一種煙包在線緩存裝置的研究

李勇

[摘 要] GD包裝機的主機和輔機之間通過輸送跑道相連，輔機停機后可以緩存10秒左右，實際使用中遠遠不夠。文章研究一種新型的煙包在線緩存裝置，采用回轉式技術，較以往產品在存儲數量相同的情況下大大縮小了產品尺寸和安裝高度，與整個GD包裝機配套完美。采用成熟的鏈條傳動方案運行穩定可靠，應用PLC和觸摸屏作為控制器，控制可靠穩定，采用伺服電機作為動力源，使得位置控制更加精準。應用該裝置能有效地提高主機的生產效率和產品質量，值得推廣。

[關鍵詞] GD包裝機；鏈條傳動；PLC；中斷；觸摸屏；伺服電機

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 23. 046

[中圖分類號] F273 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）23- 0107- 02

1 概 述

香煙的包裝是卷煙生產中非常重要的工序，現有技術中，香煙包裝的機械化、自動化程度已經很高，技術非常成熟，尤其是GD包裝機，由于其結構緊湊，香煙輸送速度快，更是獲得了廣泛的應用，已經成為目前煙廠生產中的主力機型。GD包裝機包含主機和輔機兩部分，中間通過小包皮帶機相連，但皮帶機一般就幾米長，同時GD包裝機不配備小包在線緩存裝置，如果輔機停機超過10秒，由于包裝輸送線路上煙包阻塞，主機就被迫停機，導致整條生產線停止運轉，影響其正常生產，頻繁的停開機不僅降低了工作效率，而且會降低產品質量，增加更多的殘次品。

原有的煙包在線緩存裝置加裝在小包輸送帶的上面，整體高度有2米高，長度有1.8米，在車間里非常突兀，影響美觀。本文研究利用成熟的鏈條傳動技術，基于PLC和觸摸屏控制，使用伺服電機作為動力源，設計的煙包在線緩存裝置，小包皮帶機從中穿過，整體高度不超過1.1米，長度為1.5米，較以往產品在存儲數量相同的情況下大大縮小了產品尺寸和安裝高度，與整個GD包裝機配套完美。鏈條傳動方案運行穩定可靠，應用PLC和觸摸屏作為控制器，控制可靠穩定，采用伺服電機作為動力源，使得位置控制更加精準。應用該裝置能在GD包裝機輔機單次停機5分鐘內不需要GD包裝機主機停機，能有效提高GD包裝機的生產效率和產品質量，非常值得推廣。

2 設計思路

為了利用低于小包皮帶機的空間，就需要傳動部件在存儲器和小包皮帶機之間傳送，采用回環式的鏈條傳動是比較合適的。鏈條傳動在鏈輪的作用下能改變傳送路徑，這樣就能最大限度的利用存儲空間，在有限的空間里緩存更多的煙包。

存儲器采用柵格結構，每個煙道是一面開放的型材結構，型材采用上寬下窄的特殊結構訂制拉伸出來，既要兼顧結實性又要重量輕，每個型材與兩端的鏈條固定在一起。鏈條的轉動帶動型材一起轉動，從皮帶機上方經過，正常時某一個型材恰好在皮帶機的上方，作為煙包的輸送通道，如果需要存煙時則擋住型材出口處，使得煙包存滿在型材里，然后鏈條轉動，煙包就存到存儲器的一個通道里了，如此反復，則煙包逐漸存到存儲器里，直到存滿，排煙時是反向操作，直到排空。

為了煙包進入型材快速準確，型材的停止位置必須保持一致，即型材定位需要精準，應采取PLC加伺服電機進行控制，同時由于鏈條傳動的位置有一定的偏差，因此需要加裝傳感器檢測型材的實際位置，PLC以中斷方式處理傳感器的接入，一旦檢測到位后立即通知伺服控制器停止伺服電機。

2.1 鏈條傳動

鏈條傳動是通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式。鏈傳動是嚙合傳動，平均傳動比是準確的。它是利用鏈與鏈輪輪齒的嚙合來傳遞動力和運動的機械傳動。

鏈傳動有許多優點，與帶傳動相比，無彈性滑動和打滑現象，平均傳動比準確，工作可靠，效率高；傳遞功率大，過載能力強，相同工況下的傳動尺寸小；所需張緊力小，作用于軸上的壓力小；能在高溫、潮濕、多塵、有污染等惡劣環境中工作。鏈傳動的缺點主要有：僅能用于兩平行軸間的傳動，成本高，易磨損，易伸長，傳動平穩性差，運轉時會產生附加動載荷、振動、沖擊和噪聲，不宜用在急速反向的傳動中。

與帶傳動相比，鏈傳動沒有彈性滑動和打滑，能保持準確的平均傳動比；需要的張緊力小，作用于軸的壓力也小，可減少軸承的摩擦損失；結構緊湊；能在溫度較高、有油污等惡劣環境條件下工作。與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造和安裝精度要求較低，中心距較大時其傳動結構簡單。瞬時鏈速和瞬時傳動比不是常數，因此傳動平穩性較差，工作中有一定的沖擊和噪聲。鏈傳動平均傳動比準確，傳動效率高，軸間距離適應范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環境中使用；但鏈傳動一般只能用作平行軸間傳動，且其瞬時傳動比波動，傳動噪聲較大。

