徐新宇

（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司淮陰卷煙廠, 江蘇淮安, 223299）

0 引言

ZJ17卷接機(jī)組，是引進(jìn)德國(guó)虹霓公司設(shè)計(jì)制造的Protos70技術(shù)后，由常德煙草機(jī)械有限公司生產(chǎn)制造的高速卷煙機(jī)，是國(guó)產(chǎn)煙機(jī)的主流機(jī)型。該機(jī)型在生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)因?yàn)樗杉埰唇印⑺杉堓斔吐窂街羞M(jìn)入異物、機(jī)械故障、材料質(zhì)量問(wèn)題等原因，造成水松紙?jiān)谳斔瓦^(guò)程中出現(xiàn)跑偏，從而導(dǎo)致煙支出現(xiàn)水松紙長(zhǎng)短[1][2]。水松紙長(zhǎng)短嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)附帶的煙支漏氣、濾嘴脫落等更嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題[3][4]。操作人員如未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題，將會(huì)導(dǎo)致不合格煙支進(jìn)入包裝工序或流入市場(chǎng)，從而引起返工浪費(fèi)和不良市場(chǎng)反饋等一系列嚴(yán)重問(wèn)題。

目前對(duì)于此類高速移動(dòng)物體識(shí)別場(chǎng)景，工業(yè)上一般采用CCD工業(yè)相機(jī)與高性能工控機(jī)組成系統(tǒng)，利用CCD工業(yè)相機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍照后，利用相關(guān)圖像處理算法對(duì)圖片進(jìn)行處理后，輸出信號(hào)到相應(yīng)的執(zhí)行系統(tǒng)[5]。此種系統(tǒng)造價(jià)高昂，且系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要根據(jù)待處理圖像特征，設(shè)計(jì)圖像處理算法，系統(tǒng)實(shí)施周期較長(zhǎng)且通用性較差，對(duì)于粉塵震動(dòng)較大影響成像的場(chǎng)景，應(yīng)用效果不佳。本文提出了一種水松紙長(zhǎng)短自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在機(jī)器上加裝相關(guān)檢測(cè)裝置，當(dāng)煙支出現(xiàn)水松紙長(zhǎng)短時(shí)進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)預(yù)警，提醒操作人員及時(shí)調(diào)整，當(dāng)水松紙長(zhǎng)短嚴(yán)重時(shí)對(duì)機(jī)器進(jìn)行停機(jī)。實(shí)際運(yùn)行表明，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)投入使用后大大降低了產(chǎn)品的不良率,且系統(tǒng)成本低、改造周期短。

1 檢測(cè)系統(tǒng)組成

該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)部分、信號(hào)處理部分、報(bào)警執(zhí)行部分組成。檢測(cè)部分核心部件為可以識(shí)別多種顏色的色標(biāo)傳感器，負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器生產(chǎn)出的煙支進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)水松紙長(zhǎng)短煙支時(shí)，輸出相應(yīng)的信號(hào)給信號(hào)處理部分。信號(hào)處理部分為一單片機(jī)電路板可以和設(shè)備觸摸屏通信?；诰帉懞玫某绦騿纹瑱C(jī)可以對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)情況輸出兩路信號(hào)，一路為驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈信號(hào)一路為停機(jī)信號(hào)，這兩路信號(hào)都輸入到報(bào)警執(zhí)行部分。如圖1為檢測(cè)系統(tǒng)電氣模塊結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)與視覺檢測(cè)方法相比，實(shí)現(xiàn)成本較低、開發(fā)周期短、相應(yīng)速度快，

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)電氣模塊結(jié)構(gòu)圖

1.1 檢測(cè)部分

檢測(cè)部分選用光電色標(biāo)傳感器，該型傳感器可以根據(jù)使用者需求，對(duì)事先設(shè)定好的幾種顏色進(jìn)行識(shí)別。選用該型傳感器，對(duì)生產(chǎn)出的煙支進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。色標(biāo)傳感器的安裝位置為機(jī)器出煙輪上方，此處有較大空間便于安裝且不會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行。在此位置安裝時(shí)色標(biāo)傳感器處于被測(cè)煙支的正上方，有利于色標(biāo)傳感器檢測(cè)角度的調(diào)整，能使檢測(cè)更加準(zhǔn)確。如圖2所示紅色箭頭指示處為傳感器在煙支上的檢測(cè)位置，此處為煙支卷煙紙上靠近水松紙邊緣處，因?yàn)槟承┰蛉缢杉埰唇?、水松紙翻邊、機(jī)械故障等使煙支出現(xiàn)水松紙長(zhǎng)短時(shí)，光電色標(biāo)傳感器就會(huì)在檢測(cè)位置檢測(cè)到水松紙的紅色或藍(lán)色，進(jìn)而將檢出信號(hào)傳輸給單片機(jī)處理。

