减少拆垛过程中烟包损坏数量

吉林烟草工业有限责任公司长春卷烟厂 马 亮中科院合肥物质研究院常州先进所 王玉东华大学 范瑞兆

减少拆垛过程中烟包损坏数量

吉林烟草工业有限责任公司长春卷烟厂 马 亮
中科院合肥物质研究院常州先进所 王玉
东华大学 范瑞兆

随着工业4.0计划的提出与实施，其三大主题项目之一的 “智能物流”，被越来越多的企业所重视。在近几年的烟草工业易地技改浪潮中，自动化立体仓库凭借其存储能力、作业效率及现代化管理等优势，被更多企业所青睐。吉林烟草工业有限责任公司长春卷烟厂于2010年9月完成易地技改搬迁工作，新厂区的物流自动化立体仓库系统成为了该厂建造“智能化工厂”的新亮点，其中成品件烟拆垛机器人作为该厂成品烟出库系统的重要部分，大大提高了整个出库过程的作业效率、降低了劳动强度及劳动成本、增大了成品件烟出库质量。

工业4.0；自动化立体仓库系统 ；拆垛机器人

1 前言

吉林烟草工业有限责任公司长春卷烟厂于2010年9月完成易地技改搬迁工作，物流自动化立体仓库系统采用ABB机器人作为拆垛机器人，即利用穿梭车、巷道式堆垛起重机、链式输送机等设备，将码垛好的烟包托盘移动至机器人拆垛站台，通过拆垛机器人将每一件烟包移动至相应输送巷道。随着设备的使用及2013年国家局逐步开展回收烟箱再利用项目，长春卷烟厂仓储处成品出库系统，在拆垛过程中经常出现烟包掉落损坏现象，平均每月损坏烟包数量达到100件以上，造成了极大的浪费。对此情况，部门领导高度重视，组织相关人员对产生这一问题的原因进行了详细分析，在此过程中，正压力风质量、吸盘设备装置及程序的设计漏洞均能导致抓取的烟包掉落、损坏，对可能造成的影响逐一进行技术攻关和改造。

2　正压力风输送系统

在机器人拆垛过程中，机器人需使用负压力风作用于烟包表面，使其克服自身重力，移动至相应输送轨道，而负压力风由输送至机械手臂的正压力风转换而来，因此，清洁并足够压力的正压力风是机器人完成拆垛的前提保证。

2.1降低压缩空气中杂质含量

虽然空压机制造压缩空气后，已经对压缩空气进行了过滤，且过滤后含水量较低，但由于长春卷烟厂地处中国东北地区，全年室外温差相差60摄氏度以上，较长的输送过程中，温差变化较大，仍有可能产生冷凝水及管道杂质，因此，选择距离出库拆垛区较近区域安装独立空压机，对压缩空气的供给是非常重要的。

压缩空气在进入机器人前，都需进行油水分离器处理，确保压缩空气中不含有其他杂质，长春卷烟厂成品出库区原配置型号为：LFR-D-MAXI (FESTO)油水分离装置，由于管道冷凝水较多，并带有部分管道杂质，极易造成油水分离器堵塞。因此，对进入机器人前压缩空气管道进行了改造（如图1所示），使用较为大型的油水分离杂质，并定期进行维护，改造后，油水分离器可定期自动排出存装置过滤的水分，并安装维修通道，在新安装的油水分离装置出现故障或需要维护时，可切换为原通道模式，确保出库系统的正常运行。

2.2足够正压力风供给

机器人拆垛用正压力风由空压机产生、供给，但由于空压机故障，正压力风压强会降低或消失，因此，在正压力风进入机器人前安装了储气罐装置（如图2所示），在安装储气罐装置后，正常处于储气状态，在正压力风压降产生波动时，确保供给机器人用风仍能处于正常状态，在正压力风消失时，仍能保证机器人完成当前拆垛动作。

对正压力风改造完成后，对设备的可靠性进行了验证，距离拆垛机器人最近的油水分离器中，没有水分和杂质的残留，安装在机械手臂的电子压力表显示，到达机械手臂的正压力风压强可以满足拆垛机器人风力供给的需要。

