李晓敏，朱喆，田强，刘艺，关成明

（武汉淡雅香生物科技有限公司，湖北 武汉 430030）

新型烟草作为烟草行业的“新势力”，它可以提供一定的品吸感，但又有别于传统卷烟，可以很大程度上降低有害烟气的产生。但随着市场的革新，烟草产业的产品布局也在逐步发生变化，各种新型烟草制品的升级迭代对于烟用接装纸的生产工艺和性能提出更高的要求。而复合作为接装纸性能提升的重要环节，其复合精度对复合效果的影响不言而喻，但是目前出于复合设备的限制，其复合精度无法满足目前的生产要求。目前的复合设备经过优化设计与改进升级后已经逐步实现了智能化、数控化，内载有信号采集输入等集成式控制构件。各分立机构的工作平稳状况直接关系到产品品质，尤其是对产品复合精度的控制。目前控制精度的主要方式为控制收放卷位置张力的稳定性，如唐国方等人将传统的微机控制系统以PLC为核心进行改造，最终实现了稳定的张力控制系统，提高了复合的精准度。殷晓东等人采用PID控制和同步控制相结合的方式，通过张力多级调节实现各传动辊间速度误差范围在1%以内，张力误差范围在3%以内，实现了较好的控制效果。经分析以及实际操作经验可判定纸张在干燥过程中的抖动是一个主要的因素，而对用于新型高精度复合定位传感烟用接装纸设备方面的研究，目前未见报道。因此本文拟针对复合设备进行定位传感改造以提高其复合精度。

1 复合设备运行要点

复合是指将两种或两种以上的纸张、铝箔或薄膜材料按照一定工艺贴合在一起形成多层结构产品的一种工艺。接装纸复合工艺即用胶黏剂将铝箔与纸张粘合在一起的加工方式。不同的复合工艺生产得到的复合材料效果各有不同，复合工艺的选择还要依据具体的材料性质来确定。干法复合是通过在复合基材上涂胶，经过烘箱加热使基材上胶液中的溶剂挥发，再与第二层基材加压来实现复合。干法复合使用的胶粘剂是用挥发性较大的有机溶剂制备而成，其熔融温度应不影响薄膜的性能，具有良好的黏合性能，受热后黏性不会下降。湿法复合的工艺流程为：第一种基材（如纸、铝箔等）表面上胶，在湿润状态下与第二种基材（如纸、铝箔、塑料薄膜等）一起通过复合装置加压复合，然后再通过烘箱加热烘干蒸发溶剂，实现两种基材的复合。该工艺所使用的胶粘剂大多以水为主要溶剂，因此其基材至少有一层是纸或玻璃纸，且不能被水浸湿而产生大的形变，以便溶剂可以挥发。

复合机即用于纸张、铝箔等材料多层贴合的卷材加工生产设备。复合机主要由放卷、涂布、烘干、复合、冷却、收卷等六部分组成。干燥是指将复合材料置于一定温度的环境中，通过溶剂蒸发使胶黏剂干燥以获得所需要的复合牢度，这通常需要一定的时间。干燥也是复合过程中的一个重要因素，其直接影响到复合的剥离强度并有利于增加初粘力。目前复合机干燥走纸行程约10m左右，由于行程过长会增大设备运转带来的抖动误差。而一些新型烟草由于特殊的性能需求，其纸张结构比较复杂，需要经过多重复合。但是目前使用的复合设备精度在0.5～1mm之间，无法满足部分新型烟草所用铝箔卷纸的精度需求。因此，可针对复合机的干燥走纸行程设计定位传感器，对纸张的干燥走纸进行实时的控制，从而减小设备运转带来的抖动误差。

2 激光干涉走纸行程传感方案

查阅相关资料可知，激光传感器是一种利用激光技术进行定位的传感器。它由激光发射端、激光接收端和传感电路组成。激光传感器是一种新型传感装置，可以准确、非接触地传感应被测物体的位置或位移变化。由于采用激光定位时，无须与接装纸表面接触，可以保证纸张不会因接触加压而发生变形；加之激光具有良好的直线性，非常适用于烟用接装纸的复合传感。

2.1 激光干涉原理

干涉仪的基本原理是迈克尔逊式等臂结构，以激光器作为光源在目标位置安装探测器进行位移测量，如图1所示，由激光发射器发出一束激光通过分光镜A分为两路相互垂直的光分量，这两路光频率相同，一路作为参考臂，另一路光则作为传感臂，两路分量分别由两平面镜反射后在A处重新合路，调整两路光的行程差，使得这两路光有相位差，在探测器B端表面即可形成干涉信号，探测器即可根据该干涉信号即光速和激光光束从发出到接收的时间计算得相应的位置信息，因此通过该干涉信号就可以负载位移、角度等信息。激光测距精度可达到0.3mm左右，适合各种高精度测量用途。

