李 慧，劉 方，張林崗，胡镕顯，張建曉

(河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽卷煙廠，河南 南陽 473000)

0 引言

如今，煙草市場的規(guī)模越來越大，煙草包裝機的種類不斷增多，包裝技術(shù)也在不斷地更新，并在細(xì)支卷煙的生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[1]。在煙草包裝機工作的過程中，額定的生產(chǎn)速度是300 包/min，但受內(nèi)襯紙在傳輸過程中不穩(wěn)定因素的影響，使內(nèi)襯紙漂移、傾斜而造成內(nèi)襯紙的褶皺和破爛等情況，嚴(yán)重影響了運行效率，使實際的生產(chǎn)效率只能達(dá)到額定生產(chǎn)速度的90%左右[2]。煙草包裝機的內(nèi)襯紙在傳輸過程中，受外部因素干擾，以及設(shè)備本身振動的影響，使內(nèi)襯紙偏離設(shè)定的輸送位置，這種偏離導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降。因此，要對煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置進(jìn)行糾偏。傳統(tǒng)糾偏方法一般有帶材纏繞和皮帶輸送糾偏等[3]，其原理主要是通過改變內(nèi)襯紙輸送的傾斜角和位移方向，從而實現(xiàn)對內(nèi)襯紙輸送位置的糾偏，提高煙草包裝機的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

呂旭悅等[4]為了提高煙草包裝機的裝袋產(chǎn)量與質(zhì)量，提出了一種基于CCD成像的內(nèi)襯紙輸送位置糾偏檢測方法。首先利用CCD成像原理，采集煙草包裝機運行過程中的CCD信號，通過對信號的有效辨別，判別在煙草包裝機運行過程中是否存在偏移，并通過顯示控制器直接獲取發(fā)生內(nèi)襯紙偏移的位置。結(jié)果表明，當(dāng)CCD的灰度值發(fā)生明顯變化時，說明內(nèi)襯紙存在偏移情況，相對于傳統(tǒng)的內(nèi)襯紙輸送位置糾偏檢測方法，該方法穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都有所提高，但成功率較低。呂俊霞等[5]提出一種基于模糊控制器的薄膜跑偏糾錯方法，用來提高鮮切蔬菜包裝薄膜的包裝效率與質(zhì)量。在該糾錯方案中，首先采集薄膜跑偏的位置，并利用模糊控制器對跑偏位置的具體偏離原因進(jìn)行分析，再根據(jù)聚類分析法計算出薄膜跑偏量，最后利用模糊控制器實現(xiàn)對鮮切蔬菜包裝的薄膜位置的準(zhǔn)確定位。實驗結(jié)果表明，該方法可以將誤差控制在±0.56 mm內(nèi)，可有效提高系統(tǒng)的跑偏糾錯精度，但是糾偏速度較慢。

基于上述的研究背景，本文利用隱馬爾可夫模型(HMM)設(shè)計了煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏方法，從而保證煙草包裝機的工作效率。通過本文方法的研究，有效提升了煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏效果，提升了煙草包裝機包裝的工作效率。

1 煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏方法設(shè)計

1.1 煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送原理分析

煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送原理如圖1所示。

圖1 煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送原理

煙草包裝機的內(nèi)襯紙帶穿過雙輥筒過程中，經(jīng)過壓紋輥筒的處理，再利用輥筒進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，利用輥筒進(jìn)行石蠟油或者橄欖油涂抹，依次經(jīng)過聚氨酯輥和輥筒，利用切刀完成內(nèi)襯紙的分割[6]。內(nèi)襯紙段通過組件進(jìn)行輸送，到達(dá)輥筒組件的位置，再經(jīng)過快速下拉等操作，最終送到托腳2上。

內(nèi)襯紙輸送主要包括2步：切割前內(nèi)襯紙的輸送和切割后變成內(nèi)襯紙段的輸送過程。切割前，內(nèi)襯紙的輸送過程主要依靠輥筒來完成，此時內(nèi)襯紙未被切割，輸送過程的位置糾偏主要考慮前后偏移的問題。切割后，內(nèi)襯紙被分割成多個獨立的個體，出現(xiàn)歪斜和偏移的幾率更大，在實際生產(chǎn)過程中，發(fā)生偏離故障多存在于切割后。

1.2 煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏裝置設(shè)計

在對煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏的過程中，結(jié)合HMM模型的觀測向量，設(shè)計了煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏裝置[7]。該裝置原理主要是利用工業(yè)相機獲取內(nèi)襯紙輸送過程的圖像，先將圖像傳送給計算機，然后利用計算機圖像處理技術(shù)，計算出內(nèi)襯紙輸送過程中的位置偏移角度，再通過串口回傳給煙草包裝機進(jìn)行軌道修正，完成糾偏過程。在整個糾偏過程中，計算機根據(jù)煙草包裝機的輸出電流判斷運行狀態(tài)，由此調(diào)節(jié)內(nèi)襯紙雙側(cè)皮帶的速度。煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏裝置如圖2所示。

