一種在線式小包入盒裝填生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

李劉平，包 韜，胡志強(qiáng)，王 緒

（云南煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，昆明 650106）

近年來(lái)隨著對(duì)使用預(yù)制盒的特色花式煙草包裝的研究不斷深入，國(guó)內(nèi)外眾多廠家對(duì)于預(yù)制條盒卷煙生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)與研究都有了一定的規(guī)模[1-2]；目前，行業(yè)內(nèi)針對(duì)異型煙條機(jī)械化包裝的研究，主要集中在專用設(shè)備研發(fā)或標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備適應(yīng)性改造[3]；但因以往市場(chǎng)需求總量不是很大，加之客戶對(duì)花式包裝式樣及規(guī)格要求的多樣性，只能通過(guò)單一針對(duì)性的專用設(shè)備設(shè)計(jì)制造來(lái)實(shí)現(xiàn)，而專用設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)組織，周期較長(zhǎng)，難度很大[4]，這也決定了這類特型設(shè)備品種較少而價(jià)格高昂的狀況。近幾年，隨著國(guó)內(nèi)高端、特色卷煙產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，行業(yè)對(duì)此類設(shè)備的需求量日漸增加，預(yù)制成型包裝盒的廣泛使用也使包裝式樣的多樣化得到了一定程度的統(tǒng)一[5]，而缺少滿足相應(yīng)功能設(shè)備的狀況，也在一定程度上制約了行業(yè)對(duì)此類產(chǎn)品的創(chuàng)新與發(fā)展。而本文為適應(yīng)云煙（中支小重九）的機(jī)械化生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)研發(fā)一款適用于云煙（中支小重九）的小包入預(yù)制條盒的包裝生產(chǎn)線。

1 技術(shù)方案內(nèi)容

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

云煙（中支小重九）使用的條盒為側(cè)開(kāi)翻蓋式的預(yù)制成型禮品盒，盒蓋開(kāi)度大于等于150°，條盒外觀尺寸為240 mm×100.5 mm×46.5 mm，小盒在條盒內(nèi)裝填形式為2×5 平包裝填，為方便煙包取出，在盒底一側(cè)設(shè)置了拉舌，小包裝填完成后還需附上硫酸紙，硫酸紙粘貼于條盒一側(cè)（圖1）。該產(chǎn)品小包為中支軟包硬化小重九已經(jīng)由上游包裝機(jī)完成機(jī)械化生產(chǎn)，而后端條外透明紙包裝也可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)，因此本條預(yù)制條盒裝填生產(chǎn)線需承擔(dān)的工作位連接上游401 小盒透明紙包裝機(jī)和下游408 條盒透明紙包裝機(jī)的在線式小包入預(yù)制條盒生產(chǎn)工作；而根據(jù)生產(chǎn)線各工位動(dòng)作的最短運(yùn)行周期計(jì)算，生產(chǎn)線上運(yùn)行動(dòng)作最為緩慢的是硫酸紙掀開(kāi)和小包沖填動(dòng)作，工位動(dòng)作配合輸送帶運(yùn)行時(shí)間均在3 s 左右，由此生產(chǎn)線效率僅為20 條/min，無(wú)法達(dá)到要求的30 條/min 的額定速度，因此生產(chǎn)線采用雙通道裝填的形式以求達(dá)到額定生產(chǎn)速度要求。

圖1 預(yù)制條盒三維示意圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

針對(duì)預(yù)制條盒生產(chǎn)線的上下游連線需求，將生產(chǎn)線分為如下模塊：①人工輔助條盒供料裝置；②小包入盒裝填主線；③小盒煙包引入通道；④小包分垛及沖填裝置；⑤輸出通道；⑥貼標(biāo)機(jī)；⑦提升機(jī)構(gòu)[2]（圖2）。

圖2 雙通道預(yù)制條盒裝填生產(chǎn)線布局圖

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙通道小包入預(yù)制條盒裝填生產(chǎn)線通過(guò)③小盒煙包引入通道與上游401 小盒透明紙包裝機(jī)相連，通過(guò)⑦提升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與下游408 條外透明紙包裝機(jī)的連接；裝填線前端由①人工輔助條盒供料裝置進(jìn)行預(yù)制條盒的供給和物料暫存，預(yù)制條盒從人工輔助條盒供料裝置中輸送至②小包入裝填主線內(nèi)完成小包裝填后，通過(guò)成像檢測(cè)判斷若為不合格產(chǎn)品則剔除，若為合格產(chǎn)品則輸送至⑤輸出通道內(nèi)，在輸出通道由⑥貼標(biāo)機(jī)完成條盒封簽的粘貼，再由⑦提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行提升輸送至下游408 條外透明紙包裝機(jī)內(nèi)完成透明紙包裹（圖2）。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和選型

