王 超，李海濤，王傳許

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司紅河卷煙廠，云南紅河 652399）

0 引言

紅河卷煙廠卷包車間包裝機出口的煙條經(jīng)過條煙提升機輸送至下游設備。在原有條煙輸送工藝下，下游機停機或質(zhì)量自檢時，會造成包裝機停機，制約設備效率，影響產(chǎn)品質(zhì)量。目前國內(nèi)多家卷煙廠均采用該形式的條煙輸送方式，卷包設備受下游機影響的難題在行業(yè)內(nèi)普遍存在。

針對以上問題提出防夾煙升降式切換的設計思路，并研發(fā)條煙輸送在線切換裝置。該裝置實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中條煙輸送路徑的在線切換，成功消除了下游設備制約包裝機效率的因素，保障產(chǎn)品質(zhì)量，使操作更便捷、安全、有保障。

1 原有工藝流程及存在的問題

1.1 包裝機出口與條煙提升機對接工藝流程

包裝機出口處煙條輸送原有工藝如圖1 所示，煙條經(jīng)過包裝機出口后，有2 條輸送路徑：正常輸送時，煙條從包裝機出口進入提升機，輸送至下游設備；煙條質(zhì)量自檢時，需要停止包裝機，打開包裝機出口的翻板，安裝下滑過渡板，重新開機，此時煙條從包裝機出口進入下滑通道，輸送至自檢桌臺。

圖1 包裝機出口煙條輸送環(huán)節(jié)原有工藝

1.2 原有工藝的弊端

在原有的工藝模式下，條煙輸送環(huán)節(jié)主要存在2 個弊端：①下游機停機時，會導致包裝機停機，包裝機的頻繁啟停不僅影響了設備運行效率，制約了設備產(chǎn)能，更嚴重的是會導致煙條質(zhì)量不穩(wěn)定；②煙條質(zhì)量自檢時，需停機打開翻板，安裝下滑過渡板，再重新開機，影響設備產(chǎn)能和質(zhì)量穩(wěn)定性，煙條輸送工藝無法有效保障產(chǎn)品質(zhì)量，難以保障設備高效運行。

2 裝置設計思路

2.1 總體思路

考慮功能性、快速性、穩(wěn)定性、安裝空間等因素，采用防夾煙升降式切換的設計思路。裝置主要包含夾持機構、升降機構及控制部分（圖2）。

圖2 防夾煙升降式輸送通道切換裝置示意

設計要點：①升降機構位于包裝機出口與條煙提升機交接處，通過氣缸驅(qū)動升降機構動作，實現(xiàn)煙條輸送路徑的在線切換，無需停機；②在升降機構前設置夾持機構，通過氣缸驅(qū)動，用于在升降動作前將煙條短暫夾持住，使輸送中的煙條拉開足夠間距，保證升降機構順利動作；③升降機構附近采用光電開關，用于檢測升降機構動作的區(qū)域是否存在煙條，避免升降機構動作時夾傷煙條；④裝置通過PLC 程序進行控制，實現(xiàn)煙條輸送路徑切換快速、穩(wěn)定，保證設備連續(xù)高效運行。

2.2 夾持機構設計

輸送通道切換時，煙條是連續(xù)輸送的，為避免切換過程中造成煙條夾傷，需要在切換前增加一個夾持機構，用于阻隔不斷輸送的煙條，確保路徑切換時不會對煙條造成損傷。夾持機構為雙側(cè)夾持方式，設置在包裝機出口的輸送機兩側(cè)，這種方式可以保證煙條被夾持時，煙條居中性好，煙條被夾持機構阻擋時，煙條受力均勻，不會發(fā)生傾斜（圖3）。

圖3 雙側(cè)夾持機構示意

夾持氣缸采用三軸氣缸，具有安裝方式靈活，工作平穩(wěn)性好、精度高的特點，氣缸自帶導板，且導板上設有安裝螺孔，夾持機構能可靠地安裝在導板上；同時，由于三軸氣缸帶有兩根導向軸，可承受側(cè)向載荷。氣缸型號選擇如下：

