激光干涉復合機走紙行程傳感方式研究

李曉敏，朱喆，田強，劉藝，關成明

（武漢淡雅香生物科技有限公司，湖北 武漢 430030）

新型煙草作為煙草行業的“新勢力”，它可以提供一定的品吸感，但又有別于傳統卷煙，可以很大程度上降低有害煙氣的產生。但隨著市場的革新，煙草產業的產品布局也在逐步發生變化，各種新型煙草制品的升級迭代對于煙用接裝紙的生產工藝和性能提出更高的要求。而復合作為接裝紙性能提升的重要環節，其復合精度對復合效果的影響不言而喻，但是目前出于復合設備的限制，其復合精度無法滿足目前的生產要求。目前的復合設備經過優化設計與改進升級后已經逐步實現了智能化、數控化，內載有信號采集輸入等集成式控制構件。各分立機構的工作平穩狀況直接關系到產品品質，尤其是對產品復合精度的控制。目前控制精度的主要方式為控制收放卷位置張力的穩定性，如唐國方等人將傳統的微機控制系統以PLC為核心進行改造，最終實現了穩定的張力控制系統，提高了復合的精準度。殷曉東等人采用PID控制和同步控制相結合的方式，通過張力多級調節實現各傳動輥間速度誤差范圍在1%以內，張力誤差范圍在3%以內，實現了較好的控制效果。經分析以及實際操作經驗可判定紙張在干燥過程中的抖動是一個主要的因素，而對用于新型高精度復合定位傳感煙用接裝紙設備方面的研究，目前未見報道。因此本文擬針對復合設備進行定位傳感改造以提高其復合精度。

1 復合設備運行要點

復合是指將兩種或兩種以上的紙張、鋁箔或薄膜材料按照一定工藝貼合在一起形成多層結構產品的一種工藝。接裝紙復合工藝即用膠黏劑將鋁箔與紙張粘合在一起的加工方式。不同的復合工藝生產得到的復合材料效果各有不同，復合工藝的選擇還要依據具體的材料性質來確定。干法復合是通過在復合基材上涂膠，經過烘箱加熱使基材上膠液中的溶劑揮發，再與第二層基材加壓來實現復合。干法復合使用的膠粘劑是用揮發性較大的有機溶劑制備而成，其熔融溫度應不影響薄膜的性能，具有良好的黏合性能，受熱后黏性不會下降。濕法復合的工藝流程為：第一種基材（如紙、鋁箔等）表面上膠，在濕潤狀態下與第二種基材（如紙、鋁箔、塑料薄膜等）一起通過復合裝置加壓復合，然后再通過烘箱加熱烘干蒸發溶劑，實現兩種基材的復合。該工藝所使用的膠粘劑大多以水為主要溶劑，因此其基材至少有一層是紙或玻璃紙，且不能被水浸濕而產生大的形變，以便溶劑可以揮發。

復合機即用于紙張、鋁箔等材料多層貼合的卷材加工生產設備。復合機主要由放卷、涂布、烘干、復合、冷卻、收卷等六部分組成。干燥是指將復合材料置于一定溫度的環境中，通過溶劑蒸發使膠黏劑干燥以獲得所需要的復合牢度，這通常需要一定的時間。干燥也是復合過程中的一個重要因素，其直接影響到復合的剝離強度并有利于增加初粘力。目前復合機干燥走紙行程約10m左右，由于行程過長會增大設備運轉帶來的抖動誤差。而一些新型煙草由于特殊的性能需求，其紙張結構比較復雜，需要經過多重復合。但是目前使用的復合設備精度在0.5～1mm之間，無法滿足部分新型煙草所用鋁箔卷紙的精度需求。因此，可針對復合機的干燥走紙行程設計定位傳感器，對紙張的干燥走紙進行實時的控制，從而減小設備運轉帶來的抖動誤差。

2 激光干涉走紙行程傳感方案

查閱相關資料可知，激光傳感器是一種利用激光技術進行定位的傳感器。它由激光發射端、激光接收端和傳感電路組成。激光傳感器是一種新型傳感裝置，可以準確、非接觸地傳感應被測物體的位置或位移變化。由于采用激光定位時，無須與接裝紙表面接觸，可以保證紙張不會因接觸加壓而發生變形；加之激光具有良好的直線性，非常適用于煙用接裝紙的復合傳感。

2.1 激光干涉原理

干涉儀的基本原理是邁克爾遜式等臂結構，以激光器作為光源在目標位置安裝探測器進行位移測量，如圖1所示，由激光發射器發出一束激光通過分光鏡A分為兩路相互垂直的光分量，這兩路光頻率相同，一路作為參考臂，另一路光則作為傳感臂，兩路分量分別由兩平面鏡反射后在A處重新合路，調整兩路光的行程差，使得這兩路光有相位差，在探測器B端表面即可形成干涉信號，探測器即可根據該干涉信號即光速和激光光束從發出到接收的時間計算得相應的位置信息，因此通過該干涉信號就可以負載位移、角度等信息。激光測距精度可達到0.3mm左右，適合各種高精度測量用途。

