文 / 彭海 周范軍 雷敏 覃勤 王勁松 鐘艷妮

一、現(xiàn)狀與需求分析

隨著社會(huì)對(duì)綠色發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的不斷重視，廢舊物品的再利用成為降低成本、減少浪費(fèi)、節(jié)約資源的重要手段。中國(guó)煙草公司于 2013年開始呼吁各卷煙企業(yè)對(duì)煙箱進(jìn)行回收循環(huán)利用，各中煙和相關(guān)企業(yè)相繼進(jìn)行了探索和研究，循環(huán)煙箱在各個(gè)中煙公司得到了大量的實(shí)際使用。瓦楞紙煙箱的循環(huán)使用已推廣多年，但瓦楞紙箱存在流轉(zhuǎn)過(guò)程中表面易附著灰塵、油污，而且經(jīng)過(guò)兩三次使用后，其搖蓋的韌性、強(qiáng)度急劇下降等缺陷。目前市場(chǎng)流行循環(huán)塑料煙箱（以下簡(jiǎn)稱塑料煙箱），為瓦楞紙煙箱的替代性產(chǎn)品，它主要是以食品級(jí)共聚性聚丙烯為原料，由PP塑料中空板聯(lián)接成箱，使用次數(shù)明顯增加。相比傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱，塑料煙箱重量輕、耐腐蝕，租賃費(fèi)用比購(gòu)買紙質(zhì)煙箱低，且使用次數(shù)達(dá)到使用極限后可進(jìn)行打碎再加工，增加循環(huán)利用次數(shù)，是行業(yè)推進(jìn)降本增效、綠色發(fā)展的重要舉措。塑料煙箱的循環(huán)使用是踐行行業(yè)“十四五”綠色低碳循環(huán)發(fā)展工作要求，是堅(jiān)定不移地走好綠色發(fā)展之路的一次有效嘗試。

雖然塑料煙箱循環(huán)使用的好處顯而易見(jiàn)，但在實(shí)際推廣應(yīng)用中，卻遇到了一些技術(shù)難點(diǎn)、痛點(diǎn)，具體情況如下：

1.裝封箱硬件設(shè)備對(duì)塑料煙箱的兼容性問(wèn)題

（1）塑料煙箱上長(zhǎng)折邊劃痕多

在封箱過(guò)程中，當(dāng)塑料煙箱上長(zhǎng)折邊與導(dǎo)向桿接觸時(shí)，由于角度較大，塑料煙箱又比紙箱硬，上長(zhǎng)折邊可能會(huì)產(chǎn)生明顯的折痕，如圖1所示。

圖1 塑料煙箱上長(zhǎng)折邊折痕

（2）塑料煙箱打印條碼質(zhì)量差

由于塑料煙箱表面比較光滑，在封箱機(jī)完成封箱動(dòng)作，打印一號(hào)工程碼的過(guò)程中，極易造成條碼粘貼不牢、翹邊、飛標(biāo)等異常情況，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2.塑料煙箱信息流與實(shí)物流不匹配

塑料煙箱在裝封箱系統(tǒng)完成封箱和打碼后，通過(guò)件煙輸送線入成品高架庫(kù)。成品高架庫(kù)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中只有傳統(tǒng)的紙質(zhì)煙箱和循環(huán)紙箱的煙箱類型定義，沒(méi)有關(guān)于塑料煙箱類型的定義。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)依靠托盤的信息來(lái)管理出入庫(kù)流程。入庫(kù)時(shí)托盤帶信息入庫(kù)，出庫(kù)時(shí)依靠入庫(kù)的托盤信息來(lái)生成出庫(kù)任務(wù)。塑料煙箱作為一種新的煙箱類型，在倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中沒(méi)有定義，入庫(kù)流程中不能和傳統(tǒng)的瓦楞紙煙箱區(qū)別開，出庫(kù)時(shí)也沒(méi)有辦法精準(zhǔn)發(fā)貨，嚴(yán)重影響了后續(xù)的產(chǎn)品分類統(tǒng)計(jì)和銷售發(fā)貨的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，如圖2所示。

圖2 同品牌號(hào)的塑料煙箱與瓦楞紙煙箱無(wú)法區(qū)分

3.成品高架庫(kù)拆碼垛機(jī)器人對(duì)塑料煙箱的適應(yīng)性差

前期進(jìn)行了塑料煙箱入庫(kù)碼垛測(cè)試，機(jī)器人抓取過(guò)程中掉落頻次、概率陡增，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1和圖3。

