陳 濤，盧洪林，李華文

1. 紅云紅河煙草（集團）有限責任公司昆明卷煙廠，昆明市五華區(qū)紅錦路366 號 650202

2. 紅云紅河煙草（集團）有限責任公司，昆明市五華區(qū)紅錦路368 號 650202

在卷煙包裝過程中，小盒煙包（以下簡稱煙包）包裝完成后通過輸送通道或緩存柜等輔聯(lián)設(shè)備直接供給條盒包裝設(shè)備進行條包包裝［1］。而異型包裝卷煙（以下簡稱異型卷煙）通常采用預成型煙盒完成條包包裝，無法利用傳統(tǒng)裹包式包裝設(shè)備生產(chǎn)，且存在煙包與條包不在同一生產(chǎn)線或生產(chǎn)區(qū)域等情況，在生產(chǎn)時需要借助人工或利用卸盤機將托盤內(nèi)煙包轉(zhuǎn)運至下游條包裝填包裝機。近年來，MATCH系列卸盤機（英國MOLINS 公司）［2］、MAGOMAT 系列卸盤機（德國HAUNI公司）［3-4］以及YB系列卸盤機（許昌煙草機械有限責任公司）［5］等設(shè)備，被廣泛應用于濾棒或煙支等圓柱體物料的卸盤供料工作。上述卸盤機均采用翻轉(zhuǎn)卸料方式使煙支或濾棒隨托盤翻轉(zhuǎn)落入料庫中［6-7］，而將該方式應用于煙包托盤卸載時，因托盤內(nèi)煙包排列緊密，托盤翻轉(zhuǎn)后煙包無法有序落料而導致煙包散亂，無法進行后續(xù)的包裝生產(chǎn)。針對此，王凱等［8］設(shè)計了一種新型煙包卸盤機，利用往復推送機構(gòu)將托盤內(nèi)的雙層煙包推送至條包包裝生產(chǎn)線。但這種煙包卸盤機運行效率較低，且在推送過程中煙包表面存在相互摩擦，容易造成煙包表面損傷。為此，通過對現(xiàn)有卸盤機的結(jié)構(gòu)原理進行分析，設(shè)計了一種異型卷煙煙包卸盤機，能夠從托盤中穩(wěn)定拾取煙包并將煙包輸送至條包包裝生產(chǎn)線，以期保證煙包輸送連續(xù)和穩(wěn)定，提高異型卷煙機械化生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

異型卷煙煙包卸盤機主要由進料輸送裝置、托盤提升裝置、煙包拾取裝置、退盤裝置等組成，見圖1。裝載異型煙包（30 包×6 層）的托盤（3）被進料輸送裝置（1）輸送至提升工位后，由托盤提升裝置（2）將其逐層提升至煙包卸載工位；煙包拾取裝置（4）利用真空吸盤逐層拾取煙包（每層30包）并將煙包置于條包裝填包裝機的入口輸送皮帶上；待6層煙包拾取完成后，空托盤在退盤裝置（5）作用下退出煙包卸載工位并被輸送至空盤回收輸送線。

圖1 異型包裝卷煙煙包卸盤機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of tray unloader for special size cigarette packets

1.2 進料輸送裝置

進料輸送裝置由電機、光電檢測器、鎖緊氣缸、同步傳送皮帶、阻擋機構(gòu)以及擋板等組成，見圖2。同步傳送皮帶（5）長度為2 500 mm，在電機（1）驅(qū)動下可以同時傳送10 個托盤（托盤寬度為110 mm）。傳送帶兩側(cè)均安裝有阻擋機構(gòu)（6）和擋板（4），當光電檢測器（2）檢測到有托盤到達提升工位時，主控系統(tǒng)驅(qū)動鎖緊氣缸（3）動作，使阻擋機構(gòu)旋轉(zhuǎn)并利用擋鉤阻止后續(xù)托盤繼續(xù)向前輸送，避免托盤在提升工位處堆積；擋板用于防止托盤在輸送過程中偏移掉落。生產(chǎn)中電機需滿足低速、大轉(zhuǎn)矩、多啟停等工況條件，結(jié)合工作負載情況和設(shè)計安裝空間，選取功率為0.18 kW、輸出轉(zhuǎn)速為18 r/min 的減速電機（德國SEW-EURODRIVE公司）［9］。

