濾棒圓周精度在線實時檢測方案的研究

【摘 要】濾棒圓周精度是卷煙生產的一項重要性能指標，由于濾棒成型機理、設備振動以及其他干擾等因素都會導致濾棒圓周精度波動，影響卷煙的精度。現有的KDF2/3濾棒成型機組是濾棒生產核心設備，它具有結構緊湊（空間尺寸小）、生產速度高（300米/分鐘），濾棒圓周精度離散控制等特點。本文提出了五種濾棒圓周精度在線實時檢測方案，奧美佳多組檢測器檢測方案、基恩士輪廓檢測方案、使用多組KD系列高精度測徑儀檢測方案、測量器360度旋轉測量方案和單向測量器擺動測量方案。在廣泛分析和實驗驗證的基礎上，奧美佳四方向測徑儀方案最優，該方案應用激光對濾棒關鍵徑向直徑尺寸非接觸高速掃描，實現±0.5μm的高精度檢測，為下一步濾棒圓周精度的在線實時控制研究奠定了基礎。

【關鍵詞】濾棒圓周精度；在線實時檢測；檢測方案；激光測量

前言

濾棒圓周精度是卷煙生產的一項重要性能指標。濾棒的質量直接關系到卷煙質量和煙廠經濟效益。在濾棒生產時能及時發現圓周精度波動，是減少次品，保證濾棒質量的最可行最有效的辦法。濾棒標準圓周為24mm，直徑為7.64mm，生產時圓周控制在24±0.1mm。目前國內普遍使用的KDF2/KDF3濾棒成型機是通過氣壓檢測方式檢測濾棒圓周，這種方式測量到的噴嘴內濾棒圓周變化所引起的氣壓變化值非常微弱，檢測信號易受干擾，氣壓與圓周變化關系為非線性，再加上現場所提供的氣體壓力波動的影響，檢測精度較低，穩定性較差，不能滿足生產要求。因此研究濾棒圓周精度的在線實時檢測是極為必要的。

現實情形是KDF2結構緊湊，空間尺寸極為有限，這將限制測量器的安裝尺寸；要測量的濾棒是一種易變形和無規則形狀的柔性材料，前進速度為300m/min，600m/min兩種，速度很高；濾棒的微小抖動、設備振動和其他干擾因素都會導致濾棒圓周精度波動。要精確檢測濾棒圓周精度，就要對在線生產的濾條沿徑向進行全方位掃描，這樣采集到的數據極多，數據傳輸和處理也是需要考慮的問題。

測量器安裝空間見下圖，生產時濾條中心離右側機器壁距離為80mm，另外三側安裝尺寸無限制。測量儀的總寬不能大于90mm。測量儀測量中心孔到機器壁的距離控制到75mm以內。

在線實時檢測系統在很多領域都有應用。比如利用TPDS探測站設備對車輛運行狀態進行遠程實時監測[1]；利用proMtec微波測量技術在飲料加工中對密度進行實時監控[2]；利用M2110內圓磨床實時在線監控系統測控20～100mm的內孔直徑[3]；利用AOTF近紅外技術對打葉復烤均質化生產進行在線檢測[4]；利用抽水蓄能電站機組主軸密封檢測系統可實時檢測其潤滑水模的厚度以及磨損情況[5]；在線測量系統在水電站，礦井，涉及到溫度，液體成分檢測等行業應用尤為廣泛。

目前，部分濾棒成型機配有離線圓周檢測儀器。該裝置間隔一段時間自動取出樣品進行檢測，其檢測數據反饋給設備和操作者的時間有一定的滯后性。而且取樣數量有限，不能全面真實反映在線生產的濾棒圓周狀況。

許多生產廠商對圓周檢測系統進行了改進，HAUNI公司把KDF3的測量噴嘴長度縮短[6]，其檢測方式依然是氣壓檢測方式；福建龍巖卷煙廠采用成像法，通過成像技術將濾棒的端部拍攝下來，再通過圖像處理技術計算出濾棒的圓周，但在使用過程中發現檢測精度不高；CCD測量法[7]對于較大尺寸被測件來說，需要較大尺寸的CCD器件，這使得CCD測量法成本較高。另外直徑的計算需要使用圖像處理方法，算法復雜；利用超聲波測量出兩探測器與工件表面距離，便可得知被測直徑的大小。該方法測量精度較高，可達20Pm。缺點是儀器結構及操作比較復雜，價格昂貴，不適于現場使用。

本文提出的檢測方案采用激光直徑檢測技術，對在線生產的濾棒進行360度掃描，實現對濾棒在線生產過程的實時監控，全面反映出在線生產濾棒的圓周波動情況，能實現±0.5μm的高精度檢測，可減少不合格品的產生，為卷煙的優質生產提供有力的保障。

1 檢測系統的構成

該系統的流程是利用傳感器對濾棒圓周值進行數據采集，再通過數據傳輸，數據處理，最后PC顯示，分析多種圖形等。

傳感器是檢測系統的核心部件。基于濾棒是柔性體且高速運行，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時檢測方案，不需要反饋控制，所以該檢測系統是一個開環系統。

目前企業使用的是固定濾棒，測量器旋轉的離線檢測方法，通過部分濾棒的測量數據來判斷整體的圓周情況，這是一種粗略的估計測量。我們選取了87組濾棒樣品的離線測量數據，從數據本身和總體判斷的角度進行分析，發現在線濾棒4個點的圓周測量值與整體值是最為接近的。這4個點必須相互垂直且均分，垂直點檢測能夠更加精確，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）檢測器在線檢測

