濾棒成型機單支剔除系統的設計

李楨輝 康 樂

（許昌煙草機械有限責任公司，河南 許昌 461000）

近年來，隨著煙草機械技術的不斷革新，尤其是自動化集成技術的應用，煙草機械設備逐漸向高速度、高質量、高精度方面發展。與此同時，濾棒成型機作為煙草制造行業不可或缺的重要部件也在不斷更新其技術水平。從400m/min的額定生產速度（例如KDF2/AF2、ZL22）到600m/min（例如KDF3/AF3、ZL26），甚至是1000m/min（例如KDF10、ZL28），濾棒的生產速度越來越快。然而，速度提升的同時，如何保證濾棒產品的質量是研究人員關注的重點和難點。為解決該問題，該文通過分析“V”形槽和剔除鼓輪的結構，重新定義了它們在剔除系統中的作用。通過分析檢測裝置與剔除閥和“V”形槽的位置關系，在高速情況下，利用西門子高速處理器來模擬濾棒在檢測裝置和剔除裝置之間的運動路徑，當濾棒到達剔除位置后，開啟剔除閥，提出濾棒，保證產品質量。

1 問題分析

在早期濾棒成型機中，由于其生產速度不高，不合格的濾棒產品通常由“V”形槽來進行剔除，如圖1所示，其結構由“V”形槽、毛刷和剔除孔組成。當濾棒經過刀盤切割后進入“V”形槽后，在毛刷的作用下進入加速輪處；若有剔除信號，則開啟剔除孔剔除濾棒。趙寶生和張小杭等通過改善剔除算法和剔除閥的精度提高了剔除系統的精度和性能。然而，當機器速度提升至600m時，由于濾棒線速度較快、“V”形槽不能在較短的時間內開啟剔除閥剔除濾棒，往往會造成多剔和漏剔的情況發生。以ZL26C為例，濾棒規格為120mm，一支濾棒經過剔除口所需時間約為12ms，這就要求剔除孔能夠在12ms進行一次開合。為能夠實現高速狀態下單支或多支濾棒剔除，該文提出增加一套鼓輪剔除系統，其結構如圖2所示。當經過刀盤切割后的濾棒進入接收鼓輪后，傳送給剔除鼓輪，若有剔除指令傳來時，開啟剔除閥，剔除濾棒。

圖1 “V”形槽結構示意圖

圖2 鼓輪剔除結構

2 系統設計

該文通過分析“V”形槽和剔除鼓輪的結構原理，重新定義了它們在剔除系統中的作用。當機器起動或者停止時，由于甘油電機以及絲束開松處于初始化階段，導致濾棒中甘油含量和絲束的密度不均勻，因此造成的廢品較多且是連續的，此時使用“V”形槽剔除較為合適。當機器運轉時，甘油、供膠、接紙等因素可能會造成的一支或多支濾棒指標超限，此時機器速度高，利用安裝在剔除鼓輪上的高速剔除閥，在一支濾棒經過的時間內開啟剔除閥，剔除不合格產品。機器起動階段，廢品較多，利用“V”形槽剔除時，僅需設定固定剔除支數，完成剔除即可。該文主要探究在機器高速運轉情況下模擬濾棒在檢測裝置和剔除鼓輪運行路徑，并在剔除鼓輪上進行剔除。其原理如圖3所示。

圖3 鼓輪剔除示意圖

當西門子PLC接收到檢測裝置發來的濾棒狀態時，在CPU內部建立濾棒從檢測裝置到剔除裝置之間的運行軌跡，來模擬濾棒在機器中的運行軌跡，當濾棒到達剔除鼓輪處，可根據PLC中記錄的濾棒的狀態來決定剔除閥是否開啟，剔除濾棒。圖中N表示剔除路徑，單位為支。設計分為以下幾個步驟。

2.1 檢測與剔除的時序

檢測與剔除時序是以刀盤轉動時序為基礎進行設計和計算的。如圖4所示，刀盤的兩側配有2個刀片，當刀盤轉動180，做一次切割運動，即刀盤轉動一次切割兩根棒。由此可知，當刀盤每次轉動到0或180時，可認為濾棒有濾棒傳來，其中為正整數。同時，刀盤轉速與濾棒線速度的關系如式（1）。

