鄭榮煥 劉冠杰 吳航 全燕鳴

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電子煙煙桿自動檢測機設計

鄭榮煥1劉冠杰1吳航2全燕鳴1

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院 2.東莞?？惦娮涌萍加邢薰荆?/p>

針對當前電子煙生產線檢測自動化程度低的狀況，開發(fā)一套對電子煙產品封裝前煙桿的電流、電壓參數(shù)以及煙桿頂端的發(fā)光二極管狀態(tài)進行批量自動檢測的樣機。采用NI PCI-6220作為控制器，編寫LabVIEW程序，設計電路和機械結構完成電子煙煙桿的傳送和檢測。試運行結果表明：該樣機能有效、穩(wěn)定、可靠地完成檢測功能，篩選出不合格品，可用于替代電子煙產品生產線上多工位人工作業(yè)。

電子煙；自動檢測；NI PCI-6220；LabVIEW

0　引言

隨著公眾健康意識的增強，全世界控煙戒煙運動日益興起，世界衛(wèi)生組織和許多國家紛紛以立法等形式，限制傳統(tǒng)卷煙銷售和使用。世界反煙運動的興起，使一些公司看到了商機，為滿足傳統(tǒng)卷煙消費者戒煙或追求時尚的需求，開發(fā)出許多卷煙替代品，其中電子煙最受消費者歡迎[1]。

電子煙最早由我國的韓力在2003年申報發(fā)明專利，2004年中國如煙公司開始正式售賣電子煙，之后電子煙出口至歐美和日本等國[2]。電子煙的外形、大小與傳統(tǒng)香煙基本相同，其末端有1個紅色煙蒂，裝有紅色發(fā)光二極管。當吸煙者吸氣時，紅色發(fā)光二極管像呼吸燈那樣發(fā)光，就像傳統(tǒng)卷煙點火一樣，同時還冒煙。在煙霧繚繞之中，吸煙者的感覺跟抽傳統(tǒng)卷煙一樣。中國吸煙與健康協(xié)會調查的數(shù)據(jù)表明，目前約有60家電子煙生產企業(yè)在中國大陸注冊登記，其生產基地主要集中在廣東和浙江，這2個省份的電子煙生產總量巨大，約占全球電子煙總產量的九成，大多數(shù)是為國外電子煙銷售商做貼牌生產。

目前由于對這類新產品缺乏行業(yè)標準，入行門檻比較低，造成電子煙行業(yè)十分混亂的現(xiàn)象。當前市面上出售的電子煙很多是小作坊生產，純手工組裝，不僅生產效率低，而且產品安全隱患大。國家相關部門對此高度重視，不久將會出臺電子煙相關生產標準和規(guī)范?？梢灶A見只有品質保障、符合標準規(guī)范的電子煙才能在未來市場中立足站穩(wěn)。當前生產企業(yè)迫切需求既能保障產品質量又可降低人力依賴的電子煙自動化組裝和檢測裝備。本文研發(fā)一套電子煙產品封裝前在線自動檢測的樣機。

1　電子煙的組成及原理

電子煙主要由煙桿和煙彈組成，其中煙桿包括指示燈（發(fā)光二極管）、電池、集成控制電路和氣動感應開關等元器件；煙彈包括霧化器、貯液腔和吸嘴[3]，如圖1所示。

電子煙采用超臨界物理霧化原理，氣流通道位于電子煙煙桿內部中心線位置。當對電子煙的吸嘴吸氣時，氣動感應開關在抽吸的負壓作用下開啟，通過電磁感應使集成控制電路開始運作；頂端的紅色發(fā)光二極管像傳統(tǒng)卷煙那樣發(fā)光；煙彈中煙油先被電熱絲加熱，進而由霧化器發(fā)出超聲波使其霧化，霧化煙油隨著氣流進入人體口腔，達到模擬傳統(tǒng)吸煙的效果。

本文所述檢測樣機需要自動檢測電子煙煙桿的充電電流、工作電壓、待機電壓以及煙桿頂端的發(fā)光二極管是否正常工作。

2　檢測機的結構

檢測機的結構設計參考了文獻[4-5]的思路，樣機由上料機構、傳送機構、檢測機構和分料機構4部分組成，設備的正常運轉需各部分協(xié)調配合。檢測機的整體結構如圖2所示。

上料采用臥式轉盤機構，圓柱體外表面等間隔挖8個納煙槽，電機帶動轉盤每轉45°，就有1根電子煙桿從轉盤槽掉落至傳送平臺的槽上。直流電機驅動的帶式傳送機構的傳送平臺上設有6個槽位，電機每旋轉一圈，傳送平臺槽上的電子煙煙桿便右移1個槽位。從左至右第2~6個槽位是檢測工位，即檢測機構有5個檢測工位。分料機構由下料滑道、分料零件、氣缸、收料盒組成，實現(xiàn)限制煙桿下落方位、合格與不合格分路輸出和收集的功能。

