彭三文 劉 強(qiáng) 盛 況

湖北中煙卷煙材料廠湖北 武漢 430050

1 研究背景

煙嘴濾棒是以煙嘴過濾材料為原料，加工卷制而成的具有過濾性能并有一定長度的圓柱形棒，主要由接裝紙和過濾材料組成。目前煙嘴復(fù)合濾棒主要采用三元濾棒復(fù)合原理進(jìn)行添加，如圖1所示。較長的棒料經(jīng)過分切后，輸送至分距鼓輪，再由其將棒料按給定的排列工藝輸送至輸送帶上，然后經(jīng)減速裝置縮短基礎(chǔ)段、中間段、功能段等濾棒之間的間隙，包上接裝紙后經(jīng)過分切形成復(fù)合濾棒濾嘴。

圖1 三元復(fù)合濾棒復(fù)合過程Fig.1 Ternary composite filter rod composite process

與傳統(tǒng)卷煙濾棒相比，復(fù)合濾棒能夠進(jìn)一步減少吸煙者吸入焦油等有害物質(zhì)。濾棒成型設(shè)備通?？煞譃槔w維濾棒成型設(shè)備和復(fù)合濾棒成型設(shè)備[1-2]。一些學(xué)者和工程師對(duì)濾棒成型設(shè)備進(jìn)行了研究，如陳子毅[3]對(duì)異型濾棒成型設(shè)備機(jī)組（KDF2）加熱控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。張文海等[4]對(duì)KDF2與復(fù)合成型機(jī)適用性進(jìn)行了分析。劉謙[5]對(duì)ZJ17卷煙機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造，提高了卷煙機(jī)組對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制能力。楊江[6]針對(duì)復(fù)合香煙濾嘴棒生產(chǎn)過程中的相位偏移、結(jié)構(gòu)錯(cuò)位等問題，開發(fā)了基于微波法的嵌入式濾棒檢測(cè)控制系統(tǒng)。丁多等[7]為提高加香膠囊濾棒的生產(chǎn)效率，采用伺服控制和數(shù)據(jù)信號(hào)處理技術(shù)，研制了濾棒加香膠囊添加裝置。萬曉文[8]研究了超高速卷接機(jī)人機(jī)界面（human machine interface，HMI）所需滿足的性能以及所需實(shí)現(xiàn)的功能。付崗[9]對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外濾棒自動(dòng)發(fā)射接收機(jī)的情況進(jìn)行調(diào)研，應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了新的控制系統(tǒng)。莫軍[10]針對(duì)SUPER9卷煙機(jī)設(shè)備現(xiàn)狀并結(jié)合當(dāng)今新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行論證分析，提出了采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）技術(shù)，對(duì)設(shè)備的電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造的思路。劉云[11]通過全方位分析卷煙企業(yè)的需求變化和當(dāng)前國際卷煙機(jī)的主要特點(diǎn)，結(jié)合卷煙機(jī)工藝要求，研究出當(dāng)前卷煙機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵單元。

但以上都是以軟質(zhì)濾棒為研究對(duì)象，或者濾棒添加物為膠囊等小顆粒物料的情形，所用研究方法不適應(yīng)于硬質(zhì)濾棒。因?yàn)橛操|(zhì)濾棒有6條棱邊（見圖2），濾棒表面和鼓輪卡槽之間會(huì)有間隙，難以保證濾棒在鼓輪上緊密吸附。針對(duì)這種現(xiàn)狀，結(jié)合濾棒復(fù)合的需求，本研究設(shè)計(jì)了一種硬質(zhì)濾棒添加系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自抓取壓料、自追逐調(diào)節(jié)下料、負(fù)壓運(yùn)料等技術(shù)，是一種不停歇的裝料方法，可實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)濾棒的連續(xù)上下料過程。

圖2 硬質(zhì)濾棒示意圖Fig.2 Schematic diagram of hard filter rod

2 濾棒添加系統(tǒng)總體要求及主體結(jié)構(gòu)

