基于激光測(cè)距傳感器的真空回潮物流箱體形變檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葉飛 施旭東

摘 要：真空回潮是卷煙生產(chǎn)的一道重要工序[1]。其目的是增加煙葉溫度和含水率，使片煙松散，提高煙葉耐加工性，減輕雜氣。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，真空回潮段的物流箱體在輸送輥道運(yùn)輸過程中有托舉、轉(zhuǎn)向、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作，使箱體在長期使用過程中容易發(fā)生形變，尤其底部四角位置較為普遍。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)距;真空回潮;物流;檢測(cè)

中圖分類號(hào)：U456 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）13-0079-02

1系統(tǒng)構(gòu)建

通過對(duì)激光測(cè)距[2]、三維激光掃描、超聲波檢測(cè)等變形檢測(cè)方法的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)的分析與比較，激光測(cè)距技術(shù)在測(cè)量精度、報(bào)錯(cuò)概率、測(cè)量范圍、轉(zhuǎn)換效率等方面表現(xiàn)良好，同時(shí)具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價(jià)格低廉、使用安全等特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)采用激光測(cè)距技術(shù)。

形變是指物體受外力作用而產(chǎn)生體積或形狀的改變。這里的改變是相對(duì)于原來的體積或形狀。如果要檢測(cè)出這樣的形變就需要找到一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)[3]，這一標(biāo)準(zhǔn)也被用作計(jì)算機(jī)判讀的判據(jù)。對(duì)于形變量的檢測(cè)，本系統(tǒng)采用測(cè)距傳感器一定采樣時(shí)間內(nèi)各照射點(diǎn)連線的長度來確定。當(dāng)一個(gè)未發(fā)生形變的被測(cè)面，沿輥道平移通過測(cè)距傳感器時(shí)，其各激光照射點(diǎn)的連線為一條直線。當(dāng)部分照射點(diǎn)凸起或凹陷時(shí)，得到照射點(diǎn)的連線就是一條帶曲度的線，該曲線長度必大于標(biāo)準(zhǔn)直線長，這樣根據(jù)兩者的差值就可以設(shè)定相應(yīng)的形變標(biāo)準(zhǔn)。由此，設(shè)計(jì)的真空回潮物流箱體形變檢測(cè)系統(tǒng)由2支激光測(cè)距傳感器、1個(gè)信號(hào)采集控制器和1套控制軟件組成，檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖1所示。

2硬件搭建

由于變形箱體致卡阻情況多發(fā)生于物流輥道轉(zhuǎn)向及分片機(jī)內(nèi)箱體固定擋板升起處，所以該方案主要針對(duì)立方體型不銹鋼箱體與物流輥道接觸的四角位置形變情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體檢測(cè)平臺(tái)硬件搭建情況如俯視圖圖2所示。

在翻箱工位前豎直物流輥道兩側(cè)立式擋板上開槽分別安裝兩臺(tái)激光測(cè)距傳感器，圖上標(biāo)注了一臺(tái)傳感器安裝位置，還應(yīng)在輥道另一側(cè)對(duì)稱安裝另一臺(tái)傳感器。保證光線發(fā)射方向與輥道運(yùn)動(dòng)方向垂直，激光器架設(shè)高度以箱體受擠壓形變較明顯處參考而定，現(xiàn)以（1）角被測(cè)面形變檢測(cè)方案進(jìn)行說明。

3算法說明

首先建立一個(gè)二維的平面坐標(biāo)系，以激光器發(fā)光頭位置為坐標(biāo)的零點(diǎn)，以軌道運(yùn)行方向?yàn)閄軸正方向，以激光照射方向?yàn)閅軸正方向，如圖3所示。

理想狀態(tài)下，箱體絕對(duì)方正，筐體的對(duì)稱軸與軌道運(yùn)動(dòng)方向平行。如圖4所示，實(shí)際情況中，筐體無法絕對(duì)的正，可能存在一定角度，使筐體對(duì)稱軸與輥道運(yùn)動(dòng)方向存在一定角度，如圖5所示。

