（系统工程专业论文）卷烟自动分拣机的性能优化与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 卷烟自动分拣系统的基础是自动化的分拣设备，分拣设备的性能指标在很 大程度上决定了整个系统的性能。面临配送模式和业务规模重大改革的商业烟 草业对物流系统尤其是自动化分拣设备的需求越来越强烈。但是由于缺乏必要 的技术支撑，我国商业烟草领域分拣系统的自动化程度还不高，设备分散，低 水平重复现象严重，甚至手工分拣还大量存在，很难进行统一控制和管理，这 样大大制约了其作用的发挥及其自身水平的提高。 论文研究的目的是为卷烟自动分拣机进行性能优化，从而为卷烟自动分拣 机的生产、改进和系统实施提供支撑。论文重点讨论了分拣设备( 卧式机和柜 式机) 的工作原理、性能指标测试方法、测试数据的分析及分拣系统的总体框 架、设备选型、程序设计等，这对全面了解分拣设备性能、可靠实现系统设计、 提高系统实施的速度和科学性具有重要意义。 首先简明介绍了自动分拣系统的研究和应用现状，尤其是自动分拣系统在 我国烟草行业的应用情况，讨论了目前较为常用的几种分拣策略和分拣设备及 其各自的优缺点，并对它们各自的特点、适用条件作了比较，充分论证了研究 本课题的必要性。 其次，以两种类型的卷烟自动分拣机为对象，详细介绍了这两种分拣机的 结构、原理，并根据分拣机正常工作状态下的工作方式把卧式机动作分解成一 次补烟动作、二次补烟动作、拨烟动作、初次出烟动作、连续出烟动作，为进 一步的测试分析打下了基础。 然后，论文通过针对各分拣机各个动作的效率指标测试，理清了分拣机各 分解动作的性能差异性和稳定性，并指出了影响不同分拣机不同分解动作稳定 性的可能原因，制定了分拣机分解动作的性能标准并定义了标准分拣机，优化 了机器性能。然后设计了验证性测试，验证了前面测试数据的准确性和性能标 准的可靠性。论文又讨论了分拣机效率的影响因素，并且利用制定的性能标准 计算了分拣机的效率指标，从而掌握了整台分拣机的性能，为以后的系统开发 和产品改进提供了支撑，表明这种分拣设备性能还有很大的提升空间。这也正 是论文的价值所在。 最后，本文从系统要求、系统架构、控制系统等几个方面介绍了为某地市 烟草配送中心设计的分拣系统，重点介绍了前面制定的性能标准在可编程控制 山东大学硕士学位论文 器程序设计中的成功应用。 关键词：卷烟自动分拣机；性能测试；性能优化；标准 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb 弱eo fc i g a r e 优es o n i n gs ”t e mi sa u t o m a t i cs o n i i l ge q u i p m e mw l l i c h p e r f o 肌a n c ed e c i d e sm o s n yn l ep e r f b 彻a n c eo ft l l ew h o l es y s t e m t h ef i e l di n c o m m e r c i a lt o b a c c oi si ns 仃o n gn e e do nm o d e ml o 舀s t i c a ls y s t e me s p e c i a l l yo n a u t o m a t i cs o r t i n gc q u i p m e n t ，f - a c i l l gg r e a tr e 内皿i i lm o d e 锄ds c a l e h o w e v e r m e l e v e lo fa u t o m a t i o ni nc o m m e r c i a lt o b a c c of i e l di n0 1 l rc o u n t r yi ss t i l l1 0 wd u et o s 印a r a t e de q u i p m e n ta i l ds e r i o u s l ys i n l p l yr 印e a t e dc o n s t n l c t i o nw i t l l o u tn e c e s s a r y t e c h n 0 1 0 9 y w h a t sw o r s e ，t h e r ei ss o n i l l go p e f a t i o nb yh a l l dc 咖m o l l l yi nm a n y d i s t r i b 砸o nc e n t e r sw 1 1 i c hi st h ed i s c o u n tt of i l up e r f b 册a n c e 锄d 也ed e v e l 叩m e n t o f d i s t r i b u t i o nc e n t e r t h ea i mo ft h i st h c s i si st os c a l em ep e r f b 珊a i l c eo fm ea u t o m a t i cs o n i n g m a c h i