雙封切免疊煙異型煙分揀包裝設備的研發

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化分揀現場會，提出異型卷煙分揀設備配置的三檔原則：一檔為異型卷煙年銷售規模1萬箱以上的商業企業，可以配置自動分揀線；二檔為異型卷煙年銷售規模1萬箱以下、3千箱以上的商業企業，可以配置電子標簽分揀線；三檔為異型卷煙年銷售規模在3千箱以下的商業企業，只能采用純手工分揀方式。

出于需求急迫程度和產品盈利水平考慮，近幾年業內分揀、包裝設備廠家主要研發對象是針對年異型煙分揀量1萬箱以上物流中心的自動分揀包裝設備。異型煙箱自動開箱機構、組合式異型條煙自動分揀系統、異標合一分揀系統等各種自動分揀設備，以及機械手、翻板加機械手、推板加機械手等各種自動疊煙機構紛紛涌現，有效解決了一檔卷煙物流中心的分揀難題。但是，相關廠家對二檔物流中心所采用的電子標簽異型煙分揀線卻缺乏深入探究，解決方案止步于電子標簽分揀、人工疊煙、自動裹膜等典型方案。但人工疊煙有其固有缺點，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，在現有電子標簽分揀系統的基礎上，自主設計新型異型煙封切包裝機構，以提高分揀效率和自動化水平，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、推入裹膜機構后封切熱縮。人工疊煙機構在使用過程中，主要存在以下問題：①疊煙人員需承擔分戶和核對職責，出錯概率大；②戶均訂單量小于5條時，疊煙人員多數情況下僅需疊單層卷煙，勞動力出現閑置；③部分大戶訂單量較大時且特異型條煙較多時，疊煙人員不僅要疊煙，還需考慮垛形是否穩固，必要時需逐條調整位置，耗時較長。

少數二檔物流中心嘗試引入機械手代替人工疊煙，但其實際效率受限于訂單結構，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、維護技術難度較大，并不適合在二檔物流中心推廣應用。

二、系統設計

1.訂單結構

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%，在江西省內較為典型。表1為某日異型煙戶訂單數據。

從表1可知，宜春市異型煙訂單有以下幾個特點：①單條訂單客戶較多，占比27.67%，超過總訂單數的四分之一。②5條以下訂單的客戶占比72.39%，接近總訂單數的四分之三；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結構圖

圖2 封切機構結構圖

2.設計思路

根據宜春市異型煙訂單情況，采取以下設計思路：

①異型煙分揀環節采取電子標簽分揀，設2個工位，分揀效率設定3000至4000條/小時；

②裹膜環節采取自動裹膜設備，效率為12包/分鐘（720包/小時），以淡季戶均4.2條計算，合3024條/小時，以春供旺季戶均5條以上計算，效率3600條/小時；

③封切機構拆分為兩個部分：熱封刀和冷切刀，可以單獨工作或同時工作；

④訂單小于5條時，采取單層直推方式，不經疊煙直接在分揀線末端皮帶上推入裹膜機，封切機構在熱封時同時冷切，實現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后，封切機構只進行熱封不冷切，實現訂單內不同裹膜包裝的物理性連續，第6至10條直推進入裹膜機后，封切機構在熱封時同時冷切；

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，即訂單內各包只熱封不冷切，最后一包結束后，進行熱封冷切。

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

⑧線路鄰近單條訂單調序，分揀后合并裹膜包裝，以達到每包至少4條的效率要求。

按照上述設計思路，整個分揀系統設計效率可達到3000條/小時，單包訂單占比72.39%，單包加雙聯包訂單占比90.5%，三聯包以上的多聯包占比較低，搬運工對多聯包整體翻面與條煙疊煙相比，勞動強度得到大幅降低，包裝機構全部根據系統指令進行，無需人工按訂單計數，差錯率低。因此，與傳統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備具有明顯的優勢。

3.系統結構

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

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

4.入料輸送機構連接與控制

入料輸送機構（5）能夠將分揀機構（1）與封切機構（3）連接，其中在分揀機構與裹膜機構之間的入料輸送機構能夠將異型條煙按照設定數量進行分組，其包括沿輸送方向依次布置的差速計數低速輸送段（51）、差速計數高速輸送段（52）、分包分戶輸送段（53）和分包緩沖輸送段（54），在裹膜機構與封切機構之間形成推包輸送段（55）。

