異型煙分揀系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

李旭冉 徐德榮 蔡宏 王志明/文

異型煙分揀系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

李旭冉 徐德榮 蔡宏 王志明/文

本文針對(duì)商業(yè)煙草分揀領(lǐng)域中異型煙分揀的關(guān)鍵步驟，即異型煙分揀、異型煙打碼和異型煙包裝三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程的現(xiàn)狀和問(wèn)題進(jìn)行分析，指出目前模式存在的問(wèn)題，并給出解決方案；最后形成一套完整的新型的異型煙分揀系統(tǒng)，使得分揀部分煙倉(cāng)調(diào)節(jié)更加靈活，分揀設(shè)備占地更小，分揀效率更高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確打碼以及機(jī)械化包裝，這對(duì)我國(guó)煙草分揀行業(yè)異型煙分揀領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

異型煙分揀系統(tǒng)、分揀、打碼、包裝

近年來(lái)，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，個(gè)性化的消費(fèi)需求愈發(fā)凸顯，卷煙需求向多品種、小批量方向發(fā)展，配送卷煙的種類、數(shù)量和經(jīng)銷商數(shù)量都將急劇增加。煙草工業(yè)企業(yè)為了滿足市場(chǎng)需求，相繼開發(fā)出多款異型包裝卷煙。并且異型煙銷量不斷增加，異型煙的銷售品規(guī)數(shù)也在不斷增加。同時(shí)，隨著卷煙個(gè)性化的設(shè)計(jì)以及國(guó)際流通的增長(zhǎng)，對(duì)異型煙的自動(dòng)處理成為異型煙分揀領(lǐng)域的必然需求。

圖1：部分品牌異型煙

一、異型煙分揀技術(shù)的總體水平

標(biāo)準(zhǔn)條煙尺寸規(guī)格為：(270～286)×(86～90)×(44～49)mm，如果與此有異則屬于異型包裝卷煙，簡(jiǎn)稱“異型卷煙”。在卷煙生產(chǎn)過(guò)程中，存在不同長(zhǎng)度、寬度、厚度、材料、重量等特性的異型卷煙。圖1為部分不同品牌的異型卷煙，以西安煙草配送中心分揀的異型煙為例，其中長(zhǎng)度變化范圍為110mm～311mm，寬度范圍為70mm～188mm，高度變化范圍為20mm～180mm，可以看出異型煙長(zhǎng)度、寬度和高度之間的尺寸差距較為明顯。

圖2：電子標(biāo)簽分揀流程圖

國(guó)外異型煙分揀技術(shù)研究起步較國(guó)內(nèi)早，技術(shù)較成熟，可以實(shí)現(xiàn)異型煙和標(biāo)準(zhǔn)卷煙共同分揀，在線合單。在我國(guó)，國(guó)家煙草專賣局于2010年9月下發(fā)了《關(guān)于卷煙打碼銷售有關(guān)事項(xiàng)的通知》，要求從2010年11月起銷售卷煙必須打碼到條。全國(guó)各地開始對(duì)異型煙的分揀及打碼進(jìn)行研究。但據(jù)了解，2014年以前徐州市局(公司)無(wú)異型煙專用分揀設(shè)備，采用手工分揀。異型煙未分揀到戶，不打碼。這導(dǎo)致異型煙二次分揀耗時(shí)長(zhǎng)，如果不合單到戶，車組送貨時(shí)間將隨著異型煙品規(guī)數(shù)增加而大幅延長(zhǎng)，因此合單需求迫切。

另外，湖南省株洲市、湘潭市、婁底市和益陽(yáng)市異型煙分揀雖已實(shí)現(xiàn)打碼到條，但分揀方式均采用人工分揀，打碼后人工包裝，再和標(biāo)準(zhǔn)卷煙進(jìn)行人工合單，這種分揀方式分揀效率較低。

總體來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)異型煙分揀及打碼的技術(shù)成熟度并不高。研究異型煙自動(dòng)分揀系統(tǒng)具有很可觀的市場(chǎng)前景。下面從異型煙分揀、打碼和包裝三個(gè)方面對(duì)目前現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并分別提出解決方案。

