倪 敏，黃 彪

南通煙濾嘴有限責(zé)任公司，江蘇省南通市崇川區(qū)勝利路6號(hào) 226014

濾棒裝盒機(jī)上料整理機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

倪 敏，黃 彪

南通煙濾嘴有限責(zé)任公司，江蘇省南通市崇川區(qū)勝利路6號(hào) 226014

為解決濾棒裝盒機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中存在的操作復(fù)雜、計(jì)量不準(zhǔn)確等問(wèn)題，基于伺服精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)研制了一種新型濾棒上料整理機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由側(cè)擋板、活動(dòng)式托板組成一個(gè)能容納整盒濾棒的漸沉式儲(chǔ)棒倉(cāng)，通過(guò)兩個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)托板及支架垂直移動(dòng)上料，配合側(cè)面小錘敲擊振動(dòng)使儲(chǔ)棒倉(cāng)內(nèi)濾棒有序排列，實(shí)現(xiàn)了濾棒先在儲(chǔ)棒倉(cāng)內(nèi)裝填整理，然后整盒推進(jìn)空紙盒的功能。采用新型上料整理機(jī)構(gòu)對(duì)HCF80型濾棒裝盒機(jī)進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)，結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)可以精確控制濾棒整理動(dòng)作，濾棒排列整齊有序。在不改變?cè)瓩C(jī)生產(chǎn)能力情況下，濾棒裝支精度達(dá)（4 000±5）支/盒，優(yōu)于YJ36型濾棒裝盒機(jī)的精度標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求，有效提升了濾棒產(chǎn)品自動(dòng)化物流系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

濾棒裝盒機(jī)；紙盒；儲(chǔ)棒倉(cāng)；上料整理機(jī)構(gòu)；裝支精度

隨著國(guó)內(nèi)外煙草機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化程度的不斷提高，濾棒成型機(jī)組的最高生產(chǎn)速度可達(dá)1 000 m/min。由于物流技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，濾棒生產(chǎn)企業(yè)利用異地技改建立了自動(dòng)化物流系統(tǒng)［1］，濾棒裝盒以及紙盒集中輸送、儲(chǔ)存、精確計(jì)量已成為濾棒成型線自動(dòng)化生產(chǎn)的主要模式。而作為該模式下的生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，濾棒裝盒機(jī)的技術(shù)發(fā)展直接影響到濾棒生產(chǎn)線的運(yùn)行速度。目前國(guó)內(nèi)濾棒生產(chǎn)企業(yè)使用的德國(guó)HAUNI公司的HCF80型裝盒機(jī)，需要人工輔助倒盒，即紙盒外面需要套一個(gè)硬盒固定［2］，裝滿盒后再把紙盒從硬盒里取出，操作復(fù)雜，且計(jì)量不準(zhǔn)確，每盒裝支范圍（4 000±80）支，無(wú)法滿足GB/T 5605—2011規(guī)定的（4 000±40）支/盒的裝支精度要求［3］，并且需要人工輔助進(jìn)行后續(xù)的濾棒整理、裝支補(bǔ)充等工作，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、有效作業(yè)率低。為提高濾棒物流系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，國(guó)內(nèi)煙機(jī)制造公司吸取FF30型裝盒機(jī)和COMFLEX系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了YJ36型濾棒裝盒機(jī)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電缸做直線運(yùn)動(dòng)［4］，能夠利用紙盒直接裝填濾棒［2］，無(wú)需人工輔助倒盒，其上料整理機(jī)構(gòu)借鑒了FF30型的分批推棒進(jìn)盒技術(shù)，同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)了整理和敲擊裝置［5］，將裝支精度提高到（4 000±10）支/盒。文獻(xiàn)［6］中設(shè)計(jì)了一種濾棒裝盒機(jī)的濾棒整理裝置，將整理輥、限位器和托板自下而上分3層安裝在過(guò)料箱內(nèi)，通過(guò)計(jì)數(shù)器控制氣缸帶動(dòng)限位桿移動(dòng)使濾棒通道打開或關(guān)閉，但對(duì)托板的結(jié)構(gòu)未有詳細(xì)說(shuō)明。劉鈺［7］采用流量匹配計(jì)算和仿真模擬設(shè)計(jì)了YJ36型濾棒裝盒機(jī)下料庫(kù)的分流塊、導(dǎo)流緩存塊等，提高了濾棒裝盒品質(zhì)，但上述改進(jìn)未能進(jìn)一步提高裝支精度。為此，根據(jù)自動(dòng)化物流生產(chǎn)線需求，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精度螺桿副，帶動(dòng)托板及支架上下活動(dòng)形成漸沉式儲(chǔ)棒倉(cāng)的方法，研制了一種新型濾棒上料整理機(jī)構(gòu)，以提高濾棒裝盒機(jī)的裝支精度，實(shí)現(xiàn)濾棒產(chǎn)品的全自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)組成

