双封切免叠烟异型烟分拣包装设备的研发

文/付 凯 洪光华 李新平 袁平平

2016年5月，国家烟草专卖局在陕西西安召开异型烟自动化分拣现场会，提出异型卷烟分拣设备配置的三档原则：一档为异型卷烟年销售规模1万箱以上的商业企业，可以配置自动分拣线；二档为异型卷烟年销售规模1万箱以下、3千箱以上的商业企业，可以配置电子标签分拣线；三档为异型卷烟年销售规模在3千箱以下的商业企业，只能采用纯手工分拣方式。

出于需求急迫程度和产品盈利水平考虑，近几年业内分拣、包装设备厂家主要研发对象是针对年异型烟分拣量1万箱以上物流中心的自动分拣包装设备。异型烟箱自动开箱机构、组合式异型条烟自动分拣系统、异标合一分拣系统等各种自动分拣设备，以及机械手、翻板加机械手、推板加机械手等各种自动叠烟机构纷纷涌现，有效解决了一档卷烟物流中心的分拣难题。但是，相关厂家对二档物流中心所采用的电子标签异型烟分拣线却缺乏深入探究，解决方案止步于电子标签分拣、人工叠烟、自动裹膜等典型方案。但人工叠烟有其固有缺点，并不是二档物流中心的最佳选择。为此，宜春市卷烟物流中心作为二档单位，在现有电子标签分拣系统的基础上，自主设计新型异型烟封切包装机构，以提高分拣效率和自动化水平，成为必要选择。

表1 异型烟订单情况表

一、问题分析

异型烟年销量1万箱以下的二档卷烟物流中心，目前普遍采取人工叠烟方式进行裹膜前叠烟。主要方式为：叠烟人员将条烟推入垛格后叠层，垛格平移到推烟工位后、推入裹膜机构后封切热缩。人工叠烟机构在使用过程中，主要存在以下问题：①叠烟人员需承担分户和核对职责，出错概率大；②户均订单量小于5条时，叠烟人员多数情况下仅需叠单层卷烟，劳动力出现闲置；③部分大户订单量较大时且特异型条烟较多时，叠烟人员不仅要叠烟，还需考虑垛形是否稳固，必要时需逐条调整位置，耗时较长。

少数二档物流中心尝试引入机械手代替人工叠烟，但其实际效率受限于订单结构，与人工叠烟相比并未有明显提升，且投资较大、占地面积较大、使用成本较高、维护技术难度较大，并不适合在二档物流中心推广应用。

二、系统设计

1.订单结构

宜春市日均订单1800户左右，日均销量7500条左右，户日均销量4.2条左右，年销量约8000箱，全年占比约5.5%，在江西省内较为典型。表1为某日异型烟户订单数据。

从表1可知，宜春市异型烟订单有以下几个特点：①单条订单客户较多，占比27.67%，超过总订单数的四分之一。②5条以下订单的客户占比72.39%，接近总订单数的四分之三；③10条以下订单的客户占比90.5%；④26 条以上订单客户极少，占比仅0.04%。

图1 双封切异型烟分拣系统结构图

图2 封切机构结构图

2.设计思路

根据宜春市异型烟订单情况，采取以下设计思路：

①异型烟分拣环节采取电子标签分拣，设2个工位，分拣效率设定3000至4000条/小时；

②裹膜环节采取自动裹膜设备，效率为12包/分钟（720包/小时），以淡季户均4.2条计算，合3024条/小时，以春供旺季户均5条以上计算，效率3600条/小时；

③封切机构拆分为两个部分：热封刀和冷切刀，可以单独工作或同时工作；

④订单小于5条时，采取单层直推方式，不经叠烟直接在分拣线末端皮带上推入裹膜机，封切机构在热封时同时冷切，实现订单间裹膜包装的物理性分离；

⑤6至10条订单的卷烟，将前5条卷烟直推入裹膜机后，封切机构只进行热封不冷切，实现订单内不同裹膜包装的物理性连续，第6至10条直推进入裹膜机后，封切机构在热封时同时冷切；

⑥超过11条的订单，其推烟和封切方式与6至10条订单类似，即订单内各包只热封不冷切，最后一包结束后，进行热封冷切。

⑦双联包及多联包在下线口由下线口2名搬运工将第二包和后续包整体翻面，叠至第一包之上，形成最终条烟垛后搬运至托盘暂存；

⑧线路邻近单条订单调序，分拣后合并裹膜包装，以达到每包至少4条的效率要求。

按照上述设计思路，整个分拣系统设计效率可达到3000条/小时，单包订单占比72.39%，单包加双联包订单占比90.5%，三联包以上的多联包占比较低，搬运工对多联包整体翻面与条烟叠烟相比，劳动强度得到大幅降低，包装机构全部根据系统指令进行，无需人工按订单计数，差错率低。因此，与传统手工叠烟的异型烟分拣方式相比，该双封切免叠烟分拣包装设备具有明显的优势。

3.系统结构

双封切免叠烟分拣包装设备主要由分拣机构、裹膜机构、封切机构、热收缩机构、入料输送机构、推送机构和中间输送机构连接组成，见图1。分拣机构（1）位于系统前端，为入料输送机构（5）提供条烟入料。裹膜机构（2）位于裹膜工位，该裹膜机构用于将分拣后的每组异型条烟进行裹膜，并通过推送机构（6）推送至封切工位，由双封切机构（3）进行封切，封切后包烟进入中间输送机构（7）等待进入热收缩机构（4）。

