煙用成品紙卷自動轉(zhuǎn)運及包裝系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計

文 / 虞有海 雷敏 盧會超 王化麟 李成友 林原 王健

煙用印刷是我國發(fā)展迅猛的行業(yè)之一，尤其近年來消費者對香煙產(chǎn)品的外觀和包裝提出更高要求，精致美觀的包裝往往更能吸引人的眼球，從而促進(jìn)消費。市場旺盛的需求極大推動了煙用印刷紙卷產(chǎn)業(yè)發(fā)展。更短的生命周期、更高的印刷質(zhì)量、更精美的包裝需求、更短的生產(chǎn)時間，也對印刷企業(yè)提出更高要求，促使企業(yè)根據(jù)市場變化需求調(diào)整企業(yè)的生產(chǎn)模式、調(diào)度模式、管理模式、包裝模式等，從而更快地響應(yīng)市場需求。

一、煙用成品紙卷轉(zhuǎn)運及包裝現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的車間煙用成品紙卷物流轉(zhuǎn)運采用人工叉車或液壓板車，轉(zhuǎn)運過程中的信息管理及傳遞采用人工手寫工藝卡片，煙用成品紙卷碼垛及拆垛需人工完成，纏膜、打帶、打碼和貼碼等包裝工作也需人工完成，作業(yè)效率低，自動化程度低，信息管理混亂。

二、煙用成品紙卷堆碼需求分析

表1所為煙用成品紙卷物料堆碼需求分析。根據(jù)煙用成品紙卷物料的外形尺寸特征、重量特征、貨位承載、用戶配送需求等分析成品托盤堆碼規(guī)則。成品幅寬為50mm～80mm的占比超80%以上，按適應(yīng)最大原則，成品托盤貨位高度選擇1350mm，重量不超過1000kg/托盤。成品堆碼層數(shù)、每托盤最大堆碼卷數(shù)、每托盤重量、實托盤高度，如表1所示。

表1 煙用成品紙卷物料堆碼需求分析表

三、煙用成品紙卷成品包裝車間流量分析

按兩車間末工序設(shè)備峰值產(chǎn)能計算。

車間1日產(chǎn)成品為7000卷/天，7000/90≈78托盤/天，三坐標(biāo)機(jī)器人每2卷抓取1次，同批次同品規(guī)尾料1卷抓取1次（約100次/天），需抓取3550次/天；

車間2日產(chǎn)成品日產(chǎn)成品為8500卷/天，8500/90≈95托盤/天，三坐標(biāo)機(jī)器人每2卷抓取1次，尾盤1卷抓取1次（約110次/天），需抓取4305次/天；

三坐標(biāo)機(jī)器人完成日抓取托盤次數(shù)為：78+95=173次/天；

三坐標(biāo)機(jī)器人完成日抓取瓦楞紙片次數(shù)為：173×3=519次/天；

三坐標(biāo)機(jī)器人完成日抓取托盤蓋板次數(shù)為：173次/天；

三坐標(biāo)機(jī)器人完成日抓取次數(shù)合計為：3550+4305+173+519+173=8720次/天；

成品包裝區(qū)日作業(yè)時間為24小時，所需三坐標(biāo)機(jī)器人抓取速度為8720/24≈364次/小時。

三坐標(biāo)機(jī)器人工作時序計算，如表2所示。

表2 三坐標(biāo)機(jī)器人工作時序計算表

基于以上可得出結(jié)論：按機(jī)器人每次完成一個動作的周期為29秒計算，單臺機(jī)器人工作效率為124次/小時，配置4臺三坐標(biāo)機(jī)器人，系統(tǒng)總能力為124×4=496次/小時＞364次/小時，設(shè)備利用率為73.39%，滿足日常煙用成品紙卷碼垛需求并富裕部分安全能力，確保系統(tǒng)具備一定的冗余性。

四、煙用成品紙卷自動轉(zhuǎn)運及包裝系統(tǒng)規(guī)劃

針對印刷廠，根據(jù)其工藝的不同，其廠房主要功能分區(qū)如圖1所示，分為生產(chǎn)車間1、生產(chǎn)車間2、成品自動輸送線、成品自動包裝車間。

圖1 印刷廠的廠房主要功能分區(qū)規(guī)劃圖

所應(yīng)用的主要設(shè)備包括：皮帶輸送機(jī)、往復(fù)垂直提升機(jī)、多向視覺識別系統(tǒng)、自動分揀系統(tǒng)、自動稱重系統(tǒng)、三坐標(biāo)機(jī)器人、鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、自動纏膜機(jī)、自動打帶機(jī)、自動打碼及貼標(biāo)機(jī)和自動化控制系統(tǒng)。其主要設(shè)備的功能規(guī)劃如下：

