卷煙紙自動糾偏系統(tǒng)的設計與應用

李小平，潘恒樂，梅光傳

常德煙草機械有限責任公司，湖南省常德市武陵區(qū)長庚路999號 415000

ZJ116 卷接機組是第一代國產雙煙道卷接設備，經過改進已形成ZJ116A、ZJ116B 等系列化產品［1-3］。該機組將雙倍寬卷煙紙在線分切后形成兩條等寬卷煙紙，分別輸送至前后煙道后與煙絲組合形成煙條［4］。但生產中當卷煙紙橫向偏移時，容易造成卷煙紙出現(xiàn)毛邊、分切不均等現(xiàn)象，進而導致煙條跑條、卷煙紙斷裂等問題，影響煙支卷接質量和設備運行效率［5-6］。近年來，針對ZJ116 系列機組已有較多研究，楊釗等［7］對并行鼓輪上的截風擋塊進行優(yōu)化，增大并行鼓輪對濾棒段的吸附力，提高了卷接機組運行穩(wěn)定性；潘恒樂等［8］研制了一種吹氣裝置應用于接裝紙切割系統(tǒng)，避免接裝紙在啟停階段卷入膠輥，提高了設備運行效率；杜坤艷等［9］對煙條分離輪進行改進，在不改變卷接機組結構的前提下實現(xiàn)分離行程的快速調節(jié)，提高了卷接設備智能化水平；程衛(wèi)民等［10］基于高速電磁閥技術設計了一種接裝紙噴膠系統(tǒng)，提高了接裝紙涂膠質量，降低了工人勞動強度；劉為剛等［11］研制了一種搓接鼓輪自動清潔裝置，減少了搓板堵塞次數(shù)和設備停機次數(shù)。但對于如何解決分切前卷煙紙偏移問題的研究及改進則鮮見報道。為此，通過分析ZJ116機組卷煙紙輸送機構的工作原理，設計了一種卷煙紙自動糾偏系統(tǒng)，以期提高煙支卷接質量。

1 問題分析

1.1 工作原理

ZJ116卷接機組的卷煙紙輸送路徑見圖1。雙倍寬卷煙紙（1）在第一引紙輥（4）的牽引下，經過負壓限位塊（2）和限位塊（3）后被切刀（5）分切成兩條等寬的單倍寬卷煙紙（7）；兩條相鄰的單倍寬卷煙紙在第二引紙輥（9）的牽引下，經過分離輥（6）和偏心輪（8）后發(fā)生位移而分離，然后被送入前后道煙槍；若卷煙紙在輸送過程中發(fā)生斷裂，光電式傳感器（10）未檢測到卷煙紙，設備則發(fā)出斷紙報警信號并立即停止運行。

圖1 ZJ116卷接機組卷煙紙輸送路徑Fig.1 Cigarette paper conveying path of ZJ116 filter cigarette maker

1.2 存在問題

雙倍寬卷煙紙在分切前主要依靠負壓限位塊進行位置調整，見圖2。負壓限位塊的吸風塊（2）通過氣管（4）與負壓風機相連，當雙倍寬卷煙紙經過吸風塊時，負壓風通過吸風塊上的負壓孔將卷煙紙吸附在吸風塊上，防止卷煙紙在輸送過程中出現(xiàn)橫向偏移。當機組長時間運行或更換不同寬度卷煙紙時，需停機后由人工擰開鎖緊螺釘（3）并調節(jié)旋鈕（1）使吸風塊橫向移動，確保吸風塊中心與切刀對準后再擰緊鎖緊螺釘，調整過程費時費力且容易出現(xiàn)卷煙紙橫向偏移、毛邊等現(xiàn)象，影響設備運行效率和煙支外觀質量。

圖2 負壓限位塊示意圖Fig.2 Structure of negative pressure position limiting block

2 系統(tǒng)設計

卷煙紙自動糾偏系統(tǒng)由糾偏裝置和位置檢測裝置組成。其中，糾偏裝置由電機、導紙輥、轉臂和滑塊等部分組成并安裝于原限位塊的位置；位置檢測裝置采用光電式邊緣檢測傳感器代替原光電式傳感器。

2.1 糾偏裝置設計

2.1.1 系統(tǒng)結構

糾偏裝置結構見圖3。電機（1）通過聯(lián)軸器（2）與絲桿（3）連接；滑塊（5）一端通過內螺紋套在絲桿（3）上，另一端從限位座（4）的槽口伸出并通過連桿機構（6）與轉臂（7）連接；轉臂（7）另一端與導紙輥（8）連接且轉臂旋轉中心通過銷軸（9）安裝在支架（11）上；彈簧（10）兩端分別與支架（11）和轉臂（7）連接，以提高糾偏過程的平穩(wěn)性。當位置檢測裝置檢測到卷煙紙偏移時，將信號發(fā)送至控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)發(fā)送信號控制電機驅動絲桿轉動，而滑塊受限位座槽口的限制只能沿絲桿軸線方向做直線運動，進而帶動連桿機構移動；連桿機構帶動轉臂使轉臂繞銷軸旋轉，從而使導紙輥偏轉一定角度，直至卷煙紙返回至正確位置。由于滑塊在絲桿上做直線運動，而轉臂以銷軸為中心進行轉動，滑塊與銷軸之間的連線在產生角度變化的同時也會出現(xiàn)距離變化。如圖3b 所示，連桿機構主要由連接板（12）、滑輪（14）、向心關節(jié)軸承（15）以及法蘭（17）等部分組成。其中，連接板的一端設計為開口滑槽并插入滑輪的凹槽中，通過產生一定位移滿足滑塊與銷軸之間距離的變化要求；固定在滑輪中的向心關節(jié)軸承可以實現(xiàn)連桿機構與滑塊間的活動連接，滿足滑塊與銷軸之間連線角度的變化要求。

