單工位條盒透明紙六面美容裝置的設計

張挺，舒夢，王智軍，陳國輝，沈冬暉，王翔

浙江中煙工業(yè)有限責任公司，寧波卷煙廠，浙江省寧波市奉化經(jīng)濟開發(fā)區(qū)葭浦西路2001號 315504

卷煙包裝質(zhì)量是國內(nèi)各卷煙企業(yè)在全面質(zhì)量控制中的一個關鍵環(huán)節(jié)，它是對企業(yè)形象、品牌檔次的最好詮釋[1-3]。透明紙經(jīng)過烙鐵熨燙包裹在條盒表面，起到隔離空氣、水分，延長香煙保質(zhì)期的作用，同時達到美觀的目的。對條盒透明紙進行美容是卷煙生產(chǎn)中的最后一道工序，而GD包裝機作為國內(nèi)目前主流包裝設備，雖已安裝條盒透明紙美容裝置，但只有上、下兩塊烙鐵，不能對條盒透明紙六個面進行全方位美容，實際生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)條外透明紙松弛、皺褶等問題[4]。針對上述問題，張振華等[5]設計了隨動式條盒透明紙美容裝置，利用上、下面滾動加熱，減少了透明紙熨燙時間，有效避免因煙條過熱而造成損傷。馬萬杰等[6]改變了煙條相互堆疊的提升方式，設計出“一條一推”式提升美容裝置，以控制加熱器數(shù)量，降低設備故障發(fā)生率。吳傳緒等[7]在條盒透明紙出口處設計條盒透明紙除皺裝置，利用透明紙受熱收縮的特性進行除皺，解決了大部分條盒透明紙松皺不平整問題。周奎田等[8]基于熱風干燥控制原理設計了非接觸式美容裝置，通過熱量傳導使得透明紙在條盒表面完成瞬間收縮，改善香煙條包外觀質(zhì)量。但上述研究均存在機型適用性差、工序繁瑣等[9]缺陷，且無法在一個工位上同時對條盒透明紙的六個面進行均勻收縮美容[10-12]。為此，設計了一種新型條盒透明紙美容裝置，實現(xiàn)單工位上六個面的美容，達到一次性、無死角的整形目的，并具有條煙自動推出功能，以保證設備安全、穩(wěn)定運行。

1 問題分析

GD包裝機是目前國內(nèi)的主流包裝設備，CV條盒透明紙包裝機是該設備的重要組成部分，承擔著香煙條盒透明紙的包裝工作，其工作流程如圖1所示。條盒透明紙包裝機將輸送過來的條盒同到位的透明紙一起由第一提升器提升至折疊工位，完成條盒透明紙的“∩”型折疊，在推桿和折疊器的共同作用下實現(xiàn)長邊及端面短邊的折疊，在條煙通道內(nèi)，烙鐵對大面搭口進行熱封。在第二提升器向上提升過程中完成端面長邊折疊，最終由兩端部烙鐵對兩端面熱封完成整個透明紙包裹過程。

圖1 CV透明紙包裝流程Fig. 1 Packing process of CV transparent paper

原機條盒透明紙整形裝置采用絲桿調(diào)節(jié)上、下兩塊烙鐵的平行位置，并依靠彈簧拉力靠攏烙鐵，對條盒上、下面進行美容，而在實際生產(chǎn)過程中，由于烙鐵的平行位置調(diào)整困難以及彈簧易疲勞的特性，常常造成拉力不穩(wěn)定、美容面不平整。并且，條盒下表面需要兩個工位進行美容，呈現(xiàn)凹凸狀，美容效果不佳。同時，條煙輸出采用的是推板間歇性推送方式，包裝好的條煙被推進條盒透明紙整形裝置。烙鐵工作溫度為100℃，若設備單次停機或故障停機時間超過20秒，停留在美容器中的條煙受熱時間過長，易產(chǎn)生透明紙燙破、煙絲水分散失、條盒透明紙表面起水霧等缺陷。即使對整形裝置進行局部優(yōu)化，也無法實現(xiàn)單工位一次性、無死角美容條煙六個面。

2 系統(tǒng)設計

在CV條煙輸出通道上設計了一種單工位條盒透明紙六面美容裝置，實現(xiàn)條盒透明紙一次性、全方位美容，見圖2。CV條煙輸出通道處的條煙在后面條煙的推動下滑入底部烙鐵板內(nèi)，同時，氣缸下壓活動板使上活動烙鐵板到達設定行程，推動側(cè)面活動烙鐵板貼近條煙端面，此時條煙置于烙鐵板形成的美容器內(nèi)，完成條盒透明紙單工位六面美容；最后，氣缸回升，各烙鐵歸位，條煙被推出美容工位。

圖2 條盒透明紙六面美容裝置Fig. 2 Six-side beautifying device of cigarette carton transparent paper