圖2 進料輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of infeed conveyor

1.3 托盤提升裝置

托盤提升裝置由伺服電缸、鎖緊氣缸、后旋夾緊氣缸和夾持機構(gòu)等組成，見圖3。托盤進入提升工位后，被提升裝置兩側(cè)的鎖緊氣缸（2）夾持到夾持機構(gòu)（4）上，隨后后旋夾緊氣缸（3）閉合將托盤精確定位，托盤在伺服電缸（1）的驅(qū)動下被提升至第1層煙包拾取工位。伺服電缸是由伺服電機與絲桿組成的一體化產(chǎn)品［10］，通過PLC 及伺服驅(qū)動器向伺服電機發(fā)送脈沖信號，可實現(xiàn)多點定位和精確的速度控制，適用于高頻搬運等生產(chǎn)環(huán)境。選用的滾珠絲杠型伺服電缸定位精度≤±0.1 mm，能夠滿足托盤提升定位要求［11］。相較于液壓缸或氣缸，伺服電缸由伺服驅(qū)動器控制，無需傳輸介質(zhì)且運行穩(wěn)定，通過末端緩沖和制動控制，能夠有效避免提升沖擊導致煙包掉落等問題。

圖3 托盤提升裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of tray lifting device

1.4 煙包拾取裝置

1.4.1 結(jié)構(gòu)組成

煙包拾取裝置由垂直伺服電缸、水平伺服電缸、末端執(zhí)行機構(gòu)以及真空源等組成，見圖4。末端執(zhí)行機構(gòu)（4）采用蜂巢式平面吸盤［12］，在垂直伺服電缸（2）與水平伺服電缸（3）協(xié)同驅(qū)動下往返于煙包拾取位置和煙包卸載位置。當吸盤到達煙包拾取位置時，托盤（5）在提升裝置作用下上升；當待拾取煙包層與吸盤高度一致時，開啟吸盤真空源（1）并吸附煙包側(cè)面；吸盤攜帶一層煙包返回至卸載位置［即鉤齒同步帶（6）上方］，待鉤齒同步帶運動出現(xiàn)一個空工位時，真空源斷開，30包煙脫離吸盤下落于鉤齒同步帶上。拾取煙包所需的真空壓由大流量真空源提供。如圖4b所示，蜂巢式平面吸盤采用鋁合金薄板（10）作為底板，底板上粘貼的泡沫海綿板（11）具有清潔和密封作用，并可增大接觸面積以減小煙包掉落概率；底板和海綿板上均勻分布有微型吸孔，因平面吸盤為長條狀，在吸盤兩端設(shè)置2個真空負壓接頭（7），以提高吸盤型腔（9）內(nèi)真空度的均勻性，使各個吸孔的吸力保持一致。

圖4 煙包拾取裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of packet pickup device

1.4.2 真空源設(shè)備選型

吸盤吸附煙包轉(zhuǎn)運過程中，以一層30 包煙為對象進行受力分析，見圖5。X 方向上，煙包受到真空吸附力Fw和吸盤作用力Fd；Y方向上，煙包受到重力G 和摩擦力f。假設(shè)煙包在轉(zhuǎn)運過程中做勻速運動，則煙包在X方向和Y方向上受力平衡，且滿足以下關(guān)系式：

圖5 煙包轉(zhuǎn)運過程中受力分析Fig.5 Force analysis of cigarette packet during transportation

式中：FX為煙包在X方向上受力，N；FY為煙包在Y方向上受力，N；Fw為真空吸附力，N；Fd為吸盤作用力，N；G 為煙包重力，N；f 為摩擦力，N；m 為30 包煙質(zhì)量，取0.6～0.9 kg；g為重力加速度，取9.8 N/kg。

