摘 要：毫米波箱缺條檢測(cè)裝置需要保證煙箱內(nèi)條煙端平面分布方向與煙箱輸送方向垂直，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)不同煙箱規(guī)格進(jìn)行快速識(shí)別和定向輸送裝置，通過整合激光傳感器檢測(cè)單元、煙箱輸送裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類煙箱規(guī)格的快速識(shí)別和定向輸送。目前，作為毫米波箱缺條檢測(cè)裝置的配套設(shè)備，已經(jīng)在各個(gè)卷煙廠安裝使用，平穩(wěn)運(yùn)行至少半年時(shí)間。

關(guān)鍵詞：箱缺條檢測(cè)；定向輸送；設(shè)計(jì)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TS 43" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在卷煙廠生產(chǎn)過程中，條煙裝箱是其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，從封裝機(jī)對(duì)條煙裝箱到成品煙出庫過程中，可能由于多種偶然因素導(dǎo)致煙箱出現(xiàn)缺條的情況[1-2]。雖然其出現(xiàn)的幾率極低，但一旦發(fā)生，將造成煙廠、商家和消費(fèi)者之間不必要的經(jīng)濟(jì)和法律糾紛，甚至嚴(yán)重影響企業(yè)的聲譽(yù)，因此出廠前必須要進(jìn)行煙箱缺條檢測(cè)。

隨著毫米波成像技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸在煙箱缺條檢測(cè)中被大量使用，根據(jù)毫米波成像原理，需要保證不同規(guī)格煙箱按照一定方向通過毫米波檢測(cè)設(shè)備，因此，本文提出了一種針對(duì)不同煙箱規(guī)格差異進(jìn)行快速識(shí)別及定向輸送的裝置，保障毫米波箱缺條檢測(cè)裝置檢測(cè)的可靠性。

1 設(shè)計(jì)思路

隨著消費(fèi)者對(duì)卷煙需求的多樣化，卷煙規(guī)格呈多樣化發(fā)展，產(chǎn)生了多種條煙煙箱包裝規(guī)格，導(dǎo)致煙箱內(nèi)條煙端分布方向存在差異。

不同煙箱規(guī)格煙箱內(nèi)條煙端平面分布方向與煙箱輸送方向的關(guān)系，主要有2種方式：常規(guī)卷煙的煙箱包裝規(guī)格（簡(jiǎn)稱常規(guī)煙包裝箱）和細(xì)支、中支卷煙的煙箱包裝規(guī)格（簡(jiǎn)稱非常規(guī)煙包裝箱），從條煙封箱進(jìn)入合流線后，常規(guī)煙包裝箱內(nèi)條煙端平面分布方向與煙箱輸送方向一致，非常規(guī)煙包裝箱內(nèi)條煙分布方向與煙箱輸送方向垂直。

為保證毫米波成像技術(shù)在煙箱缺條在線檢測(cè)中應(yīng)用的可靠度和準(zhǔn)確度，需要保證煙箱內(nèi)條煙端平面分布方向與煙箱輸送方向垂直。因此需要手段來改變常規(guī)煙包裝箱內(nèi)條煙端平面分布方向，使之與煙箱輸送方向垂直，保持非常規(guī)煙包裝箱內(nèi)條煙分布方向。使用毫米波箱缺條檢測(cè)裝置的煙箱輸送過程如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)了一種煙箱規(guī)格檢測(cè)裝置及輸送裝置來保證毫米波箱缺條檢測(cè)的正常運(yùn)行，該裝置主要利用激光傳感器檢測(cè)單元檢測(cè)原理，對(duì)不同規(guī)格的煙箱進(jìn)行分類識(shí)別和定向輸送。首先，通過煙箱輸送裝置確保煙箱靠邊輸送，保證激光傳感器檢測(cè)單元與煙箱的檢測(cè)距離。其次，根據(jù)不同規(guī)格的煙箱，利用激光傳感器檢測(cè)單元檢測(cè)原理進(jìn)行分類識(shí)別煙箱規(guī)格，并向轉(zhuǎn)向裝置信息傳遞。最后，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類煙箱規(guī)格的快速識(shí)別和定向輸送。本裝置適用于卷包車間產(chǎn)線或成品庫進(jìn)出庫多種煙箱規(guī)格的檢測(cè)及輸送。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煙箱規(guī)格檢測(cè)裝置及輸送裝置如圖2所示。該結(jié)構(gòu)包括激光傳感器檢測(cè)單元（識(shí)別常規(guī)煙包裝箱和非常規(guī)煙包裝箱，與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)一起保證煙箱內(nèi)條煙端平面分布方向與煙箱輸送方向垂直）、轉(zhuǎn)向裝置（對(duì)常規(guī)煙包裝箱進(jìn)行轉(zhuǎn)向）、輸送裝置及靠邊導(dǎo)向裝置（保證煙箱在輸送過程中既能沿著既定的整體輸送方向，又能沿輸送裝置單邊輸送）。

