电子烟烟杆自动检测机设计

郑荣焕 刘冠杰 吴航 全燕鸣



电子烟烟杆自动检测机设计

郑荣焕1刘冠杰1吴航2全燕鸣1

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院 2.东莞保康电子科技有限公司）

针对当前电子烟生产线检测自动化程度低的状况，开发一套对电子烟产品封装前烟杆的电流、电压参数以及烟杆顶端的发光二极管状态进行批量自动检测的样机。采用NI PCI-6220作为控制器，编写LabVIEW程序，设计电路和机械结构完成电子烟烟杆的传送和检测。试运行结果表明：该样机能有效、稳定、可靠地完成检测功能，筛选出不合格品，可用于替代电子烟产品生产线上多工位人工作业。

电子烟；自动检测；NI PCI-6220；LabVIEW

0　引言

随着公众健康意识的增强，全世界控烟戒烟运动日益兴起，世界卫生组织和许多国家纷纷以立法等形式，限制传统卷烟销售和使用。世界反烟运动的兴起，使一些公司看到了商机，为满足传统卷烟消费者戒烟或追求时尚的需求，开发出许多卷烟替代品，其中电子烟最受消费者欢迎[1]。

电子烟最早由我国的韩力在2003年申报发明专利，2004年中国如烟公司开始正式售卖电子烟，之后电子烟出口至欧美和日本等国[2]。电子烟的外形、大小与传统香烟基本相同，其末端有1个红色烟蒂，装有红色发光二极管。当吸烟者吸气时，红色发光二极管像呼吸灯那样发光，就像传统卷烟点火一样，同时还冒烟。在烟雾缭绕之中，吸烟者的感觉跟抽传统卷烟一样。中国吸烟与健康协会调查的数据表明，目前约有60家电子烟生产企业在中国大陆注册登记，其生产基地主要集中在广东和浙江，这2个省份的电子烟生产总量巨大，约占全球电子烟总产量的九成，大多数是为国外电子烟销售商做贴牌生产。

目前由于对这类新产品缺乏行业标准，入行门槛比较低，造成电子烟行业十分混乱的现象。当前市面上出售的电子烟很多是小作坊生产，纯手工组装，不仅生产效率低，而且产品安全隐患大。国家相关部门对此高度重视，不久将会出台电子烟相关生产标准和规范。可以预见只有品质保障、符合标准规范的电子烟才能在未来市场中立足站稳。当前生产企业迫切需求既能保障产品质量又可降低人力依赖的电子烟自动化组装和检测装备。本文研发一套电子烟产品封装前在线自动检测的样机。

1　电子烟的组成及原理

电子烟主要由烟杆和烟弹组成，其中烟杆包括指示灯（发光二极管）、电池、集成控制电路和气动感应开关等元器件；烟弹包括雾化器、贮液腔和吸嘴[3]，如图1所示。

电子烟采用超临界物理雾化原理，气流通道位于电子烟烟杆内部中心线位置。当对电子烟的吸嘴吸气时，气动感应开关在抽吸的负压作用下开启，通过电磁感应使集成控制电路开始运作；顶端的红色发光二极管像传统卷烟那样发光；烟弹中烟油先被电热丝加热，进而由雾化器发出超声波使其雾化，雾化烟油随着气流进入人体口腔，达到模拟传统吸烟的效果。

本文所述检测样机需要自动检测电子烟烟杆的充电电流、工作电压、待机电压以及烟杆顶端的发光二极管是否正常工作。

2　检测机的结构

检测机的结构设计参考了文献[4-5]的思路，样机由上料机构、传送机构、检测机构和分料机构4部分组成，设备的正常运转需各部分协调配合。检测机的整体结构如图2所示。

上料采用卧式转盘机构，圆柱体外表面等间隔挖8个纳烟槽，电机带动转盘每转45°，就有1根电子烟杆从转盘槽掉落至传送平台的槽上。直流电机驱动的带式传送机构的传送平台上设有6个槽位，电机每旋转一圈，传送平台槽上的电子烟烟杆便右移1个槽位。从左至右第2~6个槽位是检测工位，即检测机构有5个检测工位。分料机构由下料滑道、分料零件、气缸、收料盒组成，实现限制烟杆下落方位、合格与不合格分路输出和收集的功能。

检测机构由2部分组成：其Ⅰ测试电子烟烟杆的充电电流、工作电压待机电压；其Ⅱ测试发光二极管是否正常发光。检测机构Ⅰ由气缸Ⅰ、气缸推板Ⅰ、5个测试探头（包括铜套、探针、塑胶件）组成，构成5个检测工位。检测时烟杆一端的外缘与铜套接触，中间部位与探针接触（探针有一定弹力以保证充分接触），塑胶件用于铜套和探针之间绝缘。铜套有接驳气管接口的螺纹孔。检测机构Ⅱ由气缸Ⅱ、气缸推板Ⅱ组成，其中气缸推板与烟杆的接触部位有通孔，内置光敏电阻，用于对烟杆发光二极管测光。此处不选用光电传感器而用光敏电阻，是考虑光敏电阻具有反应迅速、成本低廉、使用寿命长且测试电路简易的特点，而光电传感器成本较高且测试电路相对复杂。