图1

图2

3　机械手臂吸盘

机器人负责抓取的手臂吸盘为选配装置，目前国内选配的种类和类型较多，多为进口电气元件与机械件组装而成，使用负压力风转换器、电磁阀、压强计等电气元器件，将正压力风转换为负压力风（吸风），通过手臂下方的吸盘作用于烟包放置的上方，使其克服自身重力，移动至相应输送通道。

拆垛机器人吸取烟包主要依靠机械手臂下方的吸盘作用于烟包上方，因此，吸盘的类型对作用于烟包的负压力值有着直接的关系，对硅胶、海绵两个种类的吸盘进行试验分析，由于烟箱上侧封口处使用胶带粘贴，平整度较低，海绵吸盘的可变形度较大，因此更适合于顶部吸和，负压力风损失较小，能够产生更大的压强。因此选用海绵型吸盘（如图3所示）。

图3

4　程序维护

ABB拆垛机器人工作过程中看似流畅，其实每一步都是按照编程软件按照坐标点位进行动作的，系统参数可通过连接的笔记本电脑或机器人手持PDA进行修改、查看，系统记忆初始设置的零点位置，通过X轴（机器人左右方向）、Y轴（机器人的前后方向）、Z轴（机器人的上下方向）的三维空间，判断机器人每点所处位置，根据程序预先设计好的坐标点间进行动作。因此，机器人编程系统就如同拆垛机器人的大脑，指引机器人按规定完成每一个动作，但抓取位与放置位的X、Y、Z轴的每个小的偏差，都有可能导致此次拆垛过程中的烟包掉落，所以，机器人程序的设置，直接影响到拆垛过程是否可以正常完成。由于厂内生产品牌较多，每种品牌的纸箱包装尺寸不一，或每种品牌批次不同，外尺寸也会有所变化，目前长春卷烟厂工艺执行的标准为纸箱内壁尺寸的允许范围为±5mm，因此，由于烟箱类型的不同、动作的不同及机器人速度导致的惯性过大都有可能造成拆垛过程中的烟包掉落损坏。

4.1烟包类型的分类

长春卷烟厂异地技改调试机器人调试时，码垛机器人与拆垛机器人都将烟箱类型设置为大烟箱（硬盒卷烟）和小烟箱（软包卷烟）两种尺寸，由于机器人在码垛过程中，吸附烟包侧面，而烟包侧面积远大于烟包顶端面积，也大于机器人吸盘所需要吸附的面积，并且与烟包顶端相比较为平整，因此，可以非常好的完成烟包的码垛入库任务。而拆垛过程中，由于机械手臂吸盘吸附烟包顶端，吸盘面积与烟包顶端面积基本相同，因此大烟箱不同的品牌烟包或小烟箱不同品牌烟包的尺寸变化便有可能造成机械手臂吸盘吸取位置发生偏移，当偏移量较大时，便会造成烟包的掉落。

针对这一问题，将原有烟包类型进行了重新的分类，使每一品牌的码垛烟包类型对应一个属性分类，调整每一个品牌烟包抓取位置时，不会改变其他品牌烟包抓取的位置。在烟包入库下达工单时，根据烟包品牌所定义编号（1～15），填写烟包属性，在烟包出库拆垛过程中，通过电控与机器人的通讯协议，将所需拆垛的烟包托盘属性传送至机器人程序，机器人程序再按照定义的烟包属性，调用并执行相应的拆垛程序，从而不影响其他属性烟包拆垛的位置。

目前，所设置的烟包类型属性达到了15个，而现使用的烟包类型为9个，剩余6个烟包类型（三个大烟包尺寸类型、三个小烟包尺寸类型）为预留，在需要新增品牌时，先定义新增烟包类型属性，再根据新增烟包尺寸的变化，修改相应程序的位置，从而可以较为快速、方便、准确地下达新品牌烟包的拆垛任务。

4.2动作细化

机器人手臂吸盘面积与烟包顶端面积基本相同，因此，烟包位置的变化将导致拆垛机器人同一时期所抓起的烟包位置都发生变化，这一位置的改变将直接导致手臂吸盘作用于烟包顶端的负压力风的压强值变化，产生掉落的危险。

