洪 杰

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基于激光傳感器的在線煙支圓周檢測系統(tǒng)研究

洪 杰

(常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司 研究所, 湖南 常德, 415000)

分析了在線煙支圓周檢測的必要性及現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn), 并介紹了在線煙支圓周檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架及采用32位ARM處理器STM32F103RDT的控制方案. 給出了系統(tǒng)硬件連接圖與相關(guān)的設(shè)計(jì)程序.

激光傳感器; 在線煙支圓周檢測; STM32F103RDT微處理器; 步進(jìn)電機(jī)

在卷煙的生產(chǎn)過程中, 卷煙卷制質(zhì)量一直是煙草行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容. 當(dāng)前卷煙生產(chǎn)企業(yè)對煙支圓周的檢驗(yàn)一般分為離線檢測和在線檢測2種. 離線檢測是指質(zhì)檢員或者機(jī)臺操作人員對產(chǎn)品進(jìn)行抽樣檢查, 這種檢查一般都是采用質(zhì)檢室測量的離線方式. 然而這種方式數(shù)據(jù)不能及時(shí)反饋到操作人員, 在出現(xiàn)問題時(shí), 不能及時(shí)進(jìn)行處理, 對質(zhì)量無法實(shí)時(shí)跟蹤, 容易造成質(zhì)量事故或造成損失. 相比而言, 在線檢測是通過檢測系統(tǒng)對生產(chǎn)過程中的煙支進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn), 能對目標(biāo)偏差立即作出反應(yīng), 可以及時(shí)將煙支質(zhì)量情況反饋給機(jī)臺操作人員, 從而對煙支生產(chǎn)進(jìn)行及時(shí)控制、調(diào)整, 保證煙支質(zhì)量的穩(wěn)定性, 減少質(zhì)量事故造成的損失.

圖1 腔體壓力檢測法原理

1 當(dāng)前在線煙支圓周檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)前的在線煙支圓周檢測主要采用腔體壓力檢測法(圖1), 其原理是在成形煙條入口處安裝一個(gè)檢測頭, 設(shè)備將13 kPa穩(wěn)定壓力的壓縮空氣經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥送入檢測頭內(nèi), 成形煙條進(jìn)入檢測頭后在其周圍形成了一個(gè)氣環(huán), 當(dāng)煙條大小發(fā)生變化時(shí)氣流的溢出量就會發(fā)生變化, 氣壓相應(yīng)地改變, 通過對氣壓變化值的轉(zhuǎn)換便可得知煙支圓周的狀況. 這種方法安裝簡單, 對現(xiàn)場要求低. 但由于成形煙條攜帶的乳膠和設(shè)備運(yùn)行中的粉塵會積累在檢測頭處, 導(dǎo)致測量噴嘴的尺寸變化, 從而影響圓周的檢測精度. 另一方面, 氣壓檢測法不會對煙支圓周進(jìn)行掃描, 從而也無法得知煙支的圓度.

2 激光式在線煙支圓周檢測原理

激光式傳感器通過發(fā)射器發(fā)出激光光束, 光束經(jīng)過煙支后在接收器產(chǎn)生陰影, 傳感器通過計(jì)算陰影長度便可得出煙支的直徑[1], 從而計(jì)算出煙支的圓周. 依據(jù)激光傳感器的特性, 在線煙支圓周檢測系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)帶動激光傳感器探頭圍繞煙支來回180°轉(zhuǎn)動, 實(shí)現(xiàn)對煙支全方位的直徑檢測, 從而可以得出煙支的平均圓周和圓度. 其工作原理示意圖如圖2所示.

圖2 圓周檢測原理

3 在線煙支圓周檢測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

整體設(shè)計(jì)框架如圖3所示, 激光式在線煙支圓周檢測系統(tǒng)采用STM32F103RDT作為主控制器CPU[2], 實(shí)現(xiàn)對煙支圓周的檢測和控制. 首先主控制器控制步進(jìn)電機(jī)圍繞成形煙條來回、勻速旋轉(zhuǎn)180°, 步進(jìn)電機(jī)再通過傳送帶帶動裝載有激光傳感器探頭的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動, 從而實(shí)現(xiàn)對煙條全方位的圓周檢測. 在這個(gè)過程中, 主控制器每0.18°讀取一次激光傳感器的模擬信號, 在完成一次(180°)旋轉(zhuǎn)后計(jì)算出當(dāng)前平均圓周值, 并把圓周值通過Modbus協(xié)議傳輸?shù)接|摸顯示器顯示. 同時(shí), 控制器根據(jù)當(dāng)前平均圓周值與額定圓周值的差值, 發(fā)出粘接室控制信號, 對粘接室馬達(dá)運(yùn)動方向、步數(shù)進(jìn)行控制, 從而實(shí)現(xiàn)對成形煙條圓周的反饋控制. 另外, 圖3中限位接近開關(guān)用于激光傳感器的位置校準(zhǔn); 機(jī)器速度RCP的輸入用于檢測煙機(jī)運(yùn)行狀況, 煙機(jī)停止則圓周檢測設(shè)備停止檢測.

