濾棒圓周精度在線實(shí)時(shí)檢測(cè)方案的研究

【摘 要】濾棒圓周精度是卷煙生產(chǎn)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，由于濾棒成型機(jī)理、設(shè)備振動(dòng)以及其他干擾等因素都會(huì)導(dǎo)致濾棒圓周精度波動(dòng)，影響卷煙的精度?，F(xiàn)有的KDF2/3濾棒成型機(jī)組是濾棒生產(chǎn)核心設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)緊湊（空間尺寸?。⑸a(chǎn)速度高（300米/分鐘），濾棒圓周精度離散控制等特點(diǎn)。本文提出了五種濾棒圓周精度在線實(shí)時(shí)檢測(cè)方案，奧美佳多組檢測(cè)器檢測(cè)方案、基恩士輪廓檢測(cè)方案、使用多組KD系列高精度測(cè)徑儀檢測(cè)方案、測(cè)量器360度旋轉(zhuǎn)測(cè)量方案和單向測(cè)量器擺動(dòng)測(cè)量方案。在廣泛分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，奧美佳四方向測(cè)徑儀方案最優(yōu)，該方案應(yīng)用激光對(duì)濾棒關(guān)鍵徑向直徑尺寸非接觸高速掃描，實(shí)現(xiàn)±0.5μm的高精度檢測(cè)，為下一步濾棒圓周精度的在線實(shí)時(shí)控制研究奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】濾棒圓周精度；在線實(shí)時(shí)檢測(cè)；檢測(cè)方案；激光測(cè)量

前言

濾棒圓周精度是卷煙生產(chǎn)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。濾棒的質(zhì)量直接關(guān)系到卷煙質(zhì)量和煙廠經(jīng)濟(jì)效益。在濾棒生產(chǎn)時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)圓周精度波動(dòng)，是減少次品，保證濾棒質(zhì)量的最可行最有效的辦法。濾棒標(biāo)準(zhǔn)圓周為24mm，直徑為7.64mm，生產(chǎn)時(shí)圓周控制在24±0.1mm。目前國(guó)內(nèi)普遍使用的KDF2/KDF3濾棒成型機(jī)是通過(guò)氣壓檢測(cè)方式檢測(cè)濾棒圓周，這種方式測(cè)量到的噴嘴內(nèi)濾棒圓周變化所引起的氣壓變化值非常微弱，檢測(cè)信號(hào)易受干擾，氣壓與圓周變化關(guān)系為非線性，再加上現(xiàn)場(chǎng)所提供的氣體壓力波動(dòng)的影響，檢測(cè)精度較低，穩(wěn)定性較差，不能滿足生產(chǎn)要求。因此研究濾棒圓周精度的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)是極為必要的。

現(xiàn)實(shí)情形是KDF2結(jié)構(gòu)緊湊，空間尺寸極為有限，這將限制測(cè)量器的安裝尺寸；要測(cè)量的濾棒是一種易變形和無(wú)規(guī)則形狀的柔性材料，前進(jìn)速度為300m/min，600m/min兩種，速度很高；濾棒的微小抖動(dòng)、設(shè)備振動(dòng)和其他干擾因素都會(huì)導(dǎo)致濾棒圓周精度波動(dòng)。要精確檢測(cè)濾棒圓周精度，就要對(duì)在線生產(chǎn)的濾條沿徑向進(jìn)行全方位掃描，這樣采集到的數(shù)據(jù)極多，數(shù)據(jù)傳輸和處理也是需要考慮的問(wèn)題。

測(cè)量器安裝空間見(jiàn)下圖，生產(chǎn)時(shí)濾條中心離右側(cè)機(jī)器壁距離為80mm，另外三側(cè)安裝尺寸無(wú)限制。測(cè)量?jī)x的總寬不能大于90mm。測(cè)量?jī)x測(cè)量中心孔到機(jī)器壁的距離控制到75mm以?xún)?nèi)。

在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如利用TPDS探測(cè)站設(shè)備對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]；利用proMtec微波測(cè)量技術(shù)在飲料加工中對(duì)密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]；利用M2110內(nèi)圓磨床實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)控20～100mm的內(nèi)孔直徑[3]；利用AOTF近紅外技術(shù)對(duì)打葉復(fù)烤均質(zhì)化生產(chǎn)進(jìn)行在線檢測(cè)[4]；利用抽水蓄能電站機(jī)組主軸密封檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)其潤(rùn)滑水模的厚度以及磨損情況[5]；在線測(cè)量系統(tǒng)在水電站，礦井，涉及到溫度，液體成分檢測(cè)等行業(yè)應(yīng)用尤為廣泛。

目前，部分濾棒成型機(jī)配有離線圓周檢測(cè)儀器。該裝置間隔一段時(shí)間自動(dòng)取出樣品進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋給設(shè)備和操作者的時(shí)間有一定的滯后性。而且取樣數(shù)量有限，不能全面真實(shí)反映在線生產(chǎn)的濾棒圓周狀況。