每盒濾棒的裝支標(biāo)準(zhǔn)按4 000支計(jì)，濾棒在紙盒內(nèi)的排列標(biāo)準(zhǔn)為51層，每層濾棒排列支數(shù)呈偶數(shù)78或奇數(shù)79錯(cuò)位分布。HCF80型裝盒機(jī)采用的垂直落棒裝盒方式，裝支頂部不整齊，裝盒品質(zhì)也不穩(wěn)定；FF30型裝盒機(jī)采用的分批推棒進(jìn)盒方式，裝支頂部整齊，但一次只能推進(jìn)3層濾棒，需要17次才能完成全部推進(jìn)過(guò)程，因此對(duì)推板和降盒動(dòng)作的協(xié)調(diào)性要求較高，推進(jìn)的濾棒與紙盒碰撞后容易反彈且在自由下落過(guò)程中容易散亂。在集成上述兩種機(jī)型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制了一種新型濾棒上料整理機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由側(cè)擋板、托板及支架、伺服電機(jī)、滾珠絲桿、同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)、活門及開閉氣缸、導(dǎo)向軸、調(diào)節(jié)絲桿、敲擊組件等部件組成，見圖1。

圖1 濾棒上料整理機(jī)構(gòu)示意圖

在生產(chǎn)過(guò)程中，托板托舉和支撐所有濾棒，隨著托板的下移，儲(chǔ)棒倉(cāng)逐步形成（即所謂漸沉式），濾棒在儲(chǔ)棒倉(cāng)中填充、整理，支架支撐托板隨濾棒填充速度同步下移。儲(chǔ)棒倉(cāng)初始裝填時(shí)，托板下降，快速裝填裝盒機(jī)料倉(cāng)內(nèi)積聚過(guò)多的濾棒，后續(xù)隨支架下移，直至儲(chǔ)棒倉(cāng)中的濾棒超過(guò)整盒濾棒的高度后打開活門，排列整齊的4 000支濾棒整體出料。在濾棒推出儲(chǔ)棒倉(cāng)后托板隨支架復(fù)位，并快速提升到進(jìn)料口，托舉下一盒濾棒。采用伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)托板及支架，保證了托板及支架的運(yùn)行精度并與上游成型機(jī)生產(chǎn)速度保持同步［8］。側(cè)擋板上加裝的振動(dòng)板、小錘等敲擊組件，在上料整理過(guò)程中不斷敲擊振動(dòng)板，使儲(chǔ)棒倉(cāng)中每層濾棒支數(shù)呈奇偶數(shù)錯(cuò)位分布，且排列整齊。利用調(diào)節(jié)絲桿調(diào)整側(cè)擋板的間距，可以改變儲(chǔ)棒倉(cāng)的裝支容量和尺寸，從而與紙盒規(guī)格相匹配。