图1 迈克尔逊干涉仪原理

2.2 激光干涉传感方案设计

本文利用高精度激光干涉传感器传感复合过程中接装纸的走纸位移。在方案设计中，由激光发射器发出的激光分量先是打到接装纸表面，经过分光器反射后与参考激光分量合路形成干涉信号，最后由激光检测器接收稳定的拍频干涉信号，经数据采集系统分析拍频干涉信号所负载的位置信息计算得到接装纸的位移信息。

激光干涉仪定位传感方案设计如图2所示，主要包括四个模块：（1）激光发射模块，主要负责发出稳定的激光光源；（2）频率调制模块，主要负责对激光发射模块的输出激光进行固定调频；（3）光学平台，用于安装干涉光路所需的光学元件，包括分光镜、反射镜等；（4）数据采集模块，主要负责干涉信号的采集与分析计算。在实际传感时，首先由激光器发出的单色光经过分光镜分为两束等频光束后分别进入到频率调制模块中的两个移频器中转换为a1、a2两个光分量，然后通过光纤进入光学平台。两束分光量在光学平台内分别经分光镜透射到达接装纸表面的x1、x2两个位置，然后再进入光学平台后经分光镜反射后到达探测器形成激光分量的拍频干涉信号，最后由数据采集模块对拍频干涉信号相位进行分析和处理得到接装纸行程的位移信息。

图2 激光干涉仪方案设计

本文的位移传感方案基于激光干涉的原理，通过读取激光分量的相位变化以获取接装纸在干燥行程中的位移信息，而激光干涉仪系统中干涉信号的相位稳定性则是影响干涉传感精确度的关键因素。干涉信号的相位稳定性主要体现在三个方面：

（1）激光束自身稳定性，如激光频率受噪声影响程度。

（2）实际光量路径，如分光镜的位置和角度变化引起的光路径变化。

（3）器件折射率，如烘箱温度变化所引起的光纤、分光镜等的折射率变化。

2.3 产品打样精度验证

利用36g/m2×460mm规格原纸，在复合机上进行对开为36g/m2×230mm规格，按照前期制样方式采取单盘复合。材料复合前，按照50mm铝箔纸同轴、同车方式进行上卷，上卷前将盘面进行调整，制样步骤如表1所示。制样共计10盘，盘经310m，每盘1000m。结果表明，经改进后的设备运行平稳，无断纸现象，中间晃动明显减少，在中间间隙0.2mm左右情况下。走纸比较正常，可以正常制样，且过程中人工预调试次数较少。

接装纸样品的相关宽度尺寸技术标准如表2。

如图3所示为设备改造前后铝箔卷纸整幅宽度、铝箔宽度、中间宽度、间隙大小的对比，共试机10盘。

图3 改造前后铝箔卷纸样品宽度指标比对

步骤 名称 材料 要求 备注1 分切136g/m2烟用接装原纸 居中分切6000m 可使用复合机分切误差±5mm 2 复合1铝箔金属铝面朝内不可见，中间纸张与铝箔纸间隙≤0.5mm 3 分切2复合1半成品 分切宽度154mm 36g/m2烟用接装原纸50mm铝箔纸99.6mm衬纸三种材料同时放卷，使用粘度40s胶水复合成品米数：850m两边铝箔纸宽度27mm

项目 技术要求整幅宽度（mm） 154.0±0.5铝箔宽度（mm） 27.0±0.5中间宽度（mm） 100.0±0.5间隙（mm） ≤0.5

由图3分析可知，改造前铝箔卷纸的整幅宽度、铝箔宽度、中间宽度、间隙精度分别在0.8mm、0.8mm、0.8mm、0.5mm范围内，无法满足精度要求，且容易造成原材料浪费。通过界定问题，改造设备，设备参数调试，改造后铝箔卷纸的整幅宽度、铝箔宽度、中间宽度、间隙精度分别降低至0.2mm、0.1mm、0.2mm、0.2mm，均可满足精度要求。

3 结语

本项目研究了新型烟草大趋势下的烟用接装纸复合精度需求，对复合机中可能影响复合精度的因素做出初步分析，在复合干燥行程中设计激光传感器，利用激光干涉仪对纸张的复合干燥走纸行程进行定位传感，可以在不影响其复合效率的情况下，减少走纸过程中的抖动误差，使产品满足精度控制要求。该定位系统采用对称光路结构技术，利用激光干涉对接装纸进行定位传感，具有精度高、耦合性的特点，将其用于接装纸的定位传感，可大大降低其在走纸过程中的抖动误差，从而降低原材料损耗，具有较大的应用价值。