條裝卷煙自動取樣裝置的研制

沈宗毅，李慶松，馮 琰，權(quán)發(fā)香，呂獻(xiàn)周，艾培云

（紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司會澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

基于對產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格管控，大部分卷煙生產(chǎn)廠對卷煙產(chǎn)品施行全方位、全時段自檢工作。生產(chǎn)車間通過標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)范、卷煙自檢行為規(guī)范、生產(chǎn)工藝規(guī)程等來要求操作人員定時、定量完成自檢工作。由于卷煙工業(yè)科技的進(jìn)步，近年來，在濾棒、煙支物理指標(biāo)、小包外觀等環(huán)節(jié)逐漸加入各種自動檢測設(shè)備，大大保障了殘次品卷煙不流入市場。卷煙軟、硬條盒透明紙包裝機所生產(chǎn)出條裝卷煙成品均是直接輸送至裝封箱機，在條盒產(chǎn)出之后只有依托人工檢驗來對條裝外觀等進(jìn)行檢驗，造成成條卷煙檢驗的人工誤差，產(chǎn)生較大的質(zhì)量風(fēng)險隱患，導(dǎo)致條裝卷煙的外觀指標(biāo)得不到很好控制。

1 現(xiàn)狀及問題分析

在卷煙生產(chǎn)部門，包裝機組的條煙成品均是經(jīng)條盒美容器熱封后，通過提條機輸送至裝封箱機進(jìn)行裝箱。由于設(shè)備沒有安裝輔助提醒裝置，所以在設(shè)備運行期間，只能由機組操作人員自行按時在煙條提升器處對煙條進(jìn)行人工自檢。

在設(shè)備實際運行過程中，存在操作人員精力不足、忙于設(shè)備狀況維護、設(shè)備各個缺陷產(chǎn)品成像檢測異常等情況，而傳統(tǒng)模式下僅靠人員對產(chǎn)品質(zhì)量定時自檢的行為不能保證定時、定量完成，據(jù)統(tǒng)計，2020年全年，操作人員對條裝在線取樣自檢率僅為83.3%，因條裝質(zhì)量事故產(chǎn)生的成品返工占總量的80%，因此出現(xiàn)不合格品流入下游工序，造成人力物力的大量損失。

2 改進(jìn)思路

針對條裝卷煙自檢頻次不能滿足現(xiàn)有生產(chǎn)需要的問題，關(guān)鍵要完善條裝卷煙定時、定量的自檢工作。由于操作人員因人而異，且人工因素的隨機性，簡單依賴規(guī)章制度，難以完全解決自檢問題。因此，若能加入一套條裝卷煙自動取樣裝置，由自動化設(shè)備來定時、定量抽樣條裝卷煙，再提醒操作人員進(jìn)行自檢工作，可以很好地改善條裝卷煙取樣不及時等問題。

3 改進(jìn)措施

3.1 流程分析

根據(jù)現(xiàn)場查驗，條裝卷煙自動取樣只能設(shè)置在包裝機出口美容器至提升機的輸送帶之間，期間設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，煙條輸送距離較短，在無法更改現(xiàn)有設(shè)備的前提下要進(jìn)行快速取樣。方案流程如圖1所示，產(chǎn)出的煙條進(jìn)入輸送帶，在煙條輸送帶側(cè)方加入計數(shù)器用以對煙條計數(shù)，根據(jù)測算，10 min產(chǎn)出煙條數(shù)位43，故以43為單位進(jìn)行取樣，取樣完成后，報警器提醒操作人員及時自檢，若繼續(xù)生產(chǎn)20條煙后，回收系統(tǒng)中檢測到煙條未被操作人員取出自檢，則對主機執(zhí)行強制停機命令。

圖1 方案流程

3.2 設(shè)計方案

方案結(jié)構(gòu)三維建模如圖2所示，改進(jìn)方案所涉及的條裝卷煙取樣裝置，主要通過增加PLC程序設(shè)計對取樣模式進(jìn)行控制，通過連桿結(jié)構(gòu)和吸盤對煙條自動提取并移動至取樣盒中?？梢詫崿F(xiàn)在不更改原有設(shè)備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過外掛的方式來實現(xiàn)煙條的快速取樣工作。

圖2 方案結(jié)構(gòu)三維建模

3.3 方案可行性論證

3.3.1 吸附能力驗證

以動力車間提供負(fù)壓-0.06 MPa為例，真空吸盤內(nèi)徑D=2 cm，根據(jù)真空吸盤吸力計算公式：

其中，μ為安全系數(shù)≥2.5，計算得出真空吸盤吸力F：

根據(jù)重力公式G=F=mg可以計算出真空吸盤可承載的最大重量m：

煙條重量約0.25 kg＜0.77 kg，運用吸盤可以實現(xiàn)煙條取樣。

3.3.2 人工模擬機械臂吸取煙條

實驗設(shè)計：將煙條寬面劃分為5個區(qū)域，分別對5個區(qū)域中心運用吸盤進(jìn)行吸取，提升高度500 mm，提升過程保持勻速，達(dá)到高度后吸盤能夠準(zhǔn)確吸附煙條10 s及以上為成功，每個劃分區(qū)域做20次實驗。單個吸盤實驗結(jié)果見表1。

