轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手煙包實(shí)時同步傳送控制裝置的改進(jìn)設(shè)計

李華文 沈濤 倪駿 趙宇 李金劍 王熠 唐磊

摘要：為解決C600原機(jī)“煙包異位”故障頻發(fā)問題，防止出現(xiàn)原機(jī)抓取過程中產(chǎn)生的夾壞缺陷煙引起六角輪卡阻或流入市場等問題，在不改變原機(jī)機(jī)械傳動的基礎(chǔ)上，采用激光測距技術(shù)與伺服控制技術(shù)相結(jié)合的方法，設(shè)計了一套轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手煙包實(shí)時同步傳送控制裝置。該裝置主要由激光位移傳感器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、人機(jī)交互界面、報警器等部件組成，可以準(zhǔn)確測量煙包與轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手的相對位置，實(shí)時調(diào)整轉(zhuǎn)煙器入口皮帶運(yùn)行速度，確保轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手能夠同步抓取煙包，相關(guān)數(shù)據(jù)信息顯示于人機(jī)界面，用于維修、調(diào)整。試驗結(jié)果表明：改進(jìn)后實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手準(zhǔn)確抓取煙包精度，蜘蛛手與煙包相對位移量的精確控制能力大幅提高了約67%，可以從改進(jìn)前較難控制的±6mm精準(zhǔn)控制到±2mm，相應(yīng)卡阻次數(shù)平均每班減少了98%。

Abstract： In order to solve the frequent problem of "cigarette pack out of place" failures of the original C600 machine， and to prevent causing the hexagonal wheel to block or defect cigarette pack flow into the market， which caused by the defective cigarette caught in the process of grabbing by the original machine， based on the combination of laser ranging technology and servo control technology， a set of real-time synchronous transmission control device for cigarette packet and spider hand of cigarette rotator was designed without changing the mechanical transmission of the original machine. The device is mainly composed of laser displacement sensor， servo driver， servomotor， human-computer interaction interface， alarm and other components. It can accurately measure the relative position of the cigarette pack and the spider hand of the cigarette rotator， and adjust the running speed of the belt at the entrance of the cigarette rotator in real time， to ensure that spider hand of the cigarette rotator can grab the cigarette pack synchronously， the relevant data information is displayed on the man-machine interface for maintenance and adjustment. The test results show that the accuracy of the spider's hand grasping the cigarette packet is achieved after the improvement. The precision control ability of the relative displacement between the spider's hand and the cigarette packet is greatly improved by about 67%， which can be controlled from ±6mm which is difficult to control before the improvement to ±2mm and the number of jamming is reduced by 98% on average per shift.

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)煙器;煙包異位;激光測距;實(shí)時同步

Key words： cigarette rotator;cigarette pack out of place;laser ranging;real-time synchronization

中圖分類號：TS43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-0149-05

0? 引言

C600包裝機(jī)是卷煙廠硬包高速生產(chǎn)線的重要設(shè)備。該機(jī)大多采用蜘蛛手機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)煙包90°平移轉(zhuǎn)向，但受輔料變換、設(shè)備配合精度降低等因素的影響，在長期的生產(chǎn)過程中，“煙包異位”故障頻繁發(fā)生，夾壞煙包，引起機(jī)器卡阻，引發(fā)質(zhì)量隱患。為此在不改變原機(jī)機(jī)械傳動的基礎(chǔ)上，采用激光測距技術(shù)和伺服控制方法，設(shè)計一套轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手煙包實(shí)時同步傳送控制裝置，以期降低故障率，增加生產(chǎn)效率。

目前國內(nèi)還沒有在C600機(jī)型中采用激光測距和伺服系統(tǒng)完成入口煙包位置控制的功能的案例，此設(shè)計項目開展能為該類型包裝機(jī)型“煙包異位”問題的研究開闊思路，意義重大。

1? 轉(zhuǎn)煙器結(jié)構(gòu)及故障情況分析

1.1 CH轉(zhuǎn)煙器結(jié)構(gòu)概況

煙包由輸入通道進(jìn)入C600包裝機(jī)組 CH轉(zhuǎn)煙器，經(jīng)蜘蛛手吸取、釋放過程，完成90°平移轉(zhuǎn)向，送入煙包包裝通道，如圖1所示。

轉(zhuǎn)煙器轉(zhuǎn)向裝置利用行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動原理，將輸入通道送來的煙包通過星齒輪結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向輪輸出到包裝通道，轉(zhuǎn)向輪軸上安裝有“蜘蛛手”吸風(fēng)板，轉(zhuǎn)向過程中，通過真空負(fù)壓系統(tǒng)將煙包吸附在吸風(fēng)板上，轉(zhuǎn)至包裝通道位置后釋放煙包，完成90°平移轉(zhuǎn)向。