n ei no r d e rt 0p r 0 v i d eb 嬲e l n e n tf o r “sp r o d u c t i o n ，d e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n t h et h e s i s sf o c u si so ns e v e r a l 嬲p e c t ss u c h 弱p 渤c i p l e ，m e t l l o do f t e s t i n gp e r f o n n a n c ei n d e 】【，a n a l y s i s o nt l l ed a t a ，g e n e r a l 丘咖e ，s e l e c 6 0 no f e q u i p m e n tt y p e ，p r 0 母a r n m i n gw l l i c ha r ei m p o n a n tt ow h o l ek n o w l e 心eo nt 圭l e p c r f b 册a n c e ，r e l i a b l es y s t 锄a t i cd e s i 印，f e 姻) na n ds p e e do f a p p l i c a t i 鲫 f i s t l y ，t h et h e s i si n 仰d u c e sm ep r o 掣e s si nm er e s e a r c ha n d 印p l i c a t i o no f a u t o m a t i cs o r t i n gs y s t e mi nt o b a c c of i e l d ，i n c l u d i n gd i s c u s s i n ga b o u tt h ea d v a n t a g e a n dd i s a d v a l l t a g eo f t h em o s tc o 姗o n s o n i n gs t r a t e g ) ra 1 1 de q u i p m e n ta 1 1 dm a k i i l ga c o m p a 肋锄to nt h e i rf e a t i l r ew h i c hs h o w st h en e c c e s a r i t yo f t h ep r o 掣锄e s e c o n d i y ，“d e t a i l st h ec o n 蛐m c t i o n ，g e n c r a ip r i n c 昂1 e 眦e rm o r e ，m e t h e s i sd i v i d e st l i eh o r i z o n t a ls o r t i n gm a c l l i n e sw o r 嫡n g w a yi n t os e v e r a ls u b a c t i o n s i n c l u d i n gf i r s t l yr e p l e n i s h i n ga c t i o n ，s e c o n d l yr 印l c n i s h i n ga c t i o n ，p o k i n ga c t i o n ， 矗s n yp r o d u c i n ga c t i o n ，s e c o n d l yp r o d u c i n ga c t i 彻 粕dv e n i c a lm a c l l i j n o p r o d u c i n ga c t i o nw h i c hm a k e sag o o dp r 印a r e m e n tf o rt h e 矗1 r n l c r 卸矗l y s i s a n dt h e n ，m et l e s i st e s t st l l er a t ei n d e xo fs o r t i n gm a c l l i n e s 丘d mam l ls c t s o r t i n gs y s t e i l l w eu n d e r s t a n dt h es t a b i l i i ya n dt l l ed i f f 打e n c eo f i h ep e r f o r r i l 姐c eo f t 1 1 es u b a c t i o n s a n dw ea i l a l y s et l l e p o s s i b i ef a c t o r sw h i c hc 她i n n u e n c et h e p e r f o m a n c eo ft h es o r t i n gm a c h i n e s na i l a l y s e sm ed a t af 1 1 r t h e r l ya i l dm a k e sm e h f 山东大学硕士学位论文 s t 锄d a r do fs u b a c t i o n s 托ds t a n