煙葉自動(dòng)化分片梳理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王小飛，范明登，劉抗抗，齊海濤，王超超，楊江濤

1.秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河北省秦皇島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)龍海道67 號(hào) 0663182.福建省龍巖金葉復(fù)烤有限責(zé)任公司，福建省龍巖市永定區(qū)福三北路305-1 號(hào) 3641023.上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司中煙機(jī)械技術(shù)中心，上海市浦東新區(qū)金海路1000 號(hào)10 幢 2012064.福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，福建省廈門市集美區(qū)濱水路298 號(hào) 361021

打葉復(fù)烤過程中煙葉來料存在等級(jí)純度不均勻等情況，為滿足卷煙工業(yè)企業(yè)的配方要求，需要對(duì)煙葉原料進(jìn)行分片和定級(jí)處理。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外普遍采用人工分片的方式，由培訓(xùn)后的選葉工人對(duì)煙包內(nèi)的煙葉進(jìn)行逐片分揭和定級(jí)，存在工作量大且定級(jí)精度容易受個(gè)體經(jīng)驗(yàn)影響等問題。近年來，基于煙葉特征檢測(cè)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煙葉智能定級(jí)系統(tǒng)得到廣泛關(guān)注［1-3］，通過對(duì)煙葉光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量和分級(jí)算法的開發(fā)及研究，實(shí)現(xiàn)了煙葉的特征識(shí)別和級(jí)別判定，證明了煙葉智能分級(jí)的可行性。然而煙葉視覺檢測(cè)和定級(jí)分倉(cāng)的前提是將大量堆積粘連的煙葉離散成單片煙葉，并將姿態(tài)不一、分布散亂的煙葉進(jìn)行姿態(tài)梳理。近年來，針對(duì)煙葉智能定級(jí)前的分片、梳理等工序以及定級(jí)后的分揀、輸送工序，已研制了相應(yīng)的自動(dòng)化處理裝置。其中，任龍［4］設(shè)計(jì)了一種煙葉單片分離設(shè)備，對(duì)于成把的少量煙葉，可以通過五自由度機(jī)械手夾取煙葉并借助機(jī)構(gòu)振動(dòng)實(shí)現(xiàn)煙葉的單片分離；潘東彪等［5］設(shè)計(jì)了一種煙葉褶皺展開裝置，利用上下布置的毛刷組將褶皺煙葉展開；趙世民等［6］設(shè)計(jì)了基于機(jī)械手與吸嘴的撿取機(jī)構(gòu)，通過二者配合并根據(jù)位置傳感器的檢測(cè)信息進(jìn)行煙葉拾取。但上述報(bào)道主要以少量、離散化的煙葉為對(duì)象進(jìn)行研究，無(wú)法滿足智能定級(jí)工業(yè)化應(yīng)用中對(duì)大量堆積粘連煙葉快速離散為單片煙葉的需求。為此，設(shè)計(jì)了一種煙葉自動(dòng)化分片梳理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煙包解包后粘連煙葉的離散化處理和有序排列，以期為煙葉智能分級(jí)技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

煙葉自動(dòng)化分片梳理系統(tǒng)主要由煙葉分揭裝置、松散分片裝置和梳理裝置三部分組成，見圖1。生產(chǎn)過程中，AGV小車將解包后的煙葉輸送至煙葉分揭裝置（1），堆積粘連的煙葉被逐層分揭成一定厚度的片層煙葉；松散分片裝置（2）將片層煙葉進(jìn)一步松散，形成單片煙葉；梳理裝置（3）將混亂無(wú)序的單片煙葉進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，使煙葉沿長(zhǎng)度方向（葉尖或葉基朝前）成排輸送。

圖1 自動(dòng)化分片梳理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of automatic tobacco leaf separation and aligning system

1.2 煙葉分揭裝置

1.2.1 裝置組成

煙葉分揭裝置主要由松散機(jī)構(gòu)、壓煙機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌和夾煙機(jī)構(gòu)組成，見圖2。解包后的煙葉被運(yùn)送至松散機(jī)構(gòu)（1）工位后，松散機(jī)構(gòu)中的插針插入煙堆至一定深度后上下振動(dòng)，將煙葉初步打散；然后煙葉被繼續(xù)運(yùn)送至夾煙機(jī)構(gòu)（5）工位，在壓煙機(jī)構(gòu)（3）的配合下，夾煙機(jī)構(gòu)逐層夾取煙葉并將形成的片層煙葉沿導(dǎo)軌（2）方向逐步提升；最后在導(dǎo)軌末端將片層煙葉釋放并由輸送帶送入下道工序，完成麻包內(nèi)堆積煙葉的初步離散化。夾煙機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)（4）以及壓力傳感器相互配合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煙葉片層厚度的自動(dòng)調(diào)整。

