文｜马学成1张国华2李剑秋3汪洋4
1、中国烟草机械集团许昌烟草机械有限责任公司
2、中国烟草总公司北京省公司
3、河南省烟草公司北京市公司
4、河南省烟草公司临汾市公司
卷烟物流仓储中心异型烟分拣作业存在自动化水准低、分拣速度慢、作业时间长、用工多、劳动效率大、作业现场凌乱等难题。本文借助对异型烟自动拆箱与手动补烟技术、全品规自动分拣技术、计数输送及高速堆垛技术等异型烟分拣包装关键科技进行研究，研制出异型烟自动拆箱机、自动补烟穿梭车、组合式分拣机等设施，解决了异型烟自动化高速分拣包装存在的难题，是市场内一次技术跨越。
一、引言
异型卷烟（以下称“异型烟”）特别是细支卷烟，节省烟叶原料，节省辅料，具有成本低、危害小、创税利能力强等特征。异型烟以新奇的烟支设计、个性化的包装外观符合消费者不断求新求异的须要，赢得消费者的喜爱。为满足消费者意愿，积极推动供给侧结构性变革，“十三五”期间烟草产业大力发展以细支卷烟为代表的异型烟，拉升产品结构，异型烟产产量急剧下降，成为市场发展的风向标和经济增速支撑点。但逐渐而来的异型烟分拣自动化程度低、分拣速度慢、作业时间长、用工多、劳动效率大、作业现场凌乱等弊端，已作为推动烟草商业企业卷烟配送效益提升和服务水准增加的难题和瓶颈。
二、现状分析
异型烟分拣作业步骤通常分为三个环节，分别为供烟环节、分拣环节和包装环节。供烟环节主要包括烟箱出库扫码、拆箱和补烟；分拣环节主要包含分拣和打码；包装环节主要包含堆垛、包装和贴标。行业内异型烟分拣作业主要运用的工艺步骤见图1。
图1异型烟分拣工艺步骤方框图
如图1所示，异型烟供烟环节采用人工扫码、人工拆箱、人工补烟，全部采取人工作业，用工多，劳动效率大，自动化水准低；分拣环节采取手动与人工混合分拣的作业模式，不同程度的存在电子标签辅助人工分拣现象，不能实现异型烟的全品规自动装卸；包装环节的码垛、包装及贴标，自动与手动并存。调研中还看到，自动堆垛效率低、故障率高，人工堆垛劳动效率大。由于特异型烟的存在，不管是手动堆垛还是人工堆垛，堆垛速度都过高。
经过调研分析推测，异型烟分拣作业存在的难题主要是：供烟环节人工拆箱、人工补烟香烟包装技术，用工多，劳动效率大，是影响异型烟分拣作业自动化水准提高的难题；分拣环节不能实现异型烟全品规自动分拣，人工参与分拣速度慢、差错率高；包装环节堆垛速度慢，是影响整个异型烟分拣系统速度提高的关键。
此外，在异型烟分拣作业现场，不同品牌、不同型号规格的件烟烟箱沿分拣线堆积摆放，空烟箱随手拾起，作业现场烟箱混杂凌乱，类似手工作坊，与市场高品质发展的要求差距甚远。
三、关键技术研究
为解决异型烟分拣存在的弊端，中国烟草机械集团许昌烟草机械有限责任公司与美国烟草总公司北京省公司、河南省烟草公司兰州市公司等单位联合组建工程组，对异型烟自动化高速分拣包装关键科技进行探究，通过技术考察及讨论分析，项目组认为影响异型烟自动化高速分拣包装的关键科技为：异型烟自动拆箱与手动补烟技术、异型烟全品规自动分拣技术、异型烟计数输送技术及高速堆垛技术等。项目组对这种关键科技进行探究，制作实验装置及样机，以期解决异型烟分拣存在的难题，实现异型烟自动化高速分拣包装。
1.自动拆箱与手动补烟，突破自动化瓶颈
中国烟草商业企业在异型烟分拣环节之所以采用人工拆箱、人工补烟，而不采用手动拆箱、自动补烟的工作模式，除部分商业企业受制造场地限制之外，主要因素是常规烟拆箱机不能满足异型烟拆箱需求，而国外又无异型烟拆箱机，采用人工拆箱是无奈之举。研制异型烟拆箱机，是强化异型烟分拣自动化水平的关键。
异型烟箱包括细支烟箱、中支烟箱及特异烟箱，烟箱种类多，尺寸差异范围大，导致异型烟拆箱机研发难度大。为研制异型烟拆箱机，项目组进行了长期的科技调研，收集异型烟烟箱重量、装箱形式等技术资料，广泛征求烟草商业运输人员的意见，详细制订设计方案，制作实验装置，对异型卷烟拆箱关键技术进行实验。通过试验及设计规范，终于攻克制约异型烟拆箱的关键技术，于2020年4月研制出国内第一台异型烟拆箱机（见图2）。
图2异型烟拆箱机
