異型煙透明紙折疊裝置設(shè)計應(yīng)用

李帥 張健 王東 王曉華 刁維龍

摘 要：針對現(xiàn)有包裝設(shè)備無法完成異型煙透明紙包裝的情況，現(xiàn)階段依靠人工進行包裝，工藝標準不一致，影響產(chǎn)品包裝的統(tǒng)一性?；诠I(yè)機械手原理，利用氣缸，步進電機結(jié)合機械部件模擬人手動作，通過編程控制該裝置的動作和流程，可以代替人工完成單調(diào)、重復(fù)、長時間的工作，完成條盒透明紙的折疊和熱封，降低勞動強度，統(tǒng)一條盒透明紙的工藝質(zhì)量，使臥式雙包條盒透明紙更加平整美觀。

關(guān)鍵詞：異型煙;透明紙;機械手

中圖分類號：TS4文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）08-005-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.003

卷煙的最小包裝單位是盒，其中可裝入若干支（通常為20支）卷煙，分為軟盒、硬盒及其他三種。條是卷煙盒的最小包裝單位，其中可裝入若干盒（通常為10盒卷煙），硬包裝稱為條盒，軟包裝稱為條包。條包內(nèi)小盒的排列方式一般有兩層5小盒平臥相疊和10小盒直立排列兩種包裝形式，簡稱為臥式條包（二五平包）或直式條包。硬條包裝一般為二五平包，這是現(xiàn)代卷煙企業(yè)最常用的條包裝形式[1]。

1 問題分析

除上述包裝形式之外，其他方式的特殊條盒包裝形式，如臥式雙包條盒透明紙的折疊就要靠人工完成，費時、費力、效率較低。另外，人的技能水平的差異也會影響條盒透明紙的包裝工藝質(zhì)量。人工包裝的條盒透明紙存在透明紙翹邊、折皺、搭口偏斜、透明紙松散等包裝缺陷[2]，影響產(chǎn)品美觀。因此，需要設(shè)計一種自動透明紙折疊裝置，代替人工折疊。

2 透明紙折疊裝置設(shè)計

如果人工完成條盒透明紙一側(cè)端面的折疊，人手需要做8個動作，通過氣缸帶動鋼板尺的伸縮和鏟壓動作模擬人手的動作，可以完成透明紙端面的折疊[3]。采用定點旋轉(zhuǎn)式，使放置條煙的工作臺做出幾個類似機械手臂的回轉(zhuǎn)動作，用一組末端執(zhí)行器模擬人手的折疊動作后進行條盒熱封，通過單片機控制系統(tǒng)控制筆者所設(shè)計裝置的動作和行為，就可以完成條盒端面透明紙的折疊和熱封。

2.1 機械設(shè)計

2.1.1 結(jié)構(gòu)組成

先完成一側(cè)透明紙折疊熱封，再旋轉(zhuǎn)180°完成另一側(cè)折疊熱封。其機械結(jié)構(gòu)包括左支架12、右支架4，前支架8;上短邊透明紙折疊氣缸1及其鏟刀2，下短邊同樣有相應(yīng)的折疊裝置;右長邊折疊氣缸5及其鏟刀3;左長邊折疊氣缸11及其烙鐵熱封裝置;條盒定位氣缸7及其定位推盤6;熱封推桿;旋轉(zhuǎn)平臺。其電氣器件包括控制器、步進電機、開關(guān)電源、電磁閥、電磁鐵、加熱管、熱電偶及溫控器。

2.1.2 工作流程

如圖1所示，將條盒長邊裹包好放置在工作臺，啟動開關(guān)，步進電機13帶動工作臺逆時針旋轉(zhuǎn)90°，定位氣缸7伸出推動條煙到達定位工位A端，上下鏟刀1伸出將A端兩短邊折角向內(nèi)折疊;右鏟刀3伸出將A側(cè)端面長邊透明紙向內(nèi)折疊，同時上下鏟刀和右鏟刀回位;左烙鐵10伸出完成A側(cè)端面另一長邊的透明紙折疊，后電磁鐵9伸出與定位氣缸7配合壓緊條煙;后電磁鐵回位，左烙鐵回位，熱封完成一次;工作臺順時針旋轉(zhuǎn)30°完成二次熱封，工作臺逆時針旋轉(zhuǎn)60°完成三次熱封;工作臺順時針旋轉(zhuǎn)180°定位B端，定位氣缸伸出條煙重新定位，同上步驟完成條煙透明紙B端的裹包和熱封過程。

2.1.3 確定氣缸型號

氣缸是折疊裝置的重要組件，左氣缸連接烙鐵，其作用是對條盒端面透明紙鏟壓和熱封;右氣缸連接大鏟刀，其作用是鏟壓條盒端面透明紙使之敷貼;上下短邊透明紙折疊氣缸的運行帶動鏟刀的伸縮，氣缸的行程應(yīng)該≥30mm，才能將透明紙端面小短邊摁壓得平整、敷貼;條盒定位氣缸的作用是對條盒端面施加作用力，既要保證條盒的推送精度，又不能讓條盒擠壓變型。

