屈月 QU Yue；樂(lè)林帥 LE Lin-shuai；李云達(dá) LI Yun-da；羅曉 LUO Xiao；蔡培良 CAI Pei-liang

（云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠，曲靖 655000）

0 引言

隨著卷煙產(chǎn)品的高質(zhì)量發(fā)展，重心聚焦中細(xì)支卷煙品牌，豐富加裝了內(nèi)框紙圖案，對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量要求也更為嚴(yán)格，但因生產(chǎn)品牌不同，其內(nèi)框紙圖案、色標(biāo)點(diǎn)以及內(nèi)框紙制作材料之間均存在差異，所以切割的內(nèi)框紙尺寸及內(nèi)框紙印刷的圖案位置容易出現(xiàn)不符合工藝標(biāo)準(zhǔn)的情況。這樣的情況一方面會(huì)造成嚴(yán)重的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，產(chǎn)品不合格率居高不下；另一方面會(huì)提高生產(chǎn)過(guò)程的輔料消耗，降低生產(chǎn)效率，同時(shí)對(duì)紙張的大量消耗也不利于環(huán)境保護(hù)，與國(guó)家向企業(yè)倡導(dǎo)的“碳中和”理念相違背。當(dāng)前煙草行業(yè)內(nèi)并沒有有效的解決方法，現(xiàn)有裝置不具備圖案檢測(cè)功能，不能定位切割，不能自動(dòng)糾偏，不滿足中細(xì)支卷煙品牌的內(nèi)框紙工藝要求。因此，研制提高內(nèi)框紙切割精度的內(nèi)框紙高精度定位切割裝置刻不容緩。

1 問(wèn)題分析

1.1 現(xiàn)有系統(tǒng)缺陷

目前，相較于常規(guī)支卷煙品牌，中細(xì)支卷煙品牌的內(nèi)框紙上有印刷圖案，內(nèi)框紙的圖案切割準(zhǔn)確性、完整性將直接影響消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量感官，且按照集團(tuán)產(chǎn)品工藝質(zhì)量要求，內(nèi)框紙圖案不符合工藝標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題屬于嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，存在不合格產(chǎn)品流入市場(chǎng)的較大質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有的內(nèi)框紙切割系統(tǒng)：如圖1 所示，由于原系統(tǒng)并不具備內(nèi)框紙圖案檢測(cè)功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)內(nèi)框紙的定位切割，并且在輸送過(guò)程中如發(fā)生圖案偏移時(shí)系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償糾偏。因此，現(xiàn)有的內(nèi)框紙切割系統(tǒng)不能滿足中細(xì)支卷煙品牌中內(nèi)框紙的生產(chǎn)工藝要求。

圖2 內(nèi)框紙切割過(guò)程

圖3 內(nèi)框紙切割組件

圖4 內(nèi)框紙不合格情況分析

1.2 產(chǎn)品質(zhì)量管控難度大

①人工進(jìn)行內(nèi)框紙圖案校準(zhǔn)：一班次人工需校準(zhǔn)內(nèi)框紙圖案多次、人為自檢自查頻繁，經(jīng)過(guò)跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)框紙上有圖案的卷煙品牌如表1 所示。

表1 內(nèi)框紙平均人工校準(zhǔn)次數(shù)

人工校準(zhǔn)次數(shù)增加直接影響設(shè)備生產(chǎn)效率，且因工藝環(huán)節(jié)人工干預(yù)較多，不能完全保證質(zhì)量要求。

②在生產(chǎn)過(guò)程中，內(nèi)框紙定切完成進(jìn)入下一工序后，無(wú)單獨(dú)對(duì)內(nèi)框紙檢測(cè)的裝置，常常會(huì)出現(xiàn)圖案跑偏、長(zhǎng)短不一的內(nèi)框紙無(wú)法檢測(cè)剔除而直接流入成品煙包中的情況。

1.3 多卷煙牌號(hào)生產(chǎn)時(shí)機(jī)器對(duì)內(nèi)框紙適用性差

由于切割點(diǎn)位要求不一樣，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)同一個(gè)品牌不同內(nèi)框紙版本時(shí)內(nèi)框紙不合格率數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的情況。

