減少拆垛過程中煙包損壞數量

吉林煙草工業有限責任公司長春卷煙廠 馬 亮中科院合肥物質研究院常州先進所 王玉東華大學 范瑞兆

減少拆垛過程中煙包損壞數量

吉林煙草工業有限責任公司長春卷煙廠 馬 亮
中科院合肥物質研究院常州先進所 王玉
東華大學 范瑞兆

隨著工業4.0計劃的提出與實施，其三大主題項目之一的 “智能物流”，被越來越多的企業所重視。在近幾年的煙草工業易地技改浪潮中，自動化立體倉庫憑借其存儲能力、作業效率及現代化管理等優勢，被更多企業所青睞。吉林煙草工業有限責任公司長春卷煙廠于2010年9月完成易地技改搬遷工作，新廠區的物流自動化立體倉庫系統成為了該廠建造“智能化工廠”的新亮點，其中成品件煙拆垛機器人作為該廠成品煙出庫系統的重要部分，大大提高了整個出庫過程的作業效率、降低了勞動強度及勞動成本、增大了成品件煙出庫質量。

工業4.0；自動化立體倉庫系統 ；拆垛機器人

1 前言

吉林煙草工業有限責任公司長春卷煙廠于2010年9月完成易地技改搬遷工作，物流自動化立體倉庫系統采用ABB機器人作為拆垛機器人，即利用穿梭車、巷道式堆垛起重機、鏈式輸送機等設備，將碼垛好的煙包托盤移動至機器人拆垛站臺，通過拆垛機器人將每一件煙包移動至相應輸送巷道。隨著設備的使用及2013年國家局逐步開展回收煙箱再利用項目，長春卷煙廠倉儲處成品出庫系統，在拆垛過程中經常出現煙包掉落損壞現象，平均每月損壞煙包數量達到100件以上，造成了極大的浪費。對此情況，部門領導高度重視，組織相關人員對產生這一問題的原因進行了詳細分析，在此過程中，正壓力風質量、吸盤設備裝置及程序的設計漏洞均能導致抓取的煙包掉落、損壞，對可能造成的影響逐一進行技術攻關和改造。

2　正壓力風輸送系統

在機器人拆垛過程中，機器人需使用負壓力風作用于煙包表面，使其克服自身重力，移動至相應輸送軌道，而負壓力風由輸送至機械手臂的正壓力風轉換而來，因此，清潔并足夠壓力的正壓力風是機器人完成拆垛的前提保證。

2.1降低壓縮空氣中雜質含量

雖然空壓機制造壓縮空氣后，已經對壓縮空氣進行了過濾，且過濾后含水量較低，但由于長春卷煙廠地處中國東北地區，全年室外溫差相差60攝氏度以上，較長的輸送過程中，溫差變化較大，仍有可能產生冷凝水及管道雜質，因此，選擇距離出庫拆垛區較近區域安裝獨立空壓機，對壓縮空氣的供給是非常重要的。

壓縮空氣在進入機器人前，都需進行油水分離器處理，確保壓縮空氣中不含有其他雜質，長春卷煙廠成品出庫區原配置型號為：LFR-D-MAXI (FESTO)油水分離裝置，由于管道冷凝水較多，并帶有部分管道雜質，極易造成油水分離器堵塞。因此，對進入機器人前壓縮空氣管道進行了改造（如圖1所示），使用較為大型的油水分離雜質，并定期進行維護，改造后，油水分離器可定期自動排出存裝置過濾的水分，并安裝維修通道，在新安裝的油水分離裝置出現故障或需要維護時，可切換為原通道模式，確保出庫系統的正常運行。

2.2足夠正壓力風供給

機器人拆垛用正壓力風由空壓機產生、供給，但由于空壓機故障，正壓力風壓強會降低或消失，因此，在正壓力風進入機器人前安裝了儲氣罐裝置（如圖2所示），在安裝儲氣罐裝置后，正常處于儲氣狀態，在正壓力風壓降產生波動時，確保供給機器人用風仍能處于正常狀態，在正壓力風消失時，仍能保證機器人完成當前拆垛動作。

對正壓力風改造完成后，對設備的可靠性進行了驗證，距離拆垛機器人最近的油水分離器中，沒有水分和雜質的殘留，安裝在機械手臂的電子壓力表顯示，到達機械手臂的正壓力風壓強可以滿足拆垛機器人風力供給的需要。

圖1

圖2

3　機械手臂吸盤

機器人負責抓取的手臂吸盤為選配裝置，目前國內選配的種類和類型較多，多為進口電氣元件與機械件組裝而成，使用負壓力風轉換器、電磁閥、壓強計等電氣元器件，將正壓力風轉換為負壓力風（吸風），通過手臂下方的吸盤作用于煙包放置的上方，使其克服自身重力，移動至相應輸送通道。

