ZB45 異型硬盒硬條包裝機組的設計

施忠兵，吳建軍，陸宇楨

上海煙草機械有限責任公司，上海浦東金橋出口加工區桂橋路750 號 201206

ZB45 硬盒硬條包裝機組主要用于生產傳統的兩包五列式條煙，而近年來出現了一種五包兩列式異型條煙，由于傳統的ZB45 無法實現異型煙生產，卷煙企業大多采用人工方式包裝，生產效率低且包裝質量不穩定。針對ZB45 目前已有較多改進和研究，喻樹洪等［1］通過改進ZB45 的鋁箔紙剔除電磁鐵，解決了鋁箔紙下紙歪斜現象；包俊［2］通過改進 ZB45 的 CH 補償煙庫，解決了煙包因摩擦導致的磨損問題；何平等［3］通過改進ZB45的下煙通道，提高了煙支下落順暢度及穩定性。但對其包裝形式的改進設計則鮮見報道。為此，以廣東中煙工業有限責任公司生產的“郵喜”牌異型煙為對象，通過對ZB45 現有包裝工藝路線分析，研制了ZB45 異型硬條硬盒包裝機組，以期實現異型煙的自動化生產，滿足設備對包裝形式多樣化需求。

1 問題分析

兩包五列（俗稱二五平包）堆疊是目前最常見的煙包堆疊方式，每列由上下兩包煙組成，平排五列堆疊，見圖1a；五包兩列堆疊是每列由上下五包煙堆疊而成，煙包左右兩列并齊，見圖1b。五包兩列屬于異型堆疊包裝方式，一般采用人工進行包裝，傳統的ZB45 無法實現五包兩列堆疊，從而影響該機型的生產適應性。

圖1 煙包堆疊方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of cigarette packets collation

2 設計方法

2.1 煙包堆疊工藝路線

兩包五列煙包堆疊工藝路線見圖2。在工位I，由推桿1 將單個煙包2 推入到提升位置，經提升器4 將煙包2 提升至彈簧復位擋塊上方并堆疊；在工位Ⅱ，二次堆疊后，雙聯輸出推手3 右移將堆疊煙包組輸入到分度轉塔5 并向左返回，利用彈簧旋轉避讓裝置，在其返回時避讓后方煙包；在工位Ⅲ，分度轉塔5 將由兩個煙包組成的煙包組輸送到輸出位置；在工位Ⅳ，雙聯輸出推手3 將煙包組從分度轉塔5 中輸出，實現煙包組排列；當煙包組排列成五列時，兩包五列煙包組6 被輸送到硬條包裝工位，完成硬條包裝。

五包兩列煙包堆疊工藝路線見圖3。在兩包五列堆疊工藝的基礎上，僅對工位Ⅱ進行了改進，提升五包煙包后由雙聯輸出推手3 向右推送進入分度轉塔5，經雙聯輸出推手3 再推出分度轉塔5，實現煙包組五包兩列排列，并進入硬條包裝工位。

2.2 堆疊裝置

由圖3 可見，煙包堆疊裝置主要由提升器4 和雙聯輸出推手3 組成，分別實現煙包提升堆疊和煙包輸出動作。

2.2.1 傳動比設計

由圖 4 可見，主電機 1 先通過帶輪2 和3 傳動，再經過齒輪 4、5 和 6 傳動給提升凸輪 9；齒輪 6 經過齒輪7 傳動給齒輪8 及其推手凸輪10。改進前是堆疊兩包再輸出，改進后是每次提升堆疊五包煙包，再對該煙包組進行輸出。因此，提升器與雙聯輸出推手之間的傳動比z 要從原有的Z8/Z7=2∶1改進為5∶1，即z=5。

2.2.2 凸輪行程分析

圖2 兩包五列堆疊工藝路線Fig.2 Collation procedure of two-packet and five-row

圖3 五包兩列堆疊工藝路線Fig.3 Collation procedure of five-packet and two-row

圖4 提升器和輸出推手凸輪傳動原理圖Fig.4 Transmission principle between elevator and discharge pusher cam

改進前煙包尺寸為 88.7（A1）mm×55.7（B1）mm×23.2（C1）mm，改進后煙包尺寸為 89.5（A2）mm×58.5（B2）mm×15.5（C2）mm。原有提升器凸輪行程L=47 mm，煙包厚度C1=23.2 mm，改進后煙包厚度C2=15.5 mm，小于改進前煙包尺寸，故提升凸輪不變。原有雙聯輸出推手凸輪行程S1=138 mm，改進后雙聯輸出推手凸輪行程S＞S1+B2-B1=140.8 mm，因此需重新設計，改進后行程S=142 mm。

2.2.3 堆疊動作設計

由圖5 可見，提升器采用的是凸輪直動機構［4］，即凸輪 1 直行驅動提升桿 2 上下運動，β1為凸輪角位移，彈簧5 可以復位擋塊4，擋塊4 防止煙包跌落。由于煙包堆疊高度改變，護板6 等零件的高度H 需要修改，且不能小于煙包堆疊高度。

由圖6 可見，雙聯輸出推手采用的是圓柱凸輪驅動正切機構［5］，即圓柱凸輪 1 驅動擺桿 2 和連桿 3，進而帶動滑塊 5 及支架 6 左右運動，β2為圓柱凸輪角位移。推手8 與支架6 采用鉸接安裝，在回程干涉后續煙包時可以逆時針回轉，避讓煙包9，并在完成避讓后通過彈簧7 復位。改進后提升器與雙聯輸出推手之間的傳動比為5∶1，因此提升器凸輪旋轉1 800°時，雙聯輸出推手凸輪旋轉360°，二者的相位關系見圖7。