內(nèi)框紙印刷面上有等間距的色標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)，理論上，兩色標(biāo)點(diǎn)的距離應(yīng)該為每次內(nèi)框紙送紙輪的步距行程，由于印刷上的不均勻會(huì)導(dǎo)致步距行程和色標(biāo)點(diǎn)間距存在誤差，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)積累后導(dǎo)致實(shí)際切割端面到色標(biāo)點(diǎn)的距離與理論值出現(xiàn)較大偏差。因此，生產(chǎn)過(guò)程中增加操作工生產(chǎn)負(fù)擔(dān)，同時(shí)產(chǎn)生不合格品，帶來(lái)效益損失。

對(duì)內(nèi)框紙不合格品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀察，得出結(jié)論：內(nèi)框紙不合格品，主要表現(xiàn)為內(nèi)框紙圖案工藝質(zhì)量不合格：①內(nèi)框紙尺寸不符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，切割寬度尺寸過(guò)大或過(guò)小，直接導(dǎo)致圖案工藝不合格；②內(nèi)框紙尺寸符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，但是圖案產(chǎn)生向上或向下偏移間接導(dǎo)致圖案工藝不合格。

1.4 實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)

對(duì)車間T1#、T2#、T7#三個(gè)機(jī)組進(jìn)行一個(gè)月的跟蹤統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2 所示。

其中，內(nèi)框紙切割后均有圖案偏移現(xiàn)象，T2#、T7#機(jī)組因?yàn)楦鼡Q卷煙品牌，不同的卷煙品牌關(guān)于內(nèi)框紙圖案定位要求不一樣，機(jī)器產(chǎn)生了對(duì)輔料的不適應(yīng)性，造成了更多的內(nèi)框紙圖案偏移，亟需改善內(nèi)框紙圖案無(wú)法實(shí)現(xiàn)定切問(wèn)題，提高內(nèi)框紙切割精度，同時(shí)穩(wěn)定機(jī)器對(duì)不同輔料的適應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)內(nèi)框紙高精度定位切割。

2 系統(tǒng)整體方案

2.1 設(shè)定目標(biāo)

以細(xì)支云龍為例，細(xì)支云龍的內(nèi)框紙圖案切割不在工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，容易引發(fā)質(zhì)量問(wèn)題。如圖5 所示。

圖5 細(xì)支云龍內(nèi)框紙切割圖

通過(guò)查詢紅云紅河集團(tuán)內(nèi)控工藝標(biāo)準(zhǔn)，中細(xì)支卷煙的內(nèi)框紙圖案位置誤差值為±2mm 符合要求。根據(jù)需求分析表2，抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)當(dāng)前生產(chǎn)的部分中細(xì)支卷煙的內(nèi)框紙不合格率高達(dá)39.11%，并且圖案的位置誤差存在超出內(nèi)控范圍，內(nèi)框紙圖案位置誤差超過(guò)±2mm 的占比高達(dá)29%。本系統(tǒng)目標(biāo)是研制一套能實(shí)現(xiàn)內(nèi)框紙高精度定位切割裝置，通過(guò)內(nèi)框紙高精度定位切割將內(nèi)框紙圖案偏移量控制小于±1.5mm。

2.2 目標(biāo)可行性論證

2.2.1 理論分析

內(nèi)框紙切割部件有活動(dòng)切刀和固定切刀，其轉(zhuǎn)速與小盒包裝機(jī)速度相匹配。當(dāng)機(jī)器正常工作，內(nèi)框紙送紙輪輸送單張內(nèi)框紙的時(shí)間要與內(nèi)框紙切割部件運(yùn)行的時(shí)間匹配，記內(nèi)框紙單張輸送時(shí)間為t，內(nèi)框紙上下邊框高度為h，內(nèi)框紙標(biāo)準(zhǔn)切割對(duì)應(yīng)的內(nèi)框送紙輪的速度為ν，則記ν′為內(nèi)框紙送紙輪變速后的調(diào)節(jié)速度，內(nèi)框紙圖案切割允許誤差為l，則

因此，若能使ν′滿足上述情況，則通過(guò)變速調(diào)整內(nèi)框紙送紙輪轉(zhuǎn)速便能實(shí)現(xiàn)內(nèi)框紙圖案高精度定位。