d a r dm a c l l i n e w ed e s i 弘at e s tt oi d e n t i f yt h e i n c u r r 勰c y a n dr e l i a b i i i t y t h et h e s i sd i s c u s s e st h ef a c t o 塔w l l i c hb r i n g sb a d i n n u e i l c eo nt h er a t eo fm a c i l i n e sa i l dc o m p u t e st h er a t eo ft h es o n i n gm a c l l i n eb y t h ef o 衄e rs t a i l d a r dw h i c hh e l p su st ol l i l d e r s t a n dt h ep e r f o n n a n c eo faw h o l e m a c h i n ew h e r et l l ev a l u eo f t l l ed i s s e r t a t i o nl i e si 1 1 f i n a l l y t h ed i s s e r t a t i o ns h o w st l l ew h o l ed e s 和o ft h es o n i n gs y s t e m 疗0 mt h e a s p e c t ss u c ha ss ”t e mr c q u i e r e m e n t s ，s y s t e ma r c h i t e c t l l r e ，c o n t i d ls y s t e m n c o m p l a i l l sm es u c c e s s f i l la p p l i c a t i o no ft h ef o m e r t e s td a t ai i lm e 印p l i c a t i o nf o r p r o 铲a m e i i l t l l e p l c k e yw o r d s ：a u t o m a t i cc i g r i t t es o 币n gm h i n e ； p e r f o m l a n c e t e s t ； p e r f b 埘衄n c eo p t i m i z a t i o n ；p c r f o n n a n c es t a i l d 莉 i v 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鑫本箪 日期丝立幽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一：衅名畔 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 依据我国配送中心的规模选用卷烟自动分拣系统是比较合适的。然而这个 层次分拣设备的研发和生产上国外设备价格比较高，距离实际应用还比较远， 我国自主生产的设备还在起步阶段。针对这一情况，山东兰剑物流自主研发了 卷烟自动分拣系统。 在新型卷烟自动分拣系统的研发过程中，新型分拣机的研发是一切工作的 基础。科学地研究新型分拣机性能，分析分拣机的功能和工作流程，无论是对 新型分拣机的研发、上位机分拣算法参数的确定以及以后的实际应用都具有异 常重要的意义。 本文正是基于这样的实际需求进行了新型分拣机的性能研究和系统实现工 作。 1 2 分拣系统的研究现状 现代物流包括运输的合理化、仓储自动化、包装标准化、装卸机械化、加 工配送一体化和信息管理网络化等很多方面，并且现代物流水平己成为一个国 家综合国力的重要标志。在整个物流体系中配送物流系统占有非常重要的位置， 而分拣系统又是配送系统建设的核心部分，是多种现代技术有效集成的结果。 美、日、欧等西方国家的分拣系统发展比较早，技术领先。而我国在这个领域 则起步较晚，相对比较落后。近几年我国在分拣领域的研究正处于蓬勃发展时 期，不断有新的研究成果涌现，前景十分广阔【”。 从研究的角度看，对分拣系统的研究主要包括两大部分：一部分是关于分 拣策略和路径优化问题的研究；另一种是分拣设备的研究。这两个方面缺一不 可，相辅相成，在某种程度说，后者比较前者而言更具基础性。应该说近几年 关于分拣策略的研究相对较多，尤其是订单处理策略、分拣路径优化以及算法 研究。其中有c h e - h u n gl i n ，i u a l l y h a i ll u 的配送中心订单分拣策略的研列2 1 。 硒c h a r dl d a n i e l s ，j e 衢e yl r u m m e l 对仓库订单分拣的研究网，k e e sj 锄 r o o d b e r g e n ，r e n 6d ek o s t e r 的对有中间过道仓库的研究【4 】， c h a r l e sg p e t e r s e n ，g e r a l d a a s e 研究了分拣、存储和路径这三个因素在订单拣选行程中 的影响【5 1 。