本实施案例中，裹膜机构（2）是通过一系列的导向辊将薄膜形成在异型条烟前端，在推送机构将该组异型条烟推送至封切工位时，薄膜裹在该组异型条烟上。本实施例，5个条烟为一组。

4.入料输送机构连接与控制

入料输送机构（5）能够将分拣机构（1）与封切机构（3）连接，其中在分拣机构与裹膜机构之间的入料输送机构能够将异型条烟按照设定数量进行分组，其包括沿输送方向依次布置的差速计数低速输送段（51）、差速计数高速输送段（52）、分包分户输送段（53）和分包缓冲输送段（54），在裹膜机构与封切机构之间形成推包输送段（55）。

差速计数低速输送段（51）的慢速运动，有利让分拣机构分拣条烟，后面的条烟挤压前面的条烟，从而调整烟的姿态，同时也能控制整体流量。差速计数高速输送段（52），其将差速计数低速输送段挤压整齐的条烟，拉开必要的缝隙，同时进行计数，同一户内按5的数量进行分段，或是计数到当前户的最后一条（小于等于5条）时，差速计数低速输送段（51）停机，差速计数高速输送段（52）继续运行，并进入到分包分户输送段（53），这时差速计数低速输送段，可以再运行，差速计数高速输送段（52）运行，重复分段工作。进入到分包分户输送段（53）的条烟再次压缩规整后，进入到分包缓冲输送段（54），等待后续的推包输送段55的推包完成后，分包缓冲输送段中的条烟再进入到推包输送段（55），实现推包前的准备就绪工作。

5.封切机构连接与控制

封切机构（3）用于将裹膜后的每组异型条烟进行封切，其包括上封刀（31）、下封刀（32）和按压机构（33），见图2。仅上封刀作用时用于半封切（仅热封不冷切），而上封刀和下封刀同时作用时用于全封切（热封同时冷切），其中上封刀有两排的热熔丝，对应底座的两个熔接封条，两排热熔丝间有通过下封刀的间隙，这个间隙可根据封包后的连包要求，进行合理调整。

按压机构（33）包括竖直设置的驱动气缸（34）以及设置在驱动气缸前端的按压板，该按压板包括通过弹性件叠置的上层板（351）和下层板（352），该上层板与驱动气缸连接，所述下层板用于形成接触面。

6.电气设计

在每个工位作业的订单具体信息，在PLC的触摸屏及电脑均有显示。系统通过PLC与电子标签分拣订单处理系统、人机界面、运动控制系统等进行通讯，各部分相互衔接，只需要本工位完成动作，下工位空闲就自动进入下工位进行作业。主要设计如下：

①包装订单获取：当高速段（计数分包）为空闲是，PLC向上位机（PC应用程序）申请订单信息（子订单号、数量、封切标志等），同时打开阻挡器；

②订单分包：高速段通过低速到高速的差速分离，拉开卷烟间距，满足卷烟分包的计数，待高速段入口的计数器计数达到子订单的包装数量，PLC关闭阻挡器，完成分包动作；

③缓存输送：当缓存段空闲时，PLC会打开缓存段入口的阻挡器，将待包装卷烟输送到缓存段；

④推包输送：当推包段空闲时，PLC会打开包装段入口的阻挡器，将待包装卷烟输送到推包段；

⑤进料推包：当设备满足推包条件时（即推包后各机构都自动复位），进行推包进料；

⑥封膜切膜：根据子订单的封膜切膜要求，进行切膜或封膜；

⑦过渡输送：根据封膜切膜的标志，进行不同的过渡输送距离；

⑧出口监控：通过膜包的光电感应，将出口信息传输到上位机，上位机将膜包置为分拣完成，并在出口监控自动显示明细，以供核对。

三、应用效果

该项目于2019年10月在宜春市卷烟物流中心投产使用， 测试日系统分拣日志如下：总分拣量8136条，卷烟品规数37个，订单数1871个，累计分拣时长3小时42分，户均条数4.3条，平均分拣效率2260条/小时，有效作业率75%【2260/(4.3×720)×100%】，差错率0，破损率0，故障停机时间0。因此，该系统充分满足宜春市物流中心淡季分拣需求。

预计春供旺季户均条数超过5条时，该系统效率能达到理论上限3600条/小时（5条/包×720包/小时），按有效作业率80%计算，实际效率能达到2700条/小时。7.5小时能够完成旺季日均20000条分拣任务（淡季日均3倍左右），18小时能完成旺季峰值（元旦后第一个工作日，称为“开门红”）50000条分拣任务（淡季日均6倍左右）。因此，该系统预计能满足宜春市物流中心春供旺季分拣需求。

四、结论

本文针对异型卷烟分拣的关键步骤的现状和问题进行分析，指出传统人工叠烟模式存在的问题，结合江西省内具有代表性的宜春市异型卷烟客户订单数据，创新地提出了双封切免叠烟的解决思路，研制了适合新型异型烟分拣包装设备。该案例节约2个叠烟人员，实测效率超过2200条/小时（淡季），设备的结构简单可靠，具备良好的经济性，在江西省乃至国内异型烟第二档次的卷烟物流中心具有广阔应用前景。