谢小平 郭瑞琴 汤奇荣

同济大学 机械与能源工程学院 上海 202311

1 设计背景

当前,跨境电商迅速发展,物流包装是其中的重要环节。由于物流包装标准化的水平较低,物流与包装体系严重脱节。在跨境包裹的包装过程中,包裹尺寸存在多样性,常常出现包装袋大小不匹配的问题,即小袋包大包裹、大袋包小包裹的情况,由此增加了物流包装的成本和资源浪费。

20世纪90年代以来,袋成型包装设备成为包装设备的主要发展趋势,袋成型、充填、封口等一系列技术是实现自动化包装的重要途径。传统的袋成型、填充、封口技术多为固定式,无法柔性兼容多种尺寸的包裹,并且包装流程烦琐复杂。为解决这一问题,柔性包装技术应运而生。柔性包装技术能够根据包裹的实际尺寸进行包装,自动调整包装袋的大小,以适应不同尺寸的包裹。柔性物流包装技术的应用可以有效解决传统物流包装中存在的各种问题,提高物流效率和资源利用率。

目前,跨境电商的出口商品主要为服装、鞋帽、家居产品、数码产品等,商品种类多,且数量大,装填、封合、贴标包装作业采用人工方式居多,企业的包裹物流包装瓶颈问题日益突出,长期高成本、低效率、低可靠性的人工物流包装方式给企业的运营带来很大负担。

笔者在对跨境电商物流包装流程分析的基础上,根据柔性物流包装生产线的特点优化物流包装工艺流程,确定包裹轮廓尺寸的测量方式。结合优化后的包装工艺、包裹种类及尺寸,确定物流包装生产线的总体方案,重点对柔性物流包装生产线的关键工序尺寸测量、自适应封切进行研究,设计柔性封切装置机械结构,进而设计得到跨境电商柔性物流包装生产线。在自制样机上进行试验验证,确认可以实现对包裹的柔性化精准封切。

2 跨境电商物流包装需求分析

2.1 跨境电商物流包装特性

近几年来,我国跨境电商迎来大发展机遇,出口商品种类越来越丰富,物流包装呈现三方面特性。

(1) 多样化包裹尺寸与形状。跨境电商涉及的产品种类多样,涵盖数码产品、服装、鞋帽、家居产品等,尺寸和形状各异,尺寸范围大。

(2) 防护与轻量化。跨境包裹要求进行足够的保护,并且跨境电商包裹运输成本与包裹的体积及质量相关,由此要求包裹质量小、物袋贴合,以降低物流运输成本。

(3) 包装速度与可靠性。跨境电商通常需要在较短时间内处理大量订单,在保证快速打包和贴标的同时,还需要确保准确性,避免包装错误问题。

2.2 跨境电商人工物流包装作业流程

跨境电商物流包装作业大多采用人工物流包装方式,从包裹拣选至打包贴标完成,物流包装作业主要内容包括:① 包裹分拣及识别;② 包装袋选取;③ 包裹装填;④ 包装袋封口;⑤ 快递标签打印;⑥ 快递标签粘贴;⑦ 包裹及标签信息核对;

某跨境电商当前人工物流包装作业流程如图1所示,对此进行分析。

图1 跨境电商人工物流包装作业流程

人工物流包装作业流程基于小规模电商物流包装作业而来,面对数量庞大、品类繁多的跨境电商包裹的包装作业,主要存在三方面问题。

(1) 人工物流包装方式效率低,流程相对复杂,单个包裹人工包装作业时间较长。

(2) 人工作业自动化程度低,易出错,可靠性差。

(3) 人工成本高,尤其是在购物季、促销活动等高峰期。若要提高产能,则需大量投入人力,造成企业用人成本大幅上升。

从跨境电商物流包装特性及人工包装作业流程可以看出,需要解决包裹尺寸与形状多样化、包装轻量化等问题,这对柔性物流包装提出了更高的要求。跨境电商包裹尺寸形状多样化,要求自适应制袋装填及封口。人工作业效率低,则要求流水线式作业,提高包装效率。跨境电商物流包装作业难点问题与柔性物流包装技术对应关系如图2所示。

图2 跨境电商物流包装作业难点与柔性物流包装技术对应关系

3 物流包装作业流程优化

人工物流包装作业痛点主要因素在于包裹形状不同、尺寸不一,无法自适应、大批量包装。解决人工包装作业难点,需要解决包裹尺寸测量及物袋匹配等重点问题。对人工物流包装作业流程进行优化,得到柔性物流包装生产线,优化方案及原则如下:

(1) 采用实时测量技术,根据包裹实际尺寸匹配包装袋;

(2) 自适应制袋方式,减小包裹包装体积及质量,降低成本;

(3) 减少人工投入,采用自动化流水线作业,提高包装效率。

具体优化技术如下:

(1) 包裹在线测量及自适应制袋技术代替人工判别包裹尺寸及选取包装袋,制袋机构根据包裹实际测量尺寸大小进行制袋,实现物袋匹配;