表1 入庫(kù)區(qū)域掉煙統(tǒng)計(jì)表

圖3 入庫(kù)區(qū)域掉煙數(shù)據(jù)柱狀圖

后發(fā)現(xiàn)引起掉煙增多的源頭是成品高架庫(kù)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中沒(méi)有塑料煙箱的定義，塑料煙箱和傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱共用一套相同參數(shù)的拆碼垛系統(tǒng)。由于塑料煙箱相比于傳統(tǒng)瓦楞紙箱在尺寸規(guī)格和材質(zhì)兩個(gè)方面存在著一定的差距（見(jiàn)表2和表3所示），兩者共用一套相同參數(shù)的拆碼垛系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致在出入庫(kù)碼垛過(guò)程中煙箱掉落，引起現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備停機(jī)及后續(xù)處理，影響出入庫(kù)效率和增加二次搬裝費(fèi)用；其次，煙箱掉落，會(huì)造成煙箱碰撞設(shè)備，導(dǎo)致煙箱質(zhì)量受損和設(shè)備損壞；最后，出入庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)煙箱掉落，很有可能造成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身傷害，存在很大的安全隱患。

表2 箱體規(guī)格、結(jié)構(gòu)、楞型

表3 兩種箱體的硬度和摩擦系數(shù)對(duì)比

（1）塑料煙箱與傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱尺寸規(guī)格不完全一樣

從表2中可以看出，塑料煙箱和傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱在長(zhǎng)度和高度上分別存在著7mm和4mm的差距，若拆碼垛機(jī)器人沿用傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱的笛卡爾坐標(biāo)和運(yùn)行軌跡來(lái)抓取件煙，在出入庫(kù)拆碼垛時(shí)會(huì)因其尺寸的累加誤差造成抓取煙箱不到位或剮蹭到周邊物流設(shè)備引起掉煙，摔壞煙箱。

（2）塑料煙箱與傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱材質(zhì)不一樣

負(fù)責(zé)拆碼垛的機(jī)器人采取海綿真空吸盤產(chǎn)生負(fù)壓吸取煙箱，按照預(yù)先定義好的運(yùn)行軌跡來(lái)完成拆碼垛動(dòng)作。機(jī)器人在抓取后向上提升的過(guò)程中，不可避免的會(huì)產(chǎn)生煙箱的晃動(dòng)，由于塑料煙箱的材料相比瓦楞紙煙箱要硬，摩擦系數(shù)更小，晃動(dòng)過(guò)程中比紙質(zhì)煙箱更加容易漏氣；提升速度越快，晃動(dòng)越劇烈，煙箱也更加容易掉落。

可以看出，由于塑料煙箱和傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱在尺寸上的差異，兩者不能共用一套相同參數(shù)的拆碼垛軟件系統(tǒng)；由于塑料煙箱和傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱在煙箱材質(zhì)上的差異，必須對(duì)現(xiàn)有的機(jī)器人拆碼垛硬件進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

4.成品高架庫(kù)塑料煙箱合流輸送穩(wěn)定性差

成品高架庫(kù)輸送路徑從邏輯上可以劃分為兩塊，入庫(kù)輸送區(qū)和出庫(kù)輸送區(qū)，兩者都存在著件煙合流環(huán)節(jié)。卷接包車間輸送過(guò)來(lái)的件煙經(jīng)1、2號(hào)螺旋提升機(jī)送至成品入庫(kù)區(qū)，在件煙輸送設(shè)備（詳見(jiàn)圖4）處進(jìn)行二合一匯合至一條件煙輸送線；同樣在出庫(kù)區(qū)域也有件煙合流設(shè)備。

圖4 入庫(kù)區(qū)域合流位置示意圖

以入庫(kù)區(qū)域合流處為例，件煙合流處之前兩條輸送線分為干線與支線，支線末端使用皮帶加速煙箱，使煙箱在較短時(shí)間內(nèi)快速插入干線煙箱間的空隙。但隨著塑料煙箱的應(yīng)用推廣，件煙合流處除了面臨瓦楞紙煙箱與瓦楞紙煙箱合流外，還增加了瓦楞紙煙箱與塑料煙箱、塑料煙箱與塑料煙箱兩種組合的合流，件煙合流處輸送皮帶運(yùn)行速度較快，在合流時(shí)，塑料煙箱會(huì)與輸送皮帶產(chǎn)生較明顯的滑動(dòng)，導(dǎo)致塑料煙箱經(jīng)常無(wú)法在足夠短的時(shí)間內(nèi)完成合流，或合流后往前滑動(dòng)，從而與另一條輸送線上的煙箱產(chǎn)生碰撞、跟包的現(xiàn)象。產(chǎn)生碰撞的兩件煙會(huì)卡在輸送線上，不僅會(huì)對(duì)煙箱造成損傷，影響產(chǎn)品質(zhì)量，還會(huì)阻擋后續(xù)煙箱的正常輸送，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，影響正常生產(chǎn)。

