郭蒙飛

（許昌煙草機械有限責(zé)任公司研發(fā)中心, 河南許昌 461000）

0 引言

隨著煙草行業(yè)超高速卷包生產(chǎn)線的推廣應(yīng)用和濾棒類物流高架庫的普及，消費者對超細(xì)煙支、短煙支、低溫不燃燒煙等香煙品種和規(guī)格個性化的需求增加，國內(nèi)卷煙草企業(yè)響應(yīng)“十四五規(guī)劃”期間對智能煙機的大力發(fā)展要求，持續(xù)向高質(zhì)量發(fā)展道路上邁進[1]。因此對棒狀物料成型設(shè)備的自動化程度和生產(chǎn)效率的要求越來越高，對下游設(shè)備的裝盤效率有了更高要求[2-3]。然而，目前市場上的棒料裝盤裝置由于結(jié)構(gòu)原理限制，普遍不能達到要求[4]。為了適應(yīng)多種規(guī)格盤的填裝、提高裝盤效率、減少棒料在輸送過程中的損傷，以及實現(xiàn)精確計數(shù)等功能，本文設(shè)計了一種新的棒料預(yù)裝盤裝置，該裝置對當(dāng)前市場上存在的塑料盤夾持裝置進行了設(shè)計改進并且新設(shè)計了一種柔性動態(tài)料庫[5]，是一款市場亟需的新產(chǎn)品。

1 裝置結(jié)構(gòu)

圖1、圖2所示為一種棒狀物料預(yù)裝盤裝置[6]，包括升降機構(gòu)1、裝盤框架2、塑料盤夾持機構(gòu)3、動態(tài)料庫組件4。裝盤框架2固定在豎直放置的升降機構(gòu)1上，與升降機構(gòu)的兩組豎向平行放置電缸的滑臺呈水平方向連結(jié)，塑料盤夾持機構(gòu)3通過螺釘固定在裝盤框架2上，動態(tài)料庫組件4位于塑料盤夾持機構(gòu)3的進料側(cè)，并與裝盤框架2固定連接。由升降機構(gòu)1中的伺服電動機驅(qū)動裝盤框架2、塑料盤夾持機構(gòu)3和動態(tài)料庫組件4一起完成上下運動。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Ⅰ

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖Ⅱ

升降機構(gòu)主要由伺服電動機5、電缸6、電缸滑臺7、限位板8、限位凸輪軸9、機架10等組成。兩組電缸6豎直平行固定在機架10上，底部通過法蘭與伺服電動機5相連接，機架10上分別安裝兩組呈左右對稱的限位板8和限位凸輪軸9，限位板8和限位凸輪軸9是開關(guān)的組成部分。工作過程中，伺服電動機5驅(qū)動電缸，電缸上的滑臺7帶動其他組件做上下往復(fù)運動。

裝盤框架主要由左右兩側(cè)呈對稱設(shè)置的兩塊支撐板和底部支撐板和頂部橫撐等組成，通過連接板固定在電缸滑臺7上，主要對盤夾持機構(gòu)3和動態(tài)料庫組件4起固定和支撐作用。

塑料盤夾持機構(gòu)主要由2個側(cè)夾持裝置11、1個底夾持裝置12、2個盤頂導(dǎo)軌13和2個盤底導(dǎo)軌14等組成。夾持裝置主要由L形夾持板和開合裝置的一部分組成。塑料盤夾持機構(gòu)3的夾持裝置通過連接板固定在盤框架2上，兩個盤頂導(dǎo)軌13通過調(diào)整擋塊固定在盤框架2兩側(cè)，兩個盤底導(dǎo)軌14固定在盤框架底部。工作狀態(tài)中，塑料盤運動到盤夾持機構(gòu)前，在開合裝置作用下，L形夾持板會呈一定角度打開，以此塑料盤順利進入，然后兩個盤頂導(dǎo)軌13和兩個盤底導(dǎo)軌14將空盤輸入機構(gòu)輸送來的塑料煙盤導(dǎo)入盤夾持機構(gòu)3，然后塑料盤夾持機構(gòu)3脫離指定位置下降，在開合裝置作用下，L形夾持板閉合，盤夾持機構(gòu)3夾緊塑料盤。側(cè)夾持裝置11和底夾持裝置12分別夾持塑料盤的兩側(cè)壁和底壁[7]；盤頂導(dǎo)軌13中設(shè)計了一種有限位功能的零件，以防塑料盤后仰；盤頂導(dǎo)軌13還設(shè)有滾珠，可以使塑料盤進入順利。兩個盤頂導(dǎo)軌13之間的距離和兩個盤底導(dǎo)軌14之間的距離可以調(diào)節(jié)，以夾持不同規(guī)格的塑料盤。塑料盤夾持機構(gòu)既可以保證塑料盤順利到達指定夾持位置，又能使塑料盤的裝盤位置固定。盤夾持機構(gòu)的夾盤原理如圖3所示。