多向視覺識別系統(tǒng)主要對帶式輸送線上的煙用成品紙卷的條碼進(jìn)行動態(tài)實時識別，并自動將識別到的條碼物料信息上傳給成品包裝車間自動化控制系統(tǒng)，可自動識別來料紙卷的品種及批次等信息，使自動分揀機(jī)能按指定規(guī)則分揀。多向視覺識別系統(tǒng)還能自動識別煙用紙卷外觀特征，并將識別到的特征信息上傳至成品包裝車間自動化控制系統(tǒng)，自動化控制系統(tǒng)自動比對條碼信息和真實物料特征信息的一致性，具備二次校對防差錯功能，杜絕條碼貼錯的現(xiàn)象發(fā)生。

自動稱重系統(tǒng)主要對輸送線上經(jīng)過稱重工位的煙用成品紙卷稱重計量，精度可達(dá)±0.02kg，準(zhǔn)確記錄每一卷成品的真實重量。

自動分揀系統(tǒng)主要完成煙用成品紙卷分揀任務(wù)，設(shè)置多個煙用成品紙卷分揀站臺，能同時完成多個品規(guī)煙用產(chǎn)品紙卷的分揀碼垛需求，100%滿足該企業(yè)車間產(chǎn)能。此外，還設(shè)置不合格品分揀站臺和人工處理站臺，便于人工處理不合格品和三坐標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)異常時人工碼垛作業(yè)。

三坐標(biāo)機(jī)器人主要完成煙用成品紙卷自動碼垛需求，針對該企業(yè)煙用成品包裝車間自動包裝需求，開發(fā)專用夾具，具備多項功能，能完成煙用成品紙卷抓取、托盤拆垛、瓦楞紙片抓取和托盤蓋板抓取作業(yè)需求。煙用成品紙卷抓取后，夾具能自動旋轉(zhuǎn)，將煙用成品紙卷條碼統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)到指定角度后再堆碼在托盤上。

自動纏膜機(jī)主要完成實托盤纏膜作業(yè)，采用深色薄膜，防止部分光敏性煙用成品紙卷因存儲、運輸過程中長時間光照造成變色，產(chǎn)生質(zhì)量事故。

自動打帶機(jī)主要完成實托盤打帶作業(yè)，對托盤4個側(cè)面打包裝帶，將煙用成品紙卷牢牢固定在托盤和托盤蓋板之間，避免存儲作業(yè)和長途運輸作業(yè)過程中煙用成品紙卷滑動、碰撞、摩擦、傾斜等造成產(chǎn)品外觀質(zhì)量受損。

自動打碼及貼標(biāo)機(jī)主要完成實托盤大碼打印和粘貼作業(yè)，對經(jīng)過該工位的實托盤4個側(cè)面粘貼大碼，并自動關(guān)聯(lián)煙用成品紙卷小碼信息和托盤大碼信息關(guān)聯(lián)，便于存儲、運輸?shù)炔煌鳂I(yè)環(huán)境中對產(chǎn)品信息的查詢復(fù)核需求。

圖2為成品自動轉(zhuǎn)運及自動包裝系統(tǒng)物流動線圖，煙用成品紙卷采用人工從兩車間末端分切工位上線，經(jīng)自動打碼及貼標(biāo)機(jī)貼碼后，自動沿輸送線輸送至成品包裝車間；經(jīng)視覺識別系統(tǒng)、自動在線稱重系統(tǒng)、自動分揀系統(tǒng)和三坐標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)自動完成煙用成品紙卷信息識別、稱重、自動分揀和自動碼垛；再由鏈?zhǔn)捷斔拖到y(tǒng)自動輸送至自動纏膜工位、自動打帶工位和貼碼工位完成自動包裝。

圖2 物流動線規(guī)劃圖

圖3為煙用成品紙卷示意圖，其中卷徑φ為350mm，幅寬為50mm～110mm，卷重為10kg/卷。

圖3 煙用成品紙卷示意圖

圖4為成品實托盤示意圖，采用1200mm×1200mm×150mm的方形托盤，符合卷類物料堆碼，包裝規(guī)格為：9卷/層×10層/托盤=90卷/托盤。

圖4 成品實托盤示意圖

五、煙用成品紙卷自動轉(zhuǎn)運及包裝系統(tǒng)流程規(guī)劃

1.煙用成品紙卷上線規(guī)劃

兩車間末端工序分切完成的煙用成品紙卷，采用人工從分切工位上帶式輸送線，煙用成品紙卷沿帶式輸送線輸送至自動貼標(biāo)工位，自動定位整形，打碼及貼標(biāo)機(jī)自動打印物料條碼并粘貼到煙用成品紙卷上。粘貼好條碼的煙用成品紙卷沿帶式輸送線自動往前輸送至往復(fù)垂直提升機(jī)工位，經(jīng)往復(fù)垂直提升機(jī)將煙用成品紙卷提升至距地面3米高并與主輸送線合流，煙用成品紙卷沿主輸送線輸送至成品包裝車間。