马士华、文坚的分批策略根据时间延迟思想，综合考虑了拣货作业 山东大学硕士学位论文 环节和分拣包装环节的工作效率，提出了一种消除因时窗分批不平衡而导致的 等待时间和闲忙不均的动态时窗设计与判断方法，从而保证拣货系统的连续性 和均衡性【6 ”。李凯就卷烟分拣的几种优化模型展开了较深入的探讨，并以仿真 的手段进行了验证【引。另外还有有关仓库分拣路径优化、存储分配策略研究及 分拣效率评价的研究，这些都对基于一定分拣系统之上提高分拣效率如分批与 存储分配策略对分拣的影响、包裹分拣系统不同组成部分之间的影响、货品存 储位置等对分拣的影响等【9 t 1 0 川，为不断改进设施设备提供了有益借鉴。 从应用上看，分拣系统应用在不同领域也越来越广泛。王文胜按照包裹分 拣、贮存及发运的要求设计了邮局悬挂分拣机控制系统。该系统的特点是结构 紧凑、故障率低、维修灵活方便、抗干扰能力强，整机效率高等【1 2 】。在机器人 和机械设计领域，用于分拣搬运的机器人设计也日渐成熟，应用也日益广泛， 并且面向高精度领域的应用也越来越多【1 3 】。为解决零件集中混型输送和识别问 题，引入了零件分拣机，连接生产线、后续处理和包装区间，实现零件分类包装 【1 4 ，1 5 】。特种用途的分拣机械，如水果及其他农产品分拣机，电池分拣机，羽毛球 分拣系统，乒乓球分拣系统，发光二极管分拣系统等多种多样的分拣系统吸引 了一批研究者和企业的目光，应用市场不断开拓并逐渐得到市场的青睐f 1 0 1 。 1 3 分拣系统的应用现状 分拣系统应用最早，普及最广，技术最成熟的应该算是邮政领域。从国内 外两个角度来看，已经开发出多种适应不同场合的分拣设备和分拣系统，如悬 挂式包裹分拣机，推块式分拣机，语音识别分拣系统、图象识别分拣系统等【2 1 0 2 1 。 近几年来物流系统的需求不断增长，医药、烟草、图书等行业纷纷斥资建设物 流配送中心。随着物流系统的建设，越来越多具有较高技术含量的物流自动分 拣设备逐渐进入中国市场。但到目前为止，这些设备中大部分还是主要由国外 厂商提供的，如欧洲的v a n d e l a n d e 、s a n d v i k 、k n a p p 、日本的o k u r a 、d a i f u k u 、 m u r a t e c 等【2 引。 目前，烟草商业领域对分拣设备和分拣系统的需求非常旺盛，发展迅速， 这在以前是难以想象的。因为，在2 0 0 5 年以前，国内烟草商业物流处理除少数 配送中心采用自动化处理设备进行物流作业外，大部分采用电子标签拣选系统 进行处理，有的甚至还采用手工处理方式。 现代物流在烟草行业的蓬勃发展有其特殊之处。首先，整个烟草行业对烟 2 山东大学硕士学位论文 草现代物流建设非常重视，工作力度大。其次，烟草行业资金相对比较充裕， 同时除了整个行业的理念统一、系统规划、标准体系建设、政策制定、网络建 设之外，一批具较大规模、较高自动化程度、较强特征、取得良好效果的卷烟 物流配送中心项目的建成使用，起到了很好的示范带动作用。再者，在烟草物 流中心处理环节主要以分拣为核心；在作业流程上，一般不允许顺序错误乱， 所处理物品主要是件烟和条烟，以条烟分拣为主，大部分规格型号较为标准， 易于实现自动化处理，处理量大，对物流作业的准确率和效率要求较高等客观 条件也极大地促进了烟草物流的发展】。 目前常用的条烟分拣设备可分为两类。一类是条烟分拣流水线。这类设备 的特征是以条烟传送为纽带，将分拣作业划分为若干道工序，由依次排列在传 送带一侧或两侧的分拣工人完成。其分拣过程的三个环节( 上烟、分拣、收烟) 几乎完全依赖人工，机械装置起辅助作用。分拣流水线的结构十分简单，因而 价格也较低廉，但其缺点也十分明显需要人工较多，尤其是要提高分拣 效率，只能通过增加人工数量和加大劳动强度来实现。因而这类设备适用于分 拣数量不大、分拣效率要求不高的企业，其典型设备是电子标签r f 辅助拣选。 在我国的实际应用有：武汉烟草物流配送中心使用的主体分拣设备为电子标签 式分拣线，由7 台电子标签分拣设备组成【2 ”。 另一类是条烟自动分拣机。这类设备以机械自动化为特征，主要分拣作业 ( 尤其是劳动强度大的作业) 部分或全部由机器来完成，人工一般仅担负分拣 的辅助作业。根据自动化覆盖分拣过程的程度不同，条烟自动分拣机还可细分 为半自动和全自动两种类型。 1 、半自动条烟分拣机至少应达到将分拣过程三个环节( 上烟、分拣、收烟) 中的分拣作业实现机械自动化。在条烟分拣流水线中，分拣作业是消耗人工较 多的环节，不仅要求工人长时间保持快速动作，还要保持头脑清醒，否则会影 响分拣效率和分拣正确率。半自动分拣机将分拣环节实现自动化以后，不仅能 降低人工数量、减轻劳动强度，更重要的是分拣效率由机器稳定地保持，不再 依赖人工，因而出错也明显减少，还可省去反复核对条烟数量这一环节。因此， 半自动分拣机适用于分拣数量较大、分拣效率要求较高的企业，其典型设备有 a f r a m e 结构的条烟分拣机、卧式条烟分拣机等。这种设备主要针对条烟自动 分拣开发，针对性强，适应性强，比较适合我国应用的实际情况。