ZB48 高速包裝機(jī)色標(biāo)內(nèi)框紙定位切割及輸送研究

楊曉明，趙利明，馬 娜*，楊衛(wèi)東

（紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大理卷煙廠,云南 大理 671000）

在卷煙包裝工藝中，框架紙對硬包成型起到骨架承托作用，同時(shí)框架紙對煙盒的翻蓋還有一定的阻尼作用，可防止煙盒子啊包裝過程火種消費(fèi)者打開香艷滯后翻蓋會自行打開[1]。隨著卷煙品牌在包裝設(shè)計(jì)上的更新迭代以及工藝標(biāo)準(zhǔn)的更新，色標(biāo)小U 口內(nèi)框紙?jiān)谟埠袩煱陌b中大量使用，但因內(nèi)框紙色彩圖案的增加和規(guī)格的變化，在ZB48 高速包裝機(jī)上使用時(shí)易出現(xiàn)圖案偏移、圖案不一致、無法完成推進(jìn)折疊動(dòng)作而飛紙、堵塞通道等問題。針對此類問題，丁檣等利用檢測到色標(biāo)時(shí)的相位與設(shè)定相位差進(jìn)行位置偏差補(bǔ)償計(jì)算[1]解決GD.X2 機(jī)型的框架紙的色標(biāo)定位切割問題，劉一揚(yáng)等提出利用脈沖時(shí)序比較進(jìn)行定位補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)色標(biāo)的自動(dòng)定位[2]，目前國內(nèi)尚無針對ZB48包裝機(jī)的色標(biāo)定位切割裝置。為此，以ZB48 高速卷接機(jī)為研究對象，采用伺服獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)對框架紙輸送系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以期實(shí)現(xiàn)色標(biāo)內(nèi)框紙的精準(zhǔn)定位切割。

1 問題分析

B48 型超高速硬盒包裝機(jī)組是引進(jìn)德國FOCKCE公司FOCKE700S 硬盒包裝技術(shù)的國產(chǎn)化設(shè)備，額定生產(chǎn)能力為800 包/min[3]，其內(nèi)框紙輸入、切割單元主要是利用機(jī)械齒輪傳動(dòng)，通過齒輪模數(shù)比的調(diào)整達(dá)到內(nèi)框紙輸送與設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)同步的效果，ZB48 高速包裝機(jī)的內(nèi)框紙輸入、切割單元見圖1，內(nèi)框紙由兩個(gè)牽引輥（1,2）輸送到切割刀輥（3）由切割刀輥將內(nèi)框紙切割成型。成型后的內(nèi)框紙由輸送輥（4, 5）送到折痕輥（6, 7），經(jīng)過折痕輥的內(nèi)框紙折邊都會被翻折。同時(shí)，折痕輥還會對內(nèi)框紙產(chǎn)生加速效果。

原裝的牽引輥（1,2）動(dòng)力是由機(jī)械齒輪傳動(dòng)提供，輸送速度只能根據(jù)設(shè)備運(yùn)行速度進(jìn)行變化，不能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微小調(diào)整且無調(diào)整反饋，無法實(shí)現(xiàn)定位切割，不能滿足色標(biāo)內(nèi)框紙定位輸送定位切割的要求。

同時(shí)原來的牽引輥是平均面的全面壓緊，牽引輥Ⅰ將內(nèi)框紙壓緊于牽引輥Ⅱ子上，通過驅(qū)動(dòng)力和摩擦力輸送內(nèi)框紙，但由于受力面積大，驅(qū)動(dòng)力和摩擦力之間的不平衡，導(dǎo)致內(nèi)框紙?jiān)谳斔瓦^程中，存在輸送不到位，輸送過程中易偏斜等問題，很大程度上降低了內(nèi)框紙的輸入穩(wěn)定性。

2 改進(jìn)方法

2.1 定位切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對色標(biāo)卡紙定位切割對內(nèi)框紙位置精準(zhǔn)輸送的要求，對內(nèi)框紙切割輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，見圖2，采用伺服電機(jī)控制取代原機(jī)械傳動(dòng)的同步控制；采用伺服電機(jī)對牽引輥Ⅰ、牽引輥Ⅱ進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；采用倫茨LENZE 作為控制平臺[4-5]，利用色標(biāo)傳感器檢測色標(biāo)位置并與軸編碼進(jìn)行比對，計(jì)算出位置偏差，并根據(jù)設(shè)備速度經(jīng)伺服控制器控制伺服電機(jī)的速度。

2.2 硬件配置

硬件方面整體更換了內(nèi)框紙切割輸送機(jī)構(gòu)，見圖3，與原內(nèi)框紙輸送切割機(jī)構(gòu)相比，增加了伺服電機(jī)、位置編碼器、色標(biāo)傳感器及放大器。伺服電機(jī)通過齒輪分別對兩個(gè)牽引輥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以控制牽引輥的牽引速度，在；位置編碼器安裝在切刀輥上，通過對切刀輥角度的檢測來確定切刀位置；色標(biāo)傳感器及放大器安裝在切刀輥與牽引輥之間內(nèi)框紙水平輸送段，通過對內(nèi)框紙上印刷色標(biāo)的檢測來對內(nèi)框紙位置進(jìn)行定位。

