CN102160690A - 滤棒圆周在线自动检测与控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种滤棒圆周在线自动检测与控制方法及装置，其特征是它主要由平行光源（1）、线阵CCD检测器（2）、扫描电机（3）、信号处理模块（4）和执行机构（6）组成，所述的平行光源（1）和线阵CCD检测器（2）分别位于滤棒正对的两侧，扫描电机（3）带动平行光源（1）和线阵CCD检测器（2）绕滤棒旋转；信号处理模块（4）的信号输入端与线阵CCD检测器（2）的信号输出端相连，信号处理模块（4）的信号输出端同时与平行光源（1）的控制端、扫描电机的电机驱动器的控制信号输入端以及执行机构（6）的控制信号输入端相连。具有精度高（接收像元尺寸<10um)，不受现场振动、噪音、温度、粉尘和气压波动等各种干扰因素影响，检测结果准确、稳定、可靠。

Description

滤棒圆周在线自动检测与控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种烟草机械，尤其是一种能对香烟辅材之一的滤棒的直径及圆度进行检测的方法及装置，具体地说是一种滤棒圆周在线自动检测与控制方法及装置。

背景技术

众所周知，烟支与滤嘴棒的圆周及圆度是卷烟厂产品质量十分重要的指标之一。卷烟工艺规范要求产品圆周指标与允差为设计值±0.20mm，圆度指标与允差为≤0.35mm。目前卷烟厂主要采用两种方式对产品圆周及圆度进行检测：（1）试验室离线检测，检测人员从机台上抽取样本后送往实验室用检测仪器进行检测，此种方式存在的主要问题是，不能实时在线对机台所生产的每支产品指标进行检测和显示，不能很好协助机台操作人员发现圆周质量问题并适时进行调整；（2）机台在线气压式检测，其原理是利用圆周变化所引起气室内气压变化来检测圆周，主要问题是圆周变化所引起的气压变化值非常微弱，检测信号易受干扰，再加上现场所提供的气体压力随时都在波动，因此检测分辨精度不够，检测结果可靠性、稳定性差，而且不能进行圆度检测。

发明内容

本发明的目的是针对目前滤棒圆度和直径检测中的离线检测存在周期长，不能实现对滤棒的实时整形，以及现有的气压式在线检测方式的精度低、稳定性差的问题，发明一种能自动在线实时检测滤棒直径及圆度的方法，同时提供一套实现该方法的装置。

本发明的技术方案之一是：

一种滤棒圆周在线自动检测与控制方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，在滤棒相对的两面分别安装一个能发射平行光的平行光源和一个用于接收平行光的线阵CCD检测器；

其次，将平行光源和线阵CCD检测器同时安装在一个转盘上，使平行光源和线阵CCD组件同时围绕滤棒旋转；

第三，按设定的转角使CCD检测器接收平行光源发射的光线得到滤棒在CCD检测器上的投影宽度值，该投影宽度值即为滤棒的直径，根据测得的直径值及对应的转角值进行计算即可得到每个转角对应的弧段的长度，将所有弧段的长度进行积分（相加）即可得到滤棒的周长值，从而可计算出滤棒的平均直径值，将旋转一周所得的最大直径值与最小直径相减即得滤棒的圆度值；

第四，如果所得的平均直径值和圆度值有任一项与标准值的偏差大于设定的阈值，则控制系统控制执行机构动作，调整滤棒的直径至设定值。

当测得平均直径值和圆度值中有任一项与标准值的偏差大于设定的阈值时，系统自动进行声光告警。

本发明的技术方案之一是：

一种滤棒圆周在线自动检测与控制装置，其特征是它主要由平行光源1、线阵CCD检测器2、扫描电机3、信号处理模块4和执行机构6组成，所述的平行光源1和线阵CCD检测器2分别位于滤棒正对的两侧，扫描电机3带动平行光源1和线阵CCD检测器2绕滤棒旋转；信号处理模块4的信号输入端与线阵CCD检测器2的信号输出端相连，信号处理模块4的信号输出端同时与平行光源1的控制端、扫描电机的电机驱动器的控制信号输入端以及执行机构6的控制信号输入端相连。

所述的信号处理模块4还连接有人机界面5。

所述的平行光源1和线阵CCD检测器2安装在同一个转盘上，转盘由扫描电机3驱动。

本发明的有益效果：

本发明保证了滤棒成型机对滤棒周长的高精度控制，通过光电传感器解决了环境波动对气压式传感器检测精度的影响，并可以提供滤棒圆度的检测功能，大大提高了卷烟生产过程中对滤棒生产的质量控制能力。系统具有指标先进、性能稳定、结构合理、体积小巧的优点，特别适合KDF2等机型的滤棒圆周控制系统的升级改造需求。

