ZJ116A卷接機單支重量加工精度的優(yōu)化研究

趙素菲 陸劍鋒 陳仁勇 陳智鳴 李 鶯

（廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南寧卷煙廠，廣西 南寧 530000）

ZJ116A機型配備了常德煙機公司自主研發(fā)的煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)，確保了核心電控技術(shù)的自主掌控，在機械方面也進行了較多升級與創(chuàng)新。重量標(biāo)準(zhǔn)偏差是卷接機重要的設(shè)備過程能力指數(shù)，也是衡量煙支重量穩(wěn)定性的指標(biāo)。經(jīng)統(tǒng)計，2021年卷煙高速機ZJ116A生產(chǎn)的產(chǎn)品重量標(biāo)準(zhǔn)偏差平均為20.55mg，重量標(biāo)準(zhǔn)偏差平均合格率為78%，低于南寧卷煙廠85%的平均值。煙支重量波動大會直接影響吸阻穩(wěn)定性，并最終影響感官效果，消弱真龍品牌的競爭力。

為改善煙支的重量標(biāo)準(zhǔn)偏差，魏明月等[1]分析了卷煙成型過程中可能造成煙支克重偏差波動的主要影響因素，針對影響單支克重偏差的平準(zhǔn)器磨損、吸絲腔瓷輪磨損和煙舌磨損進行研究，確定平準(zhǔn)器更換標(biāo)準(zhǔn)，改進吸絲腔導(dǎo)軌運行方式，確定煙舌更換標(biāo)準(zhǔn)，有效降低了卷煙單支克重偏差。陳智鳴等[2]研究了PROTOS70型卷接機不同回絲量對煙支重量標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響。黃玉等[3]通過梯度試驗確定二次梗絲剔除量對煙支重量標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響。錢文聰?shù)萚4]發(fā)現(xiàn)PT70卷煙機運行參數(shù)中小風(fēng)機轉(zhuǎn)速、回絲量以及VE風(fēng)室負壓是對煙支重量穩(wěn)定性影響較大的運行參數(shù)。通過DOE試驗獲得煙支重量標(biāo)準(zhǔn)偏差，從而確定各運行參數(shù)對煙支重量穩(wěn)定性的影響，并對運行參數(shù)進行優(yōu)化，以提高煙支重量穩(wěn)定性。常用的試驗設(shè)計方法包括部分析因設(shè)計、Plackett-Burman和響應(yīng)曲面優(yōu)化（RSM）試驗等，當(dāng)考察因子較多時，這類方法的試驗次數(shù)也比較多。因此該文提出一種新的設(shè)計方案，只需要較少的試驗次數(shù)就可以得到最優(yōu)方案。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 材料和設(shè)備儀器

材料為真龍（起源）牌號合格成品煙絲及輔材。設(shè)備為ZJ116A型卷接機1臺（中國常德）。電子天平為ML203型，感量0.001g（瑞士梅特勒·托利多公司）。綜合測試臺采用型號為OMERICA的測試臺（北京歐美利華公司）。質(zhì)量工藝規(guī)范為0.975g±0.070g。

1.2 試驗方法

BRADLEY JONES等[5]（2011）提出了一種新的設(shè)計方案，稱為確定篩選試驗設(shè)計（DSD）。確定性篩選試驗設(shè)計（DSD）使用會議矩陣（Conference Matrices[6]）構(gòu)造。會議矩陣是一個m×m矩陣C，其中m是偶數(shù)。矩陣C在對角線上具有0值，非對角線元素等于1或-1，并且滿足C'C=（m-1）Im×m。對于k個連續(xù)因子的情況，如果k是偶數(shù)，使用一個k×k的會議矩陣來定義設(shè)計的k次試驗，其中負值-C定義了折疊試驗。為了確保模型可估計，添加一個中心點，包括截距、主效應(yīng)和二次效應(yīng)。在確定性篩選設(shè)計中，每個因子取3個水平（如-1、0、+1）。試驗規(guī)模不會很大，一般等于因子數(shù)量的2倍加1，它生成的核心機理簡要描述如下：隨機產(chǎn)生一個初始設(shè)計。初始設(shè)計中除最后一行之外的每個奇數(shù)行均有且只有一列為0（每列只有一次為0的機會），其余列均是在（-1，+1）中分布的隨機非零整數(shù)函數(shù)，每個偶數(shù)行是其前一行的折疊設(shè)計，即其值等于前一行中的每個值乘以-1，最后一行的所有列均為0。然后計算整個設(shè)計矩陣的行列式值。如果改變初始設(shè)計中某個奇數(shù)行非零列的取值，該行列式值也會發(fā)生變化。當(dāng)通過特定的算法找到行列式值的最大值時，其所對應(yīng)的設(shè)計矩陣就是該文要找的確定性篩選設(shè)計。