（1）確定氣缸缸徑D。根據(jù)氣缸理論推力計算公式：

變換可得：

其中S 為活塞面積；F 為理論推力；β 為氣缸效率；P 為氣缸工作壓力；D 為氣缸缸徑。

已知：煙條重量m=280 g；β=0.3（高速氣缸）；P=0.3 MPa；氣缸軸向載荷F=mg=2.8 N。

故所選三軸氣缸缸徑應大于6.3 mm，取標準尺寸為D=10 mm。

（2）確定氣缸行程L。結合氣缸的安裝方式，測得夾緊面與煙條之間的距離L0=22 mm，為保證煙條夾持穩(wěn)固，同時對煙條外觀不造成損傷，理論氣缸行程為L=L0+1 mm=23 mm，通過氣缸固定支架可適當調(diào)整氣缸行程，故選擇氣缸行程L=20 mm。

綜上，選用型號為TCM10X20S 的氣缸可滿足使用需求。

2.3 升降機構設計

升降機構是切換裝置最核心的部分，其作用是通過氣缸驅(qū)動升降板動作，完成條煙輸送路徑的切換。升降板的結構如圖4所示，升降板有高位和低位2 個工作位置：升降板在高位時，其作用相當于提升機的護欄，煙條從包裝機出口到達升降板側(cè)面，下落進入提升機；升降板在低位時，煙條從包裝機出口經(jīng)過升降板頂面，下滑進入人工通道。

圖4 升降板結構示意

2.3.1 確定彎折式升降板傾角

為保證煙條下滑過程平穩(wěn)順暢，升降板頂面采用彎折式的形狀，材料選用表面光滑、強度高、抗變形能力強、便于焊接的不銹鋼，厚度為2 mm。升降板彎折的角度設計如下（圖5）：

圖5 升降板彎折角度設計

（1）計算傾角一：升降板與輸送機對接段角度θ。已知條煙鏈板寬度L=108 mm；包裝機出口輸送機平面與煙鏈板間距離為h=70 mm；煙條高度尺寸h0=48 mm。升降機構動作時，應保證升降板不與條煙鏈板上的煙條發(fā)生干涉，故H

為便于加工，角度取整θ=10°。

（2）計算傾角二：升降板與待檢臺對接的角度α。對與待檢臺對接的彎折式升降板進行了不同傾角的測試，當傾角角度α>70°時，煙條會出現(xiàn)觸傷，故α<70°。同時為保證煙條在彎折式升降板上過渡平順，避免角度差過大導致煙條停滯，綜合選擇與待檢臺對接段升降板角度α=45°。

2.3.2 升降氣缸選型

升降氣缸選用三軸氣缸，可依靠頂面安裝孔直接固定在垂直平面上，厚度較薄，滿足安裝空間要求，升降板固定在氣缸導板上，平衡性好。氣缸型號選擇如下：

（1）確定氣缸缸徑D。升降氣缸打開時，為避免煙條跳動等原因造成干涉，彎折式升降板與輸送機之間的距離H 大于2 倍煙條高度，即H>96 mm。故升降氣缸行程選擇L=100 mm（圖6）。

圖6 升降氣缸缸徑計算示意

根據(jù)氣缸理論推力計算公式：

變換可得：

其中S 為活塞面積；F 為理論推力；β 為氣缸效率；P 為氣缸工作壓力；D 為氣缸缸徑。

已知：升降板重量m=2.3 kg，β=0.5（中速氣缸）；P=0.3 MPa；氣缸軸向載荷F=mg=23 N。

故所選三軸氣缸缸徑應大于13.98 mm，取標準尺寸為D=20 mm。

（2）確定氣缸行程L。彎折式升降板需要固定在升降氣缸的背板上，需綜合考慮升降氣缸固定孔間距離（圖7）。

圖7 升降氣缸行程計算示意

彎折式升降板的寬度尺寸W=220 mm，為保證固定穩(wěn)定，升降氣缸固定孔間距離：

結合氣缸選型對照表，選取標準尺寸W2=78 mm。

綜上，選取TCM25X100S的氣缸可滿足使用需求。

2.4 檢測機構設計

升降機構處設置2 個光電開關，用于檢測升降機構動作區(qū)域內(nèi)是否存在煙條，若檢測到有煙條，則升降機構無法動作；只有當升降機構動作區(qū)域內(nèi)沒有煙條時，才能根據(jù)控制邏輯動作。該機構同時能夠防止操作人員誤觸碰導致的機械傷害。

