循環塑料煙箱在卷煙工業企業的適應性研究與應用

文 / 彭海 周范軍 雷敏 覃勤 王勁松 鐘艷妮

一、現狀與需求分析

隨著社會對綠色發展、循環經濟的不斷重視，廢舊物品的再利用成為降低成本、減少浪費、節約資源的重要手段。中國煙草公司于 2013年開始呼吁各卷煙企業對煙箱進行回收循環利用，各中煙和相關企業相繼進行了探索和研究，循環煙箱在各個中煙公司得到了大量的實際使用。瓦楞紙煙箱的循環使用已推廣多年，但瓦楞紙箱存在流轉過程中表面易附著灰塵、油污，而且經過兩三次使用后，其搖蓋的韌性、強度急劇下降等缺陷。目前市場流行循環塑料煙箱（以下簡稱塑料煙箱），為瓦楞紙煙箱的替代性產品，它主要是以食品級共聚性聚丙烯為原料，由PP塑料中空板聯接成箱，使用次數明顯增加。相比傳統瓦楞紙煙箱，塑料煙箱重量輕、耐腐蝕，租賃費用比購買紙質煙箱低，且使用次數達到使用極限后可進行打碎再加工，增加循環利用次數，是行業推進降本增效、綠色發展的重要舉措。塑料煙箱的循環使用是踐行行業“十四五”綠色低碳循環發展工作要求，是堅定不移地走好綠色發展之路的一次有效嘗試。

雖然塑料煙箱循環使用的好處顯而易見，但在實際推廣應用中，卻遇到了一些技術難點、痛點，具體情況如下：

1.裝封箱硬件設備對塑料煙箱的兼容性問題

（1）塑料煙箱上長折邊劃痕多

在封箱過程中，當塑料煙箱上長折邊與導向桿接觸時，由于角度較大，塑料煙箱又比紙箱硬，上長折邊可能會產生明顯的折痕，如圖1所示。

圖1 塑料煙箱上長折邊折痕

（2）塑料煙箱打印條碼質量差

由于塑料煙箱表面比較光滑，在封箱機完成封箱動作，打印一號工程碼的過程中，極易造成條碼粘貼不牢、翹邊、飛標等異常情況，影響產品質量。

2.塑料煙箱信息流與實物流不匹配

塑料煙箱在裝封箱系統完成封箱和打碼后，通過件煙輸送線入成品高架庫。成品高架庫倉庫管理系統中只有傳統的紙質煙箱和循環紙箱的煙箱類型定義，沒有關于塑料煙箱類型的定義。自動化立體倉庫依靠托盤的信息來管理出入庫流程。入庫時托盤帶信息入庫，出庫時依靠入庫的托盤信息來生成出庫任務。塑料煙箱作為一種新的煙箱類型，在倉庫管理系統中沒有定義，入庫流程中不能和傳統的瓦楞紙煙箱區別開，出庫時也沒有辦法精準發貨，嚴重影響了后續的產品分類統計和銷售發貨的及時性、準確性，如圖2所示。

圖2 同品牌號的塑料煙箱與瓦楞紙煙箱無法區分

3.成品高架庫拆碼垛機器人對塑料煙箱的適應性差

前期進行了塑料煙箱入庫碼垛測試，機器人抓取過程中掉落頻次、概率陡增，通過數據比對也驗證了這一點，具體數據詳見表1和圖3。

表1 入庫區域掉煙統計表

圖3 入庫區域掉煙數據柱狀圖

后發現引起掉煙增多的源頭是成品高架庫倉庫管理系統中沒有塑料煙箱的定義，塑料煙箱和傳統瓦楞紙煙箱共用一套相同參數的拆碼垛系統。由于塑料煙箱相比于傳統瓦楞紙箱在尺寸規格和材質兩個方面存在著一定的差距（見表2和表3所示），兩者共用一套相同參數的拆碼垛系統會導致在出入庫碼垛過程中煙箱掉落，引起現場設備停機及后續處理，影響出入庫效率和增加二次搬裝費用；其次，煙箱掉落，會造成煙箱碰撞設備，導致煙箱質量受損和設備損壞；最后，出入庫現場煙箱掉落，很有可能造成現場作業人員的人身傷害，存在很大的安全隱患。

