張 翼，夏 凱，馮仁宇，王佳偉，傅俊杰，孔振明

（1.上海煙草集團有限責(zé)任公司，上海 200000；2.上海卷煙廠，上海 200000）

0 引 言

近些年，隨著卷煙消費需求的增長和卷煙行業(yè)供給側(cè)改革的深入推進(jìn)，以中、短、細(xì)、爆為特點的異型規(guī)格卷煙（簡稱“異型煙”），從最初的幾十種發(fā)展到了200多種，異型煙銷量呈快速增長的趨勢，異型煙市場已成為卷煙企業(yè)的必爭之地[1]。由于異型煙箱裝的包裝形式、尺寸規(guī)格與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的卷煙（簡稱“標(biāo)準(zhǔn)煙”）存在較大的差異，不少卷煙廠根據(jù)不同的件煙類型使用特定的輸送緩存線并采取對應(yīng)抓取機器人的方式實現(xiàn)兩者的共線自動入庫。因此，如何在真正意義上實現(xiàn)異型煙與標(biāo)準(zhǔn)煙的共線自動入庫、柔性化生產(chǎn)成為了卷煙企業(yè)所面臨的共同課題。

1 背景需求

上海卷煙廠浦東科技創(chuàng)新園區(qū)成品件煙庫入庫系統(tǒng)是按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的件煙尺寸要求設(shè)計建造的。隨著生活質(zhì)量的日益提高，人們對卷煙產(chǎn)品吸味、外包裝等的需求越來越多樣化、個性化。卷煙生產(chǎn)也越來越向多品種、小批量、短周期的方向發(fā)展[2]。工廠以市場需求為導(dǎo)向，為滿足異型煙自動入庫的生產(chǎn)需求，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了就地技改，通過輸送線改造、加裝額外檢測設(shè)備對碼垛機械手進(jìn)行了優(yōu)化，使多種不同品規(guī)件煙能通過輸送主線進(jìn)入相對應(yīng)的緩存道，被機器人抓取碼垛入庫。

2 系統(tǒng)改造及技術(shù)方案

煙草標(biāo)準(zhǔn)煙成品生產(chǎn)物流入庫的基本流程如下：首先卷接包生產(chǎn)線將條煙生產(chǎn)后，經(jīng)輸送線輸送至裝封箱線合成件煙后，再將件煙輸送至分合流及機器人碼垛系統(tǒng)進(jìn)行碼垛，碼垛完成后輸送至入庫站臺，最后由系統(tǒng)調(diào)度堆垛機，從入庫站臺叉取件煙托盤，再將件煙托盤運送至高架庫貨位進(jìn)行存放[3]。

上海卷煙廠浦東園區(qū)技改項目中工藝物流的部分主線已基本完成，物流成品庫可滿足標(biāo)準(zhǔn)軟硬件煙的全自動入庫需求。其中件煙自裝封箱機出口后經(jīng)件煙輸送線、分流機構(gòu)、螺旋提升機、條碼掃描自動分道、機械手碼垛、套膜機套膜等流程后入成品高架庫，整套設(shè)備流程完備。

異型煙由于外觀尺寸、煙箱上條碼的位置方向和碼垛形式不同，在標(biāo)準(zhǔn)煙共線物流入庫的過程中會產(chǎn)生輸送線不匹配、條碼無法識讀、碼垛機器人無法處理等問題，而本系統(tǒng)改造的目的即為解決這些技術(shù)難點。

2.1 件煙輸送線改造

從異型煙件煙裝封箱機出口開始，件煙輸送系統(tǒng)就面臨多規(guī)格件煙輸送方向、輸送尺寸、合流匯流與標(biāo)準(zhǔn)煙同時輸送的問題，為此主要進(jìn)行了三個方面的設(shè)計及改造。見圖1、圖2、圖3。

圖1 件煙箱轉(zhuǎn)向裝置

圖2 異型、標(biāo)準(zhǔn)煙共線輸送

圖3 適應(yīng)各尺寸的分合流轉(zhuǎn)向設(shè)備

在裝封箱機出口將原件煙輸送線改造為帶旋轉(zhuǎn)裝置的輸送線，對若干種類異型煙進(jìn)行轉(zhuǎn)向處理，使其輸送方向與標(biāo)準(zhǔn)煙保持一致，便于后續(xù)分揀和碼垛；對原有輸送線進(jìn)行拓寬改造，增加輸送線的寬度與轉(zhuǎn)向半徑，使其可通過最大寬度的異型件煙，同時對緩存、積放功能進(jìn)行擴充和優(yōu)化；改造了大量的靠邊、圍擋和輸送線分合流設(shè)備，在輸送過程中對件煙姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使全尺寸件煙在輸送過程中均能基本保持一致靠邊行進(jìn)。

