對(duì)煙絲自動(dòng)化箱式儲(chǔ)存系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)工作效能校核的探討

李幸平， 陳蕊妍，苑衛(wèi)東

（張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，張家口 075000）

0 引言

煙絲自動(dòng)化箱式儲(chǔ)存系統(tǒng)是我國(guó)煙草行業(yè)近年來(lái)開(kāi)始采用的煙絲儲(chǔ)存新系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了卷煙生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、信息化、精細(xì)化和柔性化的作業(yè)方式，是提高煙草品質(zhì)、實(shí)現(xiàn)信息化管理、滿足市場(chǎng)需求和提高生產(chǎn)效率的重要手段。結(jié)合實(shí)際，合理選擇工藝參數(shù)，確保系統(tǒng)各環(huán)節(jié)工作效率、生產(chǎn)能力最大化是值得設(shè)計(jì)者探討的問(wèn)題。本文就系統(tǒng)中主要環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)選擇、工作效能校核進(jìn)行探討。

1 煙絲自動(dòng)化箱式儲(chǔ)存系統(tǒng)的主要工藝流程

圖1為煙絲自動(dòng)化箱式儲(chǔ)存系統(tǒng)工藝布局圖，下面結(jié)合該圖介紹主要工藝流程。

1.1 裝箱入庫(kù)儲(chǔ)存

加香后的煙絲和揭蓋、拆單后的空箱經(jīng)輸送設(shè)備送到圖1所示的排箱布料區(qū)，布料車(chē)上的動(dòng)態(tài)電子稱(chēng)獲取煙絲重量后向煙箱布料，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)表的每批預(yù)計(jì)裝箱量計(jì)算出裝箱區(qū)所需空箱量并控制布料車(chē)裝箱或停車(chē)。

裝滿煙絲的煙箱經(jīng)過(guò)稱(chēng)重、掃碼記錄、疊箱、加蓋、密封由穿梭車(chē)輸送到存儲(chǔ)區(qū)上游，掃碼識(shí)別后送入圖1所示的存儲(chǔ)區(qū)。

煙絲在存儲(chǔ)區(qū)按照工藝要求的時(shí)間進(jìn)行儲(chǔ)存。

圖1 煙絲自動(dòng)化箱式儲(chǔ)存系統(tǒng)工藝布局圖

1.2 出庫(kù)喂絲

傳感器反饋圖1所示的翻箱喂料區(qū)的待料工位缺料信息；系統(tǒng)控制中心命令煙絲箱存儲(chǔ)系統(tǒng)中的指定巷道出煙絲箱至出庫(kù)穿梭車(chē)上，揭蓋、拆單后送抵翻箱喂料區(qū)的指定出庫(kù)站臺(tái)，進(jìn)入翻箱待料工位，完成出庫(kù)過(guò)程。

在翻箱喂料區(qū)，由機(jī)器人進(jìn)行翻箱喂料。

1.3 空箱返回

喂絲后形成的空箱緩存在輸送機(jī)上，當(dāng)下游喂料機(jī)翻箱工位出現(xiàn)空位，通道暢通時(shí)，緩存的空箱返回到圖1所示的機(jī)器人箱壁清掃區(qū)。

1.4 空箱清掃

機(jī)器人清掃附著在箱體內(nèi)壁的殘留煙絲，然后由多種儀器進(jìn)行裝箱前的清空達(dá)標(biāo)判別，最后疊箱、加蓋。

1.5 空箱暫存

疊箱加蓋后的空箱進(jìn)入圖1所示的空箱暫存區(qū)，用作煙絲裝箱入庫(kù)時(shí)提取空箱。

1.6 煙箱緩存

系統(tǒng)控制中心將各品牌每批次剩余煙絲箱和從翻箱喂料機(jī)退回的煙絲箱重新稱(chēng)重記錄，存放在圖1所示的緩存區(qū)，以備下次卷煙時(shí)使用。

2 系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)工藝參數(shù)選擇和工作效能校核

2.1 基本數(shù)據(jù)及運(yùn)行參數(shù)

2.1.1 系統(tǒng)能力

1）裝箱能力 煙絲裝箱流量8000kg/h，品牌每批次4000kg；

2）供絲能力 翻箱喂料流量4,000kg／h。

2.1.2 煙絲重量

烤煙型成品煙絲: 100kg/箱。

2.1.3 煙絲儲(chǔ)存時(shí)間及各區(qū)的箱位設(shè)置

1）存儲(chǔ)時(shí)間 工藝要求煙絲存儲(chǔ)時(shí)間18h；2）裝箱區(qū)共3個(gè)通道，每通道20個(gè)箱位；

3）存儲(chǔ)區(qū)共36道，其中1道空道，用于長(zhǎng)假期間空箱回存庫(kù)區(qū)，其余35道作為煙絲箱存儲(chǔ)區(qū)。每道20個(gè)箱位，2層40箱，共可存放1400箱；