圖4 刀盤示意圖

式中：L表示濾棒長度，v表示濾棒的線速度。

根據刀盤轉動的相位角度，我們可以模擬出濾棒的移動脈沖、檢測時序和剔除時序，如圖5所示。假定刀盤轉動角度為0時，刀片位于濾棒切割正中心處（可通過機械調節使其位于正中心）。當刀片轉動到（×180°）。濾棒正在切割可以看作濾棒脈沖的起點或上一次切割的終點，即刀盤轉一圈濾棒水平方向前進L，做一次切割運動。檢測裝置的檢測時間為濾棒的前半段，后半段用來向CPU發送濾棒的狀態信息，這就要求檢測裝置的處理時間小于半根濾棒的處理時間0.5L/v。剔除閥開啟時間則可以設定為該支濾棒脈沖周期以內，即在0.5T~1T。

圖5 剔除系統時序圖

2.2 剔除路徑的計算

為能夠模擬濾棒從檢測裝置到剔除閥之間的狀態，筆者需要計算出它們之間的距離是多少，轉化為有多少支濾棒，即計算剔除路徑。以濾棒的長度規格作為計量剔除路徑的基本單位。剔除路徑N可以表示為式（2）。

式中：表示檢測裝置到達接收鼓輪的長度單位為mm；N表示接收鼓輪和剔除閥之間的濾棒數。

2.3 剔除算法設計

通過分析剔除系統的結構和原理，2.1和2.2節計算出剔除過程中的時序邏輯和剔除路徑。以此為基礎，設計剔除算法模擬濾棒在檢測裝置和剔除閥之間的運行狀態和軌跡，如圖6所示。采用移位寄存器來存儲濾棒的狀態信息并模擬它的運行軌跡，移位寄存器的長度是檢測裝置到剔除閥的檢測路徑；當刀盤轉動180°后，做一次切割運動，濾棒向前移動一支棒的距離，如圖6所示，在檢測裝置處記錄濾棒的狀態，并在移位寄存器中向左移動，其移動的速度和距離與濾棒在機器中運動的大小和方向一致。當其到達剔除閥時，根據移位寄存器所存儲的濾棒狀態，決定是否剔除。同時，檢測裝置檢測新的濾棒是否合格。進而完成濾棒的剔除操作。

圖6 剔除算法示意圖

3 應用效果

3.1 試驗設計

為驗證該文控制算法的有效性和可行性，搭建如圖7所示的試驗平臺驗證算法可行性。該系統由四部分組成：刀頭電機編碼器、檢測裝置、控制系統和剔除閥。其中刀頭電機編碼器安裝在刀頭電機上，對刀頭電機設置，使其能夠檢測到濾棒切割過程，并模擬濾棒脈沖。檢測裝置有2個。一個是檢測紙張拼接頭，另外一個是微波激光傳感器用于檢測濾棒密度、甘油含量、圓度等指標，當其檢測到超限值時，將其信號發送給控制系統進行處理。剔除閥選用的是高速剔除閥，能夠在短時間內開啟和關閉閥門，達到剔除的目的，其接收到控制系統命令后即可開始剔除。控制系統接收到由刀頭編碼器發送的濾棒脈沖信號和剔除信號，在內部模擬濾棒運行路徑，到達剔除閥位置后，根據濾棒狀態決定是否開啟剔除閥。

圖7 試驗平臺拓撲圖

3.2 數據分析

為驗證該文策略的有效性，利用搭建好的試驗平臺做剔除測試，結果如表1所示：當剔除1支濾棒時，機器速度從100支/min~600支/min均能夠完成操作，這說明，高速剔除閥能夠在一支濾棒經過的時間內完成剔除閥開啟和關閉動作。當剔除兩根棒時，程序設計剔除相鄰的兩根棒以及中間各一根棒，結果表明在不同速度下，程序以及高速剔除閥能夠精確剔除每根濾棒。多支剔除時，不同速度下能夠連續剔除不合格濾棒。綜合考慮，該文所設計控制策略能夠剔除濾棒成型機中的不合格濾棒，證明了該策略的有效性。

表1 該文剔除系統剔除結果

4 結論

該文利用移位寄存器，以濾棒脈沖為移動標志模擬濾棒在檢測裝置和剔除閥之間的運行狀態和軌跡。通過試驗測試，該策略能夠準確有效地剔除不合格濾棒，為濾棒產品的發展貢獻了一份力量。目前，該系統正裝配在復合濾棒成型機ZL45中進行實機試驗，剔除系統的穩定性和準確性還需進一步驗證。

成型機剔除濾棒標準如下：紙張拼接頭、絲束拼接頭、圓周超限、截面不合格、甘油含量超限等，取樣也被視為另外意義的剔除。它們的剔除路徑不同，使用該策略雖也能完成剔除操作，但是剔除不同種類濾棒需要重新設計編寫該文的算法，會加重CPU的處理負荷。下一步工作將以此為基礎，設計一款能融合多種剔除模式的控制算法，提升算法的通用性和效率。