袁 麗，李居峰，金洋洋

（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072）

1 問題的提出

卷煙生產(chǎn)是大規(guī)模自動化生產(chǎn)過程，由于機(jī)械壓頭和生產(chǎn)線相互力的作用，煙條在成型過程中橫截面并不是規(guī)則的圓形，而是一個(gè)上橢下圓的不規(guī)則橢圓，其形狀如圖1所示，因此在生產(chǎn)過程中卷煙的圓度會有一定的偏差，卷煙的圓周尺寸也就不容易直接測量。但是在卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量檢測方面，圓周尺寸是一項(xiàng)重要的物理指標(biāo)，如果卷煙的圓周超標(biāo)，卷煙和濾嘴進(jìn)行卷接時(shí)就會出現(xiàn)卷接不嚴(yán)、漏氣等現(xiàn)象。

因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)測量系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中可以動態(tài)測量卷煙的圓周尺寸并計(jì)算圓度誤差，再將誤差反饋，從而及時(shí)調(diào)整卷接過程。該測量系統(tǒng)應(yīng)具有測量速度快、精度高、非接觸、動態(tài)和自動化，同時(shí)應(yīng)兼顧生產(chǎn)成本的特點(diǎn)。而CCD體積小、重量輕、分辨率高、精度好、穩(wěn)定性強(qiáng)，可以滿足較高的測量精度和良好的測量穩(wěn)定性，且價(jià)格低廉、配套的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，成本低。故本文將用兩組CCD來分別測量出煙條橫截面的長徑和短徑。本系統(tǒng)的基本參數(shù)如下：

（1）測量范圍（mm）：圓周為16.3～28.27、直徑為Φ5.2～Φ9。

（2）測量精度（mm）：0.014。

（3）測量速率（支/s）：最大800（例如PT-70卷接機(jī)最高速達(dá)7 000支/min）。

同時(shí)，本設(shè)計(jì)應(yīng)具有自動清潔功能，不受煙塵、膠垢影響，還可以進(jìn)行剔除、報(bào)警、停機(jī)、數(shù)據(jù)查詢，同時(shí)還能將數(shù)據(jù)反饋給調(diào)整裝置。

2 雙CCD測量卷煙長、短徑的原理

為了克服圖1所示的圓度偏差所產(chǎn)生的圓周誤差，且需要對圓度偏差進(jìn)行測量，我們采用兩個(gè)垂直布置的CCD來對卷煙圓周進(jìn)行檢測。雙CCD測量煙條圓度的布置方式如圖2所示。

圖1 卷煙煙條的橫截面形狀

圖2 雙CCD測量煙條 圓度的布置方式

由圖2可知，要測量煙條的圓周尺寸，只需要測出煙條橫截面的長徑D和短徑d，再根據(jù)多次測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，則由長徑D和短徑d可以推算出煙條的圓周長度。CCD是由許多光敏像元組成的，每個(gè)光敏像元之間的距離絕對相等，當(dāng)煙條在光源照射下投影到光敏像元上時(shí)，由于煙條會遮擋一部分平行光束，CCD上會形成一塊陰影區(qū)域，陰影區(qū)域的尺寸反映了待測煙條的尺寸，此后，CCD在驅(qū)動電路的驅(qū)動下，將載有圖像信息的電荷信號輸出，再由后續(xù)的信號處理系統(tǒng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號再由A/D轉(zhuǎn)換器和后期信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理后就可以得到直徑尺寸。圖2中，在水平方向和豎直方向上分別設(shè)置兩個(gè)互相垂直的CCD傳感器后，可以將煙條在CCD光敏面上所成的影像轉(zhuǎn)為A/D信號存儲在CCD自帶的位移寄存器中，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到煙條的長徑D和短徑d，然后就可以推算出煙條的圓周尺寸及圓度偏差。

3 CCD的選用

CCD按其光敏像元的排列方式分為線陣CCD和面陣CCD。線陣CCD的光敏像元排列方式為單排排列，其單排光敏像元的數(shù)目可以排很多，而面陣CCD的光敏像元排列方式為面陣排列，像元總數(shù)多但每行的像元數(shù)一般比線陣少。面陣CCD可以獲取二維圖像信息，其測量圖像直觀，圖像處理算法較為簡單，但是由于其像元排列方式的原因，每行的像元數(shù)一般較線陣CCD少，其幀幅率較線陣CCD低，而線陣CCD因一維像元數(shù)可以做很多、像元尺寸比較靈活，故會有較高的幀幅率，非常適合于一維動態(tài)目標(biāo)的測量。且線陣CCD的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，較面陣CCD靈敏度更高，實(shí)時(shí)傳輸光電變換信號和自掃描速度更快，頻率響應(yīng)也更快。

由于生產(chǎn)過程中卷煙的截面形狀并不是很不規(guī)則，最大圓度誤差在垂直軸上，因此只需要獲得卷煙的動態(tài)一維圖像即可，即為了降低成本，可采用線陣CCD。本系統(tǒng)選用的是TCD1501C型線陣CCD攝像機(jī)，其理論精度為0.007mm，測量范圍在35mm以內(nèi)，光敏像元數(shù)目為5 000，像元尺寸為7μm×7μm，光譜響應(yīng)范圍為400nm～1 000nm，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4 測量系統(tǒng)的基本組成及原理

本系統(tǒng)的目的是在生產(chǎn)線上直接測量動態(tài)的煙條長、短徑，然后將數(shù)據(jù)處理得到圓度數(shù)據(jù)并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，根據(jù)誤差進(jìn)行剔除或者反饋到反饋系統(tǒng)，故系統(tǒng)不但要有測量裝置，還需要有反饋環(huán)節(jié)，可以將數(shù)據(jù)反饋并通過調(diào)整環(huán)節(jié)調(diào)整煙條的成型。為了程序編寫的方便，可以用PLC的方式進(jìn)行編程控制，在人機(jī)交互上，選用基恩士系列的觸摸屏，對觸摸屏進(jìn)行界面設(shè)計(jì)使其具有剔除、報(bào)警、設(shè)置參數(shù)等功能。PLC還需要和剔除閥、報(bào)警器等設(shè)備進(jìn)行連接。測量系統(tǒng)的基本組成如圖3所示。

圖3 測量系統(tǒng)的基本組成

檢測系統(tǒng)的工作流程為：在光學(xué)系統(tǒng)和檢測器件的共同作用下，由CCD檢測載有被測煙條直徑信息的影像信號，將此影像信號輸出到信號調(diào)理電路，得到相應(yīng)的去除了干擾信號的電壓信號，然后將該電壓信號輸送到A/D進(jìn)行采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將得到的數(shù)字信號送入PLC中進(jìn)行運(yùn)算得到煙條的直徑尺寸，然后在PLC中用煙條的直徑尺寸運(yùn)算出圓周尺寸并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，將比較信息進(jìn)行反饋，從而控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測。其工作原理框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作原理框圖

5 試驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)在投入使用后得到的試驗(yàn)效果如圖5所示。由圖5可知，本系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，誤差較小，檢測到的圓周數(shù)據(jù)曲線圍繞標(biāo)準(zhǔn)值在誤差范圍內(nèi)微量波動，因此本設(shè)計(jì)符合生產(chǎn)要求。

圖5 圓周檢測數(shù)據(jù)曲線圖

6 結(jié)論

本文提出的用兩組CCD測量卷煙的直徑和圓度的方法，不但提高了現(xiàn)代化卷煙生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時(shí)對改進(jìn)卷煙檢測技術(shù)具有指導(dǎo)意義。

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