雙封切免疊煙異型煙分揀包裝設(shè)備的研發(fā)

文/付 凱 洪光華 李新平 袁平平

2016年5月，國家煙草專賣局在陜西西安召開異型煙自動(dòng)化分揀現(xiàn)場會(huì)，提出異型卷煙分揀設(shè)備配置的三檔原則：一檔為異型卷煙年銷售規(guī)模1萬箱以上的商業(yè)企業(yè)，可以配置自動(dòng)分揀線；二檔為異型卷煙年銷售規(guī)模1萬箱以下、3千箱以上的商業(yè)企業(yè)，可以配置電子標(biāo)簽分揀線；三檔為異型卷煙年銷售規(guī)模在3千箱以下的商業(yè)企業(yè)，只能采用純手工分揀方式。

出于需求急迫程度和產(chǎn)品盈利水平考慮，近幾年業(yè)內(nèi)分揀、包裝設(shè)備廠家主要研發(fā)對(duì)象是針對(duì)年異型煙分揀量1萬箱以上物流中心的自動(dòng)分揀包裝設(shè)備。異型煙箱自動(dòng)開箱機(jī)構(gòu)、組合式異型條煙自動(dòng)分揀系統(tǒng)、異標(biāo)合一分揀系統(tǒng)等各種自動(dòng)分揀設(shè)備，以及機(jī)械手、翻板加機(jī)械手、推板加機(jī)械手等各種自動(dòng)疊煙機(jī)構(gòu)紛紛涌現(xiàn)，有效解決了一檔卷煙物流中心的分揀難題。但是，相關(guān)廠家對(duì)二檔物流中心所采用的電子標(biāo)簽異型煙分揀線卻缺乏深入探究，解決方案止步于電子標(biāo)簽分揀、人工疊煙、自動(dòng)裹膜等典型方案。但人工疊煙有其固有缺點(diǎn)，并不是二檔物流中心的最佳選擇。為此，宜春市卷煙物流中心作為二檔單位，在現(xiàn)有電子標(biāo)簽分揀系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)新型異型煙封切包裝機(jī)構(gòu)，以提高分揀效率和自動(dòng)化水平，成為必要選擇。

表1 異型煙訂單情況表

一、問題分析

異型煙年銷量1萬箱以下的二檔卷煙物流中心，目前普遍采取人工疊煙方式進(jìn)行裹膜前疊煙。主要方式為：疊煙人員將條煙推入垛格后疊層，垛格平移到推煙工位后、推入裹膜機(jī)構(gòu)后封切熱縮。人工疊煙機(jī)構(gòu)在使用過程中，主要存在以下問題：①疊煙人員需承擔(dān)分戶和核對(duì)職責(zé)，出錯(cuò)概率大；②戶均訂單量小于5條時(shí)，疊煙人員多數(shù)情況下僅需疊單層卷煙，勞動(dòng)力出現(xiàn)閑置；③部分大戶訂單量較大時(shí)且特異型條煙較多時(shí)，疊煙人員不僅要疊煙，還需考慮垛形是否穩(wěn)固，必要時(shí)需逐條調(diào)整位置，耗時(shí)較長。

少數(shù)二檔物流中心嘗試引入機(jī)械手代替人工疊煙，但其實(shí)際效率受限于訂單結(jié)構(gòu)，與人工疊煙相比并未有明顯提升，且投資較大、占地面積較大、使用成本較高、維護(hù)技術(shù)難度較大，并不適合在二檔物流中心推廣應(yīng)用。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.訂單結(jié)構(gòu)

宜春市日均訂單1800戶左右，日均銷量7500條左右，戶日均銷量4.2條左右，年銷量約8000箱，全年占比約5.5%，在江西省內(nèi)較為典型。表1為某日異型煙戶訂單數(shù)據(jù)。