根據(jù)摩擦力和吸附力計算公式［13］可得：

式中：ΔPu為吸盤內(nèi)真空度，取真空泵最大真空度的63%～95%，MPa；S 為吸盤與煙包的有效吸附面積，取最大吸附面積的80%，mm2；μ為吸盤與煙包BOPP薄膜之間的摩擦系數(shù)，取0.36。

以昆明卷煙廠生產(chǎn)的異型卷煙為例，軟包煙包規(guī)格為87 mm×55 mm×22 mm，質(zhì)量為0.03 kg/包；細支煙包規(guī)格為103 mm×55 mm×12 mm，質(zhì)量為0.02 kg/包。吸盤吸附軟包煙包和細支煙包的側(cè)面寬度分別為22和12 mm，假設(shè)在每包煙吸附面上設(shè)置一個真空吸孔，則單個煙包的最大有效吸附面積分別為303.95和90.43 mm2。結(jié)合公式（1）和公式（2）可得，同時拾取30包煙，真空泵所需提供的真空度P應滿足：

由于真空度越大，吸盤壽命越短，真空度不宜選擇過高。綜合考慮穩(wěn)定性和噪聲等因素，選擇VT4.40無油旋片式真空泵（最大真空度為0.04 MPa，德國BECKER公司）可滿足使用要求［14］。

1.4.3 末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

1.4.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為適應不同規(guī)格異型卷煙，設(shè)計了兩種末端執(zhí)行機構(gòu)，見圖6。當轉(zhuǎn)運軟包煙包時，末端執(zhí)行機構(gòu)采用蜂巢式平面吸盤（圖6a）；當轉(zhuǎn)運細支煙包時，因煙包高度增加且吸附面積減小，蜂巢式平面吸盤對煙包的翻轉(zhuǎn)力矩增大。為避免煙包釋放過程中因瞬時氣壓差擾動而造成煙包倒伏，在蜂巢式平面吸盤上方增加了一排（30個）普通橡膠吸盤（圖6b），使蜂巢式平面吸盤中控制煙包釋放的電磁閥通電時間略早于上排吸盤的電磁閥，從而避免煙包釋放后倒伏。

圖6 末端執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of terminal actuator

1.4.3.2 微型吸孔參數(shù)設(shè)置

蜂巢式平面吸盤中吸孔的直徑計算公式［15］為：

式中：D為吸孔直徑，mm；t為安全率，水平吸附t≥4，垂直吸附t≥8，取t=10；n為吸孔數(shù)量，個；ΔPu取真空泵最大真空度的63%，MPa。

吸孔數(shù)量越多，吸孔直徑越小，而吸孔直徑過小會增大加工難度且容易堵塞。因此，在滿足生產(chǎn)條件下，按照最少吸孔數(shù)量的原則設(shè)計吸盤［16］。根據(jù)公式（1）和公式（2），為滿足煙包拾取要求，末端執(zhí)行機構(gòu)吸附力應滿足：

式中：s為每個微型吸孔的有效吸附面積，mm2。

根據(jù)公式（5）可得，拾取軟包煙包應滿足D2×n≥4 300 mm2，拾取細支煙包應滿足D2×n≥2 866 mm2。對于軟包煙包，初選每包煙對應吸盤均布10 個 4 mm 吸孔，30 包煙對應吸盤則需均布300 個吸孔，見圖7。利用公式（4）驗證，可得D≥，初選直徑大于臨界條件，即300個 4 mm吸孔可以滿足要求。對于細支煙包，將300 個 4 mm 吸孔代入公式（4）驗證，得到吸孔直徑應滿足D≥1.0 mm，大于臨界條件。因此，根據(jù)細支煙包規(guī)格尺寸調(diào)整吸孔間距即可滿足生產(chǎn)要求。