檢測機構由2部分組成：其Ⅰ測試電子煙煙桿的充電電流、工作電壓待機電壓；其Ⅱ測試發(fā)光二極管是否正常發(fā)光。檢測機構Ⅰ由氣缸Ⅰ、氣缸推板Ⅰ、5個測試探頭（包括銅套、探針、塑膠件）組成，構成5個檢測工位。檢測時煙桿一端的外緣與銅套接觸，中間部位與探針接觸（探針有一定彈力以保證充分接觸），塑膠件用于銅套和探針之間絕緣。銅套有接駁氣管接口的螺紋孔。檢測機構Ⅱ由氣缸Ⅱ、氣缸推板Ⅱ組成，其中氣缸推板與煙桿的接觸部位有通孔，內置光敏電阻，用于對煙桿發(fā)光二極管測光。此處不選用光電傳感器而用光敏電阻，是考慮光敏電阻具有反應迅速、成本低廉、使用壽命長且測試電路簡易的特點，而光電傳感器成本較高且測試電路相對復雜。

3　檢測機的硬件電路

檢測機硬件電路設計采用NI PCI-6220作為控制器，該控制器有雙向數(shù)字I/O口24個，模擬輸入通道16個[6-7]。本設計使用14個數(shù)字I/O口，用于控制電機、電磁閥、繼電器動作以及接受光電開關的信號；使用15個模擬輸入口，用于檢測電壓、電流和光。

檢測設備的各個機構分別有對應的硬件電路。上料機構的控制電路如圖3所示。由于驅動上料機構的力矩較大，故選用功率較大的RB-35CM-HA8直流電動機，L298N雙H橋驅動。控制器通過光電開關信號控制上料機構轉動的角度，使用NI PCI-6220的I/O口P0.3，即第47引腳來獲取光電開關的檢測信號，I/O口P0.2和P0.7分別與L298N雙H橋直流驅動板的IN1和IN2連接，控制RB-35CM-HA8直流電動機。

驅動傳送機構控制電路的電流相對較小，采用ULN2003A的一個通道來控制其直流電機，如圖4所示。設置了1個光電開關，傳送機構的控制電路使用NI PCI-6220 I/O口P0.5接受光電開關的檢測信號，I/O口P0.0與ULN2003A的一個通道連接，來控制RS-455PA-17150 直流電機。

檢測機構在運動中完成檢測功能。5個檢測工位的真空泵抽氣管并聯(lián)，故只需1個抽氣電磁閥。采用繼電器實現(xiàn)測試電壓和電流的工作狀態(tài)切換，由P0.4控制；1個檢測循環(huán)中檢測機構Ⅰ和檢測機構Ⅱ只需一組夾緊、松開動作，故只需控制相應電磁閥的通斷，分別由P0.6和P0.1控制相應電磁閥的通斷。

檢測機構I第1個檢測工位的電路原理如圖5所示，其他4個檢測工位的電路原理與之類似。

5個測試探頭的探針（即正極）分別與NI PCI-6220的模擬輸入口相連，各個銅套（即負極）與AI GND（模擬輸入口的接地端）相連，只需同時與電源共地1次。所構成的5個數(shù)據(jù)采集通道采集電子煙工作電壓值和待機電壓值。每個光敏電阻的測光電路使用1個模擬輸入口。測電子煙充電電流時，通過1個繼電器轉換測量通道，對煙桿施加5 V的充電電壓。如果不外加電流轉換芯片，測試1個電流值需要2個模擬輸入口，5個檢測工位就需要10個模擬輸入口，加上測電壓、測光所需的10個模擬輸入口，就會出現(xiàn)模擬輸入口不夠的情況。為此，增設MAX471電流檢測模塊，將電流檢測轉換為電壓檢測，則每個工位可以減少使用1個模擬輸入口，避免了模擬輸入口不夠的情況。5個檢測工位中，MAX471模塊的AT引腳都與NI PCI-6220的1個模擬輸入口相連。

分料機構的控制電路使用NI PCI-6220的P1.0腳，通過與ULN2003A相配合來控制電磁閥，進而控制氣缸帶動分料機構動作。

4　檢測機的工作流程和運行程序

基于LabVIEW編制檢測機軟件[8-10]，其運行流程如下：

1) 人工將一批定向好的電子煙煙桿放入料斗，上料機構進入初始狀態(tài)；

2) 上料機構旋轉盤旋轉4個45°角后，開始有煙桿掉到傳送平臺上（記為預備狀態(tài)，如圖6所示）；

3) 傳送機構的電機每旋轉1圈，傳送平臺上的煙桿移動1個槽位，與此同時上料機構旋轉盤每旋轉45°角，就有1根煙桿掉入傳送機構的第1個槽位；進行5次之后，傳送平臺的6個槽位，即測試平臺的5個檢測工位都有電子煙煙桿，從此進入正常工作期；