拆垛機器人吸取煙包主要依靠機械手臂下方的吸盤作用于煙包上方，因此，吸盤的類型對作用于煙包的負壓力值有著直接的關系，對硅膠、海綿兩個種類的吸盤進行試驗分析，由于煙箱上側封口處使用膠帶粘貼，平整度較低，海綿吸盤的可變形度較大，因此更適合于頂部吸和，負壓力風損失較小，能夠產生更大的壓強。因此選用海綿型吸盤（如圖3所示）。

圖3

4　程序維護

ABB拆垛機器人工作過程中看似流暢，其實每一步都是按照編程軟件按照坐標點位進行動作的，系統參數可通過連接的筆記本電腦或機器人手持PDA進行修改、查看，系統記憶初始設置的零點位置，通過X軸（機器人左右方向）、Y軸（機器人的前后方向）、Z軸（機器人的上下方向）的三維空間，判斷機器人每點所處位置，根據程序預先設計好的坐標點間進行動作。因此，機器人編程系統就如同拆垛機器人的大腦，指引機器人按規定完成每一個動作，但抓取位與放置位的X、Y、Z軸的每個小的偏差，都有可能導致此次拆垛過程中的煙包掉落，所以，機器人程序的設置，直接影響到拆垛過程是否可以正常完成。由于廠內生產品牌較多，每種品牌的紙箱包裝尺寸不一，或每種品牌批次不同，外尺寸也會有所變化，目前長春卷煙廠工藝執行的標準為紙箱內壁尺寸的允許范圍為±5mm，因此，由于煙箱類型的不同、動作的不同及機器人速度導致的慣性過大都有可能造成拆垛過程中的煙包掉落損壞。

4.1煙包類型的分類

長春卷煙廠異地技改調試機器人調試時，碼垛機器人與拆垛機器人都將煙箱類型設置為大煙箱（硬盒卷煙）和小煙箱（軟包卷煙）兩種尺寸，由于機器人在碼垛過程中，吸附煙包側面，而煙包側面積遠大于煙包頂端面積，也大于機器人吸盤所需要吸附的面積，并且與煙包頂端相比較為平整，因此，可以非常好的完成煙包的碼垛入庫任務。而拆垛過程中，由于機械手臂吸盤吸附煙包頂端，吸盤面積與煙包頂端面積基本相同，因此大煙箱不同的品牌煙包或小煙箱不同品牌煙包的尺寸變化便有可能造成機械手臂吸盤吸取位置發生偏移，當偏移量較大時，便會造成煙包的掉落。

針對這一問題，將原有煙包類型進行了重新的分類，使每一品牌的碼垛煙包類型對應一個屬性分類，調整每一個品牌煙包抓取位置時，不會改變其他品牌煙包抓取的位置。在煙包入庫下達工單時，根據煙包品牌所定義編號（1～15），填寫煙包屬性，在煙包出庫拆垛過程中，通過電控與機器人的通訊協議，將所需拆垛的煙包托盤屬性傳送至機器人程序，機器人程序再按照定義的煙包屬性，調用并執行相應的拆垛程序，從而不影響其他屬性煙包拆垛的位置。

目前，所設置的煙包類型屬性達到了15個，而現使用的煙包類型為9個，剩余6個煙包類型（三個大煙包尺寸類型、三個小煙包尺寸類型）為預留，在需要新增品牌時，先定義新增煙包類型屬性，再根據新增煙包尺寸的變化，修改相應程序的位置，從而可以較為快速、方便、準確地下達新品牌煙包的拆垛任務。

4.2動作細化

機器人手臂吸盤面積與煙包頂端面積基本相同，因此，煙包位置的變化將導致拆垛機器人同一時期所抓起的煙包位置都發生變化，這一位置的改變將直接導致手臂吸盤作用于煙包頂端的負壓力風的壓強值變化，產生掉落的危險。

煙包從卷包車間生產后由碼垛機器人碼垛為1～28件（通常情況下煙包碼垛數量為28件，當執行強制入庫命令或當班生產結束時，會產生1～27件數量不等的煙包托盤）數量不等的煙包托盤，后經穿梭車、鏈式輸送機、巷道式堆垛起重機進入相應的成品自動化立體倉庫中，需要完成出庫任務時，再由巷道式堆垛起重機、穿梭車、鏈式輸送機等設備移動至拆垛站臺，入庫后的煙包還有一定的可能需要在入庫區進行抽檢處理，而每一次移動都會對已碼垛好的煙包托盤造成不規則的位置偏移，這一偏移，就有可能導致，在拆垛過程中，拆垛機器人吸盤吸取煙包的位置發生偏移（如圖4所示）。因此對整個入、出庫過程中可能造成煙包位置發生改變的節點進行分析，發現在煙包入庫前鏈式輸送機擋板，負責將沒有完全靜止的煙用托盤阻擋住，但阻擋煙用托盤停止時，托盤上的煙包由于受到慣性的作用，位置會發生不規則的變動，因此，調整輸出給鏈式輸送機停止的光電管的位置，使其能夠到達與擋板接觸后停止，但擋板產生在托盤上煙包的慣性在煙包間摩擦力的作用下，不會引起位置的偏移。