二、異型煙分揀情況分析

1.異型煙分揀方面的現(xiàn)狀

目前大多數(shù)煙草配送中心采用直接手工揀選或者電子標(biāo)簽分揀系統(tǒng)完成異型卷煙的分揀任務(wù)。

手工揀選是基于零售戶訂單需求，用手工進(jìn)行揀選、配貨的一種卷煙分揀方式，也是卷煙銷售配送中心采用的最初級(jí)的揀選配貨形式。

電子標(biāo)簽分揀系統(tǒng)是在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較早且較為廣泛的卷煙分揀系統(tǒng)。一般說(shuō)來(lái)，卷煙物流配送中心的電子標(biāo)簽分揀系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽顯示貨架、控制系統(tǒng)、訂單信息處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、訂單輸送系統(tǒng)和包裝平臺(tái)等。電子標(biāo)簽分揀系統(tǒng)流程如圖2所示，工作過(guò)程為控制系統(tǒng)將訂單數(shù)據(jù)傳到電子顯示器，分揀人員根據(jù)提示完成該品種對(duì)應(yīng)數(shù)量卷煙揀選后按下“確認(rèn)”鍵即可。電子標(biāo)簽輔助揀選裝置不是半自動(dòng)分揀線，因?yàn)樗鼪](méi)有半自動(dòng)分揀功能。

此外，還有一些煙草配送中心采用人工填煙、自動(dòng)分揀、自動(dòng)打碼、人工包裝的異型煙半自動(dòng)分揀方式，如成都、沈陽(yáng)、西安等。

圖3：異型煙立式分揀機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4：煙倉(cāng)調(diào)節(jié)方式示意圖

圖5：下部出煙部分出煙方式

圖6：異型煙混合存儲(chǔ)分揀設(shè)備方案示意圖

圖7：異型煙混合存儲(chǔ)分揀設(shè)備試驗(yàn)運(yùn)行情況

2.異型煙分揀方面問(wèn)題

直接手工揀選或者電子標(biāo)簽分揀系統(tǒng)完成異型卷煙的分揀，其缺點(diǎn)在于：一是作業(yè)人員較多；二是作業(yè)人員從事簡(jiǎn)單、枯燥、繁瑣的重復(fù)性勞動(dòng)，作業(yè)中較難避免揀選條煙的數(shù)量及品牌與訂單不符，以致勞動(dòng)量加大、生產(chǎn)率降低，影響后續(xù)工作。

一些煙草配送中心采用人工填煙、自動(dòng)分揀、自動(dòng)打碼、人工包裝的異型煙半自動(dòng)分揀方式，但要想完全實(shí)現(xiàn)異型煙自動(dòng)分揀，需為每天分揀的每一種品規(guī)單獨(dú)配置一個(gè)煙倉(cāng)，即使是每天銷量非常小的卷煙，從而增加了煙倉(cāng)數(shù)量以及分揀場(chǎng)地。同時(shí)，目前異型煙半自動(dòng)分揀機(jī)煙倉(cāng)調(diào)節(jié)不便，為了更好地適應(yīng)異型煙的不同尺寸，煙倉(cāng)應(yīng)盡可能更加方便地調(diào)節(jié)。

3.異型煙分揀方面問(wèn)題的解決方案

隨著各個(gè)煙草專賣公司異型卷煙銷量的逐漸增加，銷量占比以及品規(guī)銷量的逐漸增大，給異型煙分揀工作帶來(lái)巨大壓力。異型卷煙品規(guī)眾多，尺寸規(guī)格、包裝標(biāo)準(zhǔn)各異，訂單離散，傳統(tǒng)的人工分揀勞動(dòng)強(qiáng)度大、差錯(cuò)率高、現(xiàn)場(chǎng)混亂、分揀效率無(wú)法跟上銷量的增長(zhǎng)。異型煙半自動(dòng)分揀方式，是未來(lái)異型煙分揀的主要方式。

根據(jù)前述問(wèn)題分析，半自動(dòng)分揀目前存在兩方面問(wèn)題：（1）煙倉(cāng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題；（2）需要一種異型煙混合存儲(chǔ)分揀設(shè)備，將小銷量的卷煙混合存儲(chǔ)，統(tǒng)一分揀，以減少煙倉(cāng)數(shù)量，節(jié)省分揀場(chǎng)地。

（1）煙倉(cāng)調(diào)節(jié)問(wèn)題的解決方案

對(duì)于煙倉(cāng)調(diào)節(jié)問(wèn)題，可采用如下結(jié)構(gòu)解決方案。將異型煙立式分揀機(jī)設(shè)計(jì)成三部分，即①機(jī)架，②上部煙倉(cāng)部分，③下部出煙部分，如圖3。其中上部煙倉(cāng)部分和下部出煙部分，分別獨(dú)立固定于機(jī)架上，且兩部分互不相連但中心線處于同一直線。

