煙筐自動清掃機器人的設計及應用

朱建新，趙淑華，韓慧丹，常亞寧，李小川，張玉祥，朱永明，4

1.河南中煙工業有限責任公司安陽卷煙廠，河南省安陽市龍安區煙廠路1號455004

2.中國礦業大學化工學院，江蘇省徐州市大學路1號221116

3.鞏義市建設機械制造有限公司，鄭州市鞏義市河洛路石灰務工業區451200

4.河南農業大學機電工程學院，鄭州市金水區農業路63號450002

制絲線真空回潮段一般采用鋼制煙筐盛裝煙葉，紙箱煙包開包后經分切裝入煙筐或先裝筐后叉分輸送至真空回潮機，真空回潮處理后輸送至翻箱喂料機，倒料完成后空筐返回進行再次裝料［1］。煙葉真空回潮處理后，受到煙葉自身質量擠壓及增溫增濕的作用，部分煙葉會粘附在周轉煙筐內壁及底部，不僅影響煙葉實際投料質量的控制精度，粘附煙葉經反復真空回潮還會形成水漬煙而失去使用價值，造成原料浪費［2］。針對周轉煙筐粘料嚴重的問題目前已有相關研究，李奇等［3］在翻箱喂料機前加裝壓縮空氣噴管，通過控制管路上電磁閥的通斷對周轉煙筐進行吹掃；楊勇等［4］設計了基于PLC的真空回潮周轉箱自動清理裝置，通過PLC控制清掃噴嘴，提高周轉箱底部殘留煙葉的清理效果；冀躍峰等［5］通過改進周轉箱內襯材料，降低因周轉箱粘料而造成的原料浪費。但上述方式仍存在煙筐粘附煙葉清理不徹底、殘留煙葉過多等問題。近年來工業機器人和視覺檢測技術在包裝［6］、煙草［7］、物流［8］等領域已得到廣泛應用。為此，基于視覺檢測技術設計了一種煙筐自動清掃機器人，以期減少煙筐煙葉粘附量，提高煙筐清掃智能化程度和清潔效果。

1 系統設計

1.1 結構組成

煙筐自動清掃機器人主要由直線導軌裝置、六軸機械手、清掃裝置、視覺檢測系統等部分組成［9］，見圖1。其中，直線導軌裝置可以使清掃機器人移動至工作位；六軸機械手在各軸的配合下控制清掃裝置進行清掃動作；清掃裝置用于清掃煙筐底部粘附的煙葉；視覺檢測系統可實現煙筐底部煙葉粘附量檢測。

圖1 煙筐自動清掃機器人結構示意圖Fig.1 Structure of robot for tobacco basket cleaning

由圖2可見，翻箱喂料機將煙筐翻轉倒料后，再將其回轉35°；當光電開關檢測到煙筐到達清掃位置（即回轉35°位置）時，向工控機發送信號；工控機接收到信號后，控制視覺檢測系統對翻箱倒料后煙筐粘附煙葉情況進行檢測識別，并將檢測情況及檢測完成信號反饋至工控機，工控機依據視覺檢測情況設定機械手清掃運動軌跡，同時發送視覺檢測完成信號至直線導軌裝置；直線導軌裝置將六軸機械手送至翻箱倒料后的煙筐內進行清掃準備，并將六軸機械手到位信號反饋至工控機；工控機接收到六軸機械手到位信號后，六軸機械手帶動清掃裝置按照清掃運動軌跡在煙筐內移動，對煙筐進行清掃。

圖2 煙筐自動清掃機器人工作流程圖Fig.2 Work flow of robot for tobacco basket cleaning

1.2 六軸機械手軌跡規劃

1.2.1 S形曲線軌跡規劃

在煙筐清掃過程中，清掃機器人既要準確達到清掃位置，又要頻繁變換清掃方向以及快速實現啟動或停止動作。因此，在此過程中應保證清掃機器人運動平滑，避免出現速度、加速度、加加速度突變等情況，進而避免使清掃機器人產生較大的機械振動和沖擊［10］。S形曲線軌跡規劃見圖3。