轉(zhuǎn)煙器轉(zhuǎn)向裝置主要由齒輪、圓隔板、轉(zhuǎn)盤、支架、軸套、吸風(fēng)板等部件組成，如圖2所示。

1.2 CH轉(zhuǎn)煙器故障分析

由于煙包輔料材質(zhì)的變化，導(dǎo)致材料表面摩擦力的變化或皮帶夾緊力量的變化，以及20年設(shè)備使用年限，導(dǎo)致蜘蛛手和入口輸送帶機(jī)械傳動配合精度下降，因此，實(shí)際包裝生產(chǎn)過程吸風(fēng)板（“蜘蛛手”）吸附抓取煙包時，會出現(xiàn)抓取位置與煙包送達(dá)位置不匹配，引起煙包輸送的“滑差”， 形成煙包形變，蜘蛛手交接出現(xiàn)阻塞，導(dǎo)致爛煙包進(jìn)入六角折疊輪造成質(zhì)量問題煙流入市場，爛煙包進(jìn)入六角折疊輪還會導(dǎo)致嚴(yán)重卡阻，造成六角輪錯位、停機(jī)。

某卷煙廠生產(chǎn)部有五組G.D121-G.DX2000機(jī)組，“煙包異位”故障情況統(tǒng)計，見表1。

表1選取的數(shù)據(jù)是發(fā)生該故障時的連續(xù)維修時間、單班平均停機(jī)次數(shù)和單班最大停機(jī)次數(shù)，從中可以看出，不同品種煙包，不同狀態(tài)機(jī)臺，一旦發(fā)生故障時造成的停機(jī)頻率高低不一，一個生產(chǎn)班少則十幾次，多則幾十次?！盁煱愇弧惫收系某霈F(xiàn)具有偶發(fā)性，沒有有效的檢測手段判斷故障原因，調(diào)整維修方法單一，導(dǎo)致故障維修困難，維修時間長，是設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)運(yùn)行中一個較為復(fù)雜的技術(shù)難點(diǎn)。

2? 改進(jìn)方法

C600包裝機(jī)組轉(zhuǎn)煙器煙包與蜘蛛手位置出現(xiàn)不同步問題是導(dǎo)致“煙包異位”故障的根本原因，根據(jù)煙包和蜘蛛手的相對位置實(shí)時調(diào)整入口煙包傳送機(jī)的位移量，使其匹配，對超出合適位置的煙包發(fā)出報警指令使主機(jī)停機(jī)。檢測相對位置是解決問題的關(guān)鍵，在轉(zhuǎn)煙器合適位置分別布置兩臺激光位移傳感器來檢測蜘蛛手上煙包和蜘蛛手的相對位置，然后通過伺服驅(qū)動調(diào)整入口煙包傳送機(jī)的位移量。伺服驅(qū)動器接收由激光位移傳感器測量得到的煙包位置和蜘蛛手位置的距離差值信號，根據(jù)二者實(shí)際偏差與校準(zhǔn)過的標(biāo)準(zhǔn)位置偏差作比較，進(jìn)而做出相應(yīng)調(diào)整，調(diào)整量通過輸送傳動系統(tǒng)和控制算法確定，并可在人機(jī)交互界面調(diào)整。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同步控制系統(tǒng)布置如圖3。

在煙盒輸送軌道運(yùn)行方向正前方，安裝兩個激光位移傳感器，一上一下分別檢測獲取煙盒位置信號和蜘蛛手位置信號，兩個傳感器通過一個控制單元，自動計算兩者之間的距離差值，為自動調(diào)整給出依據(jù)。

通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，操作界面可顯示系統(tǒng)與主機(jī)的聯(lián)機(jī)狀態(tài)，可以查看伺服系統(tǒng)當(dāng)前相關(guān)狀態(tài)和伺服器 CANBUS通信狀態(tài)，設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)，手動調(diào)節(jié)伺服電機(jī)。

2.2 功能設(shè)計

①實(shí)時測量煙包與轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手的位置并調(diào)整入口煙包位置功能。

煙包與蜘蛛手距離差值測量：

在煙包和蜘蛛手前端安裝兩組半導(dǎo)體激光位移傳感器，分別測量煙包和轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手到激光位移傳感器的距離，然后經(jīng)激光位移傳感控制器輸出給上位機(jī)處理分析，將兩者的相對位移差值信號與標(biāo)準(zhǔn)差值信號比較，對PLC控制器發(fā)出指令，調(diào)整入口皮帶伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖5顯示的是C600入口電機(jī)調(diào)整煙包位置的處理過程。由兩個激光位移傳感器分別測量煙包與蜘蛛手的位置，并通過和激光位移傳感器匹配的控制單元計算出兩者間的相對位移差值，計算公式為：

d=A-B， d：兩者之間的差值;A：激光位移傳感器到蜘蛛手的距離;B：激光位移傳感器到煙包的距離;當(dāng)d=Δd 時認(rèn)為煙包和蜘蛛手間的相對位置滿足要求，伺服電機(jī)不動作;d<Δd 時伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，入口皮帶加速，煙包位置前移;d>Δd 伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，入口皮帶減速，煙包位置后移。（Δd 為系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置煙包和蜘蛛手間距離的理想差值）

