異型煙自動化高速分揀包裝關鍵技術研究與應用

文/馬學成 張國華 李劍秋 汪 洋

1.中國煙草機械集團許昌煙草機械有限責任公司；2.中國煙草總公司河南省公司；3.河南省煙草公司鄭州市公司； 4.河南省煙草公司許昌市公司。

一、引言

異型卷煙（以下稱“異型煙”）尤其是細支卷煙，節省煙葉原料，節省輔料，具有成本低、危害小、創稅利能力強等特點。異型煙以新奇的煙支設計、個性化的包裝外形符合消費者不斷求新求異的需要，贏得消費者的喜愛。為滿足消費者需求，積極推進供給側結構性改革， “十三五”期間煙草行業大力發展以細支卷煙為代表的異型煙，拉升產品結構，異型煙產銷量大幅增加，成為行業發展的新亮點和經濟增長支撐點。但隨之而來的異型煙分揀自動化程度低、分揀速度慢、作業時間長、用工多、勞動強度大、作業現場凌亂等問題，已成為制約煙草商業企業卷煙配送效率提升和服務水平提高的瓶頸和短板。

二、現狀分析

異型煙分揀作業流程一般分為三個環節，分別為供煙環節、分揀環節和包裝環節。供煙環節主要包括煙箱出庫掃碼、拆箱和補煙；分揀環節主要包括分揀和打碼；包裝環節主要包括堆垛、包裝和貼標。行業內異型煙分揀作業主要采用的工藝流程見圖1。

圖1 異型煙分揀工藝流程方框圖

如圖1所示，異型煙供煙環節采用人工掃碼、人工拆箱、人工補煙，全部采用人工作業，用工多，勞動強度大，自動化水平低；分揀環節采用自動與人工混合分揀的作業方式，不同程度的存在電子標簽輔助人工分揀現象，不能實現異型煙的全品規自動分揀；包裝環節的堆垛、包裝及貼標，自動與手動并存。調研中還發現，自動堆垛效率低、故障率高，人工堆垛勞動強度大。由于特異型煙的存在，不管是自動堆垛還是人工堆垛，堆垛速度都偏低。

經過調研分析可知，異型煙分揀作業存在的問題主要是：供煙環節人工拆箱、人工補煙，用工多，勞動強度大，是制約異型煙分揀作業自動化水平提升的瓶頸；分揀環節不能實現異型煙全品規自動分揀，人工參與分揀速度慢、差錯率高；包裝環節堆垛速度慢，是制約整個異型煙分揀系統速度提升的關鍵。

另外，在異型煙分揀作業現場，不同品牌、不同規格尺寸的件煙煙箱沿分揀線堆積擺放，空煙箱隨手丟棄，作業現場煙箱混雜凌亂，類似手工作坊，與行業高質量發展的要求相差甚遠。

三、關鍵技術研究

為解決異型煙分揀存在的問題，中國煙草機械集團許昌煙草機械有限責任公司與中國煙草總公司河南省公司、河南省煙草公司許昌市公司等單位聯合成立項目組，對異型煙自動化高速分揀包裝關鍵技術進行研究，通過技術調研及探討分析，項目組認為制約異型煙自動化高速分揀包裝的關鍵技術為：異型煙自動拆箱與自動補煙技術、異型煙全品規自動分揀技術、異型煙計數輸送技術及高速堆垛技術等。項目組對這些關鍵技術進行研究，制作試驗裝置及樣機，以期解決異型煙分揀存在的問題，實現異型煙自動化高速分揀包裝。

1.自動拆箱與自動補煙，突破自動化瓶頸

國內煙草商業企業在異型煙分揀環節之所以采用人工拆箱、人工補煙，而不采用自動拆箱、自動補煙的工作方式，除個別商業企業受生產場地限制之外，主要原因是常規煙拆箱機不能滿足異型煙拆箱需求，而國內又無異型煙拆箱機，采用人工拆箱是無奈之舉。研制異型煙拆箱機，是提高異型煙分揀自動化水平的關鍵。

異型煙箱包括細支煙箱、中支煙箱及特異煙箱，煙箱品種多，尺寸變化范圍大，導致異型煙拆箱機研制難度大。為研制異型煙拆箱機，項目組進行了大量的技術調研，收集異型煙煙箱尺寸、裝箱方式等技術資料，廣泛征求煙草商業物流人員的意見，詳細制定設計方案，制作試驗裝置，對異型卷煙拆箱關鍵技術進行試驗。通過試驗及設計完善，終于攻克制約異型煙拆箱的關鍵技術，于2020年4月研制出國內第一臺異型煙拆箱機（見圖2）。

圖2 異型煙拆箱機

新研制的異型煙拆箱機，可同時滿足細支煙和中支煙兩種煙箱的拆箱需求。這兩類煙箱在異型煙箱中占比較大，大幅提高了異型煙拆箱自動化水平。對于異型煙箱中的特異煙箱，由于占比較少，此類煙箱依然采用人工拆箱的作業方式。