2.1 輸送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸送裝置由輸送框架、滾筒輸送單元和靠邊導(dǎo)向裝置組成。其中，輸送框架采用2.5mm厚優(yōu)質(zhì)鋼板拼接組成，底部配置可調(diào)節(jié)地腳，并通過膨脹螺栓、化學(xué)錨栓等方式固定在地面，保證輸送框架具有足夠的強(qiáng)度和剛度[3-4]。

滾筒輸送單元選用多個(gè)直流電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)方式，具備省電、靜音等優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)電動(dòng)滾筒通過多楔帶與多個(gè)無動(dòng)力滾筒形成整體進(jìn)行物料輸送，滾筒表面材質(zhì)選用SUS304不銹鋼，滾筒旋轉(zhuǎn)方向與輸送裝置即煙箱整體輸送方向成15°夾角，保證煙箱在輸送過程中既能沿著既定的整體輸送方向，又能沿輸送裝置單邊輸送。

靠邊導(dǎo)向裝置布置在輸送裝置一側(cè)，在煙箱輸送過程中，能夠?qū)熛涞恼w運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行導(dǎo)向，主要采用三排滾珠護(hù)欄交叉型多排輪結(jié)構(gòu)，通過煙箱與靠邊導(dǎo)向裝置的滾輪滾動(dòng)摩擦，有效保障煙箱輸送的流暢性，靠邊導(dǎo)向裝置通過鑄造角座支架安裝在輸送線主體上，具有足夠的剛度和強(qiáng)度。

2.1.1 電動(dòng)滾筒負(fù)載計(jì)算

滾筒輸送單元采用多個(gè)直流電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)，多楔帶連接的傳動(dòng)方式。電動(dòng)滾筒是由電動(dòng)機(jī)協(xié)同減速器裝于滾筒體內(nèi)部組成一種驅(qū)動(dòng)裝置，其工作原理是在滾筒體內(nèi)部，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器減速，把轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳遞給滾筒體，使?jié)L筒體直接帶動(dòng)物料運(yùn)動(dòng)，一般情況下，電動(dòng)滾筒通過皮帶帶動(dòng)多個(gè)無動(dòng)力滾筒運(yùn)輸物料。

本文設(shè)計(jì)的輸送裝置的輸送對(duì)象為紙箱，最大質(zhì)量為20kg，輸送速度為≥60m/min，要求滾筒材質(zhì)為SUS304。因此，需要對(duì)電動(dòng)滾筒進(jìn)行選型計(jì)算，輸送裝置上滾筒對(duì)物體切向力F的計(jì)算方法如公式（1）所示。

（1）

式中：m為滾筒傳送物體質(zhì)量；μ為滾筒與物體間摩擦系數(shù)；g為重力加速度；n為被動(dòng)滾筒數(shù)量；η為滾筒傳動(dòng)效率。

滾筒啟動(dòng)扭矩T的計(jì)算方法如公式（2）所示。

（2）

式中：D為滾筒直徑；S為安全系數(shù)。

假設(shè)煙箱最大質(zhì)量為20kg，重力加速度取9.8N/kg，滾筒傳動(dòng)效率取95%，滾筒與煙箱間摩擦系數(shù)μ取0.1，安全系數(shù)取2，被動(dòng)滾筒數(shù)量為7，滾筒直徑取60mm，將數(shù)據(jù)代入公式（1）和公式（2），計(jì)算得電動(dòng)滾筒需要的啟動(dòng)扭矩T為1.7N。

參照德馬產(chǎn)品手冊(cè)，確認(rèn)電動(dòng)滾筒型號(hào)為DPR-AD-60-800-60JSHA。

2.1.2 輸送框架結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)煙箱的快速識(shí)別及定向輸送，在煙箱轉(zhuǎn)向過程中，煙箱與煙箱輸送框架會(huì)有撞擊，煙箱輸送速度如圖3所示。

煙箱以1m/s的速度進(jìn)入輸送裝置，進(jìn)入轉(zhuǎn)向區(qū)域后，為降低煙箱與輸送框架的撞擊力，煙箱輸送速度降為0.5m/s，隨后恢復(fù)以1m/s的速度輸出。在此過程中，為提高箱規(guī)檢測(cè)的可靠度及減少對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，需要保證輸送裝置整體結(jié)構(gòu)牢固可靠。

