单工位条盒透明纸六面美容装置的设计

张挺，舒梦，王智军，陈国辉，沈冬晖，王翔

浙江中烟工业有限责任公司，宁波卷烟厂，浙江省宁波市奉化经济开发区葭浦西路2001号 315504

卷烟包装质量是国内各卷烟企业在全面质量控制中的一个关键环节，它是对企业形象、品牌档次的最好诠释[1-3]。透明纸经过烙铁熨烫包裹在条盒表面，起到隔离空气、水分，延长香烟保质期的作用，同时达到美观的目的。对条盒透明纸进行美容是卷烟生产中的最后一道工序，而GD包装机作为国内目前主流包装设备，虽已安装条盒透明纸美容装置，但只有上、下两块烙铁，不能对条盒透明纸六个面进行全方位美容，实际生产过程中容易出现条外透明纸松弛、皱褶等问题[4]。针对上述问题，张振华等[5]设计了随动式条盒透明纸美容装置，利用上、下面滚动加热，减少了透明纸熨烫时间，有效避免因烟条过热而造成损伤。马万杰等[6]改变了烟条相互堆叠的提升方式，设计出“一条一推”式提升美容装置，以控制加热器数量，降低设备故障发生率。吴传绪等[7]在条盒透明纸出口处设计条盒透明纸除皱装置，利用透明纸受热收缩的特性进行除皱，解决了大部分条盒透明纸松皱不平整问题。周奎田等[8]基于热风干燥控制原理设计了非接触式美容装置，通过热量传导使得透明纸在条盒表面完成瞬间收缩，改善香烟条包外观质量。但上述研究均存在机型适用性差、工序繁琐等[9]缺陷，且无法在一个工位上同时对条盒透明纸的六个面进行均匀收缩美容[10-12]。为此，设计了一种新型条盒透明纸美容装置，实现单工位上六个面的美容，达到一次性、无死角的整形目的，并具有条烟自动推出功能，以保证设备安全、稳定运行。

1 问题分析

GD包装机是目前国内的主流包装设备，CV条盒透明纸包装机是该设备的重要组成部分，承担着香烟条盒透明纸的包装工作，其工作流程如图1所示。条盒透明纸包装机将输送过来的条盒同到位的透明纸一起由第一提升器提升至折叠工位，完成条盒透明纸的“∩”型折叠，在推杆和折叠器的共同作用下实现长边及端面短边的折叠，在条烟通道内，烙铁对大面搭口进行热封。在第二提升器向上提升过程中完成端面长边折叠，最终由两端部烙铁对两端面热封完成整个透明纸包裹过程。

图1 CV透明纸包装流程Fig. 1 Packing process of CV transparent paper

原机条盒透明纸整形装置采用丝杆调节上、下两块烙铁的平行位置，并依靠弹簧拉力靠拢烙铁，对条盒上、下面进行美容，而在实际生产过程中，由于烙铁的平行位置调整困难以及弹簧易疲劳的特性，常常造成拉力不稳定、美容面不平整。并且，条盒下表面需要两个工位进行美容，呈现凹凸状，美容效果不佳。同时，条烟输出采用的是推板间歇性推送方式，包装好的条烟被推进条盒透明纸整形装置。烙铁工作温度为100℃，若设备单次停机或故障停机时间超过20秒，停留在美容器中的条烟受热时间过长，易产生透明纸烫破、烟丝水分散失、条盒透明纸表面起水雾等缺陷。即使对整形装置进行局部优化，也无法实现单工位一次性、无死角美容条烟六个面。

2 系统设计

在CV条烟输出通道上设计了一种单工位条盒透明纸六面美容装置，实现条盒透明纸一次性、全方位美容，见图2。CV条烟输出通道处的条烟在后面条烟的推动下滑入底部烙铁板内，同时，气缸下压活动板使上活动烙铁板到达设定行程，推动侧面活动烙铁板贴近条烟端面，此时条烟置于烙铁板形成的美容器内，完成条盒透明纸单工位六面美容；最后，气缸回升，各烙铁归位，条烟被推出美容工位。

图2 条盒透明纸六面美容装置Fig. 2 Six-side beautifying device of cigarette carton transparent paper

