超聲波技術(shù)在盤紙接頭檢測上的應用

王國峰，周耀東，任衍宇

（1.山東中煙工業(yè)有限責任公司滕州卷煙廠設(shè)備管理處，山東滕州 277599；2.沈陽航空六二六科技有限責任公司，遼寧沈陽 110034）

0 引言

在我國的煙草行業(yè)中，當前大部分煙廠在用的包裝設(shè)備為GDX1/X2 機型，生產(chǎn)速度為400 包/min。煙包的內(nèi)襯紙為圓形整盤鋁箔紙，一盤鋁箔紙的長度為2000～3000 m，供給速度為90～100 m/min，存在內(nèi)部接頭，標準工藝要求每盤接頭≤2 個。本文主要研究如何采用超聲波檢測技術(shù)檢測盤紙中的內(nèi)部接頭并自動剔除，保證成品煙包質(zhì)量，進一步完善中煙公司要求的“保質(zhì)、降耗”的工作目標。

1 設(shè)備使用現(xiàn)狀

目前在用的煙包鋁箔紙為第三方提供的原材料，圓形整盤包裝，長度為2000～3000 m，在原料生產(chǎn)中如果出現(xiàn)斷紙，原料廠家通常會用膠帶粘接后繼續(xù)卷制成規(guī)定長度，從而出現(xiàn)內(nèi)部接頭，標準工藝要求每盤接頭≤2 個。而GDX 包裝機設(shè)備中沒有鋁箔紙內(nèi)部接頭檢測器，在生產(chǎn)過程中如果出現(xiàn)接頭，帶膠帶接頭的鋁紙就會被包裝到成品煙包中，不僅造成成品質(zhì)量問題，而且還會因為這個問題前后拆開多個煙包查找，造成浪費。如果帶接頭的煙包流入市場，引起市場的質(zhì)量反饋，就會造成質(zhì)量事故。

2 檢測方法研究

目前對于盤紙內(nèi)部接頭檢測，部分設(shè)備安裝了色標傳感器檢測或光電傳感器檢測，但效果并不理想。采用色標傳感器只能檢測帶顏色的接頭，但有的原料盤紙采用透明膠帶粘接，并無顏色，色標傳感器無法檢測出來；采用光電傳感器檢測，問題更多，由于鋁箔紙反光、印花而且不同品牌盤紙用的膠帶并不一樣，光電傳感器檢測會出現(xiàn)漏檢，需要不斷調(diào)整，檢測效果更差。

通過不斷的探索研究，對比色標傳感器與光電傳感器檢測的弱點，應用先進的超聲波檢測技術(shù)檢測盤紙內(nèi)部接頭，取得很好的檢測效果。

3 超聲波檢測方法原理

超聲波是指振動頻率大于20 kHz，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量的傳播形式，常用的超聲波檢測方法有共振法、穿透法、脈沖反射法等。超聲波傳感器能檢測各種形態(tài)的物體，可以準確識別各種材料和顏色，也可以識別透明材料和薄膜，甚至是細線。

對于整盤鋁箔紙，其接頭為膠帶粘接，接頭處為雙層紙，厚度比正常盤紙要厚，如圖1 所示。本文結(jié)合盤紙接頭的特征，選用超聲波穿透檢測技術(shù)原理，在鋁紙的兩側(cè)放置超聲波探頭，一個探頭發(fā)射超聲波到鋁紙表面，另一個探頭接收穿透濾紙的超聲信號，根據(jù)信號強度與幅度的變化情況判斷是單層紙還是雙層紙，從而檢測出盤紙接頭。

圖1 超聲波檢測單層紙與雙層紙的方式

4 超聲波傳感器的設(shè)計應用

應用超聲波穿透法檢測技術(shù)，需要針對被檢測物質(zhì)的特征采用合適的傳感器，煙包鋁箔紙，其寬度為114 mm，厚度不到1 mm，整盤連續(xù)運行，因此本設(shè)計采用德國威聲（Microsonic）esf-1 槽型超聲波檢測器，U 形槽設(shè)計，發(fā)射器與接收器上下固定，在槽型前端，避免了傳統(tǒng)超聲波傳感器發(fā)射器與接收器準確對射難等問題，使得檢測更加穩(wěn)定準確，槽型寬度6 mm，槽深64 mm。盤紙采用非接觸式穿過槽通道。超聲波檢測器參數(shù)見表1，傳感器外部接線方式見圖2。圖2 中：1號腳對應棕色（電源+）；2號腳對應白色（斷紙）；3號腳對應藍色（電源-）；4號腳對應黑色（接頭）；5號腳對應灰色（外接按鈕代替T 鍵）。

