一种基于激光扫描的烟草物料贮存布料均匀性的检测控制设备及方法与流程
本发明涉及烟草加工技术领域，尤其是一种基于激光扫描的烟草物料贮存布料均匀性的检测控制设备及方法。
背景技术：
现阶段，为保证卷烟产品实现均质化生产的目标，生产加工工艺过程的贮存工艺环节也变得十分重要。烟草物料贮存后含水率、填充值等物理特性的变化受诸多因素的影响。卷烟加工过程贮存环节一方面通过贮存布料，起到充分混合物料，提高物料混合均匀性；另一方面起到平衡物料水分。现阶段贮柜物料布料过程大多采用往复布料方式，由于贮柜尺寸大，在布料速度缺乏控制，以及布料过程缺乏物料高度实时监测及控制的现状下，易造成布料高度不均匀，导致物料结团，降低物料贮存质量；另一方面，在一定程度上降低了贮柜贮存能力。
技术实现要素：
为克服现有的缺陷，本发明提出了一种基于激光扫描的烟草物料贮存布料均匀性的检测控制设备及方法。
一种基于激光扫描的烟草物料贮存布料均匀性的检测控制设备，包括储柜、线性激光扫描器、可编程控制器、信息处理计算机、信息采集卡、电机变频器、拨料装置、纵向步进电机和横向步进电机组成，所述线性激光扫描器设置于皮带传动带上方，线性激光扫描器通过信息采集卡连通信息处理计算机，信息处理计算机连通可编程控制器，可编程控制器分别连通电机变频器和拨料装置；纵向步进电机和横向步进电机分别连通信息采集卡和电机变频器。
通过激光扫描器获取实时烟草物料表面上的点云二维信息，信息处理计算机用于对采集的信息进行数据处理获取烟丝表面三维信息和流量信息并进行可视化，通过算法得到均匀性评估，对可编程控制器发送信号；可编程控制器得到pc的流量信号，通过可编程控制器对步进电机变频器发送不同脉冲信号进而控制电机转速从而控制皮带横纵两个方向的动作，所述方法包括
1.基于流量信号的横向步进电机的控制；
2.基于横截面物料分布的纵向步进电机的控制；
其中，基于流量信号的横向步进电机的控制，通过方程式获取烟草物料流量信息，
式中，vall为取样时间段内物料体积，v为物料下落速度，t为取样时间，i为第i条扫描线，α为扫描角度范围，αp为角度分辨率，li为第i条扫描线长度，l′i为第i条扫描线基线长度；
通过激光器对物料的采集时间tn扫描获得一个当前流量状态信息，通过与前一采集时间tn-1对比，对步进电机进行变频控制，以获得物料稳定的流量，公式为
式中，f为步进电机脉冲频率，d为步进电机的滚轮直径，k为步进电机转一圈所需要的总脉冲数，v为上式中的物料下落速度，即步进电机移动速度。
其中，基于横截面物料分布的纵向步进电机的控制，每次横向布料完成后，需要对纵向电机发送信号，移动特定距离后继续进行横向布料，而移动距离决定了物料纵向的均匀性。通过激光扫描器获取实时落下的烟草物料的横截面高度信息，公式为
px＝cos(α+αi)*(li-li0)
py＝sin(α+αi)*(li-li0)
式中，水平面垂直物料运动方向为x轴，物料运动方向为y轴，其中，点(px，py)为某一时刻下烟丝横截面任意一点，α为激光器初始扫描角度，αi为第i条扫描线，li为空载下激光器到基线的第i条的距离，li0为激光器到物料的第i条的距离，v为物料运行速度，k为激光器第k次采样，f为激光器的采集频率，
通过实时的烟丝横截面高度信息，获得整个横向流程下的物料分布情况，纵向步进电机的移动控制公式为：
式中，n为移动特定距离的脉冲数，，d为步进电机的滚轮直径，k为步进电机转一圈所需要的总脉冲数，px1和px2为峰值两侧二分之一处的横坐标。
本发明提供的一种基于激光扫描的烟草物料贮存布料均匀性的检测控制设备及方法，通过激光扫描器获取实时烟草物料的三维空间特征，通过算法表征这些特征，生成不同频率及幅度的脉冲信号，经过可编程控制器对横纵两向的步进电机控制，从而控制落料的高度均匀性与横向平铺均匀性。
附图说明
图1为基于激光扫描的烟草物料贮存布料均匀性的检测控制设备示意图。
