吳建軍，施忠兵，馬萬杰

上海煙草機械有限責任公司，上海浦東金橋出口加工區(qū)桂橋路750 號 201206

ZB48 型硬盒包裝機組是引進德國FOCKE 公司FOCKE 700S硬盒包裝機技術的國產(chǎn)化設備，生產(chǎn)能力為800包/min［1-2］。機組中的YB618型硬條及條外透明紙包裝機，采用了FOCKE 778型條盒及條外透明紙包裝機技術［3］，主要完成煙包硬條及條外透明紙包裝。目前YB618型包裝機可用于美式和歐式包裝，其中美式包裝采用美式雙角邊條盒，條外透明紙的拉線為順時針方向。而當前有些卷煙生產(chǎn)企業(yè)采用的是美式單角邊條盒包裝，條外透明紙的拉線為逆時針方向，對于該包裝形式，YB618型包裝機還無法實現(xiàn)。近年來，針對硬盒及條外透明紙包裝機已有許多研究改進，孫斌［4］通過解決調(diào)試工作中存在的問題，縮短了調(diào)試周期，提高了硬條盒包裝品質；李明端等［5］通過增加熱封裝置等方法，有效改善了條外透明紙的包裝效果。但對包裝工藝的改進報道較少。為此，通過研究分析現(xiàn)有的硬條盒包裝工藝，對YB618 型包裝機的包裝工藝進行改進，以使該機型能夠實現(xiàn)美式單角邊條盒以及逆時針拉線包裝，滿足設備包裝形式多樣化的需求。

1 問題分析

美式雙角邊條盒具有前角和后角兩組角邊，將包裝后的條盒以窄長邊在左邊并向下的姿態(tài)放置，其條外透明紙的拉線為順時針方向，即沿順時針方向撕開拉線可將透明紙拆開，見圖1。

圖1 美式雙角邊條盒及順時針拉線示意圖

圖2 美式單角邊條盒及逆時針拉線示意圖

美式單角邊條盒只有前角一組角邊，見圖2。當與圖1 相同方式放置條盒時，條外透明紙的拉線為逆時針方向，即沿逆時針方向撕開拉線可將透明紙拆開。但YB618 型包裝機目前無法實現(xiàn)逆時針方向撕開拉線的形式，由此影響到該機型的生產(chǎn)適應性。

2 設計方法

為實現(xiàn)圖2 中的包裝形式，改進了YB618 型包裝機的包裝工藝，并重新設計了其相關裝置。

2.1 設計原理

YB618 型包裝機采用的條外透明紙包裝方式見圖3。即在完成條外透明紙包裝后，條盒的右端面形成透明紙的搭口，拉線U 形切口2 的“∪”形向下，且在搭口最上方以便撕開透明紙，拉線1 與后端面的距離x 可以根據(jù)需求進行調(diào)整。分析可見，由于YB618 型包裝機的透明紙裝置設計的局限性，修改透明紙拉線的包裝方式較困難，通過改進硬條盒商標紙輸送和包裝工藝，則可以利用原有的空間結構實現(xiàn)逆時針拉線包裝。

圖3 透明紙拉線包裝方式

改進前的硬條盒商標紙包裝工藝見圖4。其中:（Ⅰ）硬條盒商標紙2 在進入包裝位置時處于窄長邊向上、寬長邊向下狀態(tài)。由推桿1 將兩層5 包排列的煙包與硬條盒商標紙共同推入包裝輪6內(nèi)，并使硬條盒商標紙呈“匚”形折疊，同時前角折疊器3 完成前角折疊。（Ⅱ）完成“匚”形折疊后，通過長邊折疊器5 和4 先后完成窄長邊折疊和寬長邊折疊。長邊折疊器5 包括一個固定折疊器和一個移動折疊器。（Ⅲ）通過包裝輪6 的逆時針旋轉使煙條到達包裝輪中間垂直位置，由后角折疊器8和側邊折疊器7 分別完成對硬條盒商標紙后角和窄側邊的折疊。（Ⅳ）經(jīng)過包裝輪6 的再次逆時針旋轉使煙條到達水平位置，并由側邊折疊器9 完成寬側邊折疊，該折疊器采用固定式；由推桿10 將煙條推出，從而完成整個硬條盒商標紙的包裝。完成包裝的條盒經(jīng)透明紙包裝后形成如圖1 所示的拉線順時針包裝形式。

圖4 改進前硬條盒商標紙包裝工藝圖

改進后的硬條盒商標紙包裝工藝見圖5。其中:（Ⅰ）將硬條盒商標紙2 放置在輸送裝置時要上下顛倒，使硬條盒商標紙以寬長邊向上、窄長邊向下狀態(tài)輸送到包裝位置。由推桿1 將兩層5 包排列的煙包與硬條盒商標紙共同推入包裝輪6 內(nèi)，完成“匚”形折疊，同時前角折疊器3 完成前角折疊。（Ⅱ）通過長邊折疊器4 和5 先后完成窄長邊折疊和寬長邊折疊。（Ⅲ）通過包裝輪6 的逆時針旋轉使煙條到達包裝輪中間垂直位置，由側邊折疊器8和7 先后完成對硬條盒商標紙窄側邊和寬側邊的折疊。（Ⅳ）經(jīng)過包裝輪6 的再次逆時針旋轉使煙條到達水平位置并由推桿9 將煙條推出，從而完成整個硬條盒商標紙的包裝。完成包裝的硬條盒經(jīng)透明紙包裝后形成如圖2 所示的拉線逆時針包裝形式。