通過模擬實驗，筆者畫出條煙及條煙透明紙邊緣的運行軌跡，當氣缸行程大于60mm時，末端執(zhí)行器的運行軌跡和條煙透明紙邊緣的運行軌跡不會發(fā)生交集，所以氣缸的行程只要大于60mm即可，左右氣缸型號最后確定為：TN-20×100-S-T。

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)機器人的動作原理，筆者將寫好的程序?qū)懭肟刂破?，控制器可以控制與電路和氣路相連的所有部件。如果該裝置需要做出一個動作，這時控制器會打開所有需要的電機和閥門。如果要改變該裝置的動作和行為，可重新編程，然后寫入其控制器。所有傳動裝置都通過導(dǎo)線與一塊電路相連，該電路直接為電機和螺線圈供電，并操縱電磁閥門啟動電氣系統(tǒng)。閥門可以控制壓縮空氣在機器內(nèi)流動的路徑。比如，如果該裝置要做出一個伸出動作，其控制器會打開一個閥門，控制傳動裝置做出動作。透明紙折疊裝置電氣原理如圖2所示。

本裝置采用單片機驅(qū)動電磁閥、步進電機等執(zhí)行器件，按工藝流程動作實現(xiàn)自動化控制，通過數(shù)碼管按鍵實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置及讀取，滿足人機交互功能。

2.2.1 步進電機力矩確定

轉(zhuǎn)動慣量J的計算：

其中，工作臺長度x=0.186m;工作臺寬度y=0.037m;工作臺高度z=0.02m;中心線與旋轉(zhuǎn)軸線距離e=0m;工作臺質(zhì)量m=0.969kg;經(jīng)計算，工作臺轉(zhuǎn)動慣量J=0.0029kg/m2。

角加速度計算：

控制系統(tǒng)要精確定位，運動物體必須有加減速過程，旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)一圈為1.2s。

角速度 =5.2rad/s，從0到勻速的時間為0.46s，角加速度 =5.2/0.46=11.37rad/s2。

電機力矩計算：

力矩計算公式為：T=（J*ε+TL）/η

式中： TL為系統(tǒng)外力折算到電機上的力矩， η為傳動系統(tǒng)的效率。忽略系統(tǒng)外力，TL =0;查機械傳動效率表，取η=0.97;帶入上述數(shù)值計算得：

T=0.34N·M;

故步進電機的靜力矩應(yīng)大于0.34N·M。

故選擇靜力矩為0.4N·M的86BYG401型步進電機。

2.2.2 確定參數(shù)

折疊裝置制作完成后，要達到最佳的熱封效果，需要選擇合適的烙鐵溫度、烙壓時間及壓力，通過正交實驗確定最佳參數(shù)：

小組以GDX2型包裝機透明紙包裝處的烙鐵溫度為依據(jù)，選擇三種溫度（A烙鐵溫度℃）;通過調(diào)查包裝機擋車工手工打條烙壓時間，得出烙壓時間在2s～3s（B烙壓時間s）;電磁鐵行程一旦超過2mm，煙包會發(fā)生變形，因此選擇行程小于2mm（C熱封壓力mm）。

比較R值大小，看各因素的影響程度，按照因素影響程度主次排序：B→C→A，B、C為主要因素，A為次要因素。

直觀分析：直接比較9個試驗綜合評分，最高分為5號方案，即組合A2B2C3。

計算分析：某列的n位級的貢獻系數(shù)，為本位的n位級對于試驗指標結(jié)果之和，從計算結(jié)果可知，較優(yōu)方案為A2B2C3。趨勢圖如圖3所示。

通過以上數(shù)據(jù)，最終確定最佳參數(shù)：烙鐵溫度135℃，烙壓時間2.5s，當電磁鐵行程為2mm時，對應(yīng)最佳的熱封壓力。

3 結(jié)語

該裝置完全代替人工完成8個動作，減少了單調(diào)、重復(fù)的折疊動作，降低了員工的勞動強度，可以使異型煙條盒透明紙更加平整、美觀，產(chǎn)品質(zhì)量抽檢得分有所提高，對于小批量的異型煙產(chǎn)品有極高的應(yīng)用價值。

參考文獻

[1] 徐尚超，郭建娟，徐峰.FOCKE 700S硬盒包裝機內(nèi)框紙橫向輸送裝置的改進[J].機械工程師，2014（8）：276-277.

[2] 吳建軍.YB618型硬條及條外透明紙包裝機美式包裝及拉線形式的改進[J].煙草科技，2015，48（8）：82-87.

[3] 張振華，孟振偉，張偉華.隨動式條盒透明紙包裝整形器的設(shè)計[J].煙草科技，2004（3）：13-15.