表2 箱體規格、結構、楞型

表3 兩種箱體的硬度和摩擦系數對比

（1）塑料煙箱與傳統瓦楞紙煙箱尺寸規格不完全一樣

從表2中可以看出，塑料煙箱和傳統瓦楞紙煙箱在長度和高度上分別存在著7mm和4mm的差距，若拆碼垛機器人沿用傳統瓦楞紙煙箱的笛卡爾坐標和運行軌跡來抓取件煙，在出入庫拆碼垛時會因其尺寸的累加誤差造成抓取煙箱不到位或剮蹭到周邊物流設備引起掉煙，摔壞煙箱。

（2）塑料煙箱與傳統瓦楞紙煙箱材質不一樣

負責拆碼垛的機器人采取海綿真空吸盤產生負壓吸取煙箱，按照預先定義好的運行軌跡來完成拆碼垛動作。機器人在抓取后向上提升的過程中，不可避免的會產生煙箱的晃動，由于塑料煙箱的材料相比瓦楞紙煙箱要硬，摩擦系數更小，晃動過程中比紙質煙箱更加容易漏氣；提升速度越快，晃動越劇烈，煙箱也更加容易掉落。

可以看出，由于塑料煙箱和傳統瓦楞紙煙箱在尺寸上的差異，兩者不能共用一套相同參數的拆碼垛軟件系統；由于塑料煙箱和傳統瓦楞紙煙箱在煙箱材質上的差異，必須對現有的機器人拆碼垛硬件進行優化升級。

4.成品高架庫塑料煙箱合流輸送穩定性差

成品高架庫輸送路徑從邏輯上可以劃分為兩塊，入庫輸送區和出庫輸送區，兩者都存在著件煙合流環節。卷接包車間輸送過來的件煙經1、2號螺旋提升機送至成品入庫區，在件煙輸送設備（詳見圖4）處進行二合一匯合至一條件煙輸送線；同樣在出庫區域也有件煙合流設備。

圖4 入庫區域合流位置示意圖

以入庫區域合流處為例，件煙合流處之前兩條輸送線分為干線與支線，支線末端使用皮帶加速煙箱，使煙箱在較短時間內快速插入干線煙箱間的空隙。但隨著塑料煙箱的應用推廣，件煙合流處除了面臨瓦楞紙煙箱與瓦楞紙煙箱合流外，還增加了瓦楞紙煙箱與塑料煙箱、塑料煙箱與塑料煙箱兩種組合的合流，件煙合流處輸送皮帶運行速度較快，在合流時，塑料煙箱會與輸送皮帶產生較明顯的滑動，導致塑料煙箱經常無法在足夠短的時間內完成合流，或合流后往前滑動，從而與另一條輸送線上的煙箱產生碰撞、跟包的現象。產生碰撞的兩件煙會卡在輸送線上，不僅會對煙箱造成損傷，影響產品質量，還會阻擋后續煙箱的正常輸送，導致設備停機，影響正常生產。

可以看出，由于塑料煙箱的摩擦系數小，在皮帶輸送機上合流時必須對現有的輸送設備進行升級改造或者對電控程序進行優化調整。

二、設計思路

針對上述存在的難點和痛點，提出循環塑料煙箱在卷煙工業企業適應性應用解決思路：

1.針對裝封箱硬件設備對塑料煙箱的兼容性問題，考慮在車間現場進行相關設備的改造和位置調整。使用弧形導向桿代替原來的上長折邊導向桿。增加條碼壓緊裝置，解決條碼質量問題。

2.針對塑料煙箱信息流與實物流不匹配的問題，考慮在輔料配送、車間生產，成品入庫的整個業務流程中定義一種全新的煙箱類型，使塑料煙箱在輔料配盤時就能正確地采集煙箱類型信息，并且通過配送將煙箱類型信息傳遞到裝封箱機臺，機臺將煙箱屬性和成品件煙條碼綁定，通過接口自動傳遞到成品高架庫。倉庫管理系統（WMS）中成品托盤帶煙箱類型信息出入庫。