圖2 檢測(cè)位置示意圖

目前市場(chǎng)上的光電色標(biāo)傳感器種類型號(hào)較多，為滿足系統(tǒng)的實(shí)際需要選擇時(shí)應(yīng)注意以下方面。首先色標(biāo)傳感器的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于生產(chǎn)一支煙所用的時(shí)間，生產(chǎn)每支煙所需時(shí)間的計(jì)算公式為：生產(chǎn)一支煙所需的時(shí)間=單位時(shí)間÷單位時(shí)間內(nèi)所生產(chǎn)的煙支數(shù)目。我廠ZJ17卷接機(jī)組的設(shè)定車速為6200支/分，將數(shù)值帶入公式經(jīng)計(jì)算生產(chǎn)一支煙用時(shí)9677微秒，因此實(shí)際選用時(shí)應(yīng)選擇響應(yīng)時(shí)間低于9677微秒的光電色標(biāo)傳感器。在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)機(jī)器在實(shí)際生產(chǎn)中還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)容易使光電色標(biāo)傳感器在檢測(cè)中產(chǎn)生誤動(dòng)作，影響檢測(cè)的準(zhǔn)確度。因此應(yīng)該選擇帶有對(duì)外界環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)有抑制功能的光電色標(biāo)傳感器，此外還要能夠檢測(cè)至少兩種以上的顏色。綜合上述要求本項(xiàng)目選擇SICK KT8L型色標(biāo)傳感器，其響應(yīng)時(shí)間為30微秒并具有雙振幅3.0mm的耐振動(dòng)性，可以滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)的需要。

1.2 信號(hào)處理部分

信號(hào)處理部分采用STM32F105為核心處理單元，圖3所示，圖中接口P3連接色標(biāo)傳感器SICK KT8L，并通過(guò)光電隔離器件PS2801將輸入信號(hào)調(diào)理為3.3V，光電隔離后的信號(hào)送入核心處理元件U1的PA5引腳，PA5配置為外部中斷模式，當(dāng)外部信號(hào)變化后處理器立即響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理。串行通訊接口P1將處理好的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)顯示。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)條件后可觸發(fā)報(bào)警部分執(zhí)行。

圖3 核心處理單元

核心處理單元若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)單片機(jī)收到設(shè)定數(shù)量的紅色檢出信號(hào)時(shí)，說(shuō)明此時(shí)煙支已經(jīng)出現(xiàn)水松紙長(zhǎng)短但還可以調(diào)整，單片機(jī)就輸出信號(hào)到報(bào)警執(zhí)行部分驅(qū)動(dòng)報(bào)警信號(hào)燈閃爍提醒操作人員及時(shí)調(diào)整；如果經(jīng)過(guò)設(shè)定的時(shí)間單片機(jī)電路板仍能收到紅色檢出信號(hào)，就發(fā)出信號(hào)給報(bào)警執(zhí)行部分使機(jī)器停機(jī)。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)收到設(shè)定數(shù)量的藍(lán)色檢出信號(hào)，說(shuō)明此時(shí)煙支水松紙長(zhǎng)短已經(jīng)很嚴(yán)重，單片機(jī)就輸出信號(hào)到報(bào)警執(zhí)行部分使機(jī)器立即停機(jī)。

在實(shí)際測(cè)試中偶爾還會(huì)出現(xiàn)誤檢現(xiàn)象，為了增加檢測(cè)的準(zhǔn)確性。對(duì)程序進(jìn)行了進(jìn)一步完善要求程序在一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出若干數(shù)量的設(shè)定顏色才能判斷為水松紙長(zhǎng)短，這種設(shè)計(jì)在一定程度上也抑制了外界的干擾，防止了振動(dòng)等因素造成的誤檢，經(jīng)過(guò)測(cè)試后系統(tǒng)運(yùn)行正常誤檢基本消除。此程序設(shè)計(jì)思路中的時(shí)間、煙支根數(shù)等參數(shù)，都可以根據(jù)實(shí)際情況在程序中進(jìn)行修改，增加了程序的適用性與靈活性。如果設(shè)備需要換產(chǎn)其他牌號(hào)煙支，只需重新設(shè)置色標(biāo)傳感器的檢測(cè)顏色，在根據(jù)情況對(duì)上述參數(shù)微調(diào)即可?？刂葡到y(tǒng)流程圖4所示。

