跨境電商柔性物流包裝生產線*

謝小平 郭瑞琴 湯奇榮

同濟大學 機械與能源工程學院 上海 202311

1 設計背景

當前,跨境電商迅速發展,物流包裝是其中的重要環節。由于物流包裝標準化的水平較低,物流與包裝體系嚴重脫節。在跨境包裹的包裝過程中,包裹尺寸存在多樣性,常常出現包裝袋大小不匹配的問題,即小袋包大包裹、大袋包小包裹的情況,由此增加了物流包裝的成本和資源浪費。

20世紀90年代以來,袋成型包裝設備成為包裝設備的主要發展趨勢,袋成型、充填、封口等一系列技術是實現自動化包裝的重要途徑。傳統的袋成型、填充、封口技術多為固定式,無法柔性兼容多種尺寸的包裹,并且包裝流程煩瑣復雜。為解決這一問題,柔性包裝技術應運而生。柔性包裝技術能夠根據包裹的實際尺寸進行包裝,自動調整包裝袋的大小,以適應不同尺寸的包裹。柔性物流包裝技術的應用可以有效解決傳統物流包裝中存在的各種問題,提高物流效率和資源利用率。

目前,跨境電商的出口商品主要為服裝、鞋帽、家居產品、數碼產品等,商品種類多,且數量大,裝填、封合、貼標包裝作業采用人工方式居多,企業的包裹物流包裝瓶頸問題日益突出,長期高成本、低效率、低可靠性的人工物流包裝方式給企業的運營帶來很大負擔。

筆者在對跨境電商物流包裝流程分析的基礎上,根據柔性物流包裝生產線的特點優化物流包裝工藝流程,確定包裹輪廓尺寸的測量方式。結合優化后的包裝工藝、包裹種類及尺寸,確定物流包裝生產線的總體方案,重點對柔性物流包裝生產線的關鍵工序尺寸測量、自適應封切進行研究,設計柔性封切裝置機械結構,進而設計得到跨境電商柔性物流包裝生產線。在自制樣機上進行試驗驗證,確認可以實現對包裹的柔性化精準封切。

2 跨境電商物流包裝需求分析

2.1 跨境電商物流包裝特性

近幾年來,我國跨境電商迎來大發展機遇,出口商品種類越來越豐富,物流包裝呈現三方面特性。

(1) 多樣化包裹尺寸與形狀?？缇畴娚躺婕暗漠a品種類多樣,涵蓋數碼產品、服裝、鞋帽、家居產品等,尺寸和形狀各異,尺寸范圍大。

(2) 防護與輕量化?？缇嘲筮M行足夠的保護,并且跨境電商包裹運輸成本與包裹的體積及質量相關,由此要求包裹質量小、物袋貼合,以降低物流運輸成本。

(3) 包裝速度與可靠性?？缇畴娚掏ǔＰ枰谳^短時間內處理大量訂單,在保證快速打包和貼標的同時,還需要確保準確性,避免包裝錯誤問題。

2.2 跨境電商人工物流包裝作業流程

跨境電商物流包裝作業大多采用人工物流包裝方式,從包裹揀選至打包貼標完成,物流包裝作業主要內容包括:① 包裹分揀及識別;② 包裝袋選取;③ 包裹裝填;④ 包裝袋封口;⑤ 快遞標簽打印;⑥ 快遞標簽粘貼;⑦ 包裹及標簽信息核對;

某跨境電商當前人工物流包裝作業流程如圖1所示,對此進行分析。

圖1 跨境電商人工物流包裝作業流程

人工物流包裝作業流程基于小規模電商物流包裝作業而來,面對數量龐大、品類繁多的跨境電商包裹的包裝作業,主要存在三方面問題。

(1) 人工物流包裝方式效率低,流程相對復雜,單個包裹人工包裝作業時間較長。

(2) 人工作業自動化程度低,易出錯,可靠性差。

(3) 人工成本高,尤其是在購物季、促銷活動等高峰期。若要提高產能,則需大量投入人力,造成企業用人成本大幅上升。

從跨境電商物流包裝特性及人工包裝作業流程可以看出,需要解決包裹尺寸與形狀多樣化、包裝輕量化等問題,這對柔性物流包裝提出了更高的要求?？缇畴娚贪叽缧螤疃鄻踊?要求自適應制袋裝填及封口。人工作業效率低,則要求流水線式作業,提高包裝效率?？缇畴娚涛锪靼b作業難點問題與柔性物流包裝技術對應關系如圖2所示。