圖3 夾持機構(gòu)的夾盤原理

動態(tài)料庫組件主要由左、右兩側(cè)槽板15、底部槽板16和調(diào)整軸17等組成。棒狀制品動態(tài)料庫4與盤框架2通過連接板固定連接。底部槽板16通過螺栓固定在盤框架2底板上，左、右兩側(cè)槽板15通過調(diào)整軸17與連接板固定連接，兩側(cè)豎直平行的槽板15與底槽板16組成一U形盤框，通過調(diào)節(jié)調(diào)整軸17，可以改變左、右兩側(cè)槽板15的位置，進而改變動態(tài)料庫的寬度，從而滿足不同規(guī)格的塑料盤的裝盤需求，實現(xiàn)不同裝載量。兩側(cè)槽板15與底槽板16的棒料接觸側(cè)都設(shè)置有數(shù)量不等的凹槽，槽板的凹槽的直徑和間距與棒形制品的直徑相關(guān)，用于棒料制品的定位（棒料直徑主要為4.2～7.7 mm，經(jīng)過實驗驗證選取直徑為8.4 mm的凹槽對棒形制品的定位效果最好），使棒料能夠在動態(tài)料庫內(nèi)規(guī)則堆疊，同時減少棒料損傷。槽板的凹槽的數(shù)量呈均勻分布，左、右兩側(cè)槽板15的凹槽數(shù)量是固定的（棒料在動態(tài)料庫排列的層數(shù)是一定的），底部槽板16的凹槽的數(shù)量可以調(diào)整。根據(jù)的棒料在動態(tài)料庫內(nèi)的排列規(guī)律（最底層排列N支，上面1層排列N-1支），可以計算出1盒塑料盤的所容納棒料的數(shù)量。動態(tài)料庫組件的側(cè)板和底板的主要尺寸如圖4和圖5所示。

圖4 動態(tài)料庫組件的側(cè)板

圖5 動態(tài)料庫組件的底板

2 工作原理

機構(gòu)處于工作狀態(tài)時，在升降機構(gòu)1作用下，塑料盤夾持裝置3在設(shè)定位置接收并夾持塑料盤，棒狀制品經(jīng)上游攤平整理機構(gòu)整理后，在動態(tài)料庫4中堆疊規(guī)則、排列整齊，堆疊好的棒狀制品隨動態(tài)料庫4一起下降，直至達到設(shè)定的滿盤高度。由下游填裝機構(gòu)將動態(tài)料庫4內(nèi)存儲的排列整齊、堆疊規(guī)則的棒狀制品推移至塑料盤內(nèi)，即可完成裝盤。然后進入下一個工作循環(huán)。

3 伺服電動機及電缸的設(shè)計選型

工作負(fù)載質(zhì)量M=37 kg（上行）；M=37+6=43 kg（下行）；根據(jù)需求，對伺服電缸選型，初選ELGA-TB-KF-80-900-0H，機構(gòu)參數(shù)如表1[8-9]所示。

表1 機構(gòu)參數(shù)表

3.1 計算轉(zhuǎn)動慣量

計算重物作用在電動機輸出軸上的負(fù)載慣量：

式中：JM為重物作用在電動機輸出軸上的負(fù)載慣量，kg·m2；M為負(fù)載質(zhì)量，kg；P為進給常數(shù)，m/r。

計算電動機輸出軸上的總慣量：

式中：J為折算到電動機輸出軸上的總負(fù)載慣量，kg·m2；Jm重物作用在電動機輸出軸上的負(fù)載慣量，kg·m2；JO為ELGA型電缸的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Jc為聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。

