烟丝填充值快速测量系统设计与实现

机械与动力工程
河南科技
Henan Science and Technology
总第801期第7期2023年4月收稿日期：2022-10-17
作者简介：张永江（1978—），男，本科，工程师，研究方向：卷烟检测仪器的管理。

通信作者：冯银龙（1969—），男，本科，高级工程师，研究方向：卷烟工艺
烟丝填充值快速测量系统设计与实现
张永江
张伟朋
冯银龙
（河南中烟工业有限责任公司洛阳卷烟厂，河南
洛阳
471000）
摘
要：【目的】为了解决卷烟生产过程中烟丝填充值指标检测效率低的问题，本研究基于烟草行
业的检测标准设计开发出一个烟丝填充值的快速测量系统。

【方法】运用系统集成的自动化设计方法，对该指标在检测过程中需要人员参与的单元工步进行分析、研究和创新性设计。

【结果】开发出烟丝自动分样柔性处理、旋转盘工位变换、样品施压检测和自动退料等机械机构单元，可实现对该指标在检测过程中的自动分样填装、自动重量参数计量、自动烟丝施压检测和自动退料等功能，能显著减少检测过程中的人员参与度。

【结论】以河南中烟公司生产的某品牌烟丝为测试对象，通过与Burghart 公司的DD60A 填充值测试仪的测试结果进行比对，发现二者的检测结果没有显著差异，且前者的检测效率显著提高。

关键词：卷烟；烟丝；填充值；自动测量；旋转盘中图分类号：TS43
文献标识码：A
文章编号：1003-5168（2023）07-0044-05
DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.07.008
Design and Implementation of a Fast Measuring System for Cut
Tobacco Filling Value
ZHANG Yongjiang ZHANG Weipeng FENG Yinlong
(Luoyang Cigarette Factory of Henan China Tobacco Industry Co.,Ltd.,Luoyang 471000,China)
Abstract:[Purposes ]In order to solve the problem of low detection efficiency of cut tobacco filling value
index in cigarette production process,a rapid measurement system of cut tobacco filling value was de⁃signed and developed based on the detection standard of tobacco industry.[Methods ]By using the auto⁃matic design method of system integration,the unit steps that need personnel to participate in the detec⁃tion process are analyzed,studied and designed in an innovative way.[Findings ]Through the develop⁃ment of mechanical mechanism units such as tobacco automatic sampling flexible processing,rotating disc station transformation,sample pressure detection and automatic material withdrawal,the functions of automatic sample filling,automatic weight parameter measurement,automatic tobacco pressure detec⁃tion and automatic material withdrawal in the detection process can be realized,which can significantly reduce the personnel participation in the detection process.[Conclusions ]In this study,a brand of to⁃bacco produced by Henan Tobacco Company was used as the test object.By comparing with the test re⁃sults of the DD60A filling value tester of Burghart Company,it was found that there was no significant difference between the two test results,and the detection efficiency of the former was significantly im⁃proved.
Keywords:cigarette;cut tobacco;fill in values;automatic measurement;rotary disc
第7期
·45·
引言
实现对卷烟生产过程质量指标的检测，并达到实时控制，成为今后卷烟质量控制的主要发展方向。

然而受限于检测仪器的发展水平，很多质量数据的获取还是通过离线的静态检测方法，不能做到与生产线的直接对接，更不能实现动态测量。

烟丝填充值作为卷烟生产过程中质量控制的重要指标，实现对其的在线检测具有非常重要的意义。

填充值是指卷烟烟丝在一定时间和一定压力的持续作用下，单位质量烟丝所占的容积，是衡量卷烟生产消耗的重要指标，也是影响卷烟烟气指标的重要影响因素［1-2］。

由烟草行业标准规定可知，检测是将一定质量的烟丝放置于测量筒中，用施力测量头对测量桶内的烟丝施加一定的压力，并保持一定时间，记录此时测量筒的高度，从而计算出烟丝的填充值的。

由于在检测过程中通常要人工参与，即人工定量称取烟丝、人工上机施压、人工检测体积，才能完成整个检测过程，导致该指标的日检测数据量有限，数据的离散性较大，不能充分发挥数据驱动生产质量控制应有的作用。

