KDF4濾棒成型機(jī)組絲束拼接頭檢測(cè)剔除裝置的設(shè)計(jì)

張小杭，王己鋒，鐘 凌，連鐵生，黃許立，周培琛，賀志華

1.龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省龍巖市新羅區(qū)1299號(hào) 364000

2.福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，福建省廈門市集美區(qū)濱水路298號(hào) 361021

KDF4濾棒成型機(jī)組是德國(guó)HAUNI公司生產(chǎn)的濾棒生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)速度為600 m/min，具有穩(wěn)定性好、生產(chǎn)效率高、操作方便、使用安全等特點(diǎn)。但在實(shí)際生產(chǎn)中無法自動(dòng)檢測(cè)和剔除絲束拼接不合格濾棒，只能通過人工在出口通道憑經(jīng)驗(yàn)快速取出200支左右濾棒查找拼接頭，由此可能造成不合格濾棒流入下游卷接機(jī)組，出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題。近年來針對(duì)濾棒成型機(jī)組已有較多研究，倪敏等［1］采用高靈敏度光電傳感技術(shù)研制了一種紙接頭剔除檢測(cè)裝置，提高了成型機(jī)組剔除紙接頭的可靠性；傅靖剛等［2］設(shè)計(jì)了一種紅外線光電檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合濾棒高速生產(chǎn)中濾棒質(zhì)量在線檢測(cè)和不合格產(chǎn)品剔除；王盛等［3］基于線光源成像原理設(shè)計(jì)了一種濾棒長(zhǎng)度在線測(cè)量系統(tǒng)，提高了濾棒長(zhǎng)度控制精度；丁多等［4］采用伺服控制和數(shù)據(jù)信號(hào)處理技術(shù)研制了一種濾棒加香膠囊添加裝置，實(shí)現(xiàn)了加香膠囊復(fù)合濾棒的批量生產(chǎn)；曹祥薇等［5］采用凸輪滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種植珠裝置，改善了細(xì)支爆珠濾棒產(chǎn)品質(zhì)量；黃秋婷等［6］采用雙目標(biāo)規(guī)劃模型確定了最佳噴膠嘴口徑值，提高了復(fù)合濾棒加工過程中的成型質(zhì)量。但對(duì)于濾棒成型機(jī)組絲束拼接頭問題的研究則鮮見報(bào)道。為此，以KDF4濾棒成型機(jī)組為對(duì)象，采用光電傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一種絲束拼接頭在線檢測(cè)系統(tǒng)，通過檢測(cè)紅外線光源照射絲束后光輻射的變化識(shí)別拼接頭，以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)和不合格濾棒剔除，保證濾棒質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)組成

1.1 結(jié)構(gòu)組成

KDF4濾棒成型機(jī)組絲束拼接頭檢測(cè)裝置主要由傳感器、固定座、PLC控制器以及剔除裝置等部分組成。其中，傳感器是關(guān)鍵部件，其安裝位置見圖1。在生產(chǎn)過程中，絲束在輸入輥組與伸展輥組之間進(jìn)行開松伸展，開松寬度基本保持恒定，但是當(dāng)帶有拼接頭的絲束進(jìn)入開松區(qū)域后，由于被炭化的絲束拼接頭無法正常開松伸展，其開松寬度會(huì)減少到原來的30%左右，因此利用開松寬度變化即可識(shí)別出拼接頭。圖1中，W1為正常開松絲束寬度，W2為帶拼接頭的開松絲束寬度，W為一對(duì)傳感器之間的水平安裝距離，W1＞W(wǎng)＞W(wǎng)2。當(dāng)絲束拼接頭經(jīng)過傳感器且傳感器檢測(cè)到“有絲束拼接頭”信號(hào)時(shí)，將此信息發(fā)送給PLC控制器，PLC控制程序發(fā)出剔除命令，控制剔除驅(qū)動(dòng)器的高速剔除閥和剔除輪動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)絲束拼接頭的檢測(cè)和剔除。

圖1 傳感器安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation position of sensor

1.2 傳感器

紅外光電傳感器屬于光電接近開關(guān)的一種，主要利用被測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮擋或反射，由同步回路的通斷判定有無物體，適用于所有能反射光線的物體檢測(cè)。因此，紅外光電傳感器本質(zhì)上是一個(gè)光學(xué)-電子系統(tǒng)，可以將接收到的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并加以應(yīng)用。其中，常閉型漫反射光電傳感器是一種集發(fā)生器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)傳感器被遮擋時(shí)，傳感器發(fā)射的光線會(huì)反射到接收器，此時(shí)輸出端處于斷開狀態(tài)；當(dāng)被檢測(cè)物體通過，傳感器未被遮擋時(shí)，接收器無法接收到傳感器發(fā)射出的光線，此時(shí)光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。白色絲束纖維的反射率在70%左右，適合采用常閉型漫反射式紅外光電傳感器［7-9］。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，KDF4成型機(jī)組車速為600 m/min時(shí)，寬度40～70 mm，長(zhǎng)度2 mm左右的絲束拼接頭通過檢測(cè)器的時(shí)間僅為0.2 ms，因此傳感器的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于0.2 ms。經(jīng)分析對(duì)比，選用了德國(guó)SICK公司的WT160系列漫反射式紅外光電傳感器，利用絲束拼接頭寬度的明顯變化，通過對(duì)接收器的光強(qiáng)進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)絲束拼接頭的在線檢測(cè)。

1.3 固定座

如圖1所示，安裝有傳感器的固定座對(duì)稱設(shè)置，兩者相距100 mm；一對(duì)傳感器與絲束相距20 mm，且均垂直于絲束運(yùn)行方向安裝。通過調(diào)整螺釘可以橫向調(diào)節(jié)檢測(cè)器位置，調(diào)整范圍為（110 mm，0）和（-110 mm，0）。