3.2 計算電動機的轉(zhuǎn)速

式中：N為轉(zhuǎn)速，r/s；V為工件速度，m/s；P為進給常數(shù)，m/r。

3.3 驅(qū)動負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩

重物加速時所需轉(zhuǎn)矩：

式中：Ta1為轉(zhuǎn)矩，N·m；P為進給常數(shù)，m/r；η為效率；a為重力加速度；M為工件質(zhì)量，kg。

電缸減速時所需轉(zhuǎn)矩：

式中：Ta2為轉(zhuǎn)矩，N·m；JO為ELGA型電缸的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；N為轉(zhuǎn)速，r/s；η為效率；t2為減速時間，s。

總轉(zhuǎn)矩：

3.4 伺服電動機選型

根據(jù)伺服電動機選型原則：1）連續(xù)工作轉(zhuǎn)矩<伺服電動機的額定轉(zhuǎn)矩；2）瞬時最大轉(zhuǎn)矩<伺服電動機最大轉(zhuǎn)矩（加速時）；3）負(fù)載慣量<3倍電動機轉(zhuǎn)子慣量；4）連續(xù)工作速度<電動機額定轉(zhuǎn)速。

伺服電缸型號選擇為ELGA-TB-KF-80-900-0H（FESTO）；伺服電動機型號選擇為1FK7044-4CF71-1RB0（Siemens）；伺服減速機型號選擇為WPLE080-007（NEUGART）。

4 使用效果

實驗證明, 棒狀制品預(yù)裝盤裝置工作過程中擁有落料穩(wěn)定、均勻、速度高等特點, 并且減少了慮棒制品堆疊不整齊和輸送過程中損傷等現(xiàn)象; 穩(wěn)定裝盤能力為16 000 支/min, 即4 盤/min，有效作業(yè)率為99%。該機構(gòu)還能夠根據(jù)實際生產(chǎn)需要柔性改變裝盤速度和裝盤規(guī)格, 并適用于各種規(guī)格煙支、濾棒、特種濾棒的快速裝盤[10]。

5 結(jié)論

該棒狀制品預(yù)裝盤裝置的特點具體如下：1）塑料盤夾持裝置的設(shè)計。導(dǎo)軌支撐件為模數(shù)件，兩個盤頂導(dǎo)軌間的距離和兩個盤底導(dǎo)軌間的距離均可以調(diào)節(jié)，可適應(yīng)不同規(guī)格的塑料盤，節(jié)省變規(guī)格所帶來的各項成本；盤頂導(dǎo)軌裝有滑塊機構(gòu)和防塑料盤后仰機構(gòu)，使塑料盤可以順利到達指定盤夾持位置，還可以防止塑料盤在到達指定位置時因慣性碰撞發(fā)生傾倒；夾持機構(gòu)利用開關(guān)裝置分別夾持塑料盤的兩側(cè)壁和底壁，兩側(cè)和底部夾持裝置的設(shè)計使塑料盤既可以順利進入到設(shè)計的夾盤位置，又可以夾緊塑料盤，使塑料盤的運行過程保持平穩(wěn)。2）動態(tài)料庫組件的設(shè)計。區(qū)別于傳統(tǒng)的往復(fù)篩動填裝，動態(tài)料庫組件的增設(shè)可實現(xiàn)推移式填裝，即新設(shè)計的動態(tài)料庫可存儲著堆疊整齊將要裝盤的棒狀制品，再由填裝機構(gòu)將動態(tài)料庫內(nèi)排列整齊、堆疊規(guī)則的棒狀制品推移至塑料盤內(nèi)，即可完成裝盤；可以一次性完成裝盤或多次完成裝盤，根據(jù)動態(tài)料庫中預(yù)存棒料的多少，選擇1次或多次裝滿1盤；兩側(cè)槽板之間的距離可根據(jù)塑料盤規(guī)格靈活調(diào)整，以適應(yīng)不同裝載量的塑料盤；槽板凹槽的直徑和間距與棒狀制品的直徑相關(guān)，對棒形制品有定位作用，減少濾棒工作行程中的相對運動，因此降低了濾棒的損傷率；兩側(cè)和底部凹槽的設(shè)計可以實現(xiàn)在機械結(jié)構(gòu)控制塑料盤中棒料的數(shù)量。3）升降機構(gòu)采用伺服電缸。具有噪聲低、節(jié)能、干凈、高剛度、抗沖擊力強、超長壽命、操作維護簡單等特點；同時可以實現(xiàn)較低的維護成本；配置靈活，可以增加各式附件、限位開關(guān)、預(yù)緊螺母等，能夠?qū)崿F(xiàn)多種規(guī)格盤的輸送和填裝，同時保證盤輸送流暢、精準(zhǔn)[11]。