图2为物料横截高度信息示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于激光扫描的烟草物料贮存布料均匀性的检测控制设备及方法进行详细描述。
图1示出，一种基于激光扫描的烟草物料贮存布料均匀性的检测控制设备，包括储柜1、线性激光扫描器4、可编程控制器5、信息处理计算机6、信息采集卡7、电机变频器8、拨料装置9、纵向步进电机10和横向步进电机11组成，所述线性激光扫描器4设置于皮带传动带上方，线性激光扫描器4通过信息采集卡7连通信息处理计算机6，信息处理计算机6连通可编程控制器5，可编程控制器5分别连通电机变频器8和拨料装置9；纵向步进电机10和横向步进电机11分别连通信息采集卡7和电机变频器8。
通过激光扫描器获取实时烟草物料表面上的点云二维信息，信息处理计算机用于对采集的信息进行数据处理获取烟丝表面三维信息和流量信息并进行可视化，通过算法得到均匀性评估，对可编程控制器发送信号；可编程控制器得到pc的流量信号，通过可编程控制器对步进电机变频器发送不同脉冲信号进而控制电机转速从而控制皮带横纵两个方向的动作，所述方法包括
1.基于流量信号的横向步进电机的控制；
2.基于横截面物料分布的纵向步进电机的控制；
基于流量信号的横向步进电机的控制，通过方程式获取烟草物料流量信息，
式中，vall为取样时间段内物料体积，v为物料下落速度，t为取样时间，i为第i条扫描线，α为扫描角度范围，αp为角度分辨率，li为第i条扫描线长度，l′i为第i条扫描线基线长度；
通过激光器对物料的采集时间tn扫描获得一个当前流量状态信息，通过与前一采集时间tn-1对比，对步进电机进行变频控制，以获得物料稳定的流量，公式为
式中，f为步进电机脉冲频率，d为步进电机的滚轮直径，k为步进电机转一圈所需要的总脉冲数，v为上式中的物料下落速度，即步进电机移动速度。
基于横截面物料分布的纵向步进电机的控制，其中，每次横向布料完成后，需要对纵向电机发送信号，移动特定距离后继续进行横向布料，通过激光扫描器获取实时落下的烟草物料的横截面高度信息，公式为
px＝cos(α+αi)*(li-li0)
py＝sin(α+αi)*(li-li0)
式中，水平面垂直物料运动方向为x轴，物料运动方向为y轴，其中，点(px，py)为某一时刻下烟丝横截面任意一点，α为激光器初始扫描角度，αi为第i条扫描线，li为空载下激光器到基线的第i条的距离，li0为激光器到物料的第i条的距离，v为物料运行速度，k为激光器第k次采样，f为激光器的采集频率，
通过实时的烟丝横截面高度信息，获得整个横向流程下的物料分布情况，纵向步进电机的移动控制公式为：
式中，n为移动特定距离的脉冲数，d为纵向步进电机的滚轮直径，k为步进电机转一圈所需要的总脉冲数，px1和px2为峰值两侧二分之一处的横坐标。
在一个实施例中，先将激光扫描器放置于传送带中央前侧，用于检测已下落烟草2的表面信息，利用信息处理计算机接收激光扫描器和速度传感器传送的信号，对采集的光场信息进行数据处理获取瞬时烟草物料横截面信息和单位采样时间流量信息。
选取的传送带长度约为20m，宽度0.4m；储柜长30m，宽2m，高3m。将步进电机的频率设置为10hz，测取物料下落移动速度大约为0.6m/s。将激光发射器放置于传送带中间前侧约0.3m，频率设置为25hz，扫描角度为70°-110°。使用者可根据设备参数自行调整至合理值。
取样时间t设置为30s，每过60s根据公式
每次横向布料完成后，需要对纵向电机发送信号，移动特定距离后继续进行横向布料。而移动距离决定了物料纵向的均匀性，通过前面横向布料的扫描数据，能够得到图2所示的横截面高度，移动后使第二次布料的波峰在前一次的波谷下。其移动距离为
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
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