在提升填充值检测效率方面，国内已有大量的探索性文献对仪器进行开发与研究。

陆玉浩等［3］提出基于BP 神经网络的烟丝填充值预测模型，袁兴等［4］提出基于3D 激光智能相机的烟丝填充值计算方法，栾永亮等［5］提出采用皮带秤测量的方法。

由于上述研究并没有采用标准的检测方法，而是利用仿真模型对测量结果进行预测，其预测值的准确性和可靠性还有待进一步验证。

通过对填充值标准的方法进行分析与研究后发现，提升填充值的检测效率关键在对烟丝的定量称量和连续测量环节。

若将人工定量计量转换成自动计量，并实现对计量后的烟丝能连续自动施压测量，不但能提高现有检测仪器的自动化水平，进一步提高单机的检测效率，还可为实
施在线填充值指标的测量提供技术基础与保障。

为此，本研究对该问题进行深入研究，从而解决烟丝填充值自动测量问题。

1
系统设计
1.1
机构原理设计
本研究所设计的方法如图1所示。

为了实现烟丝填充值的自动检测，首先，将检测中的人工计量、人工上料、人工仪器操作、人工退料等通过自动化设计进行集成，有效减少检测过程的工步。

其次，通过设计来实现自动连续测量。

由烟丝填充值测量标准可知，烟丝填充值的测量主要有两个待测参数m 和h ，h 可按照现有标准的测量方法设计机构进行测量，m 则要重新设计机构进行自动测量，将两个机构系统通过集成即可实现对烟丝填充值的自动测量。

相关计算见式（1）。

d =πr 2h /m
（1）
式中：d 为烟丝填充值，cm 3/g ；r 为测量筒半
径，cm ；h 为受压后式样高度，cm ；m 为试样质量，g 。

通过上述分析可知，将烟丝重量的自动测量设计成转盘机构，通过调整转盘工位来实现自动上料、施压测量和除料，具体的方法流程如图2所示。

将待检测的烟丝分料填装到料筒中，称量系统根据预设的重量信息，通过PID 控制器来实时反馈给供料电机，用于实现控制供料，使料筒中的烟丝的质量达到预设范围，超出的部分通过下方翻板机构直接废弃，保留符合的部分，并将检测的实际重量信息通过AD 转换传输给中央处理单元，此后变换转盘工位，直至料筒全部填充完毕。

将样品筒送到烟丝测量系统测量位置，施压机构和高度检测机构开始动作，并记录保压一定时间的高度值，此后工位继续变换和加压，并进行高度检测，直至料筒全部检测完毕，将检测数据传输到中央处理单元，完成
图1设计的方法分析
执行下一样品检测
数据输出
人工退料烟丝施压仪器操作（人工）
人工烟丝
定量计量
人工上料
待检烟丝
开展集成研究
张永江，等.烟丝填充值快速测量系统设计与实现
·46·第7期对填充值的计算和输出。

与此同时，启动除料装置，通过转盘工位的变换，除去每个料筒的烟丝，此后仪器复位，等待下一个样品的测试。

1.2自动供料结构设计自动供料的结构设计是系统设计的关键。

本研究设计的自动供料系统的整体结构如图3所示，该结构由自动送料料斗、柔性震动分散单元、动态称量单元和转盘机构组成。

其中，自动送料单元的
结构如图4所示。

自动供料料斗是由活动气缸及其下方连接的扰动杆、料腔、步进电机和两个双尼
龙乳胶辊组组成的。

活动气缸是用来带动深入料
腔中的扰动杆上下移动，防止因烟丝膨料而不下落的。

橡胶爬辊组是由步进电机驱动反向转动的，通过PID 控制来调整爬辊的速度，从而实现控制物料的供给量。

柔性震动分散单元由震动发生器和震动槽组成，震动槽底板采用特殊的橡胶材料，在震
动输送分散过程中，将烟丝结团打散，实现烟丝分散均匀，长丝和短丝不分离。

动态称量单元主要由
安装在下方的电子天平构成，电子天平按照设定的质量在一定范围内反馈信号，控制料斗单元电机的
转速，实现供料的定量控制。

转盘机构主要由转盘驱动电机、转盘和料筒组成。

其中，转盘驱动器可
上下移动，转盘上开有6个料筒孔用于放置料筒，料筒的设计内径为60mm±0.1mm ，高度为15mm ，在料筒外部的一定位置上设有梯形限位环，使料筒待检烟丝
料筒上料
计量称重
工位转换是否测量完毕
除料
是否全部上料
完毕
施压测量
工位转换
是否
否
张永江，等.烟丝填充值快速测量系统设计与实现图2系统设计方法流程对填充值的计算和输出。