圖5 改進后硬條盒商標紙包裝工藝圖

2.2 折疊裝置設計

2.2.1 折疊器機構改進

如圖6a 所示，改進前的側邊折疊器7 采用凸輪四桿機構驅動［6］，凸輪3 驅動擺桿4，通過連桿5帶動擺桿6 擺動，從而驅動側邊折疊器7 進行窄側邊折疊動作；后角折疊器8 采用凸輪擺桿機構驅動，凸輪2 驅動擺桿1 擺動，帶動后角折疊器8 進行折疊動作。如圖6b 所示，改進后的側邊折疊器7 利用圖6a 中側邊折疊器7 的結構，對凸輪3 進行改進，其他零件保持不變，最終驅動側邊折疊器7實現(xiàn)折疊動作；側邊折疊器8 利用圖6a 中后角折疊器8 的結構，對凸輪2 進行改進，凸輪2 驅動擺桿1 帶動側邊折疊器8 實現(xiàn)窄側邊折疊動作。

圖6 改進前后折疊器機構示意圖

分析發(fā)現(xiàn)，改進前后硬條盒商標紙包裝工藝主要有兩個區(qū)別。

（1）改進后硬條盒商標紙在包裝位置時其寬長邊和窄長邊上下顛倒，即寬長邊向上、窄長邊向下，帶有膠水的寬長邊必須后折疊，因此圖5 中長邊折疊器4 先工作，長邊折疊器5 后工作，與改進前的工作順序正好相反。解決辦法是長邊折疊器4 保持不變，長邊折疊器5 中保留固定折疊器，取消移動折疊器。因此，在長邊折疊器4 完成窄長邊折疊、包裝輪逆時針旋轉過程中，長邊折疊器5中的固定折疊器完成對寬長邊的折疊。

（2）包裝輪旋轉到圖5 中垂直位置時，會導致寬側邊和窄側邊左右顛倒，即寬側邊在右邊，窄側邊在左邊，帶有膠水的寬側邊必須后折疊，因此側邊折疊器8 要先折疊左邊的窄側邊，側邊折疊器7再折疊右邊的寬側邊。改進后的側邊折疊器8 設計成移動式折疊器，側邊折疊器7 的動作也重新設計。美式單角邊條盒不需要后角折疊，因此可以取消后角折疊動作，利用圖4 中后角折疊器8 的空間，設計制作圖5 中的側邊折疊器8，無需對機器的結構進行調(diào)整，降低了改進成本。

2.2.2 折疊動作設計

通過設計擺桿1 的角位移θ1和擺桿4 的角位移θ2，可以實現(xiàn)側邊折疊器8 和側邊折疊器7 的折疊動作，見表1。根據(jù)表1，繪制θ1和θ2的角位移圖，即側邊折疊器的相位圖，見圖7。

表1 折疊動作設計

圖7 θ1和θ2的角位移圖

2.2.3 凸輪設計

YB618 型包裝機生產(chǎn)速度為80 條/min（或800包/min），對速度要求并不高。凸輪從動件采用3-4-5 次多項式運動規(guī)律，適用于中速條件，且運動綜合性能較好［7］。改進后將凸輪2 和凸輪3 從圖6 中獨立出來，以擺桿1 旋轉中心與凸輪2 旋轉中心連線為X1軸，以擺桿4 旋轉中心與凸輪3 旋轉中心連線為X2軸，分別建立坐標系X1O1Y1和X2O2Y2，見圖8 和圖9。其中，擺桿1 的長度為l1，與凸輪2 中心距為l01；擺桿4 的長度為l4，與凸輪3 中心距為l02；β是凸輪2 和凸輪3 的角位移，θ1和θ2分別是擺桿1 和擺桿4 的角位移。

圖8 凸輪2 的計算結構圖

圖9 凸輪3 的計算結構圖

首先結合相位圖7，建立擺桿1 和擺桿4 的運動規(guī)律方程［8-9］:

然后在圖8 和圖9 的坐標系下，分別建立凸輪2 和凸輪3 的理論輪廓方程［10-11］:

由式（1）～式（4）可以計算出改進后凸輪2 和凸輪3 的輪廓。通過Pro/E 軟件對凸輪進行曲率分析，見圖10?？梢?，改進后凸輪2 和凸輪3 的輪廓曲率保持連續(xù)，符合凸輪運動要求［12］，且曲率半徑均可滿足凸輪滾子半徑r 為16 mm 的結構要求。

圖10 凸輪曲率分析圖

2.3 仿真試驗

根據(jù)實際工作要求，本研究中以80 條/min（或800 包/min）速度為條件建立Pro/E 模型進行運動仿真試驗［13］，以驗證改進效果，結果見圖11。圖11a 是圖6b 中擺桿1 的運動規(guī)律曲線，圖11b 是圖6b 中擺桿4 的運動規(guī)律曲線。仿真結果表明，兩個折疊器的運動規(guī)律與圖7 完全匹配，符合窄側邊和寬側邊的折疊動作設計要求。

圖11 仿真試驗結果

3 結語

改進后YB618 型硬條及條外透明紙包裝機利用原有的空間結構，通過改進包裝工藝和重新設計凸輪，實現(xiàn)了美式單角邊的條盒包裝以及逆時針拉線形式，提高了該機型對包裝形式的適應性。改進后包裝機組整體運行良好，額定生產(chǎn)能力800 包/min，平均有效運行效率達88.09%，平均噪聲80.6 dB［14］，包裝品質符合GB 5606.3—2005的要求［15］。但改進后的YB618 型包裝機仍無法滿足透明紙接頭在條盒大端面的包裝需求，因此還有待于進一步研究改進。

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［14］上海煙草機械有限責任公司.Q/YGAC 24—2013 煙草機械 ZB48型硬盒硬條包裝機組［S］.

［15］國家煙草專賣局.GB 5606.3—2005 包裝、卷制技術要求及貯運［S］.