王均明 劉維望 李文波 劉佳紅 姜 峰

（1、湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430040 2、湖北中煙紅安卷煙廠，湖北 黃岡 438400）

卷煙長度偏差[1]是卷煙質(zhì)量控制的一項重要指標(biāo)，導(dǎo)致卷煙長度偏差超出質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的因素主要有刀頭分切雙倍長煙支的長短偏差[2]；一次分切輪前后煙支長短偏差；濾棒分切裝置分切濾棒長短偏差；二次分切輪前后卷煙長短偏差。理論情況下，機(jī)器調(diào)試完成后，煙支偏移極少，但是機(jī)器長期實際運(yùn)行過程中，上述四個方面的因素都有可能發(fā)生變化從而導(dǎo)致卷煙長度偏差偏移質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的缺陷的產(chǎn)生。由于目前市場上的卷煙機(jī)都還不具備卷煙長度的實時在線檢測功能，更沒有在線實時控制功能。目前部分卷煙廠配備的“卷煙質(zhì)量綜合檢測儀”其中一個模塊具備卷煙長度的檢測功能，但是“卷煙質(zhì)量綜合檢測儀”是一種離線設(shè)備，無法做到實時質(zhì)量自動檢測及控制[3]。因此，該項技術(shù)研究填補(bǔ)了國內(nèi)國際關(guān)于卷煙長度實時檢測及控制技術(shù)的空白。

為了解決目前卷煙機(jī)實際運(yùn)行中出現(xiàn)的這個問題，本文研究了一種視覺檢測卷煙長度的智能糾偏裝置，該裝置可以通過視覺檢測卷煙長度并且通過智能分析，可以迅速判斷出現(xiàn)該質(zhì)量缺陷的原因，并且實現(xiàn)自動精準(zhǔn)控制[4]。通過該裝置，將卷煙長度誤差控制在一個更小的范圍，卷煙質(zhì)量提升一個臺階。

1 背景技術(shù)

卷煙工藝流程如圖1 所示，雙倍長無嘴煙1 在一次分切輪2 上被無嘴煙切刀被分切為兩根無嘴卷煙，通過分離輪4將兩根無嘴卷煙分開，雙倍長濾嘴5 插入兩根分開的無嘴煙1 中間，在綜合輪7 上被靠攏組合，綜合輪同時組合了涂上了膠水的水松紙6，兩根無嘴煙與雙倍長濾嘴5 被涂了膠水的水松紙6 所包裹，通過搓煙輪8 搓滾并加熱形成雙倍長濾嘴卷煙9，雙倍長濾嘴卷煙9 在二次分切輪11 上被濾嘴卷煙切刀10 分切成兩支單獨的濾嘴卷煙，再通過調(diào)頭輪12將并排濾嘴端相對的兩支濾嘴卷煙調(diào)為一排單根濾嘴卷煙15，經(jīng)過檢測、剔除廢棄的卷煙，最后通過出煙輪14 將合格卷煙輸送到下游設(shè)備。

當(dāng)前卷煙長度控制主要是通過在一次分切輪2 及綜合輪7 上安裝靠攏機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，靠攏機(jī)構(gòu)通過手工調(diào)整，保證雙倍長無嘴煙1 與雙倍長濾嘴卷煙9 被平均分切。

理論情況下，機(jī)構(gòu)調(diào)整完成后，煙支偏移較少，但是機(jī)器長期實際運(yùn)行過程中，由于原材料以及靠攏機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定因素導(dǎo)致卷煙長度偏移質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的缺陷產(chǎn)生。而且卷煙長度超差的質(zhì)量缺陷需要離線檢測，發(fā)現(xiàn)不及時，存在一定的質(zhì)量隱患，一旦發(fā)現(xiàn)該缺陷，需要停機(jī)并重新調(diào)整，影響流水線的生產(chǎn)效率。因此，針對上述問題，有必要提出進(jìn)一步地解決方案。

