新型纸箱开包机折叠装置的研制

2022-04-28韦小荣钟志民

大科技 2022年15期

甘华，韦小荣，钟志民

（广西中烟工业有限责任公司南宁卷烟厂，广西南宁 530001）

0 引言

近几年企业对主机设备的有效作业率有更高的要求，以及卷烟厂对生产线自动化程度的提高，减少人员操作，降低劳动强度，实现设备“无人操作”，卷烟厂制丝车间开包岗位急需解决的问题是怎样提高设备执行的成功率。制丝车间纸箱开包机折叠装置由于设计缺陷，烟箱折叠的成功率仅为45%，折叠不成功时，需人为停机，并进行人工折叠，过程耗时较长，严重影响了生产效率及设备的“净有效作业率”，并且需配备专人进行人工折叠，增加了生产成本。此外纸箱折叠区域内空间狭小，机器交错，有机械手、翻箱机误动作伤人的安全风险，人员频繁进入该区域有极大地安全隐患。通过对纸箱开包机折叠装置工作原理的研究分析，制作了新结构和新材料的折叠装置，最终实现纸箱的一次性打开。此文为一个新型纸箱开包机折叠装置阐述，实现了纸箱开包机折叠成功率的大幅提升[1]。

1 纸箱开包机概况

1.1 纸箱开包机结构

纸箱开包机主要由X 轴组件、Y 轴组件、Z 轴组件、脱箱夹具、安全门以及电控部分等组成。

X 轴组件是整个设备的基础，多种运动单元均安装于X 轴组件上。X 轴组件主要由X 轴运动器件和各机架构件等装配组成。由伺服电机带动同步带导轨运转，可将安装于X 轴组件上的运动单元移送至设定的工位。在轴组件的左、右框梁及前框梁上设有工作检修平台。

Z 轴组件安装于Y 轴的运动器件上，主要由安装座、端板、Z 轴拖链和同步带导轨和位置检测器件等组成。由伺服电机带动同步带导轨运转，可控制联接于Z轴组件上脱箱夹具的升降运行，将脱箱夹具移送至夹取、放置内外纸箱及扎取纸垫（板）的操作工位。

脱箱夹具主要完成夹取、放置内外纸箱及扎取纸垫（板）的功能，是整个纸箱开包机的执行机构主要由安装板、扎取机构、左右夹臂、夹紧装置、吸盘组件和气动系统等组成。安装板是脱箱夹具的安装基础，扎取机构直接安装于安装板上，左右夹臂通过直线导轨副、气缸与安装板联接；夹紧装置、吸盘组件安装在左右夹臂上。气动系统也安装在安装板上，控制气缸的动作及使吸盘内产生一定的真空度。左右夹臂在气缸的作用下能在一定范围内移动并固定位置；扎取机构在气缸的作用下可上下移动；夹紧装置在气缸的带动下能推进推出[2]。

1.2 纸箱开包机工作原理

当来料烟包抵达脱外箱工位带式输送机的设定位置时停住，纸箱开包机的各轴从外箱待机点启动，脱箱夹具运动到脱箱工位，左右夹臂定位气缸动作分别拉动左右夹臂靠近烟包，光电开关给出信号，夹臂定位气缸停住并锁紧，同时真空发生器工作，吸盘抽空使得烟包外箱与内箱形成一定间隙，夹紧装置气缸动作夹紧烟箱，然后Z 轴向上运动，脱箱夹具将外纸箱夹住抱起到高位，随各轴运行到纸箱折叠码垛机的纸箱折叠装置正上方[3]。Z 轴向下运动，脱箱夹具下降，放下空纸箱后回升至高位。由纸箱折叠码垛机完成对空纸箱的折叠和码垛。脱箱夹具随各轴运行回到烟箱正上方，Z 轴向下运动，脱箱夹具下降到位，脱箱夹具上的扎取机构伸出将覆盖在片烟上的纸垫或纸板扎取后，脱箱夹具随各轴运动至纸垫或纸板的回收位置，将扎取的纸垫或纸板放下。此后，各轴启动，脱箱夹具运行至夹取内纸箱的待机点。同时被取掉外纸箱及上纸垫的烟箱由带式输送机输送至翻箱机，翻箱机启动将烟箱翻转180°后输岀到另台带式输送机上，当烟包抵达脱内箱工位时并停住，纸箱开包机的各轴从内箱待机点启动，重复上述夹取外纸箱及上纸垫动作，将内纸箱和下纸垫取出，完成将纸箱与烟坯自动分离的功能。脱箱夹具回到外箱待机点，等待处理下一个烟箱，纸箱开包机工作原理如图1 所示。

图1 纸箱开包机工作原理

纸箱开包机将包装标准的烟包实现纸箱和薄膜与片烟的分离后，通过升降输送机的升降运动，把片烟输送到指定的工位。将内外箱折叠码垛后捆扎起来，通过输送通道将捆扎好的纸箱垛输送到纸箱回收处。

1.3 纸箱开包机折叠装置工作原理。

折叠装置主要工作原理是通过烟箱从高处落下，与折叠装置主机架相互接触，将烟箱的重力势能转化为机架打开烟箱两个长箱盖的动能，接着两侧副机架将两个短箱盖打开，最终将烟箱打开折叠到位[4]。