本发明充分发挥了光电检测系统实时监测滤棒截面几何尺寸变化的特点，通过信号转换、数据处理得到滤棒的圆周和直径数值，具有分辨率高，重复性好的特点。可广泛应用在卷烟滤嘴外径自动控制系统中，可取代原气压式外径控制，具有精度高（接收像元尺寸< 10微米)，不受现场振动、噪音、温度、粉尘和气压波动等各种干扰因素影响，检测结果准确、稳定、可靠。

本发明的滤棒投影由CCD接收产生的电模拟信号通过转换电路二值化，脉冲宽度与投影直径成正比，脉宽计时由FPGA高速计数器来计算，计时精度高于0.05微秒。

本发明的信号处理模块4采用基于NIOSII软核处理器的SOPC解决方案，单片FPGA完成信号采集、数据处理、数据通信、I/O控制等诸多功能，具有外围电路简洁、集成度高、软硬件无缝连接，升级维护无需更换硬件等优点。

具有精度高（接收像元尺寸< 10um)，不受现场振动、噪音、温度、粉尘和气压波动等各种干扰因素影响，检测结果准确、稳定、可靠，可替代原机气压式外径控制，特别适合KDF2等机型的滤棒圆周控制系统的升级改造需求。

附图说明

图1 本发明的系统原理示意图。

图2 本发明检测部分的机械结构示意图。

图3 本发明的CCD信号调理电路原理图。

图4 本发明的CCD模拟信号波形示意图。

图5本发明的实时数据显示界面示意图。

图6 本发明的现场实测数据截图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-5所示。

一种滤棒圆周在线自动检测与控制方法，它包括以下步骤：

首先，在滤棒相对的两面分别安装一个能发射平行光的平行光源和一个用于接收平行光的线阵CCD检测器；

其次，将平行光源和线阵CCD检测器同时安装在一个转盘上，使平行光源和线阵CCD组件在扫描电机的带动下同时围绕滤棒旋转；

第三，按设定的转角使CCD检测器接收平行光源发射的光线得到滤棒在CCD检测器上的投影宽度值，该投影宽度值即为滤棒的直径，根据测得的直径值及对应的转角值进行计算即可得到每个转角对应的弧段的长度，将所有弧段的长度进行积分（相加）即可得到滤棒的周长值，从而可计算出滤棒的平均直径值，将旋转一周所得的最大直径值与最小直径相减即得滤棒的圆度值；

第四，如果所得的平均直径值和圆度值有任一项与标准值的偏差大于设定的阈值，则控制系统控制执行机构动作，调整滤棒的直径至设定值。

当测得平均直径值和圆度值中有任一项与标准值的偏差大于设定的阈值时，系统自动进行声光告警。

本发明的自动检测和控制方法的基本原理是：

照明光源产生平行光，将经过检测通道的滤棒投影到对面的线阵CCD，如图1所示，线阵CCD检测器在信号处理模块的时序信号驱动下执行擦除、曝光、采样、移位，线阵CCD检测器的模拟输出端根据移位脉冲输出电压波形，每个时刻的电压代表直径方向上对应点的接收光强；图3为信号处理模块上的CCD信号调理电路，对输入CCD信号进行放大、滤波后得到CCD信号如图4所示，其中电位高低代表光强，光功率越强，电位越低，可见波形中部为滤棒阴影形成的高电位波形，在滤棒的投影边界光强产生突变，形成上升下降沿；此模拟信号波形经电压比较器二值化处理得到脉冲信号输出到FPGA高速计数器，FPGA中的高速计数器进行脉宽计时处理得到表示直径大小的计数值。

在扫描电机的驱动下，照明平行光源与线阵CCD检测器围绕着滤棒做往返圆周运动，目的是将整个圆周角度的直径都采集下来，角度数据与直径数据写入双口RAM中。FPGA中的NIOS II软核处理器定时读取双口RAM中的数据，得到不同时间的滤棒截面轮廓的快照，将直径与角度换算为弧长，积分后得到此时的周长值，根据一周直径的最大值与最小值的差得到圆度值。