圖2 跨境電商物流包裝作業難點與柔性物流包裝技術對應關系

3 物流包裝作業流程優化

人工物流包裝作業痛點主要因素在于包裹形狀不同、尺寸不一,無法自適應、大批量包裝。解決人工包裝作業難點,需要解決包裹尺寸測量及物袋匹配等重點問題。對人工物流包裝作業流程進行優化,得到柔性物流包裝生產線,優化方案及原則如下:

(1) 采用實時測量技術,根據包裹實際尺寸匹配包裝袋;

(2) 自適應制袋方式,減小包裹包裝體積及質量,降低成本;

(3) 減少人工投入,采用自動化流水線作業,提高包裝效率。

具體優化技術如下:

(1) 包裹在線測量及自適應制袋技術代替人工判別包裹尺寸及選取包裝袋,制袋機構根據包裹實際測量尺寸大小進行制袋,實現物袋匹配;

(2) 采用自適應熱封技術,熱封裝置根據包裹實際測量尺寸進行自適應封口,實現柔性包裝;

(3) 包裹裝填與貼標合并,在包裹裝填的過程中實現標簽粘貼,并行工序,節約節拍;

(4) 采用傳送帶式上下料,提高包裝效率。

優化后的柔性物流包裝作業流程如圖3所示。

圖3 柔性物流包裝作業流程

在包裹尺寸測量工序,對上料的每一個包裹的外輪廓尺寸進行測量,測量數據供后道工序使用。為防止損傷包裹,測量方式需要采用無接觸式。在成型制袋工序,采用預折疊包裝薄膜,經三角成型機構折展為U形包裝袋形式。根據所測量的包裹長度尺寸,送膜機構送出指定長度薄膜?？爝f標簽粘貼工序和包裹裝填工序并行設計,制袋完成后,包裹經過中間傳送帶進入包裝袋,同時快遞粘貼機構執行標簽打印及粘貼。

在橫向熱封工序,根據所測量的包裹長度尺寸,換算為勻速傳送帶電機運行時間,包裹到達橫向熱封工位后,由移動橫向封刀完成封口?？v向熱封工序采用自適應設計,根據所測量的包裹寬度尺寸進行自適應封口。

4 柔性物流包裝生產線

4.1 總體布局

根據當前跨境電商人工物流包裝作業難點及柔性工藝路線要求,柔性物流包裝生產線工藝布局采用直線型設計,各工序由輸送帶連接而成。柔性物流包裝生產線工藝布局如圖4所示。

圖4 柔性物流包裝生產線工藝布局

包裹傳送采用傳送帶形式。包裹經過上料傳送帶后,對包裹輪廓尺寸進行測量,然后進入裝填工位、貼標工位。貼標完成,進入橫向熱封及縱向熱封工位。熱封完成,進入下料輸送帶,完成包裝。

柔性物流包裝生產線工藝布局具備四方面優勢及特點。

(1) 工藝路線簡潔、可靠,可實現大批量、自動化包裝。

(2) 可實現多品類、多尺寸包裹柔性物流包裝。

(3) 有效減小包裝質量、體積。

(4) 有效減少人工投入,降低人工成本。

4.2 包裹尺寸測量

由柔性物流包裝生產線作業流程可知,實現柔性、高效、高可靠性自動化物流包裝,需要解決物流包裝作業流程中包裹尺寸在線實時測量和自適應熱封兩個技術問題。因此,包裹尺寸測量與熱封是實現柔性物流包裝生產線的關鍵工序。

