降低煙支激光打孔異常對生產(chǎn)影響的研究

費禹鋮，盧 超，劉 浩，薛少鈞

（廣西中煙工業(yè)有限責任公司柳州卷煙廠，廣西 柳州 545001）

在線激光打孔是卷煙生產(chǎn)過程中的一道工序，通過激光在接裝紙包裹的嘴棒上環(huán)繞打出一圈或兩圈微孔。在線激光打孔不同打孔參數(shù)和打孔方式對卷煙濾嘴通風率，以及主流煙氣釋放量、有害成分釋放量、過濾效率等都有影響[1-7]，是產(chǎn)品工藝管控不可或缺的環(huán)節(jié)。在實際生產(chǎn)中，卷煙激光打孔異常難以被發(fā)現(xiàn)，第一個原因是孔太小，人工檢測容易疏忽；第二個原因是機速太快，在卷煙輸送通道上的煙支一直處于快速運動狀態(tài)，人工檢測難以識別；第三個原因是機臺工作繁忙，人工很難做到長時間觀察打孔狀態(tài)是否異常。除此之外，機器在生產(chǎn)過程中，由于啟停、負壓等因素，造成甩煙、飛煙、甩接裝紙等情況堵塞打孔輪與搓接輪之間間隙，導致激光無法接觸到后續(xù)煙支，造成無孔或少孔的異常。若打孔異常的不合格卷煙制品流入下道工序，會引起下道工序停機排查與本工序的停機清潔調(diào)整，降低車間整體生產(chǎn)效率，帶來生產(chǎn)成本上升。如果不合格卷煙流入市場，還會降低品牌聲譽，后果嚴重。

1 問題分析

卷煙過程中激光打孔的流程如下，搓接輪順時針旋轉(zhuǎn)將卷煙搓接后交接進入打孔輪，打孔輪逆時針選裝交接煙支，并與右側(cè)方安裝的小滾輪配合使煙支翻滾，激光打孔儀器垂直于卷煙工藝要求位置按設定頻率發(fā)射激光，生成工藝標準要求的微孔。

在實際生產(chǎn)過程中，卷煙打孔異常難以杜絕。第一個原因是設備難以保持零部件的清潔與整潔，時常會有由膠水、煙沙、塵末等組成的積垢，黏在零部件上影響煙支的正常輸送，導致煙支的堵塞。由圖1 可知，打孔輪、右側(cè)小滾輪、激光打孔儀器之間的空間狹窄，很容易由于積垢導致煙支的堵塞，影響激光打孔儀器正常打孔。第二個原因是卷煙設備出現(xiàn)故障時會停機，停機是一個快速降速的過程，部分煙支、接裝紙會從鼓輪中甩出，甩出的煙支、接裝紙有可能落入上述的狹小空間中，堵塞激光打孔儀器，導致激光不能正常接觸到后續(xù)生產(chǎn)的煙支。第三個原因是在激光打孔的過程中會產(chǎn)生塵末，其在打孔輪煙槽中積垢后會導致煙支跳動，影響煙支打孔質(zhì)量。

圖1 激光打孔系統(tǒng)組成

2 改進辦法

2.1 技術(shù)方面

設計一套基于深度學習視覺自動監(jiān)測系統(tǒng)，用于在生產(chǎn)過程中快速查驗卷煙產(chǎn)品是否存在煙支打孔異常。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果輸出3 個部分組成。如圖2 所示，數(shù)據(jù)收集部分由工業(yè)攝像頭、支架、照明燈組成。該工業(yè)攝像機可在現(xiàn)場溫濕度環(huán)境下工作，具備抗粉塵與抗振動能力，通過網(wǎng)線傳輸視頻流數(shù)據(jù)，可以保障數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸入與傳輸，且滿足數(shù)據(jù)傳輸速度和質(zhì)量的要求。主機對接收到的視頻流進行處理后，輸出幀圖片供后續(xù)的處理環(huán)節(jié)使用。支架用于調(diào)節(jié)、固定工業(yè)攝像機拍攝卷煙產(chǎn)品的位置，保障拍攝的卷煙產(chǎn)品可以清晰成像。照明燈用于給工業(yè)攝像機提供光源，提高卷煙拍攝成像質(zhì)量，為輸入良好的數(shù)據(jù)流打好環(huán)境基礎。數(shù)據(jù)處理部分由數(shù)據(jù)集標注、模型訓練、模型部署調(diào)試3 部分組成。數(shù)據(jù)集標注是將計算機處理后的幀圖片作為數(shù)據(jù)集，將模型通過要區(qū)分的類別分為正常、打孔異常、無打孔、遮擋、邊緣和煙葉干擾6 種類型進行標注，采用精準標注策略，標注范圍盡可能僅包含被檢測目標，減少干擾信息，利于提升訓練后模型對目標檢測的識別能力與精準度。數(shù)據(jù)集分為訓練組與測試組，前者用于模型訓練，給予模型基礎的認知能力；后者用于模型檢驗，檢驗模型的訓練效果，若訓練效果不佳則需要添加訓練集內(nèi)容繼續(xù)訓練，直至滿足產(chǎn)品的識別需求。

