機械手仿真及全視覺卷煙燃燒包灰檢測設備的系統設計

許蛟，王浩，王濤，鄭晗*，余振華，李賡，謝姣，張瑩，詹建波

（1.中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010；2.云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650231）

0 引言

卷煙包灰[1]是卷煙產品在燃燒過程中消費者直觀感受到的重要外觀形態，包灰效果優劣直接影響著消費者對卷煙產品質量的判斷。同時，卷煙在抽吸過程中，煙支的頻繁落灰、飛灰，嚴重時發生燃燒錐脫落的現象，不僅污染環境，也是引起消費者及被迫吸煙者對所處環境不適、反感的重要影響因素之一，還會影響消費者對于卷煙品牌的忠誠度，甚至帶來一定安全隱患。另一方面，隨著卷煙技術的發展，消費水平和質量的不斷提升，消費者對卷煙質量要求也不斷提高，對卷煙產品的關注和選擇由口味、價格、包裝等方面逐漸向更多因素拓展，卷煙燃燒后的包灰狀態由于其直觀性，越來越受到消費者的重視。

近年來，煙草行業內針對卷煙包灰開展了相關研究，主要包括卷煙包灰性能研究和檢測方法研究兩個方面。包灰檢測方法的可行性和準確性是研究卷煙包灰性能研究的重要前提，可見，對卷煙燃燒包灰性能的有效客觀測定具有重要意義。目前，對卷煙包灰的測量和表達方法通常采用對測試樣品的單支卷煙在靜燃條件下通過靜燃拍攝圖像后，再通過相關圖像軟件處理后，通過燃燒卷煙灰柱裂口面積占拍攝面總面積之比對樣品的包灰優劣進行定量表征。上述方法，一方面測試煙支樣品沒有在標準動態抽吸條件下進行圖像數據采集，另一方面在圖像采集過程中，僅能對檢測樣品一面圖像進行采集，由于煙支存在煙絲密度差異、卷煙紙搭扣端，以及燃燒煙支包灰灰片劈裂灰柱等因素影響，單面采集卷煙燃燒包灰圖像，很難準確反映出測試樣品的客觀性，造成測試結果嚴重偏離真實值。同時，靜止的煙支燃燒測試不能反映人體典型抽吸動作，即不能模擬人體在抽吸過程中的揮臂運動路徑。當煙支在燃燒過程中發生運動時，空氣氣流將對煙支包灰性能產生較大影響，更易產生裂口，靜止測量不能準確反映測試樣品應用于生產和生活時的優劣性。

本文提供了一種基于工業機器人測定卷煙燃燒包灰性能參數的系統設計方法。工業機器人是一種通過重復編程和自動控制，能夠完成制造過程中某些操作任務的多功能、多自由度的機電一體化自動機械裝備和系統[2]，可利用工業機器人模仿人體手臂的運動過程，從而準確反映人體的典型抽吸動作。同時，使用三個相機間隔120度全面拍攝并記錄煙支的燃燒情況，更為準確地反映測試樣品的客觀性。

1 系統原理設計

本設計采用工控機作為總控制單元，在硬件上主要劃分為工控機、機器人、PLC、控制板和智能相機，分別對應功能為總控、模擬人體手臂運動、基本控制、實現標準動態抽吸和圖像采集處理。系統原理框圖如圖1。

圖1 系統原理框圖

工控機負責協調機器人、抽吸模塊、PLC和智能相機的工作時序，同時也負責對測量過程中產生的數據進行保存和界面顯示。

機器人負責響應來自工控機的運動指令，從而完成預先設定好的指定動作，包括取煙、點煙、揮臂、拔煙等動作。

工控板由ARM+FPGA的架構組成，負責響應來自工控機的抽吸、敲擊、落煙等指令。

PLC負責響應來自工控機的控制指令，從而完成點煙器加熱、報警器控制等功能。智能相機負責響應來自工控機的圖像處理指令，從而完成圖像的拍攝、分析、上傳等功能。

2 軟件設計

該系統以工控機內的上位機控制軟件作為主控，協調控制板、相機、PLC以及機器人的命令執行。工控機與控制板通過串口以Modbus協議進行通訊，工控機與相機通過以太網以TCP/IP協議進行通訊，工控機與PLC通過以太網以SLMP協議[3]進行通訊，工控機與機器人通過PLC間接通訊，PLC與機器人通過CC-LINK[4]進行通訊，其邏輯架構如圖2所示。

圖2 系統邏輯架構圖

系統所有測量數據、錯誤數據和和運行狀態均記錄在數據庫中，系統部署圖如圖3所示。

圖3 系統部署圖

此系統主控由上位機控制程序完成，主要工作包括：用戶選擇相應測量參數并開始測量；協調控制板（抽吸和敲擊）、相機（圖像采集）和機器人（運動軌跡）三個部分的工作；獲取保存測量數據；繪制展示測量數據。主控系統的測試流程如圖4所示[5]。

圖4 主控系統測試流程圖

3 結構部分

機械手仿真及全視覺卷煙燃燒包灰檢測設備的系統結構如圖5和圖6。所示，其結構分為上下兩層，上層為主要功能區，功能區內設有模擬彈煙及扶正組件、視覺測量與定位組件、機械手控制組件以及多功能機械臂[6]；多功能機械臂上集合了自動上煙組件、自動點煙組件以及自動拔煙組件，各組件采用直線式布局方式，通過程序控制多功能機械臂的動作即可實現自動上煙、自動點煙及自動拔煙組件位置的切換，位置切換到位后再執行具體的動作，實現所需的功能。下層為控制區，控制區內設有煙支抽吸組件、工控板以及各類驅動、控制類電氣元件。為減少外界環境對測試過程的干擾，功能區上還設有防護罩，測試過程中防護罩處于關閉狀態[7]。

圖5 機械手仿真及全視覺卷煙燃燒包灰檢測設備外觀結構示意圖

圖6 機械手仿真及全視覺卷煙燃燒包灰檢測設備功能分布圖

4 結語

機械手仿真及全視覺卷煙燃燒包灰檢測設備模擬消費者吸煙過程，它模擬消費者手指的彈煙灰動作，采用模擬手指對彈性固定的煙支施加彈力，彈力的大小可控；抽吸系統在測試過程中對煙支進行抽吸；模擬消費者持煙揮臂擺動及翻手腕動作；視覺檢測系統對煙支燃燒過程進行跟蹤，記錄整個測試過程，通過圖像處理，計算燃燒時間、灰色、裂口率等反映煙支包灰指標的數據；模擬空氣流系統由氣流傳感器、風罩、導流板、排風管、變頻風機等構成，以實現空氣流流速的聯機量化調整；檢測設備整體采用臺式結構，能夠實現自動上煙、自動點煙、自動檢測、自動拔煙，煙蒂自動收集等功能，實現了對卷煙燃燒實時跟蹤并進行特征分析，存儲數據匯總，實時數據曲線及其關鍵指標的顯示，提高測試效率。

機械手仿真及全視覺卷煙燃燒包灰檢測設備解決了因觀測人員的技術水平、經驗和主觀意識的影響，從而影響評價結果的準確性和客觀性的問題。通過卷煙燃燒圖像的實時采集和數據化，能準確客觀地對測試樣品進行判定和對比，同時利用數據進行科學統計和研究。