許多生產(chǎn)廠商對(duì)圓周檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，HAUNI公司把KDF3的測(cè)量噴嘴長(zhǎng)度縮短[6]，其檢測(cè)方式依然是氣壓檢測(cè)方式；福建龍巖卷煙廠采用成像法，通過(guò)成像技術(shù)將濾棒的端部拍攝下來(lái)，再通過(guò)圖像處理技術(shù)計(jì)算出濾棒的圓周，但在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)檢測(cè)精度不高；CCD測(cè)量法[7]對(duì)于較大尺寸被測(cè)件來(lái)說(shuō)，需要較大尺寸的CCD器件，這使得CCD測(cè)量法成本較高。另外直徑的計(jì)算需要使用圖像處理方法，算法復(fù)雜；利用超聲波測(cè)量出兩探測(cè)器與工件表面距離，便可得知被測(cè)直徑的大小。該方法測(cè)量精度較高，可達(dá)20Pm。缺點(diǎn)是儀器結(jié)構(gòu)及操作比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，不適于現(xiàn)場(chǎng)使用。

本文提出的檢測(cè)方案采用激光直徑檢測(cè)技術(shù)，對(duì)在線生產(chǎn)的濾棒進(jìn)行360度掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾棒在線生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，全面反映出在線生產(chǎn)濾棒的圓周波動(dòng)情況，能實(shí)現(xiàn)±0.5μm的高精度檢測(cè)，可減少不合格品的產(chǎn)生，為卷煙的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供有力的保障。

1 檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)的流程是利用傳感器對(duì)濾棒圓周值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理，最后PC顯示，分析多種圖形等。

傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件?；跒V棒是柔性體且高速運(yùn)行，只能選擇非接觸式傳感器；KDF2空間有限，不能使用大尺寸的傳感器；本文研究的是濾棒圓周精度在線實(shí)時(shí)檢測(cè)方案，不需要反饋控制，所以該檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。

目前企業(yè)使用的是固定濾棒，測(cè)量器旋轉(zhuǎn)的離線檢測(cè)方法，通過(guò)部分濾棒的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)判斷整體的圓周情況，這是一種粗略的估計(jì)測(cè)量。我們選取了87組濾棒樣品的離線測(cè)量數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)本身和總體判斷的角度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在線濾棒4個(gè)點(diǎn)的圓周測(cè)量值與整體值是最為接近的。這4個(gè)點(diǎn)必須相互垂直且均分，垂直點(diǎn)檢測(cè)能夠更加精確，均分能夠減小誤差。

2 方案的提出

方案一：奧美佳多組（2組或3組）檢測(cè)器在線檢測(cè)

該測(cè)量系統(tǒng)采用LGD-10XY雙方向激光測(cè)徑儀采集濾棒圓周數(shù)據(jù)，測(cè)量到的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，加濾波處理，再通過(guò)RS485輸出通訊信號(hào)，以LGD-10XYFD顯示器顯示圓周值。測(cè)量?jī)x測(cè)量中心孔到機(jī)器壁的距離控制到75mm以?xún)?nèi)。

激光測(cè)徑儀測(cè)量原理是由半導(dǎo)體激光發(fā)出激光束，通過(guò)馬達(dá)帶動(dòng)八棱鏡高速旋轉(zhuǎn)，將激光光束掃描通過(guò)棱鏡轉(zhuǎn)換成平行光通過(guò)測(cè)試區(qū)，當(dāng)測(cè)試區(qū)有被測(cè)目標(biāo)物時(shí)，其會(huì)遮擋部分平行光，并通過(guò)接收器鏡頭在接收光元件上轉(zhuǎn)換成低電平，而沒(méi)有被測(cè)物遮擋的平行光則轉(zhuǎn)換成高電平，通過(guò)計(jì)算低電平的掃描時(shí)間，則可計(jì)算出被測(cè)物的外徑值。

方案二：基恩士（2個(gè)或3個(gè)測(cè)量頭）輪廓在線檢測(cè)

該測(cè)量系統(tǒng)采用兩個(gè)輪廓測(cè)量頭LJ-V7060（測(cè)量速度為64000輪廓/秒）進(jìn)行濾棒圓周數(shù)據(jù)采集，測(cè)量頭到被測(cè)物中心距離控制在60mm，上下兩個(gè)測(cè)量頭安裝在同一個(gè)面上。用一臺(tái)控制器LJ-V7001連接兩個(gè)測(cè)量頭，通過(guò)以太網(wǎng)輸出輪廓數(shù)據(jù)，采用IPC保存數(shù)據(jù)，以一套設(shè)定顯示軟件LJ-H2顯示輪廓圖形。

輪廓測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理是柱面物鏡將激光光束擴(kuò)大為條狀，隨后激光在目標(biāo)物上產(chǎn)生漫射。反射光在CMOS上成像，通過(guò)檢測(cè)位置形狀的變化來(lái)測(cè)量位移和形狀。

