謝小平 郭瑞琴 湯奇榮

同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 202311

1 設(shè)計(jì)背景

當(dāng)前,跨境電商迅速發(fā)展,物流包裝是其中的重要環(huán)節(jié)。由于物流包裝標(biāo)準(zhǔn)化的水平較低,物流與包裝體系嚴(yán)重脫節(jié)。在跨境包裹的包裝過程中,包裹尺寸存在多樣性,常常出現(xiàn)包裝袋大小不匹配的問題,即小袋包大包裹、大袋包小包裹的情況,由此增加了物流包裝的成本和資源浪費(fèi)。

20世紀(jì)90年代以來,袋成型包裝設(shè)備成為包裝設(shè)備的主要發(fā)展趨勢(shì),袋成型、充填、封口等一系列技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化包裝的重要途徑。傳統(tǒng)的袋成型、填充、封口技術(shù)多為固定式,無法柔性兼容多種尺寸的包裹,并且包裝流程煩瑣復(fù)雜。為解決這一問題,柔性包裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。柔性包裝技術(shù)能夠根據(jù)包裹的實(shí)際尺寸進(jìn)行包裝,自動(dòng)調(diào)整包裝袋的大小,以適應(yīng)不同尺寸的包裹。柔性物流包裝技術(shù)的應(yīng)用可以有效解決傳統(tǒng)物流包裝中存在的各種問題,提高物流效率和資源利用率。

目前,跨境電商的出口商品主要為服裝、鞋帽、家居產(chǎn)品、數(shù)碼產(chǎn)品等,商品種類多,且數(shù)量大,裝填、封合、貼標(biāo)包裝作業(yè)采用人工方式居多,企業(yè)的包裹物流包裝瓶頸問題日益突出,長期高成本、低效率、低可靠性的人工物流包裝方式給企業(yè)的運(yùn)營帶來很大負(fù)擔(dān)。

筆者在對(duì)跨境電商物流包裝流程分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)柔性物流包裝生產(chǎn)線的特點(diǎn)優(yōu)化物流包裝工藝流程,確定包裹輪廓尺寸的測量方式。結(jié)合優(yōu)化后的包裝工藝、包裹種類及尺寸,確定物流包裝生產(chǎn)線的總體方案,重點(diǎn)對(duì)柔性物流包裝生產(chǎn)線的關(guān)鍵工序尺寸測量、自適應(yīng)封切進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)柔性封切裝置機(jī)械結(jié)構(gòu),進(jìn)而設(shè)計(jì)得到跨境電商柔性物流包裝生產(chǎn)線。在自制樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,確認(rèn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)包裹的柔性化精準(zhǔn)封切。

2 跨境電商物流包裝需求分析

2.1 跨境電商物流包裝特性

近幾年來,我國跨境電商迎來大發(fā)展機(jī)遇,出口商品種類越來越豐富,物流包裝呈現(xiàn)三方面特性。

(1) 多樣化包裹尺寸與形狀?？缇畴娚躺婕暗漠a(chǎn)品種類多樣,涵蓋數(shù)碼產(chǎn)品、服裝、鞋帽、家居產(chǎn)品等,尺寸和形狀各異,尺寸范圍大。

(2) 防護(hù)與輕量化?？缇嘲筮M(jìn)行足夠的保護(hù),并且跨境電商包裹運(yùn)輸成本與包裹的體積及質(zhì)量相關(guān),由此要求包裹質(zhì)量小、物袋貼合,以降低物流運(yùn)輸成本。

(3) 包裝速度與可靠性?？缇畴娚掏ǔＰ枰谳^短時(shí)間內(nèi)處理大量訂單,在保證快速打包和貼標(biāo)的同時(shí),還需要確保準(zhǔn)確性,避免包裝錯(cuò)誤問題。

2.2 跨境電商人工物流包裝作業(yè)流程

跨境電商物流包裝作業(yè)大多采用人工物流包裝方式,從包裹揀選至打包貼標(biāo)完成,物流包裝作業(yè)主要內(nèi)容包括:① 包裹分揀及識(shí)別;② 包裝袋選取;③ 包裹裝填;④ 包裝袋封口;⑤ 快遞標(biāo)簽打印;⑥ 快遞標(biāo)簽粘貼;⑦ 包裹及標(biāo)簽信息核對(duì);

