煙葉自動化分片梳理系統的設計

王小飛，范明登，劉抗抗，齊海濤，王超超，楊江濤

1.秦皇島煙草機械有限責任公司，河北省秦皇島市經濟技術開發區龍海道67 號 0663182.福建省龍巖金葉復烤有限責任公司，福建省龍巖市永定區福三北路305-1 號 3641023.上海煙草機械有限責任公司中煙機械技術中心，上海市浦東新區金海路1000 號10 幢 2012064.福建中煙工業有限責任公司技術中心，福建省廈門市集美區濱水路298 號 361021

打葉復烤過程中煙葉來料存在等級純度不均勻等情況，為滿足卷煙工業企業的配方要求，需要對煙葉原料進行分片和定級處理。當前國內外普遍采用人工分片的方式，由培訓后的選葉工人對煙包內的煙葉進行逐片分揭和定級，存在工作量大且定級精度容易受個體經驗影響等問題。近年來，基于煙葉特征檢測和神經網絡的煙葉智能定級系統得到廣泛關注［1-3］，通過對煙葉光譜數據的測量和分級算法的開發及研究，實現了煙葉的特征識別和級別判定，證明了煙葉智能分級的可行性。然而煙葉視覺檢測和定級分倉的前提是將大量堆積粘連的煙葉離散成單片煙葉，并將姿態不一、分布散亂的煙葉進行姿態梳理。近年來，針對煙葉智能定級前的分片、梳理等工序以及定級后的分揀、輸送工序，已研制了相應的自動化處理裝置。其中，任龍［4］設計了一種煙葉單片分離設備，對于成把的少量煙葉，可以通過五自由度機械手夾取煙葉并借助機構振動實現煙葉的單片分離；潘東彪等［5］設計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］設計了基于機械手與吸嘴的撿取機構，通過二者配合并根據位置傳感器的檢測信息進行煙葉拾取。但上述報道主要以少量、離散化的煙葉為對象進行研究，無法滿足智能定級工業化應用中對大量堆積粘連煙葉快速離散為單片煙葉的需求。為此，設計了一種煙葉自動化分片梳理系統，實現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技術的工業化應用提供支持。

1 系統設計

1.1 系統組成

煙葉自動化分片梳理系統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）將片層煙葉進一步松散，形成單片煙葉；梳理裝置（3）將混亂無序的單片煙葉進行姿態調整，使煙葉沿長度方向（葉尖或葉基朝前）成排輸送。

圖1 自動化分片梳理系統結構圖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構、壓煙機構、限位機構、導軌和夾煙機構組成，見圖2。解包后的煙葉被運送至松散機構（1）工位后，松散機構中的插針插入煙堆至一定深度后上下振動，將煙葉初步打散；然后煙葉被繼續運送至夾煙機構（5）工位，在壓煙機構（3）的配合下，夾煙機構逐層夾取煙葉并將形成的片層煙葉沿導軌（2）方向逐步提升；最后在導軌末端將片層煙葉釋放并由輸送帶送入下道工序，完成麻包內堆積煙葉的初步離散化。夾煙機構、限位機構（4）以及壓力傳感器相互配合，可以實現對煙葉片層厚度的自動調整。

圖2 分揭裝置結構圖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胞內溢出的黏性液體或半液體脂類等大分子物質附著于煙葉表面所導致［7-8］，粘連物品的剝離強度通常與剝離角度相關［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，參考Rivlin［11］關于薄壁物體剝離角度與剝離強度的研究結果，對煙葉剝離過程進行分析。如圖3 所示，A點為起點粘接位置，O點為末端粘接位置，B點為理想的起點移動位置。假設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為存儲在煙葉中的彈性勢能變化，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：

由三角函數關系可得：

聯立公式（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系，發現在剝離速度恒定的情況下，剝離角越大，剝離點處煙葉的彎曲變形越大，造成黏性耗散區域和耗散能量增大，進而導致剝離力增大。煙葉間的粘附力除了受煙葉等級、溫濕度和壓力影響外［12］，還會受到葉脈、葉面褶皺以及葉面搭接方式的影響。綜合考慮批量生產時煙葉實際粘附狀態以及設備通用性，將導軌的剝離提升角度設置為135°。

1.3 松散分片裝置

松散分片裝置主要由水平輸送機、提升機和撥料輥組成，見圖4。其中，提升機（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，通過調節撥料輥與輸送帶的間隙可以調整煙葉的松散效果。生產過程中，粘連煙葉在提升機的作用下向上輸送，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（3）與提升機交接處翻轉，使煙葉層間間隙逐漸擴大，進而實現片層煙葉自動剝離的松散效果。粘連程度較重的煙葉因片層較厚且整體質量較大，沿提升機輸送時所受重力較大，在提升機底部翻轉持續時間相對較長；而單片煙葉因片層較薄且質量較輕，可以直接沿輸送機向上輸送。彈性聚酯材質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接觸過程中產生的煙葉破碎。