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程

4 軟件設(shè)計(jì)及部分程序

軟件的設(shè)計(jì)包括: 對步進(jìn)電機(jī)的控制、激光傳感器模擬信號的讀取、限位接近開關(guān)和機(jī)器速度脈沖RCP的監(jiān)視、與觸摸顯示器的通訊、對粘接室的反饋控制等. 對步進(jìn)電機(jī)的控制, 軟件采用定時(shí)器定時(shí)功能輸出恒定頻率脈沖, 控制步進(jìn)電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn), 并利用輸出口控制旋轉(zhuǎn)方向. 對激光傳感器模擬信號的讀取則采用ADC功能讀取. 限位接近開關(guān)的監(jiān)視是靠外部中斷實(shí)現(xiàn)的, 而機(jī)器速度RCP的監(jiān)視則利用外部中斷和定時(shí)器定時(shí)判斷完成. 本程序中, 主控制器與觸摸顯示器利用Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊, 物理連接采用RS232串口. 在獲得當(dāng)前平均圓周值之后, 軟件通過兩個(gè)輸出口輸出指示電機(jī)運(yùn)動方向和步數(shù), 從而控制粘接室的調(diào)整. 軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示.

程序的重點(diǎn)在于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行和激光傳感器模擬信號讀取, 因此本文對這部分程序進(jìn)行詳細(xì)說明, 包括定時(shí)器的時(shí)鐘初始化和定時(shí)器中斷的執(zhí)行[3].

//以下是定時(shí)器的時(shí)鐘初始化

TIM3->ARR = 0xFFFF; //自動重裝載寄存器周期的值(定時(shí)時(shí)間)

TIM3->PSC = 17;//時(shí)鐘頻率 = 72/(時(shí)鐘預(yù)分頻+1)

TIM3->CCR2 = 0xFFFF;

//以下是定時(shí)器中斷的執(zhí)行

void TIM3_IRQHandler(void)

{ if(TIM3->SR & (1<<2))//捕獲/比較2的中斷

{ TIM3->SR &= ~(1<<2);

if(prm_MacStatus == DEVICE_WORK ) // 煙機(jī)在運(yùn)行

{ if(cnt_PLS < 2000) //2000步為一圈（1000*0.36/2 = 180度）

{

//定時(shí)器定時(shí): ((1+TIM_Prescaler )/72M)*TIM_CCR =((1+17)/72M)*2000 = 0.5ms

TIM3->CCR2 += 2000;

if(flag_Circle_Dir == CW) //第一組數(shù)據(jù) 當(dāng)前順時(shí)針轉(zhuǎn)動

{//存儲順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動的傳感器AD值, 只存儲cnt_PLS為偶數(shù)時(shí)

…………

}

else //第二組數(shù)據(jù) 當(dāng)前逆時(shí)針轉(zhuǎn)動

{//存儲逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動的傳感器AD值, 只存儲cnt_PLS為偶數(shù)時(shí)

…………

}

}

GPIOC->ODR ^= (1<<7); //速度脈沖PC7輸出反向

++cnt_PLS;

if(cnt_PLS >= 2000)//轉(zhuǎn)變運(yùn)行方向

{ cnt_PLS = 0;

if(flag_Circle_Dir == CCW) //當(dāng)前為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動

{ flag_Circle_Dir = CW;

GPIOB->ODR |= (1<<0);//順時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動

}

else //當(dāng)前為順時(shí)針轉(zhuǎn)動

{ flag_Circle_Dir = CCW;

GPIOB->ODR &= ~(1<<0);//逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動

}

//對煙機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷, 若停機(jī), 則關(guān)閉定時(shí)器

…………

}

}

}

5 結(jié)語

在卷煙機(jī)上采用激光式在線煙支圓周檢測法替代腔體壓力圓周檢測法, 具有重要的應(yīng)用價(jià)值. 實(shí)踐證明, 激光式在線煙支圓周檢測法的圓周檢測精度可達(dá)50 μm, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于腔體壓力檢測法, 同時(shí), 該檢測系統(tǒng)通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 能很好地避免灰塵、高溫對精度的影響. 另一方面, 圍繞煙條來回做180°轉(zhuǎn)動的工作方式, 使得設(shè)備能了解煙支的柱面情況, 得到有關(guān)煙支圓度的數(shù)據(jù),從而有利于采取進(jìn)一步的精細(xì)化調(diào)整措施.

[1] 王慶友. CCD應(yīng)用技術(shù)[M]. 河北: 天津大學(xué)出版社, 2000. 99 – 102.

[2] 姚文祥, 宋巖. ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2009. 249 – 270.

[3] 劉軍.例說STM32[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011. 192 – 201.

(責(zé)任編校:江 河)

Design of online cigarette's circumference detection based on laser sensor

HONG Jie

(Changde Tobacco Machinery Co.,Ltd., Changde 415000, China)

This paper describes the necessity of detecting online cigarette's circumference and the disadvantages of current methods. This paper also introduced the overall design of online cigarette circumference detection system using 32-bit ARM microcontroller STM32F103RDT. The hardware connection and software programme are put forward.

lase sensor; online cigarette's circumference detection; STM32F103RDT microcontroller; stepper motor

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.03.017

TS 43

1672-6146(2012)03-0060-03

2012-05-12

洪杰(1973-), 男, 工程師, 主要從事卷煙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā). E-mail: hongjie@ccdtm.com