伺服系統(tǒng)調(diào)整煙包位置功能：

伺服系統(tǒng)接收激光位移傳感器輸出的差值信號后，與設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)值比較。根據(jù)比較結(jié)果并結(jié)合C600主機(jī)的機(jī)速調(diào)整入口皮帶的速度，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整入口煙包位置功能。

②伺服控制與C600主機(jī)聯(lián)機(jī)功能。

正常運(yùn)行時，伺服控制系統(tǒng)接收主機(jī)的運(yùn)行、速度信號，根據(jù)主機(jī)信號調(diào)整電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，煙包與蜘蛛手相對位置超出范圍時輸出報警信號，主機(jī)接收到煙包位置超限信號后停機(jī)，并顯示報警信息“CH 轉(zhuǎn)煙器：煙包異位”。主機(jī)在啟動前需要檢測伺服控制功能是否正常，功能正常主機(jī)可以正常啟動，不正常時主機(jī)不能啟動。

跑空車時，免除伺服控制系統(tǒng)入口煙包控制，同時屏蔽“CH 轉(zhuǎn)煙器：煙包異位”報警。

③入口煙包零點(diǎn)校準(zhǔn)功能。

系統(tǒng)改造后保留原機(jī)入口煙包零點(diǎn)校準(zhǔn)功能，這個功能分為兩部分，一是復(fù)產(chǎn)時入口煙包零點(diǎn)位置校準(zhǔn);二是入口煙包位置超出報警范圍停機(jī)后，通過手動校準(zhǔn)恢復(fù)入口煙包初始位置。

④人機(jī)交互功能。

通過人機(jī)交互界面實(shí)時顯示煙包和轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手距離的差值，入口電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，既可以自動調(diào)整伺服電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，也可以手動調(diào)節(jié)伺服電機(jī)運(yùn)行參數(shù)。同時實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢。

2.3 實(shí)驗方法

在煙盒輸送軌道運(yùn)行方向正前方，安裝兩組激光位移傳感器，一上一下分別檢測煙包位置信號和蜘蛛手位置信號。將原入口皮帶電機(jī)更換為伺服電機(jī)。根據(jù)包裝機(jī)主軸編碼器信號，獲取機(jī)器運(yùn)動相位，在合理相位計算煙盒與蜘蛛手的位置偏差，對皮帶電機(jī)進(jìn)行速度和位置控制。

①試驗設(shè)備。

伺服電機(jī)：選用LENZE（倫茨）MSC系列同步伺服電機(jī)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速4050rpm。

伺服驅(qū)動器：LENZE（倫茨）8400系列伺服驅(qū)動器，2路AO，2路AI，4路DI，4路DO，通信自帶CANbus，可擴(kuò)展PROFIBUS DP、EtherCAT、Ethernet、CANopen、DeviceNet等。

激光位移傳感器：奧泰斯公司型號為CD5-W150的位移傳感器以及CD5控制器，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整傳感器采樣周期，激光強(qiáng)度，檢測靈敏度，模擬量輸出范圍。

控制單元：選用西門子（Siemens）S7-1511CPU模塊，內(nèi)置運(yùn)動控制功能。

顯示屏：威綸通eMT3070B，7英寸，帶以太網(wǎng)和CANbus接口。

②試驗平臺。

模擬測試激光測量煙包及蜘蛛手位置的效果，確定激光位移傳感器的檢測距離和檢測范圍滿足系統(tǒng)需要，激光光斑遠(yuǎn)小于檢測面的面積，同時滿足激光位移傳感器的采樣周期比一包煙的可測量周期小的多?？剂考す馕灰苽鞲衅鳒y量得到的距離精確度，輸出的差值電壓值與距離差值成比例關(guān)系，使激光測距系統(tǒng)的輸出值可直接用于伺服系統(tǒng)。

③煙包的前后位置。

在機(jī)器相位200度到50度之間實(shí)現(xiàn)多次測量每包煙包與轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手的位置差值，參與在一個煙包周期最大調(diào)整范圍內(nèi)實(shí)時調(diào)整下一包煙包的前后位置，同時連續(xù)調(diào)整多包煙包的前后位置，動態(tài)實(shí)現(xiàn)蜘蛛手抓取煙包位置處于理想范圍內(nèi)。（圖6）