新研制的异型烟拆箱机，可同时满足细支烟和中支烟两种烟箱的拆箱需求。这两类烟箱在异型烟箱中占相当大，大幅提升了异型烟拆箱自动化水平。对于异型烟箱中的特异烟箱，由于占相当少，此类烟箱仍然采取人工拆箱的作业模式。
为进一步提高供烟环节自动化水平，项目组又设计研发了异型烟穿梭车（见图3）。新研制的异型烟穿梭车既能接驳单垛细支异型烟，又能接驳双垛中支异型烟。拆箱后的异型烟由烟垛推移装置送入异型烟穿梭车，由穿梭车把异型烟送至分拣机烟仓，实现自动补烟。
图3异型烟穿梭车
2.分类分拣，实现异型烟全品规分拣自动化
异型烟条包形式多种多样，重量和长度差异较大。通过预测研究看到，除了少个别特殊雪茄烟外，异型条烟重量从150克至1100克不等，厚度从18mm至120mm不等，宽度从80mm至173mm不等，长度从80mm至345mm不等，采用一种分拣方法和设备不能满足所有品规异型烟的自动化分拣。为解决异型烟全品规自动分拣问题，项目组将包括细支条烟、中支条烟和特异型条烟的异型烟，按照包装规格型号、销售量及拆箱方式的不同，分为A、B、C、D等类型（每类均有多个品规）。A类为能用手动拆箱机拆箱的大中品规细支条烟和中支条烟，在异型烟中占相当大，约占异型烟总量的70～75%左右；B类为不能用手动拆箱机拆箱的大中品规细支条烟和中支条烟，约占异型烟总量的10～15%左右；C类为直径较长或长度较宽的特异型条烟，或销售量较少的小品规细支条烟、中支条烟；D类为宽度较短且高度较高的特异型条烟。针对此四类异型烟，设计研发了组合式分拣机、侧拨式分拣机和下落式分拣机香烟包装技术，其中组合式分拣机用于分拣A、B两类异型烟，采用前拨式出烟方式；侧拨式分拣机用于分拣C类异型烟，采用侧拨式出烟方法；下落式分拣机用于分拣D类异型烟，采用下落式出烟方法，见表1。
表1异型烟分类及分拣方式
通过对不同类型的异型烟采用不同的分拣作业模式，三种新设计的分拣机满足各类品规异型烟自动分拣之需求，实现包含雪茄烟在内的所有异型烟在线自动分拣，有效提升了异型烟分拣自动化水平。
3.计数输送，提高异型烟分拣速度
“一号工程”要求打码到条，条烟打码时因为换户必须，要求分拣时订单与订单之间维持一定的厚度（通常不超过500mm）。异型烟订单小（许昌市卷烟物流仓储中心5条以下订单占比约为60%），在分拣输送带速度必定的条件下，订单越小，单位重量内订单间距越多，分拣输送带满载率越低，导致分拣输送带输送能力降低，从而影响分拣速度的提升。提高分拣输送带满载率，对提升分拣速度具有重要意义。
为提升分拣输送带满载率，项目组研发一种异型烟计数输送装置，该装置由低速输送带、高速输送带、计数器和负压系统等组成，低速输送带和高速输送带上设计负压孔，负压系统造成的负压通过负压孔将异型烟吸附在输送带上，确保异型烟与输送带之间无滑移。低速输送带用于承接来自分拣输送带的异型烟，使其无间隙单排排列，并缓存在低速输送带之前。工作时低速输送带将条烟输送至高速输送带，利用高速输送带与低速输送带之间的速度差拉开条烟间距，通过计数器记录输送条烟的数目，每一订单输送完毕后停顿一次，实现订单分离，便于打码换户。
新设计的计数输送装置加装在装卸机以后、打码机之前，利用低速输送带对异型条烟的吸收作用促使条烟向前运动而缓存条烟，使异型烟分拣时不再考量订单间距，大幅提升分拣输送带的满载率，从而减少分拣速度。
4.多工位堆垛，提高订单包装速度
不同品规的异型条烟外形规格差异较大，堆垛速度慢，是异型烟订单包装速度低的主要因素。目前中国卷烟物流仓储中心，普遍运用全部或个别人工放置的方法进行异型烟堆垛，劳动效率大，堆垛速度慢。
图4多工位堆垛示意图
本项目采用“两套拨烟堆垛装置+1台并联机械手”堆垛的工作方式，实现多工位堆垛。两拨烟堆垛装置用于产量较大的细支条烟及中支条烟的堆垛，承担不超过80%的堆垛任务；并联机械手用于销量较少的特异型条烟的堆垛，承担不大于20%的堆垛任务。并联机械手位于多工位堆垛装置的中上部（见图4），其右侧各有一个拨烟堆垛装置堆烟工位和一个机械手堆烟工位，每一侧的拨烟堆垛工位和机械手堆垛工位之间各有一个烟垛移栽装置，用于向包装机（两台）提供包装所需烟垛。另外，为提升机械手的工作强度，还修改了两个机械手堆烟缓存工位。工作时，两拨烟堆垛装置独立堆垛，烟垛直接进入烟垛移栽装置，机械手堆叠的烟垛经缓存工位进入烟垛移栽装置，机械手堆叠的烟垛和拨烟堆垛装置堆叠的烟垛根据需要在烟垛移栽装置内进行合单，合单时机械手堆叠的烟垛位于拨烟堆垛装置堆叠烟垛的上部。