1.1 托板及支架的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

托板及支架分別采用兩組電氣伺服驅(qū)動(dòng)裝置，其中托板支架驅(qū)動(dòng)裝置主要用于控制托板及支架整體在上料整理過(guò)程中的上下移動(dòng)。如圖1所示，托板支架與滾珠絲桿螺母固定連接，通過(guò)絲桿副傳動(dòng)將獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為絲桿螺母連同托板支架的直線移動(dòng)，以提高運(yùn)動(dòng)控制精度。由于托板支架橫向跨度達(dá)1 100 mm，為保證運(yùn)行平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)為單電機(jī)雙邊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)［9］，由同步帶傳動(dòng)另一側(cè)滾珠絲桿做同步動(dòng)作。設(shè)計(jì)中采用兩根直線光軸作為導(dǎo)向軸，兩根滾珠絲桿以及兩根導(dǎo)向軸的中心均在同一個(gè)鉛垂平面內(nèi)，保證了支架移動(dòng)的穩(wěn)定性。

受敲擊和狗牙等整理組件安裝結(jié)構(gòu)的限制，托板支架上升的最高位在整理組件的下方，距離進(jìn)料口有一定距離，因此在支架的上方加設(shè)了托板及其伺服驅(qū)動(dòng)組件。同樣，采用獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精度絲桿副，以提高托板運(yùn)動(dòng)控制的平穩(wěn)性，托板下方垂直固定單根滾珠絲桿以及兩根導(dǎo)向軸，絲桿螺母和導(dǎo)向套固定在托板支架上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)滾珠絲桿螺母使托板隨滾珠絲桿上下移動(dòng)，避免滾珠絲桿凸出托板上平面擠壓托板上方填充的濾棒。支架上升到最高位時(shí)，托板進(jìn)一步快速上升到進(jìn)料口托舉濾棒，并切換至下降模式裝填濾棒，直至支架位置停止；支架下降模式開啟，與主機(jī)生產(chǎn)速度同步裝填濾棒。

為實(shí)現(xiàn)托板及支架位置的精確控制，兩組伺服驅(qū)動(dòng)裝置均采用位置控制方式，位置控制的速度值與主機(jī)的生產(chǎn)速度同步，控制的位置量則與加工的濾棒種類有關(guān)。例如，計(jì)算托板支架的升降行程，以直徑7.7 mm，裝盒數(shù)量4 000支的普通濾棒為標(biāo)準(zhǔn)，其在紙盒中的排列見圖2，則51層濾棒的理論高度H為：

H=h×50+d=d×sin 60°×50+d=7.7×sin 60°×50+

7.7=341.1 mm

式中：h為上下層濾棒的中心高度，mm；d為兩支濾棒半徑之和，mm。

圖2 濾棒排列示意圖

可見，托板支架下降的行程大于341.1 mm，才能將濾棒下降至調(diào)節(jié)絲桿等阻礙整盒濾棒橫向移動(dòng)的連接件以下，使濾棒能夠被整盒推出。因此，根據(jù)機(jī)構(gòu)的實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)定托板支架行程為380 mm。

將濾棒圓周及裝盒數(shù)量等工藝數(shù)據(jù)輸入電氣控制系統(tǒng)，配合以伺服裝置的電子齒輪比、滾珠絲桿副的導(dǎo)程、紙盒的寬度，系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算出托板移動(dòng)的速度和位置值，其位置誤差可控制在±0.1 mm以內(nèi)。另外，托板的極限位置設(shè)有接近開關(guān)檢測(cè)單元，由PLC程序進(jìn)行控制［10］。

1.2 側(cè)擋板及濾棒整理部件

側(cè)擋板與托板三面定位形成儲(chǔ)棒倉(cāng)，具有濾棒疏導(dǎo)、裝填和限位等功能。另外，還安裝有小錘敲擊、狗牙拍打等敲擊組件以及活門啟閉機(jī)構(gòu)，見圖3。敲擊組件上小錘的敲擊動(dòng)作由電磁閥驅(qū)動(dòng)，通過(guò)專用電子模塊來(lái)調(diào)整敲擊頻率。小錘不斷地敲擊側(cè)擋板上部與濾棒貼近的振動(dòng)板，使儲(chǔ)棒倉(cāng)內(nèi)的濾棒產(chǎn)生振動(dòng)，盡可能地減少濾棒之間的間隙。為進(jìn)一步提高濾棒排列整齊度，通過(guò)兩側(cè)狗牙拍打，撥動(dòng)濾棒呈奇偶數(shù)錯(cuò)位分布。狗牙的上下位置調(diào)整及左右擺動(dòng)由氣缸驅(qū)動(dòng)，擺動(dòng)頻率根據(jù)托板下降速度由PLC程序控制。