同時又根據每一種類的煙包拆垛類型對應的拆垛程序進行了詳細的調整，使其可以完整的吸附煙包的表面，減少因拆垛機器人吸盤吸附煙包上端位置發生偏移而產生煙包掉落的危險。

4.3調節速度

圖4

成品出庫自動化系統執行煙包出庫任務時，煙包離開最后一個設備的速度可視為出庫的效率。在整套成品出庫系統中，由各單體設備工序組成，由巷道式堆垛起重機負責取出貨物，單體直行穿梭車負責將煙用托盤移動至拆垛站臺，由拆垛機器人拆垛后，將煙包輸送至分揀系統，再由伸縮鏈板機將煙包移動至車中。根據木桶原理，在整個物流過程中，速度最慢的為制約整個物流速度的關鍵因素，為達到物流的連貫性，盡量減少上游設備工作速度大于下游速度而造成上游工序停機等待的概率，而各環節中巷道式堆垛起重機、穿梭車、分揀系統、伸縮鏈板機等設備的速度基本已經達到最佳，下游設備速度均高于上游設備速度，因此，機器人的拆垛速度應位于穿梭車與分揀系統中，即高于穿梭車的速度，低于分揀系統的分揀速度，而由于機器人拆垛速度過快將導致因慣性過大而造成的煙包掉落，因此，只需將機器人拆垛速度大于穿梭車速度即可。

目前機器人的運行速度為150分鐘/整托盤，整托盤為28件煙的實托盤，經測算，機器人可允許的最慢速度為163分鐘/整托盤，因此，我們對機器人拆垛過程中，每個動作進行詳細分析，整托盤拆垛中，第1～8件煙為平躺放置，機器人吸取煙包側面，壓強較大，第9～28件煙為豎放，吸取煙包頂部，易造成煙包掉落，經過多次調試，最終將機器人拆垛整托盤中煙包豎放的拆垛移動速度參數由原來的1000降至600，速度降低為原有的40%，即將吸取第9～28件煙后， 機器人移動煙包至相應巷道的移動速度降低40%，散盤托盤（托盤碼垛煙包數量小于28件煙）拆垛速度按照拆實托盤速度程序執行，調整后機器人拆整盤煙的速度為156分鐘/整托盤，不會造成上游設備等待。系統調試后，降低了拆垛過程中，由機器人在X、Y、Z軸發生變速移動時所產生的慣性力，從而確保拆垛過程中煙包不會因機器人拆垛過程中移動速度過快造成的煙包掉落。

5　結束語

通過對正壓力風輸送系統、機器人手臂吸盤的改造及機器人系統程序的優化、改進，從根本上杜絕了機器人在拆垛過程中發生的煙包掉落、損壞這一現象。通過6個月的觀察，除煙包自身包裝缺陷等煙包自身原因外，拆垛過程中沒有發生因設備自身故障造成的煙包掉落、損壞現象。使得整個物流自動化出庫系統運行更加穩定、暢通，減少了不必要的浪費，縮短物流出庫系統故障時間，消除了拆垛機器人運行中的煙包掉落故障，增加了設備運行的可靠度，降低維修成本。

Reducing the Quantity of Tobacco-Pack Damage During Unstacking

In the wake of the promotion and carrying out of the Industry 4.0 project, intelligent logistics, as one of its three major themes, is receiving more and more attention from the enterprises. In recent years' wave of the technological improvement among different places, the auto-stereoscopic warehouse has won the good graces of more and more companies due to the excellent storage capacity, working efficiency and modernization management. Changchun Cigarettes Factory completed the relocation in September, 2010, and its auto-stereoscopic warehouse management system in the new factory district became the new highlight in building our "auto-factory". The breaking-jam robots of the finished tobacco product serve as the main force of our delivery of cargo from storage system. They have improved the delivery efficiency, decreased the labor load, saved cost, and finally enlarged the finished product output capacity.

Industry 4.0; Automated Storage and Retrieval System（AS & RS）; Unstacking Robot

馬亮（1985-），男，現任吉林煙草工業有限責任公司長春卷煙廠倉儲處技術員，從事物流自動化系統的維修、維護等相關工作。