摘

要：為解決YL21改型復合濾棒成型機料斗卡棒的問題，結合目前實際情況，設計了一種料斗改進系統，能夠有效地減少出現卡棒問題的概率。影響YL21改型復合濾棒成型機卡棒的主要原因有兩種：一是少部分原棒本身的質量問題，二是料斗本身設計的原因，原棒容易在料斗中散落，從而無法正確卡在分切鼓輪上。針對這兩種情況，現設計的裝置在原料斗裝置上增加一個篩選鼓輪，利用NodeMCU結合紅外測距傳感器和剔除裝置，將質量有缺陷的原棒和位置不正確的原棒剔除，從而大大降低復合濾棒成型機的卡棒現象，極大地提高了生產效率。關鍵詞：復合濾棒；NodeMCU；卡爾曼濾波算法；工控

0

引言目前，煙草行業把減害降焦擺在突出位置，一種立竿見影的措施就是使用復合濾棒。復合濾棒成型機是生產復合濾棒的設備，現已成為濾棒生產企業的重要設備。除了部分企業在最近幾年引進了德國HAUNI公司、荷蘭ITM集團和意大利Montrade生產的復合濾棒成型機外，我國當前復合濾棒成型機主要為20世紀引進英國MOLINS公司生產的DR2-5型復合濾棒成型機，以及在其他纖維濾棒成型機基礎上進行各種改進的衍生機型。部分生產復合濾棒的機型是在YL21纖維濾棒成型機基礎上進行改進設計的，主要改進部位是用復合濾棒分切裝置替換了開松上膠機。在日常生產中，時常會出現原棒卡棒的現象，每次卡棒都勢必要造成設備停機，維修過程中需要重新調試機器，浪費大量原棒。引起卡棒的原因主要有兩個方面：一是原棒在料斗中直接進入到分切鼓輪，由于分切鼓輪是逆時針運行，實際上每次只有最右邊的原棒才能卡入分切鼓輪的輪槽，料斗左邊的原棒保持一種相對靜止的狀態，無法從下部落入分切鼓輪右邊的輪槽；由于料斗高度較高，運行一段時間后，就會造成原棒在料斗中左高右低的現象，料斗中的原棒會從左邊的高處散落到右邊的低處，導致原棒無法正確地卡入分切鼓輪的輪槽中。二是由于部分原棒本身的質量問題，如出現長度不夠、爆口等缺陷，都會造成原棒被分切后，卡在分切鼓輪或提升及調頭機構中，從而造成設備停機。卡棒現象在復合濾棒的生產過程中，極易造成原料的浪費和生產計劃的延誤，增加操作人員的工作強度，因此對其進行改進設計很有必要。本文設計了一種料斗改進系統：在原機的基礎上，用柔性隔離帶將料倉分為上下兩部分，加裝篩選鼓輪、原棒定位檢測裝置以及原棒剔除裝置，利用NodeMCU接受定位檢測裝置的數據進行處理后，控制篩選鼓輪和原棒剔除裝置，以達到降低不合格原棒進入分切鼓輪的目的，保證原棒正確卡在分切鼓輪的輪槽中，大大降低卡棒的故障概率。1

整體結構的改進復合濾棒成型機的料斗機構主要由料倉、攪動輪和分切鼓輪等構成（圖1）。本文的改進方案主要是增加一個篩選輪和原棒定位檢測裝置（圖2），將質量和定位不合格的原棒剔除出去。分切鼓輪逆時針旋轉，篩選輪設定為順時針旋轉，使得原棒在料斗中不會出現“左高右低”的現象。篩選鼓輪所配的軸承、軸承端蓋和固定螺釘等零件尺寸均和分切鼓輪一致，可有效降低加工成本。原棒定位檢測裝置采用兩塊夏普紅外測距傳感器模塊，分別安裝于篩選鼓輪兩端，通過判斷原棒篩選輪上的位置來判斷原棒是否有缺陷（爆口等原因造成長度不夠），以及原棒是否正確地卡在篩選輪上（如果位置不正確，則兩端距離與位置正確原棒的兩端距離不一致）。剔除裝置為高壓空氣噴嘴，接復合濾棒成型機自帶的高壓空氣，通過電磁閥來控制。光電開關安裝于隔板處，當料斗下層的原棒觸動光電開關，則自動關閉篩選輪，防止下層原棒過多。2

電路系統的設計本改進方案中的電路系統采用NodeMCU作為主控電路板，紅外測距傳感器模塊為夏普GP2Y0A21YK0F，測距范圍為10～80cm，其尺寸為29.5cm×13cm×13.5cm，信號類型為模擬量輸出型。采用AD8591數模轉換模塊，將傳感器的模擬量轉換為數字量。繼電器模塊為歐姆龍G5LE-1，主控電路板通過繼電器模塊控制篩選裝置的高壓空氣電磁閥。另外，主控電路板與篩選輪的步進電機驅動器進行連接，用來控制篩選輪的啟動與停止。其接線原理如圖3所示。3

傳感器算法本系統的核心是通過紅外測距傳感器測量的距離來判斷原棒是否卡在正確的位置，因此對距離的值要求很高，這里我們采用卡爾曼濾波算法對傳感器測量的值進行處理。卡爾曼濾波算法，廣泛應用在傳感器數據融合、航空航天、工業控制、雷達信號處理等方面，取得了很多應用成果。利用卡爾曼濾波算法的公式對系統進行建模，其公式如下：

式中，X為系統狀態；Z為測量值；Kg為卡爾曼增益；P為協方差；Q為預測方差；R為測量方差。傳感器數據處理的主要代碼如下：//filterValue為k-1時刻的濾波值，即是k-1時刻的值//p為估計誤差協方差不能取0KalmanFilter={p=10,filterValue=0}functionKalmanFilter:new(o,Q,R,lastMeasurement)o=oor{}

setmetatable(o,self)

self.__index=self//預測下一時刻的值predictValue=filterValue//求協方差self.p=self.p+Q//記錄上次實際坐標的值preValue=filterValue//計算kalman增益kalmanGain=1/(1+R)//修正結果，即計算濾波值self.filterValue=predictValue+(lastMeasurement-predictValue)*kalmanGain//更新后再次驗證self.p=(1-kalmanGain)*self.preturnoend4

結語本文設計了一種復合濾棒成型機分切裝置的改進系統，能夠解決目前本廠濾棒原棒上料時出現卡棒的問題，機械結構改動不大，主要是增加了篩選輪，其軸承、軸承端蓋和固定螺栓等零件均可以和分切鼓輪通用，有效降低了加工成本；采用NodeMCU作為主控電路板，具有使用簡單，能夠快速開發原型機的優點，在本系