李幸平， 陳蕊妍，苑衛(wèi)東

（張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，張家口 075000）

0 引言

煙絲自動化箱式儲存系統(tǒng)是我國煙草行業(yè)近年來開始采用的煙絲儲存新系統(tǒng)，它實現(xiàn)了卷煙生產(chǎn)過程的自動化、信息化、精細化和柔性化的作業(yè)方式，是提高煙草品質(zhì)、實現(xiàn)信息化管理、滿足市場需求和提高生產(chǎn)效率的重要手段。結(jié)合實際，合理選擇工藝參數(shù)，確保系統(tǒng)各環(huán)節(jié)工作效率、生產(chǎn)能力最大化是值得設(shè)計者探討的問題。本文就系統(tǒng)中主要環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)選擇、工作效能校核進行探討。

1 煙絲自動化箱式儲存系統(tǒng)的主要工藝流程

圖1為煙絲自動化箱式儲存系統(tǒng)工藝布局圖，下面結(jié)合該圖介紹主要工藝流程。

1.1 裝箱入庫儲存

加香后的煙絲和揭蓋、拆單后的空箱經(jīng)輸送設(shè)備送到圖1所示的排箱布料區(qū)，布料車上的動態(tài)電子稱獲取煙絲重量后向煙箱布料，同時系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)表的每批預(yù)計裝箱量計算出裝箱區(qū)所需空箱量并控制布料車裝箱或停車。

裝滿煙絲的煙箱經(jīng)過稱重、掃碼記錄、疊箱、加蓋、密封由穿梭車輸送到存儲區(qū)上游，掃碼識別后送入圖1所示的存儲區(qū)。

煙絲在存儲區(qū)按照工藝要求的時間進行儲存。

圖1 煙絲自動化箱式儲存系統(tǒng)工藝布局圖

1.2 出庫喂絲

傳感器反饋圖1所示的翻箱喂料區(qū)的待料工位缺料信息；系統(tǒng)控制中心命令煙絲箱存儲系統(tǒng)中的指定巷道出煙絲箱至出庫穿梭車上，揭蓋、拆單后送抵翻箱喂料區(qū)的指定出庫站臺，進入翻箱待料工位，完成出庫過程。

在翻箱喂料區(qū)，由機器人進行翻箱喂料。

1.3 空箱返回

喂絲后形成的空箱緩存在輸送機上，當下游喂料機翻箱工位出現(xiàn)空位，通道暢通時，緩存的空箱返回到圖1所示的機器人箱壁清掃區(qū)。

1.4 空箱清掃

機器人清掃附著在箱體內(nèi)壁的殘留煙絲，然后由多種儀器進行裝箱前的清空達標判別，最后疊箱、加蓋。

1.5 空箱暫存

疊箱加蓋后的空箱進入圖1所示的空箱暫存區(qū)，用作煙絲裝箱入庫時提取空箱。

1.6 煙箱緩存

系統(tǒng)控制中心將各品牌每批次剩余煙絲箱和從翻箱喂料機退回的煙絲箱重新稱重記錄，存放在圖1所示的緩存區(qū)，以備下次卷煙時使用。

2 系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)工藝參數(shù)選擇和工作效能校核

2.1 基本數(shù)據(jù)及運行參數(shù)

2.1.1 系統(tǒng)能力

1）裝箱能力 煙絲裝箱流量8000kg/h，品牌每批次4000kg；

2）供絲能力 翻箱喂料流量4,000kg／h。

2.1.2 煙絲重量

烤煙型成品煙絲: 100kg/箱。

2.1.3 煙絲儲存時間及各區(qū)的箱位設(shè)置

1）存儲時間 工藝要求煙絲存儲時間18h；2）裝箱區(qū)共3個通道，每通道20個箱位；

3）存儲區(qū)共36道，其中1道空道，用于長假期間空箱回存庫區(qū)，其余35道作為煙絲箱存儲區(qū)。每道20個箱位，2層40箱，共可存放1400箱；

4）緩存區(qū)共25道，其中1道作為回用通道，其它每道5箱位，2層共計可存放240箱；

5）空箱暫存區(qū)共4道，每道10箱位，2層共可存放80箱。

2.1.4 穿梭車基本參數(shù)

加速度 0.5 m/s2；

最大行走速度 160 m/min；

穿梭車上的輸送機速度 14 m/min；

2.1.5 輸送機、移載機基本參數(shù)

輸送速度 15 m/min

2.2 主要環(huán)節(jié)工藝參數(shù)選擇和工作效能校核

2.2.1 煙絲裝箱區(qū)

裝箱區(qū)3個通道一組，進空箱、布料和布滿煙絲后出箱各占一個通道，通道長24m。根據(jù)2.1，每通道20箱，裝箱流量8000kg/h，可計算出每通道裝箱所需時間為：

T1＝20×100×60/8000＝15 min

煙箱移出通道時，移載機升起時間t1＝4.4s，鏈式移行時間t2＝1.2×60/15＝4.8s，鏈條機輸送時間t3＝2.2×60/15＝8.8s，移載機降落時間t4＝4.4s，每個煙箱走出通道的時間T＝t1+t2+t3+t4＝4.4×2+4.8+8.8＝22.4s，每通道移出煙箱的時間為：

T2＝20T＝448s＝ 7.47 min

排箱時間與移出煙箱時間同為T2，均小于裝箱時間T1?？梢姲?個通道布置裝箱，不會形成滿料煙箱堆積。

2.2.2 疊箱區(qū)

