煙支卷制圓周在線檢測裝置設(shè)計(jì)與控制技術(shù)分析

崔健 王巧娟 李安琪 馮銀龍

摘要：文章研制了一種煙支卷制圓周在線檢測裝置和圓周控制技術(shù)。卷煙在實(shí)際生產(chǎn)期間，由于濾棒的圓周不穩(wěn)定，操作工人無法精準(zhǔn)掌握煙支卷制精度，導(dǎo)致卷煙的生產(chǎn)質(zhì)量受到影響，因此，有效提升濾棒圓周加工精度，是目前提升卷煙生產(chǎn)加工穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在工業(yè)技術(shù)日月新異的今天，電氣控制數(shù)字化發(fā)展已成為必然趨勢，煙支卷制圓周在線檢測裝置的技術(shù)改進(jìn)也勢在必行。

關(guān)鍵詞：煙支卷制圓周；自動(dòng)控制系統(tǒng)；在線監(jiān)測技術(shù)

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在實(shí)際生產(chǎn)期間，操作工須通過手工煙板測量或儀器測量后，旋轉(zhuǎn)煙槍大蓋板調(diào)整圓周的大小，此流程存在如下幾個(gè)問題。（1）調(diào)整控制滯后。煙條作為煙支圓周煙槍大蓋板的重要環(huán)節(jié)，須通過人工檢測的方式進(jìn)行，而專業(yè)能力較強(qiáng)的操作員工在進(jìn)行調(diào)整時(shí)需要30 s左右，而30 s內(nèi)還會(huì)有許多煙支不斷地被生產(chǎn)出來，如若無法及時(shí)做出調(diào)整則會(huì)生產(chǎn)出更多不合格的煙支。（2）手工測量精度不夠。絕大部分卷煙廠并沒有給卷煙臺(tái)單獨(dú)配置測試儀器，而將需要檢測的煙支送至儀器進(jìn)行檢測所花費(fèi)的時(shí)間較長［1-2］。生產(chǎn)過程中絕大部分自檢環(huán)節(jié)都曾采用量煙板對圓周開展人工測量，而人工測量可能會(huì)受到人的感官、掌握程度及工作狀態(tài)等影響，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確及圓周在線實(shí)時(shí)監(jiān)測精度不夠的情況。（3）調(diào)整精度不夠。圓周主要通過旋轉(zhuǎn)大蓋板來進(jìn)行調(diào)整，而這項(xiàng)工作的開展十分依賴操作人員的感覺與工作經(jīng)驗(yàn)，而且在此期間需要經(jīng)過反復(fù)測試，才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測試。綜上所述，圓周與每個(gè)不同的指標(biāo)都有著十分重要的對應(yīng)關(guān)系，因此圓周在線監(jiān)測控制技術(shù)的相關(guān)研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義［3］。

1 煙支卷制圓周在線檢測控制內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

目前，煙支卷制過程圓周波動(dòng)大，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和均勻性無法得到保障；圓周沒有實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)檢測與控制，而人工檢測的精度低、效率低，無法滿足圓周在線及時(shí)調(diào)控的需求，本文擬研究開發(fā)煙支卷制圓周在線檢測技術(shù)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。煙支卷制圓周在線檢測技術(shù)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理是利用煙支圓周檢測裝置測量煙支的直徑，并將檢測數(shù)據(jù)傳送到中央控制器，處理后上傳到上位機(jī)，通過圓周控制系統(tǒng)軟件和事先設(shè)定的圓周標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，由控制器控制調(diào)節(jié)煙支圓周裝置，從而達(dá)到在線檢測和控制的目的，最終實(shí)現(xiàn)煙支圓周實(shí)時(shí)、快速、精確檢測與控制。在此過程中，仍須解決的關(guān)鍵技術(shù)有：（1）圓周在線自動(dòng)檢測技術(shù)；（2）自動(dòng)調(diào)控裝置設(shè)計(jì)；（3）過程算法模型設(shè)計(jì)。

2 卷煙圓周在線實(shí)時(shí)采集監(jiān)測技術(shù)設(shè)計(jì)

卷煙圓周在線實(shí)時(shí)監(jiān)測的方式主要以激光監(jiān)測技術(shù)為主?，F(xiàn)階段激光監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域較廣，例如激光測距、激光測速等都彰顯出激光測量的巨大用處。激光測量是一種非接觸式測量形式，在具體測量過程中并不會(huì)影響被測物體的運(yùn)動(dòng)，不但擁有測量范圍大、精度高等優(yōu)勢，而且空間分辨率也很高。

