煙箱捆扎帶自動拆除和收集設備的設計與應用

武小松 張楚安

（1.徐州眾凱機電設備制造有限公司，江蘇 徐州 221004；2.湖北中煙工業有限責任公司武漢卷煙廠，湖北 武漢 430000）

0 引言

在食品、藥品、化妝品及煙草行業的生產系統中，原材料通常裝入箱體中，再采用包裝扎帶捆扎，便于存放和運輸，使用時，須切除扎帶，打開箱體取出原材料，特別是煙草行業，葉片、煙梗等卷煙生產企業所用到的原材料均采用紙箱包裝、扎帶捆扎的形式進行物流運輸。

由于煙草企業的物流化設計，許多制煙工序都進入了自動化操作。煙箱就是通過物流系統從立體倉庫中出箱，然后通過自動化生產線源源不斷地輸送過來的。煙箱表面由三根或四根塑料帶捆扎，塑料帶質軟細長且分布不均。在制絲生產前必須先拆箱，其中紙箱捆扎帶的拆除及回收仍需要由人工完成，系統工作效率低，工人勞動強度大，難以滿足大批量、機械化連續生產的需求。有些企業引進了國外先進機械手，通過視頻識別扎帶位置由機械手剪切并抽取扎帶，但設備工藝復雜，占地面積大，價格昂貴，對不同規格的紙箱適應能力低，無法普及應用。

為此，在對紙箱捆扎帶拆除的功能需求、工藝特點進行詳細分析的基礎上，設計了一種簡易煙箱捆扎帶的自動拆除和收集設備，實現了捆扎帶依次剪斷一次收集的功能，以滿足卷煙企業生產的需求，該設備的應用將在卷煙生產中起到提高生產效率、改善勞動條件和保證生產質量的重要作用。

1 紙箱規格

目前，煙箱包裝標準按YC/T137.1-2004執行。包裝用瓦楞紙箱采用半開縫全套入型瓦楞紙箱（以下簡稱紙箱）。內箱和外箱的兩塊瓦楞紙板通過釘合將接縫封合制成紙箱。內箱底部折片與下墊板構成箱底；外箱頂部折片與上墊板構成箱蓋。使用時應將內外箱套合在一起使用并且箱體外部有包裝扎帶（以下簡稱扎帶）捆扎。一般捆扎四道扎帶，具體尺寸見圖1，（200±0.5）kg/ 箱，紙箱長×寬×高為1136mm×720mm×725mm，最大變形尺寸1300mm×900mm×850mm。

圖1 煙箱捆扎帶示意圖

2 捆扎帶拆除技術難點

紙箱捆扎帶的拆除，其技術難點主要有以下4點：1）制絲生產線中往往同時存在多種不同規格的紙箱；2）經過長時間的陳化貯存，紙箱變形嚴重，有些甚至嚴重破損；3）為便于紙箱的回收再利用，必須實現無損拆包；4）紙箱捆扎帶的打包位置、顏色、數量等具有不確定性。

3 機械手存在的問題

部分煙草生產企業采用機械手割取扎帶，其主要由光照系統、攝像機、圖像采集卡、計算機和剪切裝置等組成，基于機器視覺對采集到的煙箱圖像進行濾波降噪，識別煙箱捆扎帶，通過一系列復雜的算法確定捆扎帶與箱體的交點位置以及捆扎帶剪切方向，對捆扎帶進行剪切和回收。近年來國內外學者針對機器人割取煙箱扎帶做了大量研究，主要如下。

楊灝泉、張勇[1]等人設計了基于機器人技術的片煙紙箱拆包工藝。包裝帶回收過程分為3步：包裝帶數量檢測及定位；包裝帶抓取、剪斷及帶頭的輸送；包裝帶快速剪碎回收。

李長勇、亓利偉[2]等人為了提高煙箱拆包的效率，提出了一種基于機器視覺的煙箱包裝帶識別與定位算法。

蔣明民[3]對我國卷煙生產中的煙葉包裝箱自動開箱環節中的開箱機器人進行研究，按照開箱機器人在生產線中的工作特點，對開箱機器人進行運動學研究和動力學研究。

謝丹[4]根據視覺和機構相配合，總結出了煙草外部包裝的拆除特點，設計剪扎帶裝置，實現了視覺檢測定位扎帶、機械系統拆除煙草箱外部包裝捆扎帶的功能。

目前拆箱機械手在應用過程中仍存在以下問題：1）投資成本高、占地面積大、維護成本高。2）顏色與煙箱接近的包裝袋不易識別。3）當攝像機獲取的圖像太暗或曝光，箱體和背景難以區分，視覺系統不能有效識別捆扎帶。4）捆扎帶的松緊程度、扭曲程度以及箱體的姿態和表面情況均會影響檢測的精度。5）在機械手定位的過程中會損傷紙箱表面。6）在抽取扎帶的過程中，由于部分捆扎帶壓在紙箱底部輸送設備上造成無法正常抽取須人工干預。