2.2 伺服電機

伺服電機（servo motor）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機。目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩運行的應用。

2.3 位置控制

本研究選用的某廠家PLC具有原點回歸控制指令，可以利用這個指令來實現位置控制。指令：ZRN（S1，S2，S3，D）；S1：原點回歸速度；S2：寸動速度；S3：近點信號（DOG）；D：脈沖輸出裝置。執行該指令時，伺服電機首先以S1原點回歸速度運行，當接近目標時S3近點信號上升沿，伺服電機開始降速，以S2寸動速度運行，當S3近點信號下降沿時，伺服電機立即停止，這樣使得每個型材停止的位置保持一致。

3 系統設計

3.1 系統結構

整個系統分為機械和電機兩部分，二者共同合作配合完成煙包在線緩存功能。即實現正常時的煙包正常順滑的通過，輔機異常時在線存儲煙包，輔機正常時把在線存儲的煙包逐漸排出，等待下一次輔機異常。

3.2 機械設計

依據本裝置的負載和功能需求，采用回環式存儲是比較理想的，如圖1所示。主要結構包括：①機體框架；②U型條槽；③鏈條；④輸送皮帶機；⑤鏈輪；⑥進出翻板；⑦進出翻板驅動機構；⑧托板；⑨鏈條驅動機構。

機體框架由兩個端板和型材構成，端板采用整板由加工中心加工而成，保證了各鏈輪軸的位置準確。由10根型材連接兩個端板保證了機體框架整體穩固不變形。U型條槽是訂制的特殊尺寸的鋁型材，共有200根，既作為小包通道又可以存儲小包。鏈條包含兩根800節的鏈條。輸送皮帶機是GD包裝機原來就的。鏈輪單側由兩個大鏈輪和6各小鏈輪組成。進出翻板連同進出翻板驅動機構是由氣缸驅動的活動部件，使得煙包進出輸送皮帶機時更順滑，不卡煙。托板是由有機玻璃制作的，保證煙包順著規定的軌跡滑行。鏈條驅動機構由伺服電機及附加驅動結構組成，用于精確的位置定位。

3.2 電氣設計

依據本裝置的負載和功能需求，電氣部件包括PLC、觸摸屏、伺服系統、傳感器、氣動元件。由PLC作為主控制部件，實時檢測各傳感器信息，同時根據邏輯處理驅動伺服系統、各氣動元件，完成在線存煙和排煙的功能，觸摸屏顯示運行信息、報警、配置參數、實時監控等。

PLC邏輯處理對存煙和排煙分別采用順序流控技術編寫，邏輯清晰，處理可靠，存、排煙之間隨時切換，而又各自獨立，互相不干擾。系統包含豐富的功能，觸摸屏上運行信息包括煙包總數量、存煙總數量、當前存煙數量、存煙次數、當前狀態（存煙、排煙、待機）等。

3.3 控制方法

當需要儲存小盒煙包時，煙包阻擋裝置將位于輸送皮帶機上的上下游小盒煙包進行等數量阻擋固定，確保小盒煙包儲存裝置內的煙包數量在規定之內。進出翻板機構動作將進出翻板傾斜一定的角度，以便小盒煙包能夠順利進入到托板上。鏈條驅動機構上的伺服電機帶動環形鏈條轉動，環形鏈條帶動U型條槽移動，這樣一排小盒煙包便隨著U型條槽進入了托板上。等距的另一個U型條槽進入到輸送皮帶機上，上游煙包阻擋裝置打開，小盒煙包進入儲存裝置內，同時下游煙包阻擋裝置關閉，相同數量的小盒煙包進入到儲存裝置內時，上游煙包阻擋裝置關閉，進入下一個儲存動作循環，直至將整個小盒儲存裝置存滿。

當需要將小盒煙包儲存裝置內的小盒煙包排出時，上游煙包阻擋裝置關閉，同時下游的煙包阻擋裝置打開，進出翻板機構動作將進出翻板反方向傾斜一定的角度，以便小盒煙包順利進入到輸送皮帶機上，鏈條驅動機構上的伺服電機帶動兩條環形鏈條反向轉動，鏈條帶動等距的U型條槽反向移動，這樣U型條槽內的小盒煙包便隨著U型條槽平移到了輸送皮帶機上，并隨輸送皮帶機帶離小盒儲存裝置，如若繼續排出小盒煙包，則伺服電機繼續運行，直至將整個小盒儲存裝置內的煙包排空。

4 總 結

本文對一種煙包在線緩存裝置進行了研究，經過前期充分的理論分析和方案論證，首臺樣機經過測試達到了設計要求。但同時裝置還有一些改進的空間，如機械安裝上還有些不方便的地方，沒有提供手工放煙的方法等，后繼應繼續改進提高并加以推廣，以充分發揮裝置的價值。

主要參考文獻

[1]中達電通股份有限公司.臺達DVP-PLC應用技術手冊[Z].2012.

[2]鄭魁敬.運動控制技術及工程實踐[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]孟繁忠.鏈傳動技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2016.