控制系统中增加了人机界面模块（如图1），人机界面模块负责输入工艺参数并实现掉电保存。上电时自动将标准周长值、周长偏差值、圆度偏差值、周长容差值等通过数据线传输给信号处理模块中的NIOS II处理器，处理器根据采样数据和工艺参数执行控制，并将状态和检测数据发到人机界面显示。所采取的控制策略如下：

a、信号处理，信号处理模块开始检测成型机的运行信号，一旦原机开始启动主电机，则系统进入在线工作状态；

b、将测量得到的周长值与标准周长值相减得到周长误差；如果误差的绝对值小于周长容差则为可接受状态，不对执行机构进行调整，保持执行电机位置；反之则打开执行电机调节滤棒直径，调节方向由误差的正负决定；周长误差超过周长偏差值时将触发周长不合格报警，同样圆度测量值超过圆度偏差值时产生圆度不合格报警信息；

c、调节方式分粗调（快速连续调整）和细调（脉冲单步调整）两种，当周长误差绝对值超过调节方式转换域值（出厂设为0.15mm)时，自动选择粗调方式，执行电机连续转动，快速调节直径，直至周长误差绝对值减小到阈值以内切换到细调方式，执行电机脉冲方式转动，每次转动量由脉冲宽度决定，通过设置脉冲宽度可以达到30um的周长调节精度；

d、信号处理模块检测到原机停机信号，将自动停止直径调节操作，防止误调节。延时（默认值为1分钟）后停止扫描电机工作，进入待机状态。

实施例二。

如图1-6所示。

一种滤棒圆周在线自动检测与控制装置，它主要由平行光源1、线阵CCD检测器2、扫描电机3、信号处理模块4、人机界面5（计算机及显示器）和执行机构6（执行机构6由执行电机601驱动减速机构602运动，减速机构602再带动调整滤棒直径的压板603动作）组成，如图1，所述的平行光源1和线阵CCD检测器2分别位于滤棒正对的两侧，扫描电机3带动平行光源1和线阵CCD检测器2绕滤棒旋转；信号处理模块4的信号输入端与线阵CCD检测器2的信号输出端相连，信号处理模块4的信号输出端同时与平行光源1的控制端、扫描电机的电机驱动器的控制信号输入端以及执行机构6的控制信号输入端相连。所述的信号处理模块4还连接有人机界面5。所述的平行光源1和线阵CCD检测器2安装在同一个转盘上，转盘由扫描电机3驱动，如图2所示，图2中线阵CCD检测器平行光源均安装在同一个转盘上，转盘安装在支架上并由扫描电机带动转动，图2中7为滤棒，8为连接转盘和扫描电机的传动带，9为扫描电机轴，10为支架，11为上罩，12为滤棒入口导向套，15为滤椴输出管。

图1中的机构还可分为三个部分即圆周检测模块13、主机14与执行机构6。其中圆周检测模块13在滤棒通道中负责直径信号的光电转换及圆周扫描，采用电机同步皮带传动，带动光源与线阵CCD一体化的检测转盘围绕中心开孔做圆周运动，扫描通道中的被测滤棒7得到全部圆周角的直径数值；主机集中了信号处理电路4、电机驱动器、人机界面模块5及电源等，通过信号电缆与检测模块13、执行机构6等相连；执行机构6可采用原有的成型机（如KDF2型）原机部件，包括交流执行电机和减速机构及起抬压板等。

本发明的具体使用过程为：

安装过程：在停机状态下将原机的气压式控径系统拆卸，然后安装光电检测模块，固定光电检测模块后用专用工具进行通道准直调整，调整到位后固定调整螺丝；第二步安装主机，将主机固定在原机上，连接主机至光电检测器的信号电缆，连接主机至执行电机的控制电缆，连接主机至原机起、停机触点，最后接原机的110V交流电源线；

试运行过程：接通原机电源，开主机电源开关，人机界面显示系统上电画面。放入测试棒到光电检测模块通道中，点击进入脱机运行模式，观察扫描电机运行及界面显示数据是否正常。调整直径设定，观察执行电机运行是否正常。

校准过程：先设定圆周长标准值（比如24.20mm）及其它参数，开机运行，系统将自动开始粗调、细调过程，直至滤棒读数稳定在24.2左右，调整指示灯不亮。保持此状态稳定运行20秒后停机；从此20秒时段生产的滤棒里随机抽取30只滤棒，去离线检测装置测试，得到实测滤棒周长平均值X（比如24.57mm）；点击主界面上的参数设置按键，进入参数设置界面，点击打开校准设置按键，进入校准设置界面。输入校准实测周长为X（24.57），点击进行校准按键后确认即可完成校准。

运行维护过程：系统校准后可以正式投入生产，按生产工艺设定工艺参数后系统自动控制执行电机运行，无需人工干预。开机时检查滤棒通道及扫描电机机构中无杂物，系统具有自动检测功能，连续长时间运行将提醒清洁维护，保持系统状态良好。