2 技術(shù)方案

卷煙長度在線糾偏系統(tǒng)由長度檢測傳感器組件、新型糾偏機(jī)構(gòu)、嵌入式控制器、高功能型伺服電機(jī)、線纜以及人機(jī)交互觸摸屏組成，如圖2 所示。其工作原理是：長度檢測傳感器測量卷煙長度并將該信息采集傳輸?shù)角度胧娇刂破?，控制器將控制信號發(fā)送到伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動糾偏機(jī)構(gòu)實現(xiàn)糾偏。

圖2 卷煙長度在線糾偏系統(tǒng)

本研究中引入人工智能專家系統(tǒng)設(shè)計出一種智能調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器通過一個智能機(jī)構(gòu)對系統(tǒng)的響應(yīng)特征進(jìn)行在線識別和判斷，然后根據(jù)調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)整理論實時地對算式修正調(diào)整，以使調(diào)節(jié)器能隨著對象特性的變化而調(diào)整自己的控制策略，從而得到比較滿意的控制效果。

觸摸屏采用ModbusTCP 通訊[5]，界面友好直觀同時主界面顯示卷煙長度變化的實時位置曲線，不同規(guī)格的卷煙長度可以快速方便設(shè)定。

3 在線長度控制裝置

3.1 自動糾偏機(jī)構(gòu)

如圖3 所示為一次分切輪軸剖示意圖[6]，一次分切輪5上固定有內(nèi)外浮圈2 與外排浮圈6，浮圈隨一次分切輪5 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，浮圈具有一定的彈性，雙倍長卷煙4 在切刀理論中心線3 位置被切刀一切為二，通過調(diào)整內(nèi)排滾輪1 與外排滾輪7 之間的距離控制內(nèi)排浮圈2 與外排浮圈6 之間的距離X，使得X＝雙倍長卷煙長度，并且通過調(diào)整內(nèi)外滾輪整體向內(nèi)或向外移動來控制雙倍長卷煙4 的軸向位置，使得雙倍長卷煙4 的內(nèi)排長度a＝外排長度b。

圖3 一次分切輪軸剖示意圖

如圖4 所示，糾偏機(jī)構(gòu)安裝于原靠攏輪靠攏調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置，取代原手工調(diào)節(jié)的方式。作為備用設(shè)計方案，該糾偏機(jī)構(gòu)也可安裝在二次分切輪上。

圖4 糾偏機(jī)構(gòu)

如圖5 所示，自動糾偏機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動，首次安裝先調(diào)整好前后浮圈之間的距離，使之長度等于雙倍卷煙的長度，然后即可進(jìn)入自動糾偏模式。

圖5

3.2 長度控制機(jī)構(gòu)

如圖6 所示為長度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)?；譨5、滑套b9、滑套c12 通過中間件與底板支架6 固定，電機(jī)1 也被固定連接于底板支架6。電機(jī)6 驅(qū)動螺桿10 在滑套a、b、c 中旋轉(zhuǎn)。

圖6 長度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)

當(dāng)鎖緊套8 未鎖緊時，螺桿軸套7 與螺桿10 脫開，螺桿10 與內(nèi)排滑塊11 有螺紋連接，螺桿10 的轉(zhuǎn)動帶動內(nèi)排滑塊11 前后滑動，固定在內(nèi)排滑塊11 上的內(nèi)排支架13 及其內(nèi)排滑輪14 一起前后運(yùn)動，由于外排滑塊4 不動，因此可以通過這種方式調(diào)整內(nèi)排滑輪14 與外排滑輪2 的距離滿足確定的雙倍長卷煙總長度控制要求。

當(dāng)鎖緊套8 鎖緊時，螺桿軸套7 與螺桿10 聯(lián)結(jié)一同旋轉(zhuǎn)，外排滑塊4 與螺桿軸套7 有螺紋連接，螺桿10 的轉(zhuǎn)動同時帶動外排滑塊4 與內(nèi)排滑塊11 一起前后滑動，固定在其上的外排滑輪2 與內(nèi)排滑輪14 保持固定距離同向運(yùn)動，通過這種方式可以調(diào)整雙倍長卷煙被分切后前后排的長度，從而達(dá)到控制卷煙前后排長度的效果。