濾棒添加系統(tǒng)總體要求，使用自適應(yīng)下料方法實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)濾棒的柔性添加過程。濾棒添加系統(tǒng)由供料裝置、裝料裝置、濾棒輸送裝置、下料裝置及負(fù)壓傳送裝置組成。其主要結(jié)構(gòu)包括可擴(kuò)展輸送系統(tǒng)（extended transport system，XTS）主體、XTS支架、振動(dòng)上料盤機(jī)架、振動(dòng)上料盤、下料器、裝料裝置、XTS動(dòng)子、負(fù)壓傳送裝置等，如圖3所示。

圖3 濾棒添加裝置Fig.3 Filter rod adding device

濾棒添加系統(tǒng)的運(yùn)行原理如下：振動(dòng)上料盤固定在振動(dòng)上料器機(jī)架上，濾棒經(jīng)過振動(dòng)上料盤的振動(dòng)輸料作用后，以濾棒軸心與輸送方向垂直的方式從出料軌道輸送出來，落到半封口的下料器末端。XTS是倍福公司生產(chǎn)的一款驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，主體軌道上的XTS動(dòng)子上安裝了裝料裝置，裝料裝置上的濾棒撥叉通過下料器下方時(shí)，將濾棒推出，使濾棒落到裝料裝置的兩側(cè)簧片上，濾棒經(jīng)過導(dǎo)向壓板被壓入兩側(cè)簧片形成的濾棒腔內(nèi)。XTS動(dòng)子順時(shí)針運(yùn)動(dòng)至下料位置，兩動(dòng)子差速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致兩裝料裝置碰撞，使前面的裝料裝置將棒料從兩側(cè)簧片中釋放出來，最后濾棒落到負(fù)壓傳送裝置上，完成添料過程。XTS系統(tǒng)主體與負(fù)壓傳送裝置固定于XTS支架上，XTS系統(tǒng)主體上的每個(gè)動(dòng)子都可以單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)每個(gè)動(dòng)子的自由運(yùn)動(dòng)。

3 濾棒添加系統(tǒng)主要裝置的設(shè)計(jì)

3.1 供料裝置

供料裝置主要由振動(dòng)上料盤、下料器、振動(dòng)上料盤機(jī)架等組成。供料裝置的作用是自動(dòng)將物料以正確的數(shù)量、準(zhǔn)確的位置、正確的時(shí)間向生產(chǎn)機(jī)器傳送和定位。因此，供料裝置對(duì)物料需要具有正確的定向和定位的能力，以保證物料能順利進(jìn)入預(yù)定的位置。供料裝置的結(jié)構(gòu)主要分為料倉式和料斗式兩種，其特點(diǎn)及適用范圍如表1所示。

表1 料倉式與料斗式供料裝置比較Table 1 Comparison of bin type and hopper type feeding device

根據(jù)所研究的濾棒添加系統(tǒng)，濾棒供料速度較高，濾棒形狀較復(fù)雜，且需要經(jīng)過多次定向工段的具體情況，結(jié)合表1中兩種供料裝置的特點(diǎn)和適用范圍，選擇圓錐形振動(dòng)上料盤進(jìn)行供料。

3.2 裝料裝置

裝料裝置主要由濾棒撥叉、兩側(cè)簧片、前側(cè)簧片、壓板安裝座及導(dǎo)向壓板組成，如圖4所示。其主要功能是將硬質(zhì)濾棒連續(xù)裝入XTS動(dòng)子上裝料裝置的濾棒腔中，通過XTS系統(tǒng)的控制策略將裝料裝置輸送至負(fù)壓傳送裝置的上方完成連續(xù)下料過程。當(dāng)硬質(zhì)濾棒被振動(dòng)上料盤連續(xù)通過輸料通道輸送至下料器下端，濾棒撥叉將濾棒從下料器中推出后，濾棒落到兩側(cè)簧片上。濾棒撥叉呈Y字型（如圖5所示），在經(jīng)過帶曲線弧度的導(dǎo)向壓板時(shí)，能夠避免與導(dǎo)向壓板發(fā)生干涉碰撞。裝料裝置通過動(dòng)子過渡板固定在XTS動(dòng)子上。

