異型包裝卷煙煙包卸盤機(jī)的設(shè)計(jì)

陳 濤，盧洪林，李華文

1. 紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司昆明卷煙廠，昆明市五華區(qū)紅錦路366 號(hào) 650202

2. 紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，昆明市五華區(qū)紅錦路368 號(hào) 650202

在卷煙包裝過程中，小盒煙包（以下簡稱煙包）包裝完成后通過輸送通道或緩存柜等輔聯(lián)設(shè)備直接供給條盒包裝設(shè)備進(jìn)行條包包裝［1］。而異型包裝卷煙（以下簡稱異型卷煙）通常采用預(yù)成型煙盒完成條包包裝，無法利用傳統(tǒng)裹包式包裝設(shè)備生產(chǎn)，且存在煙包與條包不在同一生產(chǎn)線或生產(chǎn)區(qū)域等情況，在生產(chǎn)時(shí)需要借助人工或利用卸盤機(jī)將托盤內(nèi)煙包轉(zhuǎn)運(yùn)至下游條包裝填包裝機(jī)。近年來，MATCH系列卸盤機(jī)（英國MOLINS 公司）［2］、MAGOMAT 系列卸盤機(jī)（德國HAUNI公司）［3-4］以及YB系列卸盤機(jī)（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）［5］等設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于濾棒或煙支等圓柱體物料的卸盤供料工作。上述卸盤機(jī)均采用翻轉(zhuǎn)卸料方式使煙支或?yàn)V棒隨托盤翻轉(zhuǎn)落入料庫中［6-7］，而將該方式應(yīng)用于煙包托盤卸載時(shí)，因托盤內(nèi)煙包排列緊密，托盤翻轉(zhuǎn)后煙包無法有序落料而導(dǎo)致煙包散亂，無法進(jìn)行后續(xù)的包裝生產(chǎn)。針對(duì)此，王凱等［8］設(shè)計(jì)了一種新型煙包卸盤機(jī)，利用往復(fù)推送機(jī)構(gòu)將托盤內(nèi)的雙層煙包推送至條包包裝生產(chǎn)線。但這種煙包卸盤機(jī)運(yùn)行效率較低，且在推送過程中煙包表面存在相互摩擦，容易造成煙包表面損傷。為此，通過對(duì)現(xiàn)有卸盤機(jī)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種異型卷煙煙包卸盤機(jī)，能夠從托盤中穩(wěn)定拾取煙包并將煙包輸送至條包包裝生產(chǎn)線，以期保證煙包輸送連續(xù)和穩(wěn)定，提高異型卷煙機(jī)械化生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

異型卷煙煙包卸盤機(jī)主要由進(jìn)料輸送裝置、托盤提升裝置、煙包拾取裝置、退盤裝置等組成，見圖1。裝載異型煙包（30 包×6 層）的托盤（3）被進(jìn)料輸送裝置（1）輸送至提升工位后，由托盤提升裝置（2）將其逐層提升至煙包卸載工位；煙包拾取裝置（4）利用真空吸盤逐層拾取煙包（每層30包）并將煙包置于條包裝填包裝機(jī)的入口輸送皮帶上；待6層煙包拾取完成后，空托盤在退盤裝置（5）作用下退出煙包卸載工位并被輸送至空盤回收輸送線。

圖1 異型包裝卷煙煙包卸盤機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of tray unloader for special size cigarette packets

1.2 進(jìn)料輸送裝置

進(jìn)料輸送裝置由電機(jī)、光電檢測器、鎖緊氣缸、同步傳送皮帶、阻擋機(jī)構(gòu)以及擋板等組成，見圖2。同步傳送皮帶（5）長度為2 500 mm，在電機(jī)（1）驅(qū)動(dòng)下可以同時(shí)傳送10 個(gè)托盤（托盤寬度為110 mm）。傳送帶兩側(cè)均安裝有阻擋機(jī)構(gòu)（6）和擋板（4），當(dāng)光電檢測器（2）檢測到有托盤到達(dá)提升工位時(shí)，主控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鎖緊氣缸（3）動(dòng)作，使阻擋機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)并利用擋鉤阻止后續(xù)托盤繼續(xù)向前輸送，避免托盤在提升工位處堆積；擋板用于防止托盤在輸送過程中偏移掉落。生產(chǎn)中電機(jī)需滿足低速、大轉(zhuǎn)矩、多啟停等工況條件，結(jié)合工作負(fù)載情況和設(shè)計(jì)安裝空間，選取功率為0.18 kW、輸出轉(zhuǎn)速為18 r/min 的減速電機(jī)（德國SEW-EURODRIVE公司）［9］。