上部煙倉(cāng)部分的調(diào)節(jié)方式如下：采用左右旋螺桿的方式實(shí)現(xiàn)煙倉(cāng)部分的調(diào)節(jié)，即螺桿左右兩側(cè)具有不同旋向的螺紋，當(dāng)對(duì)螺桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，左右兩邊的煙倉(cāng)板會(huì)同時(shí)收縮和擴(kuò)大相同的距離，從而在保持煙倉(cāng)中心距不變的情況下簡(jiǎn)單可靠的實(shí)現(xiàn)煙倉(cāng)調(diào)節(jié)。如圖4。

圖8：卷煙靠邊輸送方案

圖9：靠邊輸送機(jī)試驗(yàn)運(yùn)行情況

圖10：組合直角坐標(biāo)機(jī)械手

下部出煙部分的出煙方式采用鏈輪帶動(dòng)打煙推頭的方式將異型煙推出至立式分揀機(jī)前端的傳輸皮帶上，如圖5。

（2）異型煙混合存儲(chǔ)分揀設(shè)備

異型煙混合存儲(chǔ)分揀設(shè)備包括一條補(bǔ)煙皮帶機(jī)和一套打煙機(jī)構(gòu)，如圖6所示。補(bǔ)煙皮帶機(jī)皮帶上粘有導(dǎo)條，相鄰導(dǎo)條之間的中心距為136mm，導(dǎo)條將皮帶分成若干個(gè)煙格。對(duì)于卷煙寬度在130mm以內(nèi)的卷煙放置于一個(gè)煙格中，卷煙寬度大于130mm的異型煙占用兩個(gè)煙格，（以西安煙草2014年異型煙分揀數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行品規(guī)銷量分析，西安煙草異型煙共76個(gè)品規(guī)，平均每天銷量不到10條的異型煙有34個(gè)品規(guī)，對(duì)此34個(gè)品規(guī)采用混合煙倉(cāng)，混合煙倉(cāng)異型煙平均日銷量為96條/天，寬度大于130mm的卷煙共5個(gè)品規(guī)，日平均銷量為4.8條，占全部混合煙倉(cāng)卷煙日平均銷量的5%，其銷量在小品規(guī)銷量異型煙中仍占少數(shù)。）補(bǔ)煙皮帶機(jī)帶面放置異型煙的條數(shù)，由補(bǔ)煙皮帶機(jī)的長(zhǎng)度決定。

如圖6所示，打煙機(jī)構(gòu)懸掛于補(bǔ)煙皮帶機(jī)上方，操作人員根據(jù)訂單信息將異型煙按照順序放置補(bǔ)煙皮帶機(jī)的煙格中，根據(jù)信息系統(tǒng)提示，打煙機(jī)構(gòu)將補(bǔ)煙皮帶機(jī)上的異型煙打出至前端主傳輸皮帶機(jī)上。

補(bǔ)煙皮帶機(jī)移動(dòng)一個(gè)格的時(shí)間不高于500ms，打煙機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)半圈（推出一條煙）的時(shí)間不高于400ms。圖7為異型煙混合存儲(chǔ)分揀設(shè)備試驗(yàn)運(yùn)行情況，試驗(yàn)表明，該設(shè)備可以適用于異型煙的混合存儲(chǔ)和分揀，并且分揀出的異型煙具有很好的煙姿。

三、異型煙打碼情況分析

1.異型煙打碼的現(xiàn)狀

通常異型煙的打碼方式有三種，即上部打碼、側(cè)面打碼和底面打碼。

岳陽(yáng)市煙草專賣局（公司）的研究人員在不對(duì)分揀設(shè)備進(jìn)行改造的情況下，采用制作異型煙模具的方法，調(diào)整與噴碼頭的合適距離，物流配送中心分揀噴碼系統(tǒng)成功為異型煙打碼。中國(guó)煙草總公司重慶市公司物流分公司，設(shè)計(jì)了一種異型包裝卷煙打碼系統(tǒng)。此系統(tǒng)將油墨噴頭和噴碼傳感器固定在護(hù)欄的側(cè)壁，將煙放置在傳送帶靠近噴頭的一側(cè)上，當(dāng)條煙從噴頭旁邊經(jīng)過(guò)時(shí)，傳感器感應(yīng)到卷煙的經(jīng)過(guò)，控制電路驅(qū)動(dòng)噴頭工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)異型煙的自動(dòng)打碼。在《特殊包裝卷煙打碼裝置》一文中，周金迎等設(shè)計(jì)了一種特殊包裝卷煙打碼裝置，用于特殊包裝卷煙的打碼，采用由下向上的打碼方式，解決特殊包裝卷煙尺寸多樣性的問(wèn)題，可以對(duì)多種規(guī)格的特殊包裝的條煙進(jìn)行穩(wěn)定打碼。

