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(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)者和工程師對濾棒成型設(shè)備進(jìn)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(jìn)行了升級改造。張文海等[4]對KDF2與復(fù)合成型機適用性進(jìn)行了分析。劉謙[5]對ZJ17卷煙機組控制系統(tǒng)進(jìn)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(dāng)前國內(nèi)外濾棒自動發(fā)射接收機的情況進(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(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)前國際卷煙機的主要特點，結(jié)合卷煙機工藝要求，研究出當(dāng)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(fù)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(fù)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(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(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(zhǔn)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(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(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(dāng)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(jìn)路徑達(dá)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(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(dāng)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(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作后，前一個完成下料的下料裝置加速遠(yuǎn)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(jìn)行動態(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(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選用倍福帶軸編碼器的伺服電機AM8032，可對負(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

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]。總線端子選用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(dāng)前位置，當(dāng)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(biāo)位置，此時當(dāng)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(jìn)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(jìn)行了的碰撞動力學(xué)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。