圖2 進(jìn)料輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of infeed conveyor

1.3 托盤提升裝置

托盤提升裝置由伺服電缸、鎖緊氣缸、后旋夾緊氣缸和夾持機(jī)構(gòu)等組成，見圖3。托盤進(jìn)入提升工位后，被提升裝置兩側(cè)的鎖緊氣缸（2）夾持到夾持機(jī)構(gòu)（4）上，隨后后旋夾緊氣缸（3）閉合將托盤精確定位，托盤在伺服電缸（1）的驅(qū)動(dòng)下被提升至第1層煙包拾取工位。伺服電缸是由伺服電機(jī)與絲桿組成的一體化產(chǎn)品［10］，通過PLC 及伺服驅(qū)動(dòng)器向伺服電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位和精確的速度控制，適用于高頻搬運(yùn)等生產(chǎn)環(huán)境。選用的滾珠絲杠型伺服電缸定位精度≤±0.1 mm，能夠滿足托盤提升定位要求［11］。相較于液壓缸或氣缸，伺服電缸由伺服驅(qū)動(dòng)器控制，無需傳輸介質(zhì)且運(yùn)行穩(wěn)定，通過末端緩沖和制動(dòng)控制，能夠有效避免提升沖擊導(dǎo)致煙包掉落等問題。

圖3 托盤提升裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of tray lifting device

1.4 煙包拾取裝置

1.4.1 結(jié)構(gòu)組成

煙包拾取裝置由垂直伺服電缸、水平伺服電缸、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及真空源等組成，見圖4。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)（4）采用蜂巢式平面吸盤［12］，在垂直伺服電缸（2）與水平伺服電缸（3）協(xié)同驅(qū)動(dòng)下往返于煙包拾取位置和煙包卸載位置。當(dāng)吸盤到達(dá)煙包拾取位置時(shí)，托盤（5）在提升裝置作用下上升；當(dāng)待拾取煙包層與吸盤高度一致時(shí)，開啟吸盤真空源（1）并吸附煙包側(cè)面；吸盤攜帶一層煙包返回至卸載位置［即鉤齒同步帶（6）上方］，待鉤齒同步帶運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)一個(gè)空工位時(shí)，真空源斷開，30包煙脫離吸盤下落于鉤齒同步帶上。拾取煙包所需的真空壓由大流量真空源提供。如圖4b所示，蜂巢式平面吸盤采用鋁合金薄板（10）作為底板，底板上粘貼的泡沫海綿板（11）具有清潔和密封作用，并可增大接觸面積以減小煙包掉落概率；底板和海綿板上均勻分布有微型吸孔，因平面吸盤為長條狀，在吸盤兩端設(shè)置2個(gè)真空負(fù)壓接頭（7），以提高吸盤型腔（9）內(nèi)真空度的均勻性，使各個(gè)吸孔的吸力保持一致。

圖4 煙包拾取裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of packet pickup device

1.4.2 真空源設(shè)備選型

吸盤吸附煙包轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，以一層30 包煙為對(duì)象進(jìn)行受力分析，見圖5。X 方向上，煙包受到真空吸附力Fw和吸盤作用力Fd；Y方向上，煙包受到重力G 和摩擦力f。假設(shè)煙包在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中做勻速運(yùn)動(dòng)，則煙包在X方向和Y方向上受力平衡，且滿足以下關(guān)系式：

圖5 煙包轉(zhuǎn)運(yùn)過程中受力分析Fig.5 Force analysis of cigarette packet during transportation

式中：FX為煙包在X方向上受力，N；FY為煙包在Y方向上受力，N；Fw為真空吸附力，N；Fd為吸盤作用力，N；G 為煙包重力，N；f 為摩擦力，N；m 為30 包煙質(zhì)量，取0.6～0.9 kg；g為重力加速度，取9.8 N/kg。

