超聲波技術在盤紙接頭檢測上的應用

王國峰，周耀東，任衍宇

（1.山東中煙工業有限責任公司滕州卷煙廠設備管理處，山東滕州 277599；2.沈陽航空六二六科技有限責任公司，遼寧沈陽 110034）

0 引言

在我國的煙草行業中，當前大部分煙廠在用的包裝設備為GDX1/X2 機型，生產速度為400 包/min。煙包的內襯紙為圓形整盤鋁箔紙，一盤鋁箔紙的長度為2000～3000 m，供給速度為90～100 m/min，存在內部接頭，標準工藝要求每盤接頭≤2 個。本文主要研究如何采用超聲波檢測技術檢測盤紙中的內部接頭并自動剔除，保證成品煙包質量，進一步完善中煙公司要求的“保質、降耗”的工作目標。

1 設備使用現狀

目前在用的煙包鋁箔紙為第三方提供的原材料，圓形整盤包裝，長度為2000～3000 m，在原料生產中如果出現斷紙，原料廠家通常會用膠帶粘接后繼續卷制成規定長度，從而出現內部接頭，標準工藝要求每盤接頭≤2 個。而GDX 包裝機設備中沒有鋁箔紙內部接頭檢測器，在生產過程中如果出現接頭，帶膠帶接頭的鋁紙就會被包裝到成品煙包中，不僅造成成品質量問題，而且還會因為這個問題前后拆開多個煙包查找，造成浪費。如果帶接頭的煙包流入市場，引起市場的質量反饋，就會造成質量事故。

2 檢測方法研究

目前對于盤紙內部接頭檢測，部分設備安裝了色標傳感器檢測或光電傳感器檢測，但效果并不理想。采用色標傳感器只能檢測帶顏色的接頭，但有的原料盤紙采用透明膠帶粘接，并無顏色，色標傳感器無法檢測出來；采用光電傳感器檢測，問題更多，由于鋁箔紙反光、印花而且不同品牌盤紙用的膠帶并不一樣，光電傳感器檢測會出現漏檢，需要不斷調整，檢測效果更差。

通過不斷的探索研究，對比色標傳感器與光電傳感器檢測的弱點，應用先進的超聲波檢測技術檢測盤紙內部接頭，取得很好的檢測效果。

3 超聲波檢測方法原理

超聲波是指振動頻率大于20 kHz，通常以縱波的方式在彈性介質內傳播，是一種能量的傳播形式，常用的超聲波檢測方法有共振法、穿透法、脈沖反射法等。超聲波傳感器能檢測各種形態的物體，可以準確識別各種材料和顏色，也可以識別透明材料和薄膜，甚至是細線。

對于整盤鋁箔紙，其接頭為膠帶粘接，接頭處為雙層紙，厚度比正常盤紙要厚，如圖1 所示。本文結合盤紙接頭的特征，選用超聲波穿透檢測技術原理，在鋁紙的兩側放置超聲波探頭，一個探頭發射超聲波到鋁紙表面，另一個探頭接收穿透濾紙的超聲信號，根據信號強度與幅度的變化情況判斷是單層紙還是雙層紙，從而檢測出盤紙接頭。

圖1 超聲波檢測單層紙與雙層紙的方式

4 超聲波傳感器的設計應用

應用超聲波穿透法檢測技術，需要針對被檢測物質的特征采用合適的傳感器，煙包鋁箔紙，其寬度為114 mm，厚度不到1 mm，整盤連續運行，因此本設計采用德國威聲（Microsonic）esf-1 槽型超聲波檢測器，U 形槽設計，發射器與接收器上下固定，在槽型前端，避免了傳統超聲波傳感器發射器與接收器準確對射難等問題，使得檢測更加穩定準確，槽型寬度6 mm，槽深64 mm。盤紙采用非接觸式穿過槽通道。超聲波檢測器參數見表1，傳感器外部接線方式見圖2。圖2 中：1號腳對應棕色（電源+）；2號腳對應白色（斷紙）；3號腳對應藍色（電源-）；4號腳對應黑色（接頭）；5號腳對應灰色（外接按鈕代替T 鍵）。

圖2 傳感器外部接線方式

表1 超聲波檢測器參數

5 檢測與控制流程

當待檢測的盤紙紙帶從傳感器的U 形槽位置穿過時，U 形槽下方的超聲波發射器會發出高頻聲波脈沖，穿透紙帶，聲波脈沖造成紙帶的振動，由此產生了一個超聲波射向對面，這樣U 形槽上方的接收器便可以接收到這個聲波信號。由于透過單層紙帶發射給接收器的信號電平與透過雙層紙帶（貼上膠帶的紙帶）發射的信號電平是有差別的，這種信號差異將被傳感器內部電路接收并解析，從而實現對紙帶有無接頭的檢測。

5.1 檢測流程

首先對傳感器的輸出方式進行初始化設置，將4 腳輸出設為高電平（NPN 狀態）用于檢測出接頭，其次進行參數自學習設定，設定無接頭紙帶與有接頭紙帶兩種參數，準備一條帶接頭的盤紙紙帶，先將紙帶無接頭部分放置在檢測槽內，按動設置按鍵完成無接頭紙帶參數設置，然后將有接頭紙帶放置在檢測槽內，按動設置按鍵完成有接頭紙帶參數設置。當兩個參數設定完成后，傳感器檢測參數設置成功。

5.2 控制流程

盤紙接頭檢測采用同步自動剔除控制，超聲波傳感器檢測出的盤紙接頭，經過PLC 程序記錄與同步移位，在GD 包裝機的8號剔除輪上實現自動同步剔除，不影響設備運行。

同步剔除的信號直接取自主機編碼器，在GD 包裝機主控柜線路板上取信號，本文設計專用的主機同步編碼板HKGBM，編碼信號取自主機2A596 編碼器，編碼周期為360°/周，由編碼板讀取主機工位角度，記錄兩個角度，一個是同步移位角度，一個是同步剔除角度，移位角度為295°，剔除角度為235°，如圖3 所示。采用MicroⅡ控制系統工位角度移位、剔除方法，實現與包裝機MicroⅡ控制無縫對接，不僅保證移位角度精準，而且剔除準確，不合格產品只剔一包。檢測與控制流程如圖4 所示。

圖3 移位與剔除角度

圖4 檢測與控制流程

6 超聲波檢測器的實際應用

在本文的設計應用中，根據GD 包裝機的設備情況與生產工藝，GD 包裝機的鋁箔紙分為左右兩個盤紙，需要左右安裝兩個超聲波接頭檢測傳感器，不僅實現兩個鋁箔盤紙內部接頭的自動在線檢測，而且增加了斷紙檢測功能。電路圖如5 所示。

圖5 電氣原理

7 結論

本文應用超聲波檢測技術檢測盤紙內部接頭，已經成功安裝到設備上，通過機臺的三班連續一周的實際運行記錄平均一班的剔除數量，結果顯示檢測效果良好（表2），有效檢測出鋁箔紙盤紙的內部接頭并自動剔除，避免帶接頭的煙包流入市場，引起市場的質量反饋，降低了質量事故。同時更換品牌時無需重新調試設定，應用簡單。

表2 連續一周平均一班的剔除數量