循環(huán)塑料煙箱在卷煙工業(yè)企業(yè)的適應性研究與應用

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

隨著社會對綠色發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟的不斷重視，廢舊物品的再利用成為降低成本、減少浪費、節(jié)約資源的重要手段。中國煙草公司于 2013年開始呼吁各卷煙企業(yè)對煙箱進行回收循環(huán)利用，各中煙和相關(guān)企業(yè)相繼進行了探索和研究，循環(huán)煙箱在各個中煙公司得到了大量的實際使用。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)過程中表面易附著灰塵、油污，而且經(jīng)過兩三次使用后，其搖蓋的韌性、強度急劇下降等缺陷。目前市場流行循環(huán)塑料煙箱（以下簡稱塑料煙箱），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，租賃費用比購買紙質(zhì)煙箱低，且使用次數(shù)達到使用極限后可進行打碎再加工，增加循環(huán)利用次數(shù)，是行業(yè)推進降本增效、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，但在實際推廣應用中，卻遇到了一些技術(shù)難點、痛點，具體情況如下：

1.裝封箱硬件設備對塑料煙箱的兼容性問題

（1）塑料煙箱上長折邊劃痕多

在封箱過程中，當塑料煙箱上長折邊與導向桿接觸時，由于角度較大，塑料煙箱又比紙箱硬，上長折邊可能會產(chǎn)生明顯的折痕，如圖1所示。

圖1 塑料煙箱上長折邊折痕

（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，在封箱機完成封箱動作，打印一號工程碼的過程中，極易造成條碼粘貼不牢、翹邊、飛標等異常情況，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2.塑料煙箱信息流與實物流不匹配

塑料煙箱在裝封箱系統(tǒng)完成封箱和打碼后，通過件煙輸送線入成品高架庫。成品高架庫倉庫管理系統(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，沒有關(guān)于塑料煙箱類型的定義。自動化立體倉庫依靠托盤的信息來管理出入庫流程。入庫時托盤帶信息入庫，出庫時依靠入庫的托盤信息來生成出庫任務。塑料煙箱作為一種新的煙箱類型，在倉庫管理系統(tǒng)中沒有定義，入庫流程中不能和傳統(tǒng)的瓦楞紙煙箱區(qū)別開，出庫時也沒有辦法精準發(fā)貨，嚴重影響了后續(xù)的產(chǎn)品分類統(tǒng)計和銷售發(fā)貨的及時性、準確性，如圖2所示。

圖2 同品牌號的塑料煙箱與瓦楞紙煙箱無法區(qū)分

3.成品高架庫拆碼垛機器人對塑料煙箱的適應性差

前期進行了塑料煙箱入庫碼垛測試，機器人抓取過程中掉落頻次、概率陡增，通過數(shù)據(jù)比對也驗證了這一點，具體數(shù)據(jù)詳見表1和圖3。

表1 入庫區(qū)域掉煙統(tǒng)計表

圖3 入庫區(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倉庫管理系統(tǒng)中沒有塑料煙箱的定義，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)兩個方面存在著一定的差距（見表2和表3所示），兩者共用一套相同參數(shù)的拆碼垛系統(tǒng)會導致在出入庫碼垛過程中煙箱掉落，引起現(xiàn)場設備停機及后續(xù)處理，影響出入庫效率和增加二次搬裝費用；其次，煙箱掉落，會造成煙箱碰撞設備，導致煙箱質(zhì)量受損和設備損壞；最后，出入庫現(xiàn)場煙箱掉落，很有可能造成現(xiàn)場作業(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)瓦楞紙煙箱在長度和高度上分別存在著7mm和4mm的差距，若拆碼垛機器人沿用傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱的笛卡爾坐標和運行軌跡來抓取件煙，在出入庫拆碼垛時會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

負責拆碼垛的機器人采取海綿真空吸盤產(chǎn)生負壓吸取煙箱，按照預先定義好的運行軌跡來完成拆碼垛動作。機器人在抓取后向上提升的過程中，不可避免的會產(chǎn)生煙箱的晃動，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，晃動過程中比紙質(zhì)煙箱更加容易漏氣；提升速度越快，晃動越劇烈，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，必須對現(xiàn)有的機器人拆碼垛硬件進行優(yōu)化升級。