2.2 條碼識讀器改造

因異型煙的煙箱尺寸變化較大，尤其是煙箱厚度與標(biāo)準(zhǔn)煙箱的差別較大，且部分異型煙箱上的條碼方向與標(biāo)準(zhǔn)煙箱相差90°。根據(jù)異型煙箱特點，一種方案是采用組合式條碼識別器。其中，固定式條碼識別器與煙箱前進(jìn)方向呈90°放置，用于識別標(biāo)準(zhǔn)煙箱，以及條碼方向與標(biāo)準(zhǔn)煙箱相同的異型煙箱；另一臺條碼識別器的安裝位置與煙箱前進(jìn)方向一致，用于識別條碼位置不確定、條碼方向與標(biāo)準(zhǔn)煙箱相差90°，且高度不固定的異型煙箱[4]。但在此改造方案實際測試過程中，由于件煙運動速度較快，垂直方向線掃傳感器對運動件煙的條碼識別率較低，漏掃情況非常普遍，結(jié)果如表1所示。另一種改造實施方案是通過選用基于圖像的讀碼器面掃替代原有線掃，以實現(xiàn)所有條碼的識讀功能，該設(shè)備識讀性能上除能正確識別基于CODE128格式的1號工程碼，同樣具備主流二維碼QR的識讀功能，可為今后卷煙二維碼的應(yīng)用，保留技術(shù)儲備與改造的可能，如圖4、圖5所示。

表1 條碼掃描識別測試表

圖4 圖像面掃的掃描區(qū)域示意圖

圖5 圖像面掃的讀碼器方案及原理

改造完畢后實際測試條碼識別率為100%。

2.3 分揀緩存物料檢測光柵改造

成品件煙庫抓取站臺位通過電控連鎖信號判定滿足抓取條件時，機器人進(jìn)行抓取碼垛最終形成滿托，待后續(xù)工藝流程進(jìn)行轉(zhuǎn)運處理。其中安裝于抓取站臺位的光電管作為信號觸發(fā)器件需根據(jù)件煙尺寸、抓取數(shù)量進(jìn)行調(diào)整和安裝，以軟中華為例，單次最大抓取數(shù)量為3個件煙，為滿足正常流程單牌號傳感器的安裝數(shù)量，需等同于單次最大抓取數(shù)量，如圖6所示。

圖6 原件煙檢測傳感器方案

在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場偶發(fā)件煙輸在送至抓取站臺的過程中，因外圍因素如封箱帶粘連設(shè)備所造成的件煙偏轉(zhuǎn)情況，致使該件煙的站位會影響后一抓件煙的擺放，更有甚者會使整托件煙翻落，為避免上述質(zhì)量隱患，另需一傳感器加以判定件煙姿態(tài)。

鑒于異型煙規(guī)格尺寸偏差較大，單設(shè)4個傳感器不適用不同牌號件煙占位檢測及偏轉(zhuǎn)檢測的需求，要實現(xiàn)單緩存通道對7種品規(guī)件煙的檢測，合計需要29組傳感器，顯而易見上述方案不適用現(xiàn)場實際情況，如表2所示。

表2 異型煙尺寸與抓取方式表

因此改造方案選用光柵作為聯(lián)接現(xiàn)實與設(shè)備的重要媒介，單套設(shè)備既能實現(xiàn)件煙的柔性占位檢測功能及件煙的姿態(tài)檢測功能。當(dāng)上位系統(tǒng)下發(fā)工單時，電控系統(tǒng)即可明確來料件煙垛型并自動切換光柵檢測點位，實現(xiàn)7類件煙的占位檢測及異常檢測功能。

在件煙占位檢測功能上，光柵將取代原有傳感器識別件煙的功能，用以檢測需求量的煙包被輸送設(shè)備正常輸送至機器人抓取站臺，當(dāng)系統(tǒng)需求數(shù)量等同于件煙檢測數(shù)量時，程序觸發(fā)，連鎖信號機器人對件煙牌號進(jìn)行抓取。

在件煙偏轉(zhuǎn)檢測功能上，當(dāng)煙包偏轉(zhuǎn)倒煙時，會暫停機器人的抓取動作，及時通過軟件IFIX、BCI及聲光報警對現(xiàn)場操作人員進(jìn)行提示。待故障處置完成后便可直接對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行復(fù)位，機器人即可延續(xù)之前任務(wù)，無多余操作的工序。