现在，很多 配送中心采用的是半自动的分拣系统。如福州配送中心已安装4 台套的 山东大学硕士学位论文 z f m 4 8 0 2 型半自动分拣生产线，可承担福州市和闽侯、长乐、连江，永泰、 闽清、罗源六县( 市) 配送卷烟的分拣配货工作。河南省安阳烟草分公司卷烟 配送中心使用的是2 条半自动分拣线，厦门烟草使用两条半自动分拣线，南通 烟草杭州引进型号为s c e d 1 0 0 卷烟半自动分拣线，采用计算机与人工分拣相 结合；温州烟草公司配送中心平阳分中心选择了杭州伊凡特科技有限公司的 d t - i i 型卷烟自动分拣线，并结合了以前分拣线的优点，对货架等细微处作 了修改，使其更符合人性化生产。湖北荆州市烟草公司配送中心也是使用杭州 伊凡特科技有限公司的分拣线。杭州卷烟配送中心最早采用的是半自动分拣线 进行卷烟配货，后来随着卷烟配货数量的增多，他们采用了一套自行研发的全 自动分拣线。还有一些国外的分拣产品，如奥地利k n a p p 公司独立开发的i 一8 k 自动条烟拣选设备一该设备的原型是已在欧洲、巴西等烟草公司的成品 配送中心广泛使用的h v 和m u 型高速条烟分拣机。 2 、高速全自动条烟拆箱和拣选设备。 全自动条烟分拣机的自动化程度很高，分拣过程各环节基本实现自动化， 即除了分拣工序完全自动化以外，上烟、收烟两个环节也要基本实现自动化。 由于其主要环节均采用机械自动作业，因而能够实现系统的自动化，并可以采 用一些高速分拣的结构和机构，如通道式结构、双动分拣机构等。这种设备的 特点是条烟自拆箱开始实现全自动化的拣选和装箱，拣选性能很高。杭州卷烟 配送中心就采用了全自动分拣线。这种全自动分拣线采用双层叠加设计，能够 自动完成补货、分拣和包装等作业流程。根据电脑命令，仓储区的卷烟通过件 烟填装机按序、分批地进行填装，并输送到暂存滑道。随后，由补货机器人把 卷烟输送到流水线进行自动化分拣，由自动包装机按户包装，实现了无分拣人 员的全封闭操作。但是这种全自动分拣设备构造复杂，导致设备投资过高，设 备维护不易，冗余性不高，一旦故障后果将很难处理。目前，这类设备国内还 未见有典型的机型【2 5 ，2 6 1 。 我国的卷烟配送中心以低于1 0 0 万大箱吞吐量的居多，如果选用高速全自 动条烟拆箱和拣选设备，投入过大，可拣选品种太少，浪费了本身拣选性能高 的优点，对环境和产品的苛刻要求使得系统灵活性大为降低；如果单独选用a f r 鲫e ，则其补货困难、人员占用多也决定其本身不是高速条烟拣选的最佳设 备。应该说选取自动分拣设备比较适合。这种设备既能满足条烟a b c 分类特点， 又能适当地平衡订单自动化完成百分比和品种数之间的对应关系，将来的扩展 4 山东大学硕士学位论文 也相当容易。 1 4 本文的主要研究内容 本文研究的是一种新型卷烟分拣机与系统实现，这类自动分拣系统都是由 多个分拣单机组成的，其在分拣过程中，各分拣单机根据上位机预定的分拣次 序和分拣要求共同完成分拣任务。其中分拣机性能的可靠性和稳定性是分拣线 是否能够正常工作的重要影响因素。本文针对这种情况，通过对新型分拣机的 性能测试、分析和优化，得出了可靠的结论，并实现了整个分拣系统。本文主 要内容如下： 1 介绍了卷烟分拣系统的研究和应用现状。 2 分析了目前已经投入使用的分拣机的工作原理，深入分析了新型自动卷 烟分拣机的工作原理和工作流程，并对分拣功能模块进行了合理划分，然后为 了便于研究对各个功能做了命名。 3 对各个功能设立了相应的时间指标，并对这些时间指标进行了实际测试 和数据分析，从而得出了新型卷烟分拣机的稳定性和可靠性指标。 4 基于前面的分析，得出了新型卷烟自动分拣机的性能指标，并制定了性 能标准和标准机，为以后整个系统的实际开发提供了参数依据。 5 利用所得的机器性能，结合卷烟配送中心的实际需要，简要介绍了整个 分拣系统的软硬件实现。 山东大学硕士学位论文 第2 章新型卷烟自动分拣机的工作原理 2 1 常用卷烟分拣机的原理及其主要特点 1 、电子标签压强辅助分拣设备 电子标签辅助拣货系统通常是由控制p c 机、系统网络、电子标签三部分 组成，其工作过程一般为控制p c 机将客户订单中的商品数量通过系统网络传 输到仓库货架上的对应电子标签显示，并提示拣货人员拣取相应数量的商品， 拣货人员完成拣货后按下确认键即可，货物由自动传输系统运走，这样一次拣 货任务就告结束【2 7 1 。利用电子标签分拣的方式实现半自动化分拣，平均分拣速 率达7 0 0 0 条，小时，最大分拣速率达到1 1 0 0 0 条小时，臼分拣量达1 1 2 0 1 7 6 0 件( 按8 小时工作制计算) 其特点就是投资较省，但占用人员较多，劳动强度 大，对于销量要求比较大的配送中心来说不是很好的选择。 2 、自动条烟分拣设备 在这里举两个例子，一种是国产自动分拣设备【2 8 1 。这种卷烟分拣装置的系 统结构可分为配烟和收集两部分。在配烟部分一共有4 0 个配料单元，分别对应 4 0 个品牌仓，每个进料系统有一个推烟气缸，可中途停止和继续前进。推烟气 缸推到不同位置就推出不同数量的卷烟。收集部分均采用单电控气阀驱动气缸， 通过6 个气缸的组合动作完成。