包装机组FOCKE779条烟推送装置的改进与仿真研究

夏海元

[摘 要] 为解决包装机组FOCKE779条烟输出时出现“挤烟”问题，对条烟推送装置结构、工作原理、设备源程序等进行分析研究，利用曲柄连杆机构和伺服电动机，将原双气缸驱动结构改为伺服电机直接驱动装置。该改进装置由伺服电机、联轴器、连杆、推烟挡板等组成，通过伺服电机带动推烟挡板摆动完成条烟的推送，并利用ADAMS对改进后的条烟推送装置进行运动特性仿真。

[关 键 词] 包装机组FOCKE779；条烟推送装置；挤烟；仿真

[中图分类号] TS43 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）33-0056-01

FOCKE-FX2硬盒包装机是德国FOCKE公司推出的新一代硬盒包装机组，生产能力达700包/min，在国内卷烟企业已广泛应用。

一、存在的问题

（一）装置组成

FX2机组主要由小盒包装机（703）、小盒透明纸包装机（753）和条盒包装机（779）组成，整台机组连线作业，779条烟透明纸包装机主要完成最外层条烟透明纸包装，包装后条烟经推板推送至条烟提升机。779机组的条烟输出装置采用双气缸驱动式曲柄连杆结构，由两个互相垂直的气缸、机架、连接块、连接销、支架、推烟杆、连接板和推烟板组成。下面的气缸驱动推板向前运动，上面的气缸驱动推板向后运动，从而完成一个完整的推烟动作。

（二）问题分析

徐州卷烟厂现有两台FOCKE-FX2机组，在运行近一年的时间内，频繁出现“条烟输出堵塞”故障（挤烟）。查找设备源程序发现，该故障是由于气缸运行超时造成的，当气缸在做伸出动作时，从起始点到终止点的时间超过设定时间，或者在做缩回动作时，从终止点返回起始点的时间超过设定时间，设备就会出现上述故障而停机。

“挤烟”现象不仅总体上影响整个产线的效率，而且在运行数天后，同样问题又會出现。进一步分析可知：造成条烟挤烟的主要原因是“气缸—曲柄连杆机构”组合设计的固有缺陷。缺陷一：活塞式气缸运动速度和曲柄连杆机构的输出扭矩都会随着曲柄转角和连杆摆角的变化产生周期性波动；缺陷二：气缸的活塞杆推动曲柄做功过程中，会产生一个作用在汽缸壁的副作用力，该副作用力会加大汽缸壁的磨损，降低压缩气体的平稳性，因此设想对条烟推送装置进行改进。

二、改进方法

通过分析可知，FOCKE-FX2机组产生“挤烟”现象是由“气缸—曲柄连杆机构”设计缺陷引起的，修改源程序或者在输出轴上增设限位挡块都不能消除故障产生的根源，因此利用“伺服电机—曲柄连杆机构”代替原先设计的“气缸—曲柄连杆机构”。伺服电机的速度和力矩采用闭环控制，控制精度高，克服了“气缸—曲柄连杆机构”速度和扭矩波动的缺陷，同时速度响应快且运动平稳。改进的条烟推送装置主要由伺服电机、联轴器、连接件、连杆、连接块、连接块支撑、挡板固定和挡板组成，利用SolidWorks建立主要零件的三维实体模型，然后根据各自之间的装配关系进行装配，其结构如下图所示。该装置的主要零件选材均为硬铝合金，该材料具有质轻色美、防锈的优点。

三、仿真实验

（一）导入几何模型

SolidWorks中创建的机构各零件三维实体模型，如图所示。

（二）设置材料属性

导入模型后，设置材料属性，分别选取机构的各个零件，将其材料形式（material type）选定为铝材料（aluminum）。

（三）设置单位和重力加速度

设置系统单位，单击菜单【Setting】→【Units】→【MMKS】后，弹出单位制设置对话框，将相应的单位设置成所需要的单位制；设置重力加速度，单击菜单【Settings】→【Gravity】后，弹出Gravity settins设置对话框，重力加速的方向为坐标系-Z方向。

（四）施加载荷和驱动

根据设计要求：每分钟输出70条烟，每条烟的重量为260g左右，因此需施加18.2kg的负载，即一个周期的时间T=0.6s，电机转速n=100r/min，电机角速度w=600d/s，所以在ADAMS中电机输入端增设一旋转驱动，旋转的角速度为600d*time。

四、结论

FOCKE 779硬盒包装机通过改进“气缸—曲柄连杆机构”，对改进装置进行虚拟仿真等，缩短了研发成本与周期。改进后，将条烟推送装置安装于其中1台FOCKE 779包装机上。通过查询公司MES系统，改进前平均每台包装设备每个月的“挤烟”次数为33次/月，通过统计发现每次FOCKE 779包装机输出通道“挤烟”时挤伤条烟数量为10条，处理堵塞故障需要12min；改进后每个月的“挤烟”次数为1次/月，挤烟率降低到3%，“挤烟”引起条烟挤伤数量由改进前的7条/次降低到1条/次，且处理堵塞时间由12min/次降低到45s/次。

参考文献：

[1]黄城宝，刘长胜.YB95包装机条烟推送装置的改进[J].机械工程师，2017（5）：134-136.

[2]陈杰，郑友东，李二鹏.FX2-779机组条烟排出机构的建模技术与仿真分析[J].自动化博览，2016（5）：50-53.