從表1可知，宜春市異型煙訂單有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①單條訂單客戶較多，占比27.67%，超過總訂單數(shù)的四分之一。②5條以下訂單的客戶占比72.39%，接近總訂單數(shù)的四分之三；③10條以下訂單的客戶占比90.5%；④26 條以上訂單客戶極少，占比僅0.04%。

圖1 雙封切異型煙分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 封切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.設(shè)計(jì)思路

根據(jù)宜春市異型煙訂單情況，采取以下設(shè)計(jì)思路：

①異型煙分揀環(huán)節(jié)采取電子標(biāo)簽分揀，設(shè)2個(gè)工位，分揀效率設(shè)定3000至4000條/小時(shí)；

②裹膜環(huán)節(jié)采取自動(dòng)裹膜設(shè)備，效率為12包/分鐘（720包/小時(shí)），以淡季戶均4.2條計(jì)算，合3024條/小時(shí)，以春供旺季戶均5條以上計(jì)算，效率3600條/小時(shí)；

③封切機(jī)構(gòu)拆分為兩個(gè)部分：熱封刀和冷切刀，可以單獨(dú)工作或同時(shí)工作；

④訂單小于5條時(shí)，采取單層直推方式，不經(jīng)疊煙直接在分揀線末端皮帶上推入裹膜機(jī)，封切機(jī)構(gòu)在熱封時(shí)同時(shí)冷切，實(shí)現(xiàn)訂單間裹膜包裝的物理性分離；

⑤6至10條訂單的卷煙，將前5條卷煙直推入裹膜機(jī)后，封切機(jī)構(gòu)只進(jìn)行熱封不冷切，實(shí)現(xiàn)訂單內(nèi)不同裹膜包裝的物理性連續(xù)，第6至10條直推進(jìn)入裹膜機(jī)后，封切機(jī)構(gòu)在熱封時(shí)同時(shí)冷切；

⑥超過11條的訂單，其推煙和封切方式與6至10條訂單類似，即訂單內(nèi)各包只熱封不冷切，最后一包結(jié)束后，進(jìn)行熱封冷切。

⑦雙聯(lián)包及多聯(lián)包在下線口由下線口2名搬運(yùn)工將第二包和后續(xù)包整體翻面，疊至第一包之上，形成最終條煙垛后搬運(yùn)至托盤暫存；

⑧線路鄰近單條訂單調(diào)序，分揀后合并裹膜包裝，以達(dá)到每包至少4條的效率要求。

按照上述設(shè)計(jì)思路，整個(gè)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率可達(dá)到3000條/小時(shí)，單包訂單占比72.39%，單包加雙聯(lián)包訂單占比90.5%，三聯(lián)包以上的多聯(lián)包占比較低，搬運(yùn)工對(duì)多聯(lián)包整體翻面與條煙疊煙相比，勞動(dòng)強(qiáng)度得到大幅降低，包裝機(jī)構(gòu)全部根據(jù)系統(tǒng)指令進(jìn)行，無需人工按訂單計(jì)數(shù)，差錯(cuò)率低。因此，與傳統(tǒng)手工疊煙的異型煙分揀方式相比，該雙封切免疊煙分揀包裝設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙封切免疊煙分揀包裝設(shè)備主要由分揀機(jī)構(gòu)、裹膜機(jī)構(gòu)、封切機(jī)構(gòu)、熱收縮機(jī)構(gòu)、入料輸送機(jī)構(gòu)、推送機(jī)構(gòu)和中間輸送機(jī)構(gòu)連接組成，見圖1。分揀機(jī)構(gòu)（1）位于系統(tǒng)前端，為入料輸送機(jī)構(gòu)（5）提供條煙入料。裹膜機(jī)構(gòu)（2）位于裹膜工位，該裹膜機(jī)構(gòu)用于將分揀后的每組異型條煙進(jìn)行裹膜，并通過推送機(jī)構(gòu)（6）推送至封切工位，由雙封切機(jī)構(gòu)（3）進(jìn)行封切，封切后包煙進(jìn)入中間輸送機(jī)構(gòu)（7）等待進(jìn)入熱收縮機(jī)構(gòu)（4）。