可以看出，由于塑料煙箱的摩擦系數(shù)小，在皮帶輸送機(jī)上合流時(shí)必須對(duì)現(xiàn)有的輸送設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造或者對(duì)電控程序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

二、設(shè)計(jì)思路

針對(duì)上述存在的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，提出循環(huán)塑料煙箱在卷煙工業(yè)企業(yè)適應(yīng)性應(yīng)用解決思路：

1.針對(duì)裝封箱硬件設(shè)備對(duì)塑料煙箱的兼容性問(wèn)題，考慮在車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的改造和位置調(diào)整。使用弧形導(dǎo)向桿代替原來(lái)的上長(zhǎng)折邊導(dǎo)向桿。增加條碼壓緊裝置，解決條碼質(zhì)量問(wèn)題。

2.針對(duì)塑料煙箱信息流與實(shí)物流不匹配的問(wèn)題，考慮在輔料配送、車間生產(chǎn)，成品入庫(kù)的整個(gè)業(yè)務(wù)流程中定義一種全新的煙箱類型，使塑料煙箱在輔料配盤時(shí)就能正確地采集煙箱類型信息，并且通過(guò)配送將煙箱類型信息傳遞到裝封箱機(jī)臺(tái)，機(jī)臺(tái)將煙箱屬性和成品件煙條碼綁定，通過(guò)接口自動(dòng)傳遞到成品高架庫(kù)。倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）中成品托盤帶煙箱類型信息出入庫(kù)。

3.針對(duì)煙箱尺寸不匹配引起的出入庫(kù)拆碼垛塑料煙箱適應(yīng)性差的問(wèn)題，定義兩套不同參數(shù)的機(jī)器人拆碼垛程序分別對(duì)應(yīng)于塑料煙箱和傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱。同時(shí)在倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)和倉(cāng)庫(kù)調(diào)度系統(tǒng)（WCS）之間增加接口傳遞煙箱類型參數(shù)給機(jī)器人拆碼垛系統(tǒng)。機(jī)器人拆碼垛系統(tǒng)在出入庫(kù)流程中根據(jù)不同的煙箱類型調(diào)用不同參數(shù)的拆碼垛程序，確保拆碼垛程序與煙箱尺寸的完全匹配。

4.針對(duì)煙箱材質(zhì)不同引起的出入庫(kù)拆碼垛塑料煙箱適應(yīng)性差的問(wèn)題，考慮如下兩個(gè)思路：

（1）改造機(jī)械手夾具。在拆碼垛機(jī)器人夾具上的三個(gè)抓取工位上各增加一個(gè)由伺服系統(tǒng)控制的側(cè)吸裝置。當(dāng)頂吸裝置產(chǎn)生負(fù)壓后，伺服系統(tǒng)控制側(cè)吸裝置靠近煙箱側(cè)面并進(jìn)行吸附，提升煙箱的抓取牢固程度。

（2）改進(jìn)吸盤的真空柔性海綿墊材質(zhì)。測(cè)試不同材質(zhì)的海綿墊，選擇與煙箱表面貼合度更高，密封性更好的海綿墊，提升其吸附力。對(duì)比了時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性，選擇思路（2）進(jìn)行課題攻關(guān)。

5.件煙合流處的異常主要是由于塑料煙箱表面更光滑，其摩擦系數(shù)小于瓦楞紙煙箱?？梢杂腥缦聨讉€(gè)解決思路：

（1）考慮選用摩擦系數(shù)更大的輸送皮帶，增大塑料煙箱與輸送皮帶間的摩擦力。

（2）考慮在塑料煙箱與輸送皮帶接觸面增加摩擦系數(shù)較大的商標(biāo)貼紙，使輸送皮帶不直接與塑料煙箱接觸。

（3）考慮通過(guò)調(diào)節(jié)合流處煙箱間隔來(lái)減少塑料煙箱在合流處產(chǎn)生跟包、碰撞現(xiàn)象的頻率。

思路（1）首先需要對(duì)市面上的輸送皮帶進(jìn)行詳細(xì)地了解，選型之后還需要頻繁更換皮帶以測(cè)試改善效果，整個(gè)過(guò)程較為復(fù)雜且更換皮帶結(jié)果不可控，有較大風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)時(shí)間影響正常生產(chǎn)。