圖1 邁克爾遜干涉儀原理

2.2 激光干涉傳感方案設計

本文利用高精度激光干涉傳感器傳感復合過程中接裝紙的走紙位移。在方案設計中，由激光發射器發出的激光分量先是打到接裝紙表面，經過分光器反射后與參考激光分量合路形成干涉信號，最后由激光檢測器接收穩定的拍頻干涉信號，經數據采集系統分析拍頻干涉信號所負載的位置信息計算得到接裝紙的位移信息。

激光干涉儀定位傳感方案設計如圖2所示，主要包括四個模塊：（1）激光發射模塊，主要負責發出穩定的激光光源；（2）頻率調制模塊，主要負責對激光發射模塊的輸出激光進行固定調頻；（3）光學平臺，用于安裝干涉光路所需的光學元件，包括分光鏡、反射鏡等；（4）數據采集模塊，主要負責干涉信號的采集與分析計算。在實際傳感時，首先由激光器發出的單色光經過分光鏡分為兩束等頻光束后分別進入到頻率調制模塊中的兩個移頻器中轉換為a1、a2兩個光分量，然后通過光纖進入光學平臺。兩束分光量在光學平臺內分別經分光鏡透射到達接裝紙表面的x1、x2兩個位置，然后再進入光學平臺后經分光鏡反射后到達探測器形成激光分量的拍頻干涉信號，最后由數據采集模塊對拍頻干涉信號相位進行分析和處理得到接裝紙行程的位移信息。

圖2 激光干涉儀方案設計

本文的位移傳感方案基于激光干涉的原理，通過讀取激光分量的相位變化以獲取接裝紙在干燥行程中的位移信息，而激光干涉儀系統中干涉信號的相位穩定性則是影響干涉傳感精確度的關鍵因素。干涉信號的相位穩定性主要體現在三個方面：

（1）激光束自身穩定性，如激光頻率受噪聲影響程度。

（2）實際光量路徑，如分光鏡的位置和角度變化引起的光路徑變化。

（3）器件折射率，如烘箱溫度變化所引起的光纖、分光鏡等的折射率變化。

2.3 產品打樣精度驗證

利用36g/m2×460mm規格原紙，在復合機上進行對開為36g/m2×230mm規格，按照前期制樣方式采取單盤復合。材料復合前，按照50mm鋁箔紙同軸、同車方式進行上卷，上卷前將盤面進行調整，制樣步驟如表1所示。制樣共計10盤，盤經310m，每盤1000m。結果表明，經改進后的設備運行平穩，無斷紙現象，中間晃動明顯減少，在中間間隙0.2mm左右情況下。走紙比較正常，可以正常制樣，且過程中人工預調試次數較少。

接裝紙樣品的相關寬度尺寸技術標準如表2。

如圖3所示為設備改造前后鋁箔卷紙整幅寬度、鋁箔寬度、中間寬度、間隙大小的對比，共試機10盤。

圖3 改造前后鋁箔卷紙樣品寬度指標比對

步驟 名稱 材料 要求 備注1 分切136g/m2煙用接裝原紙 居中分切6000m 可使用復合機分切誤差±5mm 2 復合1鋁箔金屬鋁面朝內不可見，中間紙張與鋁箔紙間隙≤0.5mm 3 分切2復合1半成品 分切寬度154mm 36g/m2煙用接裝原紙50mm鋁箔紙99.6mm襯紙三種材料同時放卷，使用粘度40s膠水復合成品米數：850m兩邊鋁箔紙寬度27mm

項目 技術要求整幅寬度（mm） 154.0±0.5鋁箔寬度（mm） 27.0±0.5中間寬度（mm） 100.0±0.5間隙（mm） ≤0.5

由圖3分析可知，改造前鋁箔卷紙的整幅寬度、鋁箔寬度、中間寬度、間隙精度分別在0.8mm、0.8mm、0.8mm、0.5mm范圍內，無法滿足精度要求，且容易造成原材料浪費。通過界定問題，改造設備，設備參數調試，改造后鋁箔卷紙的整幅寬度、鋁箔寬度、中間寬度、間隙精度分別降低至0.2mm、0.1mm、0.2mm、0.2mm，均可滿足精度要求。

3 結語

本項目研究了新型煙草大趨勢下的煙用接裝紙復合精度需求，對復合機中可能影響復合精度的因素做出初步分析，在復合干燥行程中設計激光傳感器，利用激光干涉儀對紙張的復合干燥走紙行程進行定位傳感，可以在不影響其復合效率的情況下，減少走紙過程中的抖動誤差，使產品滿足精度控制要求。該定位系統采用對稱光路結構技術，利用激光干涉對接裝紙進行定位傳感，具有精度高、耦合性的特點，將其用于接裝紙的定位傳感，可大大降低其在走紙過程中的抖動誤差，從而降低原材料損耗，具有較大的應用價值。