該檢測功能具備二次拓展功能，如若存在新增尺寸規(guī)格件煙，僅需在程序中新定義煙包尺寸即可，無需調(diào)整硬件大幅縮短調(diào)試周期。

2.4 機器人碼垛改造

碼垛機器人需按照工廠件煙碼垛要求，通過現(xiàn)有吸盤夾具能抓取各品規(guī)件煙并進(jìn)行碼垛，在碼垛過程中需確保件煙垛盤間隙合理。整個改造需涉及機器人邏輯編程控制類型的增加與件煙真空吸盤的改造優(yōu)化。

機器人碼垛方案分解：參照工廠紙箱的規(guī)格和件煙的碼垛形式，可將所有入庫的品規(guī)件煙碼垛形式分為3大類，分別為（A）3-2-3-2、（B）2-2-2-1、（C）2-2-1-1進(jìn)行抓取，如表3所示。

表3 件煙碼垛形式表（改造前）

全開式中華碼垛形式的二次優(yōu)化：全開式中華按照工廠紙箱規(guī)格和件煙碼垛形式進(jìn)行堆垛，其整托盤件煙如圖7所示有明顯間隙。在托盤轉(zhuǎn)運至套膜機過程中存在件煙翻落情況。針對上述情況通過調(diào)整機器人碼垛垛型以保障垛型轉(zhuǎn)運過程中的穩(wěn)定性。

圖7 全開式件煙垛型圖（改造前）

新垛型以12個件煙為一層，三層碼放，單托盤合計36個件煙。較原有碼垛方式除了能杜絕因件煙間隙過大所造成的件煙翻落情況外，還提升了單托盤件煙的轉(zhuǎn)運數(shù)量，如圖8所示。

圖8 全開式件煙垛型圖（改造后）

上述件煙碼垛形式將原有機器人碼垛方式由3類拓展至4類，以滿足不同品規(guī)件煙的碼垛要求，如表4所示。

3 仿真測試結(jié)果

3.1 方案總體設(shè)想

因異型煙的外觀尺寸及碼垛方式與常規(guī)煙存在較大的差異，現(xiàn)有機器人夾具在對部分異型煙進(jìn)行碼垛時，無法同時承載3個件煙，為此設(shè)定單次抓取至多為2個件煙，導(dǎo)致機器人的碼垛流量下降。本文以數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，基于現(xiàn)有運行邏輯，通過仿真模擬以準(zhǔn)確掌握異型煙對流量的影響，最終通過調(diào)整抓取模式來彌補來料對設(shè)備效率的影響，并通過仿真方式加以分析論證。

3.2 技術(shù)路線

浦東科技園區(qū)成品件煙庫作為一個典型的離散量系統(tǒng)，設(shè)備的整體運轉(zhuǎn)存在明顯的先后順序。系統(tǒng)仿真是基于現(xiàn)場件煙來料和設(shè)備運行動作等參數(shù)，通過軟件還原系統(tǒng)的運行狀態(tài)，模擬不同品規(guī)在不同來料流量下的設(shè)備運行情況并統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3 仿真設(shè)定

對現(xiàn)場所有輸送轉(zhuǎn)運設(shè)備，包括但不限于如直角分揀機、輥道輸送機、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進(jìn)行速度測算，并將上述設(shè)備轉(zhuǎn)運速度逐一錄入仿真軟件中，以確保生產(chǎn)現(xiàn)場與仿真環(huán)境一致。

參數(shù)設(shè)定包含兩個主體功能，其一是用于設(shè)定7種不同尺寸規(guī)格件煙長、寬、高的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其二是限定整托盤件煙碼垛數(shù)量；其三是按照牌號設(shè)定機器人每次抓取件煙的數(shù)量。上述數(shù)據(jù)均可進(jìn)行調(diào)整，作為仿真要素來參與對系統(tǒng)流量的測算。同時可對不同品規(guī)的件煙進(jìn)行流量設(shè)定，流量設(shè)定單位為件/小時。此外在品規(guī)設(shè)定中能實現(xiàn)不同品規(guī)件煙對應(yīng)不同緩存道的仿真需求。通過上述參數(shù)的設(shè)定，即可對不同來料件煙對設(shè)備運行效率的影響進(jìn)行分析。

