劉世明 周福儒 王 劍 施友志 李俊瑤 曹小東 簡 蓉

(湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌 443100)

ZJ17卷接機(jī)組是20世紀(jì)90年代由德國HUANI公司開發(fā)、常德煙機(jī)廠引進(jìn)的卷煙機(jī)[1]。其中接裝紙輸送系統(tǒng)負(fù)責(zé)將接裝紙輸送至預(yù)定的工作位置。由于該系統(tǒng)沒有配備接裝紙橫向偏移檢測及自動糾偏機(jī)構(gòu)，實際生產(chǎn)中該機(jī)組普遍存在接裝紙橫向偏移的情況，造成搓接成型的內(nèi)外排煙支接裝紙長短不一(如圖1所示)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將其命名為接裝紙粘貼不齊，俗稱接裝紙長短[2]。當(dāng)前通行的解決辦法是采取人工定時監(jiān)控和手動糾偏，此方法存在一些明顯不足：需要操作人員按照操作要求監(jiān)控，人工糾偏，勞動強(qiáng)度大[3]。因ZJ17卷接機(jī)組速度高，難以實現(xiàn)實時監(jiān)控，會造成一定比例質(zhì)量不合格的煙支流入下道工序。研究擬對ZJ17卷接機(jī)組接裝紙輸送系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)接裝紙輸送過程橫向偏移的實時自動監(jiān)控和糾偏，減少人工監(jiān)控和糾偏勞動強(qiáng)度，保持產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

如圖1所示，接裝紙橫向偏移將直接導(dǎo)致內(nèi)外排煙支接裝紙長度a與b不一致的質(zhì)量缺陷。卷煙產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求成品卷煙的接裝紙長度允差為±0.5 mm。為控制該類質(zhì)量缺陷，該設(shè)備工藝指導(dǎo)卡規(guī)定：在設(shè)備啟動、接裝紙轉(zhuǎn)換、接裝紙拼接后，須人工及時確認(rèn)煙支質(zhì)量；正常生產(chǎn)過程按5 min/次的要求檢查煙支質(zhì)量，并根據(jù)檢查結(jié)果調(diào)整接裝紙橫向位置。

1. 接裝紙中心線 2. 接裝紙 a. 內(nèi)排煙支接裝紙長度 b. 外排煙支接裝紙長度

圖1 接裝紙卷接示意圖

Figure 1 Tipping paper filter plug assemblingschematic diagram

為了解接裝紙人工手動糾偏次數(shù)和接裝紙長短超限缺陷煙支流入后續(xù)工序具體情況，以4號ZJ17卷接機(jī)組為研究對象，對人工手動糾偏接裝紙次數(shù)和接裝紙長短超差次數(shù)進(jìn)行為期一周的跟蹤統(tǒng)計，每班抽樣15 次，抽樣間隔30 min，見表1。

表1改進(jìn)前接裝紙長短調(diào)整和超差情況統(tǒng)計

Table1Tippingpaperlengthadjustmentsandout-of-tolerancestatisticsbeforeimprovement

由表1可知，在當(dāng)前狀態(tài)下，班次平均人工糾偏為29.86次/班，接裝紙長短超差現(xiàn)象為4.19次/班，接裝紙偏移在實際生產(chǎn)中較為突出。

2 原因分析

2.1 接裝紙輸送原理

如圖2所示，原機(jī)的接裝紙從紙盤1經(jīng)過輥組傳導(dǎo)到達(dá)供紙輥2，供紙輥2負(fù)責(zé)將卷煙接裝紙從紙盤1拉出，經(jīng)導(dǎo)紙塊6在上膠輥4上完成涂膠工藝，經(jīng)加熱器5到達(dá)切紙輪7完成單張接裝紙切割，然后由搓接裝置8完成煙支搓接，成型煙支組由切刀3完成內(nèi)外排煙支分切后，外排(或內(nèi)排)煙支經(jīng)過調(diào)頭，內(nèi)外排煙支通過同一傳輸路徑最后由輸出裝置9統(tǒng)一傳送輸出[4]。

1. 盤紙 2. 供紙輥 3. 切刀 4. 上膠輥 5. 加熱器 6. 導(dǎo)紙塊

7. 切紙輪 8. 搓接裝置 9. 輸出裝置

圖2 原機(jī)工藝布局

Figure 2 Original machine layout

2.2 接裝紙偏移原因

在實際生產(chǎn)中，當(dāng)出現(xiàn)接裝紙紙盤不平整、上下兩個紙盤架精度不準(zhǔn)確、接裝紙運(yùn)行線路上各輥組運(yùn)行異常時，將導(dǎo)致接裝紙出現(xiàn)橫向偏移，造成內(nèi)外排煙支接裝紙長度不一致[5]。操作工需在煙支出口位置檢查煙支產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)檢查結(jié)果手動調(diào)節(jié)導(dǎo)紙塊6帶動接裝紙橫向運(yùn)動，保證內(nèi)外排成型煙支接裝紙長度一致。