分拣出的卷烟通过装有收集箱的链条传送出去。 其实际分拣能力还没有确切的数据。 【2 6 l 种是进口卷烟分拣设备。以奥地利k n 印p 公司独立开发的新型高速条 烟自动拣选机v 一8 k 自动条烟拣选设备为例。该设备是转为条烟自动化 拣选开发，因而具有非常强的针对性，是注意考虑条烟本身物理特性和配送订 单结构的产品，也有条烟的收集装置，适用于各类大中型的条烟配送中心。通 常单条拣选线的性能为： 最大容纳品牌数：3 4 种 最大理论弹出能力：1 1 7 0 0 条，j 、时 最大理论拣选能力：9 0 0 0 条，j 、时 该设备采用模块化结构，使得设备维护频率低，系统灵活性大，能轻柔处 理条烟，还有利于以后系统的扩充。但作为进口产品，同国产分拣设备相比价 格高、维护成本高，分拣效率相对于电子标签来说并没有人们期望那么高。 6 山东大学硕士学位论文 3 、全自动条烟拣选设备【2 6 】。 这种设备从条烟拆箱开始实现全自动化的拣选和装箱，拣选性能很高。但 是系统本身致命的缺陷是无法容纳大量品种，而且对条烟的外形尺寸和操作环 境温湿度要求严格，构造复杂，导致设备投资过高，设备维护不易，冗余性不 高。适用于a 类产品品种很少但定货量特别大的情况( 以目前国内的条烟品牌 结构来看，这种情况很少出现) 。所以这种设备适用场合是投资和规模皆为超大 型的配送中心，普天万向为北京烟草设计的全自动分拣机，结构复杂，造价高 昂，目前还没有显现出其应有的价值。 设备性能如下： 最大容纳品牌数：小于1 3 种 最大理论拣选能力：5 4 0 0 0 条小时 由于允许容纳的品种太少，使得订单的自动完成的比例大大低于设备性能 值，从而需要下游对未完成的订单进行二次处理，这也是该设备的另一大缺点。 另外，只适用于极少品种数量的拣选限制了该设备的使用，因此该类型设备的 实际应用还非常少。 2 2 新型卷烟分拣系统 本文研究的新型卷烟分拣系统主要由自动分拣设备、输送设备、控制系统、 装箱设备、合单系统等组成。本文着重研究分拣设备中各分拣机的性能指标。 本文研究的自动化分拣机主要包括两大系列：一、卧式卷烟分拣机( 以后 简称“卧式机”) ；二、柜式卷烟分拣机( 以后简称“柜式机”) 。 2 2 1 卧式卷烟分拣机 卧式机( 如图2 1 所示) 主要由条烟输送机构、拣出机构、基座、控制系 图2 1 卧式卷烟分拣机 7 山东大学硕士学位论文 统等构成；条烟输送机构、拣出机构均安装在基座上，控制系统与条烟输送机 构、拣出机构相连接。 为了便于分析，在此把机器的各个部分按照功能划分为几个作业区：一次 补烟区，二次补烟区、拨烟区、出烟区。 条烟输送机构由补烟箱、进烟滚筒、补烟电机、拨烟杆、拨烟电机、传动 机构、传感器等组成。在控制系统的控制下，将件烟人工补到补烟箱后机器将 条烟由一次补烟区经由二次补烟区传送到拨烟区或者直接从二次补烟区传送到 拨烟区，再由拨烟区将条烟5 条一组拨到出烟区。 拣出机构由出烟皮带，出烟电机、电磁阎、传感器等组成。控制系统根据 需要出烟皮带上的条烟数量下达下烟指令，拣出机构依靠出烟皮带、电磁阀以 及传感器做出正确的出烟动作，一次出烟的数量为一到五条。出烟皮带无烟时 由条烟输送机构自动补烟。 基座支撑整个机身，高度可调。 控制系统由可编程控制器( p l c ) 组成，实现对条烟输送机构、拣出机构的动 作控制；计算机信息处理系统通过现场总线实现与控制系统进行信息交换。 该卷烟分拣机的补烟采取件烟补货的方式，考虑了现有成品卷烟的包装形 式和特点，使补烟操作简单方便2 9 删。 卧式分拣机是解决销量大卷烟品种的自动分拣的关键设备，其优点是自动 分拣效率高，件烟补货，其缺点是设备结构复杂，成本较高。 从以上方面可以看出，卧式机的机构复杂、动作组合多、分拣效率高，是 构成卷烟分拣线的主体。该设备的特点是：模块化结构、维护频率低、系统灵 活性大、对条烟的尺寸要求不苛刻，a b c 品牌分类有变化时容易适应) ，能轻柔 处理条烟，易扩充( 增加拣选线时可增加能容纳的品牌数和拣选能力) ，整台机 器结构紧凑，工作可靠，出错率低；拣出单元一次拣出条数可以是1 条到5 条 之间( 包括1 条和5 条) ；完成下烟任务需要多次出烟的，如果出烟次数多于两 次，那么第一次出烟的条数将是皮带上剩余的条烟数，最后一次就是整个任务 剩余的数目( 在l 条到5 条之间，。包括l 条和5 条) ，中间每次出烟都是5 条； 本种卧式机适用范围广，可用多台分拣机任意组合成各种分拣系统，实现多品 种卷烟的分拣作业，分拣效率高。此外还有最重要的一点是补货操作异常简便 和经济。 山东大学硕士学位论文 2 2 2 柜式卷烟分拣机 柜式机( 如图2 2 所示) 实际上是一种a 一丘a m e ( a 型架拣选机) 的改进 型，单台柜式机由储烟机构、拣出机构、控制系统、基座以及其下端的自动输 送设备等组成。 其中储烟机构指放置条烟的货架。这种货架最多可以容纳2 0 一2 5 条烟；货 架上的条烟按品种、规格分别分列堆码，一般一个货格码放同品牌、同规格的 卷烟产品2 0 2 5 ，根据配送订单的结构需要，原则上每个品牌每种规格放一个 货格，对于量大的品牌品种，可以合理分布多个货格。