1.3 試驗因子確認

技術(shù)攻關(guān)小組對卷制過程進行梳理，并對卷制過程的輸入、輸出進行分析，以識別影響ZJ116A機臺重量標(biāo)準(zhǔn)偏差的懷疑因子，通過CE矩陣法，對輸出影響程度進行打分。結(jié)合因子是否可計量、試驗改變的難易程度、生產(chǎn)調(diào)整等實際情況，從而篩選得出試驗因子。可控因子、高低水平和中心點、技術(shù)規(guī)格見表1。

表1 試驗因子高、低水平

1.4 試驗設(shè)計

確定性篩選試驗水平組合見表2。對6個連續(xù)因子來說，表2顯示了確定性設(shè)計（1～13組），加上4個對應(yīng)假因子的額外試驗（14～17組），具有如下特征：在確定性篩選設(shè)計中，每個因子取3個水平（如-1、0、+1）。每對行都是一個折疊對，每個偶數(shù)行的值都是上一行乘以-1。設(shè)計的折疊特性去除了雙因子交互作用與主效應(yīng)的混雜。每個因子都會在3次試驗中被設(shè)置為中心值，這種設(shè)置與設(shè)計的構(gòu)造使所有二次效應(yīng)都可估計。結(jié)果指標(biāo)為重量標(biāo)準(zhǔn)偏差，屬性連續(xù)性數(shù)據(jù)，目標(biāo)望小。

表2 確定性篩選試驗水平組合

從6個連續(xù)因子的設(shè)計相關(guān)性色圖（如圖1所示）可以看出，主效應(yīng)與所有雙因子交互作用、純二次效應(yīng)都不相關(guān)，沒有任何效應(yīng)與其他效應(yīng)完全混雜。

圖1 相關(guān)性色圖

1.5 試驗安排

根據(jù)試驗設(shè)計，需要做17次試驗，每次試驗需要機臺操作員和設(shè)備調(diào)整人員根據(jù)表2內(nèi)容調(diào)整各因子參數(shù)水平或機械位置，機臺運行正常后開始取樣。ZJ116A有前、后2個通道，前、后道內(nèi)、外排每組樣本每次取樣100支煙，共取4組樣本，將樣本裝袋并標(biāo)記試驗次序，送綜合測試臺進行測試。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗數(shù)據(jù)

該文以ZJ116A后通道數(shù)據(jù)分析為例，樣本統(tǒng)計結(jié)果見表3。通過關(guān)鍵因子水平組合，一共進行17次試驗，記錄每次試驗抽測結(jié)果（重量均值和重量標(biāo)準(zhǔn)偏差）。從表3可以看出，重量均值全部在工藝規(guī)格（0.975g±0.070g）范圍內(nèi)。

表3 煙支測試結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 因子構(gòu)建模型

選取重量（后）SD為目標(biāo)Y，將因子風(fēng)力負壓、針輥供絲系數(shù)、流化床負壓、吸絲帶張緊氣壓、煙梗擋風(fēng)板、劈刀盤與修整器距離以及間的交互二階因子放入庫中，構(gòu)建數(shù)據(jù)模型效應(yīng)。

