ZJ17卷接機組接裝紙輸送系統的改進

劉世明 周福儒 王 劍 施友志 李俊瑤 曹小東 簡 蓉

(湖北中煙工業有限責任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌 443100)

ZJ17卷接機組是20世紀90年代由德國HUANI公司開發、常德煙機廠引進的卷煙機[1]。其中接裝紙輸送系統負責將接裝紙輸送至預定的工作位置。由于該系統沒有配備接裝紙橫向偏移檢測及自動糾偏機構，實際生產中該機組普遍存在接裝紙橫向偏移的情況，造成搓接成型的內外排煙支接裝紙長短不一(如圖1所示)，行業標準將其命名為接裝紙粘貼不齊，俗稱接裝紙長短[2]。當前通行的解決辦法是采取人工定時監控和手動糾偏，此方法存在一些明顯不足：需要操作人員按照操作要求監控，人工糾偏，勞動強度大[3]。因ZJ17卷接機組速度高，難以實現實時監控，會造成一定比例質量不合格的煙支流入下道工序。研究擬對ZJ17卷接機組接裝紙輸送系統進行改進，實現接裝紙輸送過程橫向偏移的實時自動監控和糾偏，減少人工監控和糾偏勞動強度，保持產品質量穩定。

1 現狀調查

如圖1所示，接裝紙橫向偏移將直接導致內外排煙支接裝紙長度a與b不一致的質量缺陷。卷煙產品質量標準要求成品卷煙的接裝紙長度允差為±0.5 mm。為控制該類質量缺陷，該設備工藝指導卡規定：在設備啟動、接裝紙轉換、接裝紙拼接后，須人工及時確認煙支質量；正常生產過程按5 min/次的要求檢查煙支質量，并根據檢查結果調整接裝紙橫向位置。

1. 接裝紙中心線 2. 接裝紙 a. 內排煙支接裝紙長度 b. 外排煙支接裝紙長度

圖1 接裝紙卷接示意圖

Figure 1 Tipping paper filter plug assemblingschematic diagram

為了解接裝紙人工手動糾偏次數和接裝紙長短超限缺陷煙支流入后續工序具體情況，以4號ZJ17卷接機組為研究對象，對人工手動糾偏接裝紙次數和接裝紙長短超差次數進行為期一周的跟蹤統計，每班抽樣15 次，抽樣間隔30 min，見表1。

表1改進前接裝紙長短調整和超差情況統計

Table1Tippingpaperlengthadjustmentsandout-of-tolerancestatisticsbeforeimprovement

由表1可知，在當前狀態下，班次平均人工糾偏為29.86次/班，接裝紙長短超差現象為4.19次/班，接裝紙偏移在實際生產中較為突出。

2 原因分析

2.1 接裝紙輸送原理

如圖2所示，原機的接裝紙從紙盤1經過輥組傳導到達供紙輥2，供紙輥2負責將卷煙接裝紙從紙盤1拉出，經導紙塊6在上膠輥4上完成涂膠工藝，經加熱器5到達切紙輪7完成單張接裝紙切割，然后由搓接裝置8完成煙支搓接，成型煙支組由切刀3完成內外排煙支分切后，外排(或內排)煙支經過調頭，內外排煙支通過同一傳輸路徑最后由輸出裝置9統一傳送輸出[4]。

1. 盤紙 2. 供紙輥 3. 切刀 4. 上膠輥 5. 加熱器 6. 導紙塊

7. 切紙輪 8. 搓接裝置 9. 輸出裝置

圖2 原機工藝布局

Figure 2 Original machine layout

2.2 接裝紙偏移原因

在實際生產中，當出現接裝紙紙盤不平整、上下兩個紙盤架精度不準確、接裝紙運行線路上各輥組運行異常時，將導致接裝紙出現橫向偏移，造成內外排煙支接裝紙長度不一致[5]。操作工需在煙支出口位置檢查煙支產品質量，根據檢查結果手動調節導紙塊6帶動接裝紙橫向運動，保證內外排成型煙支接裝紙長度一致。

3 改進方法

在接裝紙輸送系統增加自動檢測與糾偏機構，當檢測到接裝紙出現橫向偏移時自動糾偏，減少人工監控和糾偏勞動強度，保持產品質量穩定。

3.1 改進方案設計

如圖3所示，在盤紙1與供紙輥3之間增加前橫向限位裝置2；在供紙輥與導紙塊6之間增加糾偏機構5；取消導紙塊6的調整功能；在上膠輥4與切紙輪8之間增加后橫向限位裝置7[6]。對比原機輸送系統，增加的前橫向限位裝置2能初步糾正接裝紙來料橫向偏移；糾偏機構5在檢測到接裝紙橫向偏移時自動糾偏，后橫向限位裝置7進一步對接裝紙從糾偏機構5到位置7之間的偏移進行糾正。

1. 盤紙 2. 前橫向限位裝置 3. 供紙輥 4. 上膠輥 5. 糾偏機構 6. 導紙塊 7. 后橫向限位裝置 8. 切紙輪

圖3 裝置工藝布局

Figure 3 Improved process machine layout

3.2 檢測裝置選型

ZJ17卷接機組設計運行速度為7 000 支/min[7]，換算為接裝紙運行速度為3 500 張/min。檢測傳感器選型需要考慮兩個方面的參數：傳感器重復測量精度和采樣周期，并能同時滿足該機全速運行時檢測需求。在設備處于全速運行狀態下，單張接裝紙寬度為27 mm時：