圖4 松散分片裝置結構圖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）作為進料區位于梳理帶（2）上方，起到高度緩沖作用；梳理帶由8條獨立驅動的差速摩擦帶組成，通過摩擦帶間的速度差實現煙葉姿態調整；收集帶（4）位于梳理帶下方，用于輸送經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。經接料帶輸出的煙葉一部分沿煙葉長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，可以使搭接在摩擦帶上的煙葉在旋轉過程中經摩擦帶間隙落入下方收集帶。經過梳理裝置，煙葉由無規則姿態轉變為前后順向（即葉尖或葉基朝前），實現煙葉有序排列和輸出。

圖5 梳理裝置結構圖Fig.5 Structure of aligning device

1.4.2 摩擦帶速度分布設計

由于煙葉質量較輕，摩擦帶速度過大會導致煙葉在空氣阻力作用下產生漂移。為此，通過增加摩擦帶速度以觀察煙葉的運動姿態，結果顯示摩擦帶的最高帶速為2.5 m/s。為防止物料堆疊，設置最低帶速為0.6 m/s。如表1 所示，將帶速分布設置為由高到低排列、中間高兩側低排列、高低間隔排列3種方案6種組合進行煙葉梳理效果對比，以確定8條摩擦帶的速度vi（i=1，2，3，…，8）。梳理效果評判指標采用煙葉在摩擦帶上掉落至下層收集帶前的平均移動距離，移動距離越短表明梳理效果越好。由表1可知，當帶速分布為中間高兩側低且相鄰摩擦帶間速度差達到0.4 m/s 以上（組合4）時，設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中間多兩側少的狀態相關。可見，生產中應盡量加大中間摩擦帶的帶速，同時避免相鄰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進行設置，拍攝煙葉輸送姿態。由圖6可見，梳理后煙葉基本呈單片狀態并前后順向（即葉尖或葉基朝前），從而為后續煙葉定級的視覺檢測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試結果Tab.1 Test results of speed distribution of differential friction belt

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

2 應用效果

2.1 實驗設計

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

設備和儀器：TM710 紅外水分檢測儀器（美國NDC 公司）；QCDS-41 葉片片型結構檢測篩分裝置（中國煙草總公司鄭州煙草研究院）；JAI LQ-401CL工業相機（丹麥JAI公司）；煙葉自動化分片梳理系統（自制，額定生產能力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），分別采用自動化分片梳理系統和人工作業兩種模式進行煙葉分片梳理。其中，分片系統按照設備額定生產能力進行投料，人工作業由5 人進行煙葉分片，每人50 kg/h。①統計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，統計不同尺寸碎片所占比例以表征碎片結構。②采用分片系統，在不同含水率的3批次煙葉進料流量穩定后，分別對輸出煙葉進行隨機取樣，取樣量為3 kg±300 g，統計煙葉粘連情況（即粘連煙葉占取樣煙葉的質量百分比）以表征煙葉分片效果；利用JAI LQ-401CL工業相機對輸出帶上的煙葉進行拍攝（1 張/min），分析圖像中煙葉姿態，以煙葉傳輸方向為長度方向計算煙葉外接矩形空間的長寬比，統計不同長寬比煙葉占圖像內煙葉數量的百分比以表征煙葉梳理效果，長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挑選60張（每批次挑選20張），統計各圖像中正面朝上的煙葉數量占比，繪制散點圖。

2.2 數據分析

由表2可知，采用分片系統處理3批次煙葉所產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。對碎片結構進行分析，結果發現分片系統處理的較大碎片（≥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。這是由于分片系統主要依靠煙葉自身的翻轉實現煙葉分片，煙葉受力較小，不會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備發生觸碰，容易造成煙葉邊緣產生一定破碎。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 自動化分片梳理系統應用前后煙葉損耗量、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，系統對于粘連煙葉具有較好分片效果，處理后粘連煙葉質量僅占來料質量的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%。通過分片系統實現了輸送過程中煙葉姿態調整，約80%的煙葉能夠按長度方向進行輸送，有利于煙葉定級后的分揀作業。

表3 煙葉分片效果和梳理效果統計Tab.3 Statistics on effects of tobacco leaf separation and aligning

如圖7 所示，3 批次的煙葉經分片系統處理后，在輸送帶上正面朝上的煙葉占比無明顯規律性，這是因為煙包內煙葉朝向具有不確定性，且批量煙葉在設備輸送過程中容易發生隨機碰撞和翻轉，從而導致煙葉的正反面朝向具有較大隨機性。為避免煙葉正反面朝向不一致而影響定級精度，在智能定級系統中可以預先建立煙葉的正反面特征數據庫，從而實現對煙葉級別的準確判定。

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

3 結論

設計了一種煙葉自動化分片梳理系統，通過對解包后的粘連煙葉進行逐層分揭、松散分片和姿態梳理處理，使輸出煙葉呈單片離散化分布且姿態相對統一，以便于煙葉智能定級和分揀作業。以福建省龍巖金葉復烤有限責任公司提供的2022年龍巖尤溪C3F等級煙葉為對象進行測試，結果表明：與人工分片相比，采用分片系統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%；實現煙葉姿態調整，約80%煙葉能夠沿長度方向進行輸送，從而滿足后續智能定級和分揀作業的需求。