关于异型卷烟智能分拣的优化探索

2021-04-02丁成杰

机电产品开发与创新 2021年2期

丁成杰

（天津烟草物流中心，天津 300409）

0 引言

异型烟，是指尺寸外型区别于标准烟的其他种类条烟。条烟长度多由150～350mm 不等，宽度在70～170mm 不等，高度在20～100mm 不等。异型卷烟分拣线既是依托集成单元化的模式，将条烟依照设定目标路线实现自动传输，自行将订单条烟入仓、出仓、合流、传输、包装、装箱等具体行为的分拣线。异型烟分拣线属于烟草卷烟分拣线中的一种新种类，根据它的具体结构和控制方式特别应用于烟草商业分拣线上条烟、件烟的分拣工作。在分拣领域，烟草物流分拣越来越多地采用异型卷烟或混合型卷烟的分拣方式。总体言之，信息集成度高、运行速度快、性能好、智能化是未来烟草异型条烟分拣的必然趋势。

1 本课题主要内容

本文主要以天津烟草物流中心新建C 类异型烟分拣线为研究对象，对其进行顶层规划设计并在其工作状态下进行条烟分拣效率和分拣系统稳定性分析。具体所做工作与取得成果如下：

（1）异型卷烟分拣线单元设备分拣效率与稳定性探索，异型烟分拣线的总体结构设计，分拣设备在实际分拣运动中的最佳结构分析与应用，依靠理论分析、实际分拣中分拣数据定量比对探究合理的条烟订单结构。

（2）异型卷烟分拣线的单元件信息衔接研究分析，根据实际分拣数据设计本课题所需要的订单结构，在实际分拣活动探得到与之对应的各单元合适信息定量，以此实现对机械、控制等的规划调控。

2 总体设计要求

本文研究的异型烟分拣线主要应用于分拣车间产品的分拣工作。主要从影响效率的几个工作流程：卧式机与立式机出烟、订单合流、包装等部分入手，保证条烟分拣正确率、效率与稳定性：

塔机出烟：立式机依程序出烟到上下层皮带上，卧式机出烟到中层皮带上，到达二层下一层处实现订单合流。

订单合流：卧式机采用内外双出模式出烟，分为3、4子线，对应内外线中层。立式机分为1、2 对应内外线下层，5、6 子线对应内外线上层，从而在三摆臂处实现合流。

条烟包装：叠烟机翻版负责包装标准与类标烟、短支烟、细支烟，机器人负责包装5、6 子线打出的长异型、类标等卷烟以及电子货格所出的长异型和超异型卷烟。条烟暂存至拨杆工位，随后由推料机构推入周转箱内。

3 主线总体设计

在设备调试前期实际运行中，立式机出烟后合单时间长，原因在于1、2 子线和5、6 子线出烟后到达三摆臂合流处时间长，存在不同类型条烟在合单前等待的问题，故在设计上选择调整烟仓，将全部标准烟、部分短支烟调整到1、2 子线，减小1、2、3、4 子线条烟在皮带上汇合的时间，同时为避免电子货格手工放烟耗费订单时间问题选择将订单数量较少的长异型、类标等卷烟调整到5、6子线并且尽量控制5、6 子线的条烟所占比例。

在保证分拣状况和分拣软硬件系统设置一致前提下进行为期三月（5-7 月）的定量分析：调整卧式机3、4 子线条烟量占比由平均55%到65%再到75%，分拣平均效率提升了30%左右。

4 合单设计

考虑到小订单占用分拣皮带，增加超额分拣时间问题，在二楼下一楼三摆臂处，选择将订单进行合单，大大减少了多余的等待时间。

合单模式设计：针对含有细支烟、标准烟与类标烟、异型烟（其中异型烟因考虑立式机5、6 子线占比因素而选择放置一部分于电子货格）且数量小于20 条的订单进行合并。

C 类异型烟分拣线合单调试前尚未进行子线订单占比调整，在为期半月的定量分析中通过合单使其平均效率提升了15%左右。

5 订单结构优化探索过程

分拣线理论效率设计研究：订单内条烟出仓间隔与订单间间距为定量，在此基础上其单小时分拣效率等于单时虚拟托盘总数（主线皮带机速度/托盘长度）×单托盘条烟数×托盘利用率[1]。立式机1、2、5、6 子线和电子货格为单边出烟且需求量低于双边出烟的卧式机3、4 子线，现对卧式机主线进行效率计算。

单时虚拟托盘总数：S=3600×V/L=3600×0.95×0.36=9500 托盘/时

单时订单数：M=卧式机皮带速度×3600/单订单所占托盘长度=0.95×3600/[0.36（N+6）]

当N=1，Mmax=1357；当N=40，Mmin=207。

托盘利用率：Q=订单所占托盘数/相邻订单托盘数间隔=N/（N+6）

Q=（单时虚拟托盘总数-6×M）/单时虚拟托盘总数。即Qmax=0.870，Qmin=0.143

即求得：卧式机两侧出烟效率P=S×Q×2。 Pmax=16976，Pmin=1359。

其中：V—卧式机皮带速度，为0.95m/s；L—虚拟托盘长度，为0.36m；N—该订单实际条烟数量，范围为1-40条（由实际分拣结构数据确定，受本地卷烟品规销量影响）。 Q—托盘利用率。订单间隔为6 个虚拟托盘，其中含2 个修正托盘位置。

