ZB48 高速包装机色标内框纸定位切割及输送研究

杨晓明，赵利明，马 娜*，杨卫东

（红塔烟草（集团）有限责任公司大理卷烟厂,云南 大理 671000）

在卷烟包装工艺中，框架纸对硬包成型起到骨架承托作用，同时框架纸对烟盒的翻盖还有一定的阻尼作用，可防止烟盒子啊包装过程火种消费者打开香艳滞后翻盖会自行打开[1]。随着卷烟品牌在包装设计上的更新迭代以及工艺标准的更新，色标小U 口内框纸在硬盒烟包的包装中大量使用，但因内框纸色彩图案的增加和规格的变化，在ZB48 高速包装机上使用时易出现图案偏移、图案不一致、无法完成推进折叠动作而飞纸、堵塞通道等问题。针对此类问题，丁樯等利用检测到色标时的相位与设定相位差进行位置偏差补偿计算[1]解决GD.X2 机型的框架纸的色标定位切割问题，刘一扬等提出利用脉冲时序比较进行定位补偿的方法实现色标的自动定位[2]，目前国内尚无针对ZB48包装机的色标定位切割装置。为此，以ZB48 高速卷接机为研究对象，采用伺服独立驱动技术对框架纸输送系统进行改进，以期实现色标内框纸的精准定位切割。

1 问题分析

B48 型超高速硬盒包装机组是引进德国FOCKCE公司FOCKE700S 硬盒包装技术的国产化设备，额定生产能力为800 包/min[3]，其内框纸输入、切割单元主要是利用机械齿轮传动，通过齿轮模数比的调整达到内框纸输送与设备运转同步的效果，ZB48 高速包装机的内框纸输入、切割单元见图1，内框纸由两个牵引辊（1,2）输送到切割刀辊（3）由切割刀辊将内框纸切割成型。成型后的内框纸由输送辊（4, 5）送到折痕辊（6, 7），经过折痕辊的内框纸折边都会被翻折。同时，折痕辊还会对内框纸产生加速效果。

原装的牵引辊（1,2）动力是由机械齿轮传动提供，输送速度只能根据设备运行速度进行变化，不能根据实际情况进行微小调整且无调整反馈，无法实现定位切割，不能满足色标内框纸定位输送定位切割的要求。

同时原来的牵引辊是平均面的全面压紧，牵引辊Ⅰ将内框纸压紧于牵引辊Ⅱ子上，通过驱动力和摩擦力输送内框纸，但由于受力面积大，驱动力和摩擦力之间的不平衡，导致内框纸在输送过程中，存在输送不到位，输送过程中易偏斜等问题，很大程度上降低了内框纸的输入稳定性。

2 改进方法

2.1 定位切割系统设计

针对色标卡纸定位切割对内框纸位置精准输送的要求，对内框纸切割输送机构进行改进设计，见图2，采用伺服电机控制取代原机械传动的同步控制；采用伺服电机对牵引辊Ⅰ、牵引辊Ⅱ进行驱动；采用伦茨LENZE 作为控制平台[4-5]，利用色标传感器检测色标位置并与轴编码进行比对，计算出位置偏差，并根据设备速度经伺服控制器控制伺服电机的速度。

2.2 硬件配置

硬件方面整体更换了内框纸切割输送机构，见图3，与原内框纸输送切割机构相比，增加了伺服电机、位置编码器、色标传感器及放大器。伺服电机通过齿轮分别对两个牵引辊进行驱动，以控制牵引辊的牵引速度，在；位置编码器安装在切刀辊上，通过对切刀辊角度的检测来确定切刀位置；色标传感器及放大器安装在切刀辊与牵引辊之间内框纸水平输送段，通过对内框纸上印刷色标的检测来对内框纸位置进行定位。

2.3 牵引辊结构优化

针对牵引辊输送驱动力和摩擦力不平衡的问题，通过改变受力面积，改变驱动方式的方式进行设计改进，见图4，将牵引辊改为偏心辊，考虑受力平衡和辅料质量，辊子改为两侧对称偏心，同时牵引辊Ⅰ和牵引辊Ⅱ由两齿轮单独驱动。

2.4 控制原理及算法

为了实现对色标内框纸位置的精准切割，通过对内框纸的切割位置和色标位置进行关联计算，见图5。其中θ 为切刀Ⅰ与水平线夹角（°），r 为切割点到切割辊圆心的半径（mm），L1为切割位置与色标传感器检测位置的距离；l1为色标内框纸宽度（mm）；l2为色标到内框纸右切割边沿的距离（mm）；ω 为切刀辊转动的角速度（rad/s）；v 为内框纸输送的线速度（mm/s）。

根据生产要求，当切刀转动到切割位置时，色标内框纸的切割边沿应处于切割位置，色标应处于色标传感器检测范围内，结合图5 可得θ、r、L1、l1、l2、ω、v 之间具有以下关系式

所以，根据色标传感器检测的信号和轴编码器检测的切刀辊角度的对比，再加上轴编码器检测到的切刀辊转动的角速度，即可求出实时调整的线速度，完成对内框纸输送的实时控制。

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“红塔山（新时代）”牌卷烟、色标内框纸、“红塔山（新时代）”商标纸等均由红塔烟草（集团）有限责任公司大理卷烟厂提供。设备：ZB48 包装机组（上海烟草机械有限责任公司）。方法：将内框纸色标定位切割系统以及新型内框纸折叠推进器应用于ZB48 包装机组，设定单次调整上限为2mm（rad），①设备生产速度从400 包/分钟运行到800 包/分钟，用游标卡尺测量统计不同运行速度下100 张框架纸的切割偏斜量，计算切割标偏；②根据各质量检测工作的检测结果，统计改进后4 个月的内框纸导致包装质量缺陷次数。

3.2 数据分析

3.2.1 不同运行速度下100 张框架纸切割效果展示

从表1、表2 中可以看出，在400 包/分钟到800包/分钟的设备运行速度下，内框纸切割偏差量都小于1 mm，切割出的色标内框纸符合质量要求，同时当运行速度为600 包/分钟时，平均切割偏差量最小为0.2 488 mm。

表1 不同运行速度下100 张框架纸切割偏差量分布(单位：张)

表2 不同运行速度下100 张框架纸平均切割偏差量

3.2.2 内框纸包装质量检测结果

根据表3 可知，在色标内框纸定位切割机构正式运行的四个月的33 880 包样本中，ZB48 生产的红塔山（新时代）烟包没有出现过内框纸图案位移导致的质量缺陷，说明本定位切割机构满足卷烟包装生产中对内框纸定位切割的需求。

表3 红塔山（新时代）烟包内框纸外观质量统计表

4 结论

利用伺服驱动技术设计的色标内框纸定位切割机构，实现了对色标内框纸的定位切割，能够保证证每一张切出的内框纸具备相同的长度和一致的图案。以ZB48 超高速包装设备为对象进行测试，结果表明：①在400 包/分钟运行到700 包/分钟的运行速度下，内框纸的切割准确度高，标偏为；②在为期四个月的质检工作检查中，没有发现色标内框纸切割位置错误导致的缺陷，满足工厂的包装质量要求。