2.異型煙打碼方面問(wèn)題

由于異型卷煙的高度存在較大差異，上部打碼的方法不具備通用性，需隨時(shí)調(diào)整激光打碼頭與條煙表面間距，造成生產(chǎn)效率較低；而側(cè)面打碼亦具有局限性，如較薄條煙的打碼成功率受限；由于異型煙的長(zhǎng)度存在較大差異，底部打碼對(duì)異型煙在傳輸帶上的位置有較高的要求，當(dāng)位置控制不好容易造成較短的異型煙打碼失敗。

3.異型煙打碼方面問(wèn)題解決方案

對(duì)三種打碼方式進(jìn)行分析，底部打碼的方式更加適用于異型煙打碼，所有的異型煙在傳輸時(shí)底面均處于同一平面，不需要調(diào)節(jié)激光頭的高度來(lái)適應(yīng)不同高度的異型煙，只需控制異型煙在傳輸帶上的位置即可。

因此，解決打碼準(zhǔn)確性問(wèn)題的關(guān)鍵在于控制異型煙在傳輸皮帶上的位置，若在異型煙分揀后，傳輸過(guò)程中的某一側(cè)邊均貼著皮帶一側(cè)，那么在最小長(zhǎng)度異型煙的中心線位置，采用底部打碼的方式對(duì)異型煙進(jìn)行打碼，即可保證每條異型煙均被準(zhǔn)確打碼，從而解決打碼準(zhǔn)確性問(wèn)題。

采用底部打碼的打碼方式，解決打碼準(zhǔn)確性問(wèn)題的關(guān)鍵在于控制異型煙在傳輸皮帶上的位置，使得分揀后傳輸?shù)倪^(guò)程中異型煙的某一側(cè)邊均貼著皮帶一側(cè)。

可采用如圖8所示的方式，實(shí)現(xiàn)異型煙靠邊輸送，使得靠邊皮帶機(jī)的水平分速度和傳輸皮帶機(jī)的速度相同，控制靠邊輸送機(jī)與傳輸皮帶機(jī)之間的角度，可以使異型煙在不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，只發(fā)生平移以改變其在皮帶機(jī)上的位置。

圖9中為上述方案的試驗(yàn)運(yùn)行情況，從試驗(yàn)效果可以看出采用上述方案可以實(shí)現(xiàn)卷煙在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的水平移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中靠邊皮帶機(jī)與水平皮帶機(jī)之間的角度為14°，角度大時(shí)卷煙會(huì)發(fā)生跳動(dòng)，實(shí)際應(yīng)用中為達(dá)到更好的效果可縮小靠邊皮帶機(jī)與水平皮帶機(jī)之間的角度。

四、異型煙包裝情況分析

1.異型煙包裝的現(xiàn)狀

由于異型煙的尺寸相差較大，很難實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)包裝，目前基本在所有的煙草物流分揀中心，異型煙的包裝形式均采用手工包裝的形式，打碼后的異型煙由手工進(jìn)行碼垛，之后裝入塑料袋中。裝車前再和標(biāo)準(zhǔn)卷煙進(jìn)行合單。

2.異型煙包裝的問(wèn)題

人工包裝效率受限，往往一條分揀線需要分成多個(gè)包裝口，造成場(chǎng)地的浪費(fèi)。并且一般一個(gè)包裝口需要配置兩名包裝人員，作業(yè)人員較多。另外，作業(yè)人員從事簡(jiǎn)單、枯燥、繁瑣的重復(fù)性勞動(dòng)，難免造成卷煙數(shù)量和訂單不符的情況。

3.異型煙包裝問(wèn)題的解決方案

異型煙不易自動(dòng)包裝的原因在于異型煙尺寸相差較大，不便于異型煙的碼垛。若異型煙可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)碼垛，包裝機(jī)即可完成對(duì)異型煙的自動(dòng)包裝。所以解決異型煙包裝問(wèn)題關(guān)鍵在于解決異型煙碼垛問(wèn)題。