可得出，在当前值下，托盘利用率为0.632 时，可满足生产效率单时120000 条目标。

在该利用率下，需保证N＝10.3，即满足11 条。

立式机1、2、5、6 子线为单侧出烟，各参数均与卧式机3、4 子线相同，在实际分拣中必须令立式机5、6 子线占比较少，而物流中心该子线实际订单通常在10%以下，为的是在三摆臂合流处该子线条烟并不会造成卧式机3、4 子线和立式机1、2 子线订单的被动等待。因此影响出烟效果的因素则为立式机1、2 子线和卧式机3、4 子线比例。卧式机占比越高，平均订单条数为最大值20 时，分拣能力越好。

分析：天津烟草物流中心该线实际订单条数大多稳定在15～19 条。立式机1、2 子线占比大多稳定在20%-30%。则在立式机占比为30%时，需保证订单条数为14.7；最优订单条数时，可以接受的占比极限为42%。

以12 月14 日分拣为例，总量为70007 条，最大订单数为6259，立式机1、2 子线占比为22.3%。保证效率达标的订单条数应为13.26，大于现有的订单条数11.19。当天无故障分拣效率为1.03 万，基本等于理论效率1.04 万。

以分拣量处于稳定状态时的11 月25 日分拣为例，总量为97824 条，最大订单数为6164，立式机1、2 子线占比为28.3%。保证效率达标的订单条数应为14.36，小于现有的订单条数15.8。当天无故障分拣效率为1.31 万，基本等于理论效率1.32 万。

因此对于已经设计完成的受订单结构影响的分拣线需要根据订单主动调整立式机卷烟品规数量。

分拣线顶层规划中易造成的设计研究误区：订单条数在虚拟托盘位范围内应越大越好。但在实际工作中，各个地区销售卷烟品规数量均不相同，因此订单结构也不相同，在虚拟托盘位可容纳范围内应选择略大于稳定范围内最大的订单结构条数（虚拟托盘位范围为1-40，根据订单结构和机械结构确定的单节皮带可容纳订单条数为20 条，并非是20～40 之间，从而匹配上主线皮带长度，但平均订单条数可大于20 条）也可选择提高皮带速度，降低虚拟托盘位（范围根据卷烟尺寸而定），调整相邻订单间虚拟托盘位长度。

6 订单切户间隔设计调整

在条烟完成打码后的一段时间里，即一号工程切户延距时间，订单切户指令不会发出，此时倘若存在下一户订单到达精准识别系统条烟识别处，就会激发系统报警，相反，该时间段越长，系统等待时间就越长。因此必须调整切户间距，一号工程上户订单打码完成与接受到下户订单切户信号的两单间距离达到6 个托盘位，约为2.2米，比较影响效率，后期在精准识别处将该距离调整到1.5m，使每单节约时间0.7s 等待时间。那么在设计中应清楚在叠烟机前的主线末端，订单切户时间和间距可小于固定托盘位的订单间距。

7 电子标签应用规划

电子货格卷烟类型不局限于类标烟、长异型烟，而是充分融合超异型类卷烟，譬如烟魁1949 中支、苏烟铂晶，其置放于三摆臂合单后，对于订单中含有货格货位卷烟的订单进行最后合并。电子货格的卷烟位于订单末尾，考虑到立式机5、6 子线占比原因，电子货格作用如下：①减小立式机子线占比； ②容纳无法通过特定尺寸和结构的烟仓打出的特异型卷烟。

比例对效率的影响：电子货格合单时摆臂起落和人工续烟都会占用时间，因此除了必须放置于此的特异型卷烟，其他品规卷烟应按整体实际情况合理布置于电子货格。一般比例控制在10%以下。在立式机1、2 子线比例稳定时，最好将长异型、类标烟合理放置于立式机5、6 子线和电子货格，且尽量增大5、6 子线比例，将电子货格比例压缩至最低，只保留超异型烟即可。

8 叠烟机设计优化

叠烟机是融合机器人和翻版于一身的一种条烟包装机，其中主要结构为A、B 叠跺和侧推杆的机器人负责依数据信息将5、6 子线和电子货格的条烟推入叠跺，在伺服辅助下将条烟推入拨杆工位，而可容纳六层条烟的翻版负责包装1、2、3、4 子线的条烟并推入拨杆工位完成与机器人部分推入条烟的汇合，从而实现订单包装。

分拣能力限制性：在分拣各子线实现设计功能后，效率在三摆臂合流处达到最优，基本接近于理论效率。由于叠烟机翻板接收量和包装速度均远大于机械手部分，倘若此部分能满足叠烟机翻板最大1.8 万的包装能力同时限制机械手部分的卷烟量（通过调整部分烟的包装路径控制机械手接受量在15%以内，略超时影响相对较小）即可保证翻板快速包装而不受机械手包装的影响，保证翻板在包装完多条条烟之前实现机械手的条烟到位到叠跺上等待。削弱机械手条烟包装阻力。

短支烟在现实分拣调试中所遇问题：短支烟走机器人包装路径占用较长等待时间（天津烟草订单结构中短支烟数量少且订单数量多），因此短支烟订单量小更加剧了时间浪费。因此需改变短支烟所处子线，将短支烟烟道更换到1、2 子线和3、4 子线。