3 改進(jìn)方法

在接裝紙輸送系統(tǒng)增加自動檢測與糾偏機(jī)構(gòu)，當(dāng)檢測到接裝紙出現(xiàn)橫向偏移時自動糾偏，減少人工監(jiān)控和糾偏勞動強(qiáng)度，保持產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

3.1 改進(jìn)方案設(shè)計

如圖3所示，在盤紙1與供紙輥3之間增加前橫向限位裝置2；在供紙輥與導(dǎo)紙塊6之間增加糾偏機(jī)構(gòu)5；取消導(dǎo)紙塊6的調(diào)整功能；在上膠輥4與切紙輪8之間增加后橫向限位裝置7[6]。對比原機(jī)輸送系統(tǒng)，增加的前橫向限位裝置2能初步糾正接裝紙來料橫向偏移；糾偏機(jī)構(gòu)5在檢測到接裝紙橫向偏移時自動糾偏，后橫向限位裝置7進(jìn)一步對接裝紙從糾偏機(jī)構(gòu)5到位置7之間的偏移進(jìn)行糾正。

1. 盤紙 2. 前橫向限位裝置 3. 供紙輥 4. 上膠輥 5. 糾偏機(jī)構(gòu) 6. 導(dǎo)紙塊 7. 后橫向限位裝置 8. 切紙輪

圖3 裝置工藝布局

Figure 3 Improved process machine layout

3.2 檢測裝置選型

ZJ17卷接機(jī)組設(shè)計運(yùn)行速度為7 000 支/min[7]，換算為接裝紙運(yùn)行速度為3 500 張/min。檢測傳感器選型需要考慮兩個方面的參數(shù)：傳感器重復(fù)測量精度和采樣周期，并能同時滿足該機(jī)全速運(yùn)行時檢測需求。在設(shè)備處于全速運(yùn)行狀態(tài)下，單張接裝紙寬度為27 mm時：

接裝紙線速度V：

V=27×10-3×3 500/60=1.6 m/s。

一個采樣周期接裝紙最大運(yùn)行長度L：

L=1.6×100×10-6=1.6×10-4m=0.16 mm。

為達(dá)到接裝紙長度允差±0.5 mm的控制目標(biāo)，綜合測量精度、采樣周期、安裝尺寸、抗干擾能力等方面因素，選擇檢測范圍±6 mm，帶4～20 mA模擬量輸出信號，采樣周期100 μs，重復(fù)精度5 μm的超聲波邊緣檢測傳感器[8]。該傳感器結(jié)構(gòu)小巧緊湊，能滿足在ZJ17卷接機(jī)組上的安裝和高速檢測要求。

3.3 糾偏機(jī)構(gòu)

如圖4所示，驅(qū)動總成2的電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)盤10旋轉(zhuǎn)，連桿機(jī)構(gòu)3一端與轉(zhuǎn)盤10聯(lián)接，另一端與糾偏總成4聯(lián)接；糾偏總成4一端固定在旋轉(zhuǎn)支架7上，旋轉(zhuǎn)支架7可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸6旋轉(zhuǎn)，糾偏總成4另一端聯(lián)接有滑輪組件11，糾偏總成包括入紙輥8、出紙輥9；轉(zhuǎn)盤10的轉(zhuǎn)動通過連桿機(jī)構(gòu)3驅(qū)動糾偏總成4以旋轉(zhuǎn)軸6為中心往復(fù)擺動。接裝紙12按照如圖箭頭方向運(yùn)行，嵌入式控制器實時采集邊沿檢測傳感器5檢測的數(shù)據(jù)指導(dǎo)驅(qū)動總成2的往復(fù)旋轉(zhuǎn)帶動入紙輥8、出紙輥9的偏擺角度實現(xiàn)對卷煙接裝紙12的在線糾偏。