在異型煙分揀線末端采用機(jī)械手對(duì)異型煙進(jìn)行碼垛是解決異型煙碼垛的一種有效途徑，機(jī)械手可以從多條傳輸線上抓取卷煙，也是解決標(biāo)準(zhǔn)卷煙和異型煙在線合單問(wèn)題的一種途徑。

異型煙在傳輸皮帶機(jī)上傳輸時(shí)的煙姿不可控，而碼垛時(shí)對(duì)卷煙的姿態(tài)有嚴(yán)格的要求?？梢酝ㄟ^(guò)參考異型煙分揀方面的做法，靠邊輸送機(jī)將卷煙統(tǒng)一靠邊輸送，在傳輸末端加擋板來(lái)調(diào)整異型煙的位置和煙姿，從而方便機(jī)械手對(duì)異型煙的抓取。也可以為機(jī)械手配備視覺(jué)識(shí)別功能，視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)能夠在傳輸設(shè)備不停止運(yùn)行的情況下識(shí)別傳輸線上異型煙上表面中心點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，以及異型煙在傳輸線上的旋轉(zhuǎn)角度。視覺(jué)系統(tǒng)獲得上述信息后將其傳輸給機(jī)械手，機(jī)械手即可獲得異型煙抓取點(diǎn)的坐標(biāo)信息及旋轉(zhuǎn)角度信息。信息系統(tǒng)再將傳輸設(shè)備上異型煙的尺寸信息傳輸給機(jī)械手，機(jī)械手即可獲得卷煙碼放位置信息，從而成功實(shí)現(xiàn)對(duì)異型煙的抓取和碼放。

另外，由于異型煙存在不同的長(zhǎng)度、寬度和高度，需要為碼垛機(jī)械手配備專門的異型煙碼放算法，使得機(jī)械手可根據(jù)異型煙的尺寸計(jì)算每層異型煙的碼放條數(shù)。

根據(jù)分揀線效率需求，末端機(jī)械手可以選擇并聯(lián)機(jī)器人（蜘蛛手），串聯(lián)機(jī)械手或者直角坐標(biāo)機(jī)械手。圖10是試驗(yàn)時(shí)所使用的組合直角坐標(biāo)機(jī)械手，分揀前信息系統(tǒng)按照訂單內(nèi)條煙尺寸進(jìn)行排序，按照寬度、長(zhǎng)度、高度排序，從而控制打煙順序，以便碼垛時(shí)較寬尺寸的煙盒擺放在底部。在計(jì)算碼垛坐標(biāo)時(shí)，先計(jì)算最低層的的當(dāng)前總寬度，再加上待碼煙盒的寬度，若這個(gè)寬度在碼煙寬度范圍內(nèi)，則計(jì)算出碼煙坐標(biāo)，否則進(jìn)入上一層計(jì)算，直到計(jì)算出合適的坐標(biāo)。通過(guò)上述的靠邊輸送機(jī)將異型煙統(tǒng)一靠邊輸送，在傳輸末端加擋板來(lái)調(diào)整異型煙的位置和煙姿，進(jìn)而使用組合直角坐標(biāo)機(jī)械手對(duì)異型煙進(jìn)行抓取和碼放。圖11是試驗(yàn)組合直角坐標(biāo)機(jī)械手實(shí)際運(yùn)行情況，試驗(yàn)表明，采用上述算法可以成功將不同尺寸的異型煙進(jìn)行碼垛。

五、結(jié)束語(yǔ)

筆者認(rèn)為，從分揀、打碼和包裝三方面存在的問(wèn)題著手，對(duì)各問(wèn)題采取有效的解決方案能夠突破瓶頸、適應(yīng)發(fā)展，成為提升異型煙分揀系統(tǒng)敏捷響應(yīng)能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文中提到的異型煙混合存儲(chǔ)分揀設(shè)備，能夠適應(yīng)廣大卷煙物流分揀中心的迫切需求，且市場(chǎng)上目前沒(méi)有出現(xiàn)此類設(shè)備，異型煙混合存儲(chǔ)分揀設(shè)備的研制對(duì)我國(guó)煙草分揀行業(yè)異型煙分揀領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

作者單位為郵政科學(xué)研究規(guī)劃院

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