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        基于XTS的硬質(zhì)濾棒添加系統(tǒng)

        2022-03-24 07:14:56彭三文
        包裝學報 2022年1期
        關(guān)鍵詞:動子濾棒裝料

        彭三文 劉 強 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]。一些學者和工程師對濾棒成型設(shè)備進行了研究,如陳子毅[3]對異型濾棒成型設(shè)備機組(KDF2)加熱控制系統(tǒng)進行了升級改造。張文海等[4]對KDF2與復(fù)合成型機適用性進行了分析。劉謙[5]對ZJ17卷煙機組控制系統(tǒng)進行了設(shè)計改造,提高了卷煙機組對產(chǎn)品質(zhì)量的控制能力。楊江[6]針對復(fù)合香煙濾嘴棒生產(chǎn)過程中的相位偏移、結(jié)構(gòu)錯位等問題,開發(fā)了基于微波法的嵌入式濾棒檢測控制系統(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人機界面(human machine interface,HMI)所需滿足的性能以及所需實現(xiàn)的功能。付崗[9]對當前國內(nèi)外濾棒自動發(fā)射接收機的情況進行調(diào)研,應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù),設(shè)計了新的控制系統(tǒng)。莫軍[10]針對SUPER9卷煙機設(shè)備現(xiàn)狀并結(jié)合當今新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用進行論證分析,提出了采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)技術(shù),對設(shè)備的電控系統(tǒng)進行技術(shù)改造的思路。劉云[11]通過全方位分析卷煙企業(yè)的需求變化和當前國際卷煙機的主要特點,結(jié)合卷煙機工藝要求,研究出當前卷煙機控制系統(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。因為硬質(zhì)濾棒有6條棱邊(見圖2),濾棒表面和鼓輪卡槽之間會有間隙,難以保證濾棒在鼓輪上緊密吸附。針對這種現(xiàn)狀,結(jié)合濾棒復(fù)合的需求,本研究設(shè)計了一種硬質(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、負壓運料等技術(shù),是一種不停歇的裝料方法,可實現(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、下料裝置及負壓傳送裝置組成。其主要結(jié)構(gòu)包括可擴展輸送系統(tǒng)(extended transport system,XTS)主體、XTS支架、振動上料盤機架、振動上料盤、下料器、裝料裝置、XTS動子、負壓傳送裝置等,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)的運行原理如下:振動上料盤固定在振動上料器機架上,濾棒經(jīng)過振動上料盤的振動輸料作用后,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)動產(chǎn)品,主體軌道上的XTS動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,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動子順時針運動至下料位置,兩動子差速運動導(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,最后濾棒落到負壓傳送裝置上,完成添料過程。XTS系統(tǒng)主體與負壓傳送裝置固定于XTS支架上,XTS系統(tǒng)主體上的每個動子都可以單獨控制,實現(xiàn)每個動子的自由運動。

        3 濾棒添加系統(tǒng)主要裝置的設(shè)計

        3.1 供料裝置

        供料裝置主要由振動上料盤、下料器、振動上料盤機架等組成。供料裝置的作用是自動將物料以正確的數(shù)量、準確的位置、正確的時間向生產(chǎn)機器傳送和定位。因此,供料裝置對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和適用范圍,選擇圓錐形振動上料盤進行供料。

        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壓傳送裝置的上方完成連續(xù)下料過程。當硬質(zhì)濾棒被振動上料盤連續(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,能夠避免與導(dǎo)向壓板發(fā)生干涉碰撞。裝料裝置通過動子過渡板固定在XTS動子上。

        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

        當裝料裝置隨XTS動子上向右運動時,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動子、XTS電機模塊、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)動方案優(yōu)勢的驅(qū)動產(chǎn)品。XTS輸送系統(tǒng)包括工業(yè) PC、任意數(shù)量的磁力驅(qū)動動子、電機模塊和導(dǎo)軌,動子、電機模塊和導(dǎo)軌可以隨意組合、任意配置,具有高度靈活性。動子可以與其他動子的運動同步、自行分組和累積;兩個動子能夠在運動中產(chǎn)生夾緊力,通過再生制動系統(tǒng)恢復(fù)能量,并使用返回路徑和前進路徑達到輸送的目的。在該系統(tǒng)中,XTS動子上安裝了裝料裝置,在磁力的驅(qū)動下攜帶濾棒按規(guī)劃的路線運動到指定下料位置,準備下一步的下料。

