電子煙煙桿自動(dòng)檢測(cè)機(jī)設(shè)計(jì)

鄭榮煥 劉冠杰 吳航 全燕鳴

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電子煙煙桿自動(dòng)檢測(cè)機(jī)設(shè)計(jì)

鄭榮煥1劉冠杰1吳航2全燕鳴1

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 2.東莞保康電子科技有限公司）

針對(duì)當(dāng)前電子煙生產(chǎn)線檢測(cè)自動(dòng)化程度低的狀況，開發(fā)一套對(duì)電子煙產(chǎn)品封裝前煙桿的電流、電壓參數(shù)以及煙桿頂端的發(fā)光二極管狀態(tài)進(jìn)行批量自動(dòng)檢測(cè)的樣機(jī)。采用NI PCI-6220作為控制器，編寫LabVIEW程序，設(shè)計(jì)電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)完成電子煙煙桿的傳送和檢測(cè)。試運(yùn)行結(jié)果表明：該樣機(jī)能有效、穩(wěn)定、可靠地完成檢測(cè)功能，篩選出不合格品，可用于替代電子煙產(chǎn)品生產(chǎn)線上多工位人工作業(yè)。

電子煙；自動(dòng)檢測(cè)；NI PCI-6220；LabVIEW

0　引言

隨著公眾健康意識(shí)的增強(qiáng)，全世界控?zé)熃錈熯\(yùn)動(dòng)日益興起，世界衛(wèi)生組織和許多國(guó)家紛紛以立法等形式，限制傳統(tǒng)卷煙銷售和使用。世界反煙運(yùn)動(dòng)的興起，使一些公司看到了商機(jī)，為滿足傳統(tǒng)卷煙消費(fèi)者戒煙或追求時(shí)尚的需求，開發(fā)出許多卷煙替代品，其中電子煙最受消費(fèi)者歡迎[1]。

電子煙最早由我國(guó)的韓力在2003年申報(bào)發(fā)明專利，2004年中國(guó)如煙公司開始正式售賣電子煙，之后電子煙出口至歐美和日本等國(guó)[2]。電子煙的外形、大小與傳統(tǒng)香煙基本相同，其末端有1個(gè)紅色煙蒂，裝有紅色發(fā)光二極管。當(dāng)吸煙者吸氣時(shí)，紅色發(fā)光二極管像呼吸燈那樣發(fā)光，就像傳統(tǒng)卷煙點(diǎn)火一樣，同時(shí)還冒煙。在煙霧繚繞之中，吸煙者的感覺跟抽傳統(tǒng)卷煙一樣。中國(guó)吸煙與健康協(xié)會(huì)調(diào)查的數(shù)據(jù)表明，目前約有60家電子煙生產(chǎn)企業(yè)在中國(guó)大陸注冊(cè)登記，其生產(chǎn)基地主要集中在廣東和浙江，這2個(gè)省份的電子煙生產(chǎn)總量巨大，約占全球電子煙總產(chǎn)量的九成，大多數(shù)是為國(guó)外電子煙銷售商做貼牌生產(chǎn)。

目前由于對(duì)這類新產(chǎn)品缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，入行門檻比較低，造成電子煙行業(yè)十分混亂的現(xiàn)象。當(dāng)前市面上出售的電子煙很多是小作坊生產(chǎn)，純手工組裝，不僅生產(chǎn)效率低，而且產(chǎn)品安全隱患大。國(guó)家相關(guān)部門對(duì)此高度重視，不久將會(huì)出臺(tái)電子煙相關(guān)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范?？梢灶A(yù)見只有品質(zhì)保障、符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的電子煙才能在未來(lái)市場(chǎng)中立足站穩(wěn)。當(dāng)前生產(chǎn)企業(yè)迫切需求既能保障產(chǎn)品質(zhì)量又可降低人力依賴的電子煙自動(dòng)化組裝和檢測(cè)裝備。本文研發(fā)一套電子煙產(chǎn)品封裝前在線自動(dòng)檢測(cè)的樣機(jī)。

1　電子煙的組成及原理

電子煙主要由煙桿和煙彈組成，其中煙桿包括指示燈（發(fā)光二極管）、電池、集成控制電路和氣動(dòng)感應(yīng)開關(guān)等元器件；煙彈包括霧化器、貯液腔和吸嘴[3]，如圖1所示。

電子煙采用超臨界物理霧化原理，氣流通道位于電子煙煙桿內(nèi)部中心線位置。當(dāng)對(duì)電子煙的吸嘴吸氣時(shí)，氣動(dòng)感應(yīng)開關(guān)在抽吸的負(fù)壓作用下開啟，通過電磁感應(yīng)使集成控制電路開始運(yùn)作；頂端的紅色發(fā)光二極管像傳統(tǒng)卷煙那樣發(fā)光；煙彈中煙油先被電熱絲加熱，進(jìn)而由霧化器發(fā)出超聲波使其霧化，霧化煙油隨著氣流進(jìn)入人體口腔，達(dá)到模擬傳統(tǒng)吸煙的效果。