該測量系統采用LGD-10XY雙方向激光測徑儀采集濾棒圓周數據，測量到的數據不穩定，加濾波處理，再通過RS485輸出通訊信號，以LGD-10XYFD顯示器顯示圓周值。測量儀測量中心孔到機器壁的距離控制到75mm以內。

激光測徑儀測量原理是由半導體激光發出激光束，通過馬達帶動八棱鏡高速旋轉，將激光光束掃描通過棱鏡轉換成平行光通過測試區，當測試區有被測目標物時，其會遮擋部分平行光，并通過接收器鏡頭在接收光元件上轉換成低電平，而沒有被測物遮擋的平行光則轉換成高電平，通過計算低電平的掃描時間，則可計算出被測物的外徑值。

方案二：基恩士（2個或3個測量頭）輪廓在線檢測

該測量系統采用兩個輪廓測量頭LJ-V7060（測量速度為64000輪廓/秒）進行濾棒圓周數據采集，測量頭到被測物中心距離控制在60mm，上下兩個測量頭安裝在同一個面上。用一臺控制器LJ-V7001連接兩個測量頭，通過以太網輸出輪廓數據，采用IPC保存數據，以一套設定顯示軟件LJ-H2顯示輪廓圖形。

輪廓測量儀的測量原理是柱面物鏡將激光光束擴大為條狀，隨后激光在目標物上產生漫射。反射光在CMOS上成像，通過檢測位置形狀的變化來測量位移和形狀。

我們對這個方案很感興趣，親自找了相關設備搭建了臨時測量平臺，對30支濾棒進行了輪廓測量，以驗證測量儀檢測濾棒圓周的速度以及準確性。該測量方案只能得出測量頭到輪廓的相對高度值，每個截面共有1600個高度值（包括無效數據），我們借助擬出濾棒圓周的近似輪廓，再確定出圓心，最后計算出相應的半徑值，可見其數據處理較為繁瑣。

方案三：使用多組KD80系列高精度測徑儀在線檢測

該檢測方案采用兩組基于CCD方式的KD80高精度測徑儀采集數據，還可以進行3組或者極限5組的組合測量或者將測量器背靠背合攏測量，其精度可以保證。

我們仿照濾棒圓周精度的離線檢測方案提出了方案四和方案五。

方案四：測量器360度旋轉在線測量

方案五：單向測量器擺動在線測量（可使用KD80系列測量儀）

3 方案評述

方案一的傳感器尺寸滿足安裝空間；有現有的成功案例，技術成熟，可靠性高；但是需要通過試驗尋找濾棒抖動的敏感方向，才能確定安裝位置和測量方向；采集的數據量偏少，只有兩個方向上的尺寸，其測量結果也無法真實準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；測量點數多，2個測量頭能測量出240度左右的范圍，在兩個測量面的接合處存在測不到的數據，其精度會有所降低；我們使用基恩士公司的輪廓測量儀對濾棒樣品進行了現場測量，發現其數據量非常大，其存儲和傳輸有一定困難而且后期的數據目前沒有方法進行處理得到濾棒的圓周值；測量器造價太高不利于推廣。

方案三測量器尺寸較小，滿足現場安裝條件；價格3萬元一組，成本不算太高；可以進行2組、3組或者極限5組的組合測量，這樣采集的數據更多，測量精度會有相應提高。

方案四旋轉臺，傳感器尺寸滿足現場安裝條件；旋轉測量器的數據采集和數據處理是個難題，目前尚無經驗；需要設計傳動機構、測試動靜平衡、對于其長期運行的動態穩定性沒有把握。

方案五由于設備空間位置的限制，測量器擺動角度較小，無法測量整個濾棒截面，只能測量部分區域，同一截面只能測量一組直徑值，精度較低；測量器運動不平穩，有回轉、有沖擊，需要測量器擺動角度，可能會與機器壁產生碰撞；存在動態不穩定的問題，長期使用后的檢測精度、維護、校準等問題無法保證。

4 結論

通過調研分析以及一些驗證試驗，我們在奧美佳單向測試方案的基礎上，重新設計了一種四方向測徑儀且測量鏡頭在同一平面，這與我們所要求的4個測量點（15?、60?、105?、150?）相吻合，4個激光頭每秒一共可采集到25個數據，可滿足檢測精度。其優點是：擁有自主知識產權、價格不高可以推廣應用。該檢測方法的研究為下一步濾棒圓周精度的在線實時控制研究奠定了基礎，也對其他柔軟材料的非接觸幾何尺寸測量具有借鑒意義。

參考文獻：

[1] 王石生，桑苑秋，張治等.TPDS探測站狀態遠程在線實時監測的設計與實現.鐵路計算機應用. 2005，14（6）：16-18

[2] 趙劍峰，K.-H.Theisen.proMtec在線實時微波濃度測控儀在食品工業中的應用.現代儀器.2010，16（1）：65-67

[3] 黎帆，傅莉，和法洋.M2110型內圓磨床磨削尺寸的在線實時測控.機械工程師. 2008，（9）：3-5

[4] 鄒振民，董海平，許祥峰等.AOTAOTF近紅外光譜儀煙草在線檢測.第四屆中國在線分析儀器應用及發展國際論壇論文集.北京，2012，6：399-420

[5] 孫瑋，蘇勝威，葛軍強.抽水蓄能機組主軸密封實時在線檢測系統.水力發電.2012，38（12）：64-66

作者簡介：

杜文奎；本科，云南中煙紅云紅河煙草集團曲靖卷煙廠，助理工程師。

（作者單位：云南中煙紅云紅河煙草集團曲靖卷煙廠）