煙箱在輸送機上的輸送速度設(shè)為15 m/min，位于疊箱機下面的輸送機長為2m。煙箱送至和離開疊箱機所需的時間為t1＝2×60/15＝8s。

煙箱經(jīng)過抓緊、提升、疊放、松開等被重疊放置。設(shè)抓緊、疊放和松開時間均為2s；提升煙箱的速度為15 m/min，提升高度為1.4m，提升時間t＝1.4×60/15＝5.6s。煙箱在疊箱工位疊箱所需的時間為t2＝2+5.6+2+2＝11.6s。

疊箱全過程共需時間T＝t1×3/2+t2＝8×3/2+11.6＝23.6s。

每小時可以疊箱數(shù)量為：

N1＝3600/ T＝3600/23.6＝152.5垛/h＝152.5×2＝305 箱/h

由2.1.1煙箱通過的最大流量可知，每小時需要的疊箱數(shù)量為：

N2＝80 箱/h

疊箱機的負載率為：

N2/ N1＝80/305＝26.23%

可見，疊箱機能夠滿足工藝流量要求。

2.2.3 加蓋區(qū)（揭蓋區(qū)）

滿料煙箱疊放成雙層后加蓋，經(jīng)穿梭車轉(zhuǎn)向儲存區(qū)。煙箱送至和離開加蓋機的時間與上述疊箱機的相同；取蓋、將箱蓋送至煙箱上方、落蓋時間分別為2、5、5s。煙箱加蓋全過程所需的時間T＝8+2+5+5＝20s。每小時可以加蓋數(shù)量為：

N1＝3600/T＝3600/20＝180 個/h

根據(jù)2.1.1煙絲裝箱流量，煙箱疊放成雙層，上層煙箱加蓋，每小時需要加蓋數(shù)量為：

N2＝80/2＝ 40 個/h

加蓋機的負載率：

N2/N1＝40/180＝22.22%

計算可知，加蓋機（揭蓋機）工作能力滿足工藝要求。

2.2.4 穿梭車

入庫穿梭車在從接收煙箱到送達指定位置的過程中，AB間的輸送距離為最大，如圖1所示，Lmax ＝56m。

煙箱由輸送機裝到穿梭車上;穿梭車以0.5 m/s2的加速度加速到v1＝120 m/min后勻速負載輸送，又以0.5 m/s2的加速度減速,到達系統(tǒng)指定的位置后停止;然后輸送機卸下煙箱;最后穿梭車以與負載輸送相同的過程空載返回到起始點。

穿梭車加速與減速所需時間和行走距離相同，均為t1和s1，s1＝(v12-v02)/(2a)＝( 22-0)/(2×0.5)＝4m，因為s1＝s0+v0t1+at12/2，所以t1＝(2s1/a)0.5＝(2×4/0.5)0.5＝4s；穿梭車勻速負載輸送的時間t2＝(Lmax-2×s1)/ v1＝(56-2×4)/2＝24s；煙箱裝上與卸下穿梭車的時間相同，均為t3，當穿梭車寬度按1.15米計算時，t3＝1.15×60/14＝4.93s，圓整為5s；穿梭車在裝上煙箱、輸送、卸下煙箱、空載返回的全程中所需要的最長時間Tmax＝2(t3+t1+t2+t1)＝2(5+4+24+4)＝74s。

穿梭車每小時可以輸送煙箱次數(shù)為

N1＝3600/ Tmax ＝3600/74＝48.65 次/h

穿梭車每小時需要輸送煙箱次數(shù)為

N2＝80/2＝40 次/h

穿梭車在最大輸送距離的利用率：

N2/N1＝40/48.65＝82.22%

最大輸送距離時，入庫穿梭車的負載率仍小于85%，滿足工藝要求。

儲存區(qū)下游的出庫穿梭車輸送能力需要滿足供絲要求。由2.1.1知，系統(tǒng)供絲能力4000kg／h,設(shè)最大輸送距離Lmax=44.5m。與上述入庫穿梭車相比較，出庫穿梭車的出庫流量和最大距離均小于入庫穿梭車的，所以出庫穿梭車的工作效能也能滿足工藝要求。

2.2.5 清掃箱壁機械人

空箱到達清掃工位后，機器人開始移動抓取空箱；舉至清掃裝置上方；翻轉(zhuǎn)箱體180°后下落，此時，清掃裝置開啟旋轉(zhuǎn)，機器人夾持箱體進行清掃；清掃后的空箱被舉起翻轉(zhuǎn)

180°后放置在疊箱工位；機器人返回到原始位置。

根據(jù)機器人的參數(shù)，機器人移動及抓取空箱時間5s, 夾具持緊箱體時間1s,將箱體置于清掃位置時間3s, 翻轉(zhuǎn)箱體并清掃箱壁時間12s, 翻轉(zhuǎn)箱體放置在疊箱位置、疊箱時間8s, 返回到原始位置時間5s。機器人清掃周期T=5+1+3+12+8+5=34s。機器人每小時可以清掃空箱數(shù)為

N1＝3600/T＝3600/34＝105.9 箱/h

由2.1.1翻箱喂料流量可知，翻箱喂料區(qū)釋放空箱數(shù)為

N2＝40 箱/h

機器人工作負載率：

N2/ N1＝40/105.9=37.78%

可見機器人可以滿足工藝要求。

3 結(jié)束語

上述計算校驗可見，系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)選擇是合適的，工作效能能滿足工藝要求, 說明該系統(tǒng)設(shè)計方案是可行的，可以使用專業(yè)模擬仿真軟件（如automode等）對整個系統(tǒng)建模做模擬仿真分析。

[1] 基于ABB機器人的煙絲箱傾倒系統(tǒng)方案.上海 ABB工程有限公司,2007.

[2] 吳興強.自動箱式儲絲系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].煙草科技,2006,(6).