我們對(duì)這個(gè)方案很感興趣，親自找了相關(guān)設(shè)備搭建了臨時(shí)測(cè)量平臺(tái)，對(duì)30支濾棒進(jìn)行了輪廓測(cè)量，以驗(yàn)證測(cè)量?jī)x檢測(cè)濾棒圓周的速度以及準(zhǔn)確性。該測(cè)量方案只能得出測(cè)量頭到輪廓的相對(duì)高度值，每個(gè)截面共有1600個(gè)高度值（包括無(wú)效數(shù)據(jù)），我們借助擬出濾棒圓周的近似輪廓，再確定出圓心，最后計(jì)算出相應(yīng)的半徑值，可見(jiàn)其數(shù)據(jù)處理較為繁瑣。

方案三：使用多組KD80系列高精度測(cè)徑儀在線檢測(cè)

該檢測(cè)方案采用兩組基于CCD方式的KD80高精度測(cè)徑儀采集數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行3組或者極限5組的組合測(cè)量或者將測(cè)量器背靠背合攏測(cè)量，其精度可以保證。

我們仿照濾棒圓周精度的離線檢測(cè)方案提出了方案四和方案五。

方案四：測(cè)量器360度旋轉(zhuǎn)在線測(cè)量

方案五：?jiǎn)蜗驕y(cè)量器擺動(dòng)在線測(cè)量（可使用KD80系列測(cè)量?jī)x）

3 方案評(píng)述

方案一的傳感器尺寸滿足安裝空間；有現(xiàn)有的成功案例，技術(shù)成熟，可靠性高；但是需要通過(guò)試驗(yàn)尋找濾棒抖動(dòng)的敏感方向，才能確定安裝位置和測(cè)量方向；采集的數(shù)據(jù)量偏少，只有兩個(gè)方向上的尺寸，其測(cè)量結(jié)果也無(wú)法真實(shí)準(zhǔn)確的反映在線濾棒的圓周尺寸。

方案二傳感器尺寸不滿足安裝空間；測(cè)量點(diǎn)數(shù)多，2個(gè)測(cè)量頭能測(cè)量出240度左右的范圍，在兩個(gè)測(cè)量面的接合處存在測(cè)不到的數(shù)據(jù)，其精度會(huì)有所降低；我們使用基恩士公司的輪廓測(cè)量?jī)x對(duì)濾棒樣品進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)量非常大，其存儲(chǔ)和傳輸有一定困難而且后期的數(shù)據(jù)目前沒(méi)有方法進(jìn)行處理得到濾棒的圓周值；測(cè)量器造價(jià)太高不利于推廣。

方案三測(cè)量器尺寸較小，滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝條件；價(jià)格3萬(wàn)元一組，成本不算太高；可以進(jìn)行2組、3組或者極限5組的組合測(cè)量，這樣采集的數(shù)據(jù)更多，測(cè)量精度會(huì)有相應(yīng)提高。

方案四旋轉(zhuǎn)臺(tái)，傳感器尺寸滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝條件；旋轉(zhuǎn)測(cè)量器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理是個(gè)難題，目前尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)；需要設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、測(cè)試動(dòng)靜平衡、對(duì)于其長(zhǎng)期運(yùn)行的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性沒(méi)有把握。

方案五由于設(shè)備空間位置的限制，測(cè)量器擺動(dòng)角度較小，無(wú)法測(cè)量整個(gè)濾棒截面，只能測(cè)量部分區(qū)域，同一截面只能測(cè)量一組直徑值，精度較低；測(cè)量器運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，有回轉(zhuǎn)、有沖擊，需要測(cè)量器擺動(dòng)角度，可能會(huì)與機(jī)器壁產(chǎn)生碰撞；存在動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的問(wèn)題，長(zhǎng)期使用后的檢測(cè)精度、維護(hù)、校準(zhǔn)等問(wèn)題無(wú)法保證。

4 結(jié)論

通過(guò)調(diào)研分析以及一些驗(yàn)證試驗(yàn)，我們?cè)趭W美佳單向測(cè)試方案的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了一種四方向測(cè)徑儀且測(cè)量鏡頭在同一平面，這與我們所要求的4個(gè)測(cè)量點(diǎn)（15?、60?、105?、150?）相吻合，4個(gè)激光頭每秒一共可采集到25個(gè)數(shù)據(jù)，可滿足檢測(cè)精度。其優(yōu)點(diǎn)是：擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、價(jià)格不高可以推廣應(yīng)用。該檢測(cè)方法的研究為下一步濾棒圓周精度的在線實(shí)時(shí)控制研究奠定了基礎(chǔ)，也對(duì)其他柔軟材料的非接觸幾何尺寸測(cè)量具有借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：

杜文奎；本科，云南中煙紅云紅河煙草集團(tuán)曲靖卷煙廠，助理工程師。

（作者單位：云南中煙紅云紅河煙草集團(tuán)曲靖卷煙廠）