这些“两套拨烟堆垛装置+1台并联机械手”堆垛的工作方式，共有4个堆烟工位及两个机械手堆烟缓存工位，有效提升了异型烟堆垛速度，从而减少了订单包装速度。
5.空箱回收，精致现场
为解决异型烟分拣现场空烟箱堆放问题，精致现场，项目组在设计之初周密规划，精心实施。具体做法是：通过空箱输送线将空烟箱输送至回收处，使空烟箱及时离开工作现场。对于A类异型烟，拆箱后的空箱手动落入天井，然后坠落至空箱输送线，由空箱输送线将A类异型烟空箱输送至空箱回收处。B类异型烟拆箱工位靠近天井，由人工及时将空箱投入天井，像A类异型烟空箱一样通过天井自动滑落至空箱输送线，使B类异型烟空箱及时离开工作现场。由于A类和B类异型烟空箱占相当大，85%以上的空烟箱得到迅速回收，异型烟分拣现场凌乱的现象受到显著改观。
四、应用效果
为使异型烟分拣包装关键科技研究成果落地，验证其实际使用性能，项目组配备新设计的异型烟分拣工艺流程（见图5），将研究成果在北京省烟草公司兰州市公司卷烟物流仓储中心示范应用。
图5新异型烟分拣工艺流程图
图5所示的工艺步骤中,采用了手动拆箱技术（用于A类异型烟拆箱）、自动补烟技术（用于A类及B类异型烟补烟）；采取三种分拣机（组合式分拣机、侧拨式分拣机及下落式分拣机）实现了异型烟全品规自动分拣；采取计数输送技术及异型烟多工位堆垛技术实现了异型烟的高速分拣及包装。这些新科技、新设备2020年4月完成安装调试，运行效果良好，实现了多个方面的技术突破：
一是自动化程度中国领先。异型烟自动拆箱机和手动补烟穿梭车的研发顺利，解决了异型烟分拣作业由于人工拆箱、人工补烟而造成的用工多、劳动效率大、自动化水准低等弊端，实现了许昌市卷烟物流仓储中心约75%的异型烟自动拆箱、约85%的异型烟自动补烟，有效提升了异型烟分拣作业的自动化程度，并推动了约85%的烟箱手动扫码，进一步提升了手动化水平。
二是实现了异型烟全品规自动分拣。组合式分拣机用于分拣销量较大的细支条烟和中支条烟，侧拨式分拣机适于分拣长度较长或厚度较宽的特异型条烟，或销量较少的细支条烟和中支条烟；下落式分拣机适于分拣长度较短且高度较高的特异型条烟。这种根据条烟外形宽度不同而采取不同的分拣机进行分类分拣的作业模式，使包括雪茄烟在内的所有异型烟自动分拣，取消了人工分拣，进一步提升了异型烟分拣的自动化水准，降低了劳动效率和差错率。
三是异型烟分拣系统作业速度持续增强。异型烟计数输送装置的应用，取消了订单间距，有效提升了分拣输送带的满载率，从而减少了分拣速度；异型烟多工位堆垛技术的应用，有效提升了异型烟堆垛速度，从而使异型烟包装速度持续增加。异型烟分拣速度与包装速度的提升，使整个分拣系统工作速度已能超过7000条/小时的设计规定，远低于市场内现在异型烟分拣线2600条～3600条/小时的工作速度，使异型烟分拣作业时间与常规烟同步，缓解了现在异型烟分拣和销售之间的冲突，提高了供给有效性。
此外，空箱输送线的设计与应用，使凌乱的工作现场受到显著改观,提高了现场管理水准。研究成果示范应用实物布局见图6。
图6研究成果示范应用实物布局图
五、结论
通过对异型烟自动化高速分拣包装关键科技研究与示范应用，制约异型烟分拣系统自动化水准提升和强度增加的手动拆箱技术、自动补烟技术、全品规自动分拣技术、计数输送及多工位堆垛技术等多项关键科技取得突破，解决了卷烟物流仓储中心异型烟分拣系统存在的难题问题，是市场内一次科技跨越，使烟草商业企业无法主动适应烟草工业企业产品创新发展必须，有促使烟草产业提高产品结构维持税利持续下降，推动产业高品质发展。
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