2.2.2 擬合模型分析

使用前向逐步回歸擬合模型，并通過效應(yīng)匯總P值確認重要因子，擬合R2和調(diào)整R2，確認模型的可靠性。以P值小于0.05為重要因子，確認關(guān)鍵因子為流化床負壓、針輥供絲系數(shù)、針輥供絲系數(shù)×劈刀盤與修整器距離、煙梗擋風(fēng)板。擬合R2為0.84，調(diào)整R2為0.67。方差分析（ANOVA）F比為7.37，表明組間差異遠大于組內(nèi)差異。模型殘差分布隨機，并沒有呈現(xiàn)特定的形狀。數(shù)據(jù)模型分析有效。

2.3 預(yù)測刻畫器分析

考慮真龍（起源）牌號篩梗量，流化床負壓為0kPa，煙梗擋板不超出7.5，可以滿足70g以內(nèi)一分鐘篩梗量。刻畫器的重量標(biāo)準(zhǔn)偏差預(yù)測如圖2所示，當(dāng)拉動每個因子的虛線時，其他相關(guān)因子虛線位置會發(fā)生相應(yīng)變動，從而找到因子的最優(yōu)水平位置組合和重量標(biāo)準(zhǔn)偏差“Y”的最小值（意愿值越小越好）。當(dāng)風(fēng)力負壓為100kPa，針輥供絲系數(shù)為81，劈刀盤與修整器距離為0.4mm時，輸出理論重量標(biāo)準(zhǔn)偏差預(yù)測值16.7mg（置信區(qū)間為14.7mg～18.7mg）。

圖2 重量標(biāo)準(zhǔn)偏差預(yù)測刻畫器

3 討論

DSD的設(shè)計思想基于帕雷托法則（Pareto Principle）[7]，即在涉及多個因素的系統(tǒng)中，只有少數(shù)因素和低次項的交互作用對結(jié)果起決定性作用。因此，一般情況下，試驗結(jié)果不會與所有因素的一次項、平方二次項和交互二次項都顯著相關(guān)。根據(jù)該原則，DSD試驗設(shè)計中只需要考慮少數(shù)重要的因素和低次項的交互作用。通過合適的試驗設(shè)計，DSD最少只需2k+1次試驗即可獲得一次項、平方二次項和交互二次項的回歸方程。當(dāng)考察因素的個數(shù)k較大時，該次數(shù)遠小于n=2（k+1）+k（k-1）/2。

此外，DSD試驗設(shè)計還通過合理安排試驗方案，使一次項和二次項（包括平方項和交互項）間正交，即彼此間的相關(guān)性很小。這樣可以進一步減少試驗次數(shù)，同時達到多元回歸分析的目的。這種設(shè)計思想能夠有效降低試驗成本，節(jié)省時間和資源，同時能得到可靠的回歸方程。

確定性篩選試驗（DSD）在醫(yī)學(xué)、生物、半導(dǎo)體等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。試驗次數(shù)通常只比因子數(shù)的2倍稍多，表明對6個或6個以上的因子，通常只需要進行稍多于因子數(shù)2倍的試驗。在確定性篩選設(shè)計中，雙因子交互作用被完全混雜，表明可以獨立估計每個因子的主要效應(yīng)，而沒有雙因子交互作用的干擾，可以有效評估每個因子的影響。此外，確定性篩選設(shè)計中的模型通常包括主效應(yīng)和二次項，表明可以估計所有二次效應(yīng)，這對識別和解釋非線性關(guān)系非常有用。

值得注意的是，預(yù)測刻畫器給出的因子的最優(yōu)值和結(jié)果指標(biāo)的預(yù)測值是以數(shù)據(jù)擬合模型的可靠性為依據(jù)的。

4 結(jié)論

根據(jù)預(yù)測刻畫器的建議，在風(fēng)力負壓100kPa、針輥供絲系數(shù)81、流化床負壓0kPa、煙梗擋板位置7、劈刀盤與修整器距離0.4mm的設(shè)置下，通過ZJ116A二周試生產(chǎn)驗證，重量標(biāo)準(zhǔn)偏差為18.86mg，重量標(biāo)準(zhǔn)偏差合格率為95%，驗證模型有效。

此外，可以同時分析多個結(jié)果指標(biāo)，如“吸阻”標(biāo)偏、空頭剔除率和梗簽剔除，通過設(shè)置意愿值“望大”“目標(biāo)值”和“望小”找到最合適的方案。