某跨境電商當(dāng)前人工物流包裝作業(yè)流程如圖1所示,對(duì)此進(jìn)行分析。

圖1 跨境電商人工物流包裝作業(yè)流程

人工物流包裝作業(yè)流程基于小規(guī)模電商物流包裝作業(yè)而來,面對(duì)數(shù)量龐大、品類繁多的跨境電商包裹的包裝作業(yè),主要存在三方面問題。

(1) 人工物流包裝方式效率低,流程相對(duì)復(fù)雜,單個(gè)包裹人工包裝作業(yè)時(shí)間較長。

(2) 人工作業(yè)自動(dòng)化程度低,易出錯(cuò),可靠性差。

(3) 人工成本高,尤其是在購物季、促銷活動(dòng)等高峰期。若要提高產(chǎn)能,則需大量投入人力,造成企業(yè)用人成本大幅上升。

從跨境電商物流包裝特性及人工包裝作業(yè)流程可以看出,需要解決包裹尺寸與形狀多樣化、包裝輕量化等問題,這對(duì)柔性物流包裝提出了更高的要求。跨境電商包裹尺寸形狀多樣化,要求自適應(yīng)制袋裝填及封口。人工作業(yè)效率低,則要求流水線式作業(yè),提高包裝效率?？缇畴娚涛锪靼b作業(yè)難點(diǎn)問題與柔性物流包裝技術(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 跨境電商物流包裝作業(yè)難點(diǎn)與柔性物流包裝技術(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 物流包裝作業(yè)流程優(yōu)化

人工物流包裝作業(yè)痛點(diǎn)主要因素在于包裹形狀不同、尺寸不一,無法自適應(yīng)、大批量包裝。解決人工包裝作業(yè)難點(diǎn),需要解決包裹尺寸測量及物袋匹配等重點(diǎn)問題。對(duì)人工物流包裝作業(yè)流程進(jìn)行優(yōu)化,得到柔性物流包裝生產(chǎn)線,優(yōu)化方案及原則如下:

(1) 采用實(shí)時(shí)測量技術(shù),根據(jù)包裹實(shí)際尺寸匹配包裝袋;

(2) 自適應(yīng)制袋方式,減小包裹包裝體積及質(zhì)量,降低成本;

(3) 減少人工投入,采用自動(dòng)化流水線作業(yè),提高包裝效率。

具體優(yōu)化技術(shù)如下:

(1) 包裹在線測量及自適應(yīng)制袋技術(shù)代替人工判別包裹尺寸及選取包裝袋,制袋機(jī)構(gòu)根據(jù)包裹實(shí)際測量尺寸大小進(jìn)行制袋,實(shí)現(xiàn)物袋匹配;

(2) 采用自適應(yīng)熱封技術(shù),熱封裝置根據(jù)包裹實(shí)際測量尺寸進(jìn)行自適應(yīng)封口,實(shí)現(xiàn)柔性包裝;

(3) 包裹裝填與貼標(biāo)合并,在包裹裝填的過程中實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽粘貼,并行工序,節(jié)約節(jié)拍;

(4) 采用傳送帶式上下料,提高包裝效率。

優(yōu)化后的柔性物流包裝作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 柔性物流包裝作業(yè)流程

在包裹尺寸測量工序,對(duì)上料的每一個(gè)包裹的外輪廓尺寸進(jìn)行測量,測量數(shù)據(jù)供后道工序使用。為防止損傷包裹,測量方式需要采用無接觸式。在成型制袋工序,采用預(yù)折疊包裝薄膜,經(jīng)三角成型機(jī)構(gòu)折展為U形包裝袋形式。根據(jù)所測量的包裹長度尺寸,送膜機(jī)構(gòu)送出指定長度薄膜。快遞標(biāo)簽粘貼工序和包裹裝填工序并行設(shè)計(jì),制袋完成后,包裹經(jīng)過中間傳送帶進(jìn)入包裝袋,同時(shí)快遞粘貼機(jī)構(gòu)執(zhí)行標(biāo)簽打印及粘貼。