3　检测机的硬件电路

检测机硬件电路设计采用NI PCI-6220作为控制器，该控制器有双向数字I/O口24个，模拟输入通道16个[6-7]。本设计使用14个数字I/O口，用于控制电机、电磁阀、继电器动作以及接受光电开关的信号；使用15个模拟输入口，用于检测电压、电流和光。

检测设备的各个机构分别有对应的硬件电路。上料机构的控制电路如图3所示。由于驱动上料机构的力矩较大，故选用功率较大的RB-35CM-HA8直流电动机，L298N双H桥驱动。控制器通过光电开关信号控制上料机构转动的角度，使用NI PCI-6220的I/O口P0.3，即第47引脚来获取光电开关的检测信号，I/O口P0.2和P0.7分别与L298N双H桥直流驱动板的IN1和IN2连接，控制RB-35CM-HA8直流电动机。

驱动传送机构控制电路的电流相对较小，采用ULN2003A的一个通道来控制其直流电机，如图4所示。设置了1个光电开关，传送机构的控制电路使用NI PCI-6220 I/O口P0.5接受光电开关的检测信号，I/O口P0.0与ULN2003A的一个通道连接，来控制RS-455PA-17150 直流电机。

检测机构在运动中完成检测功能。5个检测工位的真空泵抽气管并联，故只需1个抽气电磁阀。采用继电器实现测试电压和电流的工作状态切换，由P0.4控制；1个检测循环中检测机构Ⅰ和检测机构Ⅱ只需一组夹紧、松开动作，故只需控制相应电磁阀的通断，分别由P0.6和P0.1控制相应电磁阀的通断。

检测机构I第1个检测工位的电路原理如图5所示，其他4个检测工位的电路原理与之类似。

5个测试探头的探针（即正极）分别与NI PCI-6220的模拟输入口相连，各个铜套（即负极）与AI GND（模拟输入口的接地端）相连，只需同时与电源共地1次。所构成的5个数据采集通道采集电子烟工作电压值和待机电压值。每个光敏电阻的测光电路使用1个模拟输入口。测电子烟充电电流时，通过1个继电器转换测量通道，对烟杆施加5 V的充电电压。如果不外加电流转换芯片，测试1个电流值需要2个模拟输入口，5个检测工位就需要10个模拟输入口，加上测电压、测光所需的10个模拟输入口，就会出现模拟输入口不够的情况。为此，增设MAX471电流检测模块，将电流检测转换为电压检测，则每个工位可以减少使用1个模拟输入口，避免了模拟输入口不够的情况。5个检测工位中，MAX471模块的AT引脚都与NI PCI-6220的1个模拟输入口相连。

分料机构的控制电路使用NI PCI-6220的P1.0脚，通过与ULN2003A相配合来控制电磁阀，进而控制气缸带动分料机构动作。

4　检测机的工作流程和运行程序

基于LabVIEW编制检测机软件[8-10]，其运行流程如下：

1) 人工将一批定向好的电子烟烟杆放入料斗，上料机构进入初始状态；

2) 上料机构旋转盘旋转4个45°角后，开始有烟杆掉到传送平台上（记为预备状态，如图6所示）；

3) 传送机构的电机每旋转1圈，传送平台上的烟杆移动1个槽位，与此同时上料机构旋转盘每旋转45°角，就有1根烟杆掉入传送机构的第1个槽位；进行5次之后，传送平台的6个槽位，即测试平台的5个检测工位都有电子烟烟杆，从此进入正常工作期；