接裝紙線速度V：

V=27×10-3×3 500/60=1.6 m/s。

一個采樣周期接裝紙最大運行長度L：

L=1.6×100×10-6=1.6×10-4m=0.16 mm。

為達到接裝紙長度允差±0.5 mm的控制目標，綜合測量精度、采樣周期、安裝尺寸、抗干擾能力等方面因素，選擇檢測范圍±6 mm，帶4～20 mA模擬量輸出信號，采樣周期100 μs，重復精度5 μm的超聲波邊緣檢測傳感器[8]。該傳感器結構小巧緊湊，能滿足在ZJ17卷接機組上的安裝和高速檢測要求。

3.3 糾偏機構

如圖4所示，驅動總成2的電機旋轉帶動轉盤10旋轉，連桿機構3一端與轉盤10聯接，另一端與糾偏總成4聯接；糾偏總成4一端固定在旋轉支架7上，旋轉支架7可以圍繞旋轉軸6旋轉，糾偏總成4另一端聯接有滑輪組件11，糾偏總成包括入紙輥8、出紙輥9；轉盤10的轉動通過連桿機構3驅動糾偏總成4以旋轉軸6為中心往復擺動。接裝紙12按照如圖箭頭方向運行，嵌入式控制器實時采集邊沿檢測傳感器5檢測的數據指導驅動總成2的往復旋轉帶動入紙輥8、出紙輥9的偏擺角度實現對卷煙接裝紙12的在線糾偏。

該糾偏機構采用雙輥糾偏方式，邊沿檢測傳感器緊鄰糾偏機構安裝，能及時檢測到糾偏后的輸出結果，糾偏敏捷。

3.4 電氣控制

如圖5所示，接裝紙自動糾偏機構由邊沿檢測傳感器組件、新型雙輥糾偏機構、嵌入式控制器、高功能型伺服電機、線纜以及人機交互觸摸屏組成。

1. 機架 2. 驅動總成 3. 連桿機構 4. 糾偏輥總成 5. 邊沿檢測傳感器 6. 旋轉軸 7. 旋轉支架 8. 入紙輥 9. 出紙輥10. 轉盤 11. 滑輪組件 12. 接裝紙

圖4 糾偏機構結構圖

Figure 4 Correction mechanism structure diagram

其工作原理是：邊沿檢測傳感器將接裝紙邊緣位置信息采集傳輸到嵌入式控制器，控制器通過自動調節算法輸出控制信號發送到伺服電機，伺服電機驅動糾偏機構實現糾偏。

該方案引入自動化專家系統設計出一種改進的可變PI自動調節器,調節器能隨著對象特性的變化而調整自己的控制策略，保證不同工況下均能有良好的動態響應特性，從而得到滿意的控制效果。

伺服系統采用高性能EtherCAT總線型伺服驅動器，參數設置方便快捷，系統響應速度快。伺服驅動器只需一根網線與嵌入式控制器相連，接線簡單，抗干擾能力強。EtherCAT總線型伺服驅動器具備故障自診斷特性[9]，在其系統內部擁有多種不同的診斷功能，可以準確定位錯誤點，可在人機界面中顯示，維護、檢修更便捷。

觸摸屏采用ModbusTCP通訊，界面友好直觀[10]。主界面顯示接裝紙邊沿位置曲線和糾偏裝置實時位置曲線。針對不同精度的接裝機供紙系統與不同品質的接裝紙可以方便設定系統糾偏目標值，不同規格的接裝紙可以快速方便設定。

圖5 系統原理圖

4 應用效果

為驗證改進效果，檢驗ZJ17卷接機組接裝紙輸送系統可變PI接裝紙自動糾偏機構的運行效果，對已改進的4號ZJ17卷接機組人工手動糾偏接裝紙次數和接裝紙長短超差次數進行為期一周的跟蹤統計，見表2。

表2改進后接裝紙長短調整和長短超差情況

Table2Tippingpaperlengthadjustmentsandout-of-tolerancestatisticsafterimprovement

日期長短調整甲乙丙平均值超差甲乙丙平均值8月1日1111.000000.008月2日1111.000100.338月3日2211.670000.008月4日1100.671000.338月5日1010.670000.008月6日0110.671000.338月7日1010.670010.33均值10.860.860.900.290.140.140.19

由表2可知，改進后班次平均人工糾偏由29.86次下降到0.90次；接裝紙長短超差現象由4.19次/班下降到0.19次，改進效果在實踐中得到了有力驗證。

5 結論

研究了ZJ17卷接機組接裝紙輸送系統的可變PI自動糾偏機構，該機構能實現接裝紙輸送過程橫向偏移量實時檢測和自動糾偏，人工糾偏次數從改進前的29.86次/班下降到0.90次/班；由接裝紙橫向偏移造成的接裝紙長短也由4.19次/班降低到0.19次/班，有效提高了接裝紙輸送系統的穩定性。該裝置設計合理，電氣系統運行穩定，對于提高卷煙產品質量、減少人工勞動強度具有顯著的效果，在ZJ17卷接機組和其他超高速卷接設備上均具有較好的適用性和推廣價值。在實際應用中，由于設備運行存在較多影響因素，控制產品質量不能完全依賴該機構代替人工監控，但可有效降低監控頻次。