本文所述檢測(cè)樣機(jī)需要自動(dòng)檢測(cè)電子煙煙桿的充電電流、工作電壓、待機(jī)電壓以及煙桿頂端的發(fā)光二極管是否正常工作。

2　檢測(cè)機(jī)的結(jié)構(gòu)

檢測(cè)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考了文獻(xiàn)[4-5]的思路，樣機(jī)由上料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和分料機(jī)構(gòu)4部分組成，設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需各部分協(xié)調(diào)配合。檢測(cè)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

上料采用臥式轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，圓柱體外表面等間隔挖8個(gè)納煙槽，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)45°，就有1根電子煙桿從轉(zhuǎn)盤槽掉落至傳送平臺(tái)的槽上。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式傳送機(jī)構(gòu)的傳送平臺(tái)上設(shè)有6個(gè)槽位，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈，傳送平臺(tái)槽上的電子煙煙桿便右移1個(gè)槽位。從左至右第2~6個(gè)槽位是檢測(cè)工位，即檢測(cè)機(jī)構(gòu)有5個(gè)檢測(cè)工位。分料機(jī)構(gòu)由下料滑道、分料零件、氣缸、收料盒組成，實(shí)現(xiàn)限制煙桿下落方位、合格與不合格分路輸出和收集的功能。

檢測(cè)機(jī)構(gòu)由2部分組成：其Ⅰ測(cè)試電子煙煙桿的充電電流、工作電壓待機(jī)電壓；其Ⅱ測(cè)試發(fā)光二極管是否正常發(fā)光。檢測(cè)機(jī)構(gòu)Ⅰ由氣缸Ⅰ、氣缸推板Ⅰ、5個(gè)測(cè)試探頭（包括銅套、探針、塑膠件）組成，構(gòu)成5個(gè)檢測(cè)工位。檢測(cè)時(shí)煙桿一端的外緣與銅套接觸，中間部位與探針接觸（探針有一定彈力以保證充分接觸），塑膠件用于銅套和探針之間絕緣。銅套有接駁氣管接口的螺紋孔。檢測(cè)機(jī)構(gòu)Ⅱ由氣缸Ⅱ、氣缸推板Ⅱ組成，其中氣缸推板與煙桿的接觸部位有通孔，內(nèi)置光敏電阻，用于對(duì)煙桿發(fā)光二極管測(cè)光。此處不選用光電傳感器而用光敏電阻，是考慮光敏電阻具有反應(yīng)迅速、成本低廉、使用壽命長(zhǎng)且測(cè)試電路簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，而光電傳感器成本較高且測(cè)試電路相對(duì)復(fù)雜。

3　檢測(cè)機(jī)的硬件電路

檢測(cè)機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)采用NI PCI-6220作為控制器，該控制器有雙向數(shù)字I/O口24個(gè)，模擬輸入通道16個(gè)[6-7]。本設(shè)計(jì)使用14個(gè)數(shù)字I/O口，用于控制電機(jī)、電磁閥、繼電器動(dòng)作以及接受光電開關(guān)的信號(hào)；使用15個(gè)模擬輸入口，用于檢測(cè)電壓、電流和光。

檢測(cè)設(shè)備的各個(gè)機(jī)構(gòu)分別有對(duì)應(yīng)的硬件電路。上料機(jī)構(gòu)的控制電路如圖3所示。由于驅(qū)動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的力矩較大，故選用功率較大的RB-35CM-HA8直流電動(dòng)機(jī)，L298N雙H橋驅(qū)動(dòng)?？刂破魍ㄟ^光電開關(guān)信號(hào)控制上料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，使用NI PCI-6220的I/O口P0.3，即第47引腳來(lái)獲取光電開關(guān)的檢測(cè)信號(hào)，I/O口P0.2和P0.7分別與L298N雙H橋直流驅(qū)動(dòng)板的IN1和IN2連接，控制RB-35CM-HA8直流電動(dòng)機(jī)。

驅(qū)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)控制電路的電流相對(duì)較小，采用ULN2003A的一個(gè)通道來(lái)控制其直流電機(jī)，如圖4所示。設(shè)置了1個(gè)光電開關(guān)，傳送機(jī)構(gòu)的控制電路使用NI PCI-6220 I/O口P0.5接受光電開關(guān)的檢測(cè)信號(hào)，I/O口P0.0與ULN2003A的一個(gè)通道連接，來(lái)控制RS-455PA-17150 直流電機(jī)。

