煙葉復(fù)烤自動擺把上料模式改進(jìn)初探

文 / 黃軍 吳忠民 吳才松 楊江平

隨著經(jīng)濟(jì)不斷增長，人工成本與日俱增，“招工難，留工更難”已經(jīng)成為眾多企業(yè)面臨的普遍問題，利用自動化設(shè)備替代人工進(jìn)行繁重、重復(fù)的工作，成為時代發(fā)展的必然趨勢。然而，在煙草行業(yè)，復(fù)烤煙葉從煙包出來到輸送線擺把上料進(jìn)行切割這一環(huán)節(jié)，目前全國所有的煙葉復(fù)烤公司仍需采用人工負(fù)責(zé)。

“擺把”是煙草行業(yè)的術(shù)語，是指煙葉在打葉復(fù)烤生產(chǎn)中，將煙葉從料框中按不同的質(zhì)量和數(shù)量要求取出并擺放到傳輸工作臺上的過程，該過程是整個打葉復(fù)烤生產(chǎn)線的第一個步驟，對生產(chǎn)線后續(xù)步驟至關(guān)重要。

煙葉復(fù)烤是對初烤后的煙葉進(jìn)一步深加工，其目的是對煙葉進(jìn)行打葉和復(fù)烤，去除煙葉的煙梗、按不同質(zhì)量要求控制煙葉中的水分、理化指標(biāo)、煙葉色澤、殺蟲去菌、去除沙土及雜物、裝箱打包。煙葉按質(zhì)量分類有若干不同的等級，不同香煙品種有各自不同的煙葉等級配方，在生產(chǎn)上就必須按配方要求將不同等級的煙葉配搭后進(jìn)行打葉和復(fù)烤。在擺把工段，根據(jù)煙葉配方要求，將不同等級、不同數(shù)量的煙葉擺放在生產(chǎn)線傳輸皮帶上，完成配比后由傳輸帶將煙葉送至下一個工序進(jìn)行生產(chǎn)。

針對目前國內(nèi)煙葉復(fù)烤公司的現(xiàn)狀，2021年2月中煙物流技術(shù)有限責(zé)任公司和重慶煙葉復(fù)烤有限公司結(jié)合云南曲靖復(fù)烤廠及重慶萬州復(fù)烤廠，對解決人工擺把上料效率低、精度低、人工勞動強(qiáng)度大等問題進(jìn)行了初步研究和探討。

一、煙葉擺把工段概況

1.煙葉擺把工段簡介

工人利用人工轉(zhuǎn)運車把煙包從倉庫（如圖1所示）運送至煙葉緩存區(qū)（如圖2所示），將麻袋里的煙葉取出（如圖3所示），人工將分好頭尾、厚度均勻的煙葉平整統(tǒng)一朝向的擺在輸送線中心位置（如圖4所示），煙葉經(jīng)過輸送帶流至后段切割設(shè)備將煙葉煙梗與煙葉進(jìn)行分離，在進(jìn)行后續(xù)工序。

圖3 人工上料

圖2 煙包緩存區(qū)

圖4 煙葉鋪葉區(qū)

圖5 人工擺把上料流程圖

圖6 人工煙葉擺把布局圖

2.煙葉擺把工段流程

一般煙葉復(fù)烤廠煙葉擺把的傳統(tǒng)流程（如圖5所示）主要包括：

3.煙葉擺把工段流程

車間人工擺把布局圖，如圖6所示。

4.傳統(tǒng)人工擺把投料流程的缺點

傳統(tǒng)人工擺把投料全程采用人工作業(yè)，全部依靠擺把工人采用人工完成煙草量取、轉(zhuǎn)送、放置和鋪展，突出的問題主要表現(xiàn)在生產(chǎn)效率低下、擺把精確度低、配方準(zhǔn)確率差、勞動強(qiáng)度大、現(xiàn)場工作環(huán)境粉塵大、煙味濃厚，以及影響工人身心健康、增加職業(yè)病和勞動風(fēng)險等。由于煙葉打葉復(fù)烤生產(chǎn)具有季節(jié)性和階段性，工人的穩(wěn)定性差，新老員工生產(chǎn)技能參差不齊，往往會影響生產(chǎn)的正常運轉(zhuǎn)；并且費時費力，工人容錯率低，工作壓力大。

二、方案設(shè)計及其實施

1.方案簡述

（1）機(jī)器人自動擺把上料工作流程

機(jī)器人自動擺把上料工作流程（如圖7所示）：

圖7 自動化擺把上料流程圖

（2）機(jī)器人自動擺把上料布局圖車間人工擺把布局圖，如圖8所示。

2.機(jī)器人單元

（1）機(jī)器人系統(tǒng)