拣出机构在推烟电机的 作用下由条烟自动拨头将条烟直接从储烟区拨出完成拣出动作。通常采用摆放 图2 - 2 柜式卷烟分拣机 两排货架，两边补货。一排货架使用一条输送带的方案，这样就可避免不 同货架出烟时的相互干扰，保证出烟顺序和出烟姿态。柜式机通常1 0 台为一组 组合在一起组成一个分拣机组，如图2 2 所示。 柜式机的主要特点是结构精巧，外形紧凑，占地面积省，容纳的物品品种 多；适用类似条烟这种体积小、重量轻、外包装牢固结实、允许以一定高差弹 出的物品的分拣，能够在短时间内完成大量的品种繁杂、单项订货数量少的配 送订单的要求。在条烟处理方面，使用柜式机也有其缺点：是需要成条地补 货，效率低，人员消耗大，补烟困难；二是多台机器组成一个整体，不便于维 修。 柜式机的应用重点解决多品种、小批量的条烟自动分拣问题。而卧式机能 够很好的适应大批量定单的要求。基于这样的分析，将分拣机组再连同多台卧 9 山东大学硕士学位论文 式机、分拣输送设备、分拣控制系统组成一条完整的分拣线，通过有效科学的 订单分析，充分考虑不同分拣设备的不同特点，取长补短，最大发挥分拣线的 整体性能。 另外，自动化拣选设备的单线能力只能看作在某种理想状态下的设备能力。 在实际运行中，订单大小、订单品牌结构等因素往往会对设备实际拣选能力产 生很大影响； 2 3 卷烟分拣机的动作划分 为了分析机器性能与效率，在此把卷烟分拣机的分拣动作分解为若干动作。 这些动作连贯起来就组成连贯的分拣动作完成分拣任务。划分了这些动作之后 就能够对机器各个动作进行具体分析，从而研究机器性能的可能差异性以及产 生这些差异性的原因，将这些动作组合起来就可以分析整台机器的性能优劣。 2 3 1 卧式机动作划分 根据分拣机的进行卷烟分拣时的动作顺序和动作特点，我们把卧式分拣机 的分拣动作分为补烟动作、拨烟动作和出烟动作。 具体来说，补烟动作有两种情况。一是条烟在传动辊子的作用下从一次补 烟区到拨烟区所用时间较长，称之为一次补烟动作；二是条烟在传动辊子的作 用下从二次补烟区到拨烟区的动作称之为二次补烟动作。 出烟动作也有两种情况。从出烟皮带启动到第一次出烟的动作完成称之为 初次出烟动作。如果出烟皮带上的条烟数小于该机器本次出烟的数量，那么就 需要从拨烟区拨烟到出烟皮带上，然后再经由出烟皮带完成出烟动作。在实际 工作时，条烟从拨烟区到出烟区时不做停留而是直接从出烟区完成出烟，这样 的出烟条烟是有初速度的，因此这个出烟动作要比出烟动作要快。我们把这个 出烟动作称之为继续出烟动作。 2 - 3 2 柜式机动作划分 对于柜式机而言，出烟动作比较简单，因此我们只需研究推烟电机带动下 条烟自动拨头的推烟动作。 2 4 本章小结 本章首先介绍了目前常用的几种卷烟分拣机的原理特性，并着重分析了本 文要研究的柜式分拣机和卧式分拣机的工作原理，技术特点和适用范围。为了 l o 山东大学硕士学位论文 更好的分析这两种分拣机的技术性能，还对柜式机和卧式机的作业动作作了详 细的划分，为以后章节的测试打下了基础。 山东大学硕士学位论文 第3 章卷烟分拣机效率指标测试 3 1 卷烟分拣机测试方案的确定 卷烟分拣机的性能指标包括性能的可靠性和分拣效率，是考察分拣机设计 是否合理的重要指标。卷烟分拣机的性能测试是为了测试该新型卷烟分拣机的 性能指标而设计的，在此阶段得出的数据也是分拣系统在实施阶段上位机和下 位机程序设计的重要参数。 新型卷烟分拣机的性能测试包括两部分：一是专门测试机器本身动作可靠 性的无烟测试。这种测试主要是测试机器的机械安装是否到位，各个零部件是 否能够正常动作等最基本的安装要求，这部分测试是面向安装的。二是为测试 分拣机完成分拣作业的各分解动作的效率而设计的有烟测试方案。该方案主要 测试各分解动作的效率，并且在无烟测试的基础上兼顾测试机器能否正常工作。 在此我们主要讨论为测试机器效率指标而设计的有烟测试方案，以后我们称之 为卷烟分拣机的效率指标测试。整个测试方案的制定需要遵守两个原则，一是 使得测得数据能够全面反映分拣机的各项性能指标，二是要是测试尽量简单、 清晰、有条理。 3 1 1 卧式分拣机各动作时间的命名 整台分拣机的分拣效率是通过分拣机的各个动作的效率来体现的，而各个 动作的效率我们可以通过单个动作的执行时间来衡量。通过第二章的分拣机动 作划分，我们把各个动作的执行时间加以命名。 一次补烟时间( t 1 1 ) 指的是与一次补烟动作相对应的动作时间，也即一次补烟区的条烟移动到 气动挡板之前消耗的时间，在计算设备下烟的时间时需要给予考虑，是影响设 备分拣效率的重要参数。 卧式分拣机的后电机、辊子、辊子之间连接皮带、机械安装等的差异是造 成一次补烟时间( t 1 1 ) 参数差异的最大因素。 由卧式分拣机电机转速及运动距离可知此时间在整体下烟时间中耗时最 长，但是在实际分拣过程中由于订单结构的原因，此段时间发生的机率较小。 二次补烟时间( t 1 ) 指的是二次补烟动作所需要的动作时间，在二次补烟区的条烟移动到气动 1 2 山东大学硕士学位论文 挡板之前消耗的时间，在计算设备下烟的时间时需要给予考虑，是影响设备分 拣效率的重要参数。 