4）緩存區(qū)共25道，其中1道作為回用通道，其它每道5箱位，2層共計(jì)可存放240箱；

5）空箱暫存區(qū)共4道，每道10箱位，2層共可存放80箱。

2.1.4 穿梭車(chē)基本參數(shù)

加速度 0.5 m/s2；

最大行走速度 160 m/min；

穿梭車(chē)上的輸送機(jī)速度 14 m/min；

2.1.5 輸送機(jī)、移載機(jī)基本參數(shù)

輸送速度 15 m/min

2.2 主要環(huán)節(jié)工藝參數(shù)選擇和工作效能校核

2.2.1 煙絲裝箱區(qū)

裝箱區(qū)3個(gè)通道一組，進(jìn)空箱、布料和布滿煙絲后出箱各占一個(gè)通道，通道長(zhǎng)24m。根據(jù)2.1，每通道20箱，裝箱流量8000kg/h，可計(jì)算出每通道裝箱所需時(shí)間為：

T1＝20×100×60/8000＝15 min

煙箱移出通道時(shí)，移載機(jī)升起時(shí)間t1＝4.4s，鏈?zhǔn)揭菩袝r(shí)間t2＝1.2×60/15＝4.8s，鏈條機(jī)輸送時(shí)間t3＝2.2×60/15＝8.8s，移載機(jī)降落時(shí)間t4＝4.4s，每個(gè)煙箱走出通道的時(shí)間T＝t1+t2+t3+t4＝4.4×2+4.8+8.8＝22.4s，每通道移出煙箱的時(shí)間為：

T2＝20T＝448s＝ 7.47 min

排箱時(shí)間與移出煙箱時(shí)間同為T(mén)2，均小于裝箱時(shí)間T1?？梢?jiàn)按3個(gè)通道布置裝箱，不會(huì)形成滿料煙箱堆積。

2.2.2 疊箱區(qū)

煙箱在輸送機(jī)上的輸送速度設(shè)為15 m/min，位于疊箱機(jī)下面的輸送機(jī)長(zhǎng)為2m。煙箱送至和離開(kāi)疊箱機(jī)所需的時(shí)間為t1＝2×60/15＝8s。

煙箱經(jīng)過(guò)抓緊、提升、疊放、松開(kāi)等被重疊放置。設(shè)抓緊、疊放和松開(kāi)時(shí)間均為2s；提升煙箱的速度為15 m/min，提升高度為1.4m，提升時(shí)間t＝1.4×60/15＝5.6s。煙箱在疊箱工位疊箱所需的時(shí)間為t2＝2+5.6+2+2＝11.6s。

疊箱全過(guò)程共需時(shí)間T＝t1×3/2+t2＝8×3/2+11.6＝23.6s。

每小時(shí)可以疊箱數(shù)量為：

N1＝3600/ T＝3600/23.6＝152.5垛/h＝152.5×2＝305 箱/h

由2.1.1煙箱通過(guò)的最大流量可知，每小時(shí)需要的疊箱數(shù)量為：

N2＝80 箱/h

疊箱機(jī)的負(fù)載率為：

N2/ N1＝80/305＝26.23%

可見(jiàn)，疊箱機(jī)能夠滿足工藝流量要求。

2.2.3 加蓋區(qū)（揭蓋區(qū)）

滿料煙箱疊放成雙層后加蓋，經(jīng)穿梭車(chē)轉(zhuǎn)向儲(chǔ)存區(qū)。煙箱送至和離開(kāi)加蓋機(jī)的時(shí)間與上述疊箱機(jī)的相同；取蓋、將箱蓋送至煙箱上方、落蓋時(shí)間分別為2、5、5s。煙箱加蓋全過(guò)程所需的時(shí)間T＝8+2+5+5＝20s。每小時(shí)可以加蓋數(shù)量為：

N1＝3600/T＝3600/20＝180 個(gè)/h

根據(jù)2.1.1煙絲裝箱流量，煙箱疊放成雙層，上層煙箱加蓋，每小時(shí)需要加蓋數(shù)量為：

N2＝80/2＝ 40 個(gè)/h

加蓋機(jī)的負(fù)載率：

N2/N1＝40/180＝22.22%

計(jì)算可知，加蓋機(jī)（揭蓋機(jī)）工作能力滿足工藝要求。

2.2.4 穿梭車(chē)