跨境電商包裹主要涉及鞋類、數碼產品、玩具、手提包等,形狀、大小不同,人工方式對包裹尺寸進行分揀,大大制約了物流包裝效率,且易出錯。

目前,跨境電商物流包裝材料主要為聚乙烯類薄膜包裝袋,具有保護商品、核對信息、方便運輸等作用。對包裝袋的尺寸精度要求不高,通常包裹在包裝袋中能夠自由活動即可。

跨境包裹進入物流包裝作業前,包裹已有初步包裝,如薄膜、紙盒等?？缇嘲锪靼b前實物如圖5所示。

圖5 跨境包裹物流包裝前實物

根據跨境包裹特征及品類,常見包裹尺寸范圍及精度要求見表1。

表1 包裹尺寸范圍及精度要求 mm

包裹輸送方式一般為傳送帶方式,輸送帶寬450 mm,檢測速度不低于10包/min。包裹進入裝填工位時,需尺寸檢測完成。

柔性物流包裝生產線要求大批量、自適應物流包裝作業,對包裹尺寸測量節拍要求高。為減小對跨境商品的損傷,采用無接觸式測量方式,包裹通過測量傳感器時,快速獲取包裹尺寸。

包裹尺寸測量包括長、寬、高。寬和高通過選用測量傳感器無接觸式測量獲取。長由包裹進入與離開測量傳感器的時間差及傳送帶速度計算得出,計算式為:

L=(T1-T0)V0

(1)

式中:L為包裹長;T0為包裹開始進入測量傳感器的時間;T1為包裹離開測量傳感器的時間;V0為上料傳送帶速度。

根據以上要求,在上料傳送線末端對包裹的高與寬同時進行測量。測量傳感器布置方式采用回字形,布置在左右及上下兩側鋁型材上。測量傳感器布置如圖6所示。

圖6 測量傳感器布置

包裹尺寸的測量分為兩步。第1步,對包裹的寬和高進行測量。第 2步,對包裹的長進行測量。

根據包裹尺寸范圍及測量傳感器布置方式,測量傳感器的技術要求見表2。

表2 測量傳感器技術要求

根據技術要求,選擇紅外光測量傳感器,寬方向測量傳感器型號為ESCL2410L1RY-2,高方向測量傳感器型號為ESCL1610LIRY-2。測量傳感器光幕形式均為對射式,各項技術參數均滿足測量要求,見表3。

表3 測量傳感器技術參數

4.3 自適應熱封裝置

熱封裝置是柔性物流包裝生產線的關鍵設備,主要包括橫向熱封與縱向熱封。薄膜經三角成型機構后被折展為三面開口的U形結構,每一次橫向熱封不僅是上一包裝袋的最終封口,同時也是下一包裝袋的初始封口,因此每一包裝袋僅需橫向、縱向熱封各一次,即可完成封口。包裝袋熱封如圖7所示。

圖7 包裝袋熱封

根據包裹尺寸范圍,選擇聚乙烯材質黑白預折疊包裝薄膜,寬為650 mm,厚為0.05 mm,封刀長度為450 mm,覆蓋包裹最大尺寸。柔性物流包裝生產線薄膜成型紙袋及包裝為連續不間斷模式,為實現不同尺寸包裹的連續柔性物流包裝,在熱封刀上加裝驅動控制機構,使其根據所測量的包裹尺寸,通過控制時間及機構定位,實現精準封口。

橫向熱封裝置如圖8所示。橫向封刀的驅動機構采用氣缸與多連桿傳動機構,橫向封刀安裝在長連桿末端安裝板上,封合壓板與短連桿末端相連接,通過氣缸推出主動桿或拉回主動桿,從而控制橫向封刀在導桿上運動。

圖8 橫向熱封裝置

連桿機構是橫向熱封裝置的關鍵部件,主要作用是傳遞運動至橫向封刀,實現熱封刀的開與合。熱封時,氣缸向前推動一定距離,擺桿帶動長連桿和短連桿,從而帶動滑塊相向運動,完成封切。連桿機構運動簡圖如圖9所示。