2.1 结构组成

条盒透明纸六面美容装置主要由美容器和驱动装置组成，如图3所示。其中，美容器主要是由底部烙铁板2、侧面活动烙铁板3、侧面固定烙铁板4和上活动烙铁板6等组成的一个条烟容纳腔。底部烙铁板2固定在输出底板5上的托块1上方；侧面固定烙铁板3安装在托块1的左侧，与底部烙铁板2倾斜设置；上活动烙铁板6和侧面活动烙铁板3固定在驱动装置上，上活动烙铁板6的下压时，从动连杆带动侧面活动烙铁板3的向右运动，在4块烙铁的共同作用下完成条盒透明纸的六面美容。

图3 美容装置结构示意图Fig. 3 Internal structure diagram of beautifying device

驱动装置主要包括活动板8、肘杆机构9和气缸10等部件。其中活动板8穿设在立柱7上，沿立柱7上下运动；气缸10固定在装置顶部，通过肘杆机构9与活动板8连接，采用双气缸设置控制上活动烙铁板6更稳定、有效的工作；同时，气缸10上设有调节螺母11，保证上下烙铁板与条盒烟包之间的间隙，从而避免因间隙过小擦伤条盒透明纸或者过大导致整形效果不佳。

2.2 肘杆机构的设计

图4为条盒透明纸美容装置的肘杆机构。美容装置主要通过气缸驱动肘杆机构来实现上活动烙铁板启闭和锁紧。该机构可以将气缸的推力放大以获得较大的锁紧力，并且，在美容装置的开合工作中，可实现“慢-快-慢”的运动特性，节约能耗的同时提高了工作效率。

图4 肘杆机构示意图Fig. 4 Elbow bar mechanism diagram

2.2.1 机构自由度

由图4可知，该肘杆机构可以看成由两组对称的单曲肘连杆机构组成。双曲肘机构的对称性克服了单曲肘机构的受力不均的缺点，同时可提高系统刚度[13]。计算自由度时，可根据一组单曲肘机构进行计算，由图5的运动简图可知，机构中没有虚约束和局部自由度，也无高副。即n=5，PL=7，PH=0。则

图5 双曲肘连杆机构运动简图Fig. 5 Kinematic sketch of double-toggle mechanism

式中：F为自由度；n为构件个数；PL为低副个数；PH为低副个数。

2.2.2 运动特性分析

图5以A为原点，建立XAY坐标系。其中，上活动烙铁板行程可以用B点的位移量来表示，即

式中：Sm为上活动烙铁板行程，mm；L1、L2分别为大曲肘和大连杆的长度，mm；L1/L2为杆长比；为曲肘角， 为最大转角； max为斜排角，即L1与L2共线时与X轴的夹角；

气缸行程可以用C点的位移量来表示，即

式中：S0为气缸行程，mm；L4、L5分别为小曲肘和小连杆的长度，mm； 为楔角，即L1与L5的夹角；E为偏心距离，mm；

则曲肘机构的行程比R为

根据式(2)-(4)、CV条烟输出通道的空间大小以及GD包装机组40条/min的生产速度，先后确定相关参数Sm=95 mm，S0=30 mm；以及杆长L1=100 mm、L2=49 mm，L4=16 mm，L5=33 mm。其中，行程比约为3，较大的行程比可以提高美容装置的开合速率，采用Solidworks软件的仿真功能，对该曲肘连杆机构的运动性能进行验证，结果表明该装置可以满足GDX1/X2等包装机组的实际生产要求。

2.3 出烟装置的设计

美容装置设计安装了翻转机构，来实现条烟美容后的自动翻转功能，如图6所示。底部烙铁板5设有摆杆6，摆杆6转动可带动底部烙铁板5的转动，并配合外部吹气系统通过气嘴4吹动条烟翻转卸料。该翻转机构由连气缸控制，通过肘杆机构的升降，带动摆杆6及固定在摆杆上的底部烙铁板5翻转一定角度，使条烟实现整体180°的翻转功能，同时无需再另外安装反转机构，有效避免了条烟在各烙铁间停留时间过长而造成的透明纸熔化、粘连，条包变形等质量缺陷。