2.1 結(jié)構(gòu)組成

條盒透明紙六面美容裝置主要由美容器和驅(qū)動裝置組成，如圖3所示。其中，美容器主要是由底部烙鐵板2、側(cè)面活動烙鐵板3、側(cè)面固定烙鐵板4和上活動烙鐵板6等組成的一個條煙容納腔。底部烙鐵板2固定在輸出底板5上的托塊1上方；側(cè)面固定烙鐵板3安裝在托塊1的左側(cè)，與底部烙鐵板2傾斜設置；上活動烙鐵板6和側(cè)面活動烙鐵板3固定在驅(qū)動裝置上，上活動烙鐵板6的下壓時，從動連桿帶動側(cè)面活動烙鐵板3的向右運動，在4塊烙鐵的共同作用下完成條盒透明紙的六面美容。

圖3 美容裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Internal structure diagram of beautifying device

驅(qū)動裝置主要包括活動板8、肘桿機構(gòu)9和氣缸10等部件。其中活動板8穿設在立柱7上，沿立柱7上下運動；氣缸10固定在裝置頂部，通過肘桿機構(gòu)9與活動板8連接，采用雙氣缸設置控制上活動烙鐵板6更穩(wěn)定、有效的工作；同時，氣缸10上設有調(diào)節(jié)螺母11，保證上下烙鐵板與條盒煙包之間的間隙，從而避免因間隙過小擦傷條盒透明紙或者過大導致整形效果不佳。

2.2 肘桿機構(gòu)的設計

圖4為條盒透明紙美容裝置的肘桿機構(gòu)。美容裝置主要通過氣缸驅(qū)動肘桿機構(gòu)來實現(xiàn)上活動烙鐵板啟閉和鎖緊。該機構(gòu)可以將氣缸的推力放大以獲得較大的鎖緊力，并且，在美容裝置的開合工作中，可實現(xiàn)“慢-快-慢”的運動特性，節(jié)約能耗的同時提高了工作效率。

圖4 肘桿機構(gòu)示意圖Fig. 4 Elbow bar mechanism diagram

2.2.1 機構(gòu)自由度

由圖4可知，該肘桿機構(gòu)可以看成由兩組對稱的單曲肘連桿機構(gòu)組成。雙曲肘機構(gòu)的對稱性克服了單曲肘機構(gòu)的受力不均的缺點，同時可提高系統(tǒng)剛度[13]。計算自由度時，可根據(jù)一組單曲肘機構(gòu)進行計算，由圖5的運動簡圖可知，機構(gòu)中沒有虛約束和局部自由度，也無高副。即n=5，PL=7，PH=0。則

圖5 雙曲肘連桿機構(gòu)運動簡圖Fig. 5 Kinematic sketch of double-toggle mechanism

式中：F為自由度；n為構(gòu)件個數(shù)；PL為低副個數(shù)；PH為低副個數(shù)。

2.2.2 運動特性分析

圖5以A為原點，建立XAY坐標系。其中，上活動烙鐵板行程可以用B點的位移量來表示，即

式中：Sm為上活動烙鐵板行程，mm；L1、L2分別為大曲肘和大連桿的長度，mm；L1/L2為桿長比；為曲肘角， 為最大轉(zhuǎn)角； max為斜排角，即L1與L2共線時與X軸的夾角；

氣缸行程可以用C點的位移量來表示，即

式中：S0為氣缸行程，mm；L4、L5分別為小曲肘和小連桿的長度，mm； 為楔角，即L1與L5的夾角；E為偏心距離，mm；

則曲肘機構(gòu)的行程比R為

根據(jù)式(2)-(4)、CV條煙輸出通道的空間大小以及GD包裝機組40條/min的生產(chǎn)速度，先后確定相關參數(shù)Sm=95 mm，S0=30 mm；以及桿長L1=100 mm、L2=49 mm，L4=16 mm，L5=33 mm。其中，行程比約為3，較大的行程比可以提高美容裝置的開合速率，采用Solidworks軟件的仿真功能，對該曲肘連桿機構(gòu)的運動性能進行驗證，結(jié)果表明該裝置可以滿足GDX1/X2等包裝機組的實際生產(chǎn)要求。

2.3 出煙裝置的設計

美容裝置設計安裝了翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，來實現(xiàn)條煙美容后的自動翻轉(zhuǎn)功能，如圖6所示。底部烙鐵板5設有擺桿6，擺桿6轉(zhuǎn)動可帶動底部烙鐵板5的轉(zhuǎn)動，并配合外部吹氣系統(tǒng)通過氣嘴4吹動條煙翻轉(zhuǎn)卸料。該翻轉(zhuǎn)機構(gòu)由連氣缸控制，通過肘桿機構(gòu)的升降，帶動擺桿6及固定在擺桿上的底部烙鐵板5翻轉(zhuǎn)一定角度，使條煙實現(xiàn)整體180°的翻轉(zhuǎn)功能，同時無需再另外安裝反轉(zhuǎn)機構(gòu)，有效避免了條煙在各烙鐵間停留時間過長而造成的透明紙熔化、粘連，條包變形等質(zhì)量缺陷。