由圖3可見，S形曲線軌跡規劃的加加速度各段均為常數，可表示為：

式中：ti為時間，s；J0為加加速度最大值，m/s3。

對加加速度積分即可得到關于加速度的函數，可表示為：

式中：a0為最大加速度，m/s2。

對加速度積分即可得到關于速度的函數，可表示為：

式中：v0為最大速度，m/s；vi為各時間對應速度，m/s。

分析可見，清掃機器人為S形曲線軌跡規劃時，速度和加速度過渡平滑，能夠滿足工作要求，但其加加速度存在突變現象，容易導致清掃機器人產生振動和沖擊現象。

1.2.2 基于正弦函數的S形曲線軌跡規劃

由于正弦函數的多階積分仍為三角連續函數，故采用基于正弦函數的S形曲線軌跡規劃以保證速度、加速度和加加速度的連續性。因此，加加速度函數可表示為：

式中：T為加速度增加或減小所用時間，T=t1=t3-t2=t5-t4=t7-t6，s。

對加加速度函數一階和二階積分即可得到加速度和加加速度函數，可分別表示為：

以清掃機器人從左至右清掃煙筐過程為例，設定勻速運動階段速度v03=0.6 m/s，加速度增加或減少所用時間T=0.2 s，勻速運動的起始時間t3=0.5 s，結束時間t4=1.5 s，將上述數據代入公式（4）～（6），即可得到清掃機器人基于正弦函數的S形曲線軌跡規劃，按照該軌跡控制清掃機器人從左到右清掃煙筐，監測其在實際運動過程中速度、加速度、加加速度的變化情況，見圖4。可見，速度、加速度以及加加速度曲線均連續無突變，可以保證清掃機器人運動軌跡的平滑性，避免對清掃機器人及煙筐造成損壞。

圖4 基于正弦函數的S形曲線軌跡規劃Fig.4 S-shaped trajectory planning based on sine function

1.3 清掃裝置設計

1.3.1 結構設計

清掃裝置位于六軸機械手末端，由速度控制器、伺服電機、清掃毛刷和壓縮空氣清吹噴嘴等部分組成，見圖5。速度控制器接收工控機指令，根據指令控制伺服電機轉速；伺服電機是清掃毛刷轉動的動力源；清掃毛刷是清掃裝置的主體，毛刷的轉速、材質、直徑、長度等是影響煙筐清掃清潔度的主要因素；壓縮空氣清吹噴嘴可輔助毛刷清掃煙筐，促使粘附的煙葉脫落，同時吹掃煙筐內襯篩網網孔中堵塞的煙末以及毛刷上粘附的煙葉，使內襯篩網保持良好透氣性，提高煙葉真空回潮的回透率，保證清掃效果。

圖5 清掃裝置結構示意圖Fig.5 Structure of cleaning device

1.3.2 清掃毛刷實驗優化

毛刷常用材料有PBT絲、豬鬃、尼龍絲、PP絲、金屬絲等，其中PBT絲和豬鬃材質較軟，清潔效果不理想；PP絲彈性較差，長時間工作容易產生變形且難以恢復；金屬絲較硬，容易損壞煙筐底面；尼龍絲軟硬適中、彈性及清潔效果均較好且性價比高，故清掃機器人毛刷采用尼龍材料。在材料確定的前提下，分析毛刷的其他因素（轉速、直徑、長度）對清潔效果的影響。本實驗中影響清掃毛刷清潔度的因素主要有3個，為此設計了一個3因素3水平正交實驗［11］，見表1。

表1 清掃毛刷清潔度正交實驗因素水平表Tab.1 Factor levels of orthogonal experiment for cleanliness of cleaning brush