檢測(cè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中完成檢測(cè)功能。5個(gè)檢測(cè)工位的真空泵抽氣管并聯(lián)，故只需1個(gè)抽氣電磁閥。采用繼電器實(shí)現(xiàn)測(cè)試電壓和電流的工作狀態(tài)切換，由P0.4控制；1個(gè)檢測(cè)循環(huán)中檢測(cè)機(jī)構(gòu)Ⅰ和檢測(cè)機(jī)構(gòu)Ⅱ只需一組夾緊、松開動(dòng)作，故只需控制相應(yīng)電磁閥的通斷，分別由P0.6和P0.1控制相應(yīng)電磁閥的通斷。

檢測(cè)機(jī)構(gòu)I第1個(gè)檢測(cè)工位的電路原理如圖5所示，其他4個(gè)檢測(cè)工位的電路原理與之類似。

5個(gè)測(cè)試探頭的探針（即正極）分別與NI PCI-6220的模擬輸入口相連，各個(gè)銅套（即負(fù)極）與AI GND（模擬輸入口的接地端）相連，只需同時(shí)與電源共地1次。所構(gòu)成的5個(gè)數(shù)據(jù)采集通道采集電子煙工作電壓值和待機(jī)電壓值。每個(gè)光敏電阻的測(cè)光電路使用1個(gè)模擬輸入口。測(cè)電子煙充電電流時(shí)，通過1個(gè)繼電器轉(zhuǎn)換測(cè)量通道，對(duì)煙桿施加5 V的充電電壓。如果不外加電流轉(zhuǎn)換芯片，測(cè)試1個(gè)電流值需要2個(gè)模擬輸入口，5個(gè)檢測(cè)工位就需要10個(gè)模擬輸入口，加上測(cè)電壓、測(cè)光所需的10個(gè)模擬輸入口，就會(huì)出現(xiàn)模擬輸入口不夠的情況。為此，增設(shè)MAX471電流檢測(cè)模塊，將電流檢測(cè)轉(zhuǎn)換為電壓檢測(cè)，則每個(gè)工位可以減少使用1個(gè)模擬輸入口，避免了模擬輸入口不夠的情況。5個(gè)檢測(cè)工位中，MAX471模塊的AT引腳都與NI PCI-6220的1個(gè)模擬輸入口相連。

分料機(jī)構(gòu)的控制電路使用NI PCI-6220的P1.0腳，通過與ULN2003A相配合來(lái)控制電磁閥，進(jìn)而控制氣缸帶動(dòng)分料機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

4　檢測(cè)機(jī)的工作流程和運(yùn)行程序

基于LabVIEW編制檢測(cè)機(jī)軟件[8-10]，其運(yùn)行流程如下：

1) 人工將一批定向好的電子煙煙桿放入料斗，上料機(jī)構(gòu)進(jìn)入初始狀態(tài)；

2) 上料機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)4個(gè)45°角后，開始有煙桿掉到傳送平臺(tái)上（記為預(yù)備狀態(tài)，如圖6所示）；

3) 傳送機(jī)構(gòu)的電機(jī)每旋轉(zhuǎn)1圈，傳送平臺(tái)上的煙桿移動(dòng)1個(gè)槽位，與此同時(shí)上料機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)盤每旋轉(zhuǎn)45°角，就有1根煙桿掉入傳送機(jī)構(gòu)的第1個(gè)槽位；進(jìn)行5次之后，傳送平臺(tái)的6個(gè)槽位，即測(cè)試平臺(tái)的5個(gè)檢測(cè)工位都有電子煙煙桿，從此進(jìn)入正常工作期；

4) 測(cè)試機(jī)構(gòu)壓緊電子煙煙桿，進(jìn)行檢測(cè)；

5) 測(cè)試機(jī)構(gòu)松開電子煙煙桿，檢測(cè)完成；

6) 分料機(jī)構(gòu)根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)煙桿進(jìn)行分類；