根據(jù)摩擦力和吸附力計(jì)算公式［13］可得：

式中：ΔPu為吸盤內(nèi)真空度，取真空泵最大真空度的63%～95%，MPa；S 為吸盤與煙包的有效吸附面積，取最大吸附面積的80%，mm2；μ為吸盤與煙包BOPP薄膜之間的摩擦系數(shù)，取0.36。

以昆明卷煙廠生產(chǎn)的異型卷煙為例，軟包煙包規(guī)格為87 mm×55 mm×22 mm，質(zhì)量為0.03 kg/包；細(xì)支煙包規(guī)格為103 mm×55 mm×12 mm，質(zhì)量為0.02 kg/包。吸盤吸附軟包煙包和細(xì)支煙包的側(cè)面寬度分別為22和12 mm，假設(shè)在每包煙吸附面上設(shè)置一個(gè)真空吸孔，則單個(gè)煙包的最大有效吸附面積分別為303.95和90.43 mm2。結(jié)合公式（1）和公式（2）可得，同時(shí)拾取30包煙，真空泵所需提供的真空度P應(yīng)滿足：

由于真空度越大，吸盤壽命越短，真空度不宜選擇過高。綜合考慮穩(wěn)定性和噪聲等因素，選擇VT4.40無油旋片式真空泵（最大真空度為0.04 MPa，德國BECKER公司）可滿足使用要求［14］。

1.4.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.4.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)不同規(guī)格異型卷煙，設(shè)計(jì)了兩種末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，見圖6。當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)軟包煙包時(shí)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用蜂巢式平面吸盤（圖6a）；當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)支煙包時(shí)，因煙包高度增加且吸附面積減小，蜂巢式平面吸盤對(duì)煙包的翻轉(zhuǎn)力矩增大。為避免煙包釋放過程中因瞬時(shí)氣壓差擾動(dòng)而造成煙包倒伏，在蜂巢式平面吸盤上方增加了一排（30個(gè)）普通橡膠吸盤（圖6b），使蜂巢式平面吸盤中控制煙包釋放的電磁閥通電時(shí)間略早于上排吸盤的電磁閥，從而避免煙包釋放后倒伏。

圖6 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of terminal actuator

1.4.3.2 微型吸孔參數(shù)設(shè)置

蜂巢式平面吸盤中吸孔的直徑計(jì)算公式［15］為：

式中：D為吸孔直徑，mm；t為安全率，水平吸附t≥4，垂直吸附t≥8，取t=10；n為吸孔數(shù)量，個(gè)；ΔPu取真空泵最大真空度的63%，MPa。

吸孔數(shù)量越多，吸孔直徑越小，而吸孔直徑過小會(huì)增大加工難度且容易堵塞。因此，在滿足生產(chǎn)條件下，按照最少吸孔數(shù)量的原則設(shè)計(jì)吸盤［16］。根據(jù)公式（1）和公式（2），為滿足煙包拾取要求，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)吸附力應(yīng)滿足：

式中：s為每個(gè)微型吸孔的有效吸附面積，mm2。

根據(jù)公式（5）可得，拾取軟包煙包應(yīng)滿足D2×n≥4 300 mm2，拾取細(xì)支煙包應(yīng)滿足D2×n≥2 866 mm2。對(duì)于軟包煙包，初選每包煙對(duì)應(yīng)吸盤均布10 個(gè) 4 mm 吸孔，30 包煙對(duì)應(yīng)吸盤則需均布300 個(gè)吸孔，見圖7。利用公式（4）驗(yàn)證，可得D≥，初選直徑大于臨界條件，即300個(gè) 4 mm吸孔可以滿足要求。對(duì)于細(xì)支煙包，將300 個(gè) 4 mm 吸孔代入公式（4）驗(yàn)證，得到吸孔直徑應(yīng)滿足D≥1.0 mm，大于臨界條件。因此，根據(jù)細(xì)支煙包規(guī)格尺寸調(diào)整吸孔間距即可滿足生產(chǎn)要求。