1.4 電氣控制

如圖2所示，在輸入輥組和伸展輥組之間安裝有漫反射光電傳感器S1與S2，用于檢測(cè)是否有絲束拼接頭通過。當(dāng)且僅當(dāng)光電傳感器S1與S2均未被遮擋時(shí)，PLC控制器才判定有絲束拼接頭通過。生產(chǎn)中兩個(gè)光電傳感器S1、S2的輸出信號(hào)分別連接繼電器Ks1、Ks2，先將兩個(gè)繼電器的兩個(gè)常開觸點(diǎn)串聯(lián)到一起（實(shí)現(xiàn)S1、S2輸出信號(hào)的“與”關(guān)系），再將兩個(gè)常開觸點(diǎn)的一端接至24 V直流電壓信號(hào)端，另一端接至PLC控制器輸入端口，由PLC根據(jù)設(shè)定計(jì)算起始剔除點(diǎn)和剔除持續(xù)時(shí)間，并由其輸出端口輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥，完成剔除動(dòng)作［10］。

圖2 電氣原理圖Fig.2 Diagram of electrical principle

由于絲束拼接頭檢測(cè)點(diǎn)距離剔除閥的距離L固定不變，每支濾棒長(zhǎng)度a也不改變，所以當(dāng)絲束拼接頭運(yùn)行至剔除閥位置時(shí)將生產(chǎn)n（n=L/a為固定常數(shù)）支濾棒。刀盤切刀每旋轉(zhuǎn)一周生產(chǎn)2支濾棒，同時(shí)設(shè)備上自有的刀盤傳動(dòng)齒輪監(jiān)測(cè)傳感器B1產(chǎn)生8個(gè)脈沖信號(hào)，即每生產(chǎn)一支濾棒傳感器B1發(fā)出4個(gè)脈沖信號(hào)。因此，拼接頭從檢測(cè)點(diǎn)運(yùn)行至剔除閥時(shí)，傳感器B1共產(chǎn)生4n個(gè)脈沖信號(hào)，由此可識(shí)別出拼接頭在設(shè)備上的準(zhǔn)確位置。利用傳感器B1輸出的脈沖信號(hào)和PLC的脈沖計(jì)數(shù)功能，可設(shè)定拼接頭的準(zhǔn)確剔除時(shí)間。由于拼接頭前后的絲束均開松不全，這些濾棒也必須剔除，因此設(shè)定剔除閥動(dòng)作時(shí)間為脈沖數(shù)累計(jì)至區(qū)間（4n-20，4n+20）。試驗(yàn)測(cè)得，以拼接頭為中心的前后5支濾棒質(zhì)量未能達(dá)到工藝要求，所以設(shè)置剔除的濾棒數(shù)為10支。

如圖3所示，當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到拼接頭后，PLC開始讀取傳感器B1的脈沖信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器累計(jì)達(dá)到4n-20次時(shí)，PLC輸出端輸出高電平至剔除電磁閥，剔除動(dòng)作開始；當(dāng)計(jì)數(shù)器累計(jì)達(dá)到4n+20次時(shí)，PLC輸出端停止對(duì)傳感器B1脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)并輸出低電平信號(hào)，此時(shí)剔除電磁閥關(guān)閉，剔除動(dòng)作停止，該裝置進(jìn)入下一個(gè)檢測(cè)剔除循環(huán)。

2 應(yīng)用效果

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：醋酸絲束（單旦3.0，總旦32 000，單絲截面為“Y”型，由南通醋酸纖維有限公司提供）。

設(shè)備和儀器：KDF4濾棒成型機(jī)組（德國(guó)HAUNI公司）；QTM綜合測(cè)試臺(tái)（英國(guó)斯茹林公司）。

圖3 工作流程圖Fig.3 Diagram of workflow

方法：采用KDF4成型機(jī)組生產(chǎn)長(zhǎng)度108 mm，圓周24.10 mm，吸阻2 750 Pa濾棒，每隔5 min燙接1個(gè)拼接頭，重復(fù)10次取平均值；設(shè)定剔除濾棒為10支（以拼接頭為中心的前后5支濾棒），記錄拼接頭是否完全剔出；依據(jù)GB/T 5605—2011《醋酸纖維濾棒》［11］中的方法對(duì)剔除的每組10支濾棒進(jìn)行吸阻檢測(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，采用該裝置后絲束拼接不合格濾棒剔除準(zhǔn)確率達(dá)到100%，剔除的帶有拼接頭濾棒以及拼接頭前后濾棒的吸阻均值為2 346 Pa，都低于工藝標(biāo)準(zhǔn)范圍（2 750±245）Pa，從而有效解決了絲束拼接頭導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問題，提高了生產(chǎn)效率。

表1 絲束拼接頭不合格濾棒剔除數(shù)據(jù)Tab.1 Rejecting data of filter rods containing spliced tow ends

4 結(jié)論

針對(duì)KDF4濾棒成型機(jī)組存在絲束拼接頭等問題，利用紅外線光電傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一種絲束拼接頭檢測(cè)剔除裝置，通過檢測(cè)開松絲帶寬度的變化識(shí)別拼接頭，并通過剔除裝置自動(dòng)剔除不合格濾棒，實(shí)現(xiàn)了高速生產(chǎn)過程中絲束拼接頭的在線檢測(cè)和剔除。以KDF4濾棒成型機(jī)組生產(chǎn)的2 750 Pa規(guī)格濾棒為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：絲束拼接頭的剔除準(zhǔn)確率達(dá)到100%，剔除濾棒的吸阻均值為2 346 Pa，均低于工藝標(biāo)準(zhǔn)范圍（2 750±245）Pa。該裝置有效降低了物料損耗和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。