基于XTS的硬質濾棒添加系統(tǒng)

彭三文 劉 強 盛 況

湖北中煙卷煙材料廠湖北 武漢 430050

1 研究背景

煙嘴濾棒是以煙嘴過濾材料為原料，加工卷制而成的具有過濾性能并有一定長度的圓柱形棒，主要由接裝紙和過濾材料組成。目前煙嘴復合濾棒主要采用三元濾棒復合原理進行添加，如圖1所示。較長的棒料經過分切后，輸送至分距鼓輪，再由其將棒料按給定的排列工藝輸送至輸送帶上，然后經減速裝置縮短基礎段、中間段、功能段等濾棒之間的間隙，包上接裝紙后經過分切形成復合濾棒濾嘴。

圖1 三元復合濾棒復合過程Fig.1 Ternary composite filter rod composite process

與傳統(tǒng)卷煙濾棒相比，復合濾棒能夠進一步減少吸煙者吸入焦油等有害物質。濾棒成型設備通?？煞譃槔w維濾棒成型設備和復合濾棒成型設備[1-2]。一些學者和工程師對濾棒成型設備進行了研究，如陳子毅[3]對異型濾棒成型設備機組（KDF2）加熱控制系統(tǒng)進行了升級改造。張文海等[4]對KDF2與復合成型機適用性進行了分析。劉謙[5]對ZJ17卷煙機組控制系統(tǒng)進行了設計改造，提高了卷煙機組對產品質量的控制能力。楊江[6]針對復合香煙濾嘴棒生產過程中的相位偏移、結構錯位等問題，開發(fā)了基于微波法的嵌入式濾棒檢測控制系統(tǒng)。丁多等[7]為提高加香膠囊濾棒的生產效率，采用伺服控制和數據信號處理技術，研制了濾棒加香膠囊添加裝置。萬曉文[8]研究了超高速卷接機人機界面（human machine interface，HMI）所需滿足的性能以及所需實現(xiàn)的功能。付崗[9]對當前國內外濾棒自動發(fā)射接收機的情況進行調研，應用工業(yè)現(xiàn)場總線技術，設計了新的控制系統(tǒng)。莫軍[10]針對SUPER9卷煙機設備現(xiàn)狀并結合當今新技術的發(fā)展應用進行論證分析，提出了采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）技術，對設備的電控系統(tǒng)進行技術改造的思路。劉云[11]通過全方位分析卷煙企業(yè)的需求變化和當前國際卷煙機的主要特點，結合卷煙機工藝要求，研究出當前卷煙機控制系統(tǒng)的關鍵單元。

但以上都是以軟質濾棒為研究對象，或者濾棒添加物為膠囊等小顆粒物料的情形，所用研究方法不適應于硬質濾棒。因為硬質濾棒有6條棱邊（見圖2），濾棒表面和鼓輪卡槽之間會有間隙，難以保證濾棒在鼓輪上緊密吸附。針對這種現(xiàn)狀，結合濾棒復合的需求，本研究設計了一種硬質濾棒添加系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自抓取壓料、自追逐調節(jié)下料、負壓運料等技術，是一種不停歇的裝料方法，可實現(xiàn)硬質濾棒的連續(xù)上下料過程。

圖2 硬質濾棒示意圖Fig.2 Schematic diagram of hard filter rod

2 濾棒添加系統(tǒng)總體要求及主體結構

濾棒添加系統(tǒng)總體要求，使用自適應下料方法實現(xiàn)硬質濾棒的柔性添加過程。濾棒添加系統(tǒng)由供料裝置、裝料裝置、濾棒輸送裝置、下料裝置及負壓傳送裝置組成。其主要結構包括可擴展輸送系統(tǒng)（extended transport system，XTS）主體、XTS支架、振動上料盤機架、振動上料盤、下料器、裝料裝置、XTS動子、負壓傳送裝置等，如圖3所示。

圖3 濾棒添加裝置Fig.3 Filter rod adding device

濾棒添加系統(tǒng)的運行原理如下：振動上料盤固定在振動上料器機架上，濾棒經過振動上料盤的振動輸料作用后，以濾棒軸心與輸送方向垂直的方式從出料軌道輸送出來，落到半封口的下料器末端。XTS是倍福公司生產的一款驅動產品，主體軌道上的XTS動子上安裝了裝料裝置，裝料裝置上的濾棒撥叉通過下料器下方時，將濾棒推出，使濾棒落到裝料裝置的兩側簧片上，濾棒經過導向壓板被壓入兩側簧片形成的濾棒腔內。XTS動子順時針運動至下料位置，兩動子差速運動導致兩裝料裝置碰撞，使前面的裝料裝置將棒料從兩側簧片中釋放出來，最后濾棒落到負壓傳送裝置上，完成添料過程。XTS系統(tǒng)主體與負壓傳送裝置固定于XTS支架上，XTS系統(tǒng)主體上的每個動子都可以單獨控制，實現(xiàn)每個動子的自由運動。