与此同时，启动除料装置，通过转盘工位的变换，除去每个料筒的烟丝，此后仪器复位，等待下一个样品的测试。

图2系统设计方法流程
1.2自动供料结构设计自动供料的结构设计是系统设计的关键。

本研究设计的自动供料系统的整体结构如图3所示，该结构由自动送料料斗、柔性震动分散单元、动态称量单元和转盘机构组成。

其中，自动送料单元的结构如图4所示。

自动供料料斗是由活动气缸及其下方连接的扰动杆、料腔、步进电机和两个双尼龙乳胶辊组组成的。

活动气缸是用来带动深入料腔中的扰动杆上下移动，防止因烟丝膨料而不下落的。

橡胶爬辊组是由步进电机驱动反向转动的，通过PID 控制来调整爬辊的速度，从而实现控制物料的供给量。

柔性震动分散单元由震动发生器和震动槽组成，震动槽底板采用特殊的橡胶材料，在震动输送分散过程中，将烟丝结团打散，实现烟丝分散均匀，长丝和短丝不分离。

动态称量单元主要由安装在下方的电子天平构成，电子天平按照设定的质量在一定范围内反馈信号，控制料斗单元电机的转速，实现供料的定量控制。

转盘机构主要由转盘驱动电机、转盘和料筒组成。

其中，转盘驱动器可上下移动，转盘上开有6个料筒孔用于放置料筒，料筒的设计内径为60mm±0.1mm ，高度为15mm ，在料筒外部的一定位置上设有梯形限位环，使料筒
1.自动供料料斗；
2.柔性分散机构；
3.转盘机构；
4.动态称量系统。

图3自动供料系统的整体结构待检烟丝
料筒上料计量称重
工位转换是否测量完毕除料
是否全部上料
完毕施压测量工位转换是
否
否
1
3
4
2
张永江，等.烟丝填充值快速测量系统设计与实现
对填充值的计算和输出。

与此同时，启动除料装置，通过转盘工位的变换，除去每个料筒的烟丝，此后仪器复位，等待下一个样品的测试。

图2系统设计方法流程
1.2
自动供料结构设计
自动供料的结构设计是系统设计的关键。

本
研究设计的自动供料系统的整体结构如图3所示，该结构由自动送料料斗、柔性震动分散单元、动态称量单元和转盘机构组成。

其中，自动送料单元的
结构如图4所示。

自动供料料斗是由活动气缸及
其下方连接的扰动杆、料腔、步进电机和两个双尼龙乳胶辊组组成的。

活动气缸是用来带动深入料腔中的扰动杆上下移动，防止因烟丝膨料而不下落的。

橡胶爬辊组是由步进电机驱动反向转动的，通过PID 控制来调整爬辊的速度，从而实现控制物料的供给量。

柔性震动分散单元由震动发生器和震动槽组成，震动槽底板采用特殊的橡胶材料，在震
动输送分散过程中，将烟丝结团打散，实现烟丝分散均匀，长丝和短丝不分离。

动态称量单元主要由
安装在下方的电子天平构成，电子天平按照设定的质量在一定范围内反馈信号，控制料斗单元电机的转速，实现供料的定量控制。

转盘机构主要由转盘驱动电机、转盘和料筒组成。

其中，转盘驱动器可上下移动，转盘上开有6个料筒孔用于放置料筒，料筒的设计内径为60mm±0.1mm ，高度为15mm ，
在料筒外部的一定位置上设有梯形限位环，使料筒1.自动供料料斗；2.柔性分散机构；3.转盘机构；4.动态称量系统。

图3自动供料系统的整体结构
待检烟丝料筒上料计量称重
工位转换
是否测量完毕
除料
是否全部上料
完毕施压测量
工位转换
是
否
否
1
342
13
24
固定在转盘孔中。

当需要称量时，转盘驱动器向下移动，料筒与转盘脱离，称量完毕后，转盘驱动器带动转盘向上移动，此时依靠料筒外部的梯形环与转盘接触，并与称量天平脱离，此后测量筒通过转盘驱动来实现工位的更换。

1.3
控制系统设计采用C#\PLC LAD 对控制系统进行编程设计，主界面如图5所示。

系统运行后显示运行界面，在画面的左侧有五个用于切换画面的按钮，分别为运行画面、参数设置、手动操作、数据查询、退出等二级菜单。

右侧是操作按钮，中间是测量烟丝时的测量信息和输入参数。

中间测量信息左侧是测试出的一组样品的数据，记录了平均值、最大值及最小值。

画面的上部和下部显示的是设备的实时工作状态。

其中，参数设置界面如图6所示，包含称量参数、测量参数、测量基准参数、测量工位选择等，主要是通过控制烟丝送料机构的运动速度来实现烟丝摊平、定量送料，是控制系统的核心。

