新型成型机无胶带拼接装置设计与应用

冯银龙 张永江 王巧娟 鲁平

摘 要：在烟草行业中，传统的盘纸拼接方式是使用双面胶带的有胶拼接，这不仅费时费力且增加了双面胶带耗材的使用。结合实际生产需求，对L22成型机上的有胶拼接装置进行了无胶带拼接改造，通过采用光辊、齿辊互相辊压的方式，辅以相应程序控制，从而实现成型机无胶带拼接装置的长期、高效、稳定运行，以提高生产效率，降低辅料消耗，减轻工人劳动强度。

关键词：拼接装置;无胶带拼接;伺服控制;自动拼接

中图分类号：TQ436+.1;U445.4

文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）03-0120-04

Design and application of tape-free splicing device

for new molding machine

FENG Yinlong，ZHANG Yongjiang，WANG Qiaojuan，LU Ping

（China Tobacco Henan Industrial Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：

In the tobacco industry， the traditional reel splicing method is glue splicing using double-sided tape， which is time-consuming and labor-intensive and increases the use of double-sided tape consumables. Now combined with the actual production requirements， the glue-free splicing device on the L22 molding machine is modified without tape splicing. By using smooth rollers and toothed rollers to roll against each other， supplemented by corresponding program control， the long-term， efficient and stable operation of the tape-free splicing device of the molding machine is realized to improve production efficiency， reduce auxiliary material consumption， and reduce labor intensity of workers.

Key words：

splicing device;splicing without tape;servo control;automatic splicing

紙带包装是目前被广泛采用的一种包装（生产）方式，在烟草、糖果食品等领域被广泛使用[1]。包装纸带在被使用之前，大多以纸带卷的形式存在。当一卷纸带使用完毕后，需要与另一卷纸带连接，以实现连续生产[2]。目前，烟草行业所用纸带连接装置需要使用双面胶、固态或液态粘接胶。成型机在生产中普遍使用人工粘贴双面胶带后续进行自动搭接[3]。

2015年，国外烟草公司开始研究卷烟纸（以下简称成形纸）无胶带拼接机构[4]，我国从国外新引进的某些设备在卷烟纸拼接方式上，已经摒弃传统用胶带拼接。这套新型机构应用于高速机型的拼接机构，自动化程度高，可减少胶带拼接工艺的人工操作[5]。但体积过于庞大，过程控制相对复杂，不适用于中低速机型的改造[6]。国内烟草加工企业中，绝大多数厂家仍沿用传统双面胶带拼接方式[7]。

在当前烟草行业飞速发展和竞争日益激烈的市场环境下，洛阳卷烟厂提出了针对中低速成型机的无胶带拼接装置的研发工作。

1 无胶带拼接装置原理及结构

1.1 无胶带拼接的原理及可行性探讨

无胶带即放弃传统双面胶带的使用，根据新的拼接原理来实现无胶带拼接功能。根据卷烟纸的韧性较好以及材质同时兼具一定的脆性的特点[8]，由此做以下尝试。

将两段卷烟纸重合在一起，用大头针在纸上扎透出密密麻麻许多细小的孔洞，每一个孔洞均穿透两张纸，纸张会在孔洞处发生形变。当沿纸张平面方向进行反向拉伸时，因为该形变两纸间会产生拉力，孔越多，拼接段能承受的拉力就越大。以此试验原理为基础，研究无胶拼接的可行性，结合实际生产需求，提出无胶带拼接装置的结构设计思路。

1.2 无胶带拼接装置的结构

无胶带拼接装置主要由拼接底板、张紧辊、集纸槽、加速辊、加速电机、导纸轴（2套）、连杆、刀片组件、拼接机构、拼接电机、过渡辊（3套）等组成，无胶带拼接装置结构如图1所示。其中，张紧辊和加速辊互相配合，夹紧待续纸的纸头;加速电机驱动加速辊，使待续纸达到要求的速度;拼接电机具有高动态响应性，是拼接机构的动力来源。