圖8 自動化擺把上料布局圖

圖9 機(jī)器人自動上料單元

圖10 夾具示意圖

圖11 程序流程圖

系統(tǒng)采用ABB IRB6700機(jī)器人。該機(jī)器人擁有3.2 m臂展，負(fù)載為150kg，重復(fù)定位精度可達(dá)0.1mm，機(jī)器人控制系統(tǒng)具備PROFINET和以太網(wǎng)兩個通信網(wǎng)絡(luò)，視覺系統(tǒng)通過socket通訊給機(jī)器人發(fā)送抓取點目標(biāo)位置（如圖9所示）。

（2）煙葉夾具示意圖

煙葉夾具示意圖，如圖10所示。

（3）程序結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的程序設(shè)計是分功能模塊設(shè)計的，分成主程序、視覺通信程序、自動搬運程序、系統(tǒng)報警程序、IO處理程序。視覺通信程序和自動搬運程序是程序的核心，關(guān)系到烤煙搬運的速度和正確率。程序流程圖，如圖11所示。

3.3D視覺技術(shù)

3D視覺傳感技術(shù)是一種深度傳感技術(shù)，除了對象的X和Y值之外，還可以記錄Z值。 3D坐標(biāo)系主流的3D光學(xué)視覺方案：雙目立體視覺法（Stereo Vision，簡稱“雙目法”），結(jié)構(gòu)光法（Structured Light，簡稱“結(jié)構(gòu)光”）以及飛行時間法（Time of Flight,ToF）。

本方案采用相機(jī)選用Mech-Eye Deep 3D智能相機(jī)，相機(jī)參數(shù)見圖12。

4.識別算法

（1）相機(jī)獲取圖像，3D智能相機(jī)拍照獲取深度圖和2D圖。

（2）點云預(yù)處理，將深度圖轉(zhuǎn)換為點云，并計算點云的法向量并濾波，提取ROI內(nèi)的點云。將點云發(fā)送給Viz，用于點云碰撞檢測等。

（3）預(yù)測抓取點的概率分布，此步驟應(yīng)用了深度學(xué)習(xí)人工智能算法，對圖像進(jìn)行分割，識別煙葉所在區(qū)域（如圖13）。

圖12 相機(jī)參數(shù)圖

圖13 煙葉區(qū)域分割圖像

（4）根據(jù)概率分布圖計算抓取點，此步驟中可以計算出抓取坐標(biāo)點，以及正、反等標(biāo)簽（如圖14）。

圖14 煙葉抓取坐標(biāo)圖像

（5）設(shè)置抓取點個數(shù)，一次性可向機(jī)器人輸出抓取點個數(shù)，根據(jù)需求設(shè)置。

（6）抓取點排序，根據(jù)需求對抓取點排序來定義抓取順序，例如先從左到右、從上到下等。

5.AGV

A G V（A u t o m a t e d G u i d e d Vehicle，自動導(dǎo)引運輸車）是裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置（如圖15），能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運輸車。

圖15 AGV轉(zhuǎn)運裝載單元

本方案采用重載AGV取代原流程中叉車的作用，用AGV實現(xiàn)裝載單元從庫內(nèi)到庫外的全程轉(zhuǎn)運。

6.實施效果

該煙葉自動擺把上料模式尚處于實驗測試階段，在2022年3月和2022年5月分別在萬州復(fù)烤廠進(jìn)行兩輪階段性的測試。本文中提及的煙葉自動擺把上料模式中，所用機(jī)器人自動上料單元，取代傳統(tǒng)人工上料，減少了人力成本，在效率、鋪葉精度上有很大提升（如表1），而且機(jī)器人自動化上料可以適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境煙味重、粉塵多等問題。

表1 參數(shù)對比表

三、結(jié)論

國內(nèi)現(xiàn)有的擺把工段全部是人工完成，屬于勞動密集型工種，主要依靠擺把工人采用人工完成煙草量取、轉(zhuǎn)送、放置和鋪展，該模式的研究應(yīng)用為煙葉打葉復(fù)烤環(huán)節(jié)國內(nèi)首創(chuàng)，實現(xiàn)了一種煙葉復(fù)烤自動擺把配料的全新方法，取代了傳統(tǒng)人工擺把和配料方法，可提高配方精度，提升復(fù)烤煙葉質(zhì)量。

同時，其研究成果預(yù)期可應(yīng)用于復(fù)烤公司易地技改項目，未來可在國內(nèi)其他復(fù)烤企業(yè)推廣應(yīng)用，對 “智慧復(fù)烤”項目建設(shè)、“互聯(lián)網(wǎng)+煙葉”建設(shè)起到推動作用，對煙草農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要創(chuàng)新示范意義。