(2) 采用自适应热封技术,热封装置根据包裹实际测量尺寸进行自适应封口,实现柔性包装;

(3) 包裹装填与贴标合并,在包裹装填的过程中实现标签粘贴,并行工序,节约节拍;

(4) 采用传送带式上下料,提高包装效率。

优化后的柔性物流包装作业流程如图3所示。

图3 柔性物流包装作业流程

在包裹尺寸测量工序,对上料的每一个包裹的外轮廓尺寸进行测量,测量数据供后道工序使用。为防止损伤包裹,测量方式需要采用无接触式。在成型制袋工序,采用预折叠包装薄膜,经三角成型机构折展为U形包装袋形式。根据所测量的包裹长度尺寸,送膜机构送出指定长度薄膜。快递标签粘贴工序和包裹装填工序并行设计,制袋完成后,包裹经过中间传送带进入包装袋,同时快递粘贴机构执行标签打印及粘贴。

在横向热封工序,根据所测量的包裹长度尺寸,换算为匀速传送带电机运行时间,包裹到达横向热封工位后,由移动横向封刀完成封口。纵向热封工序采用自适应设计,根据所测量的包裹宽度尺寸进行自适应封口。

4 柔性物流包装生产线

4.1 总体布局

根据当前跨境电商人工物流包装作业难点及柔性工艺路线要求,柔性物流包装生产线工艺布局采用直线型设计,各工序由输送带连接而成。柔性物流包装生产线工艺布局如图4所示。

图4 柔性物流包装生产线工艺布局

包裹传送采用传送带形式。包裹经过上料传送带后,对包裹轮廓尺寸进行测量,然后进入装填工位、贴标工位。贴标完成,进入横向热封及纵向热封工位。热封完成,进入下料输送带,完成包装。

柔性物流包装生产线工艺布局具备四方面优势及特点。

(1) 工艺路线简洁、可靠,可实现大批量、自动化包装。

(2) 可实现多品类、多尺寸包裹柔性物流包装。

(3) 有效减小包装质量、体积。

(4) 有效减少人工投入,降低人工成本。

4.2 包裹尺寸测量

由柔性物流包装生产线作业流程可知,实现柔性、高效、高可靠性自动化物流包装,需要解决物流包装作业流程中包裹尺寸在线实时测量和自适应热封两个技术问题。因此,包裹尺寸测量与热封是实现柔性物流包装生产线的关键工序。

跨境电商包裹主要涉及鞋类、数码产品、玩具、手提包等,形状、大小不同,人工方式对包裹尺寸进行分拣,大大制约了物流包装效率,且易出错。

目前,跨境电商物流包装材料主要为聚乙烯类薄膜包装袋,具有保护商品、核对信息、方便运输等作用。对包装袋的尺寸精度要求不高,通常包裹在包装袋中能够自由活动即可。

跨境包裹进入物流包装作业前,包裹已有初步包装,如薄膜、纸盒等。跨境包裹物流包装前实物如图5所示。

图5 跨境包裹物流包装前实物

根据跨境包裹特征及品类,常见包裹尺寸范围及精度要求见表1。

表1 包裹尺寸范围及精度要求 mm

包裹输送方式一般为传送带方式,输送带宽450 mm,检测速度不低于10包/min。包裹进入装填工位时,需尺寸检测完成。

柔性物流包装生产线要求大批量、自适应物流包装作业,对包裹尺寸测量节拍要求高。为减小对跨境商品的损伤,采用无接触式测量方式,包裹通过测量传感器时,快速获取包裹尺寸。

包裹尺寸测量包括长、宽、高。宽和高通过选用测量传感器无接触式测量获取。长由包裹进入与离开测量传感器的时间差及传送带速度计算得出,计算式为:

L=(T1-T0)V0

(1)

式中:L为包裹长;T0为包裹开始进入测量传感器的时间;T1为包裹离开测量传感器的时间;V0为上料传送带速度。

根据以上要求,在上料传送线末端对包裹的高与宽同时进行测量。测量传感器布置方式采用回字形,布置在左右及上下两侧铝型材上。测量传感器布置如图6所示。

图6 测量传感器布置

包裹尺寸的测量分为两步。第1步,对包裹的宽和高进行测量。第 2步,对包裹的长进行测量。

根据包裹尺寸范围及测量传感器布置方式,测量传感器的技术要求见表2。

表2 测量传感器技术要求

根据技术要求,选择红外光测量传感器,宽方向测量传感器型号为ESCL2410L1RY-2,高方向测量传感器型号为ESCL1610LIRY-2。测量传感器光幕形式均为对射式,各项技术参数均满足测量要求,见表3。

表3 测量传感器技术参数

4.3 自适应热封装置

热封装置是柔性物流包装生产线的关键设备,主要包括横向热封与纵向热封。薄膜经三角成型机构后被折展为三面开口的U形结构,每一次横向热封不仅是上一包装袋的最终封口,同时也是下一包装袋的初始封口,因此每一包装袋仅需横向、纵向热封各一次,即可完成封口。包装袋热封如图7所示。