2.1 人工輔助條盒供料裝置設(shè)計(jì)

條盒供料模塊采用人工輔助的半自動(dòng)供料模式，此處一左一右，成對(duì)稱式布置。由人工先將預(yù)制盒碼垛至供料皮帶上，條盒經(jīng)由供料皮帶輸送至供料推頭，再由供料推頭推送至下落通道，條盒自由下落至主裝填線的齒形凸耳帶上，由齒形凸耳帶將最下層的一個(gè)盒子推送走，上方空條盒再依次下落至齒形凸耳帶上，如此往復(fù)；此種供料方式的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)潔，占用空間最小。

為方便與裝填主線的速度匹配，條盒供料裝置的推頭組件（1.2）通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線絲桿運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)條盒推頭的動(dòng)作，采用直線絲桿可方便快捷的對(duì)推頭行程及速度進(jìn)行快速便捷的調(diào)整，以適應(yīng)不同條盒尺寸變化帶來(lái)的規(guī)格切換的影響。

條盒下落通道則通過(guò)6 組光電檢測(cè)的配合實(shí)現(xiàn)料庫(kù)內(nèi)條盒的自動(dòng)補(bǔ)料及條盒信號(hào)與裝填主線的對(duì)接，在料庫(kù)背板（1.103）上安裝了2 組接近開(kāi)關(guān)（1.407）和（1.408），當(dāng)下落通道需要補(bǔ)料時(shí)，需要2 組接近開(kāi)關(guān)均檢測(cè)到條盒信號(hào)，即表示條盒輸送到位后推頭才可進(jìn)行補(bǔ)料動(dòng)作，由此解決條盒位數(shù)送到位而導(dǎo)致的卡堵問(wèn)題。而在條盒下落通道內(nèi)也安裝了4 組對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)，（1.402）位于皮帶平面以上2 個(gè)條盒的位置，（1.403）位于皮帶平面以上一個(gè)條盒的位置，（1.404）位于皮帶平面以下一個(gè)條盒的位置，（1.405）位于裝填皮帶平面位置；當(dāng)預(yù)制條盒料位降低至（1.402）以下時(shí)，條盒推頭退回零點(diǎn)同時(shí)條盒供料皮帶（1.302）進(jìn)行補(bǔ)料；當(dāng)落料通道內(nèi)條盒平面低于（1.403）時(shí)即條盒平面與供料皮帶平面處于同一平面，此時(shí)推頭組件（1.2）進(jìn)行補(bǔ)料，由此完成預(yù)制條盒的自動(dòng)補(bǔ)料；而在運(yùn)行過(guò)程中若條盒平面低于（1.404）平面時(shí)，將會(huì)向PLC 發(fā)出報(bào)警提示，后續(xù)條盒也無(wú)法補(bǔ)料，需人工進(jìn)行處理；落料通道每有一個(gè)條盒落下，（1.405）處的對(duì)射式傳感器都將產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，通過(guò)PLC 將一號(hào)工位標(biāo)記為“有條盒”的狀態(tài)，而該條盒信號(hào)將通過(guò)凸耳帶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行移位寄存，為后續(xù)工位動(dòng)作進(jìn)行信號(hào)參考（圖3）。

圖3 條盒供料裝置示意圖

2.2 小包入盒裝填主線設(shè)計(jì)

小包入盒裝填主線主要完成預(yù)制條盒運(yùn)輸、開(kāi)盒、硫酸紙整理、拉帶整理、配合小包沖填裝置進(jìn)行煙包沖填、硫酸紙整理、條盒關(guān)盒及條盒輸出的一系列工藝流程。

2.2.1 條盒推入裝置

上游機(jī)輸入的預(yù)制條盒首先會(huì)被輸送至條盒整理位內(nèi)，整理位內(nèi)有接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到條盒信號(hào)時(shí)，PLC 控制裝置內(nèi)的氣缸將條盒推入第一工位。