圖9 連桿機構運動簡圖

連桿機構為三角形結構,共由四段組成。AB為主動桿,CE為中心桿,主動桿及中心桿繞中心軸A軸旋轉。熱封時,AB桿B點受外力繞A軸旋轉λ1弧度,帶動CE桿繞A軸旋轉λ1弧度,中心桿C點旋轉帶動CD桿D點在Y軸方向向上移動至D′點,EF桿F點向下移動至F′點,帶動橫向封刀上下運動,完成封口。

縱向熱封裝置位于下料傳送帶上方,主要由直線模組、步進電機、驅動氣缸、滑動導桿、封合壓板等。組成,如圖10所示。包裝薄膜從縱向封刀口與封合壓板之間穿過,廢膜回收電機帶動包裹向前移動一定距離,封刀在X軸、Z軸兩個方向移動,完成封口。

縱向熱封分為三個階段:滑軌進程、封刀壓合、滑軌和氣缸復位。包裹到達封口位置時,直線模組在X軸方向運動至指定位置,由氣缸推動縱向封刀在Z軸方向運動。

縱向自適應封口如圖11所示?？v向封刀初始位置位于移動滑軌O1點,O1點與傳送帶左側邊緣距離為l1,寬測量傳感器測得包裹寬為l2。傳感器數據經可編程序控制器處理分析,控制步進電機轉速及運行時間,使直線模組帶動縱向封刀在滑軌上移動,距離為l3。根據包裹寬l2控制縱向封刀在滑軌上移動距離l3,從而實現自適應封口。相關計算式為:

圖11 縱向自適應封口

l3=l1-l2+Δl

(2)

式中:Δl為封口余量。

5 試驗驗證

5.1 原理樣機

柔性物流包裝生產線根據包裹尺寸進行自適應制袋、自動裝填、自動貼標、自適應封口,實現高速柔性物流包裝作業。

為驗證柔性物流包裝生產線包裝效果,根據設計方案制作原理樣機,如圖12所示。

圖12 原理樣機

5.2 試驗方法

為驗證柔性物流包裝生產線的包裝效果,取四種不同尺寸包裹進行尺寸測量、制袋裝填、橫向熱封及縱向熱封試驗,對包裹封口效果進行統計。

包裹分為規則四方體包裹與不規則包裹,具體參數見表4。

表4 包裹參數

包裹實物如圖13所示,從左向右依次為1號、2號、3號、4號。包裹按照不同尺寸梯度放置在上料傳送帶上。

圖13 包裹實物

5.3 試驗參數

包裝薄膜為聚乙烯材質,厚度為0.05 mm。包裝模式為自動模式,試驗節拍為5 包/min。封口溫度橫向封刀為160 ℃,縱向封刀為150 ℃,封口時間為2 s。試驗時氣壓不低于0.45 MPa。

5.4 試驗結果

在試驗過程中發現,包裹橫向熱封后左右兩側中一側出現輕微開口現象,開口尺寸為5～8 cm。分析原因,主要是封合壓板與橫向封刀的平行度誤差較大。調整封合壓板水平調整螺母后,平行度誤差減小,開口問題消除。

經反復調試試驗后,原理樣機運行總體可靠穩定,尺寸測量無漏檢,封刀移動平穩,各包裹物流包裝效果較好,封口平整無粘連、無破口。試驗物流包裝效果如圖14所示。

圖14 試驗物流包裝效果

6 結束語

筆者從減小物流包裝體積、質量和提高物流包裝效率三個方面對跨境電商包裹柔性物流包裝技術進行研究,設計了柔性物流包裝生產線。通過分析、優化人工物流包裝作業流程,提出柔性物流包裝生產線工藝布局。在傳統自動化包裝設備的基礎上,增加輪廓尺寸在線測量系統,測量精度達到±5 mm。設計自適應熱封裝置,實現高精度物袋匹配,最大自適應尺寸范圍達250 mm,包裝效率提高至5包/min。選用不同尺寸包裹對柔性物流包裝生產線進行功能、性能試驗,試驗效果良好。

筆者的研究內容可以為快遞物流包裝行業智能化包裝設備的研發設計提供技術支持。