        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動斜楔機構(gòu)[12]的原理,將水平推桿的水平運動轉(zhuǎn)換為豎直推桿的豎直運動。豎直推桿兩側(cè)裝有兩個深溝球軸承,通過將滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦,以減少摩擦帶來的阻力,使機構(gòu)運動更加流暢。同時豎直推桿上端與套筒形成間隙配合,用于實現(xiàn)豎直推桿水平方向的定位。水平推桿內(nèi)部開有兩個斜槽,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。當水平推桿的尾部受到后方下料裝置碰撞帶來的推力時,水平推桿作水平運動,其內(nèi)部斜面對豎直推桿兩側(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動,同時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作后,前一個完成下料的下料裝置加速遠離后面的下料裝置,同時壓縮彈簧開始復(fù)原,釋放彈性勢能,推動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距離h=7 mm,根據(jù)彈簧剛度k=0.41 N/mm,計算可得水平推桿的移動距離L=19.23 mm。

        為更好地設(shè)計下料裝置,采用ANSYS有限元軟件對其進行動態(tài)仿真研究。利用Solidworks進行建模,導(dǎo)入ANSYS Workbench中,完成網(wǎng)格劃分和約束及載荷的施加,設(shè)置求解時間為0.01 s,步數(shù)為100步,其計算結(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。在碰撞時間為0.007 s時得到最大應(yīng)力為24.45 MPa,該值沒有超過鋁合金的屈服強度280 MPa ,即彈簧端蓋不會發(fā)生塑性形變或者破壞,符合安全使用要求。

        3.5 負壓傳送裝置

        負壓傳送裝置如圖11所示。根據(jù)不同物料及不同速度的需求,負壓傳送裝置中傳送帶電機選用倍福帶軸編碼器的伺服電機AM8032,可對負壓帶進行準確定位。當上一步下料裝置的濾棒輸送至負壓傳送帶上,負壓帶上的負壓孔吸附住濾棒,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

        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]??刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)部分主要包括編程計算機、工業(yè)PC、伺服驅(qū)動器、電機模塊等[14-15],如圖12所示。編程計算機與工業(yè)PC通過以太網(wǎng)連接,伺服驅(qū)動器與工業(yè)PC的網(wǎng)絡(luò)擴展模塊EK1100通過EtherCAT總線連接,編碼器反饋電機處于模塊運行狀態(tài)。本課題組采用了德國Beckhoff(倍福)公司的工控機C6930,并采用工業(yè)PC機和軟件控制器的控制模式[16]??偩€端子選用EL1808和EL2808,能夠有效提高信號傳輸速度。

        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平臺的TwinCAT3軟件平臺,根據(jù)硬質(zhì)煙用濾棒添加系統(tǒng)的運行工藝,在此軟件平臺上編寫相應(yīng)的控制程序。在TwinCAT中把動子映射到一個普通的伺服軸,然后通過編程實現(xiàn)預(yù)期的動作。濾棒添加系統(tǒng)可以實現(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)運行時,首先對伺服驅(qū)動器使能上電,此時將顯示伺服軸的當前位置,當前位置不在零位時復(fù)位歸零。根據(jù)控制要求在人機界面HMI設(shè)定軸的移動位置和速度。啟動電機直至運動到目標位置,此時當前軸的實際位置顯示在HMI上,通過運行狀態(tài)和反饋的數(shù)據(jù)可以驗證控制效果。

        5 結(jié)語

        針對煙用濾棒出現(xiàn)的一些新型不可分切的濾棒功能段,本研究設(shè)計了一種基于XTS的濾棒添加系統(tǒng)。通過對供料裝置進行分析和對比,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)計了一種不停歇的裝料裝置;對下料裝置進行了的碰撞動力學分析。理論分析和實際測試結(jié)果表明,該濾棒添加系統(tǒng)各個裝置與軟件程序的設(shè)計,均能較好地實現(xiàn)濾棒添加功能。

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