7) 機(jī)構(gòu)保持運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)循環(huán)。

基于LabVIEW編制的檢測(cè)機(jī)總程序如圖7所示。

在前面板打開PRE-FEEDING開關(guān)，在總程序圖中可見FEED子VI運(yùn)行。FEED子VI即是運(yùn)行流程的1)和2)。待完成預(yù)備時(shí)，關(guān)閉PRE-FEEDING開關(guān)。在前面板打開RUN開關(guān)，在總程序圖中可見TEST ALL子VI先運(yùn)行，該子VI對(duì)所有測(cè)試工位上的電子煙煙桿進(jìn)行測(cè)試，即是流程中的4)和5)。TEST ALL子VI運(yùn)行完畢后，將測(cè)試完的5根電子煙煙桿合格與否生成一個(gè)布爾數(shù)組。接下來(lái)程序執(zhí)行一個(gè)循環(huán)5次的FOR循環(huán)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)布爾數(shù)據(jù)的5根電子煙煙桿的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判斷，合格時(shí)，P1.0 JUD子VI置為高電平，控制分料機(jī)構(gòu)氣缸的電磁閥導(dǎo)通，氣缸推出；不合格時(shí)，P1.0 JUD子VI置為低電平，控制分料機(jī)構(gòu)氣缸的電磁閥關(guān)斷，氣缸縮回。延時(shí)1000 ms保證氣缸的狀態(tài)已穩(wěn)定，之后A1子VI（使上料機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)45°）和A2子VI（使傳送機(jī)構(gòu)將電子煙煙桿移動(dòng)一個(gè)槽位）同時(shí)運(yùn)行以提高效率，傳送機(jī)構(gòu)和上料機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)配合運(yùn)動(dòng)，使測(cè)試完的樣品通過分料機(jī)構(gòu)掉入相應(yīng)的收料盒，未測(cè)試的樣品進(jìn)入測(cè)試工位。如此進(jìn)行5次之后，5個(gè)已測(cè)完的樣品分揀，進(jìn)入相應(yīng)收料盒，5個(gè)待測(cè)樣品進(jìn)入檢測(cè)平臺(tái)，即是運(yùn)行流程的6)。循環(huán)進(jìn)行以上3)~6)，即是運(yùn)行流程7)。

5　設(shè)備運(yùn)行的效果

忽略檢測(cè)機(jī)的初始到預(yù)備階段所消耗的時(shí)間，從進(jìn)入正常檢測(cè)階段起，計(jì)算檢測(cè)機(jī)的工作效率。由于分料與上料過程同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省了部分時(shí)間，并且5個(gè)工位并行測(cè)試，有效提高了設(shè)備的工作效率。

根據(jù)檢測(cè)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效果，計(jì)時(shí)結(jié)果為該機(jī)每15 s完成5根電子煙煙桿的分類出料，平均每根電子煙煙桿耗時(shí)3 s。而人工測(cè)試時(shí)，平均每根電子煙煙桿耗時(shí)4 s ~5 s。該機(jī)以每小時(shí)檢測(cè)1200根電子煙煙桿的效率，一天工作12小時(shí)，可以完成14400根電子煙煙桿的檢測(cè)，相對(duì)于工人的手動(dòng)、單根測(cè)量，在檢測(cè)的數(shù)量和質(zhì)量上有明顯的提升，這對(duì)于企業(yè)節(jié)省人力資源、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高企業(yè)的生產(chǎn)效率有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

6　結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)的電子煙煙桿自動(dòng)檢測(cè)機(jī)，結(jié)構(gòu)包括上料、傳送、檢測(cè)和分料機(jī)構(gòu)4部分，采用NI PCI-6220作為控制器，使用LabVIEW編程控制和運(yùn)行程序。多工位并行檢測(cè)和上料、分料過程同時(shí)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，有效地提高了設(shè)備的工作效率，達(dá)到每根電子煙煙桿檢測(cè)僅耗時(shí)3 s，每小時(shí)可達(dá)檢測(cè)1200根煙桿的效果，滿足了電子煙生產(chǎn)企業(yè)減少線上操作工人、產(chǎn)線自動(dòng)化升級(jí)的要求。

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The Automatic Test Instrument for Electronic Cigarette Rod

Zheng Ronghuan1Liu Guanjie1Wu Hang2Quan Yanming1

(1.Mechanical and Automobile Engineering，South China University of Technology 2.Healthcare Technology International Limited, Dongguan)

As the degree of automation in electronic cigarette testing is low, the automatic test instrument has been designed to test current, voltage of the electronic cigarette rod and whether the LED at the top of the electronic cigarette rod is working, before its last package. NI PCI-6220 is used as the controller of the automatic test instrument, write the LabVIEW program, and it will realize the feeding and testing of the electronic cigarette through designing circuit and mechanical structure. The test instrument can realize the measure function effectively, stably and reliably and sort the qualified electronic cigarette.

Electronic Cigarette; Automatic Test; NI PCI-6220; LabVIEW

鄭榮煥，男，1992年生，本科，主要研究方向：機(jī)械裝備。E-mail: zhengrh@xiaopeng.com

劉冠杰，男，1992年生，本科，主要研究方向：機(jī)械裝備。E-mail: 670773117@qq.com

吳航，男，1966年生，機(jī)電工程碩士學(xué)歷，主要研究方向：醫(yī)療檢測(cè)儀器。E-mail: stephenng@automatic.com.hk

全燕鳴，女，1957年生，機(jī)械工程博士學(xué)歷，主要研究方向：機(jī)械制造自動(dòng)化。E-mail: meymquan@scut.edu.cn