在橫向熱封工序,根據(jù)所測量的包裹長度尺寸,換算為勻速傳送帶電機(jī)運(yùn)行時(shí)間,包裹到達(dá)橫向熱封工位后,由移動(dòng)橫向封刀完成封口。縱向熱封工序采用自適應(yīng)設(shè)計(jì),根據(jù)所測量的包裹寬度尺寸進(jìn)行自適應(yīng)封口。

4 柔性物流包裝生產(chǎn)線

4.1 總體布局

根據(jù)當(dāng)前跨境電商人工物流包裝作業(yè)難點(diǎn)及柔性工藝路線要求,柔性物流包裝生產(chǎn)線工藝布局采用直線型設(shè)計(jì),各工序由輸送帶連接而成。柔性物流包裝生產(chǎn)線工藝布局如圖4所示。

圖4 柔性物流包裝生產(chǎn)線工藝布局

包裹傳送采用傳送帶形式。包裹經(jīng)過上料傳送帶后,對(duì)包裹輪廓尺寸進(jìn)行測量,然后進(jìn)入裝填工位、貼標(biāo)工位。貼標(biāo)完成,進(jìn)入橫向熱封及縱向熱封工位。熱封完成,進(jìn)入下料輸送帶,完成包裝。

柔性物流包裝生產(chǎn)線工藝布局具備四方面優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)。

(1) 工藝路線簡潔、可靠,可實(shí)現(xiàn)大批量、自動(dòng)化包裝。

(2) 可實(shí)現(xiàn)多品類、多尺寸包裹柔性物流包裝。

(3) 有效減小包裝質(zhì)量、體積。

(4) 有效減少人工投入,降低人工成本。

4.2 包裹尺寸測量

由柔性物流包裝生產(chǎn)線作業(yè)流程可知,實(shí)現(xiàn)柔性、高效、高可靠性自動(dòng)化物流包裝,需要解決物流包裝作業(yè)流程中包裹尺寸在線實(shí)時(shí)測量和自適應(yīng)熱封兩個(gè)技術(shù)問題。因此,包裹尺寸測量與熱封是實(shí)現(xiàn)柔性物流包裝生產(chǎn)線的關(guān)鍵工序。

跨境電商包裹主要涉及鞋類、數(shù)碼產(chǎn)品、玩具、手提包等,形狀、大小不同,人工方式對(duì)包裹尺寸進(jìn)行分揀,大大制約了物流包裝效率,且易出錯(cuò)。

目前,跨境電商物流包裝材料主要為聚乙烯類薄膜包裝袋,具有保護(hù)商品、核對(duì)信息、方便運(yùn)輸?shù)茸饔谩?duì)包裝袋的尺寸精度要求不高,通常包裹在包裝袋中能夠自由活動(dòng)即可。

跨境包裹進(jìn)入物流包裝作業(yè)前,包裹已有初步包裝,如薄膜、紙盒等。跨境包裹物流包裝前實(shí)物如圖5所示。

圖5 跨境包裹物流包裝前實(shí)物

根據(jù)跨境包裹特征及品類,常見包裹尺寸范圍及精度要求見表1。

表1 包裹尺寸范圍及精度要求 mm

包裹輸送方式一般為傳送帶方式,輸送帶寬450 mm,檢測速度不低于10包/min。包裹進(jìn)入裝填工位時(shí),需尺寸檢測完成。

柔性物流包裝生產(chǎn)線要求大批量、自適應(yīng)物流包裝作業(yè),對(duì)包裹尺寸測量節(jié)拍要求高。為減小對(duì)跨境商品的損傷,采用無接觸式測量方式,包裹通過測量傳感器時(shí),快速獲取包裹尺寸。

包裹尺寸測量包括長、寬、高。寬和高通過選用測量傳感器無接觸式測量獲取。長由包裹進(jìn)入與離開測量傳感器的時(shí)間差及傳送帶速度計(jì)算得出,計(jì)算式為:

L=(T1-T0)V0

(1)