与一次补烟时间类似，卧式分拣杌的后电机，辊子，辊子之间连接皮带、 机械安装等的差异是造成二次补烟时间参数差异的最大因素。 由分拣机电机转速可知，此时间在整体下烟时间中耗时最长，但是在实际 分拣过程中由于订单结构的原因，此段时间发生的机率较小。 拨烟时间( t 2 ) 指的是拨烟动作所需要的时间，即拨烟杆将5 条烟一次性拨到出烟皮带上 所用的时间，是影响设备分拣效率的主要参数。 卧式分拣机链条安装的松紧，电机的性能，拨烟杆的安装位置的差异是造 成拨烟时间参数差异的最大因素。拨烟时间t 2 对分拣效率的影响大小在很大程 度上取决于用户的订单情况。 初次出烟时间( t 3 初) 指的是初次出烟动作所需的时间，即出烟皮带转动将条烟甩出出烟口所用 的时间，是影响设备分拣效率的主要参数。 分拣机出烟皮带的松紧，出烟皮带是否跑偏，电机的性能，电磁阀的性能 和位置的差异是造成参数差异的重要因素。 连续出烟时间( t 3 ) 指的是一次连续出烟动作所需的时间，即出烟皮带转动将条烟甩出出烟口所用 的时间，是影响设备分拣效率的主要参数。 分拣机出烟皮带的松紧，出烟皮带是否跑偏，电机的性能，电磁阀的性能 和位置的差异( 主要是指在条烟的出烟过程中电磁阀有没有对条烟的行进产生 阻碍或者是产生多大阻碍) 是造成参数差异的重要因素。 至于对卧式分拣机效率影响最大的因素是初次出烟时间t 3 初还是连续出烟 时间t 3 的问题，主要取决于卧式分拣机所分拣的订单的情况。订单情况是对整 台机器乃至整条分拣线的分拣效率有重要影响的因素。 3 1 2 卧式机各动作时间的测试方案 一次补烟时间t 1 1 测试： 测试条件：p l c 计时器计时，一位有烟光电传感器 测试方法：人工将件烟补到一次补烟区，通过p l c 给单台分拣机下达测试 山东大学硕士学位论文 任务，计时开始。补烟区传动辊子开始带动5 0 条烟推进，到一位有烟光电传感 器检测到有烟传动辊子停止运动，计时结束，也即得到一次一次补烟时间，记 录测试数据。重复测试若干次。 二次补烟时间t l 测试： 测试条件：p l c 计时器计时，一位有烟光电传感器 测试方法：一次补烟完毕后，会有2 5 条烟在二次补烟区，2 5 条烟在二次 补烟区的挡板后。当二次补烟区2 5 条烟全部出完时挡板后的2 5 条烟开始在传 动辊子的带动下整体向二次补烟区运动，这时p l c 开始计时。当一位有烟光电 传感器检测到有烟时，二次补烟动作结束，计时结束，这样就测出了一次二次 补烟动作时间，记录测试数据。重复测试若干次。 拨烟时间t 2 测试： 测试条件：p l c 计时器计时，二位有烟光电传感器 测试方法：当出烟皮带上的条烟全部出完时开始计时，这时二次补烟区最 底一层的5 条烟将在拨烟杆的作用下向出烟皮带运动，二位有烟光电传感器检 测到有烟时拨烟动作结束，停止计时，这样便得到一次拨烟时间，记录测试数 据。重复测试若干次。 初次出烟时间t 3 初测试： 测试条件：p l c 计时器计时，二位有烟光电传感器 测试方法：通过p l c 给单台分拣机下达测试任务，计时开始。5 条烟在出 烟皮带的作用下向出烟口运动，当二位有烟传感器检测到无烟时，计时停止， 初次出烟动作结束，这样就得到一次初次出烟动作时间，记录测试数据。重复 测试若干次。 连续出烟时间t 3 测试： 测试条件：p l c 计时器计时，二位有烟光电传感器 测试方法：通过p l c 给单台分拣机下达测试任务使得分拣机一次下1 0 条烟， 第一个5 条出完后拨烟动作完成时计时开始。第二个5 条烟在出烟皮带的作用 下运动到二位有烟传感器检测到无烟时，计时停止，连续出烟动作结束，这样 就得到一次初次出烟动作时间，记录测试数据。重复测试若干次。 3 1 3 柜式机动作时间命名 推烟时间( t 4 ) 1 4 山东大学硕士学位论文 指的是推烟动作所需要的时间，即推烟块转动将条烟打出出烟口所用的时 间，是影响设备分拣效率的主要参数。 3 1 4 柜式机动作时间测试方案 推烟时间t 3 测试： 测试条件：p l c 计时器计时，出烟传感器 测试方法：通过p l c 给单台分拣机下达测试任务使得分拣机一次下5 条烟，测 出总的下烟时间，然后取平均值求出出一条烟的时间，这样得出一次t 4 的值， 记录测试数据。重复测试若干次。 3 2 分拣机性能测试数据与分析 3 2 1 理论基础【3 1 】 要分析各变量值之间的差异状况，就需要考察数据的分量值远离其中心值 的程度，因此也称为离中趋势。描述数据离散程度采用的测度值主要有极差、 方差和标准差。 1 、极差：一组数据的最大值与最小值之差，称为极差( r 姐g c ) ，也称全距， 用r 表示。计算公式为： r = m a x ( x i ) 一m i n ( x i )( 3 1 ) 式中m a x ( ) ( i ) 和m i i l ( ) ( i ) 分别表示一组数据的最大值和最小值。 2 、方差和标准差：各变量值与其平均数离差平方的平均数，称为方差 ( v 耐a l l c e ) 。方差的平方根，称为标准差( 8 t a l l d a r dd e v i a t i o n ) 。 方差( 或标准差) 是实际中应用最广泛的离散程度测度值，它反映了