圖2 分揭裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of splitting device

1.2.2 剝離角度的確定

煙葉粘連主要是由于煙葉細(xì)胞內(nèi)溢出的黏性液體或半液體脂類等大分子物質(zhì)附著于煙葉表面所導(dǎo)致［7-8］，粘連物品的剝離強(qiáng)度通常與剝離角度相關(guān)［9］。因此，粘連煙葉的剝離需要考慮煙葉分揭裝置的剝離角度設(shè)置，盡量避免粘連煙葉被撕扯破碎。由于解包后煙葉具有厚度薄（0.036～0.128 mm［10］）、彎曲性能好、因存在煙梗而不易被拉伸變形等特點(diǎn)，參考Rivlin［11］關(guān)于薄壁物體剝離角度與剝離強(qiáng)度的研究結(jié)果，對(duì)煙葉剝離過程進(jìn)行分析。如圖3 所示，A點(diǎn)為起點(diǎn)粘接位置，O點(diǎn)為末端粘接位置，B點(diǎn)為理想的起點(diǎn)移動(dòng)位置。假設(shè)煙葉在剝離過程中能量守恒，可得：

圖3 煙葉剝離過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of tobacco stack splitting

式中：W為煙葉分揭過程中剝離力做的功，J；Γ為界面臨界斷裂能量釋放率，N/m；b為粘接寬度，m；OA為煙葉剝離長(zhǎng)度，m；Γ0為粘接層界面本征斷裂能，N/m；ΔUdiss為耗散能量，J；ΔUelas為存儲(chǔ)在煙葉中的彈性勢(shì)能變化，J。

由于煙葉在分揭過程中的拉伸變形較小，即OA=OB，可以忽略ΔUelas。根據(jù)功的定義，剝離力做的功可以表示為力與距離的乘積，即：

由三角函數(shù)關(guān)系可得：

聯(lián)立公式（1）～（3），在不考慮耗散能量ΔUdiss的情況下，可得：

由公式（4）可知，隨著剝離角θ的增大，分揭煙葉所需的剝離力逐漸減小。因此，在煙葉分揭過程中，需要使用較大的剝離角以降低剝離力，從而減少煙葉分揭過程中的造碎。此外，Masuda等［12］和Willams［13］研究了黏性耗散能量與剝離角度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在剝離速度恒定的情況下，剝離角越大，剝離點(diǎn)處煙葉的彎曲變形越大，造成黏性耗散區(qū)域和耗散能量增大，進(jìn)而導(dǎo)致剝離力增大。煙葉間的粘附力除了受煙葉等級(jí)、溫濕度和壓力影響外［12］，還會(huì)受到葉脈、葉面褶皺以及葉面搭接方式的影響。綜合考慮批量生產(chǎn)時(shí)煙葉實(shí)際粘附狀態(tài)以及設(shè)備通用性，將導(dǎo)軌的剝離提升角度設(shè)置為135°。

1.3 松散分片裝置

松散分片裝置主要由水平輸送機(jī)、提升機(jī)和撥料輥組成，見圖4。其中，提升機(jī)（2）采用大角度彈性聚酯耙釘輸送帶，與雙工位撥料輥（1）相配合，粘連的片層煙葉被離散為單片煙葉，通過調(diào)節(jié)撥料輥與輸送帶的間隙可以調(diào)整煙葉的松散效果。生產(chǎn)過程中，粘連煙葉在提升機(jī)的作用下向上輸送，在煙葉自身重力以及輸送帶耙釘提供的推力和摩擦力作用下，片層煙葉在水平輸送機(jī)（3）與提升機(jī)交接處翻轉(zhuǎn)，使煙葉層間間隙逐漸擴(kuò)大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)片層煙葉自動(dòng)剝離的松散效果。粘連程度較重的煙葉因片層較厚且整體質(zhì)量較大，沿提升機(jī)輸送時(shí)所受重力較大，在提升機(jī)底部翻轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；而單片煙葉因片層較薄且質(zhì)量較輕，可以直接沿輸送機(jī)向上輸送。彈性聚酯材質(zhì)的耙釘在煙葉翻滾和輸送中起到彈性支撐作用，可以減少煙葉與輸送機(jī)接觸過程中產(chǎn)生的煙葉破碎。

圖4 松散分片裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of loosening and separation device

