基于NodeMCU的复合滤棒成型机料斗改进系统研究

摘

要：为解决YL21改型复合滤棒成型机料斗卡棒的问题，结合目前实际情况，设计了一种料斗改进系统，能够有效地减少出现卡棒问题的概率。影响YL21改型复合滤棒成型机卡棒的主要原因有两种：一是少部分原棒本身的质量问题，二是料斗本身设计的原因，原棒容易在料斗中散落，从而无法正确卡在分切鼓轮上。针对这两种情况，现设计的装置在原料斗装置上增加一个筛选鼓轮，利用NodeMCU结合红外测距传感器和剔除装置，将质量有缺陷的原棒和位置不正确的原棒剔除，从而大大降低复合滤棒成型机的卡棒现象，极大地提高了生产效率。关键词：复合滤棒；NodeMCU；卡尔曼滤波算法；工控

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引言目前，烟草行业把减害降焦摆在突出位置，一种立竿见影的措施就是使用复合滤棒。复合滤棒成型机是生产复合滤棒的设备，现已成为滤棒生产企业的重要设备。除了部分企业在最近几年引进了德国HAUNI公司、荷兰ITM集团和意大利Montrade生产的复合滤棒成型机外，我国当前复合滤棒成型机主要为20世纪引进英国MOLINS公司生产的DR2-5型复合滤棒成型机，以及在其他纤维滤棒成型机基础上进行各种改进的衍生机型。部分生产复合滤棒的机型是在YL21纤维滤棒成型机基础上进行改进设计的，主要改进部位是用复合滤棒分切装置替换了开松上胶机。在日常生产中，时常会出现原棒卡棒的现象，每次卡棒都势必要造成设备停机，维修过程中需要重新调试机器，浪费大量原棒。引起卡棒的原因主要有两个方面：一是原棒在料斗中直接进入到分切鼓轮，由于分切鼓轮是逆时针运行，实际上每次只有最右边的原棒才能卡入分切鼓轮的轮槽，料斗左边的原棒保持一种相对静止的状态，无法从下部落入分切鼓轮右边的轮槽；由于料斗高度较高，运行一段时间后，就会造成原棒在料斗中左高右低的现象，料斗中的原棒会从左边的高处散落到右边的低处，导致原棒无法正确地卡入分切鼓轮的轮槽中。二是由于部分原棒本身的质量问题，如出现长度不够、爆口等缺陷，都会造成原棒被分切后，卡在分切鼓轮或提升及调头机构中，从而造成设备停机。卡棒现象在复合滤棒的生产过程中，极易造成原料的浪费和生产计划的延误，增加操作人员的工作强度，因此对其进行改进设计很有必要。本文设计了一种料斗改进系统：在原机的基础上，用柔性隔离带将料仓分为上下两部分，加装筛选鼓轮、原棒定位检测装置以及原棒剔除装置，利用NodeMCU接受定位检测装置的数据进行处理后，控制筛选鼓轮和原棒剔除装置，以达到降低不合格原棒进入分切鼓轮的目的，保证原棒正确卡在分切鼓轮的轮槽中，大大降低卡棒的故障概率。1

整体结构的改进复合滤棒成型机的料斗机构主要由料仓、搅动轮和分切鼓轮等构成（图1）。本文的改进方案主要是增加一个筛选轮和原棒定位检测装置（图2），将质量和定位不合格的原棒剔除出去。分切鼓轮逆时针旋转，筛选轮设定为顺时针旋转，使得原棒在料斗中不会出现“左高右低”的现象。筛选鼓轮所配的轴承、轴承端盖和固定螺钉等零件尺寸均和分切鼓轮一致，可有效降低加工成本。原棒定位检测装置采用两块夏普红外测距传感器模块，分别安装于筛选鼓轮两端，通过判断原棒筛选轮上的位置来判断原棒是否有缺陷（爆口等原因造成长度不够），以及原棒是否正确地卡在筛选轮上（如果位置不正确，则两端距离与位置正确原棒的两端距离不一致）。剔除装置为高压空气喷嘴，接复合滤棒成型机自带的高压空气，通过电磁阀来控制。光电开关安装于隔板处，当料斗下层的原棒触动光电开关，则自动关闭筛选轮，防止下层原棒过多。2

电路系统的设计本改进方案中的电路系统采用NodeMCU作为主控电路板，红外测距传感器模块为夏普GP2Y0A21YK0F，测距范围为10～80cm，其尺寸为29.5cm×13cm×13.5cm，信号类型为模拟量输出型。采用AD8591数模转换模块，将传感器的模拟量转换为数字量。继电器模块为欧姆龙G5LE-1，主控电路板通过继电器模块控制筛选装置的高压空气电磁阀。另外，主控电路板与筛选轮的步进电机驱动器进行连接，用来控制筛选轮的启动与停止。其接线原理如图3所示。3

传感器算法本系统的核心是通过红外测距传感器测量的距离来判断原棒是否卡在正确的位置，因此对距离的值要求很高，这里我们采用卡尔曼滤波算法对传感器测量的值进行处理。卡尔曼滤波算法，广泛应用在传感器数据融合、航空航天、工业控制、雷达信号处理等方面，取得了很多应用成果。利用卡尔曼滤波算法的公式对系统进行建模，其公式如下：

式中，X为系统状态；Z为测量值；Kg为卡尔曼增益；P为协方差；Q为预测方差；R为测量方差。传感器数据处理的主要代码如下：//filterValue为k-1时刻的滤波值，即是k-1时刻的值//p为估计误差协方差不能取0KalmanFilter={p=10,filterValue=0}functionKalmanFilter:new(o,Q,R,lastMeasurement)o=oor{}

setmetatable(o,self)

self.__index=self//预测下一时刻的值predictValue=filterValue//求协方差self.p=self.p+Q//记录上次实际坐标的值preValue=filterValue//计算kalman增益kalmanGain=1/(1+R)//修正结果，即计算滤波值self.filterValue=predictValue+(lastMeasurement-predictValue)*kalmanGain//更新后再次验证self.p=(1-kalmanGain)*self.preturnoend4

结语本文设计了一种复合滤棒成型机分切装置的改进系统，能够解决目前本厂滤棒原棒上料时出现卡棒的问题，机械结构改动不大，主要是增加了筛选轮，其轴承、轴承端盖和固定螺栓等零件均可以和分切鼓轮通用，有效降低了加工成本；采用NodeMCU作为主控电路板，具有使用简单，能够快速开发原型机的优点，在本系