本系统的工作原理为：

本发明的检测通道位置可选择在原气压式直径检测器的位置处，滤棒从入口导向盘进入通道检测至输出管出口高速运动不接触任何物体，如图2所示，在通道中间检测位置照明光源1照射滤棒，平行光束被滤棒遮挡后投影在对面的线阵CCD检测器2上，其投影长度即为直径长度；线阵CCD输出信号至信号处理模块4，经处理后得到直径数据；信号处理模块4控制扫描电机3运动，扫描电机带动照明光源1和线阵CCD检测器2围绕滤棒做圆周运动，这个运动与信号采集过程同步进行得到不同角度的直径数据，将直径与步距角数据计算得到每个弧段的长度，在整个圆周角度范围内对弧长积分即可得到周长数值，同时取出直径的最大与最小之差值作为圆度；滤棒投影由CCD接收产生的电模拟信号通过转换电路二值化，脉冲宽度与投影直径成正比，脉宽计时由FPGA高速计数器来计算，计时精度高于0.05微秒；信号处理模块4采用基于NIOSII软核处理器的SOPC解决方案，单片FPGA完成信号采集、数据处理、数据通信、I/O控制等诸多功能，具有外围电路简洁、集成度高、软硬件无缝连接，升级维护无需更换硬件等优点。

控制方法如下：

a、上电后人机界面模块将掉电保存的工艺参数：标准周长值，周长偏差值，圆度偏差值，周长容差值等通过数据线传输到主机中的信号处理模块，信号处理模块开始检测原机的运行信号，一旦原机开始启动主电机，则系统进入在线工作状态；

b、将测量得到的周长值与标准周长值相减得到周长误差值；如果误差的绝对值小于周长容差则为可接受状态，不对执行机构进行调整，保持执行电机位置；反之则打开执行电机调节滤棒直径，调节方向由误差的正负决定；周长误差超过周长偏差值时将触发周长不合格报警，同样圆度测量值超过圆度偏差值时产生圆度不合格报警信息；

c、调节方式分粗调（快速连续调整）和细调（脉冲单步调整）两种，当周长误差绝对值超过调节方式转换域值（出厂设为0.15mm)时，自动选择粗调方式，执行电机连续转动，快速调节直径，直至周长误差绝对值减小到阈值以内切换到细调方式，执行电机脉冲方式转动，每次转动量由脉冲宽度决定，通过设置脉冲宽度可以达到30um的周长调节精度；

d、信号处理模块检测到原机停机信号，将自动停止直径调节操作，防止误调节。延时（默认值为1分钟）后停止扫描电机工作，进入待机状态；

e、所有工艺参数可以在线调整，调整后系统将进入更新调整周期，直至检测值与设定值误差小于容差；

f、可关闭自动调径，使用主机面板上的按键进行手动调径。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种滤棒圆周在线自动检测与控制方法，其特征包括以下步骤：

首先，在滤棒相对的两面分别安装一个能发射平行光的平行光源和一个用于接收平行光的线阵CCD检测器；

其次，将平行光源和线阵CCD检测器同时安装在一个转盘上，使平行光源和线阵CCD组件同时围绕滤棒旋转；

第三，按设定的转角使CCD检测器接收平行光源发射的光线得到滤棒在CCD检测器上的投影宽度值，该投影宽度值即为滤棒的直径，根据测得的直径值及对应的转角值进行计算即可得到每个转角对应的弧段的长度，将所有弧段的长度进行积分即可得到滤棒的周长值，从而可计算出滤棒的平均直径值，将旋转一周所得的最大直径值与最小直径相减即得滤棒的圆度值；

第四，如果所得的平均直径值和圆度值有任一项与标准值的偏差大于设定的阈值，则控制系统控制执行机构动作，调整滤棒的直径至设定值。

2.根据权利要求1所述的滤棒圆周在线自动检测与控制方法，其特征是当测得平均直径值和圆度值中有任一项与标准值的偏差大于设定的阈值时，系统自动进行声光告警。

3.一种滤棒圆周在线自动检测与控制装置，其特征是它主要由平行光源（1）、线阵CCD检测器（2）、扫描电机（3）、信号处理模块（4）和执行机构（6）组成，所述的平行光源（1）和线阵CCD检测器（2）分别位于滤棒正对的两侧，扫描电机（3）带动平行光源（1）和线阵CCD检测器（2）绕滤棒旋转；信号处理模块（4）的信号输入端与线阵CCD检测器（2）的信号输出端相连，信号处理模块（4）的信号输出端同时与平行光源（1）的控制端、扫描电机的电机驱动器的控制信号输入端以及执行机构（6）的控制信号输入端相连。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的信号处理模块（4）还连接有人机界面（5）。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征是所述的平行光源（1）和线阵CCD检测器（2）安装在同一个转盘上，转盘由扫描电机（3）驱动。

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