2.1 圓周在線監(jiān)測裝置構(gòu)建

2.1.1 監(jiān)測裝機(jī)激光傳感器測量原理

卷煙圓周在線監(jiān)測裝置主要由兩部分構(gòu)成：激光發(fā)射器與激光接收器。激光發(fā)射器所發(fā)射的激光通過光學(xué)系統(tǒng)形成光幕，即激光發(fā)射器所發(fā)射的激光通過透鏡處理使其變成平行光。煙條擋住光束以后，便會(huì)形成陰影圖像，最終顯示在激光接收器上。而經(jīng)過計(jì)算機(jī)電路補(bǔ)償處理后，可直接獲取煙支直徑。激光檢測裝置主要由線路與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，可通過相應(yīng)的App使其直接顯示在電腦上，從而方便工作人員進(jìn)行比對［4］。

2.1.2 光路設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置在設(shè)計(jì)過程中，研究人員須合理設(shè)計(jì)光路，確保激光光源所發(fā)出的激光束可經(jīng)過煙支到達(dá)接收端。接收端采用CCD傳感器，會(huì)自動(dòng)分析接收端所收到的信號及濾波，從而獲取煙支直徑，如圖1所示。

2.2 檢測裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

檢測系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)期間的主要作用是帶動(dòng)檢測裝置進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)測試，而需要達(dá)到180°旋轉(zhuǎn)并不是一件容易的事情，由于現(xiàn)場安裝空間小，測量機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的180°旋轉(zhuǎn)方式主要為切線傳動(dòng)，這種方式可有效減少測量設(shè)備所占據(jù)的設(shè)備側(cè)空間［5］。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通過電機(jī)或者步進(jìn)的方式利用切線傳動(dòng)原理帶動(dòng)檢測裝置旋轉(zhuǎn)，所檢測到的數(shù)據(jù)上傳至接收端進(jìn)行信號處理。

3 卷煙圓周自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

3.1 伺服控制系統(tǒng)的選用

伺服控制系統(tǒng)是一種可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)跟隨過程的反饋控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)在不同條件下，可實(shí)現(xiàn)被控制量的位移速度及加速度的反饋，而精準(zhǔn)跟蹤輸入位移是其主要作用。伺服系統(tǒng)可針對物體的具體位置、狀態(tài)及方法等被控量來調(diào)整目標(biāo)，是具有反饋閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)等部分構(gòu)成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要用來儲(chǔ)存零件加工程序，根據(jù)編碼器所反饋的信息進(jìn)行控制與運(yùn)算，并向伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送不同的控制指令。伺服驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)在接收到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)命令后，可快速平滑地調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度。

3.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置機(jī)械構(gòu)造

卷煙調(diào)控裝置主要由中央控制器發(fā)送信號進(jìn)行控制，此裝置由伺服電機(jī)、系統(tǒng)及壓板構(gòu)成。此機(jī)械部分主要根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)通過帶動(dòng)齒輪狀偏心圓柱旋轉(zhuǎn)，根據(jù)測量所收集的煙支直徑與直徑之間的偏差，通過偏心圓柱旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)壓板頂桿的上下微調(diào)，以此實(shí)現(xiàn)煙支圓周的調(diào)節(jié)。

4 圓周控制模型設(shè)計(jì)

煙支卷制圓周技術(shù)主要采用激光測量技術(shù)，可實(shí)時(shí)完成對煙支圓周的高精準(zhǔn)測量，同時(shí)，還可有效結(jié)合其他工藝，構(gòu)建多參數(shù)輸入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了煙支卷制圓周尺寸的檢測與控制功能，系統(tǒng)總體方案流程如圖2所示。

4.1 特征參數(shù)選擇

從分析煙支卷制實(shí)際生產(chǎn)工藝可得知，煙支圓周尺寸的具體控制與圓周本身有著直接關(guān)系，還與煙支各方面指標(biāo)有關(guān)。因此，為了使所構(gòu)建的模型更加精準(zhǔn)，不能只考慮煙支圓周尺寸的影響，還需要考慮這些不同特征參數(shù)的綜合影響及它們各自的影響程度。