3 濾棒添加系統(tǒng)主要裝置的設計

3.1 供料裝置

供料裝置主要由振動上料盤、下料器、振動上料盤機架等組成。供料裝置的作用是自動將物料以正確的數量、準確的位置、正確的時間向生產機器傳送和定位。因此，供料裝置對物料需要具有正確的定向和定位的能力，以保證物料能順利進入預定的位置。供料裝置的結構主要分為料倉式和料斗式兩種，其特點及適用范圍如表1所示。

表1 料倉式與料斗式供料裝置比較Table 1 Comparison of bin type and hopper type feeding device

根據所研究的濾棒添加系統(tǒng)，濾棒供料速度較高，濾棒形狀較復雜，且需要經過多次定向工段的具體情況，結合表1中兩種供料裝置的特點和適用范圍，選擇圓錐形振動上料盤進行供料。

3.2 裝料裝置

裝料裝置主要由濾棒撥叉、兩側簧片、前側簧片、壓板安裝座及導向壓板組成，如圖4所示。其主要功能是將硬質濾棒連續(xù)裝入XTS動子上裝料裝置的濾棒腔中，通過XTS系統(tǒng)的控制策略將裝料裝置輸送至負壓傳送裝置的上方完成連續(xù)下料過程。當硬質濾棒被振動上料盤連續(xù)通過輸料通道輸送至下料器下端，濾棒撥叉將濾棒從下料器中推出后，濾棒落到兩側簧片上。濾棒撥叉呈Y字型（如圖5所示），在經過帶曲線弧度的導向壓板時，能夠避免與導向壓板發(fā)生干涉碰撞。裝料裝置通過動子過渡板固定在XTS動子上。

圖4 裝料裝置Fig.4 Charging device

圖5 濾棒撥叉示意圖Fig.5 Schematic diagram of filter rod fork

當裝料裝置隨XTS動子上向右運動時，濾棒接觸導向壓板后，經過帶曲線弧導向壓板的導向作用，濾棒被壓入到兩側簧片的濾棒腔中。導向壓板的下壓行程為7 mm，略大于硬質濾棒的外輪廓圓直徑，下壓曲線直線部分角度為8°，能夠避免在下壓過程給濾棒水平方向產生過多阻力，確保濾棒能夠穩(wěn)定壓入濾棒腔中。圖6為導向壓板工作示意圖。

圖6 導向壓板工作示意圖Fig.6 Schematic diagram of guide plate

3.3 濾棒輸送裝置

濾棒輸送裝置主要由XTS動子、XTS電機模塊、XTS導軌和控制柜組成，如圖7所示。XTS輸送系統(tǒng)是一款結合所有線性和旋轉驅動方案優(yōu)勢的驅動產品。XTS輸送系統(tǒng)包括工業(yè) PC、任意數量的磁力驅動動子、電機模塊和導軌，動子、電機模塊和導軌可以隨意組合、任意配置，具有高度靈活性。動子可以與其他動子的運動同步、自行分組和累積；兩個動子能夠在運動中產生夾緊力，通過再生制動系統(tǒng)恢復能量，并使用返回路徑和前進路徑達到輸送的目的。在該系統(tǒng)中，XTS動子上安裝了裝料裝置，在磁力的驅動下攜帶濾棒按規(guī)劃的路線運動到指定下料位置，準備下一步的下料。

圖7 濾棒輸送裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of filter rod conveying device

3.4 下料裝置

下料裝置主要由水平推桿、上盒蓋、豎直推桿、套筒、水平端蓋、彈簧、彈簧端蓋、直線導軌和滑塊過渡板組成，如圖8所示。該裝置采用了水平運動斜楔機構[12]的原理，將水平推桿的水平運動轉換為豎直推桿的豎直運動。豎直推桿兩側裝有兩個深溝球軸承，通過將滑動摩擦轉化為滾動摩擦，以減少摩擦帶來的阻力，使機構運動更加流暢。同時豎直推桿上端與套筒形成間隙配合，用于實現(xiàn)豎直推桿水平方向的定位。水平推桿內部開有兩個斜槽，斜槽可與豎直推桿兩側的深溝球軸承通過間隙配合裝配，水平推桿底部通過滑塊過渡板與下方直線導軌連接。水平端蓋與彈簧端蓋之間安裝有壓縮彈簧。當水平推桿的尾部受到后方下料裝置碰撞帶來的推力時，水平推桿作水平運動，其內部斜面對豎直推桿兩側的軸承施加垂直于斜面的推力，使豎直推桿向豎直方向運動，同時兩端蓋之間的彈簧壓縮。豎直推桿將濾棒腔中的濾棒向下頂出，濾棒在推力作用下，脫離兩側彈簧片的約束，被送至下方的負壓傳送裝置。