本實(shí)施案例中，裹膜機(jī)構(gòu)（2）是通過一系列的導(dǎo)向輥將薄膜形成在異型條煙前端，在推送機(jī)構(gòu)將該組異型條煙推送至封切工位時(shí)，薄膜裹在該組異型條煙上。本實(shí)施例，5個(gè)條煙為一組。

4.入料輸送機(jī)構(gòu)連接與控制

入料輸送機(jī)構(gòu)（5）能夠?qū)⒎謷C(jī)構(gòu)（1）與封切機(jī)構(gòu)（3）連接，其中在分揀機(jī)構(gòu)與裹膜機(jī)構(gòu)之間的入料輸送機(jī)構(gòu)能夠?qū)愋蜅l煙按照設(shè)定數(shù)量進(jìn)行分組，其包括沿輸送方向依次布置的差速計(jì)數(shù)低速輸送段（51）、差速計(jì)數(shù)高速輸送段（52）、分包分戶輸送段（53）和分包緩沖輸送段（54），在裹膜機(jī)構(gòu)與封切機(jī)構(gòu)之間形成推包輸送段（55）。

差速計(jì)數(shù)低速輸送段（51）的慢速運(yùn)動(dòng)，有利讓分揀機(jī)構(gòu)分揀條煙，后面的條煙擠壓前面的條煙，從而調(diào)整煙的姿態(tài)，同時(shí)也能控制整體流量。差速計(jì)數(shù)高速輸送段（52），其將差速計(jì)數(shù)低速輸送段擠壓整齊的條煙，拉開必要的縫隙，同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，同一戶內(nèi)按5的數(shù)量進(jìn)行分段，或是計(jì)數(shù)到當(dāng)前戶的最后一條（小于等于5條）時(shí)，差速計(jì)數(shù)低速輸送段（51）停機(jī)，差速計(jì)數(shù)高速輸送段（52）繼續(xù)運(yùn)行，并進(jìn)入到分包分戶輸送段（53），這時(shí)差速計(jì)數(shù)低速輸送段，可以再運(yùn)行，差速計(jì)數(shù)高速輸送段（52）運(yùn)行，重復(fù)分段工作。進(jìn)入到分包分戶輸送段（53）的條煙再次壓縮規(guī)整后，進(jìn)入到分包緩沖輸送段（54），等待后續(xù)的推包輸送段55的推包完成后，分包緩沖輸送段中的條煙再進(jìn)入到推包輸送段（55），實(shí)現(xiàn)推包前的準(zhǔn)備就緒工作。

5.封切機(jī)構(gòu)連接與控制

封切機(jī)構(gòu)（3）用于將裹膜后的每組異型條煙進(jìn)行封切，其包括上封刀（31）、下封刀（32）和按壓機(jī)構(gòu)（33），見圖2。僅上封刀作用時(shí)用于半封切（僅熱封不冷切），而上封刀和下封刀同時(shí)作用時(shí)用于全封切（熱封同時(shí)冷切），其中上封刀有兩排的熱熔絲，對(duì)應(yīng)底座的兩個(gè)熔接封條，兩排熱熔絲間有通過下封刀的間隙，這個(gè)間隙可根據(jù)封包后的連包要求，進(jìn)行合理調(diào)整。

按壓機(jī)構(gòu)（33）包括豎直設(shè)置的驅(qū)動(dòng)氣缸（34）以及設(shè)置在驅(qū)動(dòng)氣缸前端的按壓板，該按壓板包括通過彈性件疊置的上層板（351）和下層板（352），該上層板與驅(qū)動(dòng)氣缸連接，所述下層板用于形成接觸面。

6.電氣設(shè)計(jì)

在每個(gè)工位作業(yè)的訂單具體信息，在PLC的觸摸屏及電腦均有顯示。系統(tǒng)通過PLC與電子標(biāo)簽分揀訂單處理系統(tǒng)、人機(jī)界面、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等進(jìn)行通訊，各部分相互銜接，只需要本工位完成動(dòng)作，下工位空閑就自動(dòng)進(jìn)入下工位進(jìn)行作業(yè)。主要設(shè)計(jì)如下：