图7 包装袋热封

根据包裹尺寸范围,选择聚乙烯材质黑白预折叠包装薄膜,宽为650 mm,厚为0.05 mm,封刀长度为450 mm,覆盖包裹最大尺寸。柔性物流包装生产线薄膜成型纸袋及包装为连续不间断模式,为实现不同尺寸包裹的连续柔性物流包装,在热封刀上加装驱动控制机构,使其根据所测量的包裹尺寸,通过控制时间及机构定位,实现精准封口。

横向热封装置如图8所示。横向封刀的驱动机构采用气缸与多连杆传动机构,横向封刀安装在长连杆末端安装板上,封合压板与短连杆末端相连接,通过气缸推出主动杆或拉回主动杆,从而控制横向封刀在导杆上运动。

图8 横向热封装置

连杆机构是横向热封装置的关键部件,主要作用是传递运动至横向封刀,实现热封刀的开与合。热封时,气缸向前推动一定距离,摆杆带动长连杆和短连杆,从而带动滑块相向运动,完成封切。连杆机构运动简图如图9所示。

图9 连杆机构运动简图

连杆机构为三角形结构,共由四段组成。AB为主动杆,CE为中心杆,主动杆及中心杆绕中心轴A轴旋转。热封时,AB杆B点受外力绕A轴旋转λ1弧度,带动CE杆绕A轴旋转λ1弧度,中心杆C点旋转带动CD杆D点在Y轴方向向上移动至D′点,EF杆F点向下移动至F′点,带动横向封刀上下运动,完成封口。

纵向热封装置位于下料传送带上方,主要由直线模组、步进电机、驱动气缸、滑动导杆、封合压板等。组成,如图10所示。包装薄膜从纵向封刀口与封合压板之间穿过,废膜回收电机带动包裹向前移动一定距离,封刀在X轴、Z轴两个方向移动,完成封口。

纵向热封分为三个阶段:滑轨进程、封刀压合、滑轨和气缸复位。包裹到达封口位置时,直线模组在X轴方向运动至指定位置,由气缸推动纵向封刀在Z轴方向运动。

纵向自适应封口如图11所示。纵向封刀初始位置位于移动滑轨O1点,O1点与传送带左侧边缘距离为l1,宽测量传感器测得包裹宽为l2。传感器数据经可编程序控制器处理分析,控制步进电机转速及运行时间,使直线模组带动纵向封刀在滑轨上移动,距离为l3。根据包裹宽l2控制纵向封刀在滑轨上移动距离l3,从而实现自适应封口。相关计算式为:

图11 纵向自适应封口

l3=l1-l2+Δl

(2)

式中:Δl为封口余量。

5 试验验证

5.1 原理样机

柔性物流包装生产线根据包裹尺寸进行自适应制袋、自动装填、自动贴标、自适应封口,实现高速柔性物流包装作业。

为验证柔性物流包装生产线包装效果,根据设计方案制作原理样机,如图12所示。

图12 原理样机

5.2 试验方法

为验证柔性物流包装生产线的包装效果,取四种不同尺寸包裹进行尺寸测量、制袋装填、横向热封及纵向热封试验,对包裹封口效果进行统计。

包裹分为规则四方体包裹与不规则包裹,具体参数见表4。

表4 包裹参数

包裹实物如图13所示,从左向右依次为1号、2号、3号、4号。包裹按照不同尺寸梯度放置在上料传送带上。

图13 包裹实物

5.3 试验参数

包装薄膜为聚乙烯材质,厚度为0.05 mm。包装模式为自动模式,试验节拍为5 包/min。封口温度横向封刀为160 ℃,纵向封刀为150 ℃,封口时间为2 s。试验时气压不低于0.45 MPa。

5.4 试验结果

在试验过程中发现,包裹横向热封后左右两侧中一侧出现轻微开口现象,开口尺寸为5～8 cm。分析原因,主要是封合压板与横向封刀的平行度误差较大。调整封合压板水平调整螺母后,平行度误差减小,开口问题消除。

经反复调试试验后,原理样机运行总体可靠稳定,尺寸测量无漏检,封刀移动平稳,各包裹物流包装效果较好,封口平整无粘连、无破口。试验物流包装效果如图14所示。

图14 试验物流包装效果

6 结束语

笔者从减小物流包装体积、质量和提高物流包装效率三个方面对跨境电商包裹柔性物流包装技术进行研究,设计了柔性物流包装生产线。通过分析、优化人工物流包装作业流程,提出柔性物流包装生产线工艺布局。在传统自动化包装设备的基础上,增加轮廓尺寸在线测量系统,测量精度达到±5 mm。设计自适应热封装置,实现高精度物袋匹配,最大自适应尺寸范围达250 mm,包装效率提高至5包/min。选用不同尺寸包裹对柔性物流包装生产线进行功能、性能试验,试验效果良好。

笔者的研究内容可以为快递物流包装行业智能化包装设备的研发设计提供技术支持。