思路（2）變更了煙箱設(shè)計(jì)，需要協(xié)調(diào)多個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)施難度大，且該思路增加了煙箱使用成本，有悖于塑料煙箱的使用初衷。

思路（3）會(huì)略微降低設(shè)備的運(yùn)輸效率，但所需成本最低，且調(diào)節(jié)結(jié)果可控，綜合考慮目前繳庫(kù)流量以及塑料煙箱在合流處產(chǎn)生異常后的影響，確定使用該思路解決塑料煙箱在合流處的問(wèn)題。

三、設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)

1.裝封箱系統(tǒng)硬件的改造與調(diào)整

（1）上長(zhǎng)折邊導(dǎo)向桿調(diào)整

使用弧形導(dǎo)向桿代替原來(lái)的上長(zhǎng)折邊導(dǎo)向桿，煙箱長(zhǎng)折邊在折疊過(guò)程中受力會(huì)更均勻，避免受力過(guò)大產(chǎn)生折痕（詳見(jiàn)圖5、圖6）。

圖5 改進(jìn)前的導(dǎo)向桿

圖6 改進(jìn)后的導(dǎo)向桿

（2）增加條碼壓緊裝置

在打碼工位緊鄰的輸送工位上，加裝條碼壓緊裝置。對(duì)于每一個(gè)打印出來(lái)的條碼，通過(guò)壓緊裝置來(lái)保證其粘貼質(zhì)量，徹底解決條碼粘貼不牢、翹邊、飛標(biāo)等異常情況，如圖7、圖8所示。

圖7 條碼壓緊裝置

圖8 改進(jìn)后的條碼壓緊工位

2.信息流與實(shí)物流的全流程匹配

通過(guò)塑料煙箱在輔料配送、車間生產(chǎn)，成品出入庫(kù)的整個(gè)業(yè)務(wù)流程中屬性信息的采集和傳遞，實(shí)現(xiàn)塑料煙箱屬性信息全流程的實(shí)物流與信息流同步（詳見(jiàn)圖9）。

圖9 塑料煙箱的實(shí)物流與信息流

輔料一級(jí)庫(kù)：負(fù)責(zé)采集塑料煙箱的煙箱類型信息并與煙箱實(shí)托盤綁定，塑料煙箱出庫(kù)時(shí)將實(shí)托盤信息通過(guò)接口傳遞給輔料高架庫(kù)系統(tǒng)。

輔料高架庫(kù)：塑料煙箱實(shí)托盤帶屬性信息收貨，配盤入庫(kù)，存儲(chǔ)。出庫(kù)時(shí)將實(shí)托盤屬性信息傳遞給裝封箱系統(tǒng)。

裝封箱系統(tǒng)：接收塑料煙箱實(shí)托盤的屬性信息，在件煙裝封箱完成打印一號(hào)工程碼時(shí)，掃描條碼并且將條碼與當(dāng)前生產(chǎn)的托盤煙箱屬性綁定。綁定好的條碼和煙箱屬性通過(guò)接口傳遞給成品高架庫(kù)。

成品高架庫(kù)：接收裝封箱系統(tǒng)綁定好的條碼和煙箱屬性信息，實(shí)托盤帶煙箱屬性出入庫(kù)。

3.拆碼垛流程的升級(jí)優(yōu)化

成品高架庫(kù)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)在拆碼垛的流程中將煙箱屬性傳遞給機(jī)器人拆碼垛系統(tǒng)，運(yùn)行不同參數(shù)的拆碼垛程序。

（1）煙箱屬性定義與輸送設(shè)備獲取煙箱屬性信息

（2）輸送設(shè)備與機(jī)器人接口協(xié)議

在輸送設(shè)備與機(jī)器人接口協(xié)議中增加“煙箱屬性”的握手信號(hào)，通過(guò)實(shí)時(shí)傳遞過(guò)來(lái)的煙箱屬性信息，自動(dòng)切換機(jī)器人的拆碼垛程序。

4.機(jī)器人程序的改進(jìn)