正交表的選用原則是能夠安排實驗的全部因素，并盡可能減少部分水平組合數。因此，本實驗中選用了L9（33）正交表，見表2。

表2 正交實驗數據統計表Tab.2 Statistical table of orthogonal experimental data

根據正交實驗結果，最終選用直徑0.4 mm、長度60 mm的尼龍材質毛刷，該毛刷在300 r/min轉速下清掃效果最佳。

1.4 視覺檢測系統設計

1.4.1 硬件組成

視覺檢測系統是實現自動清掃機器人智能化的核心部分，由彩色工業相機（Hikvision/MV-CA050-20GC）、工業鏡頭（Hikvision/MVL-KF1228M-12MP）、LED光源（Omnitek/OKDM）、光電傳感器、圖像處理單元、通訊模塊、工控機等部分組成。視覺檢測系統中將工控機作為服務器，六軸機械手作為客戶端，工控機與機械手通過TCP/IP通訊連接；彩色工業相機與工控機IP配置在同一網段，通過千兆網線連接，千兆網線的最大傳輸距離達100 m；工業鏡頭與相機利用C-mount接口實現通訊。

1.4.2 圖像處理

視覺檢測工作流程見圖6。當光電傳感器檢測到煙筐到達清掃位置（煙筐翻箱倒料后回轉35°位置）時，向工控機發送信號；工控機接收到信號后，控制LED光源開啟及工業相機拍照。工業相機將圖像傳輸至圖像處理單元，在圖像處理單元首先調整閾值并通過二值化［12］完成圖像抽取過程，然后在有限灰度級的圖像中劃分區域進行BLOB（Binary Large Object）分析［13］，獲取殘留煙葉大小、數量、位置、方向等數據，再將數據整合并格式化成最大長度為256字節的字符串，通過TCP/IP通訊協議發送至機械手，控制清掃裝置對煙筐內煙葉進行清掃。

圖6 視覺檢測工作流程圖Fig.6 Work flow of visual inspection

2 應用效果

2.1 實驗設計

材料：“黃金葉（硬紅旗渠）”煙葉5批次，每批次50箱（由河南中煙工業有限責任公司安陽卷煙廠提供）。

設備：WZ1135型真空回潮機（鞏義市建設機械制造有限公司）；翻箱喂料機（鞏義市建設機械制造有限公司）；煙筐（北京宏大峰鉆石機械有限責任公司）；HA-620型電子秤［精度0.1 kg，百利達（上海）商貿有限公司］；自動清掃機器人（自制）。

方法：對清掃機器人使用前后的清掃效果進行對比測試。①使用清掃機器人前，每批次生產結束后進行人工清掃，清掃出的煙葉作為廢料處理，收集每批次人工清掃煙葉并稱重，統計每批次損耗煙葉質量；②使用清掃機器人后，每次翻箱倒料后機器人對煙筐進行自動清掃，清掃出的煙葉直接倒入喂料倉進入下一工序，收集每批次生產結束后煙筐內殘留煙葉并稱重，統計每批次損耗煙葉質量。

2.2 數據分析

由表3可見，使用自動清掃機器人后，每批次可節省煙葉20 kg左右，煙筐清掃效果顯著，有效降低了煙葉損耗量。按全年處理煙葉1 000批次計算，每年可降低煙葉損耗20 000 kg左右；煙葉平均價格按47.73元/kg計算，每年可節約原料費用95.4萬元左右。此外，使用自動清掃機器人后，兩班制煙筐人工清掃崗位取消，降低了工人勞動強度，一年可節約人工成本20萬元左右。

表3 煙筐自動清掃機器人使用前后煙葉損耗量對比Tab.3 Comparison of tobacco loss before and after using robot for tobacco basket cleaning

3 結論

利用煙筐自動清掃機器人有效解決了真空回潮后因煙筐內粘附煙葉而造成煙葉浪費等問題，在保證煙筐清潔度的同時，提高了煙筐清掃智能化程度，降低了工人勞動強度。以安陽卷煙廠生產的“黃金葉（硬紅旗渠）”煙葉為對象進行測試，結果表明：①在不影響生產連續性的前提下，自動清掃機器人能夠有效識別煙筐內粘附煙葉，實現煙筐的自動清掃；②與人工清掃相比較，采用清掃機器人后可節約煙葉20 kg/批次左右，降低煙葉損耗約20 000 kg/年，節省生產費用約115.4萬元/年，在煙草行業同類設備中具有推廣應用價值。