1.4 梳理裝置

1.4.1 裝置組成

梳理裝置主要由接料帶、梳理帶、收集帶和撥料輥組成，見圖5。其中，接料帶（1）作為進(jìn)料區(qū)位于梳理帶（2）上方，起到高度緩沖作用；梳理帶由8條獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的差速摩擦帶組成，通過摩擦帶間的速度差實(shí)現(xiàn)煙葉姿態(tài)調(diào)整；收集帶（4）位于梳理帶下方，用于輸送經(jīng)梳理帶間隙落下的煙葉；撥料輥（3）位于梳理帶末端的上方，用于將搭接在摩擦帶上的少量煙葉撥回，進(jìn)行二次梳理。梳理帶傳輸方向與底部輸送帶一致，各摩擦帶間的間隙略大于煙葉寬度。經(jīng)接料帶輸出的煙葉一部分沿?zé)熑~長(zhǎng)度方向通過摩擦帶間隙落入下方輸送帶，另一部分煙葉則搭接在相鄰兩條摩擦帶上。利用摩擦帶間的速度差使煙葉旋轉(zhuǎn)，可以使搭接在摩擦帶上的煙葉在旋轉(zhuǎn)過程中經(jīng)摩擦帶間隙落入下方收集帶。經(jīng)過梳理裝置，煙葉由無(wú)規(guī)則姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍昂箜樝颍慈~尖或葉基朝前），實(shí)現(xiàn)煙葉有序排列和輸出。

圖5 梳理裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of aligning device

1.4.2 摩擦帶速度分布設(shè)計(jì)

由于煙葉質(zhì)量較輕，摩擦帶速度過大會(huì)導(dǎo)致煙葉在空氣阻力作用下產(chǎn)生漂移。為此，通過增加摩擦帶速度以觀察煙葉的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，結(jié)果顯示摩擦帶的最高帶速為2.5 m/s。為防止物料堆疊，設(shè)置最低帶速為0.6 m/s。如表1 所示，將帶速分布設(shè)置為由高到低排列、中間高兩側(cè)低排列、高低間隔排列3種方案6種組合進(jìn)行煙葉梳理效果對(duì)比，以確定8條摩擦帶的速度vi（i=1，2，3，…，8）。梳理效果評(píng)判指標(biāo)采用煙葉在摩擦帶上掉落至下層收集帶前的平均移動(dòng)距離，移動(dòng)距離越短表明梳理效果越好。由表1可知，當(dāng)帶速分布為中間高兩側(cè)低且相鄰摩擦帶間速度差達(dá)到0.4 m/s 以上（組合4）時(shí)，設(shè)備整體梳理效果較好，這可能與物料在摩擦帶上的分布呈現(xiàn)中間多兩側(cè)少的狀態(tài)相關(guān)。可見，生產(chǎn)中應(yīng)盡量加大中間摩擦帶的帶速，同時(shí)避免相鄰3條摩擦帶的帶速相同，使搭接在3條摩擦帶上的煙葉順利掉落。將摩擦帶的速度按照組合4進(jìn)行設(shè)置，拍攝煙葉輸送姿態(tài)。由圖6可見，梳理后煙葉基本呈單片狀態(tài)并前后順向（即葉尖或葉基朝前），從而為后續(xù)煙葉定級(jí)的視覺檢測(cè)和分揀提供良好的物料輸送條件。

表1 差速摩擦帶速度分布測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of speed distribution of differential friction belt

圖6 煙葉輸送姿態(tài)Fig.6 Orientation of tobacco leaves on conveying belt

2 應(yīng)用效果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：2022年龍巖尤溪C3F等級(jí)煙葉（福建省龍巖金葉復(fù)烤有限責(zé)任公司提供）。受溫度、濕度等因素影響，煙葉含水率在10.5%～14.5%范圍內(nèi)波動(dòng)。

設(shè)備和儀器：TM710 紅外水分檢測(cè)儀器（美國(guó)NDC 公司）；QCDS-41 葉片片型結(jié)構(gòu)檢測(cè)篩分裝置（中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院）；JAI LQ-401CL工業(yè)相機(jī)（丹麥JAI公司）；煙葉自動(dòng)化分片梳理系統(tǒng)（自制，額定生產(chǎn)能力1 000 kg/h）。

