盧洪林，陳濤，劉翔，肖華宇

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650202

卷煙異型包裝與常規(guī)包裝在形式上存在較大差異，現(xiàn)有包裝設(shè)備無法滿足異型包裝需求［1］，在生產(chǎn)中大多采用人工方式進(jìn)行包裝，因此存在包裝成本高、物料消耗大、供貨周期長等問題。針對此，近年來已研制了雙鋁包、保潤保香、12支裝、5支裝、罐裝、全開式、“中華”（雙中支）等卷煙異型包裝設(shè)備；蘇琦等［2］解決了YB418型雙鋁包異型包裝機(jī)因包裝工藝變化，而導(dǎo)致的內(nèi)襯紙切割裝置不匹配等問題；韓建夫［3］通過更換專用件、調(diào)整零件安裝位置、改進(jìn)傳動機(jī)構(gòu)，將國產(chǎn)ZB45型四角硬盒包裝機(jī)改造為中細(xì)支卷煙圓角硬盒包裝機(jī)。但對于傳統(tǒng)或已淘汰包裝設(shè)備進(jìn)行卷煙異型包裝改進(jìn)則研究較少。YB65型條盒包裝機(jī)是意大利GD公司PACK（CT）機(jī)型的國產(chǎn)化卷煙包裝設(shè)備，是20世紀(jì)90年代的主流機(jī)型之一，其結(jié)構(gòu)簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠適應(yīng)目前通用的美式、歐式條盒紙的包裝生產(chǎn)?！霸茻煟ò傥度松笔羌t云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司推出的一款中高檔卷煙，為便于運(yùn)輸、陳列和攜帶，“云煙（百味人生）”煙盒采用的是立式包裹成型方式［4-5］，煙盒和條盒分別采用“天地蓋式”和“硬肩上翻蓋式”硬盒包裝，屬于異型包裝。為此，以“云煙（百味人生）”卷煙異型包裝為對象，基于YB65型條盒包裝機(jī)進(jìn)行立式包裝改進(jìn)，以期滿足卷煙異型包裝自動化生產(chǎn)需求。

1 問題分析

“云煙（百味人生）”煙盒采用帶有加強(qiáng)筋的條盒紙進(jìn)行包裝，可有效增加條盒紙強(qiáng)度，優(yōu)化條盒包裹成型質(zhì)量，避免包裹后條盒出現(xiàn)表面塌陷和BOPP膜褶皺等質(zhì)量問題。由圖1可見，與傳統(tǒng)條盒紙相比，加強(qiáng)筋條盒紙的涂膠位置和預(yù)折壓痕較多，增加了折疊成型的執(zhí)行工序，延長了條盒紙輸送和折疊成型路徑，因此無法采用傳統(tǒng)包裝機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。而采用人工包裝則存在生產(chǎn)成本高、物料消耗大、供貨周期長、效率低等問題，影響異型煙的批量生產(chǎn)。

圖1 傳統(tǒng)條盒紙與加強(qiáng)筋條盒紙對比Fig.1 Comparison between traditional hard carton blank and stiffener hard carton blank

2 改進(jìn)方法

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后YB65包裝機(jī)由條盒紙暫存和供料裝置（Ⅰ）、煙盒輸入裝置（Ⅱ）、條盒紙折疊成型裝置（Ⅲ）、條盒封簽自動貼標(biāo)裝置（Ⅳ）共4部分組成，見圖2。其中，條盒紙暫存和供料裝置包括機(jī)架、條盒紙料庫、條盒紙、同步齒形帶、折疊機(jī)構(gòu)等部件；煙盒輸入裝置包括煙盒輸送通道、煙盒提升機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)等部件；條盒紙折疊成型裝置包括原機(jī)主體機(jī)架、下紙機(jī)構(gòu)、電子涂膠系統(tǒng)、折疊推桿、折疊模盒、反向推桿、傳動系統(tǒng)等部件；條盒封簽自動貼標(biāo)裝置包括貼標(biāo)裝置機(jī)架、封簽松卷機(jī)構(gòu)、回收機(jī)構(gòu)、貼標(biāo)機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)等部件。

圖2 改進(jìn)后YB65型條盒包裝機(jī)示意圖Fig.2 Schematic diagram of YB65 cartoner after modification

