一种在线测量卷烟圆周尺寸的方法

2015-12-31李居峰金洋洋

机械工程与自动化 2015年3期

袁丽，李居峰，金洋洋

（上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072）

1 问题的提出

卷烟生产是大规模自动化生产过程，由于机械压头和生产线相互力的作用，烟条在成型过程中横截面并不是规则的圆形，而是一个上椭下圆的不规则椭圆，其形状如图1所示，因此在生产过程中卷烟的圆度会有一定的偏差，卷烟的圆周尺寸也就不容易直接测量。但是在卷烟产品的质量检测方面，圆周尺寸是一项重要的物理指标，如果卷烟的圆周超标，卷烟和滤嘴进行卷接时就会出现卷接不严、漏气等现象。

因此本文设计了一个测量系统，在生产过程中可以动态测量卷烟的圆周尺寸并计算圆度误差，再将误差反馈，从而及时调整卷接过程。该测量系统应具有测量速度快、精度高、非接触、动态和自动化，同时应兼顾生产成本的特点。而CCD体积小、重量轻、分辨率高、精度好、稳定性强，可以满足较高的测量精度和良好的测量稳定性，且价格低廉、配套的机械结构简单，成本低。故本文将用两组CCD来分别测量出烟条横截面的长径和短径。本系统的基本参数如下：

（1）测量范围（mm）：圆周为16.3～28.27、直径为Φ5.2～Φ9。

（2）测量精度（mm）：0.014。

（3）测量速率（支/s）：最大800（例如PT-70卷接机最高速达7 000支/min）。

同时，本设计应具有自动清洁功能，不受烟尘、胶垢影响，还可以进行剔除、报警、停机、数据查询，同时还能将数据反馈给调整装置。

2 双CCD测量卷烟长、短径的原理

为了克服图1所示的圆度偏差所产生的圆周误差，且需要对圆度偏差进行测量，我们采用两个垂直布置的CCD来对卷烟圆周进行检测。双CCD测量烟条圆度的布置方式如图2所示。

图1 卷烟烟条的横截面形状

图2 双CCD测量烟条圆度的布置方式

由图2可知，要测量烟条的圆周尺寸，只需要测出烟条横截面的长径D和短径d，再根据多次测量的数据进行误差补偿，则由长径D和短径d可以推算出烟条的圆周长度。CCD是由许多光敏像元组成的，每个光敏像元之间的距离绝对相等，当烟条在光源照射下投影到光敏像元上时，由于烟条会遮挡一部分平行光束，CCD上会形成一块阴影区域，阴影区域的尺寸反映了待测烟条的尺寸，此后，CCD在驱动电路的驱动下，将载有图像信息的电荷信号输出，再由后续的信号处理系统将光信号转换为电信号，电信号再由A/D转换器和后期信号经数据处理后就可以得到直径尺寸。图2中，在水平方向和竖直方向上分别设置两个互相垂直的CCD传感器后，可以将烟条在CCD光敏面上所成的影像转为A/D信号存储在CCD自带的位移寄存器中，经数据处理后得到烟条的长径D和短径d，然后就可以推算出烟条的圆周尺寸及圆度偏差。

3 CCD的选用

CCD按其光敏像元的排列方式分为线阵CCD和面阵CCD。线阵CCD的光敏像元排列方式为单排排列，其单排光敏像元的数目可以排很多，而面阵CCD的光敏像元排列方式为面阵排列，像元总数多但每行的像元数一般比线阵少。面阵CCD可以获取二维图像信息，其测量图像直观，图像处理算法较为简单，但是由于其像元排列方式的原因，每行的像元数一般较线阵CCD少，其帧幅率较线阵CCD低，而线阵CCD因一维像元数可以做很多、像元尺寸比较灵活，故会有较高的帧幅率，非常适合于一维动态目标的测量。且线阵CCD的结构简单，成本低廉，较面阵CCD灵敏度更高，实时传输光电变换信号和自扫描速度更快，频率响应也更快。

由于生产过程中卷烟的截面形状并不是很不规则，最大圆度误差在垂直轴上，因此只需要获得卷烟的动态一维图像即可，即为了降低成本，可采用线阵CCD。本系统选用的是TCD1501C型线阵CCD摄像机，其理论精度为0.007mm，测量范围在35mm以内，光敏像元数目为5 000，像元尺寸为7μm×7μm，光谱响应范围为400nm～1 000nm，完全满足设计要求。

4 测量系统的基本组成及原理

本系统的目的是在生产线上直接测量动态的烟条长、短径，然后将数据处理得到圆度数据并与标准值进行比较，根据误差进行剔除或者反馈到反馈系统，故系统不但要有测量装置，还需要有反馈环节，可以将数据反馈并通过调整环节调整烟条的成型。为了程序编写的方便，可以用PLC的方式进行编程控制，在人机交互上，选用基恩士系列的触摸屏，对触摸屏进行界面设计使其具有剔除、报警、设置参数等功能。PLC还需要和剔除阀、报警器等设备进行连接。测量系统的基本组成如图3所示。

图3 测量系统的基本组成

检测系统的工作流程为：在光学系统和检测器件的共同作用下，由CCD检测载有被测烟条直径信息的影像信号，将此影像信号输出到信号调理电路，得到相应的去除了干扰信号的电压信号，然后将该电压信号输送到A/D进行采集及模数转换，再将得到的数字信号送入PLC中进行运算得到烟条的直径尺寸，然后在PLC中用烟条的直径尺寸运算出圆周尺寸并与标准值进行比较，将比较信息进行反馈，从而控制电机运转，实现实时检测。其工作原理框图如图4所示。