101)之间为双向通信(1073)，当CPLD计数模块(1043)内的计数值达到预定值后，控制系统(104)向成像系统(101)发送采集图像的命令，即CPLD计数模块(1043)向相机触发模块(1044)发送启动CCD相机(201)采集图像的命令；CCD相机(201)采集图像后，成像系统(101)向控制系统(104)传输图像数据，即图像采集模块(1048)向MCU主控制器(1041)传输图像数据；

控制系统(104)与计算机(105)之间为双向通信(1072)，当计算机(105)控制工件台系统(103)的运动、停止时，需要向控制系统(104)发送串口命令，即串口通信模块(1047)向MCU主控制器(1041)发送启动、正向扫描、反向扫描和停止命令；控制系统(104)接收到来自于计算机(105)的串口命令后需要返回相应的串口数据供计算机(105)验证串口命令发送正确与否，即MCU主控制器(1041)向串口通信模块(1047)发送串口命令；控制系统(104)需要将来自于成像系统(101)的图像数据传送到计算机(105)中进行处理，即MCU主控制器(1041)向图像传输模块(1049)发送图像数据；

计算机(105)接收控制系统(104)传来的图像，并进行图像处理，从而得到叶丝宽度。

2.根据权利要求1所述的叶丝宽度快速测量装置，其特征在于：所述叶丝承载盒(305)包括：上盖(401)、玻璃(402)、顶块(403)、基座(404)、磁铁(405)、弹簧(406)和叶丝盒底板(407)；其中上盖(401)位于最顶端，上盖中央部位为镂空结构，镂空部位用玻璃(402)填补；顶块(403)位于玻璃(402)和上盖(401)下方，顶块(403)通过弹簧(406)与叶丝盒底板(407)连接；在叶丝盒底板(407)上固定了磁铁(405)，磁铁(405)用于吸附上盖(401)和使得上盖(401)和基座(404)可以良好的接触在一起；基座(404)通过螺钉与叶丝盒底板(407)进行牢固结合。

3.根据权利要求1所述的叶丝宽度快速测量装置，其特征在于：所述传动电机(303)采用步进电机。