綜上，本研究對于卷煙長度實時檢測，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少浪費(fèi)、減少人工勞動強(qiáng)度具有良好效果，該裝置能根據(jù)檢測數(shù)據(jù)自動調(diào)整，無需停機(jī)調(diào)整，提高了流水線生產(chǎn)效率。

4 高精度智能相機(jī)長度檢測

如圖7 所示，圖7 中二次分切輪2 按照逆時針方向旋轉(zhuǎn)，將煙支3 輸送到傳遞輪4，傳遞輪4 順時針旋轉(zhuǎn)，將煙支3 輸送到下游設(shè)備。在原卷煙機(jī)上沒有在線實時檢測煙支長度的設(shè)備，因此長度不合格的煙支難免被輸送到下游設(shè)備，給下游設(shè)備的自動化生產(chǎn)帶來不利影響。通過在傳遞輪4 上方安裝該智能相機(jī)檢測系統(tǒng)1，實現(xiàn)了對煙支3 的在線長度檢測，為分析煙支3 長度不合格的原因及對煙支長度質(zhì)量的控制提供了基礎(chǔ)。

圖7 智能相機(jī)長度檢測器

相機(jī)原理原理如下：

4.1 拍攝高清圖像的相機(jī)

目前采用歐姆龍500 萬相機(jī)的高速相機(jī)，快門速度可以達(dá)到1US，相對普通相機(jī)拍攝時間大大縮短，完全可滿足現(xiàn)場8000 只煙/min 的生產(chǎn)要求。

4.2 相機(jī)圖像輸入

“相機(jī)圖像輸入HDR”可生成抗環(huán)境變化影響的優(yōu)化HDR 圖像。只需在圖像中指定需要拍攝到理想效果的位置，即可調(diào)整快門速度，進(jìn)行拍攝與合成，生成優(yōu)化的HDR 圖像。

4.3 圖像處理系統(tǒng)

將圖像傳入相機(jī)圖像處理系統(tǒng)，歐姆龍圖像處理控制器有諸多優(yōu)勢：一是優(yōu)化對比度，可優(yōu)化指定位置的亮度；二是使用高對比度模式，可提高檢測的精度；三是并列執(zhí)行多種檢測，多線程隨機(jī)觸發(fā)；四是可實現(xiàn)高速，高精度定位；五是復(fù)雜處理，簡變化設(shè)計。

相機(jī)圖像處理系統(tǒng)是可視化模塊化編程，簡單易于上手。

4.4 PLC 的處理

圖像處理系統(tǒng)將檢測的煙總長，水松紙長度等信息通過ETHERCAT 通訊傳給PLC 做處理，PLC 對于超差的煙進(jìn)行剔除，對于平均值超出一定范圍的煙，調(diào)整糾偏機(jī)構(gòu)的位置，讓煙支長度整體維持在公差范圍內(nèi)。

4.5 相機(jī)優(yōu)勢

除了煙長，相對于紅外線等裝置，相機(jī)還可以檢測煙的褶皺，油墨。

5 效果分析

結(jié)合表1、表2 可以看出，視覺檢測卷煙長度的自動控制裝置，該裝置根據(jù)智能相機(jī)視覺檢測的卷煙長度，可以迅速判斷出現(xiàn)該質(zhì)量缺陷的原因，通過長度自動調(diào)整機(jī)構(gòu)實現(xiàn)卷煙長度的自動精準(zhǔn)控制。同時該裝置具有實時檢測、自動控制，安裝靈活，空間占用小的特點。

表1 煙支長度自動檢測及精準(zhǔn)控制裝置的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表2 與現(xiàn)有裝備的對比如下表

采用煙支長度自動檢測及精準(zhǔn)控制裝置在煙支在生產(chǎn)過程中，能夠有效提高卷煙煙支的準(zhǔn)確度，減少不合格品率，在ZJ17 上驗證成功后，逐步推廣到所有PROTOS 系列機(jī)型上，對實際生產(chǎn)中具有舉足輕重的意義。