【摘 要】滤棒圆周精度是卷烟生产的一项重要性能指标，由于滤棒成型机理、设备振动以及其他干扰等因素都会导致滤棒圆周精度波动，影响卷烟的精度。现有的KDF2/3滤棒成型机组是滤棒生产核心设备，它具有结构紧凑（空间尺寸小）、生产速度高（300米/分钟），滤棒圆周精度离散控制等特点。本文提出了五种滤棒圆周精度在线实时检测方案，奥美佳多组检测器检测方案、基恩士轮廓检测方案、使用多组KD系列高精度测径仪检测方案、测量器360度旋转测量方案和单向测量器摆动测量方案。在广泛分析和实验验证的基础上，奥美佳四方向测径仪方案最优，该方案应用激光对滤棒关键径向直径尺寸非接触高速扫描，实现±0.5μm的高精度检测，为下一步滤棒圆周精度的在线实时控制研究奠定了基础。

【关键词】滤棒圆周精度；在线实时检测；检测方案；激光测量

前言

滤棒圆周精度是卷烟生产的一项重要性能指标。滤棒的质量直接关系到卷烟质量和烟厂经济效益。在滤棒生产时能及时发现圆周精度波动，是减少次品，保证滤棒质量的最可行最有效的办法。滤棒标准圆周为24mm，直径为7.64mm，生产时圆周控制在24±0.1mm。目前国内普遍使用的KDF2/KDF3滤棒成型机是通过气压检测方式检测滤棒圆周，这种方式测量到的喷嘴内滤棒圆周变化所引起的气压变化值非常微弱，检测信号易受干扰，气压与圆周变化关系为非线性，再加上现场所提供的气体压力波动的影响，检测精度较低，稳定性较差，不能满足生产要求。因此研究滤棒圆周精度的在线实时检测是极为必要的。

现实情形是KDF2结构紧凑，空间尺寸极为有限，这将限制测量器的安装尺寸；要测量的滤棒是一种易变形和无规则形状的柔性材料，前进速度为300m/min，600m/min两种，速度很高；滤棒的微小抖动、设备振动和其他干扰因素都会导致滤棒圆周精度波动。要精确检测滤棒圆周精度，就要对在线生产的滤条沿径向进行全方位扫描，这样采集到的数据极多，数据传输和处理也是需要考虑的问题。

测量器安装空间见下图，生产时滤条中心离右侧机器壁距离为80mm，另外三侧安装尺寸无限制。测量仪的总宽不能大于90mm。测量仪测量中心孔到机器壁的距离控制到75mm以内。

在线实时检测系统在很多领域都有应用。比如利用TPDS探测站设备对车辆运行状态进行远程实时监测[1]；利用proMtec微波测量技术在饮料加工中对密度进行实时监控[2]；利用M2110内圆磨床实时在线监控系统测控20～100mm的内孔直径[3]；利用AOTF近红外技术对打叶复烤均质化生产进行在线检测[4]；利用抽水蓄能电站机组主轴密封检测系统可实时检测其润滑水模的厚度以及磨损情况[5]；在线测量系统在水电站，矿井，涉及到温度，液体成分检测等行业应用尤为广泛。

目前，部分滤棒成型机配有离线圆周检测仪器。该装置间隔一段时间自动取出样品进行检测，其检测数据反馈给设备和操作者的时间有一定的滞后性。而且取样数量有限，不能全面真实反映在线生产的滤棒圆周状况。

许多生产厂商对圆周检测系统进行了改进，HAUNI公司把KDF3的测量喷嘴长度缩短[6]，其检测方式依然是气压检测方式；福建龙岩卷烟厂采用成像法，通过成像技术将滤棒的端部拍摄下来，再通过图像处理技术计算出滤棒的圆周，但在使用过程中发现检测精度不高；CCD测量法[7]对于较大尺寸被测件来说，需要较大尺寸的CCD器件，这使得CCD测量法成本较高。另外直径的计算需要使用图像处理方法，算法复杂；利用超声波测量出两探测器与工件表面距离，便可得知被测直径的大小。该方法测量精度较高，可达20Pm。缺点是仪器结构及操作比较复杂，价格昂贵，不适于现场使用。

本文提出的检测方案采用激光直径检测技术，对在线生产的滤棒进行360度扫描，实现对滤棒在线生产过程的实时监控，全面反映出在线生产滤棒的圆周波动情况，能实现±0.5μm的高精度检测，可减少不合格品的产生，为卷烟的优质生产提供有力的保障。

1 检测系统的构成

该系统的流程是利用传感器对滤棒圆周值进行数据采集，再通过数据传输，数据处理，最后PC显示，分析多种图形等。

传感器是检测系统的核心部件。基于滤棒是柔性体且高速运行，只能选择非接触式传感器；KDF2空间有限，不能使用大尺寸的传感器；本文研究的是滤棒圆周精度在线实时检测方案，不需要反馈控制，所以该检测系统是一个开环系统。

目前企业使用的是固定滤棒，测量器旋转的离线检测方法，通过部分滤棒的测量数据来判断整体的圆周情况，这是一种粗略的估计测量。我们选取了87组滤棒样品的离线测量数据，从数据本身和总体判断的角度进行分析，发现在线滤棒4个点的圆周测量值与整体值是最为接近的。这4个点必须相互垂直且均分，垂直点检测能够更加精确，均分能够减小误差。