利用有限元靜力學(xué)分析軟件簡(jiǎn)化模型，對(duì)輸送框架支腿進(jìn)行靜態(tài)受力分析，要求在滿足強(qiáng)度的同時(shí)，剛度變形量小于3mm。

設(shè)置輸送線高度為1500mm，煙箱質(zhì)量為20kg，根據(jù)煙箱速度變化表，設(shè)置煙箱與輸送框架的沖擊力值轉(zhuǎn)換為對(duì)輸送框架支腿的施加力（8N），利用有限元靜力學(xué)分析軟件計(jì)算，得到輸送框架支腿最大變形量小于1.8mm，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，如圖4所示。

2.2 箱規(guī)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱規(guī)檢測(cè)裝置包括由立柱、網(wǎng)紋旋鈕及傳感器支架組成的支架總成和具有線束的反射型激光傳感器檢測(cè)單元。立柱固定在輸送裝置側(cè)梁框架上，立柱一面有“U”形槽，側(cè)面有長(zhǎng)條形孔，傳感器支架安裝在立柱“U”形槽內(nèi)，通過網(wǎng)紋旋鈕螺釘穿過立柱側(cè)面長(zhǎng)條形孔固定連接，傳感器支架能夠調(diào)節(jié)上下位置，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況同時(shí)安裝多個(gè)傳感器支架[5]；激光傳感器檢測(cè)單元安裝在傳感器支架一端，電纜從傳感器支架和立柱“U”形槽內(nèi)部穿過，箱規(guī)檢測(cè)裝置具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向裝置主要由支座、氣缸和滾輪組成。支座通過螺釘與輸送框架固定，氣缸選用耐沖擊和橫向負(fù)載的帶導(dǎo)桿氣缸，與支座固定，滾輪采用?50的聚氨酯襯層滾輪，當(dāng)煙箱撞擊時(shí)，具有緩沖作用，避免滾輪對(duì)煙箱的撞擊破壞，轉(zhuǎn)向裝置具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

為減少煙箱與滾輪的撞擊力，當(dāng)煙箱進(jìn)入轉(zhuǎn)向功能區(qū)域時(shí)，參照?qǐng)D3煙箱輸送速度示意圖，輸送裝置輸送煙箱速度降至30m/min，即當(dāng)煙箱需要轉(zhuǎn)向時(shí)，氣缸伸出導(dǎo)桿，煙箱以30m/min速度與固定在氣缸端部的滾輪撞擊，如圖7所示。

設(shè)置煙箱質(zhì)量為20kg，煙箱輸送速度為30m/min，參照如圖8所示的SMC氣缸選型圖表，選擇SMC品牌MGPM32-50Z帶導(dǎo)桿氣缸。

根據(jù)圖3煙箱輸送速度示意圖，氣缸受到的橫向沖擊力F橫計(jì)算方法如公式（3）所示。

（3）

式中：m為物體質(zhì)量；vt為物體末速度；v0為物體撞擊前初始速度；t為整體減速時(shí)間。

假設(shè)撞擊滾輪的煙箱質(zhì)量為20kg，撞擊前煙箱速度為30m/min，撞擊減速時(shí)間為0.6s，撞擊后速度為0m/min，將數(shù)據(jù)代入公式（3）可以得到氣缸受到的橫向沖擊力F橫=-16.7N。

按照SMC產(chǎn)品說明書介紹，MGPM32-50Z帶導(dǎo)桿氣缸承受最大橫向負(fù)載力約80N，遠(yuǎn)大于煙箱對(duì)滾輪的橫向負(fù)載力16.7N。因此，選擇SMC品牌型號(hào)為MGPM32-50Z的帶導(dǎo)桿氣缸能夠滿足使用要求。

3 結(jié)語

本文提出的一種煙箱規(guī)格檢測(cè)裝置及煙箱輸送裝置，采用電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)的物料輸送裝置結(jié)合利用激光傳感器檢測(cè)單元的箱規(guī)檢測(cè)裝置，目前已經(jīng)在洛陽卷煙廠、漯河卷煙廠及新疆卷煙廠等多家卷煙廠內(nèi)投入使用。解決了客戶多種煙箱規(guī)格及煙箱雜亂排序的輸送方式所帶來的難題，不僅為毫米波箱缺條檢測(cè)提供可靠保障，而且還將為大箱外觀檢測(cè)、機(jī)器人碼垛等其他后續(xù)工位提供可靠保障。同時(shí)，檢測(cè)裝置具備噪聲小、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，有效降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以為客戶數(shù)字化工廠提供保障。

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