圖2 傳感器外部接線方式

表1 超聲波檢測器參數(shù)

5 檢測與控制流程

當待檢測的盤紙紙帶從傳感器的U 形槽位置穿過時，U 形槽下方的超聲波發(fā)射器會發(fā)出高頻聲波脈沖，穿透紙帶，聲波脈沖造成紙帶的振動，由此產(chǎn)生了一個超聲波射向?qū)γ妫@樣U 形槽上方的接收器便可以接收到這個聲波信號。由于透過單層紙帶發(fā)射給接收器的信號電平與透過雙層紙帶（貼上膠帶的紙帶）發(fā)射的信號電平是有差別的，這種信號差異將被傳感器內(nèi)部電路接收并解析，從而實現(xiàn)對紙帶有無接頭的檢測。

5.1 檢測流程

首先對傳感器的輸出方式進行初始化設(shè)置，將4 腳輸出設(shè)為高電平（NPN 狀態(tài)）用于檢測出接頭，其次進行參數(shù)自學習設(shè)定，設(shè)定無接頭紙帶與有接頭紙帶兩種參數(shù)，準備一條帶接頭的盤紙紙帶，先將紙帶無接頭部分放置在檢測槽內(nèi)，按動設(shè)置按鍵完成無接頭紙帶參數(shù)設(shè)置，然后將有接頭紙帶放置在檢測槽內(nèi)，按動設(shè)置按鍵完成有接頭紙帶參數(shù)設(shè)置。當兩個參數(shù)設(shè)定完成后，傳感器檢測參數(shù)設(shè)置成功。

5.2 控制流程

盤紙接頭檢測采用同步自動剔除控制，超聲波傳感器檢測出的盤紙接頭，經(jīng)過PLC 程序記錄與同步移位，在GD 包裝機的8號剔除輪上實現(xiàn)自動同步剔除，不影響設(shè)備運行。

同步剔除的信號直接取自主機編碼器，在GD 包裝機主控柜線路板上取信號，本文設(shè)計專用的主機同步編碼板HKGBM，編碼信號取自主機2A596 編碼器，編碼周期為360°/周，由編碼板讀取主機工位角度，記錄兩個角度，一個是同步移位角度，一個是同步剔除角度，移位角度為295°，剔除角度為235°，如圖3 所示。采用MicroⅡ控制系統(tǒng)工位角度移位、剔除方法，實現(xiàn)與包裝機MicroⅡ控制無縫對接，不僅保證移位角度精準，而且剔除準確，不合格產(chǎn)品只剔一包。檢測與控制流程如圖4 所示。

圖3 移位與剔除角度

圖4 檢測與控制流程

6 超聲波檢測器的實際應用

在本文的設(shè)計應用中，根據(jù)GD 包裝機的設(shè)備情況與生產(chǎn)工藝，GD 包裝機的鋁箔紙分為左右兩個盤紙，需要左右安裝兩個超聲波接頭檢測傳感器，不僅實現(xiàn)兩個鋁箔盤紙內(nèi)部接頭的自動在線檢測，而且增加了斷紙檢測功能。電路圖如5 所示。

圖5 電氣原理

7 結(jié)論

本文應用超聲波檢測技術(shù)檢測盤紙內(nèi)部接頭，已經(jīng)成功安裝到設(shè)備上，通過機臺的三班連續(xù)一周的實際運行記錄平均一班的剔除數(shù)量，結(jié)果顯示檢測效果良好（表2），有效檢測出鋁箔紙盤紙的內(nèi)部接頭并自動剔除，避免帶接頭的煙包流入市場，引起市場的質(zhì)量反饋，降低了質(zhì)量事故。同時更換品牌時無需重新調(diào)試設(shè)定，應用簡單。

表2 連續(xù)一周平均一班的剔除數(shù)量