光電開關采用反射式光電開關，相比較于漫反射式和對射式，反射式光電開關具有結構簡單、便于安裝，并且能準確檢測不同外觀煙條的優(yōu)點。

2.5 控制方式設計

裝置的控制程序平臺為西門子S7-200 SMART 系列PLC，在現(xiàn)有條煙提升機控制程序的基礎上進行編程，無需新增控制系統(tǒng)。裝置控制邏輯如下：

（1）設備停止控制邏輯：提升機停機，升降機構處于低位，夾緊機構松開。

（2）設備啟動控制邏輯：提升機運行，夾持機構動作，將出口的煙條夾持住，升降機構隨即上升，0.3 s 后夾持機構放松，煙條得以通過，進入提升機。

（3）輸送通道切換控制邏輯：第一種情況，提升機上部堵塞、下游機停機故障時，提升機停止，夾持機構動作，將出口的煙條夾持住；此時若升降機構處的2 個光電開關檢測到升降板下方有煙條，則提升機繼續(xù)運行，直至煙條離開升降板下方，升降板下降；若未檢測到煙條，則升降機構直接下降，0.3 s 后夾持機構放松，煙條得以通過，經(jīng)過升降板進入人工裝箱通道。第二種情況，提升機中部堵塞時，提升機立即停機；若光電開關檢測到有煙條，則升降機構保持高位不動作，直至人工將檢測區(qū)域的煙條取出后，升降機構延時2 s 下降；若光電開關未檢測到煙條，則升降機構直接下降。第三種情況，人工抽檢煙條時，可通過按鈕使升降機構降下，將煙條輸送路徑切換至人工裝箱通道；抽檢完成后再通過按鈕升起升降機構，煙條輸送至提升機。所有切換過程都不影響包裝機連續(xù)生產(chǎn)運行。

根據(jù)控制邏輯編寫PLC 程序如圖8 所示。

圖8 PLC 控制程序

3 安裝調(diào)試

裝置各部分設計完成后，按照各部分的設計加工夾持機構支架、彎折式升降板、升降機構背板等零件，定購夾持機構氣缸、升降機構氣缸、光電開關等器件，然后進行各機構的安裝、電氣接線、聯(lián)機調(diào)試。并對裝置切換煙條輸送路徑的成功率進行測試驗證，結果見表1、表2。由試驗結果可知，煙條輸送路徑從提升機切換至人工通道、以及從人工通道切換至提升機的成功率均為100%，成功實現(xiàn)了裝置功能。

表1 提升機切換至人工通道測試統(tǒng)計

表2 人工通道切換至提升機測試統(tǒng)計

4 生產(chǎn)應用效果

裝置投入使用后的2 個月內(nèi)，下游機停機導致包裝機停機頻次平均為0 次/班，設備連續(xù)生產(chǎn)，完全消除了下游條煙輸送設備制約包裝機效率的因素，減少設備產(chǎn)能損失。停機頻次減少，產(chǎn)生的廢品也隨之減少，由此節(jié)約原輔料的消耗。裝置實現(xiàn)了煙條輸送路徑的在線自動切換，避免了調(diào)整翻板時被提升機夾傷的安全隱患，保障人身安全，并減少了設備啟動查煙的工作量。

該裝置徹底解決了下游設備對包裝機效率的影響，該裝置的結構設計和控制原理不僅在行業(yè)內(nèi)適用于多種包裝機、提升機類型；在行業(yè)外涉及產(chǎn)品包裝與下游設備連接的情形都可以應用，如食品包裝、藥品包裝、日用品包裝等生產(chǎn)工序，在行業(yè)內(nèi)外都具有廣泛的推廣應用價值。

5 結束語

條煙輸送在線切換裝置采用防夾煙環(huán)節(jié)的設計、升降式切換輸送通道的技術，實現(xiàn)了條煙輸送路徑在包裝機不停機的情況下切換，保障切換過程中的流程性、平穩(wěn)性和安全性，完全消除了下游條煙輸送設備制約包裝機效率的因素，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提升設備生產(chǎn)“凈效率”。