圖7 蜂巢式平面吸盤平面示意圖Fig.7 Schematic diagram of honeycomb suction plate

1.5 退盤裝置

退盤裝置由夾持氣缸、推送氣缸、夾持擋板、電機(jī)、鎖緊氣缸、輸送皮帶、擋板等組成，見圖8。當(dāng)空托盤（7）內(nèi)最后一層煙包取出后，推送氣缸（2）動(dòng)作，將兩側(cè)夾持氣缸（1）和夾持擋板（3）推送至空托盤上方，隨后夾持氣缸動(dòng)作使夾持擋板（3）收攏鉤住空托盤，同時(shí)提升裝置的夾緊機(jī)構(gòu)張開；推送氣缸反向動(dòng)作，帶動(dòng)空托盤退出至輸送皮帶（6）上方后，夾持氣缸反向動(dòng)作使夾持擋板松開，空托盤被放置在輸送皮帶上。空托盤輸送皮帶兩側(cè)同樣布置鎖緊氣缸（5）和擋板（8），使空托盤在輸送皮帶上暫存，直至空盤回收提升機(jī)到位后將一組空托盤集中回收。退料裝置由多個(gè)氣缸順序動(dòng)作實(shí)現(xiàn)空托盤回收，為保證順序控制信號(hào)準(zhǔn)確，采用具有記憶功能的電磁閥作為氣動(dòng)回路的主控原件［17］。

圖8 退盤裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of emptied tray reservoir

2 應(yīng)用效果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：軟包硬化“大重九”牌卷煙（煙支長度84 mm）、細(xì)支硬盒“大重九”牌卷煙（煙支長度100 mm）［紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司昆明卷煙廠］。

設(shè)備：“大重九”條包生產(chǎn)專線，包括煙包托盤輸送線、異型卷煙煙包卸盤機(jī)、軟包硬化條包裝填生產(chǎn)線、細(xì)支硬盒條包裝填生產(chǎn)線。

方法：軟包硬化條包裝填生產(chǎn)線和細(xì)支硬盒條包裝填生產(chǎn)線的額定生產(chǎn)速度均為30 條/min，三班制生產(chǎn)，早班5 h，中班和晚班均為6 h。異型卷煙煙包卸盤機(jī)應(yīng)用前后，分別連續(xù)統(tǒng)計(jì)5 d中班生產(chǎn)的兩種規(guī)格卷煙條包數(shù)量，取平均值。應(yīng)用前，采用人工裝填方式生產(chǎn)，按8 人1 組流水作業(yè)；應(yīng)用后，1 條生產(chǎn)線僅配備1名操作人員，負(fù)責(zé)設(shè)備保養(yǎng)、故障排查以及在線質(zhì)量抽檢等工作。

2.2 數(shù)據(jù)分析

如表1 所示，異型卷煙煙包卸盤機(jī)應(yīng)用后，僅需配備1名操作人員即可完成作業(yè)；軟包硬化卷煙和細(xì)支硬盒卷煙的產(chǎn)量分別為7 125、7 500條/班次，與應(yīng)用前采用人工裝填方式相比，可節(jié)約人工7人/班次，兩種牌號(hào)卷煙的產(chǎn)量分別提升4 125、3 500條/班次，有效提高了異型卷煙生產(chǎn)效率。

表1 異型卷煙煙包卸盤機(jī)應(yīng)用前后條包產(chǎn)量①Tab.1 Production of cigarette cartons before and after application of the tray unloader for special size cigarette packets

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種異型卷煙煙包卸盤機(jī)，通過進(jìn)料輸送裝置和托盤提升裝置將煙包托盤輸送至煙包拾取工位，再利用蜂巢式平面吸盤將煙包逐層移運(yùn)至卸載工位，空托盤則在退盤裝置中緩存后集中回收。以昆明卷煙廠“大重九”條包生產(chǎn)專線為對(duì)象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：異型卷煙煙包卸盤機(jī)應(yīng)用后，僅需配備1名操作人員即可完成作業(yè)，與采用人工裝填生產(chǎn)方式相比，可節(jié)約人工7人/班次，軟包硬化卷煙和細(xì)支硬盒卷煙的產(chǎn)量分別提升4 125、3 500 條/班次。該設(shè)備可滿足多種規(guī)格卷煙煙包的卸盤供料需求，有效提高異型卷煙的生產(chǎn)效率。