4.成品高架庫塑料煙箱合流輸送穩(wěn)定性差

成品高架庫輸送路徑從邏輯上可以劃分為兩塊，入庫輸送區(qū)和出庫輸送區(qū)，兩者都存在著件煙合流環(huán)節(jié)。卷接包車間輸送過來的件煙經(jīng)1、2號螺旋提升機送至成品入庫區(qū)，在件煙輸送設備（詳見圖4）處進行二合一匯合至一條件煙輸送線；同樣在出庫區(qū)域也有件煙合流設備。

圖4 入庫區(qū)域合流位置示意圖

以入庫區(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，使煙箱在較短時間內(nèi)快速插入干線煙箱間的空隙。但隨著塑料煙箱的應用推廣，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行速度較快，在合流時，塑料煙箱會與輸送皮帶產(chǎn)生較明顯的滑動，導致塑料煙箱經(jīng)常無法在足夠短的時間內(nèi)完成合流，或合流后往前滑動，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)生碰撞的兩件煙會卡在輸送線上，不僅會對煙箱造成損傷，影響產(chǎn)品質(zhì)量，還會阻擋后續(xù)煙箱的正常輸送，導致設備停機，影響正常生產(chǎn)。

可以看出，由于塑料煙箱的摩擦系數(shù)小，在皮帶輸送機上合流時必須對現(xiàn)有的輸送設備進行升級改造或者對電控程序進行優(yōu)化調(diào)整。

二、設計思路

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

1.針對裝封箱硬件設備對塑料煙箱的兼容性問題，考慮在車間現(xiàn)場進行相關(guān)設備的改造和位置調(diào)整。使用弧形導向桿代替原來的上長折邊導向桿。增加條碼壓緊裝置，解決條碼質(zhì)量問題。

2.針對塑料煙箱信息流與實物流不匹配的問題，考慮在輔料配送、車間生產(chǎn)，成品入庫的整個業(yè)務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就能正確地采集煙箱類型信息，并且通過配送將煙箱類型信息傳遞到裝封箱機臺，機臺將煙箱屬性和成品件煙條碼綁定，通過接口自動傳遞到成品高架庫。倉庫管理系統(tǒng)（WMS）中成品托盤帶煙箱類型信息出入庫。

3.針對煙箱尺寸不匹配引起的出入庫拆碼垛塑料煙箱適應性差的問題，定義兩套不同參數(shù)的機器人拆碼垛程序分別對應于塑料煙箱和傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱。同時在倉庫管理系統(tǒng)和倉庫調(diào)度系統(tǒng)（WCS）之間增加接口傳遞煙箱類型參數(shù)給機器人拆碼垛系統(tǒng)。機器人拆碼垛系統(tǒng)在出入庫流程中根據(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.針對煙箱材質(zhì)不同引起的出入庫拆碼垛塑料煙箱適應性差的問題，考慮如下兩個思路：

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

（2）改進吸盤的真空柔性海綿墊材質(zhì)。測試不同材質(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。對比了時效性和經(jīng)濟性，選擇思路（2）進行課題攻關(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€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)較大的商標貼紙，使輸送皮帶不直接與塑料煙箱接觸。

（3）考慮通過調(diào)節(jié)合流處煙箱間隔來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）首先需要對市面上的輸送皮帶進行詳細地了解，選型之后還需要頻繁更換皮帶以測試改善效果，整個過程較為復雜且更換皮帶結(jié)果不可控，有較大風險長時間影響正常生產(chǎn)。

思路（2）變更了煙箱設計，需要協(xié)調(diào)多個環(huán)節(jié)，實施難度大，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）會略微降低設備的運輸效率，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題。

三、設計思路實現(xiàn)

1.裝封箱系統(tǒng)硬件的改造與調(diào)整

（1）上長折邊導向桿調(diào)整

使用弧形導向桿代替原來的上長折邊導向桿，煙箱長折邊在折疊過程中受力會更均勻，避免受力過大產(chǎn)生折痕（詳見圖5、圖6）。

圖5 改進前的導向桿

圖6 改進后的導向桿

（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。對于每一個打印出來的條碼，通過壓緊裝置來保證其粘貼質(zhì)量，徹底解決條碼粘貼不牢、翹邊、飛標等異常情況，如圖7、圖8所示。