圖6 出煙裝置示意圖Fig. 6 Schematic diagram of separating mechanism

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由信號采集模塊和主控制模塊兩部分組成[14]，三菱PLC作為核心控制器，在接收到信號采集模塊的信號后，立刻根據(jù)條盒透明紙的美容流程執(zhí)行相應程序，并控制氣缸協(xié)同工作，完成上活動烙鐵板的下壓、回升，條盒透明紙的美容，條煙分離等一系列動作，如圖7所示。

圖7 主控制程序流程圖Fig. 7 The flow chart of master control program

整個系統(tǒng)上電后消除故障復位啟動，在烙鐵推桿到位信號（X1=1）觸發(fā)，且條煙下落至設定位置（X3=1）后，PLC控制系統(tǒng)驅(qū)動輸出模塊接通電磁閥驅(qū)動氣缸下壓，同時各烙鐵到位，X0、X5分別為氣缸和烙鐵的位置檢測。條煙美容的時間為0.9 s，然后氣缸回升，同時各烙鐵復位，美容器內(nèi)部的條煙在后一條煙的推動下，自動翻轉(zhuǎn)進入下游機輸送通道，美容過程結(jié)束。如果烙鐵在下壓過程中產(chǎn)生卡煙（下壓動作執(zhí)行一定時間后仍然X5= 0），則控制系統(tǒng)在觸摸屏上顯示“卡煙”的報警信息，并停止上游包裝機設備，同時對于軋壞的條煙，美容器裝置自動啟動剔除程序，對鎖定的條煙執(zhí)行剔除程序。

控制系統(tǒng)除了采集上游包裝機速度信號、啟動、復位等基本信號外，主要設計應用了下游機的剔除功能。其基本原理如圖8所示，當識別到需要剔除的條煙后，控制系統(tǒng)輸出模塊通過電磁閥驅(qū)動氣嘴把遺留在美容器內(nèi)部的條煙利用壓縮空氣吹到輸送通道上，同時鎖定該條煙，當下游條盒檢測信號檢測到該條煙時，輸出模塊驅(qū)動電磁閥使得氣缸執(zhí)行剔除動作，把鎖定的條煙剔除，完成從吹氣排煙到剔除的整個流程，確保所有缺陷的條煙不會流入下道工序。

圖8 剔除裝置工作原理示意圖Fig. 8 Schematic diagram of working principle of rejecting device

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“利群(軟紅長嘴)”、“利群(新版)”牌卷煙（由浙江中煙工業(yè)有限責任公司寧波卷煙廠提供）。

設備：GDX1/X2包裝機組（上海煙草機械有限責任公司）。

方法：根據(jù)卷煙企業(yè)對標指標計算公式及設備信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在GDX1/X2包裝機組中安裝調(diào)試完單工位條盒透明紙六面美容裝置后，設備按40條/min生產(chǎn)速度運行，其中條煙單條美容時間為0.9 s，烙鐵溫度設為85℃～90℃，統(tǒng)計改進前后各3個月的設備運行狀況，同時，根據(jù)GB5606.3—2005《卷煙包裝、卷制技術要求及貯運》系列國家標準[15]對條盒外觀質(zhì)量進行檢測。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，條煙外觀質(zhì)量主要存在C、D兩種缺陷等級，其中C類缺陷居多；改進后設備運行更加平穩(wěn)，有效減少了條盒透明紙破損、褶皺等質(zhì)量缺陷，特別是C類缺陷樣品數(shù)量大幅下降，條煙外觀缺陷率由改進前的1.71%降低至0.90%。改進前后利群（新版）條盒透明紙整形效果對比如圖9所示。

表1 改進前后測試卷煙條盒透明紙整形質(zhì)量缺陷對比Tab. 1 Comparison of quality defects of cigarette carton transparent paper before and after improvement

圖9 利群（新版）條盒透明紙整形效果對比圖Fig. 9 Comparison of beautifying effect of cigarette (Liqun) carton transparent paper before and after improvement

4 結(jié)論

基于肘桿機構(gòu)的運動特征，設計了一種新型條盒透明紙美容裝置，通過PLC控制實現(xiàn)單工位上六個面的美容，達到一次性、無死角的整形目的，解決了條盒透明紙包裹松弛，整形破損、堵塞等問題。以寧波卷煙廠生產(chǎn)的“利群（軟紅長嘴）”、“利群（新版）”牌卷煙為對象進行測試，結(jié)果表明：該美容裝置可以準確實現(xiàn)條盒透明紙單工位的六面美容，包裝機組運行更加平穩(wěn)，條煙外觀缺陷率由1.71%降低至0.90%，有效提高了產(chǎn)品外觀質(zhì)量，降低了操作人員的勞動強度和設備故障發(fā)生率。該技術可在ZB25、ZB45以及ZB25S、ZB45M等新特異包裝設備上推廣應用。