為進一步提升供煙環節自動化水平，項目組又設計研制了異型煙穿梭車（見圖3）。新研制的異型煙穿梭車既能接駁單垛細支異型煙，又能接駁雙垛中支異型煙。拆箱后的異型煙由煙垛推移裝置送入異型煙穿梭車，由穿梭車把異型煙送至分揀機煙倉，實現自動補煙。

圖3 異型煙穿梭車

2.分類分揀，實現異型煙全品規分揀自動化

異型煙條包方式多種多樣，重量和尺寸差別較大。通過分析研究發現，除了少部分特殊雪茄煙外，異型條煙重量從150克至1100克不等，厚度從18mm至120mm不等，寬度從80mm至173mm不等，長度從80mm至345mm不等，采用一種分揀方法和設備不能滿足所有品規異型煙的自動化分揀。為解決異型煙全品規自動分揀問題，項目組將包含細支條煙、中支條煙和特異型條煙的異型煙，按照包裝規格尺寸、銷售量及拆箱方式的不同，分為A、B、C、D等類別（每類均有多個品規）。A類為能用自動拆箱機拆箱的大中品規細支條煙和中支條煙，在異型煙中占比較大，約占異型煙總量的70～75%左右；B類為不能用自動拆箱機拆箱的大中品規細支條煙和中支條煙，約占異型煙總量的10～15%左右；C類為長度較長或寬度較寬的特異型條煙，或銷售量較少的小品規細支條煙、中支條煙；D類為長度較短且高度較高的特異型條煙。針對此四類異型煙，設計研制了組合式分揀機、側撥式分揀機和下落式分揀機，其中組合式分揀機用于分揀A、B兩類異型煙，采用前撥式出煙方式；側撥式分揀機用于分揀C類異型煙，采用側撥式出煙方式；下落式分揀機用于分揀D類異型煙，采用下落式出煙方式，見表1。

表1 異型煙分類及分揀方式

通過對不同類別的異型煙采用不同的分揀作業方式，三種新設計的分揀機滿足各種品規異型煙自動分揀之需求，實現包括雪茄煙在內的所有異型煙在線自動分揀，有效提高了異型煙分揀自動化水平。

3.計數輸送，提高異型煙分揀速度

“一號工程”要求打碼到條，條煙打碼時由于換戶需要，要求分揀時訂單與訂單之間保持一定的間距（一般不低于500mm）。異型煙訂單小（許昌市卷煙物流配送中心5條以下訂單占比約為60%），在分揀輸送帶速度一定的條件下，訂單越小，單位長度內訂單間距越多，分揀輸送帶滿載率越低，導致分揀輸送帶輸送能力下降，從而制約分揀速度的提高。提高分揀輸送帶滿載率，對提高分揀速度具有重要意義。

為提高分揀輸送帶滿載率，項目組研制一種異型煙計數輸送裝置，該裝置由低速輸送帶、高速輸送帶、計數器和負壓系統等組成，低速輸送帶和高速輸送帶上設計負壓孔，負壓系統產生的負壓通過負壓孔將異型煙吸附在輸送帶上，確保異型煙與輸送帶之間無滑移。低速輸送帶用于承接來自分揀輸送帶的異型煙，使其無間隙單排排列，并緩存在低速輸送帶之前。工作時低速輸送帶將條煙輸送至高速輸送帶，利用高速輸送帶與低速輸送帶之間的速度差拉開條煙間距，通過計數器記錄輸送條煙的數量，每一訂單輸送完畢后停頓一次，實現訂單分離，便于打碼換戶。

新設計的計數輸送裝置安裝在分揀機之后、打碼機之前，利用低速輸送帶對異型條煙的吸附作用阻礙條煙向前運動而緩存條煙，使異型煙分揀時不再考慮訂單間距，大幅提高分揀輸送帶的滿載率，從而提高分揀速度。

4.多工位堆垛，提高訂單包裝速度

不同品規的異型條煙外形尺寸差別較大，堆垛速度慢，是異型煙訂單包裝速度低的主要原因。目前國內卷煙物流配送中心，普遍采用全部或部分人工擺放的方式進行異型煙堆垛，勞動強度大，堆垛速度慢。

本項目采用“兩套撥煙堆垛裝置+1臺并聯機械手”堆垛的工作模式，實現多工位堆垛。兩撥煙堆垛裝置用于銷量較大的細支條煙及中支條煙的堆垛，承擔不低于80%的堆垛任務；并聯機械手用于銷量較少的特異型條煙的堆垛，承擔不多于20%的堆垛任務。并聯機械手位于多工位堆垛裝置的中上部（見圖4），其兩側各有一個撥煙堆垛裝置堆煙工位和一個機械手堆煙工位，每一側的撥煙堆垛工位和機械手堆垛工位之間各有一個煙垛移栽裝置，用于向包裝機（兩臺）提供包裝所需煙垛。另外，為提高機械手的工作效率，還設置了兩個機械手堆煙緩存工位。工作時，兩撥煙堆垛裝置獨立堆垛，煙垛直接進入煙垛移栽裝置，機械手堆疊的煙垛經緩存工位進入煙垛移栽裝置，機械手堆疊的煙垛和撥煙堆垛裝置堆疊的煙垛根據需要在煙垛移栽裝置內進行合單，合單時機械手堆疊的煙垛位于撥煙堆垛裝置堆疊煙垛的上部。