2.2 條盒紙暫存和供料裝置

改進(jìn)前YB65包裝機(jī)條盒紙料庫與下紙機(jī)構(gòu)相連，條盒紙被拾取后直接由滾輪輸送至下紙機(jī)構(gòu)［6］，但加強(qiáng)筋條盒紙需要預(yù)留加強(qiáng)筋涂膠和折疊工位?？紤]到人機(jī)關(guān)系以及機(jī)械系統(tǒng)總體布置要求［7］，以成年男性身高175 cm為標(biāo)準(zhǔn)，為方便條盒紙補(bǔ)充以及對涂膠位置清潔維護(hù)，將條盒紙料庫布置在低位，見圖3。條盒紙暫存和供料裝置具有條盒紙疊緩存、拾取和折疊輸送功能，還可將條盒紙盒蓋兩側(cè)邊的加強(qiáng)筋預(yù)折成型，并將條盒紙輸送至YB65包裝機(jī)的下紙機(jī)構(gòu)。

2.2.1 條盒紙供料機(jī)構(gòu)

改進(jìn)后條盒紙料庫布置在低位，原條盒紙供料機(jī)構(gòu)無法正常使用，需要對其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。改進(jìn)后條盒紙供料機(jī)構(gòu)由盤式凸輪驅(qū)動連桿和氣缸從條盒紙料庫中拾取條盒紙并釋放在提升皮帶上。圖4中凸輪通過擺桿驅(qū)動氣缸擺動，在拾取條盒紙時，擺桿擺動的同時氣缸推動氣缸桿動作，擺桿擺動至拾取工位，由氣缸桿末端的負(fù)壓風(fēng)吸嘴實(shí)現(xiàn)條盒紙的拾取。攜帶條盒紙的擺桿擺動至釋放工位后，釋放的條盒紙被凸耳帶攜帶并提升。

圖3 改進(jìn)前后條盒紙暫存和供料裝置示意圖Fig.3 Carton blank storing and feeding device before and after modification

圖4 條盒紙供料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖及坐標(biāo)系Fig.4 Structure diagram and coordinate system of carton blank feeding mechanism

以擺桿擺動軸的圓心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系（圖4），可確定凸輪最大工作行程H與擺角φ之間的幾何關(guān)系。在凸輪近休止程位置，根據(jù)余弦定理，可以得到夾角?與凸輪基圓圓心坐標(biāo)之間的幾何關(guān)系：

在凸輪遠(yuǎn)休止程位置，可以得到凸輪工作行程H與滾子圓心到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離L和夾角（?+φ）的幾何關(guān)系：

式中：H為凸輪最大有效工作行程，mm；L為擺桿上凸輪滾子圓心離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，mm；?為凸輪近休止程位置滾子圓心、凸輪軸心相對于坐標(biāo)原點(diǎn)的夾角，（°）；φ為擺桿的擺動角度，φ=30°時，擺動范圍為105°～135°；R為凸輪基圓半徑，mm；r為滾子半徑，mm；a和b分別為設(shè)定的凸輪軸心相對于坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)值。

改進(jìn)后條盒紙供料的設(shè)定速度為25張/min，因此凸輪休止時間為2.4 s。由于安裝空間限制，選定凸輪基圓直徑D=105 mm，滾子直徑d=20 mm。凸輪的工況條件屬于中速輕載，按照擺線運(yùn)動規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線［8］。運(yùn)用CamTrax插件模擬生成凸輪，擬合凸輪運(yùn)動軌跡曲線，為保證條盒紙拾取穩(wěn)定，設(shè)計(jì)4°位移夾角的遠(yuǎn)休止輪廓曲線［9］。

2.2.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后原機(jī)主傳動系統(tǒng)不變，單獨(dú)設(shè)計(jì)條盒紙供料機(jī)構(gòu)的傳動系統(tǒng)，見圖5。該系統(tǒng)選用交流伺服電機(jī)（日本松下公司）作為主動力源，同時控制條盒紙拾取、釋放和提升供料。電機(jī)輸出軸通過同步皮帶和齒輪系分別將動力傳遞給5個轉(zhuǎn)軸，1#軸驅(qū)動條盒紙拾取、釋放凸輪轉(zhuǎn)動，同時通過同步帶輪將動力傳遞給2#軸；2#軸驅(qū)動條盒紙?zhí)嵘斔屯狡н\(yùn)動，同時通過齒輪系將動力傳遞給3#軸；3#軸驅(qū)動條盒紙輸送上壓輥轉(zhuǎn)動，同時通過同步帶輪將動力傳遞給4#軸；4#軸和5#軸為一對相對布置的轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動2對輸送輥轉(zhuǎn)動。