3.針對煙箱尺寸不匹配引起的出入庫拆碼垛塑料煙箱適應性差的問題，定義兩套不同參數的機器人拆碼垛程序分別對應于塑料煙箱和傳統瓦楞紙煙箱。同時在倉庫管理系統和倉庫調度系統（WCS）之間增加接口傳遞煙箱類型參數給機器人拆碼垛系統。機器人拆碼垛系統在出入庫流程中根據不同的煙箱類型調用不同參數的拆碼垛程序，確保拆碼垛程序與煙箱尺寸的完全匹配。

4.針對煙箱材質不同引起的出入庫拆碼垛塑料煙箱適應性差的問題，考慮如下兩個思路：

（1）改造機械手夾具。在拆碼垛機器人夾具上的三個抓取工位上各增加一個由伺服系統控制的側吸裝置。當頂吸裝置產生負壓后，伺服系統控制側吸裝置靠近煙箱側面并進行吸附，提升煙箱的抓取牢固程度。

（2）改進吸盤的真空柔性海綿墊材質。測試不同材質的海綿墊，選擇與煙箱表面貼合度更高，密封性更好的海綿墊，提升其吸附力。對比了時效性和經濟性，選擇思路（2）進行課題攻關。

5.件煙合流處的異常主要是由于塑料煙箱表面更光滑，其摩擦系數小于瓦楞紙煙箱。可以有如下幾個解決思路：

（1）考慮選用摩擦系數更大的輸送皮帶，增大塑料煙箱與輸送皮帶間的摩擦力。

（2）考慮在塑料煙箱與輸送皮帶接觸面增加摩擦系數較大的商標貼紙，使輸送皮帶不直接與塑料煙箱接觸。

（3）考慮通過調節合流處煙箱間隔來減少塑料煙箱在合流處產生跟包、碰撞現象的頻率。

思路（1）首先需要對市面上的輸送皮帶進行詳細地了解，選型之后還需要頻繁更換皮帶以測試改善效果，整個過程較為復雜且更換皮帶結果不可控，有較大風險長時間影響正常生產。

思路（2）變更了煙箱設計，需要協調多個環節，實施難度大，且該思路增加了煙箱使用成本，有悖于塑料煙箱的使用初衷。

思路（3）會略微降低設備的運輸效率，但所需成本最低，且調節結果可控，綜合考慮目前繳庫流量以及塑料煙箱在合流處產生異常后的影響，確定使用該思路解決塑料煙箱在合流處的問題。

三、設計思路實現

1.裝封箱系統硬件的改造與調整

（1）上長折邊導向桿調整

使用弧形導向桿代替原來的上長折邊導向桿，煙箱長折邊在折疊過程中受力會更均勻，避免受力過大產生折痕（詳見圖5、圖6）。

圖5 改進前的導向桿

圖6 改進后的導向桿

（2）增加條碼壓緊裝置

在打碼工位緊鄰的輸送工位上，加裝條碼壓緊裝置。對于每一個打印出來的條碼，通過壓緊裝置來保證其粘貼質量，徹底解決條碼粘貼不牢、翹邊、飛標等異常情況，如圖7、圖8所示。

圖7 條碼壓緊裝置

圖8 改進后的條碼壓緊工位

2.信息流與實物流的全流程匹配

通過塑料煙箱在輔料配送、車間生產，成品出入庫的整個業務流程中屬性信息的采集和傳遞，實現塑料煙箱屬性信息全流程的實物流與信息流同步（詳見圖9）。

圖9 塑料煙箱的實物流與信息流

輔料一級庫：負責采集塑料煙箱的煙箱類型信息并與煙箱實托盤綁定，塑料煙箱出庫時將實托盤信息通過接口傳遞給輔料高架庫系統。

輔料高架庫：塑料煙箱實托盤帶屬性信息收貨，配盤入庫，存儲。出庫時將實托盤屬性信息傳遞給裝封箱系統。

裝封箱系統：接收塑料煙箱實托盤的屬性信息，在件煙裝封箱完成打印一號工程碼時，掃描條碼并且將條碼與當前生產的托盤煙箱屬性綁定。綁定好的條碼和煙箱屬性通過接口傳遞給成品高架庫。