4) 測試機構壓緊電子煙煙桿，進行檢測；

5) 測試機構松開電子煙煙桿，檢測完成；

6) 分料機構根據(jù)測試結果對煙桿進行分類；

7) 機構保持運動和檢測循環(huán)。

基于LabVIEW編制的檢測機總程序如圖7所示。

在前面板打開PRE-FEEDING開關，在總程序圖中可見FEED子VI運行。FEED子VI即是運行流程的1)和2)。待完成預備時，關閉PRE-FEEDING開關。在前面板打開RUN開關，在總程序圖中可見TEST ALL子VI先運行，該子VI對所有測試工位上的電子煙煙桿進行測試，即是流程中的4)和5)。TEST ALL子VI運行完畢后，將測試完的5根電子煙煙桿合格與否生成一個布爾數(shù)組。接下來程序執(zhí)行一個循環(huán)5次的FOR循環(huán)結構，分別對布爾數(shù)據(jù)的5根電子煙煙桿的測試結果進行判斷，合格時，P1.0 JUD子VI置為高電平，控制分料機構氣缸的電磁閥導通，氣缸推出；不合格時，P1.0 JUD子VI置為低電平，控制分料機構氣缸的電磁閥關斷，氣缸縮回。延時1000 ms保證氣缸的狀態(tài)已穩(wěn)定，之后A1子VI（使上料機構的旋轉盤旋轉45°）和A2子VI（使傳送機構將電子煙煙桿移動一個槽位）同時運行以提高效率，傳送機構和上料機構協(xié)調配合運動，使測試完的樣品通過分料機構掉入相應的收料盒，未測試的樣品進入測試工位。如此進行5次之后，5個已測完的樣品分揀，進入相應收料盒，5個待測樣品進入檢測平臺，即是運行流程的6)。循環(huán)進行以上3)~6)，即是運行流程7)。

5　設備運行的效果

忽略檢測機的初始到預備階段所消耗的時間，從進入正常檢測階段起，計算檢測機的工作效率。由于分料與上料過程同時進行，節(jié)省了部分時間，并且5個工位并行測試，有效提高了設備的工作效率。

根據(jù)檢測機的實際運行效果，計時結果為該機每15 s完成5根電子煙煙桿的分類出料，平均每根電子煙煙桿耗時3 s。而人工測試時，平均每根電子煙煙桿耗時4 s ~5 s。該機以每小時檢測1200根電子煙煙桿的效率，一天工作12小時，可以完成14400根電子煙煙桿的檢測，相對于工人的手動、單根測量，在檢測的數(shù)量和質量上有明顯的提升，這對于企業(yè)節(jié)省人力資源、減輕工人的勞動強度、提高企業(yè)的生產效率有很好的現(xiàn)實意義。

6　結語

本文研發(fā)的電子煙煙桿自動檢測機，結構包括上料、傳送、檢測和分料機構4部分，采用NI PCI-6220作為控制器，使用LabVIEW編程控制和運行程序。多工位并行檢測和上料、分料過程同時進行的設計，有效地提高了設備的工作效率，達到每根電子煙煙桿檢測僅耗時3 s，每小時可達檢測1200根煙桿的效果，滿足了電子煙生產企業(yè)減少線上操作工人、產線自動化升級的要求。

參考文獻

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The Automatic Test Instrument for Electronic Cigarette Rod

Zheng Ronghuan1Liu Guanjie1Wu Hang2Quan Yanming1

(1.Mechanical and Automobile Engineering，South China University of Technology 2.Healthcare Technology International Limited, Dongguan)

As the degree of automation in electronic cigarette testing is low, the automatic test instrument has been designed to test current, voltage of the electronic cigarette rod and whether the LED at the top of the electronic cigarette rod is working, before its last package. NI PCI-6220 is used as the controller of the automatic test instrument, write the LabVIEW program, and it will realize the feeding and testing of the electronic cigarette through designing circuit and mechanical structure. The test instrument can realize the measure function effectively, stably and reliably and sort the qualified electronic cigarette.

Electronic Cigarette; Automatic Test; NI PCI-6220; LabVIEW

鄭榮煥，男，1992年生，本科，主要研究方向：機械裝備。E-mail: zhengrh@xiaopeng.com

劉冠杰，男，1992年生，本科，主要研究方向：機械裝備。E-mail: 670773117@qq.com

吳航，男，1966年生，機電工程碩士學歷，主要研究方向：醫(yī)療檢測儀器。E-mail: stephenng@automatic.com.hk

全燕鳴，女，1957年生，機械工程博士學歷，主要研究方向：機械制造自動化。E-mail: meymquan@scut.edu.cn