圖3 卷煙紙糾偏裝置結構圖Fig.3 Structure of cigarette paper adjustment device

2.1.2 糾偏過程穩(wěn)定性控制

如圖4 所示，O1為銷軸中心，O2為滑輪圓心初始位置，O3為絲桿軸心初始位置。未對卷煙紙進行糾偏時，滑塊與連桿機構平行且在同一水平面上，X1為此時滑塊與銷軸之間的距離，b為絲桿軸心到滑輪圓心的距離；對卷煙紙進行糾偏時，連桿機構擺動一定角度θ1，滑塊與銷軸之間的距離相應增加為X2，帶動滑塊在絲桿軸線方向上發(fā)生的位移：

圖4 糾偏原理簡圖Fig.4 Schematic diagram of adjustment principle

式中：a為滑塊在絲桿軸線方向上移動的距離，即O2O2′和O3O3′的長度，mm；α為電機轉動的角度，（°）；P為絲桿螺距，mm。

卷煙紙糾偏過程中，由于X2≈X1且θ1值非常小，可得a值近似等于弧長L：

式中：θ1為連桿機構擺動角度，（°）；X1為卷煙紙未糾偏時滑塊與銷軸之間的距離，mm；L表示半徑為X1、圓心角為θ1的圓弧長度，mm。

取X1=61.5 mm，P=1 mm，結合公式（1）和（2）可得α≈386.4θ1。由糾偏裝置結構可知，導紙輥擺動角度（θ2）與連桿機構擺動角度（θ1）相同，可得α≈386.4θ2，說明電機轉動角度與導紙輥擺動角度之比較大，可以避免卷煙紙在糾偏過程中偏移量過大，實現(xiàn)調節(jié)過程精準和平穩(wěn)。

2.2 位置檢測裝置設計

選擇ZADM 023H151 光電式邊緣檢測傳感器（瑞士Baumer 公司）代替原光電式傳感器對卷煙紙位置進行檢測。由圖5可見，光電式邊緣檢測傳感器（1）由紅外線發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器發(fā)射的光線照射在分切后的外側卷煙紙（3）和內側卷煙紙（4）上，未被卷煙紙遮擋的內側光線（5）和外側光線（6）經反光板（2）反射后返回至接收器。當卷煙紙位置發(fā)生偏移時，傳感器根據反射光線的變化將相應的糾偏信號發(fā)送至控制系統(tǒng)，進而控制電機轉動。其中，①雙倍寬卷煙紙向內側偏移時，會導致外側卷煙紙變窄、內側卷煙紙變寬，傳感器檢測到反射光線向內側偏移并將“卷煙紙內側偏移”信號發(fā)送至控制系統(tǒng)；②雙倍寬卷煙紙向外側偏移時，會導致外側卷煙紙變寬、內側卷煙紙變窄，傳感器檢測到反射光線向外側偏移并將“卷煙紙外側偏移”信號發(fā)送至控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)接收到卷煙紙位置偏移信號后，控制電機驅動絲桿順時針或逆時針旋轉，從而帶動滑塊、導紙輥等運動，運動方向見圖6。

圖5 卷煙紙位置檢測裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of cigarette paper edge detection

圖6 卷煙紙糾偏裝置工作原理圖Fig.6 Working principle of cigarette paper adjustment device

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“紅河（硬88）”牌卷煙［紅云紅河煙草（集團）有限責任公司紅河卷煙廠提供］。

設備：ZJ116A卷接機組和ZJ119卷接機組（常德煙草機械有限責任公司）。

方法：ZJ119 機組是以ZJ116A 機組為技術平臺研制的智能化卷接設備，在其卷煙紙供應系統(tǒng)中采用了卷煙紙自動糾偏系統(tǒng)。將ZJ116A和ZJ119機組的運行速度均設定為12000 支/min，分別統(tǒng)計兩個機組出現(xiàn)卷煙紙毛邊次數(shù)以及人工調節(jié)卷煙紙位置次數(shù)，統(tǒng)計時間為3個月。

3.2 數(shù)據分析

由表1 可見，ZJ116A 機組卷煙紙毛邊次數(shù)平均為2.33 次/月，人工調節(jié)卷煙紙次數(shù)平均為4 次/月；應用卷煙紙自動糾偏系統(tǒng)的ZJ119 機組平均毛邊次數(shù)為0，人工調節(jié)卷煙紙次數(shù)平均為0.33次/月，說明應用卷煙紙自動糾偏系統(tǒng)可以顯著提升卷煙外觀質量，降低工人勞動強度。

表1 卷煙紙自動糾偏系統(tǒng)應用前后測試數(shù)據①Tab.1 Test data before and after adopting automatic cigarette paper adjustment system （次·月-1）

4 結論

基于ZJ116 卷接機組設計了一種卷煙紙自動糾偏系統(tǒng)，利用光電式邊緣檢測傳感器對卷煙紙位置進行檢測和反饋，進而控制電機驅動絲桿轉動，并通過滑塊和連桿機構帶動轉臂旋轉使導紙輥偏轉，實現(xiàn)了卷煙紙位置的精確調節(jié)。以紅河卷煙廠生產的“紅河（硬88）”牌卷煙為對象對ZJ116A 和ZJ119 機組進行對比測試，結果表明：與ZJ116A機組相比，應用自動糾偏系統(tǒng)的ZJ119 機組未出現(xiàn)卷煙紙毛邊現(xiàn)象，人工調節(jié)卷煙紙次數(shù)由4 次/月降低到0.33 次/月，有效提高了卷煙外觀質量和設備運行效率。