2 方案的提出

方案一：奥美佳多组（2组或3组）检测器在线检测

该测量系统采用LGD-10XY双方向激光测径仪采集滤棒圆周数据，测量到的数据不稳定，加滤波处理，再通过RS485输出通讯信号，以LGD-10XYFD显示器显示圆周值。测量仪测量中心孔到机器壁的距离控制到75mm以内。

激光测径仪测量原理是由半导体激光发出激光束，通过马达带动八棱镜高速旋转，将激光光束扫描通过棱镜转换成平行光通过测试区，当测试区有被测目标物时，其会遮挡部分平行光，并通过接收器镜头在接收光元件上转换成低電平，而没有被测物遮挡的平行光则转换成高电平，通过计算低电平的扫描时间，则可计算出被测物的外径值。

方案二：基恩士（2个或3个测量头）轮廓在线检测

该测量系统采用两个轮廓测量头LJ-V7060（测量速度为64000轮廓/秒）进行滤棒圆周数据采集，测量头到被测物中心距离控制在60mm，上下两个测量头安装在同一个面上。用一台控制器LJ-V7001连接两个测量头，通过以太网输出轮廓数据，采用IPC保存数据，以一套设定显示软件LJ-H2显示轮廓图形。

轮廓测量仪的测量原理是柱面物镜将激光光束扩大为条状，随后激光在目标物上产生漫射。反射光在CMOS上成像，通过检测位置形状的变化来测量位移和形状。

我们对这个方案很感兴趣，亲自找了相关设备搭建了临时测量平台，对30支滤棒进行了轮廓测量，以验证测量仪检测滤棒圆周的速度以及准确性。该测量方案只能得出测量头到轮廓的相对高度值，每个截面共有1600个高度值（包括无效数据），我们借助拟出滤棒圆周的近似轮廓，再确定出圆心，最后计算出相应的半径值，可见其数据处理较为繁琐。

方案三：使用多组KD80系列高精度测径仪在线检测

该检测方案采用两组基于CCD方式的KD80高精度测径仪采集数据，还可以进行3组或者极限5组的组合测量或者将测量器背靠背合拢测量，其精度可以保证。

我们仿照滤棒圆周精度的离线检测方案提出了方案四和方案五。

方案四：测量器360度旋转在线测量

方案五：单向测量器摆动在线测量（可使用KD80系列测量仪）

3 方案评述

方案一的传感器尺寸满足安装空间；有现有的成功案例，技术成熟，可靠性高；但是需要通过试验寻找滤棒抖动的敏感方向，才能确定安装位置和测量方向；采集的数据量偏少，只有两个方向上的尺寸，其测量结果也无法真实准确的反映在线滤棒的圆周尺寸。

方案二传感器尺寸不满足安装空间；测量点数多，2个测量头能测量出240度左右的范围，在两个测量面的接合处存在测不到的数据，其精度会有所降低；我们使用基恩士公司的轮廓测量仪对滤棒样品进行了现场测量，发现其数据量非常大，其存储和传输有一定困难而且后期的数据目前没有方法进行处理得到滤棒的圆周值；测量器造价太高不利于推广。

方案三测量器尺寸较小，满足现场安装条件；价格3万元一组，成本不算太高；可以进行2组、3组或者极限5组的组合测量，这样采集的数据更多，测量精度会有相应提高。

方案四旋转台，传感器尺寸满足现场安装条件；旋转测量器的数据采集和数据处理是个难题，目前尚无经验；需要设计传动机构、测试动静平衡、对于其长期运行的动态稳定性没有把握。

方案五由于设备空间位置的限制，测量器摆动角度较小，无法测量整个滤棒截面，只能测量部分区域，同一截面只能测量一组直径值，精度较低；测量器运动不平稳，有回转、有冲击，需要测量器摆动角度，可能会与机器壁产生碰撞；存在动态不稳定的问题，长期使用后的检测精度、维护、校准等问题无法保证。

4 结论

通过调研分析以及一些验证试验，我们在奥美佳单向测试方案的基础上，重新设计了一种四方向测径仪且测量镜头在同一平面，这与我们所要求的4个测量点（15?、60?、105?、150?）相吻合，4个激光头每秒一共可采集到25个数据，可满足检测精度。其优点是：拥有自主知识产权、价格不高可以推广应用。该检测方法的研究为下一步滤棒圆周精度的在线实时控制研究奠定了基础，也对其他柔软材料的非接触几何尺寸测量具有借鉴意义。

参考文献：

[1] 王石生，桑苑秋，张治等.TPDS探测站状态远程在线实时监测的设计与实现.铁路计算机应用. 2005，14（6）：16-18

[2] 赵剑峰，K.-H.Theisen.proMtec在线实时微波浓度测控仪在食品工业中的应用.现代仪器.2010，16（1）：65-67

[3] 黎帆，傅莉，和法洋.M2110型内圆磨床磨削尺寸的在线实时测控.机械工程师. 2008，（9）：3-5

[4] 邹振民，董海平，许祥峰等.AOTAOTF近红外光谱仪烟草在线检测.第四届中国在线分析仪器应用及发展国际论坛论文集.北京，2012，6：399-420

[5] 孫玮，苏胜威，葛军强.抽水蓄能机组主轴密封实时在线检测系统.水力发电.2012，38（12）：64-66

作者简介：

杜文奎；本科，云南中烟红云红河烟草集团曲靖卷烟厂，助理工程师。

（作者单位：云南中烟红云红河烟草集团曲靖卷烟厂）