由于該檢測(cè)方法測(cè)量的是筐體表面輪廓線的客觀值，且光速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被側(cè)面輪廓線長度，所以上述兩種情況對(duì)測(cè)量結(jié)果無影響。實(shí)際測(cè)量值為角（1）被測(cè)面各照射點(diǎn)連線的長度值，當(dāng)采樣頻率較高滿足精度要求時(shí)，可認(rèn)為一定時(shí)間內(nèi)所測(cè)量連線為曲線，且長度為該被測(cè)面的幾何輪廓線長度，這樣就可以將該長度與無形變狀態(tài)下直線長度進(jìn)行比較，并將差值作為判據(jù)進(jìn)行判定。設(shè)物流輥道沿X軸運(yùn)動(dòng)方向速率恒定為v，激光器采樣頻率恒定，現(xiàn)以激光器三次采樣即三次照射情況為例說明。箱體沿物流輥道向前移動(dòng)，第一次采樣時(shí)計(jì)算機(jī)記錄下接收到反射信號(hào)的時(shí)間為t1，利用該時(shí)間可得反射點(diǎn)與原點(diǎn)的距離為s1=C×t1/2（其中C為光速2.9979m/s×108m/s，下同），該反射點(diǎn)坐標(biāo)即為E（0，s1），箱體繼續(xù)向前移動(dòng)同理可得第二個(gè)反射點(diǎn)坐標(biāo)F（0，s2）及第三個(gè)反射點(diǎn)坐標(biāo)G（0，s3），由于采樣頻率恒定，即兩次采樣間隔時(shí)長恒定，該時(shí)長為T，則該采樣時(shí)長內(nèi)箱體向前移動(dòng)距離為△，△=v×T（v為物流輥道沿X軸運(yùn)動(dòng)方向速率）。根據(jù)曲線長度計(jì)算公式可得曲線EF長度為LEF=，其中y=s2—s1/△，同理可得曲線FG長度為LFG。將兩段長度相加即可得曲線EG長度LEG=LEF+LFG。當(dāng)采樣次數(shù)增大，所得曲線長度即為一定時(shí)間間隔內(nèi)角（1）處被測(cè)表面曲線長度，當(dāng)角（1）受外力產(chǎn)生形變時(shí)該長度要大于無形變時(shí)直線長度，通過實(shí)驗(yàn)可以將該曲線長度與無形變時(shí)標(biāo)準(zhǔn)值的偏差量作為形變量判據(jù)，以此判斷角（1）處形變的嚴(yán)重情況。待角（3）通過此激光測(cè)距傳感器時(shí)可用該方法再次檢測(cè)被測(cè)面形變情況。

4軟件實(shí)現(xiàn)

工業(yè)中常用的工控PLC有三菱、AB、西門子、歐姆龍、施耐德等公司，這里我們選用西門子PLC。通過西門子S7-300/400 PLC實(shí)時(shí)獲取并記錄激光器采集數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)傳至上位軟件WinCC顯示。因?yàn)閃inCC自帶 OPC DA接口，而且WinCC OPC DA既可以做OPC DA Server，又可以做OPC DA Client。所以可以把數(shù)據(jù)通過OPC接口傳到Matlab進(jìn)行算法處理，最終得出偏差量，當(dāng)偏差量過大時(shí)可將此作為角（1）嚴(yán)重變形的依據(jù)傳至WinCC系統(tǒng)界面并發(fā)出警報(bào)，提醒操作人員或維修人員對(duì)該變形箱體進(jìn)行處理。

5總結(jié)改進(jìn)

該檢測(cè)方案為了兼顧經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和維修便捷性，只使用了單一激光測(cè)距傳感器對(duì)角（1）被測(cè)面進(jìn)行檢測(cè)，為了提升檢測(cè)準(zhǔn)確度可在后期使用列式激光傳感器對(duì)被測(cè)面進(jìn)行檢測(cè)，即在同一位置不同高度安裝激光傳感器，檢測(cè)原理仍如上文所述，所得結(jié)果更符合被測(cè)面表面輪廓形態(tài)。同時(shí)為提高檢測(cè)效率，還可在輥道左右兩側(cè)再安裝一組激光傳感器，對(duì)角（3）、角（4）進(jìn)行檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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Abstract：Vacuum resurgence is an important process in cigarette production[1].The purpose is to increase the temperature and moisture content of the tobacco leaves， loosen the tobacco leaves， improve the processing resistance of the tobacco leaves， and reduce impurities.In the actual production process， the logistics box in the vacuum regain section has lifting， turning， and flipping actions during the transportation of the conveyor roller， which makes the box prone to deformation during long-term use， especially the four corners of the bottom are more common.

Key words：laser ranging;vacuum resurgence;logistics;detection

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：葉飛（1991—），男，云南楚雄人，本科，助理工程師，研究方向：制絲工藝。