圖5 改進(jìn)后條盒紙供料機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of transmission system in carton blank feeder after modification

2.3 條盒紙折疊成型裝置

2.3.1 第一折疊成型機(jī)構(gòu)

第一折疊成型機(jī)構(gòu)中采用熱熔膠對條盒紙進(jìn)行涂膠，涂膠方式為電子噴膠；采用氣缸作為加強(qiáng)筋的折疊執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣缸執(zhí)行桿首先將紙邊折疊為90°，在條盒紙?zhí)嵘斔瓦^程中導(dǎo)板將紙邊反折并壓緊，完成條盒紙長側(cè)邊加強(qiáng)筋的折疊。

2.3.2 第二折疊成型機(jī)構(gòu)

第二折疊成型機(jī)構(gòu)中保留了原機(jī)條盒紙垂直輸送和煙盒推送功能，并采用雙層通道實(shí)現(xiàn)條盒的折疊成型。其中，下層通道完成條盒紙預(yù)折疊成型及煙盒組的初步包裹，上層通道完成盒蓋折疊和關(guān)閉，利用煙盒推送路徑即可完成條盒包裹成型的全部工序。

2.3.3 條盒紙預(yù)成型模盒

將條盒紙預(yù)折疊成型的模盒設(shè)計(jì)為“［］”型通道，在煙盒組推動條盒紙前進(jìn)過程中利用該通道將條盒紙預(yù)折疊成“C”型。因此，在推桿推動煙盒組與條盒紙匯合過程中即可完成條盒紙初步折疊。此外，推桿后方安裝了條盒缺包檢測器，在煙盒到達(dá)檢測區(qū)域后和條盒紙進(jìn)入預(yù)折疊成型通道前檢測是否缺包。

2.3.4 其他部件

條盒紙完成預(yù)折疊成型后，采用側(cè)推桿推動條盒橫向輸送的同時完成兩個側(cè)邊的折疊。此外，增加了條盒提升機(jī)構(gòu)和回推機(jī)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)了條盒紙成型通道，通過提升和反向推送完成條盒盒蓋的包裹成型。

2.4 條盒封簽自動貼標(biāo)裝置

采用卷盤式不干膠條盒封簽實(shí)現(xiàn)自動貼標(biāo)近年來已有較多應(yīng)用［10］，但“云煙（百味人生）”的封簽需要同時粘貼在盒蓋開口處的側(cè)面和底面，即同時實(shí)現(xiàn)側(cè)面和底面兩個垂直面的貼標(biāo)動作，因此在條盒出口處新增了條盒封簽自動貼標(biāo)裝置。該裝置由調(diào)節(jié)支撐腳、支架、雙作用氣缸、貼標(biāo)器、回收輥、釋放輥、輸送輥、橡膠輥等部件組成，見圖6。

圖6 條盒封簽自動貼標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of automatic labeling device for cartons

貼標(biāo)器是條盒封簽自動貼標(biāo)裝置的關(guān)鍵部件，由負(fù)壓風(fēng)管、側(cè)面貼標(biāo)器、底面貼標(biāo)器、機(jī)架、封簽等部件組成，見圖7。卷盤式不干膠封簽10在通過刮板后實(shí)現(xiàn)封簽與底帶分離。調(diào)整定位螺母8使側(cè)面貼標(biāo)器4與底面貼標(biāo)器5的端面保持在同一平面上，通過負(fù)壓風(fēng)管3形成負(fù)壓腔，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽吸取功能。雙作用氣缸7推動貼標(biāo)器向條盒方向運(yùn)動，側(cè)面貼標(biāo)器4接觸到條盒側(cè)面后停止運(yùn)動，封簽在彈簧9的壓力下完成側(cè)面封簽粘貼。此時，底面貼標(biāo)器5的頂面與條盒底面保持較小間隙，底面貼標(biāo)器5在雙作用氣缸7的推動下繼續(xù)向前運(yùn)動，完成底面封簽粘貼。封簽粘貼完成后，雙作用氣缸7向后運(yùn)動，帶動底面貼標(biāo)器5退回到條盒側(cè)面，側(cè)面貼標(biāo)器4在彈簧9的作用下與底面貼標(biāo)器5的端面保持在同一平面上，共同恢復(fù)到原位。

圖7 貼標(biāo)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structural diagram of labeling unit