圖2 內(nèi)襯紙輸送位置糾偏裝置結(jié)構(gòu)

內(nèi)襯紙輸送位置糾偏裝置結(jié)構(gòu)主要由機架和伺服電機構(gòu)成，輔助構(gòu)件包括移動滑臺、電磁鐵和相機等。煙草包裝機內(nèi)襯紙兩側(cè)的皮帶分別受控于伺服電機，相對獨立。電機的機架是整體架構(gòu)的核心裝置，通過調(diào)節(jié)滑臺的位置，可以實現(xiàn)對機架位置的調(diào)節(jié)[8]。對于內(nèi)襯紙兩側(cè)皮帶的調(diào)節(jié)，主要通過電磁鐵來實現(xiàn)，內(nèi)襯紙被夾雜在2個皮帶之間，電磁鐵則配置在皮帶上方，通過對電磁鐵的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對皮帶壓緊力的調(diào)節(jié)。相機主要用來獲取內(nèi)襯紙輸送過程中的圖像，然后計算出偏移距離，最后通過兩側(cè)皮帶進(jìn)行糾偏。

1.3 煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏速度約束

在對煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏的過程中，使包裝機內(nèi)襯紙兩側(cè)的皮帶都以曲線形式進(jìn)行減速，直到速度為0[9]。煙草包裝機的內(nèi)襯紙兩側(cè)皮帶的速度不同，左側(cè)皮帶轉(zhuǎn)速會高于右側(cè)皮帶，這種差值通過計算煙草包裝機內(nèi)襯紙的偏移和傾斜角，就能得到

L(Vl)-L(Vr)=Dp(d,θ)

(1)

L()為煙草包裝機內(nèi)襯紙兩側(cè)皮帶傳輸速度在位置糾偏過程中產(chǎn)生的偏離位移；Vl和Vr分別為煙草包裝機內(nèi)襯紙左側(cè)皮帶和右側(cè)皮帶的速度；Dp(d,θ)為煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏過程中兩側(cè)皮帶的距離差。

在對內(nèi)襯紙輸送位置角度進(jìn)行糾偏的過程中，假設(shè)內(nèi)襯紙兩側(cè)皮帶的速度一致、方向相反[10]。在整個內(nèi)襯紙輸送位置糾偏過程中，煙草包裝機正常運轉(zhuǎn)，得到新的偏離位置的糾偏傾斜角，即

L(Vl)=Da(d,θ)

(2)

L(Vl)為內(nèi)襯紙輸送位置角度糾偏過程中皮帶的速度；Da(d,θ)為內(nèi)襯紙輸送位置糾偏過程中左側(cè)皮帶前進(jìn)的距離。

在完成煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置角度的糾偏后，即完成對煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置的糾偏[11]。此時，內(nèi)襯紙兩側(cè)皮帶的速度都為0，同時對兩側(cè)皮帶進(jìn)行加速，使輸送速度達(dá)到Vp，將內(nèi)襯紙送出糾偏位置，進(jìn)行正常的生產(chǎn)工作。

為了提高內(nèi)襯紙輸送位置的糾偏的效率，需要內(nèi)襯紙兩側(cè)的皮帶以最快速度達(dá)到煙草包裝機偏移量的距離。內(nèi)襯紙兩側(cè)皮帶的速度越快，糾偏效率越高，但誤差也隨之增大[12]，因此，為了保證糾偏后的質(zhì)量，需要對煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏速度進(jìn)行約束，得到

(3)

Amax為煙草包裝機輸送的最長距離；Jmax為煙草包裝機輸送的最大角度；Vd(max)為最大速度差值。

根據(jù)以上過程，完成煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏速度約束。

1.4 基于HMM構(gòu)建包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏算法

利用煙草包裝機內(nèi)襯紙皮帶運行的速度，表示內(nèi)襯紙輸送位置的傳輸過程，根據(jù)HMM模型的概率分布密度產(chǎn)生的內(nèi)襯紙輸送狀態(tài)序列[13]，得到煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏控制公式為

(4)

u為煙草包裝機的輸出電壓；e(k)為內(nèi)襯紙系統(tǒng)的偏差；ec為左側(cè)和右側(cè)皮帶的運行速度；KI為積分系數(shù)；KP為比例系數(shù)；KD為微分系數(shù)。

為了保證煙草包裝機的工作效率，在計算過程中對內(nèi)襯紙輸送位置進(jìn)行糾偏，減小微分值對計算結(jié)果的影響[14]，利用糾偏算法進(jìn)行糾偏操作。煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏控制結(jié)構(gòu)

