基于NodeMCU的復(fù)合濾棒成型機(jī)料斗改進(jìn)系統(tǒng)研究

摘

要：為解決YL21改型復(fù)合濾棒成型機(jī)料斗卡棒的問題，結(jié)合目前實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種料斗改進(jìn)系統(tǒng)，能夠有效地減少出現(xiàn)卡棒問題的概率。影響YL21改型復(fù)合濾棒成型機(jī)卡棒的主要原因有兩種：一是少部分原棒本身的質(zhì)量問題，二是料斗本身設(shè)計(jì)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(duì)這兩種情況，現(xiàn)設(shè)計(jì)的裝置在原料斗裝置上增加一個(gè)篩選鼓輪，利用NodeMCU結(jié)合紅外測(cè)距傳感器和剔除裝置，將質(zhì)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(fù)合濾棒成型機(jī)的卡棒現(xiàn)象，極大地提高了生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞：復(fù)合濾棒；NodeMCU；卡爾曼濾波算法；工控

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引言目前，煙草行業(yè)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(fù)合濾棒。復(fù)合濾棒成型機(jī)是生產(chǎn)復(fù)合濾棒的設(shè)備，現(xiàn)已成為濾棒生產(chǎn)企業(yè)的重要設(shè)備。除了部分企業(yè)在最近幾年引進(jìn)了德國HAUNI公司、荷蘭ITM集團(tuán)和意大利Montrade生產(chǎn)的復(fù)合濾棒成型機(jī)外，我國當(dāng)前復(fù)合濾棒成型機(jī)主要為20世紀(jì)引進(jìn)英國MOLINS公司生產(chǎn)的DR2-5型復(fù)合濾棒成型機(jī)，以及在其他纖維濾棒成型機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行各種改進(jìn)的衍生機(jī)型。部分生產(chǎn)復(fù)合濾棒的機(jī)型是在YL21纖維濾棒成型機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的，主要改進(jìn)部位是用復(fù)合濾棒分切裝置替換了開松上膠機(jī)。在日常生產(chǎn)中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)原棒卡棒的現(xiàn)象，每次卡棒都勢(shì)必要造成設(shè)備停機(jī)，維修過程中需要重新調(diào)試機(jī)器，浪費(fèi)大量原棒。引起卡棒的原因主要有兩個(gè)方面：一是原棒在料斗中直接進(jìn)入到分切鼓輪，由于分切鼓輪是逆時(shí)針運(yùn)行，實(shí)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(duì)靜止的狀態(tài)，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(yùn)行一段時(shí)間后，就會(huì)造成原棒在料斗中左高右低的現(xiàn)象，料斗中的原棒會(huì)從左邊的高處散落到右邊的低處，導(dǎo)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(zhì)量問題，如出現(xiàn)長(zhǎng)度不夠、爆口等缺陷，都會(huì)造成原棒被分切后，卡在分切鼓輪或提升及調(diào)頭機(jī)構(gòu)中，從而造成設(shè)備停機(jī)。卡棒現(xiàn)象在復(fù)合濾棒的生產(chǎn)過程中，極易造成原料的浪費(fèi)和生產(chǎn)計(jì)劃的延誤，增加操作人員的工作強(qiáng)度，因此對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)很有必要。本文設(shè)計(jì)了一種料斗改進(jìn)系統(tǒng)：在原機(jī)的基礎(chǔ)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(cè)裝置以及原棒剔除裝置，利用NodeMCU接受定位檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，控制篩選鼓輪和原棒剔除裝置，以達(dá)到降低不合格原棒進(jìn)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(jié)構(gòu)的改進(jìn)復(fù)合濾棒成型機(jī)的料斗機(jī)構(gòu)主要由料倉、攪動(dòng)輪和分切鼓輪等構(gòu)成（圖1）。本文的改進(jìn)方案主要是增加一個(gè)篩選輪和原棒定位檢測(cè)裝置（圖2），將質(zhì)量和定位不合格的原棒剔除出去。分切鼓輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，篩選輪設(shè)定為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使得原棒在料斗中不會(huì)出現(xiàn)“左高右低”的現(xiàn)象。篩選鼓輪所配的軸承、軸承端蓋和固定螺釘?shù)攘慵叽缇头智泄妮喴恢?，可有效降低加工成本。原棒定位檢測(cè)裝置采用兩塊夏普紅外測(cè)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(zhǎng)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(fù)合濾棒成型機(jī)自帶的高壓空氣，通過電磁閥來控制。光電開關(guān)安裝于隔板處，當(dāng)料斗下層的原棒觸動(dòng)光電開關(guān)，則自動(dòng)關(guān)閉篩選輪，防止下層原棒過多。2

電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本改進(jìn)方案中的電路系統(tǒng)采用NodeMCU作為主控電路板，紅外測(cè)距傳感器模塊為夏普GP2Y0A21YK0F，測(cè)距范圍為10～80cm，其尺寸為29.5cm×13cm×13.5cm，信號(hào)類型為模擬量輸出型。采用AD8591數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行連接，用來控制篩選輪的啟動(dòng)與停止。其接線原理如圖3所示。3

傳感器算法本系統(tǒng)的核心是通過紅外測(cè)距傳感器測(cè)量的距離來判斷原棒是否卡在正確的位置，因此對(duì)距離的值要求很高，這里我們采用卡爾曼濾波算法對(duì)傳感器測(cè)量的值進(jìn)行處理?？柭鼮V波算法，廣泛應(yīng)用在傳感器數(shù)據(jù)融合、航空航天、工業(yè)控制、雷達(dá)信號(hào)處理等方面，取得了很多應(yīng)用成果。利用卡爾曼濾波算法的公式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，其公式如下：

式中，X為系統(tǒng)狀態(tài)；Z為測(cè)量值；Kg為卡爾曼增益；P為協(xié)方差；Q為預(yù)測(cè)方差；R為測(cè)量方差。傳感器數(shù)據(jù)處理的主要代碼如下：//filterValue為k-1時(shí)刻的濾波值，即是k-1時(shí)刻的值//p為估計(jì)誤差協(xié)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(yù)測(cè)下一時(shí)刻的值predictValue=filterValue//求協(xié)方差self.p=self.p+Q//記錄上次實(shí)際坐標(biāo)的值preValue=filterValue//計(jì)算kalman增益kalmanGain=1/(1+R)//修正結(jié)果，即計(jì)算濾波值self.filterValue=predictValue+(lastMeasurement-predictValue)*kalmanGain//更新后再次驗(yàn)證self.p=(1-kalmanGain)*self.preturnoend4

結(jié)語本文設(shè)計(jì)了一種復(fù)合濾棒成型機(jī)分切裝置的改進(jìn)系統(tǒng)，能夠解決目前本廠濾棒原棒上料時(shí)出現(xiàn)卡棒的問題，機(jī)械結(jié)構(gòu)改動(dòng)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(jiǎn)單，能夠快速開發(fā)原型機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在本系