ZB45 异型硬盒硬条包装机组的设计

施忠兵，吴建军，陆宇桢

上海烟草机械有限责任公司，上海浦东金桥出口加工区桂桥路750 号 201206

ZB45 硬盒硬条包装机组主要用于生产传统的两包五列式条烟，而近年来出现了一种五包两列式异型条烟，由于传统的ZB45 无法实现异型烟生产，卷烟企业大多采用人工方式包装，生产效率低且包装质量不稳定。针对ZB45 目前已有较多改进和研究，喻树洪等［1］通过改进ZB45 的铝箔纸剔除电磁铁，解决了铝箔纸下纸歪斜现象；包俊［2］通过改进 ZB45 的 CH 补偿烟库，解决了烟包因摩擦导致的磨损问题；何平等［3］通过改进ZB45的下烟通道，提高了烟支下落顺畅度及稳定性。但对其包装形式的改进设计则鲜见报道。为此，以广东中烟工业有限责任公司生产的“邮喜”牌异型烟为对象，通过对ZB45 现有包装工艺路线分析，研制了ZB45 异型硬条硬盒包装机组，以期实现异型烟的自动化生产，满足设备对包装形式多样化需求。

1 问题分析

两包五列（俗称二五平包）堆叠是目前最常见的烟包堆叠方式，每列由上下两包烟组成，平排五列堆叠，见图1a；五包两列堆叠是每列由上下五包烟堆叠而成，烟包左右两列并齐，见图1b。五包两列属于异型堆叠包装方式，一般采用人工进行包装，传统的ZB45 无法实现五包两列堆叠，从而影响该机型的生产适应性。

图1 烟包堆叠方式示意图Fig.1 Schematic diagram of cigarette packets collation

2 设计方法

2.1 烟包堆叠工艺路线

两包五列烟包堆叠工艺路线见图2。在工位I，由推杆1 将单个烟包2 推入到提升位置，经提升器4 将烟包2 提升至弹簧复位挡块上方并堆叠；在工位Ⅱ，二次堆叠后，双联输出推手3 右移将堆叠烟包组输入到分度转塔5 并向左返回，利用弹簧旋转避让装置，在其返回时避让后方烟包；在工位Ⅲ，分度转塔5 将由两个烟包组成的烟包组输送到输出位置；在工位Ⅳ，双联输出推手3 将烟包组从分度转塔5 中输出，实现烟包组排列；当烟包组排列成五列时，两包五列烟包组6 被输送到硬条包装工位，完成硬条包装。

五包两列烟包堆叠工艺路线见图3。在两包五列堆叠工艺的基础上，仅对工位Ⅱ进行了改进，提升五包烟包后由双联输出推手3 向右推送进入分度转塔5，经双联输出推手3 再推出分度转塔5，实现烟包组五包两列排列，并进入硬条包装工位。

2.2 堆叠装置

由图3 可见，烟包堆叠装置主要由提升器4 和双联输出推手3 组成，分别实现烟包提升堆叠和烟包输出动作。

2.2.1 传动比设计

由图 4 可见，主电机 1 先通过带轮2 和3 传动，再经过齿轮 4、5 和 6 传动给提升凸轮 9；齿轮 6 经过齿轮7 传动给齿轮8 及其推手凸轮10。改进前是堆叠两包再输出，改进后是每次提升堆叠五包烟包，再对该烟包组进行输出。因此，提升器与双联输出推手之间的传动比z 要从原有的Z8/Z7=2∶1改进为5∶1，即z=5。

2.2.2 凸轮行程分析

图2 两包五列堆叠工艺路线Fig.2 Collation procedure of two-packet and five-row

图3 五包两列堆叠工艺路线Fig.3 Collation procedure of five-packet and two-row

图4 提升器和输出推手凸轮传动原理图Fig.4 Transmission principle between elevator and discharge pusher cam

改进前烟包尺寸为 88.7（A1）mm×55.7（B1）mm×23.2（C1）mm，改进后烟包尺寸为 89.5（A2）mm×58.5（B2）mm×15.5（C2）mm。原有提升器凸轮行程L=47 mm，烟包厚度C1=23.2 mm，改进后烟包厚度C2=15.5 mm，小于改进前烟包尺寸，故提升凸轮不变。原有双联输出推手凸轮行程S1=138 mm，改进后双联输出推手凸轮行程S＞S1+B2-B1=140.8 mm，因此需重新设计，改进后行程S=142 mm。

2.2.3 堆叠动作设计

由图5 可见，提升器采用的是凸轮直动机构［4］，即凸轮 1 直行驱动提升杆 2 上下运动，β1为凸轮角位移，弹簧5 可以复位挡块4，挡块4 防止烟包跌落。由于烟包堆叠高度改变，护板6 等零件的高度H 需要修改，且不能小于烟包堆叠高度。

由图6 可见，双联输出推手采用的是圆柱凸轮驱动正切机构［5］，即圆柱凸轮 1 驱动摆杆 2 和连杆 3，进而带动滑块 5 及支架 6 左右运动，β2为圆柱凸轮角位移。推手8 与支架6 采用铰接安装，在回程干涉后续烟包时可以逆时针回转，避让烟包9，并在完成避让后通过弹簧7 复位。改进后提升器与双联输出推手之间的传动比为5∶1，因此提升器凸轮旋转1 800°时，双联输出推手凸轮旋转360°，二者的相位关系见图7。