④系統(tǒng)輸出“CH 轉(zhuǎn)煙器：煙包異位”報警信號，手動調(diào)節(jié)伺服量，改變煙包輸送帶行程，實(shí)現(xiàn)人為煙包位置零點(diǎn)校準(zhǔn)。

3? 改進(jìn)效果

實(shí)現(xiàn)了：實(shí)時測量煙包與轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手的位置并調(diào)整入口煙包位置，伺服控制與C600主機(jī)與的聯(lián)機(jī)，校準(zhǔn)對位，人機(jī)交互，可以查詢煙包和蜘蛛手相對位置歷史趨勢數(shù)據(jù)，伺服驅(qū)動器歷史調(diào)整數(shù)據(jù)。

3.1 煙包與轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手相對位移變化對比

改進(jìn)前，隨機(jī)測量5分鐘2500個煙包正常傳送過程中煙包與轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手二者的相對位移變化，得到一組數(shù)據(jù)，見圖7所示“改進(jìn)前煙包和蜘蛛手相對位移變化”，觀察到二者相對位移擺動區(qū)間比較寬，達(dá)到偏差±6mm時報警，對輸入傳送帶速度進(jìn)行修正，原機(jī)依賴光電管判斷是否超差，無法精確量化處理，出現(xiàn)更大偏差超出-7mm或者+15mm后，無法及時修正，就會發(fā)生“煙包異位”故障。

改進(jìn)后，再次隨機(jī)測量5分鐘2500個煙包正常傳送過程中煙包與轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手二者的相對位移變化，得到新的一組數(shù)據(jù)，其相對位移變化見圖7所示“改進(jìn)后煙包和蜘蛛手相對位移變化”，位移傳感器一旦感知有偏差發(fā)生，即刻通過伺服控制單元對傳送帶速度進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，保證兩者相對位移控制在很小區(qū)間擺動，從而很難再發(fā)生“煙包異位”故障，如果一旦超過最大允許位移，立刻報警停機(jī)，避免出現(xiàn)卡堵。

3.2 6#實(shí)驗機(jī)五周試運(yùn)行期間煙包和蜘蛛手距離相對位移量及同步介入修正

改進(jìn)后，對試驗機(jī)連續(xù)五周的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對每個班次的煙包和蜘蛛手最大相對位移、最小和平均相對位移量進(jìn)行統(tǒng)計，各個班次位移數(shù)據(jù)均控制在原機(jī)±6mm報警范圍以內(nèi)，另外對伺服同步介入調(diào)速次數(shù)分析，每個班次每小時的調(diào)速次數(shù)達(dá)到300～400次，表明精確檢測的相對位移量變化有效傳送到伺服系統(tǒng)，使得改進(jìn)后的調(diào)速功能敏感快速，確保了蜘蛛手在允許抓取煙包的容錯范圍內(nèi)抓取煙包，從原來的很難保證的±6mm精確到可以確保的±2mm，相對位移量的精確控制能力大幅提高了約67%。試運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2，對比分析見圖8。

3.3 6#實(shí)驗機(jī)五周試運(yùn)行期間煙包異位故障大幅減少

對6#實(shí)驗機(jī)五周試運(yùn)行期間煙包異位引起的卡阻停機(jī)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到表3，卡阻停機(jī)次數(shù)平均每班為1次以下，單班最大停機(jī)次數(shù)為1次，連續(xù)維修時長僅在第一周出現(xiàn)過一天，其他時間內(nèi)實(shí)時修復(fù)，對比改進(jìn)前原機(jī)的卡阻停機(jī)次數(shù)（表1），改進(jìn)后單班平均停機(jī)次數(shù)由原來的約19.6次減少到約0.32次，減少了98%，單班最大停機(jī)次數(shù)由原來的15～50減少到1次，詳情對比見圖9。

4? 結(jié)論

本實(shí)時同步傳送控制裝置在C600包裝機(jī)上實(shí)現(xiàn)了：實(shí)時測量煙包與轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手的位置并調(diào)整入口煙包位置功能;主機(jī)與伺服控制器的聯(lián)機(jī)功能;人機(jī)交互功能。

改進(jìn)后，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)煙器蜘蛛手準(zhǔn)確抓取煙包，卡阻停機(jī)次數(shù)平均每班由原先的19.6次減少到0.32次，平均減少了約98%，蜘蛛手與煙包相對位移量的精確控制能力大幅提升了約67%，可以從改進(jìn)前較難控制的±6mm精準(zhǔn)控制到±2mm，能夠大范圍兼容材料的變化和牌號變更頻次，保障產(chǎn)品交接的完整性，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。本裝置設(shè)計樣機(jī)在某卷煙廠的C600包裝機(jī)上進(jìn)行了試用考核，完全可以將該設(shè)計應(yīng)用到其它相同或相近配置機(jī)型，比如G.DX1、G.DX2機(jī)組。

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