基于激光測距傳感器的真空回潮物流箱體形變檢測系統的設計

葉飛 施旭東

摘 要：真空回潮是卷煙生產的一道重要工序[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。在實際生產過程中，真空回潮段的物流箱體在輸送輥道運輸過程中有托舉、轉向、翻轉等動作，使箱體在長期使用過程中容易發生形變，尤其底部四角位置較為普遍。

關鍵詞：激光測距;真空回潮;物流;檢測

中圖分類號：U456 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）13-0079-02

1系統構建

通過對激光測距[2]、三維激光掃描、超聲波檢測等變形檢測方法的特點及優缺點的分析與比較，激光測距技術在測量精度、報錯概率、測量范圍、轉換效率等方面表現良好，同時具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格低廉、使用安全等特點，因此設計的檢測系統采用激光測距技術。

形變是指物體受外力作用而產生體積或形狀的改變。這里的改變是相對于原來的體積或形狀。如果要檢測出這樣的形變就需要找到一個參考標準[3]，這一標準也被用作計算機判讀的判據。對于形變量的檢測，本系統采用測距傳感器一定采樣時間內各照射點連線的長度來確定。當一個未發生形變的被測面，沿輥道平移通過測距傳感器時，其各激光照射點的連線為一條直線。當部分照射點凸起或凹陷時，得到照射點的連線就是一條帶曲度的線，該曲線長度必大于標準直線長，這樣根據兩者的差值就可以設定相應的形變標準。由此，設計的真空回潮物流箱體形變檢測系統由2支激光測距傳感器、1個信號采集控制器和1套控制軟件組成，檢測系統原理如圖1所示。

2硬件搭建

由于變形箱體致卡阻情況多發生于物流輥道轉向及分片機內箱體固定擋板升起處，所以該方案主要針對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行設計，具體檢測平臺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立式擋板上開槽分別安裝兩臺激光測距傳感器，圖上標注了一臺傳感器安裝位置，還應在輥道另一側對稱安裝另一臺傳感器。保證光線發射方向與輥道運動方向垂直，激光器架設高度以箱體受擠壓形變較明顯處參考而定，現以（1）角被測面形變檢測方案進行說明。

3算法說明

首先建立一個二維的平面坐標系，以激光器發光頭位置為坐標的零點，以軌道運行方向為X軸正方向，以激光照射方向為Y軸正方向，如圖3所示。

理想狀態下，箱體絕對方正，筐體的對稱軸與軌道運動方向平行。如圖4所示，實際情況中，筐體無法絕對的正，可能存在一定角度，使筐體對稱軸與輥道運動方向存在一定角度，如圖5所示。

由于該檢測方法測量的是筐體表面輪廓線的客觀值，且光速遠遠大于被側面輪廓線長度，所以上述兩種情況對測量結果無影響。實際測量值為角（1）被測面各照射點連線的長度值，當采樣頻率較高滿足精度要求時，可認為一定時間內所測量連線為曲線，且長度為該被測面的幾何輪廓線長度，這樣就可以將該長度與無形變狀態下直線長度進行比較，并將差值作為判據進行判定。設物流輥道沿X軸運動方向速率恒定為v，激光器采樣頻率恒定，現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，第一次采樣時計算機記錄下接收到反射信號的時間為t1，利用該時間可得反射點與原點的距離為s1=C×t1/2（其中C為光速2.9979m/s×108m/s，下同），該反射點坐標即為E（0，s1），箱體繼續向前移動同理可得第二個反射點坐標F（0，s2）及第三個反射點坐標G（0，s3），由于采樣頻率恒定，即兩次采樣間隔時長恒定，該時長為T，則該采樣時長內箱體向前移動距離為△，△=v×T（v為物流輥道沿X軸運動方向速率）。根據曲線長度計算公式可得曲線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。當采樣次數增大，所得曲線長度即為一定時間間隔內角（1）處被測表面曲線長度，當角（1）受外力產生形變時該長度要大于無形變時直線長度，通過實驗可以將該曲線長度與無形變時標準值的偏差量作為形變量判據，以此判斷角（1）處形變的嚴重情況。待角（3）通過此激光測距傳感器時可用該方法再次檢測被測面形變情況。

4軟件實現

工業中常用的工控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實時獲取并記錄激光器采集數據，將采集數據傳至上位軟件WinCC顯示。因為WinCC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。所以可以把數據通過OPC接口傳到Matlab進行算法處理，最終得出偏差量，當偏差量過大時可將此作為角（1）嚴重變形的依據傳至WinCC系統界面并發出警報，提醒操作人員或維修人員對該變形箱體進行處理。

5總結改進

該檢測方案為了兼顧經濟性、實用性和維修便捷性，只使用了單一激光測距傳感器對角（1）被測面進行檢測，為了提升檢測準確度可在后期使用列式激光傳感器對被測面進行檢測，即在同一位置不同高度安裝激光傳感器，檢測原理仍如上文所述，所得結果更符合被測面表面輪廓形態。同時為提高檢測效率，還可在輥道左右兩側再安裝一組激光傳感器，對角（3）、角（4）進行檢測。

參考文獻

[1] 姚二民，儲國海.卷煙機械[M].北京：中國輕工業出版社，2005.

[2] 門濤，諶釗，徐蓉，等.空間目標激光測距技術發展現狀及趨勢[J].激光與紅外，2018（12）：1451-1457.

[3] 沈聰.環衛集裝箱變形度自動檢測系統的設計與實現[J].中國水運，2019（04）：115.

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。