圖3中，K1為初始輸入位置的待定系數(shù)；S為電壓切換開關(guān)；P為控制回路中的峰值電壓；M為電壓變化值；E(t)為輸送位置的輸入值。

利用HMM模型獲取到包裝機內(nèi)襯紙輸送位置的隱藏變量[15]，得到煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏控制公式為

(5)

u(k)為煙草包裝機內(nèi)襯紙系統(tǒng)的輸出值；uP(k)為實際的監(jiān)測值；uS(k)為目標(biāo)值。

在煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏算法中，利用HMM模型產(chǎn)生的內(nèi)襯紙狀態(tài)序列，輸入內(nèi)襯紙雙側(cè)皮帶的偏差值和積分系數(shù)，對煙草包裝機內(nèi)襯紙的皮帶進(jìn)行調(diào)速，實現(xiàn)對煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置的糾偏。

2 實驗分析

2.1 實驗參數(shù)

為了確保本文方法在糾偏精度、速度以及成功率方面滿足應(yīng)用需求，根據(jù)煙草企業(yè)對包裝機內(nèi)襯紙輸送位置的糾偏要求，設(shè)置實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

2.2 實驗指標(biāo)

實驗過程中，先利用位置糾偏精度和時長作為評價指標(biāo)，位置糾偏精度指的是糾偏后的煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置與煙草包裝機內(nèi)襯紙原輸送位置之間的精密程度，糾偏精度越高說明糾偏效果越好，反之則差，糾偏時長越久說明糾偏速度越慢，反之則快。然后利用糾偏成功率作為評價指標(biāo)，糾偏成功率指的是正確糾偏的內(nèi)襯紙輸送位置占所有糾偏樣品的比例，成功率越高說明糾偏效果越好，反之則差。

2.3 結(jié)果分析

在保證表1實驗參數(shù)不變的前提下，為了突出本文方法在實際應(yīng)用中的優(yōu)越性，引入基于線陣CCD的糾偏方法和基于模糊控制的糾偏方法作對比，測試了3種方法的煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏效果和性能。

3種方法的內(nèi)襯紙輸送位置糾偏精度測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 內(nèi)襯紙輸送位置糾偏精度測試結(jié)果

從圖4可以看出，采用本文方法可以使煙草包裝機內(nèi)襯紙?zhí)幱谧顑?yōu)的輸送位置，內(nèi)襯紙輸送位置糾偏精度最高達(dá)到了97%，最低也達(dá)到了90%；而采用基于線陣CCD的糾偏方法和基于模糊控制的糾偏方法也可以提高內(nèi)襯紙輸送位置糾偏精度，2種方法的糾偏精度范圍分別為65%～78%和79%～87%。因此，可以說明文中糾偏方法可以通過提高內(nèi)襯紙輸送位置糾偏精度提高煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置的糾偏效果。

3種方法的內(nèi)襯紙輸送位置糾偏時長測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 內(nèi)襯紙輸送位置糾偏時長測試結(jié)果

從圖5可以看出，在6個內(nèi)襯紙輸送位置中，本文方法可以有效提高糾編速度，大大縮短了內(nèi)襯紙輸送位置糾偏時長并且整個實驗測試過程中，內(nèi)襯紙輸送位置糾偏時長波動比較小，說明本文方法可以通過縮短內(nèi)襯紙輸送位置糾偏時長提高糾偏速度。

3種方法的內(nèi)襯紙輸送位置糾偏成功率測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 內(nèi)襯紙輸送位置糾偏成功率測試結(jié)果

從圖6可以看出，采用本文方法得到的內(nèi)襯紙輸送位置糾偏成功率是最大的，當(dāng)糾偏到第4個內(nèi)襯紙輸送位置時，本文方法的糾偏成功率高于其他2種糾偏方法，但是當(dāng)糾偏到第6個內(nèi)襯紙輸送位置時，本文方法的糾偏成功率大約為81.2%，基于線陣CCD的糾偏方法和基于模糊控制的糾偏方法得到的內(nèi)襯紙輸送位置糾偏成功率分別為71.8%和70%，說明本文方法可以通過提高內(nèi)襯紙輸送位置糾偏成功率提高煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置的糾偏效果。

3 結(jié)束語

本文提出了基于HMM的煙草包裝機內(nèi)襯紙輸送位置糾偏方法研究，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，該糾偏方法不僅具有更好的糾偏效果，還可以提高糾偏性能。但本文研究中還存在很多不足，在今后的研究中，將對內(nèi)襯紙的受力情況進(jìn)行模擬研究，避免包裝機內(nèi)襯紙在運行過程中出現(xiàn)變形。