表1 單個吸盤實驗結(jié)果

根據(jù)以上實驗在煙條兩端進(jìn)行取樣，由于重心偏移、力矩增大，取樣成功率極低，隨著取樣點向重心移動，取樣成功率越來越高，但最高也僅為90%。隨后進(jìn)行二次實驗，安排兩個吸盤對煙條的2/5和4/5處進(jìn)行吸取。雙吸盤實驗結(jié)果見表2。

表2 雙吸盤實驗結(jié)果

實驗改進(jìn)后，取樣成功率得到明顯提升，達(dá)到100%，滿足小組方案設(shè)想。

3.3.3 電氣控制驗證

由于此方案涉及到氣缸動作及數(shù)據(jù)交換，需要對動作原件的控制進(jìn)行實驗驗證，通過編寫小段控制程序來控制電磁閥工作，進(jìn)而推動氣缸運動。

經(jīng)過程序運行，氣缸可以進(jìn)行往復(fù)動作，電氣控制方面可以實現(xiàn)。聯(lián)合吸盤的動作便可實現(xiàn)煙條的自動取樣。

3.4 方案執(zhí)行

3.4.1 圖紙設(shè)計及組件加工

根據(jù)實地測量，利用CAD軟件繪制支架、回收盒的加工圖紙，支架及回收盒設(shè)計如圖3所示。

圖3 支架及回收盒設(shè)計

選擇各加工件的材料，考慮到外掛設(shè)備的輕量化，支架材料選擇鋁合金，回收盒要需要加入紅外線檢測裝置，同時便于觀察，選用亞克力玻璃板。根據(jù)圖紙加工相關(guān)組件，支架及回收盒成品如圖4所示。

圖4 支架及回收盒實物

3.4.2 編寫控制程序

裝置采用三菱FX1S為控制器，控制條煙取出裝置取出條煙至條煙取樣盒，取樣過程為：預(yù)防策略判斷產(chǎn)生自檢信號→擋煙氣缸擋住需取條煙→真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓→雙桿雙軸氣缸帶著吸盤下移→收到吸住條煙信號→吸盤吸住條煙上移→收到上移到位信號→磁藕式無桿氣缸帶著條煙向移至條煙取樣盒上方→真空發(fā)生器斷開負(fù)壓釋放條煙至取樣盒內(nèi)→取樣盒里有條煙報警燈亮（無煙熄）→報警燈亮?xí)r如果再產(chǎn)生20條煙沒有取走條煙則停止CV。三菱FX1S控制器接線如圖5所示，部分PLC程序截圖如圖6所示。

圖5 三菱FX1S控制器接線圖

圖6 PLC控制程序

3.4.3 安裝及調(diào)試

根據(jù)預(yù)留位置和接線圖，燒錄程序、組裝各元器件，外掛入GDX1包裝機后系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 外掛入GDX1包裝機后系統(tǒng)安裝調(diào)試

安裝完畢后進(jìn)行調(diào)試工作，對氣缸運動速度、磁性開關(guān)檢測位置、光電開關(guān)位置等進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)現(xiàn)場實驗驗證，取樣效果良好，裝置運行穩(wěn)定，根據(jù)PLC程序設(shè)定各項功能需求正常、計數(shù)準(zhǔn)確，對煙條的取樣準(zhǔn)確率為100%，運行過程對煙條和原設(shè)備無影響。

4 改進(jìn)效果

4.1 定時定量自檢率提升

通過加裝條裝卷煙自動取樣裝置后，調(diào)查統(tǒng)計2020年（8—10月）期間軟包1號機組的在線取樣自檢率，并和其余機組進(jìn)行對比分析。統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

表3 2020年8—10月軟包在線取樣自檢率對比%

以10 min每條的理論值計算，平均在線自檢率f（n）=操作人員的自檢率得到很好的提升，定時定量自檢也得到良好控制。

4.2 成品返工次數(shù)降低

統(tǒng)計2020年8—10月期間軟包1號機組的成品返工情況，并和其余機組進(jìn)行對比分析。統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表4。

表4 2020年8—10月軟包1號機組成品返工情況 條

由表4可知，3個月內(nèi)，軟包1#未出現(xiàn)成品返工的情況，規(guī)范化自檢較好地提升了機組的產(chǎn)品質(zhì)量，將不合格的煙條控制在裝箱之前，成品返工情況得到有效控制。

5 結(jié)束語

條裝卷煙自動取樣裝置的研發(fā)使用，創(chuàng)新性地將煙條成品質(zhì)量預(yù)防過程由人工自檢轉(zhuǎn)換為設(shè)備智能自動取樣，從原理上革新了自檢的執(zhí)行過程，強化了操作人員的自檢習(xí)慣，智能化的執(zhí)行過程更科學(xué)合理的對設(shè)備關(guān)鍵時段進(jìn)行取樣自檢，區(qū)別于傳統(tǒng)的人為手動選擇方式，具有穩(wěn)定、精準(zhǔn)、及時等優(yōu)勢。下一步可以將機器視覺技術(shù)運用到該系統(tǒng)，對煙條進(jìn)行外觀在線檢測，助力于煙草行業(yè)的科技化、信息化進(jìn)步。