一種在線測量卷煙圓周尺寸的方法

袁 麗，李居峰，金洋洋

（上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072）

1 問題的提出

卷煙生產是大規模自動化生產過程，由于機械壓頭和生產線相互力的作用，煙條在成型過程中橫截面并不是規則的圓形，而是一個上橢下圓的不規則橢圓，其形狀如圖1所示，因此在生產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。但是在卷煙產品的質量檢測方面，圓周尺寸是一項重要的物理指標，如果卷煙的圓周超標，卷煙和濾嘴進行卷接時就會出現卷接不嚴、漏氣等現象。

因此本文設計了一個測量系統，在生產過程中可以動態測量卷煙的圓周尺寸并計算圓度誤差，再將誤差反饋，從而及時調整卷接過程。該測量系統應具有測量速度快、精度高、非接觸、動態和自動化，同時應兼顧生產成本的特點。而CCD體積小、重量輕、分辨率高、精度好、穩定性強，可以滿足較高的測量精度和良好的測量穩定性，且價格低廉、配套的機械結構簡單，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。本系統的基本參數如下：

（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卷接機最高速達7 000支/min）。

同時，本設計應具有自動清潔功能，不受煙塵、膠垢影響，還可以進行剔除、報警、停機、數據查詢，同時還能將數據反饋給調整裝置。

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生的圓周誤差，且需要對圓度偏差進行測量，我們采用兩個垂直布置的CCD來對卷煙圓周進行檢測。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，再根據多次測量的數據進行誤差補償，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，每個光敏像元之間的距離絕對相等，當煙條在光源照射下投影到光敏像元上時，由于煙條會遮擋一部分平行光束，CCD上會形成一塊陰影區域，陰影區域的尺寸反映了待測煙條的尺寸，此后，CCD在驅動電路的驅動下，將載有圖像信息的電荷信號輸出，再由后續的信號處理系統將光信號轉換為電信號，電信號再由A/D轉換器和后期信號經數據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置兩個互相垂直的CCD傳感器后，可以將煙條在CCD光敏面上所成的影像轉為A/D信號存儲在CCD自帶的位移寄存器中，經數據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，像元總數多但每行的像元數一般比線陣少。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目標的測量。且線陣CCD的結構簡單，成本低廉，較面陣CCD靈敏度更高，實時傳輸光電變換信號和自掃描速度更快，頻率響應也更快。

由于生產過程中卷煙的截面形狀并不是很不規則，最大圓度誤差在垂直軸上，因此只需要獲得卷煙的動態一維圖像即可，即為了降低成本，可采用線陣CCD。本系統選用的是TCD1501C型線陣CCD攝像機，其理論精度為0.007mm，測量范圍在35mm以內，光敏像元數目為5 000，像元尺寸為7μm×7μm，光譜響應范圍為400nm～1 000nm，完全滿足設計要求。

4 測量系統的基本組成及原理

本系統的目的是在生產線上直接測量動態的煙條長、短徑，然后將數據處理得到圓度數據并與標準值進行比較，根據誤差進行剔除或者反饋到反饋系統，故系統不但要有測量裝置，還需要有反饋環節，可以將數據反饋并通過調整環節調整煙條的成型。為了程序編寫的方便，可以用PLC的方式進行編程控制，在人機交互上，選用基恩士系列的觸摸屏，對觸摸屏進行界面設計使其具有剔除、報警、設置參數等功能。PLC還需要和剔除閥、報警器等設備進行連接。測量系統的基本組成如圖3所示。

圖3 測量系統的基本組成

檢測系統的工作流程為：在光學系統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理電路，得到相應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進行采集及模數轉換，再將得到的數字信號送入PLC中進行運算得到煙條的直徑尺寸，然后在PLC中用煙條的直徑尺寸運算出圓周尺寸并與標準值進行比較，將比較信息進行反饋，從而控制電機運轉，實現實時檢測。其工作原理框圖如圖4所示。

圖4 系統工作原理框圖

5 試驗結果

本系統在投入使用后得到的試驗效果如圖5所示。由圖5可知，本系統的測量數據穩定，誤差較小，檢測到的圓周數據曲線圍繞標準值在誤差范圍內微量波動，因此本設計符合生產要求。

圖5 圓周檢測數據曲線圖

6 結論

本文提出的用兩組CCD測量卷煙的直徑和圓度的方法，不但提高了現代化卷煙生產的質量和生產效率，同時對改進卷煙檢測技術具有指導意義。

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