2.2.2 條盒開(kāi)蓋裝置

當(dāng)預(yù)制條盒輸送到3 號(hào)工位后，PLC 控制條盒開(kāi)蓋裝置進(jìn)行開(kāi)蓋動(dòng)作；此時(shí)開(kāi)合機(jī)構(gòu)位于開(kāi)盒120°位置，伺服電機(jī)（26）旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)連接軸（28）帶動(dòng)開(kāi)盒板（25）旋轉(zhuǎn)至0°位置，使吸頭（22）與條盒盒蓋接觸，此時(shí)電磁閥打開(kāi)使得吸頭將盒蓋吸住，伺服電機(jī)再次旋轉(zhuǎn)至120°開(kāi)盒位置，至此完成整個(gè)開(kāi)盒動(dòng)作。在此過(guò)程中旋轉(zhuǎn)軸（28）與盒蓋旋轉(zhuǎn)中心處于同一個(gè)虛擬軸上，以此保證吸頭與盒蓋在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中保持相對(duì)靜止從而避免兩者互相拉扯導(dǎo)致的盒蓋脫離從而導(dǎo)致開(kāi)蓋失?。欢陂_(kāi)盒板（25）上也裝有滑塊（23），兩側(cè)由壓簧（24）做支撐，吸頭（22）便安裝在滑塊（23）上，此部分彈性裝置是為了解決部分預(yù)制條盒由于尺寸差異而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸與盒蓋旋轉(zhuǎn)中心不在同一條線上，從而通過(guò)壓簧的作用來(lái)進(jìn)行兩向拉力的微調(diào)，從而保證開(kāi)盒的成功率（圖4）。

2.2.3 硫酸紙和整理裝置

條盒開(kāi)蓋完成后輸送至4 號(hào)工位進(jìn)行硫酸紙整理流程，此處采用機(jī)械手配合旋轉(zhuǎn)氣缸的形式進(jìn)行硫酸紙拉起和定位；機(jī)械手選用VIPER850 型六軸機(jī)械手（31）通過(guò)六軸配合模擬人工來(lái)取硫酸紙（34）的動(dòng)作完成硫酸紙吸取，此處采用六軸機(jī)械手模擬人工動(dòng)作可減少硫酸紙吸取過(guò)程中對(duì)硫酸紙的磨損，降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，硫酸紙吸取完成后再配合旋轉(zhuǎn)氣缸（36）旋轉(zhuǎn)撥桿（35）將硫酸紙固定在條盒之外，當(dāng)條盒向后輸送過(guò)程中硫酸紙托板（38）拖住硫酸紙下方，硫酸紙壓桿（39）將硫酸紙根部壓住，保證在條盒運(yùn)行過(guò)程中硫酸紙?zhí)幱诳煽貭顟B(tài)下（圖5）。

圖5 硫酸紙整理裝置

2.2.4 拉帶整理裝置

由于拉帶質(zhì)地較硬不易因折痕等問(wèn)題而產(chǎn)生質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，因此此處采用雙氣缸配合的方式，由吸取氣缸（47）將拉帶（44）從條盒（43）內(nèi)取出，吸取氣缸上安裝有3 個(gè)行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)氣缸伸出到行程開(kāi)關(guān)（48）處時(shí)，電磁閥供氣將拉帶吸住，而后吸取氣缸（47）往回運(yùn)動(dòng)至行程開(kāi)關(guān)（49）位置時(shí)吸頭（45）斷氣，旋轉(zhuǎn)氣缸（412）動(dòng)作帶動(dòng)撥桿（413）將拉帶撥出至盒外，由此此完成拉帶的吸取與整理；當(dāng)條盒向后輸送時(shí)通道扶板（414）與拉帶壓桿（415）將拉帶夾持在中間，使拉帶處于被控制的狀態(tài)（圖6）。

圖6 拉帶整理裝置

2.2.5 硫酸紙導(dǎo)回裝置

硫酸紙導(dǎo)回裝置利用硫酸紙底板的向上傾斜角度講硫酸紙?zhí)?，在條盒停止工位上，配合硫酸紙倒回氣缸驅(qū)動(dòng)硫酸紙導(dǎo)回推頭將硫酸紙導(dǎo)回預(yù)制條盒內(nèi)。

2.2.6 條盒關(guān)蓋裝置

條盒關(guān)蓋裝置利用2 個(gè)氣缸的配合完成關(guān)蓋動(dòng)作，當(dāng)條盒運(yùn)輸至11 號(hào)工位后，旋轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)撥桿旋轉(zhuǎn)將盒蓋蓋下，為確保盒蓋完全緊閉，在條盒上端安裝了壓蓋氣缸，當(dāng)盒蓋閉合后，壓蓋氣缸伸出將盒蓋壓實(shí)，完成整個(gè)關(guān)蓋動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)氣缸與壓蓋氣缸上均安裝由行程開(kāi)關(guān)，以確保氣缸伸出到位時(shí)完成關(guān)蓋，縮回到位時(shí)輸送帶才可運(yùn)動(dòng)，以防止氣缸為縮回到位而造成的卡堵。

2.2.7 條盒輸出及剔除裝置

條盒輸送至12 號(hào)工位后，為防止雙通道輸出后出現(xiàn)煙條卡堵的問(wèn)題，將合格條盒進(jìn)行合并輸出，不合格煙條在12 號(hào)工位進(jìn)行剔除。