圖2 數(shù)據(jù)收集裝置

目前有多種目標檢測算法可以使用，如RCNN[8]、Fast-RCNN[9]、Faster-RCNN[10]、SSD[11]和YOLO[12]等。RCNN（Region with CNN features）利用候選區(qū)域算法來替代滑窗法，快速定位需要檢測的區(qū)域，節(jié)省了大量的計算資源，計算速度得到了極大的提升。在使用候選區(qū)域算法時，采用選擇性搜索方法，將像素相近的組結(jié)合，形成多個尺寸不定的候選區(qū)域，通過CNN 網(wǎng)絡提供特征后，再供分類器訓練，經(jīng)過一定的后續(xù)處理后得到處理結(jié)果，但是該方法有明顯的缺陷，比如訓練的階段多、步驟繁瑣，訓練需要時間長，數(shù)據(jù)占用存儲資源大，處理速度時間長，在GPU 作為計算中心的前提下依舊需要大量處理時間，這不符合需要快速處理圖片的場景需求。Fast-RCNN優(yōu)化了候選區(qū)域選取方式，減少了重復采樣計算的時間，避免了重復卷接運算，無論是在訓練上還是應用上，速度大幅提升，但檢測的速度依然有優(yōu)化的空間。Faster-RCNN 汲取上述2 種算法的優(yōu)點，優(yōu)化了網(wǎng)絡架構(gòu)，將各必要屬性整合到一個網(wǎng)絡中，綜合檢測速度進一步提升。

YOLO（You Only Look Once）基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡，具備強大的目標定位與對象識別功能，而且運行速度快，可以用于檢測對象的實時檢測，同時也具備相當程度的準確性。YOLO 汲取上述算法中優(yōu)秀的候選區(qū)算法設計，并將候選區(qū)和對象識別匯入同一階段，采用預定義的模式，將候選區(qū)基本擴展到整張圖片，同時結(jié)構(gòu)簡明高效的網(wǎng)絡層設計，使得該算法的檢測速度快、誤檢率低、泛化能力強。綜合考慮檢測框架使用難易程度與檢測速度與精度，現(xiàn)場的工作環(huán)境以及檢測頻次，決定采用YOLO 檢測框架作為模型訓練的主要算法。

將數(shù)據(jù)集導入YOLO 算法進行訓練，設置訓練參數(shù)，當損失函數(shù)到需求數(shù)值或穩(wěn)定狀態(tài)后，停止訓練進入模型調(diào)試階段。調(diào)用訓練過程中的權(quán)重文件，利用驗證集測試模型精確度，若測試結(jié)果達不到規(guī)定的標準，則重復上述的取數(shù)據(jù)與標注過程，持續(xù)為添加數(shù)據(jù)集添加數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)階段的權(quán)重文件繼續(xù)訓練，重復上述的步驟，直至訓練模型精確度達到現(xiàn)場使用的檢測需求。如圖3 所示，最后，將模型與Tkinter 編寫的圖形用戶界面（GUI）封裝，形成計算機程序，供用戶在計算機系統(tǒng)使用，使用方式簡單，用戶只需要點擊按鈕即可啟用或關(guān)閉程序，還可以查看打孔異常事件發(fā)生的時間，便于追溯。在程序運行的過程中，若檢測出煙支打孔異常，會將報警信號通過USB發(fā)送給通信裝置，如圖4 所示的通信裝置，通信裝置將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，觸發(fā)報警器發(fā)出報警，報警器會周期性震動鳴響，無人干涉會處于長時間報警狀態(tài)，確保在嘈雜的環(huán)境中能有效傳遞報警信息，提醒現(xiàn)場操作人員已經(jīng)發(fā)生異常，需要緊急處理。

圖3 檢測程序

圖4 報警裝置

2.2 管理方面

為避免打孔輪與激光打孔儀器之間的空間被堵塞，設置了新的過程檢驗管理規(guī)定。在管理過程中明確在每次啟動前，操作人員都需要關(guān)注激光打孔儀器能否正常工作，儀器與鼓輪之間是否有異物遮擋導致煙支不能正常被打孔。在啟動加速的過程中，需要觀察激光打孔儀器的工作環(huán)境與工作狀態(tài)，留意光點閃爍頻率，注意飛煙和甩煙引起的堵塞，在出煙鼓輪端檢查輸出煙支是否有打孔、打孔數(shù)量與打孔質(zhì)量是否合格，及時人工干預排除異常確保產(chǎn)品質(zhì)量符合工藝要求。在生產(chǎn)過程中，除了產(chǎn)品的質(zhì)量檢測，還需經(jīng)常關(guān)注激光打孔儀器在生產(chǎn)過程中是否可以正常工作，觀察是否有潛在導致堵塞的可能，特別是激光打孔儀器周圍是否存在甩出的煙支、殘支或水松紙，有必要時需要停機取出。為保障設備的運行效率，設置了新的設備保養(yǎng)規(guī)定。在設備保養(yǎng)的過程中，需要確認激光打孔儀器能否正常工作，工作所需的能源是否供給正常，同時還需要對搓接輪和打孔輪上的吸風孔做細致地保養(yǎng)清潔，確保每一個吸風孔暢通，不會被膠垢雜物堵塞，能夠在生產(chǎn)全過程提供穩(wěn)定的負壓，減少在生產(chǎn)過程中發(fā)生飛煙、甩煙堵塞激光打孔儀器的情況。