2.5 工藝流程

改進(jìn)后YB65型條盒包裝機(jī)異型包裝工藝流程見圖8。進(jìn)煙機(jī)構(gòu)2提取煙盒1，將10個豎立的煙盒輸送至進(jìn)煙位置，由條盒紙料庫供料的條盒紙4經(jīng)下紙滾輪5送入預(yù)定位置。推桿3將煙盒組推入并與條盒紙匯合，條盒紙隨煙盒一起往前運(yùn)動，在折疊模盒6的作用下對條盒紙左右側(cè)邊（包括側(cè)邊上的加強(qiáng)筋）進(jìn)行第1次折疊，再經(jīng)過側(cè)推折疊桿7將盒蓋側(cè)邊上的加強(qiáng)筋完全折疊成型，實(shí)現(xiàn)對煙盒的初步包裹。在提升推桿8的作用下，煙盒組通過提升通道時將條盒紙折疊為“L”型，再通過反向推桿9的作用將整張條盒紙完全折疊成型。最后通過側(cè)邊推煙桿10將條盒推出折疊裝置，在條盒推送輸出過程中設(shè)置在輸出通道一側(cè)的自動貼標(biāo)裝置將封簽粘貼在盒蓋開口處，并在下一個工序完成封簽側(cè)邊粘貼。

圖8 改進(jìn)后YB65型條盒包裝機(jī)異型包裝工藝流程圖Fig.8 Process flow of special packaging format of rebuilt YB65 cartoner

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“云煙（百味人生）”未包裹透明紙的煙盒及條盒紙［由紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司昆明卷煙廠提供］。

設(shè)備：改進(jìn)后YB65型條盒包裝機(jī)，上游連接YB55煙盒透明紙包裝機(jī)，下游連接YB95條盒透明紙包裝機(jī)（由昆明卷煙廠改進(jìn)）。

測試方法：成品煙盒由YB55包裝機(jī)包裹透明紙后輸送到Y(jié)B65包裝機(jī)，完成條盒紙包裹成型后，再輸出到Y(jié)B95包裝機(jī)包裹條盒透明紙。生產(chǎn)速度為25條/min（250包/min），3名操作工單班次（8 h）連續(xù)作業(yè)，統(tǒng)計(jì)包裝設(shè)備運(yùn)行效率（機(jī)組實(shí)際產(chǎn)量/額定生產(chǎn)速度下的理論產(chǎn)量×100%）。設(shè)備運(yùn)行時間不含設(shè)備日保養(yǎng)（0.5 h）和過程保養(yǎng)（共3次，每次≤5min）時間，連續(xù)統(tǒng)計(jì)5個工作日，并根據(jù)昆明卷煙廠質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對包裝質(zhì)量進(jìn)行評定。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，3名操作工單班次（8 h）平均產(chǎn)量為34箱（1箱=5萬支卷煙），而根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，10個操作工采用流水線作業(yè)方式，單班次（8 h）最大產(chǎn)量約為1.5箱，生產(chǎn)效率提高75倍以上，節(jié)省了人工成本。改進(jìn)后設(shè)備平均運(yùn)行效率78.0%，單班次平均累計(jì)停機(jī)時間43.8 min（不含停機(jī)保養(yǎng)時間），不合格產(chǎn)品剔除率0.17%，條盒成品包裝與卷制質(zhì)量得分98分，可滿足企業(yè)質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 改進(jìn)后YB65型條盒包裝機(jī)運(yùn)行情況Tab.1 Operation parameters of rebuilt YB65 cartoner

4 結(jié)論

對YB65型條盒包裝機(jī)進(jìn)行了異型包裝改進(jìn)，通過調(diào)整條盒紙料庫位置，設(shè)計(jì)條盒紙供料機(jī)構(gòu)及第一、第二折疊成型機(jī)構(gòu)，增加條盒封簽自動貼標(biāo)裝置，實(shí)現(xiàn)了異型條盒包裝的機(jī)械化生產(chǎn)。以昆明卷煙廠生產(chǎn)的“云煙（百味人生）”為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：①改進(jìn)后YB65包裝機(jī)能夠滿足條盒紙拾取、釋放、折疊及提升輸送等功能，實(shí)現(xiàn)了異型條盒的立式包裹成型；②設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，平均運(yùn)行效率為78.0%，平均產(chǎn)量為34箱/班次，不合格產(chǎn)品剔除率為0.17%，累計(jì)停機(jī)時間為43.8 min/班次，條盒包裝質(zhì)量能夠滿足企業(yè)質(zhì)檢要求。但該設(shè)備仍存在運(yùn)行效率偏低等問題，需進(jìn)一步研究改進(jìn)以提高生產(chǎn)效率。