手动操作主要是对各送料机构和测量机构进行校准。

2
装置测试与讨论
根据设计的自动填充值系统进行组装，并与Burghart 公司生产的DD60A 填充值测定仪进行对
比测试。

测试用的烟丝样品为河南中烟工业有限责任公司生产的黄金叶品牌卷烟的烟丝，样品按照行业标准中的方法进行处理，测试环境按照《烟草和烟草制品调节和测试的大气环境》（GB/T 16447—1996）中的要求，控制测试环境温度为
22℃±2℃、湿度为60%±5%。

每个样品定量为10g ，
共计测量15组，每组测定10个样品，取其平均值，精
图5控制系统的运行主界面
1
2
3
4运行画面
参数设置
手动操作
数据查询
退出程序
旋转台气缸状态旋转台气缸上限位旋转台气缸下限位
一级转轮二级转轮三级转轮
平台送料振动送料
测量上限位测量下限位
称重测量等待测重空余
运行信息
做样数据
设备状态
初始化
待机
运行
校准
称重
测量
弃料
打印
操作按钮
基础信息
样品编号天平读数静压时间样品高度样品质量实验结果
序号
质量高度填充值3.253.453.953.953.683.564.654.854.564.2312345678910
平均值最大值最小值变异系数
10.1510.1010.2310.2310.2310.2310.2510.2510.1810.25
20.35220.65220.15320.12420.36120.14319.25421.32521.56221.3544.32cm 3/g 4.23cm 3/g 4.36cm 3/g 2.6%
TBFBJ25519.583g 25s 3.245mm 10.25g 4.52
cm 3/g
初始化自动启动停止打印
手动测量启动
运行界面
1.活动气缸；
2.料腔；
3.步进电机；
4.双尼龙乳胶辊。

图4料斗结构图
确至0.01cm 3/g 。

测试结果见表1，并基于表1中的数据，利用minitab17软件进行双样本T 检验，结果如图7所示。

由图7可以看出，P 值=0.152>0.05，这说明DD60A
与样机检测结果的均值不存在显示差异，即DD60A 与样机测量的填充值没有显著差异。

3
结语
本研究设计的烟丝填充值快速测量系统能实
现对烟丝填充值的自动检测，为后续的在线测量奠定基础，通过后续在线取样装置的研发与集成，该系统能和烟丝输送线进行对接，实现对烟丝填充值的在线实时测量与监控，提升烟草加工质量的精益化控制。

参考文献：
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双样本T 检验和置信区间:DD60A ，样机
DD60A 与样机的双样本T
均值标
N 均值标准差准误
DD60A 15 4.43600.04670.012样机15 4.46400.05680.015差值=μ(DD60A)-μ(样机)差值估计值:-0.0280
差值的95%置信区间:(-0.0670，0.0110)
差值=0(与≠)的T 检验:T 值=-1.47P 值=0.152自由度=26
图6参数设置界面组号DD60A 烟机
1#4.514.56
2#4.384.45
3#4.44.49
4#4.414.55
5#4.494.46
6#4.444.49
7#4.394.41
8#4.464.45
9#4.464.43
10#4.414.45
11#4.384.32
12#4.534.50
13#4.424.47
14#
4.454.48
15#
4.414.45
表1填充值对比测试结果
单位：cm 2/g
参数设置
手动操作
退出程序
一号工位基地点12.325mm
二号工位基地点12.142mm 三号工位基地点12.234mm 四号工位基地点12.021
mm
五号工位基地点12.362mm
六号工位基地点12.256mm 实时高度42.253mm 样品高度20.361mm
称量参数
测量参数
测量校准
旋转盘选择
皮带一级速度
2.3mm/s 皮带二级速度 2.3mm/s 1号转轮一级速度10.2
mm/s
1号转轮二级速度
8.5mm/s 2号转轮一级速度11.2mm/s
2号转轮二级速度
8.3mm/s 数据查询
转盘速度20mm/s 静压时间
30s 测试次数
103号转轮二级速度11.5mm/s 3号转轮二级速度10.3mm/s
震动给料一级频率40Hz 震动给料二级频率
30
Hz 一号工位四号工位
五号工位
二号工位三号工位六号工位
校准启动停止
测量下降测量上升
运行画面
图7方差检验结果。