基于机器视觉的纸张裁切与计数系统研究

王世雄 王锐成 梅建强 柯阳 陈艳

摘要：纵观全球经济，办公行业，商业活动纸张的需求量变得十分巨大。对纸制品相关制造加工行业的要求也随即提高。切纸机是广泛用于印刷企业印前及印后的裁切设备，而切纸机中最重要的为裁切。纸张计数也是人们生活、工业生产中很常见的操作。在计算机科技高速发展的今天，绝大部分的纸张计数工作仍然采用专门的纸张计数机来完成。由于人类的视觉和体力都是有一定限度。长时间的纸制品计数对人工是很大的考验，传统的机械式纸张计数器对纸张清点也有很大的局限性，因此研制出一种高效的非接触纸张裁切和计数设备有重大意义。

关键词：机器视觉纸张裁切计数系统自动裁切机系统

一、项目实施的目的

在全球经济的持续向好发展下，办公行业发展势头强劲，商业活动的效率越来越高，纸张的需求量变得十分巨大。纸制品行业飞速迅猛的发展，对纸制品相关制造加工行业的要求也随即提高。在习近平新时代中国特色社会主义思想的指引下时代不断向前，中国制造2025和国家工业4.0政策的趋势下，金融行业和教育行业及部门等对纸张裁剪和计数装置的功能和结构将会产生新要求。

切纸机是广泛用于印刷企业印前及印后的裁切设备，用于各种纸张印刷品的加工。而切纸机中最重要的为裁切。实际上，经过装订工序的几乎每一张纸都要同切纸机接触，如果切纸机岀了故障，装订工作就得停下来。但是切纸机的作用远远不只是加速印后工作流程，裁切精度也决定着印刷厂是盈利还是亏损。裁切这道工序非常重要，因为印刷厂在待切的产品中已经投入了全部精力和财力，包括：纸、油墨、印前制版、印刷、日常开支和劳动力费用等等。

纸张计数也是人们生活、工业生产中很常见的操作。在计算机科技高速发展的今天，绝大部分的纸张计数工作仍然采用专门的纸张计数机来完成。在印刷造纸行业生产过程中，经常要对纸张或纸制品（如烟盒纸）进行计数。由于人类的视觉和体力都是有一定限度。长时间的纸制品计数对人工是很大的考验，其计数成本高、精度稳定性差。目前普遍性，计数方法是釆用机械结构，通过机械运转实现纸张计数操作（如点钞机）。这些计数装置机械结构多样、适用的产品单，同时它们需要接触计数对象，会给计数对象带来一定的损坏、影响产品的合格率。

部分印刷厂为了避免印刷品受损，使用电子称通过重量标定的方式估计纸张数目。由于受空气湿度、纸张均匀性、计量器本身精确度等诸多因素的限制，得出结果的精确度无法得到保证。因此，研制出一种高效的非接触纸张裁切和计数设备有重大意义。

二、项目实施的意义

目前国内造纸行业或者印刷行业生产中，有大量的纸张不仅需要裁剪成特定的大小，对纸张进行特定格式的裁剪是在文案工作中经常需要进行的，如装订文件资料、办公用纸等，诸如活页纸张、卡片、考试卷图册等等。对于一些较多的纸张，厚度大，现有的裁剪装置功能单一，并且不能很好地固定住纸张，容易发生偏移，裁剪时容易因为压力引起纸张起皱，导致裁剪误差。同时传统的机械式纸张计数器对纸张清点也有很大的局限性，传统的机械式纸张计数器存在难以改善的固有缺点，如：对纸张的尺寸材质有特别的要求，计数过程有噪声，速度有限，容易造成纸面磨损，计数精度不高等，这些给管理生产带来了诸多不便。因此，研制出一种高效的非接触纸张裁切和计数设备有重大意义。

三、项目研究内容和拟解决的关键问题

本课题涉及一种自动化裁切机系统，该裁切机系统可以根据目标小张纸的尺寸来调整裁切刀的裁切尺寸，便于进行大批量小张纸产品的自动化生产，并且在裁切之后的产品能够自动收集并进行清点计数。研究内容主要包括以下三方面：

（1）自动裁切机系统的整体设计。

针对当前纸张的裁切工艺特点，有针对性的对整个自动裁切机系统进行整体方案设计，并从中选出适合的方案同时根据整体设计方案对控制部分进行整体设计，对系统各个部分进行机械结构的详细设计，提出控制部分应具备的各项功能和关键部件的设计进行详细阐述;

（2）自动裁切机系统的控制设计。

控制系统采用PLC进行控制。用存贮器内的数据来代替触点，而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程为透明。PLC是专为工业控制而设计的，它具有较好的环境适应性。事实上，现代PLC的核心就是单片微处理器。所以本课题最终选择计出一种基于PLC的高精度自动裁切系统。

（3）视觉系统设计。

机器视觉中纹理图像分析的任务是用计算机技术模拟人类的视觉功能，对纹理图像建模、处理和理解。图像纹理的描述方法、纹理建模的基本理论将帮助纹理特征的提取和纹理分析技术的应用。纹理分析应用技术包括特征提取、纹理分割、纹理分类、纹理合成的。图像纹理是指图像中某些信息按照某类规律重复的特性。该特性包括纹理形状、方向等信息。纸张纹理图像检测计数图像有三大底层特征即：颜色、纹理和形状，纹理图像作为机器视觉系统的重要基础信息，在图像目标识别、跟踪和图像内容理解方面起到越来越重要的作用。纸张纹理检测计数同样是根据上述内容，提取纸张边缘特征，减少信息冗余，在纹理分割前，我们要修复纹理信息，确保纹理分割后的连续一致性。经比较我们采用纸张纹理图像检测计数。

（4）自动裁切机系统与纸张计数系统的结合使用方案。

目前纸张计数计数有接触式叠层纸计数技术（螺旋吸盘式数纸机、滚轮式纸张计数装置、光电感应纸张计数、反射波多层纸张计数）和非触式叠层纸计数技术（光电感应纸张计数、反射波多层纸张计数、）

四、总结

通过本课题最终设计出一种基于PLC的高精度自动裁切系统。在设备的起始端将大张整垛纸放在指定位置，设备就会自动将大张纸裁切成预先设置的小张纸国内外存在很多种类的裁切机，但是裁切精度普遍不高，本系统要设计的裁切机的裁切精度将达到001mm，在系统的设计上，选用了先进PLC，以及总线控制与分布式IO。为更多的功能模块、更多输入输出点的引入创造了条件，也可以進一步发挥PLC的作用该裁切机的设计完成将较大的提高裁切的效率和精度（0.0lmm），真正实现裁切的自动化，同时还彻底减轻了裁切的劳动强度，间接的提高了劳动生产效率。

课题经费来源：课题经费来源于2020年大学生创新创业国家级项目：基于机器视觉的纸张裁切与计数系统研究，（项目编号：202111798011）。