圖5 提升器結構示意圖Fig.5 Structure of elevator

圖6 雙聯輸出推手結構示意圖Fig.6 Structure of double discharge pusher

在提升器凸輪與雙聯輸出推手凸輪完成一列五包周期中，提升器相位保持不變，僅改進雙聯輸出推手凸輪相位動作，即可實現兩列五包煙包堆疊動作，提升器與推手相位關系見表1。可見，推手在 0°～80°完成推煙，80°～136°返回，136°～360°停止等待；在400°～680°返回時產生干涉，在此采用了彈簧旋轉避讓設計。由圖6 和圖8 可見，推手5 的水平行程以擺桿2 鉸接點為0 位，向左為負行程，極限值為-71.4 mm，向右為正行程，極限值為70.6 mm，總行程為142 mm。

圖7 提升器凸輪與雙聯輸出推手凸輪相位關系Fig.7 Phase relation between elevator cam and discharge pusher cam

表1 提升器與推手的相位關系Tab.1 Phase relation between elevator and pusher

圖8 推手的行程圖Fig.8 Movement of pusher

2.2.4 雙聯輸出推手凸輪設計

在一個工作循環中，改進后五包堆疊次數是兩包堆疊的2.5 倍，且五包堆疊高度為77.5 mm（5×C2），其重心位置相對兩包堆疊增加67%，直接影響包裝機組煙包堆疊和輸送過程的穩定性。因此，改進后ZB45 生產速度由原來的400 包/min 降低為280 包/min，屬于中低速生產。為此，基于凸輪從動件行程S=142 mm，采用了運動綜合性能較好的 3-4-5 次多項式運動規律［6］。由圖 6 和圖 9 可見，以圓柱凸輪1 旋轉中心與擺桿2 旋轉中心水平連線為X 軸，以圓柱凸輪1 旋轉中心垂直向上方向為Y 軸，以圓柱凸輪1 旋轉中心垂直XOY 面向外為Z 軸建立空間坐標系XYZ。其中，已知擺桿2 長度為l2，圓柱凸輪1 旋轉中心到擺桿2 旋轉中心X 方向距離為c，擺桿2 旋轉中心與銷4 中心Y 方向垂直距離為h，擺桿2 與連桿3 固定夾角為δ，滑塊5的移動位移為s。

首先結合圖9 和3-4-5 次多項式運動規律，建立推手的位移運動方程［7］：

圖9 圓柱面凸輪的坐標系Fig.9 Coordinate of cylindrical cam

然后在圖9 的坐標系下，建立圓柱凸輪的理論輪廓方程：

由式（1）和式（2）可以計算得到改進后圓柱凸輪的輪廓。通過Creo 軟件對其進行曲率分析，結果見圖10。可見，改進后圓柱凸輪的曲率保持連續，符合凸輪運動要求，且曲率半徑滿足凸輪滾子半徑r 為10 mm 的空間結構要求。

圖10 凸輪曲率分析圖Fig.10 Curvature of cylindrical cam

3 應用效果

3.1 仿真試驗

建立 Creo 模型進行運動仿真［8］，分析改進后推手運動曲線和凸輪壓力角特性，結果見圖11 和圖12。可見，改進后推手運動曲線與圖8 完全匹配，符合堆疊動作設計要求；凸輪最大進程壓力角為 45.14 o，符合壓力角許用要求［9］。

圖11 改進后推手運動曲線Fig.11 Movement curve of pusher after modification

圖12 凸輪壓力角α分布圖Fig.12 Distribution of pressure angle α of cam

3.2 現場測試

材料：“郵喜”牌卷煙（煙支直徑 7 mm）（由廣東中煙工業有限責任公司提供）。

設備和儀器：ZB45 異型硬盒硬條包裝機組（上海煙草機械有限責任公司）；YB17B 型卸盤機（許昌煙草機械有限責任公司）；聲級計NL-20（上海市計量測試技術研究院）。

方法：ZB45 異型硬盒硬條包裝機組運行速度280 包/min，連續運行3 個班次，每班次工作時間8 h，對機組29 個位置點進行噪聲監測并取最大噪聲值及平均值［10］；統計實際包裝產量及機組有效運行時間；每隔2 h 人工抽取2 條煙，共56 條，根據GB 5606.3—2005［11］標準檢查條煙包裝質量。

3.3 數據分析

由表2 可見，ZB45 包裝機組3 個班次最大運行噪音均低于85 dB，平均噪聲為82.1 dB。由表3 可見，3 個班次有效運行率均大于85%，平均有效運行率為89.4%，測試結果均符合Q31/0115000144C012—2019 標準要求［10］。抽檢的 56條煙包裝質量合格率達到100%。

表2 運行噪聲統計Tab.2 Noise level while machine running

表3 有效運行率統計Tab.3 Statistic data of effective running efficiency

4 結論

ZB45 異型硬盒硬條包裝機組通過改進煙包堆疊包裝工藝、計算傳動比參數、重新設計提升器和輸送推手裝置，實現了異型煙即五包兩列式條煙包裝，提升了ZB45 的包裝生產適應性。以廣東中煙工業有限責任公司生產的“郵喜”牌卷煙為對象對ZB45 進行測試，結果表明：機組運行穩定，額定生產能力280 包/min，有效運行效率89.4%，運行噪聲82.1 dB，包裝質量抽檢合格率100%，均符合國家或行業標準要求，能夠滿足異型煙包裝生產需求，有效提高了異型煙包裝生產自動化水平。