圖4 裝料裝置Fig.4 Charging device

圖5 濾棒撥叉示意圖Fig.5 Schematic diagram of filter rod fork

當(dāng)裝料裝置隨XTS動(dòng)子上向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，濾棒接觸導(dǎo)向壓板后，經(jīng)過帶曲線弧導(dǎo)向壓板的導(dǎo)向作用，濾棒被壓入到兩側(cè)簧片的濾棒腔中。導(dǎo)向壓板的下壓行程為7 mm，略大于硬質(zhì)濾棒的外輪廓圓直徑，下壓曲線直線部分角度為8°，能夠避免在下壓過程給濾棒水平方向產(chǎn)生過多阻力，確保濾棒能夠穩(wěn)定壓入濾棒腔中。圖6為導(dǎo)向壓板工作示意圖。

圖6 導(dǎo)向壓板工作示意圖Fig.6 Schematic diagram of guide plate

3.3 濾棒輸送裝置

濾棒輸送裝置主要由XTS動(dòng)子、XTS電機(jī)模塊、XTS導(dǎo)軌和控制柜組成，如圖7所示。XTS輸送系統(tǒng)是一款結(jié)合所有線性和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方案優(yōu)勢(shì)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。XTS輸送系統(tǒng)包括工業(yè) PC、任意數(shù)量的磁力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子、電機(jī)模塊和導(dǎo)軌，動(dòng)子、電機(jī)模塊和導(dǎo)軌可以隨意組合、任意配置，具有高度靈活性。動(dòng)子可以與其他動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)同步、自行分組和累積；兩個(gè)動(dòng)子能夠在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生夾緊力，通過再生制動(dòng)系統(tǒng)恢復(fù)能量，并使用返回路徑和前進(jìn)路徑達(dá)到輸送的目的。在該系統(tǒng)中，XTS動(dòng)子上安裝了裝料裝置，在磁力的驅(qū)動(dòng)下攜帶濾棒按規(guī)劃的路線運(yùn)動(dòng)到指定下料位置，準(zhǔn)備下一步的下料。

圖7 濾棒輸送裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of filter rod conveying device

3.4 下料裝置

下料裝置主要由水平推桿、上盒蓋、豎直推桿、套筒、水平端蓋、彈簧、彈簧端蓋、直線導(dǎo)軌和滑塊過渡板組成，如圖8所示。該裝置采用了水平運(yùn)動(dòng)斜楔機(jī)構(gòu)[12]的原理，將水平推桿的水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為豎直推桿的豎直運(yùn)動(dòng)。豎直推桿兩側(cè)裝有兩個(gè)深溝球軸承，通過將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，以減少摩擦帶來的阻力，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)更加流暢。同時(shí)豎直推桿上端與套筒形成間隙配合，用于實(shí)現(xiàn)豎直推桿水平方向的定位。水平推桿內(nèi)部開有兩個(gè)斜槽，斜槽可與豎直推桿兩側(cè)的深溝球軸承通過間隙配合裝配，水平推桿底部通過滑塊過渡板與下方直線導(dǎo)軌連接。水平端蓋與彈簧端蓋之間安裝有壓縮彈簧。當(dāng)水平推桿的尾部受到后方下料裝置碰撞帶來的推力時(shí)，水平推桿作水平運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部斜面對(duì)豎直推桿兩側(cè)的軸承施加垂直于斜面的推力，使豎直推桿向豎直方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)兩端蓋之間的彈簧壓縮。豎直推桿將濾棒腔中的濾棒向下頂出，濾棒在推力作用下，脫離兩側(cè)彈簧片的約束，被送至下方的負(fù)壓傳送裝置。

圖8 下料裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of loading device

在下料裝置完成下料動(dòng)作后，前一個(gè)完成下料的下料裝置加速遠(yuǎn)離后面的下料裝置，同時(shí)壓縮彈簧開始復(fù)原，釋放彈性勢(shì)能，推動(dòng)水平推桿和豎直推桿回到初始位置。其中水平推桿上的斜槽角度為20°，豎直推桿的豎直移動(dòng)距離h=7 mm，根據(jù)彈簧剛度k=0.41 N/mm，計(jì)算可得水平推桿的移動(dòng)距離L=19.23 mm。