烟包从卷包车间生产后由码垛机器人码垛为1～28件（通常情况下烟包码垛数量为28件，当执行强制入库命令或当班生产结束时，会产生1～27件数量不等的烟包托盘）数量不等的烟包托盘，后经穿梭车、链式输送机、巷道式堆垛起重机进入相应的成品自动化立体仓库中，需要完成出库任务时，再由巷道式堆垛起重机、穿梭车、链式输送机等设备移动至拆垛站台，入库后的烟包还有一定的可能需要在入库区进行抽检处理，而每一次移动都会对已码垛好的烟包托盘造成不规则的位置偏移，这一偏移，就有可能导致，在拆垛过程中，拆垛机器人吸盘吸取烟包的位置发生偏移（如图4所示）。因此对整个入、出库过程中可能造成烟包位置发生改变的节点进行分析，发现在烟包入库前链式输送机挡板，负责将没有完全静止的烟用托盘阻挡住，但阻挡烟用托盘停止时，托盘上的烟包由于受到惯性的作用，位置会发生不规则的变动，因此，调整输出给链式输送机停止的光电管的位置，使其能够到达与挡板接触后停止，但挡板产生在托盘上烟包的惯性在烟包间摩擦力的作用下，不会引起位置的偏移。

同时又根据每一种类的烟包拆垛类型对应的拆垛程序进行了详细的调整，使其可以完整的吸附烟包的表面，减少因拆垛机器人吸盘吸附烟包上端位置发生偏移而产生烟包掉落的危险。

4.3调节速度

图4

成品出库自动化系统执行烟包出库任务时，烟包离开最后一个设备的速度可视为出库的效率。在整套成品出库系统中，由各单体设备工序组成，由巷道式堆垛起重机负责取出货物，单体直行穿梭车负责将烟用托盘移动至拆垛站台，由拆垛机器人拆垛后，将烟包输送至分拣系统，再由伸缩链板机将烟包移动至车中。根据木桶原理，在整个物流过程中，速度最慢的为制约整个物流速度的关键因素，为达到物流的连贯性，尽量减少上游设备工作速度大于下游速度而造成上游工序停机等待的概率，而各环节中巷道式堆垛起重机、穿梭车、分拣系统、伸缩链板机等设备的速度基本已经达到最佳，下游设备速度均高于上游设备速度，因此，机器人的拆垛速度应位于穿梭车与分拣系统中，即高于穿梭车的速度，低于分拣系统的分拣速度，而由于机器人拆垛速度过快将导致因惯性过大而造成的烟包掉落，因此，只需将机器人拆垛速度大于穿梭车速度即可。

目前机器人的运行速度为150分钟/整托盘，整托盘为28件烟的实托盘，经测算，机器人可允许的最慢速度为163分钟/整托盘，因此，我们对机器人拆垛过程中，每个动作进行详细分析，整托盘拆垛中，第1～8件烟为平躺放置，机器人吸取烟包侧面，压强较大，第9～28件烟为竖放，吸取烟包顶部，易造成烟包掉落，经过多次调试，最终将机器人拆垛整托盘中烟包竖放的拆垛移动速度参数由原来的1000降至600，速度降低为原有的40%，即将吸取第9～28件烟后， 机器人移动烟包至相应巷道的移动速度降低40%，散盘托盘（托盘码垛烟包数量小于28件烟）拆垛速度按照拆实托盘速度程序执行，调整后机器人拆整盘烟的速度为156分钟/整托盘，不会造成上游设备等待。系统调试后，降低了拆垛过程中，由机器人在X、Y、Z轴发生变速移动时所产生的惯性力，从而确保拆垛过程中烟包不会因机器人拆垛过程中移动速度过快造成的烟包掉落。

5　结束语

通过对正压力风输送系统、机器人手臂吸盘的改造及机器人系统程序的优化、改进，从根本上杜绝了机器人在拆垛过程中发生的烟包掉落、损坏这一现象。通过6个月的观察，除烟包自身包装缺陷等烟包自身原因外，拆垛过程中没有发生因设备自身故障造成的烟包掉落、损坏现象。使得整个物流自动化出库系统运行更加稳定、畅通，减少了不必要的浪费，缩短物流出库系统故障时间，消除了拆垛机器人运行中的烟包掉落故障，增加了设备运行的可靠度，降低维修成本。

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

马亮（1985-），男，现任吉林烟草工业有限责任公司长春卷烟厂仓储处技术员，从事物流自动化系统的维修、维护等相关工作。