式中:L為包裹長;T0為包裹開始進(jìn)入測量傳感器的時(shí)間;T1為包裹離開測量傳感器的時(shí)間;V0為上料傳送帶速度。

根據(jù)以上要求,在上料傳送線末端對(duì)包裹的高與寬同時(shí)進(jìn)行測量。測量傳感器布置方式采用回字形,布置在左右及上下兩側(cè)鋁型材上。測量傳感器布置如圖6所示。

圖6 測量傳感器布置

包裹尺寸的測量分為兩步。第1步,對(duì)包裹的寬和高進(jìn)行測量。第 2步,對(duì)包裹的長進(jìn)行測量。

根據(jù)包裹尺寸范圍及測量傳感器布置方式,測量傳感器的技術(shù)要求見表2。

表2 測量傳感器技術(shù)要求

根據(jù)技術(shù)要求,選擇紅外光測量傳感器,寬方向測量傳感器型號(hào)為ESCL2410L1RY-2,高方向測量傳感器型號(hào)為ESCL1610LIRY-2。測量傳感器光幕形式均為對(duì)射式,各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均滿足測量要求,見表3。

表3 測量傳感器技術(shù)參數(shù)

4.3 自適應(yīng)熱封裝置

熱封裝置是柔性物流包裝生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備,主要包括橫向熱封與縱向熱封。薄膜經(jīng)三角成型機(jī)構(gòu)后被折展為三面開口的U形結(jié)構(gòu),每一次橫向熱封不僅是上一包裝袋的最終封口,同時(shí)也是下一包裝袋的初始封口,因此每一包裝袋僅需橫向、縱向熱封各一次,即可完成封口。包裝袋熱封如圖7所示。

圖7 包裝袋熱封

根據(jù)包裹尺寸范圍,選擇聚乙烯材質(zhì)黑白預(yù)折疊包裝薄膜,寬為650 mm,厚為0.05 mm,封刀長度為450 mm,覆蓋包裹最大尺寸。柔性物流包裝生產(chǎn)線薄膜成型紙袋及包裝為連續(xù)不間斷模式,為實(shí)現(xiàn)不同尺寸包裹的連續(xù)柔性物流包裝,在熱封刀上加裝驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu),使其根據(jù)所測量的包裹尺寸,通過控制時(shí)間及機(jī)構(gòu)定位,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)封口。

橫向熱封裝置如圖8所示。橫向封刀的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用氣缸與多連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu),橫向封刀安裝在長連桿末端安裝板上,封合壓板與短連桿末端相連接,通過氣缸推出主動(dòng)桿或拉回主動(dòng)桿,從而控制橫向封刀在導(dǎo)桿上運(yùn)動(dòng)。

圖8 橫向熱封裝置

連桿機(jī)構(gòu)是橫向熱封裝置的關(guān)鍵部件,主要作用是傳遞運(yùn)動(dòng)至橫向封刀,實(shí)現(xiàn)熱封刀的開與合。熱封時(shí),氣缸向前推動(dòng)一定距離,擺桿帶動(dòng)長連桿和短連桿,從而帶動(dòng)滑塊相向運(yùn)動(dòng),完成封切。連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖9所示。

圖9 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

連桿機(jī)構(gòu)為三角形結(jié)構(gòu),共由四段組成。AB為主動(dòng)桿,CE為中心桿,主動(dòng)桿及中心桿繞中心軸A軸旋轉(zhuǎn)。熱封時(shí),AB桿B點(diǎn)受外力繞A軸旋轉(zhuǎn)λ1弧度,帶動(dòng)CE桿繞A軸旋轉(zhuǎn)λ1弧度,中心桿C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)CD桿D點(diǎn)在Y軸方向向上移動(dòng)至D′點(diǎn),EF桿F點(diǎn)向下移動(dòng)至F′點(diǎn),帶動(dòng)橫向封刀上下運(yùn)動(dòng),完成封口。

縱向熱封裝置位于下料傳送帶上方,主要由直線模組、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)氣缸、滑動(dòng)導(dǎo)桿、封合壓板等。組成,如圖10所示。包裝薄膜從縱向封刀口與封合壓板之間穿過,廢膜回收電機(jī)帶動(dòng)包裹向前移動(dòng)一定距離,封刀在X軸、Z軸兩個(gè)方向移動(dòng),完成封口。