2.3 設備方面

由于激光打孔儀器安裝在設備內(nèi)，設備為其提供的工作環(huán)境使其能夠正常工作起到了重要的作用。在實際的生產(chǎn)過程中，難以避免甩煙與飛煙對激光打孔儀器的干擾，輕則導致打孔質(zhì)量略微降低，重則導致無煙支打孔，造成重大質(zhì)量損失，提升生產(chǎn)成本與降低生產(chǎn)效率。根據(jù)生產(chǎn)的經(jīng)驗，甩煙與飛煙通常是來自相鄰的前工序，且甩動方向相對固定，為防止工序甩煙飛煙、接裝紙因氣流隨機運動導致激光打孔儀器的堵塞，在小滾輪的右側(cè)設置一塊擋板，如圖5 所示。盡管飛煙與甩煙的運動軌跡存在一定的隨機性，但經(jīng)過不斷地變化實驗位置，觀察生產(chǎn)運行的結(jié)果，將擋板安置在相對完善的位置，可以隔擋絕大多數(shù)來自前工序的飛煙、甩煙與隨氣流隨機運動飄來的接裝紙，保障激光打孔儀器盡可能不受前工序阻礙影響，延長激光打孔儀器正常工作的時間。如圖6 所示，為保證煙支不會在煙支打孔輪上跳動，在煙支打孔輪的后側(cè)加裝正壓噴嘴。依據(jù)設備的運行原理，確保到達正壓噴嘴的煙槽一定為空，煙槽到達指定位置時，正壓噴嘴開始工作，持續(xù)向煙支打孔輪中的煙槽輸送正壓，清潔激光打孔過程中留下的塵末與煙沙，保障煙支在運輸和打孔過程中的穩(wěn)定性。通過正壓對煙槽的清潔，避免了煙支由于積垢在煙槽內(nèi)的跳動，確保了煙支激光打孔的準確性，同時也在一定程度上清潔了打孔輪的吸風孔，保證負壓在最后的環(huán)節(jié)供應正常。

圖5 擋板安裝位置示意圖

圖6 正壓噴嘴安裝示意圖

3 應用效果

在生產(chǎn)現(xiàn)場部署上述方法前3 個月，總共發(fā)生6 起由煙支打孔異常引起的生產(chǎn)事故，造成223 min 生產(chǎn)時間的浪費與大量煙支報廢，給工廠帶來資源與生產(chǎn)效率的損失。在現(xiàn)場部署上述方法后，機臺操作人員可以在報警聲的提醒下，能夠迅速發(fā)現(xiàn)打孔異常煙支并采取相應措施，及時進行產(chǎn)品查驗與設備排查，處理設備中激光打孔儀器附近存在的問題。落實管理規(guī)定，嚴格執(zhí)行開機前的保養(yǎng)工作，保證運行條件符合工藝質(zhì)量要求，在運行過程中加大對激光打孔儀器及周邊環(huán)境的觀察與關(guān)注，及時處理可能會發(fā)生的異?，F(xiàn)象，從根本上減少煙支打孔異常事件發(fā)生的可能性。統(tǒng)計上述方法運用后3 個月內(nèi)的機臺生產(chǎn)情況發(fā)現(xiàn)，僅發(fā)生2 起由煙支打孔異常引起的停機，總計停機時間7 min，僅造成少量煙支報廢，效果明顯。對比實施前，為工廠節(jié)約了大量的生產(chǎn)資源，減輕了員工的勞動量，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

本文基于深度學習和管理提出一種減少激光打孔異常對生產(chǎn)影響的辦法，設計一套基于深度學習的煙支打孔異常自動檢測系統(tǒng)，減少打孔異常煙支產(chǎn)生的管理規(guī)定，對設備加裝阻隔裝置與吹氣裝置，多角度保障卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。檢測系統(tǒng)具有檢測速度快、檢測精度高、全自動檢測的特點，極大降低了操作人員對煙支打孔異常問題的檢查頻次，降低員工勞動強度、提高檢驗效率與產(chǎn)品質(zhì)量管控水平。管理規(guī)定從解決根本問題的角度出發(fā)，盡可能杜絕煙支打孔異常事故發(fā)生，為順利生產(chǎn)提供保障。設備改造在生產(chǎn)過程中持續(xù)保障激光打孔儀器與煙支的穩(wěn)定性，很大程度上杜絕了外來雜物對激光打孔的影響。三者結(jié)合使用后效果顯著。