圖4 多工位堆垛示意圖

這種“兩套撥煙堆垛裝置+1臺并聯機械手”堆垛的工作模式，共有4個堆煙工位及兩個機械手堆煙緩存工位，有效提高了異型煙堆垛速度，從而提高了訂單包裝速度。

5.空箱回收，精致現場

為解決異型煙分揀現場空煙箱堆積問題，精致現場，項目組在設計之初周密規劃，精心實施。具體做法是：通過空箱輸送線將空煙箱輸送至回收處，使空煙箱及時離開工作現場。對于A類異型煙，拆箱后的空箱自動落入天井，然后滑落至空箱輸送線，由空箱輸送線將A類異型煙空箱輸送至空箱回收處。B類異型煙拆箱工位靠近天井，由人工及時將空箱投入天井，像A類異型煙空箱一樣通過天井自動滑落至空箱輸送線，使B類異型煙空箱及時離開工作現場。由于A類和B類異型煙空箱占比較大，85%以上的空煙箱得到及時回收，異型煙分揀現場凌亂的現象得到明顯改觀。

四、應用效果

為使異型煙分揀包裝關鍵技術研究成果落地，驗證其實際使用性能，項目組采用新設計的異型煙分揀工藝流程（見圖5），將研究成果在河南省煙草公司許昌市公司卷煙物流配送中心示范應用。

圖5 新異型煙分揀工藝流程圖

圖5所示的工藝流程中,采用了自動拆箱技術（用于A類異型煙拆箱）、自動補煙技術（用于A類及B類異型煙補煙）；采用三種分揀機（組合式分揀機、側撥式分揀機及下落式分揀機）實現了異型煙全品規自動分揀；采用計數輸送技術及異型煙多工位堆垛技術實現了異型煙的高速分揀及包裝。這些新技術、新設備2020年4月完成安裝調試，運行效果良好，實現了多個方面的技術突破：

一是自動化程度國內領先。異型煙自動拆箱機和自動補煙穿梭車的研制成功，解決了異型煙分揀作業由于人工拆箱、人工補煙而導致的用工多、勞動強度大、自動化水平低等問題，實現了許昌市卷煙物流配送中心約75%的異型煙自動拆箱、約85%的異型煙自動補煙，有效提高了異型煙分揀作業的自動化程度，并實現了約85%的煙箱自動掃碼，進一步提高了自動化水平。

二是實現了異型煙全品規自動分揀。組合式分揀機用于分揀銷量較大的細支條煙和中支條煙，側撥式分揀機用于分揀長度較長或寬度較寬的特異型條煙，或銷量較少的細支條煙和中支條煙；下落式分揀機用于分揀長度較短且高度較高的特異型條煙。這種根據條煙外形尺寸不同而采用不同的分揀機進行分類分揀的作業方式，使包括雪茄煙在內的所有異型煙自動分揀，取消了人工分揀，進一步提高了異型煙分揀的自動化水平，降低了勞動強度和差錯率。

三是異型煙分揀系統作業速度大幅提升。異型煙計數輸送裝置的應用，取消了訂單間距，有效提高了分揀輸送帶的滿載率，從而提高了分揀速度；異型煙多工位堆垛技術的應用，有效提高了異型煙堆垛速度，從而使異型煙包裝速度大幅提高。異型煙分揀速度與包裝速度的提高，使整個分揀系統工作速度已能達到7000條/小時的設計要求，遠超過行業內目前異型煙分揀線2600條～3600條/小時的工作速度，使異型煙分揀作業時間與常規煙同步，緩解了目前異型煙分揀和銷售之間的矛盾，提高了供給有效性。

另外，空箱輸送線的設計與應用，使凌亂的工作現場得到明顯改觀,提高了現場管理水平。研究成果示范應用實物布局見圖6。

圖6 研究成果示范應用實物布局圖

五、結論

通過對異型煙自動化高速分揀包裝關鍵技術研究與示范應用，制約異型煙分揀系統自動化水平提升和效率提高的自動拆箱技術、自動補煙技術、全品規自動分揀技術、計數輸送及多工位堆垛技術等多項關鍵技術獲得突破，解決了卷煙物流配送中心異型煙分揀系統存在的瓶頸問題，是行業內一次技術跨越，使煙草商業企業能夠主動適應煙草工業企業產品創新發展需要，有利于煙草行業提升產品結構保持稅利穩步增長，推動行業高質量發展。