圖7 蜂巢式平面吸盤平面示意圖Fig.7 Schematic diagram of honeycomb suction plate

1.5 退盤裝置

退盤裝置由夾持氣缸、推送氣缸、夾持擋板、電機、鎖緊氣缸、輸送皮帶、擋板等組成，見圖8。當空托盤（7）內(nèi)最后一層煙包取出后，推送氣缸（2）動作，將兩側(cè)夾持氣缸（1）和夾持擋板（3）推送至空托盤上方，隨后夾持氣缸動作使夾持擋板（3）收攏鉤住空托盤，同時提升裝置的夾緊機構(gòu)張開；推送氣缸反向動作，帶動空托盤退出至輸送皮帶（6）上方后，夾持氣缸反向動作使夾持擋板松開，空托盤被放置在輸送皮帶上?？胀斜P輸送皮帶兩側(cè)同樣布置鎖緊氣缸（5）和擋板（8），使空托盤在輸送皮帶上暫存，直至空盤回收提升機到位后將一組空托盤集中回收。退料裝置由多個氣缸順序動作實現(xiàn)空托盤回收，為保證順序控制信號準確，采用具有記憶功能的電磁閥作為氣動回路的主控原件［17］。

圖8 退盤裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of emptied tray reservoir

2 應用效果

2.1 實驗設(shè)計

材料：軟包硬化“大重九”牌卷煙（煙支長度84 mm）、細支硬盒“大重九”牌卷煙（煙支長度100 mm）［紅云紅河煙草（集團）有限責任公司昆明卷煙廠］。

設(shè)備：“大重九”條包生產(chǎn)專線，包括煙包托盤輸送線、異型卷煙煙包卸盤機、軟包硬化條包裝填生產(chǎn)線、細支硬盒條包裝填生產(chǎn)線。

方法：軟包硬化條包裝填生產(chǎn)線和細支硬盒條包裝填生產(chǎn)線的額定生產(chǎn)速度均為30 條/min，三班制生產(chǎn)，早班5 h，中班和晚班均為6 h。異型卷煙煙包卸盤機應用前后，分別連續(xù)統(tǒng)計5 d中班生產(chǎn)的兩種規(guī)格卷煙條包數(shù)量，取平均值。應用前，采用人工裝填方式生產(chǎn)，按8 人1 組流水作業(yè)；應用后，1 條生產(chǎn)線僅配備1名操作人員，負責設(shè)備保養(yǎng)、故障排查以及在線質(zhì)量抽檢等工作。

2.2 數(shù)據(jù)分析

如表1 所示，異型卷煙煙包卸盤機應用后，僅需配備1名操作人員即可完成作業(yè)；軟包硬化卷煙和細支硬盒卷煙的產(chǎn)量分別為7 125、7 500條/班次，與應用前采用人工裝填方式相比，可節(jié)約人工7人/班次，兩種牌號卷煙的產(chǎn)量分別提升4 125、3 500條/班次，有效提高了異型卷煙生產(chǎn)效率。

表1 異型卷煙煙包卸盤機應用前后條包產(chǎn)量①Tab.1 Production of cigarette cartons before and after application of the tray unloader for special size cigarette packets

3 結(jié)論

設(shè)計了一種異型卷煙煙包卸盤機，通過進料輸送裝置和托盤提升裝置將煙包托盤輸送至煙包拾取工位，再利用蜂巢式平面吸盤將煙包逐層移運至卸載工位，空托盤則在退盤裝置中緩存后集中回收。以昆明卷煙廠“大重九”條包生產(chǎn)專線為對象進行測試，結(jié)果表明：異型卷煙煙包卸盤機應用后，僅需配備1名操作人員即可完成作業(yè)，與采用人工裝填生產(chǎn)方式相比，可節(jié)約人工7人/班次，軟包硬化卷煙和細支硬盒卷煙的產(chǎn)量分別提升4 125、3 500 條/班次。該設(shè)備可滿足多種規(guī)格卷煙煙包的卸盤供料需求，有效提高異型卷煙的生產(chǎn)效率。