①包裝訂單獲?。寒?dāng)高速段（計(jì)數(shù)分包）為空閑是，PLC向上位機(jī)（PC應(yīng)用程序）申請(qǐng)訂單信息（子訂單號(hào)、數(shù)量、封切標(biāo)志等），同時(shí)打開阻擋器；

②訂單分包：高速段通過低速到高速的差速分離，拉開卷煙間距，滿足卷煙分包的計(jì)數(shù)，待高速段入口的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到子訂單的包裝數(shù)量，PLC關(guān)閉阻擋器，完成分包動(dòng)作；

③緩存輸送：當(dāng)緩存段空閑時(shí)，PLC會(huì)打開緩存段入口的阻擋器，將待包裝卷煙輸送到緩存段；

④推包輸送：當(dāng)推包段空閑時(shí)，PLC會(huì)打開包裝段入口的阻擋器，將待包裝卷煙輸送到推包段；

⑤進(jìn)料推包：當(dāng)設(shè)備滿足推包條件時(shí)（即推包后各機(jī)構(gòu)都自動(dòng)復(fù)位），進(jìn)行推包進(jìn)料；

⑥封膜切膜：根據(jù)子訂單的封膜切膜要求，進(jìn)行切膜或封膜；

⑦過渡輸送：根據(jù)封膜切膜的標(biāo)志，進(jìn)行不同的過渡輸送距離；

⑧出口監(jiān)控：通過膜包的光電感應(yīng)，將出口信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)將膜包置為分揀完成，并在出口監(jiān)控自動(dòng)顯示明細(xì)，以供核對(duì)。

三、應(yīng)用效果

該項(xiàng)目于2019年10月在宜春市卷煙物流中心投產(chǎn)使用， 測(cè)試日系統(tǒng)分揀日志如下：總分揀量8136條，卷煙品規(guī)數(shù)37個(gè)，訂單數(shù)1871個(gè)，累計(jì)分揀時(shí)長3小時(shí)42分，戶均條數(shù)4.3條，平均分揀效率2260條/小時(shí)，有效作業(yè)率75%【2260/(4.3×720)×100%】，差錯(cuò)率0，破損率0，故障停機(jī)時(shí)間0。因此，該系統(tǒng)充分滿足宜春市物流中心淡季分揀需求。

預(yù)計(jì)春供旺季戶均條數(shù)超過5條時(shí)，該系統(tǒng)效率能達(dá)到理論上限3600條/小時(shí)（5條/包×720包/小時(shí)），按有效作業(yè)率80%計(jì)算，實(shí)際效率能達(dá)到2700條/小時(shí)。7.5小時(shí)能夠完成旺季日均20000條分揀任務(wù)（淡季日均3倍左右），18小時(shí)能完成旺季峰值（元旦后第一個(gè)工作日，稱為“開門紅”）50000條分揀任務(wù)（淡季日均6倍左右）。因此，該系統(tǒng)預(yù)計(jì)能滿足宜春市物流中心春供旺季分揀需求。

四、結(jié)論

本文針對(duì)異型卷煙分揀的關(guān)鍵步驟的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行分析，指出傳統(tǒng)人工疊煙模式存在的問題，結(jié)合江西省內(nèi)具有代表性的宜春市異型卷煙客戶訂單數(shù)據(jù)，創(chuàng)新地提出了雙封切免疊煙的解決思路，研制了適合新型異型煙分揀包裝設(shè)備。該案例節(jié)約2個(gè)疊煙人員，實(shí)測(cè)效率超過2200條/小時(shí)（淡季），設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單可靠，具備良好的經(jīng)濟(jì)性，在江西省乃至國內(nèi)異型煙第二檔次的卷煙物流中心具有廣闊應(yīng)用前景。