小盒包裝機(jī)限度是400 包/分鐘，實(shí)際工作在310 包/分鐘～360 包/分鐘之間。經(jīng)測(cè)算，內(nèi)框紙輸送紙輪能夠匹配小盒包裝機(jī)的最大速度是59.8r/min，實(shí)際工作的速度是45.6r/min～52.9r/min 之間，內(nèi)框紙切割允許誤差值為1.5mm，內(nèi)框紙上下邊框高度48.4mm，取實(shí)際工作的最大速度計(jì)算閾值，則：

因此，通過(guò)調(diào)整內(nèi)框紙輸送輥輪轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)框紙誤差調(diào)整。當(dāng)檢測(cè)到內(nèi)框紙圖案偏移量超過(guò)±1.5mm，輸送輥輪轉(zhuǎn)速相應(yīng)加快或減慢進(jìn)行調(diào)整，迅速完成偏移補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)內(nèi)框紙圖案高精度定位切割的目標(biāo)。

2.2.2 類比試驗(yàn)分析

參考中細(xì)支雙鋁包品牌卷煙的內(nèi)襯紙切割裝置，其工作原理是設(shè)備本身自帶色差檢測(cè)在送紙過(guò)程中通過(guò)色標(biāo)傳感器對(duì)內(nèi)襯紙上的色標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)（圖6），當(dāng)色標(biāo)傳感器檢測(cè)到色標(biāo)時(shí)，把信號(hào)送給PLC，PLC 馬上記錄下當(dāng)前編碼器的角度值，并以此角度值與參考角度值進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)整輸送輥的上下擺動(dòng)幅度來(lái)調(diào)整內(nèi)襯紙切割寬度（圖7），使切割后的兩道內(nèi)襯紙（圖8）在設(shè)定的寬度范圍之內(nèi)。

圖6 色標(biāo)傳感器檢測(cè)裝置

圖7 輸送輥糾偏裝置

圖8 兩道內(nèi)襯紙切割圖

本論文借鑒中細(xì)支雙鋁包品牌卷煙的內(nèi)襯紙切割裝置，色標(biāo)傳感器檢測(cè)到色標(biāo)信號(hào)并傳遞給PLC，PLC 記錄下當(dāng)前編碼器的角度值，并以此角度值轉(zhuǎn)化為距離值與參考距離值進(jìn)行比較，通過(guò)控制內(nèi)框紙輸送紙輪的速度可實(shí)現(xiàn)內(nèi)框紙圖案定切精度達(dá)到±1.5mm。

綜上，本課題所研制的內(nèi)框紙高精度定位切割裝置對(duì)圖案偏移誤差補(bǔ)償具備可行性，目標(biāo)可實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

對(duì)中支卷煙小盒內(nèi)框紙定位切割裝置進(jìn)行了詳細(xì)研究，根據(jù)借鑒思路和目標(biāo)可行性分析，采用頭腦風(fēng)暴法得出定位切割裝置的總體方案的硬件結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 內(nèi)框紙定位切割裝置示意圖

系統(tǒng)工作原理：

該系統(tǒng)主要由檢測(cè)模塊、補(bǔ)償模塊、顯示模塊、信號(hào)模塊以及可編程邏輯控制器組成，檢測(cè)模塊由光纖型的色差傳感器和透光儀組成。PLC 是該系統(tǒng)的核心部件，整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制、誤差計(jì)算、補(bǔ)償量計(jì)算都由它來(lái)完成。顯示模塊是人機(jī)交互界面，它通過(guò)電路與PLC 通信，能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障報(bào)警，還能通過(guò)它更改系統(tǒng)的控制參數(shù)。補(bǔ)償模塊伺服系統(tǒng)是該電氣系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它通過(guò)光纖與PLC 進(jìn)行通信連接，故響應(yīng)快。根據(jù)借鑒文獻(xiàn)資料及生產(chǎn)實(shí)際環(huán)境，結(jié)合總體方案的硬件結(jié)構(gòu)，制定了定切系統(tǒng)的使用需求和技術(shù)需求如下：①內(nèi)框紙跑偏時(shí)能夠自動(dòng)補(bǔ)償糾偏，切割精度達(dá)到＜±1.5mm。②內(nèi)框紙輸送穩(wěn)定，能夠有效降低內(nèi)框紙不合格率。③對(duì)輔料要求低，至少適應(yīng)3 種輔料。④使用過(guò)程中不得影響正在生產(chǎn)的設(shè)備，不得更改原機(jī)專用程序。⑤裝置安裝靈活，易于調(diào)試。