1.4 纸箱开包机折叠装置存在问题

因为原折叠装置的机架设计原因，需要与烟箱箱盖有较大动能的平衡撞击才可以完全将烟箱打开并折叠，但是由于现有的烟箱下落高度不足，且机械手放开烟箱让其下落时，六个吸盘放开的时间因为烟箱表面平整度的原因有轻微的不同步，因此无法提供足够的撞击动能以及平衡的撞击条件，最终导致原烟箱折叠装置成功率不高[5]。

2 新型纸箱开包机折叠装置设计

2.1 结构设计

针对原开包机折叠装置存在的弊端，结合折叠烟箱的基本原理，经过研制小组讨论和分析论证，决定研制新型纸箱开包机折叠装置，具体设计分析如下。

（1）根据原折叠装置的设计缺陷（无法提供足够的撞击动能），研制小组将新型折叠装置的主机架第一接触点由原来接近箱盖边缘设计为箱盖的黄金分割点（根据黄金分割原理以及杠杆力学定律黄金分割点撞击能最大程度将重力势能转化为箱盖翻起的动能）。

（2）根据原折叠装置的设计缺陷（无法提供平衡的撞击条件），研制小组将主机架与副机架的机架高度差由原来的10cm 提升至25cm，同时将副机架结构由原来的斜角点撞击改为平衡均匀撞击，让长箱盖充分打开后，再打开短箱盖，高度差提升后，打开短箱盖的重力势能较原来更大，均匀撞击后，短箱盖翻起方向竖直，不与长箱盖产生额外的摩擦力，从而解决不平衡撞击后长短箱盖相互影响打开的问题，如图2 所示。

由于永川区耕地后备资源缺乏, 建设用地扩展与耕地保护矛盾突出, 永川区农村居民点复垦应以增加耕地面积为主要目标。因此，根据前述方法和相关资料，计算出当前(2010年)永川区的土地资源承载力指数，同时结合相关学者的研究[19-21]以及永川区实际生态环境脆弱性情况，重新进行土地资源承载力等级划分(如表3所示)；其次采用1/3法，将其规划期间(2010-2020年)的复垦潜力系数划分为高、中、低3个标准区间；最后，借助ArcGIS9.3工作平台的叠加分析功能, 将永川区分为4类复垦区，分别命名为优先复垦区、重点复垦区、一般复垦区和适度复垦区(如表4和图1所示)。

图2 结构设计

2.2 主要制作材料的选择

2.2.1 折叠装置主体结构材料的选择

研制小组根据原折叠装置的材质，以及烟箱下落正常工作时产生的重力势能大小，所选材料的屈服强度要求大于300MPa，以保证新型烟箱折叠装置经久耐用，同时也要保证每个机架重量不能超过10kg，否者折叠装置在折叠过程中很容易损坏机座的旋转轴承，为了保证满足强度要求，以及防止部件损伤，因此研制小组选择直径20mm 的碳钢空心管作为折叠装置机架主体结构的制作材料[6]。

2.2.2 折叠装置机架座材质的选择

研制小组分析机架座所需承受烟箱左右转动折平所带来的冲击力较大，需要屈服强度大于350MPa 的材料，同时根据易加工、成本低的要求，研制小组选择了铸铁作为机架座的材料。新型纸箱开包机折叠装置如图3 所示。

图3 新型纸箱开包机折叠装置

3 研制验证

3.1 单机验证

为了初次检验新型纸箱开包机折叠装置是否满足设计要求，采用单机验证的方式进行。研制小组模拟脱箱夹具夹取纸箱到新型纸箱开包机折叠装置正上方，打开夹臂，使纸箱自由下落，下落结束后，观察纸箱的两个长箱盖和短箱盖能否顺利打开，并且折叠动作是否流畅，未出现卡塞现象。

单机验证步骤：从外箱待机点启动，脱箱夹具运动到脱箱工位，脱箱夹具下降后左右夹臂加紧纸箱，脱箱夹具将外箱夹住抱起到高位，运动到新型纸箱开包机折叠装置上方，打开左右夹臂，纸箱下落。接下来脱箱夹具运动到内箱待机点，当内箱有任务信号后，脱箱夹具运动到脱箱工位，脱箱夹具下降后左右夹臂加紧纸箱，脱箱夹具将外箱夹住抱起到高位，运动到新型纸箱开包机折叠装置上方，打开左右夹臂，纸箱下落。单机验证步骤完成[7]。

3.2 联动验证

为了验证新型纸箱开包机折叠装置在生产过程中能否提升纸箱折叠的成功率，因此研制小组采用批次联动生产验证的方式，生产线按正常工艺流程启动，根据联动信号正常启动纸箱开包机，并将实时记录纸箱开包的成功次数，分析统计新型纸箱开包机折叠装置的折叠成功率。最终统计结果为烟箱折叠的成功率是99%，能有效保证生产的正常进行，而且省去了人工辅助折叠烟箱的工序，减少人工成本，提高了设备运行效率，且解决了人员进入生产中的开包折叠区域带来的安全隐患，目前已在开包机A、B 两条生产线正常使用，得到了生产操作人员的认可。