4.2 參數(shù)一體化

特征參數(shù)的不同，通常管所對應(yīng)的量綱及量綱單位也不同，這種情況會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果受到影響。為了使不同參數(shù)之間的量綱影響降至最低，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)領(lǐng)域過程中，通常需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，而經(jīng)過歸一化后的數(shù)據(jù)可直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)分析，并以此解決不同參數(shù)之間的可比性。原始數(shù)據(jù)參數(shù)在歷經(jīng)數(shù)據(jù)歸一化處理后，不同指標(biāo)均處于同一數(shù)量級，適合進(jìn)行綜合對比評價(jià)。而且，歷經(jīng)歸一化后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的速度得到加快，輸出精度得到提升。例如，較為成熟的z-score歸一化方法。假設(shè)X=｛x1，x2…xn｝表示輸入特征參數(shù)向量，則歸一化公式為：

4.3 主成分分析

主成分分析作為一種統(tǒng)計(jì)方法，可利用正交變換使一組可能具有相關(guān)性變量的數(shù)值轉(zhuǎn)化為線性毫不相關(guān)的變量，而經(jīng)過轉(zhuǎn)換以后的變量被稱為主成分。從本質(zhì)上來看，主成分分析法是一種傳統(tǒng)降維的統(tǒng)計(jì)方式，主要依靠正交變換，將其分量相關(guān)的原隨機(jī)向量轉(zhuǎn)化為其分量不相關(guān)的向量，而在這一代數(shù)值上通常表現(xiàn)為原隨機(jī)向量的協(xié)方差陣變換成對角形陣，在幾何表現(xiàn)上可將原坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為新的正交坐標(biāo)，使之指向樣本點(diǎn)散布最開的p個(gè)正交方向，后對多維變量系統(tǒng)進(jìn)行降維處理，使其變成一個(gè)低維變量系統(tǒng)，再構(gòu)建適當(dāng)?shù)膬r(jià)值函數(shù)，進(jìn)一步將低維系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一維系統(tǒng)。

4.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常從信息處理的角度入手，抽象化人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，通過構(gòu)建某種簡單模型，按不同連接方式構(gòu)成不同的網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)算模型，主要由大量的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)構(gòu)成。而每個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)代表一種不同的函數(shù)，稱為激勵(lì)函數(shù)。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的不同連接都代表著一個(gè)通過該連接信號的加權(quán)值，即權(quán)重，這與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記憶相似。網(wǎng)絡(luò)輸出主要采用網(wǎng)絡(luò)連接方式，權(quán)重隨激勵(lì)函數(shù)的變化而變化。而網(wǎng)絡(luò)自身通常都會(huì)因?yàn)樽匀唤缒撤N算法或者函數(shù)的類似進(jìn)行表達(dá)。20世紀(jì)末期，基于誤差反向傳播算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有效地解決了多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含連接權(quán)學(xué)習(xí)問題，并在教學(xué)上給出了較為完整的推導(dǎo)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還含有錯(cuò)雜分類與多維函數(shù)映射能力，而這兩種能力解決了一部分簡單感知器無法解決的問題。從結(jié)構(gòu)上而言，BP網(wǎng)絡(luò)具有輸入層、隱藏層和輸出層；從本質(zhì)上而言，BP算法就是以網(wǎng)絡(luò)誤差平方為目標(biāo)函數(shù)、采用梯度下降法來計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的最小值。針對圓周檢測的控制實(shí)時(shí)性及精度需求，搭建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包含一個(gè)輸入層、兩個(gè)隱含層、一個(gè)輸出層，輸出層結(jié)構(gòu)采用單節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)誤差形式的定義為：

網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)采用Sigmoid函數(shù)。Sigmoid函數(shù)也叫Logistic函數(shù)，用于隱層神經(jīng)元輸出，取值范圍為（0，1），它可以將一個(gè)實(shí)數(shù)映射到（0，1）的區(qū)間，可以用來做二分類。在特征相差比較復(fù)雜或是相差不是特別大時(shí)效果比較好。

函數(shù)表達(dá)式如下：

5 結(jié)語

煙支圓周檢測在線檢測裝置其應(yīng)用價(jià)值較高，實(shí)踐證明，煙支卷制在線檢測裝置可使圓周檢測精度控制在一定范圍，同時(shí)經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可規(guī)避灰塵及運(yùn)行環(huán)境對精度的影響。另外，煙支卷制圓周自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件及平臺(tái)主要功用是接收來自中央處理單元的數(shù)據(jù)信號，并加以處理轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的圓周值后進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，且可在HMI操作界面上設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及偏差值，同時(shí)也可以以曲線形式進(jìn)行顯現(xiàn)，并可生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，以此提升煙支的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

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（編輯 王雪芬）