2 无胶带拼接装置工作方式

2.1 无胶带拼接装置工作简介

正常工作时，工作盘纸依次穿过导纸轴2、拼接机构、过渡辊2、过渡辊3后进入下一工作阶段。待续盘纸装到纸盘架上后，将待续纸纸头依次穿过导纸轴1、拼接机构、过渡辊1，然后引导穿过张紧辊和加速辊中间并将盘纸压紧，将纸头置于集纸槽内。工作纸盘快要耗尽时，传感器发出信号，加速辊开始加速，最终速度要稍高于工作纸的速度。接着，拼接辊开始动作，带动刀片组件共同完成拼接、掐头、去尾3个动作。拼接功能完成，待续纸加速过程中剔除掉的盘纸收集于集纸槽内。无胶带拼接装置工作示意图如图2所示。

2.2 无胶带拼接结构详解

2.2.1 无胶带拼接机构结构

表面光滑的光辊和支轴组成的光辊组件，表面滚花处理的齿辊和支轴组成的滚花辊组件，这两根轴系背后各有一参数完全相同的齿轮互相啮合，通过联轴器被拼接电机驱动，实现两辊子同步反向转动。拼接时，光辊、齿辊挤压工作纸和待续纸，扎出密集的小孔，以在两纸间产生拉力，实现两段纸的无胶带拼接功能。拼接机构结构如图3所示。

2.2.2 动作要求

拼接机构两辊子的运动的位置和速度关系如图4所示。首先，需要明确的是不能出现二次拼接，在一个拼接动作里，辊子只能挤压接触1次;其次，速度要达400 r/min，拼接辊的直径是50 mm，计算得到拼接时的转速至少达到2 547 r/min。

图4（a）是不拼接的时候两辊子待机的位置，拼接动作时两辊子从此位置开始同步反向加速;加速到图4（b）所示位置，加速行程为200°，此位置也即两辊子开始接触，即拼接开始的位置，此时速度要求达到至少2 547 r/min;保持至少2 547 r/min的速度运转到图4（c）所示位置，拼接总行程为120°，即两辊子分开，即纸带拼接结束的位置;拼接完成后辊子开始减速，到图4（d）所示位置时辊子完全停下来，减速行程最多为200°。随后两辊子各自反向转动，回到图4（a）所示待机的位置，等待下次拼接信号。

3 无胶带拼接装置

无胶带拼接机构是无胶带拼接装置的核心部件，要实现3个功能：实现成形纸的同步接续（简称 “拼接”）、待续纸接续后剔除前段余料（简称“掐头”）、工作纸接续后剔除后段余料（简称“去尾”）。

3.1 “拼接”的实现方式

通过试验发现：要实现成形纸的拼接并满足一定张力，其关键点就在于两辊子之间的间隙。拼接辊和支轴的尺寸经过特殊设计，按要求装配好之后两辊子之间有一定的间隙（实际生产中放量在0.1～0.2 mm）;经过测量，成形纸的单层厚度约为0.04 mm;在辊子之间添加标准厚度垫片，通过改变两辊子之间间隙的方式来实现辊子间不同的压力，具体如图5所示。

实际生产中经过调整测试，两辊子达到一个比较理想的状态。拼接持续段的拉力经过测试，纵向抗张能量为7 J/m2，满足目标要求，即大于5 J/m2。

3.2 “掐头”的实现方式

“掐头”动作需要张紧装置、加速装置以及拼接装置的共同配合，将待续纸穿过加速辊和张紧辊并压紧，如图 2所示。当工作纸即将消耗完，传感器发出信号，待续纸开始加速，并且速度要稍微高于两辊子压合时的速度。当两辊子在纸带上扎出第一条细密孔带（同时也是纸带上的应力集中点）时，由于纸带高速运动的同时其本身的张力也比较大，就会在第一时间于细密孔带处断裂。这样，可以实现“掐头”功能。

在项目试验的初期，让工作纸、待续纸以及两辊子压合时的速度在拼接时保持相对静止，即三者速度一致;试验结果是虽然“拼接”成功，但却没有完成“掐头”。这也从反面证明了待续纸速度要高于两辊子压合时速度的必要性。这个待续纸相对于拼接辊的速度差，需要反复试验确定。速度差太大的话，会让纸盘附近的纸带抖动太大;速度差太小的话，纸头拉不断。