图5 提升器结构示意图Fig.5 Structure of elevator

图6 双联输出推手结构示意图Fig.6 Structure of double discharge pusher

在提升器凸轮与双联输出推手凸轮完成一列五包周期中，提升器相位保持不变，仅改进双联输出推手凸轮相位动作，即可实现两列五包烟包堆叠动作，提升器与推手相位关系见表1。可见，推手在 0°～80°完成推烟，80°～136°返回，136°～360°停止等待；在400°～680°返回时产生干涉，在此采用了弹簧旋转避让设计。由图6 和图8 可见，推手5 的水平行程以摆杆2 铰接点为0 位，向左为负行程，极限值为-71.4 mm，向右为正行程，极限值为70.6 mm，总行程为142 mm。

图7 提升器凸轮与双联输出推手凸轮相位关系Fig.7 Phase relation between elevator cam and discharge pusher cam

表1 提升器与推手的相位关系Tab.1 Phase relation between elevator and pusher

图8 推手的行程图Fig.8 Movement of pusher

2.2.4 双联输出推手凸轮设计

在一个工作循环中，改进后五包堆叠次数是两包堆叠的2.5 倍，且五包堆叠高度为77.5 mm（5×C2），其重心位置相对两包堆叠增加67%，直接影响包装机组烟包堆叠和输送过程的稳定性。因此，改进后ZB45 生产速度由原来的400 包/min 降低为280 包/min，属于中低速生产。为此，基于凸轮从动件行程S=142 mm，采用了运动综合性能较好的 3-4-5 次多项式运动规律［6］。由图 6 和图 9 可见，以圆柱凸轮1 旋转中心与摆杆2 旋转中心水平连线为X 轴，以圆柱凸轮1 旋转中心垂直向上方向为Y 轴，以圆柱凸轮1 旋转中心垂直XOY 面向外为Z 轴建立空间坐标系XYZ。其中，已知摆杆2 长度为l2，圆柱凸轮1 旋转中心到摆杆2 旋转中心X 方向距离为c，摆杆2 旋转中心与销4 中心Y 方向垂直距离为h，摆杆2 与连杆3 固定夹角为δ，滑块5的移动位移为s。

首先结合图9 和3-4-5 次多项式运动规律，建立推手的位移运动方程［7］：

图9 圆柱面凸轮的坐标系Fig.9 Coordinate of cylindrical cam

然后在图9 的坐标系下，建立圆柱凸轮的理论轮廓方程：

由式（1）和式（2）可以计算得到改进后圆柱凸轮的轮廓。通过Creo 软件对其进行曲率分析，结果见图10。可见，改进后圆柱凸轮的曲率保持连续，符合凸轮运动要求，且曲率半径满足凸轮滚子半径r 为10 mm 的空间结构要求。

图10 凸轮曲率分析图Fig.10 Curvature of cylindrical cam

3 应用效果

3.1 仿真试验

建立 Creo 模型进行运动仿真［8］，分析改进后推手运动曲线和凸轮压力角特性，结果见图11 和图12。可见，改进后推手运动曲线与图8 完全匹配，符合堆叠动作设计要求；凸轮最大进程压力角为 45.14 º，符合压力角许用要求［9］。

图11 改进后推手运动曲线Fig.11 Movement curve of pusher after modification

图12 凸轮压力角α分布图Fig.12 Distribution of pressure angle α of cam

3.2 现场测试

材料：“邮喜”牌卷烟（烟支直径 7 mm）（由广东中烟工业有限责任公司提供）。

设备和仪器：ZB45 异型硬盒硬条包装机组（上海烟草机械有限责任公司）；YB17B 型卸盘机（许昌烟草机械有限责任公司）；声级计NL-20（上海市计量测试技术研究院）。

方法：ZB45 异型硬盒硬条包装机组运行速度280 包/min，连续运行3 个班次，每班次工作时间8 h，对机组29 个位置点进行噪声监测并取最大噪声值及平均值［10］；统计实际包装产量及机组有效运行时间；每隔2 h 人工抽取2 条烟，共56 条，根据GB 5606.3—2005［11］标准检查条烟包装质量。

3.3 数据分析

由表2 可见，ZB45 包装机组3 个班次最大运行噪音均低于85 dB，平均噪声为82.1 dB。由表3 可见，3 个班次有效运行率均大于85%，平均有效运行率为89.4%，测试结果均符合Q31/0115000144C012—2019 标准要求［10］。抽检的 56条烟包装质量合格率达到100%。

表2 运行噪声统计Tab.2 Noise level while machine running

表3 有效运行率统计Tab.3 Statistic data of effective running efficiency

4 结论

ZB45 异型硬盒硬条包装机组通过改进烟包堆叠包装工艺、计算传动比参数、重新设计提升器和输送推手装置，实现了异型烟即五包两列式条烟包装，提升了ZB45 的包装生产适应性。以广东中烟工业有限责任公司生产的“邮喜”牌卷烟为对象对ZB45 进行测试，结果表明：机组运行稳定，额定生产能力280 包/min，有效运行效率89.4%，运行噪声82.1 dB，包装质量抽检合格率100%，均符合国家或行业标准要求，能够满足异型烟包装生产需求，有效提高了异型烟包装生产自动化水平。