3.4 異型煙對機器人的影響分析報告

模擬不同牌號及流量時分析機器人的利用率及設(shè)備吞吐量，如表5所示。

表5 機器人的利用率及設(shè)備吞吐量表

分析可知，在相同的工作模式及環(huán)境下，受限于異型煙的外形尺寸，機器人單次抓取件煙的數(shù)量對機器人運行效率具有較大的影響。為了明確各留量情況下異型煙較之標(biāo)準(zhǔn)煙對機器人效率的影響程度，通過效率計算公式。

進(jìn)一步加以論證分析，分析結(jié)果如表6所示。

表6 機器人對異型煙的運行效率表

異型煙對機器人的運能具有較為明顯的影響，在現(xiàn)有的仿真環(huán)境下，3種品規(guī)異型煙較之標(biāo)準(zhǔn)煙在滿流量運行情況下的效率分別有17.43%、28.95%、38.65%的下降，而主要影響因素為機器人的單次抓取數(shù)量。

3.5 提升機器人抓取效率的研究與應(yīng)用

在現(xiàn)有設(shè)備環(huán)境下不改變夾具，以增加設(shè)備的投資支出為前提。為了釋放機器人設(shè)備的運能使其跟上生產(chǎn)運行節(jié)奏，就需要對機器人的抓取運行邏輯進(jìn)行研究。

在件煙碼垛的過程中一般存在兩種抓取方式供現(xiàn)場使用，分別為回原點抓取以及非回原點抓取。兩種抓取模式抓取的站臺位點位相同、夾取方式也相同，不同的是兩抓之間的銜接動作。

a.回原點抓取

回原點抓取流程每次的循環(huán)取放貨流程過程中均存在回歸home位動作。

b.非回原點抓取

在機器人程序的執(zhí)行過程中，存在15秒的延時判定條件，如既定時間內(nèi)抓取站臺滿足抓取條件，機器人可從放置站臺位行進(jìn)至抓取站臺位；若既定時間內(nèi)抓取站臺不滿足抓取條件，則機器人回歸home位。

整個成品件煙庫的件煙緩存系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，對于兩種抓取方式的優(yōu)劣，難以通過簡單的計算來確定，特別是面對庫區(qū)產(chǎn)量的不確定性。為此需利用系統(tǒng)仿真技術(shù)，全面檢查仿真系統(tǒng)的運行情況，研究系統(tǒng)運行過程中庫區(qū)流量與機器人抓取動作之間的聯(lián)系，旨在分析回原點抓取是否能釋放機器人運行潛能。見表7。

表7 機器人流量及利用率表

基于兩種抓取方式合并數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 機器人兩種抓取方式對照表

通過圖表可以很直觀地感受到新的抓取方式在效率方面有明顯的提升，進(jìn)一步對兩種抓取模式的效率進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表9、圖9所示。

表9 機器人改進(jìn)抓取方式效率提升表

圖9 新抓取模式下效率提升率

3.6 仿真結(jié)果

綜上所述，在不改變現(xiàn)有夾具的情況下，機器人對異型煙的入庫效率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)件煙。為此以設(shè)備邏輯為切入點，通過改變原有機器人抓取方式顯著提升機器人的抓取效率。

基于單臺套機器人對應(yīng)四根件煙的緩存道，在來料為700件/小時的情況，機器人對于標(biāo)準(zhǔn)件煙的抓取效率提升了12%，其對異型煙的抓取更是提升了30%。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)異型煙由于產(chǎn)量、外形尺寸規(guī)格種類較多等原因，行業(yè)內(nèi)一般都采用人工處理的方法。本文簡要描述了上海卷煙廠件煙成品入庫系統(tǒng)的改造過程，實現(xiàn)了異型煙與標(biāo)準(zhǔn)煙的共線自動入庫，改變了原有異型煙人工入庫或者另線入庫的物流狀態(tài)。統(tǒng)合資源改造原有標(biāo)準(zhǔn)煙線后共線入庫，降低了物流成本，減少了對人工的需求，生產(chǎn)效率與工藝質(zhì)量方面均有大幅提高，進(jìn)一步提升了工廠的自動化水平。

物流系統(tǒng)應(yīng)具有一定的拓展空間和較好的改造柔性，要在設(shè)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)充分考慮未來擴展的需要，預(yù)留必要接口和改造條件，使今后實施系統(tǒng)的升級、優(yōu)化，設(shè)備局部技術(shù)的改造較為便利[5]。本次改造案例的成功實施，對于煙草行業(yè)內(nèi)兄弟工廠異型煙與標(biāo)準(zhǔn)煙的自動共線入庫改造、建設(shè)均有積極的參考意義。