3.3 “去尾”的实现方式

“去尾”动作是依靠刀片组件的甩动实现的。刀片組件的支撑轴安装在齿辊轴系上，但与齿辊是偏心的。拼接动作时，电机急速转动，刀片由于偏心轮的带动会向上方抬起，碰到纸带;同时，高速运动的纸带本身张力比较大，在尖锐刀片的触碰下，会瞬间被切断。但如果不设限制的话，刀片抬的过高会把待续纸也切断。由图1可以看出，拼接机构的刀片组件被导纸轴2上的连杆限制着，确保刀片运动最高点也不会碰到待续纸。而且，这套机构经过设计，保证两辊子啮合过程走到一半时，刀片才会升到最高点。另外，两拼接辊在压合时的速度要稍微高于工作纸速度。原理同“掐头”一样。

3.4 对伺服电机的调教优化

从前面“动作要求”里了解到电机的加减速动作非常剧烈：200°的行程就要从静止加速至少到2 547 r/min，接着匀速转过120°，最后在不超过200°的行程里要减速为0。所以，对于电机和控制系统的选择以及调教是非常严格的。

设置以下定义：将待续纸速度称为v1，将两辊子压合时的速度称为v2，将工作纸的速度称为v3。从“掐头”、“去尾”的实现方式，可以得出以下结论：v1>v2>v3。v1由加速辊提供加速，虽然速度最高，但因为没有行程的限制，电机的选择和控制是比较简单的;难点在于v2，要在200°的行程内线速度超过400 m/min，对电机的动作要求是非常高的。项目初期通过行程对电机进行调教，电机的总行程严格的控制在1周，但此时的结果并不理想。后来对电机改用电子凸轮的调教方式：手动画出电机所走的位置与速度的曲线，并对曲线反复试验优化，最终得到如图6所示的位置-速度曲线关系。

同时，使用Solidworks软件对负载的各个零件进行单独的转动惯量的分析计算，在保证强度的前提下尽可能的减轻负载惯量。通过反复优化，最终得到两套轴系的转动惯量：光辊轴系9 000 kg·m2，齿辊轴系12 100 kg·m2。转换到电机轴上，负载总惯量为21 100 kg·m2。

考虑到安装空间的问题，选择的电机主要参数为：额定扭矩1.9 N·m，额定转速6 000 r/min，转动惯量7 500 kg·m2。计算出的惯量为22 500 kg·m2，大于负载总惯量21 100 kg·m2，符合一般伺服电机选型原则。

4 结语

该无胶带机构的研制成果在成型机上已经长期使用，验证了整个装置的可靠性，并实现了以下技术目标：400 m/min成形纸自动拼接;成形纸拼接成功率大于98%;单次拼接成形纸损耗控制在10 m以内;拼接段纵向抗张能量吸收大于5 J/m2;接头剔除率99%。

此无胶带拼接机构布局合理、安装方便，主要用于替代中低速机型的的胶带拼接机构。基于上述结果，后续的研究将继续探索无胶带拼接的效果及在各类型卷烟机的应用改进，在ZL22成型机上测试技术成熟后，会逐渐推广应用在ZL26、ZL29、ZJ17等机型上，以便能在更大范围内实现提高生产效率，降低辅料消耗，减轻工人劳动强度的前景目标。

【参考文献】

[1]  申伟鹏.纤维滤棒成形机盘纸拼接装置的改进[J].设备管理与维修，2017（16）：93-94.

[2] 王永才.卷烟纸无胶带拼接在卷烟机组上的应用[J].设备管理与维修[J]，2018（24）：104-106

[3] 王彬.盘纸自动更换机BOB-ME压接过程及影响因素分析[J].科技视界，2016（23）：77-158.

[4] 成大先.机械设计手册（第六版）[M].北京：化学工业出版社，2016.

[5] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2016.

[6] 王彬.盘纸自动更换机BOB-ME压接过程及影响因素分析[J].科技视界，2016（23）：77-158.

[7] 张鼎，楚良，麻玉.交流伺服控制系统在ZJ17卷烟机无胶带拼接中的应用[J].山东工业技术，2018（18）：36.

[8] 李欢，王建民，王豪礼，代存迪.卷烟纸参数对卷烟持灰能力的影响[J].食品与机械，2021，37（6）：207-212.