3.2 原件選擇

①色標(biāo)傳感器模塊。選擇LR-WF10 模塊，其工作電壓為DC 12-24V，檢測(cè)距離為8-20mm，允許容差，能接收不同顏色光信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間為250ms。LR-WF10 模塊檢測(cè)距離近，成本適中，能夠允許容差，響應(yīng)時(shí)間短，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。

②漫反射光源。選擇E3F-DS30C4D 燈，尺寸長(zhǎng)6cm，陽(yáng)級(jí)工作電壓為36V，輸出電流為300mA，發(fā)光方式為漫反射，功率為10W，發(fā)光顏色為全部可見光。E3FDS30C4D 燈陽(yáng)極工作電壓小，漫反射發(fā)光可以讓光線均勻分布至內(nèi)框紙上，便于傳感器檢測(cè)接收定位位置。能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。

③強(qiáng)光透射照明燈。選擇LS116 透光儀，光源為380nm-760nm 全波長(zhǎng)，外形尺寸為115mm*74mm*25mm，成本為1600 元。LS116 透光儀光照更強(qiáng)，可以讓光線均勻分布至內(nèi)框紙上，便于操作人員看到內(nèi)框紙上的色標(biāo)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。

④編碼器。選擇旋轉(zhuǎn)編碼器E6A2-CW5C 200P/R 0.5M，外徑為?25mm，最大轉(zhuǎn)速為6000r/min，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩1.5mN·m 以下，響應(yīng)頻率30kHz。各方面性能指標(biāo)均符合系統(tǒng)要求。

⑤伺服電機(jī)系統(tǒng)。選擇Panasonic MINAS A5 系列，額定功率為500W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定頻率為250Hz，能夠適配高速運(yùn)行機(jī)器的快速調(diào)速。

⑥可編程邏輯器件。選擇歐姆龍CP1E，可用輸入點(diǎn)數(shù)為24，可用輸出點(diǎn)數(shù)為16，尺寸為9cm×8.5cm×15cm，模擬量輸入范圍為DC 24V，編程工時(shí)為3 小時(shí)。其尺寸合適，編程時(shí)間短，操作方便，符合本系統(tǒng)所需。

⑦系統(tǒng)調(diào)整方式。選擇觸控顯示屏，產(chǎn)品型號(hào)為歐姆龍NB7W 系列觸控顯示屏，尺寸為10 英寸，分辨率為800*480，有觸摸反饋，信息響應(yīng)時(shí)間為300ms，符合系統(tǒng)要求。

4 效果分析

4.1 目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況

內(nèi)框紙定切裝置應(yīng)用于T1#、T2#、T7# 機(jī)組后，于2022 年8 月1 日至9 月1 日四個(gè)工作周對(duì)內(nèi)框紙定切合格情況及定切精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)表見表3～表4。

表3 細(xì)支云龍內(nèi)框紙切割實(shí)驗(yàn)分析表

表4 中支金腰帶內(nèi)框紙切割實(shí)驗(yàn)分析表

①全月生產(chǎn)單個(gè)品牌云煙（細(xì)支云龍）的T1#機(jī)組內(nèi)框紙圖案定切精度達(dá)到了目標(biāo)值，偏移尺寸小于1.50mm占比達(dá)99.63%。②生產(chǎn)不同中細(xì)支卷煙品的T2#機(jī)組內(nèi)框紙定位切割精度相近。內(nèi)框紙定切精度波動(dòng)并不大且誤差超過(guò)1.50mm 的產(chǎn)品數(shù)未出現(xiàn)上升情況。生產(chǎn)云煙（細(xì)支祥瑞）時(shí)內(nèi)框紙圖案偏移尺寸小于1.50mm 占比達(dá)99.72%，生產(chǎn)云煙（細(xì)支云龍）時(shí)內(nèi)框紙圖案偏移尺寸小于1.50mm 占比達(dá)99.55%。③生產(chǎn)相同中細(xì)支卷煙品，不同版本內(nèi)框紙的T7#機(jī)組內(nèi)框紙定位切割精度相對(duì)穩(wěn)定。生產(chǎn)云煙（中支金腰帶）常規(guī)硬包版時(shí)，內(nèi)框紙圖案偏移尺寸小于1.50mm 占比達(dá)99.87%，云煙（中支金腰帶）紅花大金元卡紙版時(shí)內(nèi)框紙圖案偏移尺寸小于1.50mm 占比達(dá)99.74%。云煙（中支金腰帶）紅花大金元卡紙版內(nèi)框紙有圖案對(duì)準(zhǔn)需求，但對(duì)裝置幾乎無(wú)影響。