图6 出烟装置示意图Fig. 6 Schematic diagram of separating mechanism

2.4 控制系统

控制系统主要由信号采集模块和主控制模块两部分组成[14]，三菱PLC作为核心控制器，在接收到信号采集模块的信号后，立刻根据条盒透明纸的美容流程执行相应程序，并控制气缸协同工作，完成上活动烙铁板的下压、回升，条盒透明纸的美容，条烟分离等一系列动作，如图7所示。

图7 主控制程序流程图Fig. 7 The flow chart of master control program

整个系统上电后消除故障复位启动，在烙铁推杆到位信号（X1=1）触发，且条烟下落至设定位置（X3=1）后，PLC控制系统驱动输出模块接通电磁阀驱动气缸下压，同时各烙铁到位，X0、X5分别为气缸和烙铁的位置检测。条烟美容的时间为0.9 s，然后气缸回升，同时各烙铁复位，美容器内部的条烟在后一条烟的推动下，自动翻转进入下游机输送通道，美容过程结束。如果烙铁在下压过程中产生卡烟（下压动作执行一定时间后仍然X5= 0），则控制系统在触摸屏上显示“卡烟”的报警信息，并停止上游包装机设备，同时对于轧坏的条烟，美容器装置自动启动剔除程序，对锁定的条烟执行剔除程序。

控制系统除了采集上游包装机速度信号、启动、复位等基本信号外，主要设计应用了下游机的剔除功能。其基本原理如图8所示，当识别到需要剔除的条烟后，控制系统输出模块通过电磁阀驱动气嘴把遗留在美容器内部的条烟利用压缩空气吹到输送通道上，同时锁定该条烟，当下游条盒检测信号检测到该条烟时，输出模块驱动电磁阀使得气缸执行剔除动作，把锁定的条烟剔除，完成从吹气排烟到剔除的整个流程，确保所有缺陷的条烟不会流入下道工序。

图8 剔除装置工作原理示意图Fig. 8 Schematic diagram of working principle of rejecting device

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“利群(软红长嘴)”、“利群(新版)”牌卷烟（由浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂提供）。

设备：GDX1/X2包装机组（上海烟草机械有限责任公司）。

方法：根据卷烟企业对标指标计算公式及设备信息管理系统数据统计，在GDX1/X2包装机组中安装调试完单工位条盒透明纸六面美容装置后，设备按40条/min生产速度运行，其中条烟单条美容时间为0.9 s，烙铁温度设为85℃～90℃，统计改进前后各3个月的设备运行状况，同时，根据GB5606.3—2005《卷烟包装、卷制技术要求及贮运》系列国家标准[15]对条盒外观质量进行检测。

3.2 数据分析

由表1可见，条烟外观质量主要存在C、D两种缺陷等级，其中C类缺陷居多；改进后设备运行更加平稳，有效减少了条盒透明纸破损、褶皱等质量缺陷，特别是C类缺陷样品数量大幅下降，条烟外观缺陷率由改进前的1.71%降低至0.90%。改进前后利群（新版）条盒透明纸整形效果对比如图9所示。

表1 改进前后测试卷烟条盒透明纸整形质量缺陷对比Tab. 1 Comparison of quality defects of cigarette carton transparent paper before and after improvement

图9 利群（新版）条盒透明纸整形效果对比图Fig. 9 Comparison of beautifying effect of cigarette (Liqun) carton transparent paper before and after improvement

4 结论

基于肘杆机构的运动特征，设计了一种新型条盒透明纸美容装置，通过PLC控制实现单工位上六个面的美容，达到一次性、无死角的整形目的，解决了条盒透明纸包裹松弛，整形破损、堵塞等问题。以宁波卷烟厂生产的“利群（软红长嘴）”、“利群（新版）”牌卷烟为对象进行测试，结果表明：该美容装置可以准确实现条盒透明纸单工位的六面美容，包装机组运行更加平稳，条烟外观缺陷率由1.71%降低至0.90%，有效提高了产品外观质量，降低了操作人员的劳动强度和设备故障发生率。该技术可在ZB25、ZB45以及ZB25S、ZB45M等新特异包装设备上推广应用。