4 一種新型的捆扎帶自動拆除及回收設備結構設計

為了滿足煙草行業實現全面自動化的要求，提高生產效率，該文提出一種新型的捆扎帶自動拆除及回收設備結構，如圖2所示。

圖2 煙箱捆扎帶自動拆除及回收設備結構

捆扎帶自動拆除及回收設備裝置包括箱體輸送單元、箱體頂起單元、扎帶切割單元、扎帶脫離裝置及扎帶回收裝置等。

箱體輸送單位分為鏈條輸送機和輥道輸送機兩種，前端為鏈條輸送機，其兩側為鏈板結構，中間部分懸空，減速機驅動，因為煙箱有四條扎帶的束縛，煙箱在鏈條式送機輸送過程中內部的物料不會落出。在鏈式輸送機中間部分沿著箱體的前進方向依次設置箱體頂起單元和扎帶切割單元。后端箱體輸送單元為輥道輸送機。

扎帶切割單元為電機帶動的高速旋轉的割刀，割刀材質為合金刀片，形狀為圓形，周邊開刃，高速旋轉時便于切割扎帶。

箱體頂起單元為兩個能夠隨著箱體運動方向旋轉的無動力凸輪，并排布置。

扎帶脫離裝置為龍門架結構，四周放置排刷，其主要作用為使割斷后的扎帶脫離煙箱。

扎帶回收裝置布置于扎帶脫離裝置正下方，回收割斷后的扎帶。

利用高速旋轉的刀片割斷扎帶，箱體頂起單元的主要作用為防止刀片切割扎帶時損壞紙箱，割斷后的扎帶由于鏈式輸送機兩側鏈板與紙箱之間緊密接觸，扎帶并不會直接脫落，隨著紙箱運行至扎帶脫離裝置，扎帶脫離裝置四側的排刷機構將扎帶刷至扎帶收集盒。完成整個扎帶割取和回收過程，如圖3所示。

圖3 煙箱捆扎帶自動割取裝置結構

箱體輸送單元兩側設置導向輪，能夠調整箱體的位置，使箱體沿著箱體傳輸單元的中間向前移動。在鏈式輸送機中間部分沿著箱體的前進方向依次設置箱體頂起單元和扎帶切割單元，箱體頂起單位的兩個凸輪并列排放，位于箱體傳輸單元中央位置，在箱體運行過程中，能夠頂起箱體底部兩片下蓋板，從而使箱體中部凹陷，分開扎帶與箱底蓋，在箱體前進過程中，遇到高速旋轉的割刀，從而切斷扎帶。

煙箱從物流系統進入鏈式輸送機，由導向輪調整位置，使紙箱中縫位于割刀處。凸輪機構位于割刀前，紙箱壓在凸輪機構上時，由于紙箱自重下蓋板被頂起，而扎帶仍保持繃勁狀態，如圖4所示。凸輪機構頂端與割刀頂端保持一個高度差，使割刀切割扎帶時不損壞煙箱。

圖4 凸輪頂起煙箱下蓋板

在紙箱向前運動過程中，光電開關檢測到紙箱時，紙箱前棱邊已通過割刀且凸輪機構已經將紙箱下蓋板頂起，此時開啟割刀，在紙箱前進過程中依次將扎帶切斷，采用鏈式輸送機線速度計算割刀停止時間，在割刀即將到箱體后棱邊時關閉扎帶切割單元中的電機，這樣就可以把所有的扎帶割斷而不會損傷到紙箱。整個扎帶割取過程，完全自動化控制，減少了人為的干預。

扎帶被割開后，由于紙箱正在輸送過程中，扎帶被紙箱壓在傳動鏈上。紙箱由鏈式輸送機向輥道輸送機輸送，經過兩臺設備空隙處時扎帶變為自由狀態掛置于紙箱上。

安裝于輥道輸送機前端的排刷能刷到紙箱四周的表面，使懸掛于紙箱上的扎帶停留在排刷前端，可以有效阻止被割開的扎帶進入輥道輸送機或纏繞在輥筒上，當紙箱完全通過排刷時被割開的扎帶落入收集箱內，完成扎帶回收的過程。具體如圖5所示。

圖5 扎帶回收裝置簡圖

該裝置結構簡單、切除扎帶效果好，不會存在漏切的現象，同時不損壞箱體，使箱體能夠循環使用，節約資源。該系統在輸送單元上安裝頂起箱體的凸輪和高速旋轉的割刀，可以在切斷扎帶的同時不損傷箱體，由于割刀在箱體的底部，每根扎帶都要經過高速旋轉的割刀處，所以不會存在漏切的情況，與之前很多企業采用視頻或紅外線識別扎帶位置由機械手剪切并抽取扎帶的技術相比，結構簡單，維修成本較低，故障率也較低。

5 應用效果

通過產品樣機的試驗驗證以及設備在某煙廠的實際應用表明，煙箱捆扎帶的自動拆除和收集設備達到了捆扎帶拆除和回收的要求，性能穩定可靠，工作能力符合煙廠生產線要求，為后續的開包工序創造了條件，并具有以下特點：1）自動化程度高。紙箱捆扎帶的拆除和收集均自動化完成，無須人工干預。2）適應能力強。適用于不同規格以及嚴重變形的紙箱，而且不受捆扎帶數量和顏色的限制。3）設計合理。結構簡單，功耗低，穩定性高，扎帶拆除成功率高，便于維護，占地面積小，成本低。