成品高架庫：接收裝封箱系統綁定好的條碼和煙箱屬性信息，實托盤帶煙箱屬性出入庫。

3.拆碼垛流程的升級優化

成品高架庫倉庫管理系統在拆碼垛的流程中將煙箱屬性傳遞給機器人拆碼垛系統，運行不同參數的拆碼垛程序。

（1）煙箱屬性定義與輸送設備獲取煙箱屬性信息

（2）輸送設備與機器人接口協議

在輸送設備與機器人接口協議中增加“煙箱屬性”的握手信號，通過實時傳遞過來的煙箱屬性信息，自動切換機器人的拆碼垛程序。

4.機器人程序的改進

針對塑料煙箱和傳統瓦楞紙煙箱在尺寸上的差異，重新編寫一套單獨的拆碼垛程序，通過參數的不同來實現在拆碼垛流程中對于不同種類煙箱的精準抓取，解決塑料煙箱外形尺寸帶來的掉落問題。

5.拆碼垛機器人硬件升級改造

圖10 WMS的通用物料維護界面

圖11 設備信息對話框

對比發現塑料煙箱的表面比瓦楞紙箱更光滑，材質抗壓強度和變壓強度更高（同瓦強度）。那么就要求機器人吸盤的真空柔性海綿的柔性更好、顆粒度高，才能與塑料煙箱貼合度更高。市場上機器人吸盤的真空柔性海綿墊材質目前采用EPDM橡膠發泡海綿，這種海綿耐高溫、柔軟、回彈性能好。我們通過改變發泡海綿的密度和顆粒度（詳見圖12）來測試貼合情況（詳見表4）。

表4 發泡海綿的密度和顆粒度

圖12 兩種發泡海綿實際應用情況

經現場試驗，貼合度的提高使得密封性更好，試驗過程中機器人吸盤負壓值也驗證了這點，更換過海綿的機械手抓取塑料煙箱時掉落的情況明顯減少。

6.件煙合流輸送機電控程序的改進

由原來固定的搶占路口時間值（只針對瓦楞紙箱）改變為在HMI界面上增加彈出式對話窗口，能隨時修改每個件煙合流處的搶占路口時間值（詳見圖13），這樣只需不斷調整參數值進行測試，直至解決合流處碰撞、跟包現象（同時對輸送機輸送效率的影響最小），并做好記錄。依據記錄的路口時間經驗值表就可以輕松、靈活地應對多類型煙箱的合流。

圖13 件煙合流輸送機電控程序示意圖

四、應用效果

1.裝封箱環節塑料煙箱產品質量得到保證

通過上述裝封箱系統硬件設備的改造和調整，解決了困擾裝封箱環節的難點和痛點，塑料煙箱上的設備劃痕、條碼缺失、翹邊等異常情況得到了有效控制，系統誤報警的數量大大減少，保證了塑料煙箱的產品質量。

2.成品高架庫塑料煙箱作業效率穩步提升

通過打通信息流與實物流、電控程序更新、機械手配套硬件升級等相關措施的改進和實施成品高架庫出入庫現場由塑料煙箱所引起的設備故障、停機現象減少了90%以上。塑料煙箱在出入庫流程中的適應性得到了加強，保證了出入庫效率。

3.循環煙箱的采購成本持續優化

相比較于傳統瓦楞紙箱的購買，塑料煙箱采用租賃的方式來滿足生產。平均到采購成本上，單個傳統瓦楞紙箱的購買費用比塑料煙箱的租賃費用多0.5元。如果采用塑料煙箱替代傳統瓦楞紙箱，每1萬大箱節約成本2.5萬元。隨著塑料煙箱在卷煙工業企業的進一步推廣應用，循環煙箱的采購成本持續優化，為企業綠色發展，降本增效提供了一定的技術保障。