為更好地設(shè)計(jì)下料裝置，采用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究。利用Solidworks進(jìn)行建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench中，完成網(wǎng)格劃分和約束及載荷的施加，設(shè)置求解時(shí)間為0.01 s，步數(shù)為100步，其計(jì)算結(jié)果如圖9～10所示。

圖9 碰撞過程中彈簧端蓋應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig.9 Stress time curve of spring end cover during collision

圖10 彈簧端蓋等效應(yīng)力云圖Fig.10 Equivalent stress nephogram of spring end cover

由圖9與圖10可知，彈簧端蓋在豎直碰撞面的應(yīng)力變化為先突變到10 MPa后迅速減小到幾乎為0，然后應(yīng)力緩慢增大到最大值后再緩慢減小。在碰撞時(shí)間為0.007 s時(shí)得到最大應(yīng)力為24.45 MPa，該值沒有超過鋁合金的屈服強(qiáng)度280 MPa ，即彈簧端蓋不會(huì)發(fā)生塑性形變或者破壞，符合安全使用要求。

3.5 負(fù)壓傳送裝置

負(fù)壓傳送裝置如圖11所示。根據(jù)不同物料及不同速度的需求，負(fù)壓傳送裝置中傳送帶電機(jī)選用倍福帶軸編碼器的伺服電機(jī)AM8032，可對(duì)負(fù)壓帶進(jìn)行準(zhǔn)確定位。當(dāng)上一步下料裝置的濾棒輸送至負(fù)壓傳送帶上，負(fù)壓帶上的負(fù)壓孔吸附住濾棒，攜帶濾棒輸送至傳送帶另一端。

4 濾棒添加系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬質(zhì)煙用濾棒添加系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包括硬件結(jié)構(gòu)和軟件[13]。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)部分主要包括編程計(jì)算機(jī)、工業(yè)PC、伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)模塊等[14-15]，如圖12所示。編程計(jì)算機(jī)與工業(yè)PC通過以太網(wǎng)連接，伺服驅(qū)動(dòng)器與工業(yè)PC的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊EK1100通過EtherCAT總線連接，編碼器反饋電機(jī)處于模塊運(yùn)行狀態(tài)。本課題組采用了德國Beckhoff（倍福）公司的工控機(jī)C6930，并采用工業(yè)PC機(jī)和軟件控制器的控制模式[16]。總線端子選用EL1808和EL2808，能夠有效提高信號(hào)傳輸速度。

圖12 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.12 Control system hardware structure

控制軟件選擇德國Beckhoff公司基于PC平臺(tái)的TwinCAT3軟件平臺(tái)，根據(jù)硬質(zhì)煙用濾棒添加系統(tǒng)的運(yùn)行工藝，在此軟件平臺(tái)上編寫相應(yīng)的控制程序。在TwinCAT中把動(dòng)子映射到一個(gè)普通的伺服軸，然后通過編程實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作。濾棒添加系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)伺服軸的控制，伺服控制流程如圖13所示。

圖13 控制流程圖Fig.13 Control flow chart

濾棒添加系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器使能上電，此時(shí)將顯示伺服軸的當(dāng)前位置，當(dāng)前位置不在零位時(shí)復(fù)位歸零。根據(jù)控制要求在人機(jī)界面HMI設(shè)定軸的移動(dòng)位置和速度。啟動(dòng)電機(jī)直至運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，此時(shí)當(dāng)前軸的實(shí)際位置顯示在HMI上，通過運(yùn)行狀態(tài)和反饋的數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證控制效果。

5 結(jié)語

針對(duì)煙用濾棒出現(xiàn)的一些新型不可分切的濾棒功能段，本研究設(shè)計(jì)了一種基于XTS的濾棒添加系統(tǒng)。通過對(duì)供料裝置進(jìn)行分析和對(duì)比，選擇了合適的供料裝置；通過分析濾棒添加的需求，結(jié)合連續(xù)性的上下料要求和XTS的控制方法，設(shè)計(jì)了一種不停歇的裝料裝置；對(duì)下料裝置進(jìn)行了的碰撞動(dòng)力學(xué)分析。理論分析和實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該濾棒添加系統(tǒng)各個(gè)裝置與軟件程序的設(shè)計(jì)，均能較好地實(shí)現(xiàn)濾棒添加功能。