縱向熱封分為三個(gè)階段:滑軌進(jìn)程、封刀壓合、滑軌和氣缸復(fù)位。包裹到達(dá)封口位置時(shí),直線模組在X軸方向運(yùn)動(dòng)至指定位置,由氣缸推動(dòng)縱向封刀在Z軸方向運(yùn)動(dòng)。

縱向自適應(yīng)封口如圖11所示?？v向封刀初始位置位于移動(dòng)滑軌O1點(diǎn),O1點(diǎn)與傳送帶左側(cè)邊緣距離為l1,寬測量傳感器測得包裹寬為l2。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)可編程序控制器處理分析,控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及運(yùn)行時(shí)間,使直線模組帶動(dòng)縱向封刀在滑軌上移動(dòng),距離為l3。根據(jù)包裹寬l2控制縱向封刀在滑軌上移動(dòng)距離l3,從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)封口。相關(guān)計(jì)算式為:

圖11 縱向自適應(yīng)封口

l3=l1-l2+Δl

(2)

式中:Δl為封口余量。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 原理樣機(jī)

柔性物流包裝生產(chǎn)線根據(jù)包裹尺寸進(jìn)行自適應(yīng)制袋、自動(dòng)裝填、自動(dòng)貼標(biāo)、自適應(yīng)封口,實(shí)現(xiàn)高速柔性物流包裝作業(yè)。

為驗(yàn)證柔性物流包裝生產(chǎn)線包裝效果,根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作原理樣機(jī),如圖12所示。

圖12 原理樣機(jī)

5.2 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證柔性物流包裝生產(chǎn)線的包裝效果,取四種不同尺寸包裹進(jìn)行尺寸測量、制袋裝填、橫向熱封及縱向熱封試驗(yàn),對(duì)包裹封口效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

包裹分為規(guī)則四方體包裹與不規(guī)則包裹,具體參數(shù)見表4。

表4 包裹參數(shù)

包裹實(shí)物如圖13所示,從左向右依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)。包裹按照不同尺寸梯度放置在上料傳送帶上。

圖13 包裹實(shí)物

5.3 試驗(yàn)參數(shù)

包裝薄膜為聚乙烯材質(zhì),厚度為0.05 mm。包裝模式為自動(dòng)模式,試驗(yàn)節(jié)拍為5 包/min。封口溫度橫向封刀為160 ℃,縱向封刀為150 ℃,封口時(shí)間為2 s。試驗(yàn)時(shí)氣壓不低于0.45 MPa。

5.4 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),包裹橫向熱封后左右兩側(cè)中一側(cè)出現(xiàn)輕微開口現(xiàn)象,開口尺寸為5～8 cm。分析原因,主要是封合壓板與橫向封刀的平行度誤差較大。調(diào)整封合壓板水平調(diào)整螺母后,平行度誤差減小,開口問題消除。

經(jīng)反復(fù)調(diào)試試驗(yàn)后,原理樣機(jī)運(yùn)行總體可靠穩(wěn)定,尺寸測量無漏檢,封刀移動(dòng)平穩(wěn),各包裹物流包裝效果較好,封口平整無粘連、無破口。試驗(yàn)物流包裝效果如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)物流包裝效果

6 結(jié)束語

筆者從減小物流包裝體積、質(zhì)量和提高物流包裝效率三個(gè)方面對(duì)跨境電商包裹柔性物流包裝技術(shù)進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了柔性物流包裝生產(chǎn)線。通過分析、優(yōu)化人工物流包裝作業(yè)流程,提出柔性物流包裝生產(chǎn)線工藝布局。在傳統(tǒng)自動(dòng)化包裝設(shè)備的基礎(chǔ)上,增加輪廓尺寸在線測量系統(tǒng),測量精度達(dá)到±5 mm。設(shè)計(jì)自適應(yīng)熱封裝置,實(shí)現(xiàn)高精度物袋匹配,最大自適應(yīng)尺寸范圍達(dá)250 mm,包裝效率提高至5包/min。選用不同尺寸包裹對(duì)柔性物流包裝生產(chǎn)線進(jìn)行功能、性能試驗(yàn),試驗(yàn)效果良好。

筆者的研究內(nèi)容可以為快遞物流包裝行業(yè)智能化包裝設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。