煙葉復烤自動擺把上料模式改進初探

文 / 黃軍 吳忠民 吳才松 楊江平

隨著經濟不斷增長，人工成本與日俱增，“招工難，留工更難”已經成為眾多企業面臨的普遍問題，利用自動化設備替代人工進行繁重、重復的工作，成為時代發展的必然趨勢。然而，在煙草行業，復烤煙葉從煙包出來到輸送線擺把上料進行切割這一環節，目前全國所有的煙葉復烤公司仍需采用人工負責。

“擺把”是煙草行業的術語，是指煙葉在打葉復烤生產中，將煙葉從料框中按不同的質量和數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烤生產線的第一個步驟，對生產線后續步驟至關重要。

煙葉復烤是對初烤后的煙葉進一步深加工，其目的是對煙葉進行打葉和復烤，去除煙葉的煙梗、按不同質量要求控制煙葉中的水分、理化指標、煙葉色澤、殺蟲去菌、去除沙土及雜物、裝箱打包。煙葉按質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，在生產上就必須按配方要求將不同等級的煙葉配搭后進行打葉和復烤。在擺把工段，根據煙葉配方要求，將不同等級、不同數量的煙葉擺放在生產線傳輸皮帶上，完成配比后由傳輸帶將煙葉送至下一個工序進行生產。

針對目前國內煙葉復烤公司的現狀，2021年2月中煙物流技術有限責任公司和重慶煙葉復烤有限公司結合云南曲靖復烤廠及重慶萬州復烤廠，對解決人工擺把上料效率低、精度低、人工勞動強度大等問題進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

工人利用人工轉運車把煙包從倉庫（如圖1所示）運送至煙葉緩存區（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一朝向的擺在輸送線中心位置（如圖4所示），煙葉經過輸送帶流至后段切割設備將煙葉煙梗與煙葉進行分離，在進行后續工序。

圖3 人工上料

圖2 煙包緩存區

圖4 煙葉鋪葉區

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

一般煙葉復烤廠煙葉擺把的傳統流程（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.傳統人工擺把投料流程的缺點

傳統人工擺把投料全程采用人工作業，全部依靠擺把工人采用人工完成煙草量取、轉送、放置和鋪展，突出的問題主要表現在生產效率低下、擺把精確度低、配方準確率差、勞動強度大、現場工作環境粉塵大、煙味濃厚，以及影響工人身心健康、增加職業病和勞動風險等。由于煙葉打葉復烤生產具有季節性和階段性，工人的穩定性差，新老員工生產技能參差不齊，往往會影響生產的正常運轉；并且費時費力，工人容錯率低，工作壓力大。

二、方案設計及其實施

1.方案簡述

（1）機器人自動擺把上料工作流程

機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.機器人單元

（1）機器人系統

圖8 自動化擺把上料布局圖

圖9 機器人自動上料單元

圖10 夾具示意圖

圖11 程序流程圖

系統采用ABB IRB6700機器人。該機器人擁有3.2 m臂展，負載為150kg，重復定位精度可達0.1mm，機器人控制系統具備PROFINET和以太網兩個通信網絡，視覺系統通過socket通訊給機器人發送抓取點目標位置（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）程序結構

機器人的程序設計是分功能模塊設計的，分成主程序、視覺通信程序、自動搬運程序、系統報警程序、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

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

本方案采用相機選用Mech-Eye Deep 3D智能相機，相機參數見圖12。

4.識別算法

（1）相機獲取圖像，3D智能相機拍照獲取深度圖和2D圖。

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

（3）預測抓取點的概率分布，此步驟應用了深度學習人工智能算法，對圖像進行分割，識別煙葉所在區域（如圖13）。

圖12 相機參數圖

圖13 煙葉區域分割圖像

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

圖14 煙葉抓取坐標圖像

（5）設置抓取點個數，一次性可向機器人輸出抓取點個數，根據需求設置。

（6）抓取點排序，根據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，自動導引運輸車）是裝備有電磁或光學等自動導引裝置（如圖15），能夠沿規定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。

圖15 AGV轉運裝載單元

本方案采用重載AGV取代原流程中叉車的作用，用AGV實現裝載單元從庫內到庫外的全程轉運。

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月分別在萬州復烤廠進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，所用機器人自動上料單元，取代傳統人工上料，減少了人力成本，在效率、鋪葉精度上有很大提升（如表1），而且機器人自動化上料可以適應現場環境煙味重、粉塵多等問題。

表1 參數對比表

三、結論

國內現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、轉送、放置和鋪展，該模式的研究應用為煙葉打葉復烤環節國內首創，實現了一種煙葉復烤自動擺把配料的全新方法，取代了傳統人工擺把和配料方法，可提高配方精度，提升復烤煙葉質量。

同時，其研究成果預期可應用于復烤公司易地技改項目，未來可在國內其他復烤企業推廣應用，對 “智慧復烤”項目建設、“互聯網+煙葉”建設起到推動作用，對煙草農業數字化轉型具有重要創新示范意義。