4) 测试机构压紧电子烟烟杆，进行检测；

5) 测试机构松开电子烟烟杆，检测完成；

6) 分料机构根据测试结果对烟杆进行分类；

7) 机构保持运动和检测循环。

基于LabVIEW编制的检测机总程序如图7所示。

在前面板打开PRE-FEEDING开关，在总程序图中可见FEED子VI运行。FEED子VI即是运行流程的1)和2)。待完成预备时，关闭PRE-FEEDING开关。在前面板打开RUN开关，在总程序图中可见TEST ALL子VI先运行，该子VI对所有测试工位上的电子烟烟杆进行测试，即是流程中的4)和5)。TEST ALL子VI运行完毕后，将测试完的5根电子烟烟杆合格与否生成一个布尔数组。接下来程序执行一个循环5次的FOR循环结构，分别对布尔数据的5根电子烟烟杆的测试结果进行判断，合格时，P1.0 JUD子VI置为高电平，控制分料机构气缸的电磁阀导通，气缸推出；不合格时，P1.0 JUD子VI置为低电平，控制分料机构气缸的电磁阀关断，气缸缩回。延时1000 ms保证气缸的状态已稳定，之后A1子VI（使上料机构的旋转盘旋转45°）和A2子VI（使传送机构将电子烟烟杆移动一个槽位）同时运行以提高效率，传送机构和上料机构协调配合运动，使测试完的样品通过分料机构掉入相应的收料盒，未测试的样品进入测试工位。如此进行5次之后，5个已测完的样品分拣，进入相应收料盒，5个待测样品进入检测平台，即是运行流程的6)。循环进行以上3)~6)，即是运行流程7)。

5　设备运行的效果

忽略检测机的初始到预备阶段所消耗的时间，从进入正常检测阶段起，计算检测机的工作效率。由于分料与上料过程同时进行，节省了部分时间，并且5个工位并行测试，有效提高了设备的工作效率。

根据检测机的实际运行效果，计时结果为该机每15 s完成5根电子烟烟杆的分类出料，平均每根电子烟烟杆耗时3 s。而人工测试时，平均每根电子烟烟杆耗时4 s ~5 s。该机以每小时检测1200根电子烟烟杆的效率，一天工作12小时，可以完成14400根电子烟烟杆的检测，相对于工人的手动、单根测量，在检测的数量和质量上有明显的提升，这对于企业节省人力资源、减轻工人的劳动强度、提高企业的生产效率有很好的现实意义。

6　结语

本文研发的电子烟烟杆自动检测机，结构包括上料、传送、检测和分料机构4部分，采用NI PCI-6220作为控制器，使用LabVIEW编程控制和运行程序。多工位并行检测和上料、分料过程同时进行的设计，有效地提高了设备的工作效率，达到每根电子烟烟杆检测仅耗时3 s，每小时可达检测1200根烟杆的效果，满足了电子烟生产企业减少线上操作工人、产线自动化升级的要求。

参考文献

[1] 姚平章.电子香烟发展进展综述[J].广东化工,2014,41(8): 189,186.

[2] 李保江.全球电子烟市场发展、主要争议及政府管制[J].中国烟草学报,2014,20(4):101-107.

[3] 蒋举兴,者为,詹建波,等.电子烟的发展现状及其危害性[J].安徽农业科学,2013,41(16):7322,7353.

[4] Wang Xuguang,Guan Zhiguang,Zhang Jiwei.Study on sort instrument of cigarette draw resistance based on zero-drive chain[J].Proceedings-3rd International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, 2011(3):518-521.

[5] Sarkar Abahan, Dutta Tamal, Roy B K. Counting of cigarettes in cigarette packets using LabVIEW[J].International Conference on Communication and Signal Processing, 2014(10):1610-1614.

[6] 张勇,黄健鹏,张威.车载润滑油污染度实时检测系统设计[J]. 中国测试, 2015,41(4):61-65.

[7] 张春华,肖体兵,李迪.工程测试技术基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2011.

[8] 雷轶鸣.基于LabVIEW的LED多参数自动检测技术的研究[D].重庆:重庆大学,2007.

[9] 韩强,李冰,李想.基于LabVIEW的自动检测系统组成及应用[J].低压电器,2011(16):47-50.

[10] 陈树学,刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社, 2011.

The Automatic Test Instrument for Electronic Cigarette Rod

Zheng Ronghuan1Liu Guanjie1Wu Hang2Quan Yanming1

(1.Mechanical and Automobile Engineering，South China University of Technology 2.Healthcare Technology International Limited, Dongguan)

As the degree of automation in electronic cigarette testing is low, the automatic test instrument has been designed to test current, voltage of the electronic cigarette rod and whether the LED at the top of the electronic cigarette rod is working, before its last package. NI PCI-6220 is used as the controller of the automatic test instrument, write the LabVIEW program, and it will realize the feeding and testing of the electronic cigarette through designing circuit and mechanical structure. The test instrument can realize the measure function effectively, stably and reliably and sort the qualified electronic cigarette.

Electronic Cigarette; Automatic Test; NI PCI-6220; LabVIEW

郑荣焕，男，1992年生，本科，主要研究方向：机械装备。E-mail: zhengrh@xiaopeng.com

刘冠杰，男，1992年生，本科，主要研究方向：机械装备。E-mail: 670773117@qq.com

吴航，男，1966年生，机电工程硕士学历，主要研究方向：医疗检测仪器。E-mail: stephenng@automatic.com.hk

全燕鸣，女，1957年生，机械工程博士学历，主要研究方向：机械制造自动化。E-mail: meymquan@scut.edu.cn