差速計數低速輸送段（51）的慢速運動，有利讓分揀機構分揀條煙，后面的條煙擠壓前面的條煙，從而調整煙的姿態，同時也能控制整體流量。差速計數高速輸送段（52），其將差速計數低速輸送段擠壓整齊的條煙，拉開必要的縫隙，同時進行計數，同一戶內按5的數量進行分段，或是計數到當前戶的最后一條（小于等于5條）時，差速計數低速輸送段（51）停機，差速計數高速輸送段（52）繼續運行，并進入到分包分戶輸送段（53），這時差速計數低速輸送段，可以再運行，差速計數高速輸送段（52）運行，重復分段工作。進入到分包分戶輸送段（53）的條煙再次壓縮規整后，進入到分包緩沖輸送段（54），等待后續的推包輸送段55的推包完成后，分包緩沖輸送段中的條煙再進入到推包輸送段（55），實現推包前的準備就緒工作。

5.封切機構連接與控制

封切機構（3）用于將裹膜后的每組異型條煙進行封切，其包括上封刀（31）、下封刀（32）和按壓機構（33），見圖2。僅上封刀作用時用于半封切（僅熱封不冷切），而上封刀和下封刀同時作用時用于全封切（熱封同時冷切），其中上封刀有兩排的熱熔絲，對應底座的兩個熔接封條，兩排熱熔絲間有通過下封刀的間隙，這個間隙可根據封包后的連包要求，進行合理調整。

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

6.電氣設計

在每個工位作業的訂單具體信息，在PLC的觸摸屏及電腦均有顯示。系統通過PLC與電子標簽分揀訂單處理系統、人機界面、運動控制系統等進行通訊，各部分相互銜接，只需要本工位完成動作，下工位空閑就自動進入下工位進行作業。主要設計如下：

①包裝訂單獲取：當高速段（計數分包）為空閑是，PLC向上位機（PC應用程序）申請訂單信息（子訂單號、數量、封切標志等），同時打開阻擋器；

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，滿足卷煙分包的計數，待高速段入口的計數器計數達到子訂單的包裝數量，PLC關閉阻擋器，完成分包動作；

③緩存輸送：當緩存段空閑時，PLC會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：當推包段空閑時，PLC會打開包裝段入口的阻擋器，將待包裝卷煙輸送到推包段；

⑤進料推包：當設備滿足推包條件時（即推包后各機構都自動復位），進行推包進料；

⑥封膜切膜：根據子訂單的封膜切膜要求，進行切膜或封膜；

⑦過渡輸送：根據封膜切膜的標志，進行不同的過渡輸送距離；

⑧出口監控：通過膜包的光電感應，將出口信息傳輸到上位機，上位機將膜包置為分揀完成，并在出口監控自動顯示明細，以供核對。

三、應用效果

該項目于2019年10月在宜春市卷煙物流中心投產使用， 測試日系統分揀日志如下：總分揀量8136條，卷煙品規數37個，訂單數1871個，累計分揀時長3小時42分，戶均條數4.3條，平均分揀效率2260條/小時，有效作業率75%【2260/(4.3×720)×100%】，差錯率0，破損率0，故障停機時間0。因此，該系統充分滿足宜春市物流中心淡季分揀需求。

預計春供旺季戶均條數超過5條時，該系統效率能達到理論上限3600條/小時（5條/包×720包/小時），按有效作業率80%計算，實際效率能達到2700條/小時。7.5小時能夠完成旺季日均20000條分揀任務（淡季日均3倍左右），18小時能完成旺季峰值（元旦后第一個工作日，稱為“開門紅”）50000條分揀任務（淡季日均6倍左右）。因此，該系統預計能滿足宜春市物流中心春供旺季分揀需求。

四、結論

本文針對異型卷煙分揀的關鍵步驟的現狀和問題進行分析，指出傳統人工疊煙模式存在的問題，結合江西省內具有代表性的宜春市異型卷煙客戶訂單數據，創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備。該案例節約2個疊煙人員，實測效率超過2200條/小時（淡季），設備的結構簡單可靠，具備良好的經濟性，在江西省乃至國內異型煙第二檔次的卷煙物流中心具有廣闊應用前景。