方法：挑選含水率在10.8%±0.2%、12.5%±0.2%、14.3%±0.2%范圍內(nèi)的自然存放煙葉（麻袋包裝）各2批次（1 000 kg/批次），分別采用自動(dòng)化分片梳理系統(tǒng)和人工作業(yè)兩種模式進(jìn)行煙葉分片梳理。其中，分片系統(tǒng)按照設(shè)備額定生產(chǎn)能力進(jìn)行投料，人工作業(yè)由5 人進(jìn)行煙葉分片，每人50 kg/h。①統(tǒng)計(jì)兩種模式下煙葉損耗量、造碎量，并利用QCDS-41 篩分裝置處理煙葉碎片，統(tǒng)計(jì)不同尺寸碎片所占比例以表征碎片結(jié)構(gòu)。②采用分片系統(tǒng)，在不同含水率的3批次煙葉進(jìn)料流量穩(wěn)定后，分別對(duì)輸出煙葉進(jìn)行隨機(jī)取樣，取樣量為3 kg±300 g，統(tǒng)計(jì)煙葉粘連情況（即粘連煙葉占取樣煙葉的質(zhì)量百分比）以表征煙葉分片效果；利用JAI LQ-401CL工業(yè)相機(jī)對(duì)輸出帶上的煙葉進(jìn)行拍攝（1 張/min），分析圖像中煙葉姿態(tài)，以煙葉傳輸方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向計(jì)算煙葉外接矩形空間的長(zhǎng)寬比，統(tǒng)計(jì)不同長(zhǎng)寬比煙葉占圖像內(nèi)煙葉數(shù)量的百分比以表征煙葉梳理效果，長(zhǎng)寬比越大則表明煙葉梳理效果越好。③從拍攝的煙葉圖像中隨機(jī)挑選60張（每批次挑選20張），統(tǒng)計(jì)各圖像中正面朝上的煙葉數(shù)量占比，繪制散點(diǎn)圖。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可知，采用分片系統(tǒng)處理3批次煙葉所產(chǎn)生的損耗量和造碎量均低于人工分片。其中，煙葉損耗量平均減少1.15 kg/批次（降幅33.5%），造碎量平均減少3.21 kg/批次（降幅27.2%）。隨著煙葉含水率的提高，兩種模式的煙葉損耗量和造碎量均呈下降趨勢(shì)。對(duì)碎片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分片系統(tǒng)處理的較大碎片（≥25.4 mm、≥12.7 mm、≥6.35 mm 以及≥3.18 mm）所占比例低于人工分片，而較小碎片（＜3.18 mm）所占比例則高于人工分片。這是由于分片系統(tǒng)主要依靠煙葉自身的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)煙葉分片，煙葉受力較小，不會(huì)造成大片煙葉被撕扯，但煙葉在輸送過程中因存在高度差且與設(shè)備發(fā)生觸碰，容易造成煙葉邊緣產(chǎn)生一定破碎。因此，煙葉的整體碎片量和較大碎片量均較小，而＜3.18 mm的碎片則占比較高。

表2 自動(dòng)化分片梳理系統(tǒng)應(yīng)用前后煙葉損耗量、造碎量與碎片尺寸分布Tab.2 Amounts of tobacco loss and tobacco dust and size distribution of tobacco dust before and after application of the automatic separation and aligning system

由表3可知，系統(tǒng)對(duì)于粘連煙葉具有較好分片效果，處理后粘連煙葉質(zhì)量?jī)H占來料質(zhì)量的5.54%（少量的粘連煙葉以2片粘連為主），單片離散化率超過94%。通過分片系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸送過程中煙葉姿態(tài)調(diào)整，約80%的煙葉能夠按長(zhǎng)度方向進(jìn)行輸送，有利于煙葉定級(jí)后的分揀作業(yè)。

表3 煙葉分片效果和梳理效果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics on effects of tobacco leaf separation and aligning

如圖7 所示，3 批次的煙葉經(jīng)分片系統(tǒng)處理后，在輸送帶上正面朝上的煙葉占比無(wú)明顯規(guī)律性，這是因?yàn)闊煱鼉?nèi)煙葉朝向具有不確定性，且批量煙葉在設(shè)備輸送過程中容易發(fā)生隨機(jī)碰撞和翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致煙葉的正反面朝向具有較大隨機(jī)性。為避免煙葉正反面朝向不一致而影響定級(jí)精度，在智能定級(jí)系統(tǒng)中可以預(yù)先建立煙葉的正反面特征數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煙葉級(jí)別的準(zhǔn)確判定。

圖7 自動(dòng)化分片梳理系統(tǒng)處理后正面朝上的煙葉數(shù)量占比Fig.7 Percentage of tobacco leaves with the top side up after passing through the automatic separation and aligning system

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種煙葉自動(dòng)化分片梳理系統(tǒng)，通過對(duì)解包后的粘連煙葉進(jìn)行逐層分揭、松散分片和姿態(tài)梳理處理，使輸出煙葉呈單片離散化分布且姿態(tài)相對(duì)統(tǒng)一，以便于煙葉智能定級(jí)和分揀作業(yè)。以福建省龍巖金葉復(fù)烤有限責(zé)任公司提供的2022年龍巖尤溪C3F等級(jí)煙葉為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：與人工分片相比，采用分片系統(tǒng)后煙葉損耗量減少約33.5%，造碎量減少約27.2%；有效分離粘連煙葉，單片離散化率超過94%；實(shí)現(xiàn)煙葉姿態(tài)調(diào)整，約80%煙葉能夠沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行輸送，從而滿足后續(xù)智能定級(jí)和分揀作業(yè)的需求。