4.2 效益情況

4.2.1 商標(biāo)消耗分析

改進(jìn)前商標(biāo)消耗量為54 張/箱，改進(jìn)后商標(biāo)消耗量下降為32 張/箱，改進(jìn)后物料消耗降低率ΔQ＝（54-32）÷54≈40.7%，經(jīng)查詢得知，小盒商標(biāo)輔料的單位采購(gòu)成本C 為256 元/每箱，活動(dòng)前全年的輔料消耗量D 為89 箱。根據(jù)公式ΔS＝D×ΔQ×C，得出活動(dòng)后減少輔料消耗的效益ΔS＝89×40.7%×256≈9273 元/年。

4.2.2 鋁紙消耗分析

改進(jìn)前鋁紙消耗量為0.25kg/卷，改進(jìn)后鋁紙消耗量下降為0.2kg/卷，改進(jìn)后物料消耗降低率ΔQ＝（0.25-0.15）÷0.25≈40%，經(jīng)查詢得知，鋁紙輔料的單位采購(gòu)成本C 為34.6 元/公斤，活動(dòng)前全年的輔料消耗量D 為2250kg，根據(jù)公式ΔS＝D×ΔQ×C，得出活動(dòng)后減少鋁紙輔料消耗的效益ΔS＝2250×40%×34.6=31140 元/年。

4.2.3 內(nèi)框紙消耗分析

改進(jìn)前內(nèi)框紙消耗量為0.55kg/卷，改進(jìn)后內(nèi)框紙消耗量下降為0.34kg/卷，改進(jìn)后物料消耗降低率ΔQ＝（0.55-0.34）÷0.55≈38.2%，經(jīng)查詢得知，內(nèi)框紙輔料的單位采購(gòu)成本C 為32.6 元/公斤，活動(dòng)前全年的輔料消耗量D 為1986kg，根據(jù)公式ΔS＝D×ΔQ×C，得出活動(dòng)后減少輔料消耗的效益ΔS＝1986×38.2%×32.6≈24732.1 元/年。

5 結(jié)論

①本內(nèi)框紙定切裝置具備內(nèi)框紙圖案檢測(cè)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)框紙的定位切割，并且在輸送過(guò)程中如發(fā)生圖案偏移時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償糾偏。②本內(nèi)框紙定切裝置對(duì)不同卷煙品牌的內(nèi)框紙均具有良好的適用性。③通過(guò)查詢紅云紅河集團(tuán)內(nèi)控工藝標(biāo)準(zhǔn)，中細(xì)支卷煙的內(nèi)框紙圖案位置誤差值為±2mm 符合要求。本內(nèi)框紙定切裝置實(shí)現(xiàn)內(nèi)框紙圖案位置誤差超過(guò)±2mm 的占比為0%。

內(nèi)框紙定切裝置用于中細(xì)支煙的內(nèi)框紙切割，提高了內(nèi)框紙的合格率，降低了不合格煙包流入下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量保障有較大貢獻(xiàn)，同時(shí)降低了物料消耗，提高了設(shè)備效率，該系統(tǒng)成本合理，效益提升明顯，使用簡(jiǎn)單方便，安全可靠，有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。從車間需求切入，結(jié)合車間實(shí)際，通過(guò)合理設(shè)計(jì)、精心選型，創(chuàng)新性地研發(fā)了內(nèi)框紙定切裝置。通過(guò)搭建新型光電檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)使用漫反射光源，改進(jìn)和優(yōu)化程序。對(duì)每一種類內(nèi)框紙參數(shù)進(jìn)行整理設(shè)定，以減少內(nèi)框紙換號(hào)調(diào)試時(shí)間。應(yīng)用外掛PLC 作為系統(tǒng)的控制核心，提高了不同類型內(nèi)框紙的適應(yīng)性及內(nèi)框紙色標(biāo)點(diǎn)監(jiān)測(cè)定位的精確性。