活門可90°轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作由氣缸控制。在濾棒整理過(guò)程中，活門處于關(guān)閉狀態(tài)，為濾棒的軸向位置限位；濾棒整理完畢打開活門，形成濾棒進(jìn)入紙盒的通道，可以一次將整盒濾棒推入紙盒包裝。4根調(diào)節(jié)絲桿固定支撐側(cè)擋板，當(dāng)紙盒或?yàn)V棒規(guī)格發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)絲桿可調(diào)整側(cè)擋板間距。取單層濾棒支數(shù)最大值79支計(jì)算，濾棒直徑d為7.7 mm，則單層濾棒的理論寬度L為608.5 mm（圖2）?？紤]到濾棒在整理過(guò)程中自由轉(zhuǎn)動(dòng)需要間隙（兩根相鄰濾棒之間的間隙為0.03 mm），則側(cè)擋板間距約為611 mm。

圖3 側(cè)擋板及濾棒整理機(jī)構(gòu)示意圖

1.3 控制流程

改進(jìn)后裝盒機(jī)在原HCF80的基礎(chǔ)上保留了篩針及上部進(jìn)料倉(cāng)等部件，去除了硬盒夾持機(jī)構(gòu)及鏈條傳動(dòng)升降系統(tǒng)，由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精度螺桿副，替代原HCF80的低精度鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)，重新設(shè)計(jì)空紙盒升降夾持機(jī)構(gòu)，承接儲(chǔ)棒倉(cāng)推出的濾棒。由PLC實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)上料過(guò)程控制，準(zhǔn)確控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)棒倉(cāng)的精準(zhǔn)定位。

濾棒出料后，托板支架上升的有效行程為380 mm，托板還須進(jìn)一步上升到進(jìn)料口，設(shè)定托板行程為180 mm。通過(guò)PLC程序判斷情況，決定控制動(dòng)作，再通過(guò)PLC系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)定伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)，然后絲桿副將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、位置的精確控制，以及兩個(gè)絲桿副由同步帶傳動(dòng)的同步運(yùn)動(dòng)。儲(chǔ)棒倉(cāng)上料、整理控制流程見圖4。

根據(jù)濾棒生產(chǎn)工藝及儲(chǔ)棒倉(cāng)的濾棒總量、儲(chǔ)存時(shí)間測(cè)算［11］，單次裝盒循環(huán)時(shí)間要小于40 s。為保證濾棒推入紙盒過(guò)程中濾棒緩沖區(qū)不會(huì)過(guò)滿，設(shè)定濾棒整理下降過(guò)程的總時(shí)間為30 s，托板升降機(jī)構(gòu)單次運(yùn)行時(shí)間和執(zhí)行順序見圖5。