圖8 下料裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of loading device

在下料裝置完成下料動作后，前一個完成下料的下料裝置加速遠離后面的下料裝置，同時壓縮彈簧開始復原，釋放彈性勢能，推動水平推桿和豎直推桿回到初始位置。其中水平推桿上的斜槽角度為20°，豎直推桿的豎直移動距離h=7 mm，根據彈簧剛度k=0.41 N/mm，計算可得水平推桿的移動距離L=19.23 mm。

為更好地設計下料裝置，采用ANSYS有限元軟件對其進行動態(tài)仿真研究。利用Solidworks進行建模，導入ANSYS Workbench中，完成網格劃分和約束及載荷的施加，設置求解時間為0.01 s，步數為100步，其計算結果如圖9～10所示。

圖9 碰撞過程中彈簧端蓋應力-時間曲線Fig.9 Stress time curve of spring end cover during collision

圖10 彈簧端蓋等效應力云圖Fig.10 Equivalent stress nephogram of spring end cover

由圖9與圖10可知，彈簧端蓋在豎直碰撞面的應力變化為先突變到10 MPa后迅速減小到幾乎為0，然后應力緩慢增大到最大值后再緩慢減小。在碰撞時間為0.007 s時得到最大應力為24.45 MPa，該值沒有超過鋁合金的屈服強度280 MPa ，即彈簧端蓋不會發(fā)生塑性形變或者破壞，符合安全使用要求。

3.5 負壓傳送裝置

負壓傳送裝置如圖11所示。根據不同物料及不同速度的需求，負壓傳送裝置中傳送帶電機選用倍福帶軸編碼器的伺服電機AM8032，可對負壓帶進行準確定位。當上一步下料裝置的濾棒輸送至負壓傳送帶上，負壓帶上的負壓孔吸附住濾棒，攜帶濾棒輸送至傳送帶另一端。

4 濾棒添加系統(tǒng)控制系統(tǒng)設計

硬質煙用濾棒添加系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包括硬件結構和軟件[13]?？刂葡到y(tǒng)硬件結構部分主要包括編程計算機、工業(yè)PC、伺服驅動器、電機模塊等[14-15]，如圖12所示。編程計算機與工業(yè)PC通過以太網連接，伺服驅動器與工業(yè)PC的網絡擴展模塊EK1100通過EtherCAT總線連接，編碼器反饋電機處于模塊運行狀態(tài)。本課題組采用了德國Beckhoff（倍福）公司的工控機C6930，并采用工業(yè)PC機和軟件控制器的控制模式[16]?？偩€端子選用EL1808和EL2808，能夠有效提高信號傳輸速度。

圖12 控制系統(tǒng)硬件結構Fig.12 Control system hardware structure

控制軟件選擇德國Beckhoff公司基于PC平臺的TwinCAT3軟件平臺，根據硬質煙用濾棒添加系統(tǒng)的運行工藝，在此軟件平臺上編寫相應的控制程序。在TwinCAT中把動子映射到一個普通的伺服軸，然后通過編程實現(xiàn)預期的動作。濾棒添加系統(tǒng)可以實現(xiàn)伺服軸的控制，伺服控制流程如圖13所示。

圖13 控制流程圖Fig.13 Control flow chart

濾棒添加系統(tǒng)運行時，首先對伺服驅動器使能上電，此時將顯示伺服軸的當前位置，當前位置不在零位時復位歸零。根據控制要求在人機界面HMI設定軸的移動位置和速度。啟動電機直至運動到目標位置，此時當前軸的實際位置顯示在HMI上，通過運行狀態(tài)和反饋的數據可以驗證控制效果。

5 結語

針對煙用濾棒出現(xiàn)的一些新型不可分切的濾棒功能段，本研究設計了一種基于XTS的濾棒添加系統(tǒng)。通過對供料裝置進行分析和對比，選擇了合適的供料裝置；通過分析濾棒添加的需求，結合連續(xù)性的上下料要求和XTS的控制方法，設計了一種不停歇的裝料裝置；對下料裝置進行了的碰撞動力學分析。理論分析和實際測試結果表明，該濾棒添加系統(tǒng)各個裝置與軟件程序的設計，均能較好地實現(xiàn)濾棒添加功能。