1.3 報(bào)警執(zhí)行部分

報(bào)警執(zhí)行部分僅需要接收來(lái)自信號(hào)處理部分的兩種信號(hào)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，只需要報(bào)警指示燈和固態(tài)繼電器即可滿足控制執(zhí)行需要。當(dāng)收到來(lái)自信號(hào)處理部分發(fā)出的報(bào)警信號(hào)時(shí)，此信號(hào)直接送到報(bào)警指示燈，驅(qū)動(dòng)報(bào)警指示燈閃爍提醒操作工及時(shí)調(diào)整水松紙長(zhǎng)短。報(bào)警指示燈直接安裝于機(jī)器外部醒目位置處，只受報(bào)警信號(hào)控制。當(dāng)收到來(lái)自信號(hào)處理部分發(fā)出的停機(jī)信號(hào)時(shí)，此信號(hào)被送到固態(tài)繼電器的線圈使線圈得電，固態(tài)繼電器的常開觸點(diǎn)和機(jī)器手動(dòng)停機(jī)按鈕并聯(lián)，固態(tài)繼電器線圈得電時(shí)常開觸點(diǎn)閉合觸發(fā)設(shè)備停機(jī)。圖4為手動(dòng)停機(jī)按鈕電路圖。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

圖5 手動(dòng)停機(jī)按鈕電路圖

1.4 技術(shù)創(chuàng)新

本系統(tǒng)從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，根據(jù)所生產(chǎn)產(chǎn)品的特性，利用色標(biāo)傳感器對(duì)產(chǎn)品不同部位的顏色進(jìn)行識(shí)別，以此達(dá)到快速識(shí)別被檢部位長(zhǎng)度的目的。本系統(tǒng)所選用的色標(biāo)傳感器相比于CCD工業(yè)相機(jī)具有體積小，適用于卷接機(jī)內(nèi)狹小空間的安裝。當(dāng)卷接機(jī)高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與粉塵，由于色標(biāo)傳感器只對(duì)兩種差別明顯的顏色進(jìn)行檢測(cè)，因此受環(huán)境影響較小且檢測(cè)準(zhǔn)確率高。而CCD工業(yè)相機(jī)由于要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行拍照成像，因此對(duì)環(huán)境光線、振動(dòng)、粉塵等因素較為敏感，對(duì)于卷接機(jī)類型的生產(chǎn)場(chǎng)景適用性較差。

在檢測(cè)速率方面本系統(tǒng)的檢測(cè)速率要明顯快于CCD工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)相組合的圖像處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)所選用的色標(biāo)傳感器反應(yīng)迅速，響應(yīng)時(shí)間一般可在45微秒以內(nèi)，而CCD工業(yè)相機(jī)的拍攝幀率一般在12FPS到114FPS之間，其工作一秒只可拍攝12到114張照片。而卷接機(jī)生產(chǎn)一支香煙速度為9677微秒，CCD工業(yè)相機(jī)的拍攝速率通常落后于卷接機(jī)生產(chǎn)速度，不能滿足生產(chǎn)檢測(cè)的需求。

在數(shù)據(jù)處理與方面，本系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)為色標(biāo)傳感器檢測(cè)后輸出的高低電平信號(hào)，而CCD工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)相組合的系統(tǒng)，需要處理從CCD相機(jī)傳輸來(lái)的大量圖片數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理速度相對(duì)較慢。本系統(tǒng)所需處理數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，編程簡(jiǎn)單靈活。

將CCD工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)相組合的圖像處理系統(tǒng)與本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行綜合比較，如表1所示。比較結(jié)果表明在成本、處理數(shù)據(jù)對(duì)象、檢測(cè)速率、生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性、系統(tǒng)程序這幾個(gè)方面，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)相比CCD工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)相組合的圖像處理系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1 本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與圖像處理系統(tǒng)綜合對(duì)比

2 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)ZJ17卷接機(jī)組會(huì)出現(xiàn)煙支水松紙長(zhǎng)短不符合質(zhì)量要求從而導(dǎo)致產(chǎn)品不良率較高的缺陷，開發(fā)了水松紙長(zhǎng)短自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。與視覺檢測(cè)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、安裝體積小、成本低、可靠性高。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)大大降低了產(chǎn)品的不良率，提高了生產(chǎn)率。