入庫(kù)穿梭車(chē)在從接收煙箱到送達(dá)指定位置的過(guò)程中，AB間的輸送距離為最大，如圖1所示，Lmax ＝56m。

煙箱由輸送機(jī)裝到穿梭車(chē)上;穿梭車(chē)以0.5 m/s2的加速度加速到v1＝120 m/min后勻速負(fù)載輸送，又以0.5 m/s2的加速度減速,到達(dá)系統(tǒng)指定的位置后停止;然后輸送機(jī)卸下煙箱;最后穿梭車(chē)以與負(fù)載輸送相同的過(guò)程空載返回到起始點(diǎn)。

穿梭車(chē)加速與減速所需時(shí)間和行走距離相同，均為t1和s1，s1＝(v12-v02)/(2a)＝( 22-0)/(2×0.5)＝4m，因?yàn)閟1＝s0+v0t1+at12/2，所以t1＝(2s1/a)0.5＝(2×4/0.5)0.5＝4s；穿梭車(chē)勻速負(fù)載輸送的時(shí)間t2＝(Lmax-2×s1)/ v1＝(56-2×4)/2＝24s；煙箱裝上與卸下穿梭車(chē)的時(shí)間相同，均為t3，當(dāng)穿梭車(chē)寬度按1.15米計(jì)算時(shí)，t3＝1.15×60/14＝4.93s，圓整為5s；穿梭車(chē)在裝上煙箱、輸送、卸下煙箱、空載返回的全程中所需要的最長(zhǎng)時(shí)間Tmax＝2(t3+t1+t2+t1)＝2(5+4+24+4)＝74s。

穿梭車(chē)每小時(shí)可以輸送煙箱次數(shù)為

N1＝3600/ Tmax ＝3600/74＝48.65 次/h

穿梭車(chē)每小時(shí)需要輸送煙箱次數(shù)為

N2＝80/2＝40 次/h

穿梭車(chē)在最大輸送距離的利用率：

N2/N1＝40/48.65＝82.22%

最大輸送距離時(shí)，入庫(kù)穿梭車(chē)的負(fù)載率仍小于85%，滿足工藝要求。

儲(chǔ)存區(qū)下游的出庫(kù)穿梭車(chē)輸送能力需要滿足供絲要求。由2.1.1知，系統(tǒng)供絲能力4000kg／h,設(shè)最大輸送距離Lmax=44.5m。與上述入庫(kù)穿梭車(chē)相比較，出庫(kù)穿梭車(chē)的出庫(kù)流量和最大距離均小于入庫(kù)穿梭車(chē)的，所以出庫(kù)穿梭車(chē)的工作效能也能滿足工藝要求。

2.2.5 清掃箱壁機(jī)械人

空箱到達(dá)清掃工位后，機(jī)器人開(kāi)始移動(dòng)抓取空箱；舉至清掃裝置上方；翻轉(zhuǎn)箱體180°后下落，此時(shí)，清掃裝置開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人夾持箱體進(jìn)行清掃；清掃后的空箱被舉起翻轉(zhuǎn)

180°后放置在疊箱工位；機(jī)器人返回到原始位置。

根據(jù)機(jī)器人的參數(shù)，機(jī)器人移動(dòng)及抓取空箱時(shí)間5s, 夾具持緊箱體時(shí)間1s,將箱體置于清掃位置時(shí)間3s, 翻轉(zhuǎn)箱體并清掃箱壁時(shí)間12s, 翻轉(zhuǎn)箱體放置在疊箱位置、疊箱時(shí)間8s, 返回到原始位置時(shí)間5s。機(jī)器人清掃周期T=5+1+3+12+8+5=34s。機(jī)器人每小時(shí)可以清掃空箱數(shù)為

N1＝3600/T＝3600/34＝105.9 箱/h

由2.1.1翻箱喂料流量可知，翻箱喂料區(qū)釋放空箱數(shù)為

N2＝40 箱/h

機(jī)器人工作負(fù)載率：

N2/ N1＝40/105.9=37.78%

可見(jiàn)機(jī)器人可以滿足工藝要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

上述計(jì)算校驗(yàn)可見(jiàn)，系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)選擇是合適的，工作效能能滿足工藝要求, 說(shuō)明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是可行的，可以使用專(zhuān)業(yè)模擬仿真軟件（如automode等）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建模做模擬仿真分析。

[1] 基于ABB機(jī)器人的煙絲箱傾倒系統(tǒng)方案.上海 ABB工程有限公司,2007.

[2] 吳興強(qiáng).自動(dòng)箱式儲(chǔ)絲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煙草科技,2006,(6).