2.3 小盒引入通道

此通道參照FOCKE408 輸入通道改進(jìn)而來(lái)。煙垛運(yùn)輸通道接口處與401 包裝機(jī)出口處對(duì)接，煙垛通過(guò)運(yùn)輸通道（3.1）運(yùn)輸頂?shù)匠隹谔幒螅?×5 煙垛為一單元，夾緊氣缸（3.2）夾緊煙包，使后面的煙垛不再往前前進(jìn)，同時(shí)分垛氣缸（3.6）開(kāi)始工作，把2×5 平包垛換向推往沖填裝置，待電缸回到初始位置時(shí)，夾緊裝置松開(kāi)，使之堆煙至一單元后再夾緊，如此循環(huán)往復(fù)。煙包整理裝置裝置上方安裝有5 組光纖（3.5），可檢測(cè)小盒煙包到位和缺包，保證2×5 煙包垛不缺包，同時(shí)也避免煙包不到位進(jìn)行推送帶來(lái)的卡堵問(wèn)題（圖7）。

圖7 小盒引入通道示意圖

2.4 小包分垛及沖填裝置

小包分垛及沖填裝置由（51）分包器（52）沖填裝置（53）支架組成（圖8）；當(dāng)2×5 排列的小盒煙包輸送進(jìn)入輸送通道（511）后，由后端煙包垛推動(dòng)前段煙包垛到達(dá)底板（514）處，底板上安裝有10 根激光傳感器（515）進(jìn)行檢測(cè)煙包到位情況以及是否有缺包；檢測(cè)完成后直線絲桿（518）由伺服電機(jī)（519）驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)分包器推頭（516）將小盒煙包垛推送入其中一側(cè)的沖填裝置（52）內(nèi)，推送到位后下一組煙包垛繼續(xù)被推送至底板（514）處，完成檢測(cè)后分包器推頭（516）將煙包垛推送至另一側(cè)的沖填裝置內(nèi)，如此循環(huán)往復(fù)完成小盒煙包的分垛（圖9）；小包沖填裝置由兩個(gè)伺服電機(jī)（524）驅(qū)動(dòng)絲桿（522）運(yùn)動(dòng)，2 個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)電子凸輪配合，將分包器推送過(guò)來(lái)的2×5 小盒煙包垛利用沖填套口（5210）與壓板（528）的配合將煙包沖填入預(yù)制條盒內(nèi)（圖10）。

圖8 小包分包及沖填裝置示意圖

圖9 分包器示意圖

圖10 沖填裝置示意圖

2.5 合格產(chǎn)品輸出及封簽粘貼

從12 號(hào)工位輸出的合格煙條在輸出皮帶上進(jìn)行封簽粘貼，當(dāng)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到煙條信號(hào)后，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)貼標(biāo)頭進(jìn)行封簽粘貼，后通過(guò)輸送通道兩側(cè)滾輪將封簽壓實(shí)，輸送至提升裝置內(nèi)將煙條提升至408 輸入通道內(nèi)，由FK408 完成條外透明紙的包裹及條外觀檢測(cè)。

3 生產(chǎn)線運(yùn)行情況討論

設(shè)計(jì)研發(fā)的雙通道小包入預(yù)制條盒裝填生產(chǎn)線，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)完成聯(lián)動(dòng)調(diào)試后已正式投入生產(chǎn)，整線運(yùn)行穩(wěn)定，各功能模塊生產(chǎn)運(yùn)行匹配良好。設(shè)備投入正式生產(chǎn)已經(jīng)一年之久，設(shè)備按照額定30 條/min 穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間除去每個(gè)班次保養(yǎng)及開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備的1.5 h，每天實(shí)際帶料生產(chǎn)時(shí)間15.5 h，日均產(chǎn)能95 標(biāo)箱（250 條/箱）以上，設(shè)備運(yùn)行效率大于等于85%，次品率小于0.3%，產(chǎn)品質(zhì)量符合品牌工藝質(zhì)量要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)研發(fā)的雙通道小包入預(yù)制條盒裝填生產(chǎn)線完成云煙（中支小重九）的機(jī)械化聯(lián)機(jī)生產(chǎn)需求，相較于人工包裝，效率得到了極大提升，同時(shí)，產(chǎn)品工藝質(zhì)量也得到了保證。所設(shè)計(jì)的條盒供料裝置、小包裝填主線、小盒沖填裝置等，也對(duì)后續(xù)其他品牌規(guī)格的設(shè)備開(kāi)發(fā)有較大的參考意義。