2.3 牽引輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對牽引輥輸送驅(qū)動(dòng)力和摩擦力不平衡的問題，通過改變受力面積，改變驅(qū)動(dòng)方式的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，見圖4，將牽引輥改為偏心輥，考慮受力平衡和輔料質(zhì)量，輥?zhàn)痈臑閮蓚?cè)對稱偏心，同時(shí)牽引輥Ⅰ和牽引輥Ⅱ由兩齒輪單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

2.4 控制原理及算法

為了實(shí)現(xiàn)對色標(biāo)內(nèi)框紙位置的精準(zhǔn)切割，通過對內(nèi)框紙的切割位置和色標(biāo)位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，見圖5。其中θ 為切刀Ⅰ與水平線夾角（°），r 為切割點(diǎn)到切割輥圓心的半徑（mm），L1為切割位置與色標(biāo)傳感器檢測位置的距離；l1為色標(biāo)內(nèi)框紙寬度（mm）；l2為色標(biāo)到內(nèi)框紙右切割邊沿的距離（mm）；ω 為切刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度（rad/s）；v 為內(nèi)框紙輸送的線速度（mm/s）。

根據(jù)生產(chǎn)要求，當(dāng)切刀轉(zhuǎn)動(dòng)到切割位置時(shí)，色標(biāo)內(nèi)框紙的切割邊沿應(yīng)處于切割位置，色標(biāo)應(yīng)處于色標(biāo)傳感器檢測范圍內(nèi)，結(jié)合圖5 可得θ、r、L1、l1、l2、ω、v 之間具有以下關(guān)系式

所以，根據(jù)色標(biāo)傳感器檢測的信號和軸編碼器檢測的切刀輥角度的對比，再加上軸編碼器檢測到的切刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，即可求出實(shí)時(shí)調(diào)整的線速度，完成對內(nèi)框紙輸送的實(shí)時(shí)控制。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“紅塔山（新時(shí)代）”牌卷煙、色標(biāo)內(nèi)框紙、“紅塔山（新時(shí)代）”商標(biāo)紙等均由紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大理卷煙廠提供。設(shè)備：ZB48 包裝機(jī)組（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。方法：將內(nèi)框紙色標(biāo)定位切割系統(tǒng)以及新型內(nèi)框紙折疊推進(jìn)器應(yīng)用于ZB48 包裝機(jī)組，設(shè)定單次調(diào)整上限為2mm（rad），①設(shè)備生產(chǎn)速度從400 包/分鐘運(yùn)行到800 包/分鐘，用游標(biāo)卡尺測量統(tǒng)計(jì)不同運(yùn)行速度下100 張框架紙的切割偏斜量，計(jì)算切割標(biāo)偏；②根據(jù)各質(zhì)量檢測工作的檢測結(jié)果，統(tǒng)計(jì)改進(jìn)后4 個(gè)月的內(nèi)框紙導(dǎo)致包裝質(zhì)量缺陷次數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 不同運(yùn)行速度下100 張框架紙切割效果展示

從表1、表2 中可以看出，在400 包/分鐘到800包/分鐘的設(shè)備運(yùn)行速度下，內(nèi)框紙切割偏差量都小于1 mm，切割出的色標(biāo)內(nèi)框紙符合質(zhì)量要求，同時(shí)當(dāng)運(yùn)行速度為600 包/分鐘時(shí)，平均切割偏差量最小為0.2 488 mm。

表1 不同運(yùn)行速度下100 張框架紙切割偏差量分布(單位：張)

表2 不同運(yùn)行速度下100 張框架紙平均切割偏差量

3.2.2 內(nèi)框紙包裝質(zhì)量檢測結(jié)果

根據(jù)表3 可知，在色標(biāo)內(nèi)框紙定位切割機(jī)構(gòu)正式運(yùn)行的四個(gè)月的33 880 包樣本中，ZB48 生產(chǎn)的紅塔山（新時(shí)代）煙包沒有出現(xiàn)過內(nèi)框紙圖案位移導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷，說明本定位切割機(jī)構(gòu)滿足卷煙包裝生產(chǎn)中對內(nèi)框紙定位切割的需求。

表3 紅塔山（新時(shí)代）煙包內(nèi)框紙外觀質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

利用伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)的色標(biāo)內(nèi)框紙定位切割機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對色標(biāo)內(nèi)框紙的定位切割，能夠保證證每一張切出的內(nèi)框紙具備相同的長度和一致的圖案。以ZB48 超高速包裝設(shè)備為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：①在400 包/分鐘運(yùn)行到700 包/分鐘的運(yùn)行速度下，內(nèi)框紙的切割準(zhǔn)確度高，標(biāo)偏為；②在為期四個(gè)月的質(zhì)檢工作檢查中，沒有發(fā)現(xiàn)色標(biāo)內(nèi)框紙切割位置錯(cuò)誤導(dǎo)致的缺陷，滿足工廠的包裝質(zhì)量要求。