2 應(yīng)用效果

采用新型上料整理機(jī)構(gòu)對(duì)1臺(tái)HCF80濾棒裝盒機(jī)進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)。測(cè)試材料：濾棒樣品64 000支，長(zhǎng)度100 mm，直徑7.7 mm；空紙盒20只，紙盒規(guī)格（長(zhǎng)L×寬H×高B）640 mm×347 mm×106 mm。測(cè)試過(guò)程：按10 000支/min人工均勻送料。裝支容量平均為4 000支/盒，檢測(cè)時(shí)間約2 min，啟動(dòng)機(jī)器，待空紙盒進(jìn)入升降夾持機(jī)構(gòu)后開始計(jì)時(shí)，統(tǒng)計(jì)濾棒總支數(shù)，計(jì)算每分鐘裝盒支數(shù)（裝支能力）。同時(shí)計(jì)算濾棒實(shí)際裝盒支數(shù)與中心值（4 000支/盒）的偏差值，以評(píng)判裝盒精度，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為每盒均達(dá)到（4 000±5）支/盒。相同測(cè)試重復(fù)3次，取3次平均值作為測(cè)試結(jié)果，見表1和表2。可見，改進(jìn)后HCF80裝盒機(jī)平均裝支能力達(dá)10 003支/min，高于原設(shè)備最大生產(chǎn)能力10 000支/min；3個(gè)批次的濾棒裝支精度均達(dá)到（4 000±5）支/盒，優(yōu)于YJ36濾棒裝盒機(jī)的精度標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 儲(chǔ)棒倉(cāng)上料整理控制流程圖

圖5 托板升降循環(huán)動(dòng)作時(shí)序圖

表1 上料整理機(jī)構(gòu)裝支能力測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 上料整理機(jī)構(gòu)濾棒裝支精度測(cè)試數(shù)據(jù) （支）

3 結(jié)論

采用新型上料整理機(jī)構(gòu)對(duì)HCF80濾棒裝盒機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用于KDF2、KDF3等濾棒成型機(jī)組，可以精準(zhǔn)控制濾棒整理動(dòng)作，確保濾棒有序排列。在不改變?cè)瓩C(jī)生產(chǎn)能力的情況下，實(shí)現(xiàn)濾棒先在儲(chǔ)棒倉(cāng)內(nèi)裝填整理，然后整盒推進(jìn)空紙盒的功能，提高了濾棒在紙盒內(nèi)排列的整齊度，濾棒裝盒機(jī)的裝支精度達(dá)（4 000±5）支/盒，優(yōu)于 GB/T 5605—2011規(guī)定的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，且無(wú)需人工輔助進(jìn)行后續(xù)的濾棒整理、裝支補(bǔ)充等工作，滿足了濾棒自動(dòng)化物流系統(tǒng)的生產(chǎn)要求。

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Design and Application of Loading and Collating Mechanism in Filter Rod Case Filling Machine

NI Min and HUANG Biao
Nantong Cigarette Filter Co.,Ltd.,Nantong 226014,Jiangsu,China

In order to simplify the operation and improve the metering accuracy of filter rod case filling machine,a new filter rod loading and collating mechanism was developed based on precise servo drive technology,wherein lateral plates and a movable bottom plate defined a filter rod chamber for accommodating the filter rods for a whole case,two servo motors moved the bottom plate and its bracket downward to receive input filter rods helped by the knockers on the lateral plates,the rods were collated and orderly arranged in the chamber.Finally,the whole stack of filter rods was pushed into and filled an empty case all at once.HCF80 case filling machine was retrofitted with the new loading and collating mechanism,the testing results showed that the mechanism could accurately control the action of collator and the rods were arranged orderly.At the original throughput of the machine,the number of filter rod per case ranged between 4 000±5 rods,which was better than that of YJ36 filter rod case filling machine and met the requirements of industrial production standards.The efficiency of automatic filter rod logistic system is effectively promoted.

Filter rod case filling machine;Board case;Filter rod hopper;Collating mechanism;Loading accuracy

TS457

B

1002-0861（2015）12-0087-05

10.16135/j.issn1002-0861.20151214

2015-03-27

2015-08-13

倪敏（1968—），女，碩士，工程師，主要從事設(shè)備改造、維護(hù)管理工作。E-mail：13861981315@163.com

倪敏，黃彪.濾棒裝盒機(jī)上料整理機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.煙草科技，2015，48（12）：87-91.NI Min,HUANG Biao.Design and application of loading and collating mechanism in filter rod case filling machine[J].Tobacco Science&Technology,2015,48(12):87-91.

責(zé)任編輯 曹娟