圖7 條碼壓緊裝置

圖8 改進后的條碼壓緊工位

2.信息流與實物流的全流程匹配

通過塑料煙箱在輔料配送、車間生產(chǎn)，成品出入庫的整個業(yè)務流程中屬性信息的采集和傳遞，實現(xiàn)塑料煙箱屬性信息全流程的實物流與信息流同步（詳見圖9）。

圖9 塑料煙箱的實物流與信息流

輔料一級庫：負責采集塑料煙箱的煙箱類型信息并與煙箱實托盤綁定，塑料煙箱出庫時將實托盤信息通過接口傳遞給輔料高架庫系統(tǒng)。

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

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

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

3.拆碼垛流程的升級優(yōu)化

成品高架庫倉庫管理系統(tǒng)在拆碼垛的流程中將煙箱屬性傳遞給機器人拆碼垛系統(tǒng)，運行不同參數(shù)的拆碼垛程序。

（1）煙箱屬性定義與輸送設備獲取煙箱屬性信息

（2）輸送設備與機器人接口協(xié)議

在輸送設備與機器人接口協(xié)議中增加“煙箱屬性”的握手信號，通過實時傳遞過來的煙箱屬性信息，自動切換機器人的拆碼垛程序。

4.機器人程序的改進

針對塑料煙箱和傳統(tǒng)瓦楞紙煙箱在尺寸上的差異，重新編寫一套單獨的拆碼垛程序，通過參數(shù)的不同來實現(xiàn)在拆碼垛流程中對于不同種類煙箱的精準抓取，解決塑料煙箱外形尺寸帶來的掉落問題。

5.拆碼垛機器人硬件升級改造

圖10 WMS的通用物料維護界面

圖11 設備信息對話框

對比發(fā)現(xiàn)塑料煙箱的表面比瓦楞紙箱更光滑，材質(zhì)抗壓強度和變壓強度更高（同瓦強度）。那么就要求機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。市場上機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。我們通過改變發(fā)泡海綿的密度和顆粒度（詳見圖12）來測試貼合情況（詳見表4）。

表4 發(fā)泡海綿的密度和顆粒度

圖12 兩種發(fā)泡海綿實際應用情況

經(jīng)現(xiàn)場試驗，貼合度的提高使得密封性更好，試驗過程中機器人吸盤負壓值也驗證了這點，更換過海綿的機械手抓取塑料煙箱時掉落的情況明顯減少。

6.件煙合流輸送機電控程序的改進

由原來固定的搶占路口時間值（只針對瓦楞紙箱）改變?yōu)樵贖MI界面上增加彈出式對話窗口，能隨時修改每個件煙合流處的搶占路口時間值（詳見圖13），這樣只需不斷調(diào)整參數(shù)值進行測試，直至解決合流處碰撞、跟包現(xiàn)象（同時對輸送機輸送效率的影響最小），并做好記錄。依據(jù)記錄的路口時間經(jīng)驗值表就可以輕松、靈活地應對多類型煙箱的合流。

圖13 件煙合流輸送機電控程序示意圖

四、應用效果

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

通過上述裝封箱系統(tǒng)硬件設備的改造和調(diào)整，解決了困擾裝封箱環(huán)節(jié)的難點和痛點，塑料煙箱上的設備劃痕、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.成品高架庫塑料煙箱作業(yè)效率穩(wěn)步提升

通過打通信息流與實物流、電控程序更新、機械手配套硬件升級等相關(guān)措施的改進和實施成品高架庫出入庫現(xiàn)場由塑料煙箱所引起的設備故障、停機現(xiàn)象減少了90%以上。塑料煙箱在出入庫流程中的適應性得到了加強，保證了出入庫效率。

3.循環(huán)煙箱的采購成本持續(xù)優(yōu)化

相比較于傳統(tǒng)瓦楞紙箱的購買，塑料煙箱采用租賃的方式來滿足生產(chǎn)。平均到采購成本上，單個傳統(tǒng)瓦楞紙箱的購買費用比塑料煙箱的租賃費用多0.5元。如果采用塑料煙箱替代傳統(tǒng)瓦楞紙箱，每1萬大箱節(jié)約成本2.5萬元。隨著塑料煙箱在卷煙工業(yè)企業(yè)的進一步推廣應用，循環(huán)煙箱的采購成本持續(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。