針對(duì)塑料煙箱和傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱在尺寸上的差異，重新編寫一套單獨(dú)的拆碼垛程序，通過(guò)參數(shù)的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)在拆碼垛流程中對(duì)于不同種類煙箱的精準(zhǔn)抓取，解決塑料煙箱外形尺寸帶來(lái)的掉落問(wèn)題。

5.拆碼垛機(jī)器人硬件升級(jí)改造

圖10 WMS的通用物料維護(hù)界面

圖11 設(shè)備信息對(duì)話框

對(duì)比發(fā)現(xiàn)塑料煙箱的表面比瓦楞紙箱更光滑，材質(zhì)抗壓強(qiáng)度和變壓強(qiáng)度更高（同瓦強(qiáng)度）。那么就要求機(jī)器人吸盤的真空柔性海綿的柔性更好、顆粒度高，才能與塑料煙箱貼合度更高。市場(chǎng)上機(jī)器人吸盤的真空柔性海綿墊材質(zhì)目前采用EPDM橡膠發(fā)泡海綿，這種海綿耐高溫、柔軟、回彈性能好。我們通過(guò)改變發(fā)泡海綿的密度和顆粒度（詳見(jiàn)圖12）來(lái)測(cè)試貼合情況（詳見(jiàn)表4）。

表4 發(fā)泡海綿的密度和顆粒度

圖12 兩種發(fā)泡海綿實(shí)際應(yīng)用情況

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，貼合度的提高使得密封性更好，試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)器人吸盤負(fù)壓值也驗(yàn)證了這點(diǎn)，更換過(guò)海綿的機(jī)械手抓取塑料煙箱時(shí)掉落的情況明顯減少。

6.件煙合流輸送機(jī)電控程序的改進(jìn)

由原來(lái)固定的搶占路口時(shí)間值（只針對(duì)瓦楞紙箱）改變?yōu)樵贖MI界面上增加彈出式對(duì)話窗口，能隨時(shí)修改每個(gè)件煙合流處的搶占路口時(shí)間值（詳見(jiàn)圖13），這樣只需不斷調(diào)整參數(shù)值進(jìn)行測(cè)試，直至解決合流處碰撞、跟包現(xiàn)象（同時(shí)對(duì)輸送機(jī)輸送效率的影響最?。?，并做好記錄。依據(jù)記錄的路口時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值表就可以輕松、靈活地應(yīng)對(duì)多類型煙箱的合流。

圖13 件煙合流輸送機(jī)電控程序示意圖

四、應(yīng)用效果

1.裝封箱環(huán)節(jié)塑料煙箱產(chǎn)品質(zhì)量得到保證

通過(guò)上述裝封箱系統(tǒng)硬件設(shè)備的改造和調(diào)整，解決了困擾裝封箱環(huán)節(jié)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，塑料煙箱上的設(shè)備劃痕、條碼缺失、翹邊等異常情況得到了有效控制，系統(tǒng)誤報(bào)警的數(shù)量大大減少，保證了塑料煙箱的產(chǎn)品質(zhì)量。

2.成品高架庫(kù)塑料煙箱作業(yè)效率穩(wěn)步提升

通過(guò)打通信息流與實(shí)物流、電控程序更新、機(jī)械手配套硬件升級(jí)等相關(guān)措施的改進(jìn)和實(shí)施成品高架庫(kù)出入庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)由塑料煙箱所引起的設(shè)備故障、停機(jī)現(xiàn)象減少了90%以上。塑料煙箱在出入庫(kù)流程中的適應(yīng)性得到了加強(qiáng)，保證了出入庫(kù)效率。

3.循環(huán)煙箱的采購(gòu)成本持續(xù)優(yōu)化

相比較于傳統(tǒng)瓦楞紙箱的購(gòu)買，塑料煙箱采用租賃的方式來(lái)滿足生產(chǎn)。平均到采購(gòu)成本上，單個(gè)傳統(tǒng)瓦楞紙箱的購(gòu)買費(fèi)用比塑料煙箱的租賃費(fèi)用多0.5元。如果采用塑料煙箱替代傳統(tǒng)瓦楞紙箱，每1萬(wàn)大箱節(jié)約成本2.5萬(wàn)元。隨著塑料煙箱在卷煙工業(yè)企業(yè)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，循環(huán)煙箱的采購(gòu)成本持續(xù)優(yōu)化，為企業(yè)綠色發(fā)展，降本增效提供了一定的技術(shù)保障。