圖5 成品上線區(qū)規(guī)劃圖

2.成品輸送線規(guī)劃

圖6為成品輸送線系統(tǒng)，成品輸送線采用架空設(shè)計，留出地面空間，不阻斷地面疏散通道、物流通道、人員安全逃生通道等。輸送線采用帶式輸送機(jī)設(shè)計，減少煙用成品紙卷和輸送設(shè)備相對滑動摩擦造成的損傷，最大限度保證煙用成品紙卷輸送安全。分合流口采用斜角度窄帶輸送機(jī)設(shè)計，確保合流順暢高效，提高合流效率。輸送線側(cè)邊設(shè)置設(shè)備檢修安全平臺，便于用戶在使用過程中對架空輸送設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，檢修通道配安全上下樓梯和安全護(hù)欄，確保高空作業(yè)人員安全。

圖6 成品輸送線規(guī)劃圖

3.成品包裝車間規(guī)劃

圖7為成品包裝車間，煙用成品紙卷輸送到成品包裝車間后，經(jīng)垂直往復(fù)提升機(jī)降到1000mm高地面輸送線，設(shè)置在輸送線上的多向視覺識別系統(tǒng)自動掃描煙用成品紙卷條碼和外形特征，并自動比對復(fù)核物料條碼中品規(guī)信息和物料真實品規(guī)信息的一致性，自動在線稱重系統(tǒng)記錄每一卷煙用成品紙卷的重量，信息一致且重量準(zhǔn)確的紙卷自動分揀到合格品碼垛站臺，反之則自動分揀到不合格品碼垛站臺。

圖7 成品包裝車間規(guī)圖

自動分揀系統(tǒng)將同一品規(guī)且同一批次的煙用成品紙卷自動分揀到同一個碼垛站臺，由三坐標(biāo)機(jī)器人拍照識別紙卷位置并自動抓取紙卷，堆碼到碼垛工位的托盤上，碼垛成9卷/層×10層=90卷/托盤的實托盤。

碼垛完成的煙用成品紙卷托盤沿鏈?zhǔn)捷斔拖到y(tǒng)自動輸送至自動纏膜工位，自動纏膜機(jī)對實托盤完成自動纏膜作業(yè)，再輸送至自動打帶工位完成自動打帶作業(yè)，最后輸送至自動貼碼工位，自動貼標(biāo)機(jī)對成品托盤4個側(cè)面自動碼粘條貼，自動控制系統(tǒng)完成紙卷物料信息和托盤大碼信息自動關(guān)聯(lián)，完成煙用成品紙卷托盤自動包裝作業(yè)。

六、煙用成品紙卷自動轉(zhuǎn)運及包裝系統(tǒng)特點

托盤尺寸統(tǒng)一，便于自動化物流設(shè)備搬運、存儲，減少物流設(shè)備的種類，節(jié)約投資，便于后期維護(hù)管理。

輸送線架空設(shè)計，留出車間地面空間，不阻斷通道，提高車間空間利用率，便于人流、物流的流通。

多向視覺識別系統(tǒng)，能從不同方向自動識別卷料外側(cè)條碼信息和外觀特征信息，自動比對條碼品規(guī)信息和和真實品規(guī)信息，確保條碼信息零誤差。

三坐標(biāo)機(jī)器人揀選范圍大，能同時揀選多品規(guī)多站臺煙用成品紙卷，設(shè)備利用率高，一次性投資成本低。

根據(jù)抓取流量加安全余量需求配備多臺三坐標(biāo)機(jī)器人，其中一臺或多臺機(jī)器人出現(xiàn)故障可移動到檢修區(qū)檢修，其他機(jī)器人可覆蓋故障機(jī)器人抓取站臺，系統(tǒng)安全冗余性強(qiáng)。

自動化控制系統(tǒng)和MES軟件系統(tǒng)的有機(jī)深度融合，對兩車間的成品生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、應(yīng)用，實現(xiàn)自動化和智能化。

七、結(jié)束語

通過對該企業(yè)煙用成品紙卷自動轉(zhuǎn)運及包裝系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計，該企業(yè)的煙用成品紙卷轉(zhuǎn)運、堆碼、包裝實現(xiàn)了自動化和智能化，產(chǎn)品信息采集、傳輸、管理和應(yīng)用實現(xiàn)了數(shù)字化。自動化控制系統(tǒng)與MES軟件系統(tǒng)的有機(jī)深度融合，打通了該企業(yè)管理從車間生產(chǎn)到成品包裝全鏈條生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運數(shù)智化，實現(xiàn)了煙用成品紙卷的全生命周期管理。