該糾偏機(jī)構(gòu)采用雙輥糾偏方式，邊沿檢測傳感器緊鄰糾偏機(jī)構(gòu)安裝，能及時檢測到糾偏后的輸出結(jié)果，糾偏敏捷。

3.4 電氣控制

如圖5所示，接裝紙自動糾偏機(jī)構(gòu)由邊沿檢測傳感器組件、新型雙輥糾偏機(jī)構(gòu)、嵌入式控制器、高功能型伺服電機(jī)、線纜以及人機(jī)交互觸摸屏組成。

1. 機(jī)架 2. 驅(qū)動總成 3. 連桿機(jī)構(gòu) 4. 糾偏輥總成 5. 邊沿檢測傳感器 6. 旋轉(zhuǎn)軸 7. 旋轉(zhuǎn)支架 8. 入紙輥 9. 出紙輥10. 轉(zhuǎn)盤 11. 滑輪組件 12. 接裝紙

圖4 糾偏機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

Figure 4 Correction mechanism structure diagram

其工作原理是：邊沿檢測傳感器將接裝紙邊緣位置信息采集傳輸?shù)角度胧娇刂破鳎刂破魍ㄟ^自動調(diào)節(jié)算法輸出控制信號發(fā)送到伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動糾偏機(jī)構(gòu)實現(xiàn)糾偏。

該方案引入自動化專家系統(tǒng)設(shè)計出一種改進(jìn)的可變PI自動調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器能隨著對象特性的變化而調(diào)整自己的控制策略，保證不同工況下均能有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，從而得到滿意的控制效果。

伺服系統(tǒng)采用高性能EtherCAT總線型伺服驅(qū)動器，參數(shù)設(shè)置方便快捷，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。伺服驅(qū)動器只需一根網(wǎng)線與嵌入式控制器相連，接線簡單，抗干擾能力強(qiáng)。EtherCAT總線型伺服驅(qū)動器具備故障自診斷特性[9]，在其系統(tǒng)內(nèi)部擁有多種不同的診斷功能，可以準(zhǔn)確定位錯誤點(diǎn)，可在人機(jī)界面中顯示，維護(hù)、檢修更便捷。

觸摸屏采用ModbusTCP通訊，界面友好直觀[10]。主界面顯示接裝紙邊沿位置曲線和糾偏裝置實時位置曲線。針對不同精度的接裝機(jī)供紙系統(tǒng)與不同品質(zhì)的接裝紙可以方便設(shè)定系統(tǒng)糾偏目標(biāo)值，不同規(guī)格的接裝紙可以快速方便設(shè)定。

圖5 系統(tǒng)原理圖

4 應(yīng)用效果

為驗證改進(jìn)效果，檢驗ZJ17卷接機(jī)組接裝紙輸送系統(tǒng)可變PI接裝紙自動糾偏機(jī)構(gòu)的運(yùn)行效果，對已改進(jìn)的4號ZJ17卷接機(jī)組人工手動糾偏接裝紙次數(shù)和接裝紙長短超差次數(shù)進(jìn)行為期一周的跟蹤統(tǒng)計，見表2。

表2改進(jìn)后接裝紙長短調(diào)整和長短超差情況

Table2Tippingpaperlengthadjustmentsandout-of-tolerancestatisticsafterimprovement

日期長短調(diào)整甲乙丙平均值超差甲乙丙平均值8月1日1111.000000.008月2日1111.000100.338月3日2211.670000.008月4日1100.671000.338月5日1010.670000.008月6日0110.671000.338月7日1010.670010.33均值10.860.860.900.290.140.140.19

由表2可知，改進(jìn)后班次平均人工糾偏由29.86次下降到0.90次；接裝紙長短超差現(xiàn)象由4.19次/班下降到0.19次，改進(jìn)效果在實踐中得到了有力驗證。

5 結(jié)論

研究了ZJ17卷接機(jī)組接裝紙輸送系統(tǒng)的可變PI自動糾偏機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)接裝紙輸送過程橫向偏移量實時檢測和自動糾偏，人工糾偏次數(shù)從改進(jìn)前的29.86次/班下降到0.90次/班；由接裝紙橫向偏移造成的接裝紙長短也由4.19次/班降低到0.19次/班，有效提高了接裝紙輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該裝置設(shè)計合理，電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對于提高卷煙產(chǎn)品質(zhì)量、減少人工勞動強(qiáng)度具有顯著的效果，在ZJ17卷接機(jī)組和其他超高速卷接設(shè)備上均具有較好的適用性和推廣價值。在實際應(yīng)用中，由于設(shè)備運(yùn)行存在較多影響因素，控制產(chǎn)品質(zhì)量不能完全依賴該機(jī)構(gòu)代替人工監(jiān)控，但可有效降低監(jiān)控頻次。