陳 濤,盧洪林,李華文
1. 紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司昆明卷煙廠,昆明市五華區(qū)紅錦路366 號(hào) 650202
2. 紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司,昆明市五華區(qū)紅錦路368 號(hào) 650202
在卷煙包裝過程中,小盒煙包(以下簡稱煙包)包裝完成后通過輸送通道或緩存柜等輔聯(lián)設(shè)備直接供給條盒包裝設(shè)備進(jìn)行條包包裝[1]。而異型包裝卷煙(以下簡稱異型卷煙)通常采用預(yù)成型煙盒完成條包包裝,無法利用傳統(tǒng)裹包式包裝設(shè)備生產(chǎn),且存在煙包與條包不在同一生產(chǎn)線或生產(chǎn)區(qū)域等情況,在生產(chǎn)時(shí)需要借助人工或利用卸盤機(jī)將托盤內(nèi)煙包轉(zhuǎn)運(yùn)至下游條包裝填包裝機(jī)。近年來,MATCH系列卸盤機(jī)(英國MOLINS 公司)[2]、MAGOMAT 系列卸盤機(jī)(德國HAUNI公司)[3-4]以及YB系列卸盤機(jī)(許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司)[5]等設(shè)備,被廣泛應(yīng)用于濾棒或煙支等圓柱體物料的卸盤供料工作。上述卸盤機(jī)均采用翻轉(zhuǎn)卸料方式使煙支或?yàn)V棒隨托盤翻轉(zhuǎn)落入料庫中[6-7],而將該方式應(yīng)用于煙包托盤卸載時(shí),因托盤內(nèi)煙包排列緊密,托盤翻轉(zhuǎn)后煙包無法有序落料而導(dǎo)致煙包散亂,無法進(jìn)行后續(xù)的包裝生產(chǎn)。針對(duì)此,王凱等[8]設(shè)計(jì)了一種新型煙包卸盤機(jī),利用往復(fù)推送機(jī)構(gòu)將托盤內(nèi)的雙層煙包推送至條包包裝生產(chǎn)線。但這種煙包卸盤機(jī)運(yùn)行效率較低,且在推送過程中煙包表面存在相互摩擦,容易造成煙包表面損傷。為此,通過對(duì)現(xiàn)有卸盤機(jī)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了一種異型卷煙煙包卸盤機(jī),能夠從托盤中穩(wěn)定拾取煙包并將煙包輸送至條包包裝生產(chǎn)線,以期保證煙包輸送連續(xù)和穩(wěn)定,提高異型卷煙機(jī)械化生產(chǎn)效率。
異型卷煙煙包卸盤機(jī)主要由進(jìn)料輸送裝置、托盤提升裝置、煙包拾取裝置、退盤裝置等組成,見圖1。裝載異型煙包(30 包×6 層)的托盤(3)被進(jìn)料輸送裝置(1)輸送至提升工位后,由托盤提升裝置(2)將其逐層提升至煙包卸載工位;煙包拾取裝置(4)利用真空吸盤逐層拾取煙包(每層30包)并將煙包置于條包裝填包裝機(jī)的入口輸送皮帶上;待6層煙包拾取完成后,空托盤在退盤裝置(5)作用下退出煙包卸載工位并被輸送至空盤回收輸送線。
圖1 異型包裝卷煙煙包卸盤機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of tray unloader for special size cigarette packets
進(jìn)料輸送裝置由電機(jī)、光電檢測器、鎖緊氣缸、同步傳送皮帶、阻擋機(jī)構(gòu)以及擋板等組成,見圖2。同步傳送皮帶(5)長度為2 500 mm,在電機(jī)(1)驅(qū)動(dòng)下可以同時(shí)傳送10 個(gè)托盤(托盤寬度為110 mm)。傳送帶兩側(cè)均安裝有阻擋機(jī)構(gòu)(6)和擋板(4),當(dāng)光電檢測器(2)檢測到有托盤到達(dá)提升工位時(shí),主控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鎖緊氣缸(3)動(dòng)作,使阻擋機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)并利用擋鉤阻止后續(xù)托盤繼續(xù)向前輸送,避免托盤在提升工位處堆積;擋板用于防止托盤在輸送過程中偏移掉落。生產(chǎn)中電機(jī)需滿足低速、大轉(zhuǎn)矩、多啟停等工況條件,結(jié)合工作負(fù)載情況和設(shè)計(jì)安裝空間,選取功率為0.18 kW、輸出轉(zhuǎn)速為18 r/min 的減速電機(jī)(德國SEW-EURODRIVE公司)[9]。
圖2 進(jìn)料輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of infeed conveyor
托盤提升裝置由伺服電缸、鎖緊氣缸、后旋夾緊氣缸和夾持機(jī)構(gòu)等組成,見圖3。托盤進(jìn)入提升工位后,被提升裝置兩側(cè)的鎖緊氣缸(2)夾持到夾持機(jī)構(gòu)(4)上,隨后后旋夾緊氣缸(3)閉合將托盤精確定位,托盤在伺服電缸(1)的驅(qū)動(dòng)下被提升至第1層煙包拾取工位。伺服電缸是由伺服電機(jī)與絲桿組成的一體化產(chǎn)品[10],通過PLC 及伺服驅(qū)動(dòng)器向伺服電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào),可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位和精確的速度控制,適用于高頻搬運(yùn)等生產(chǎn)環(huán)境。選用的滾珠絲杠型伺服電缸定位精度≤±0.1 mm,能夠滿足托盤提升定位要求[11]。相較于液壓缸或氣缸,伺服電缸由伺服驅(qū)動(dòng)器控制,無需傳輸介質(zhì)且運(yùn)行穩(wěn)定,通過末端緩沖和制動(dòng)控制,能夠有效避免提升沖擊導(dǎo)致煙包掉落等問題。
圖3 托盤提升裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of tray lifting device
1.4.1 結(jié)構(gòu)組成
煙包拾取裝置由垂直伺服電缸、水平伺服電缸、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及真空源等組成,見圖4。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)采用蜂巢式平面吸盤[12],在垂直伺服電缸(2)與水平伺服電缸(3)協(xié)同驅(qū)動(dòng)下往返于煙包拾取位置和煙包卸載位置。當(dāng)吸盤到達(dá)煙包拾取位置時(shí),托盤(5)在提升裝置作用下上升;當(dāng)待拾取煙包層與吸盤高度一致時(shí),開啟吸盤真空源(1)并吸附煙包側(cè)面;吸盤攜帶一層煙包返回至卸載位置[即鉤齒同步帶(6)上方],待鉤齒同步帶運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)一個(gè)空工位時(shí),真空源斷開,30包煙脫離吸盤下落于鉤齒同步帶上。拾取煙包所需的真空壓由大流量真空源提供。如圖4b所示,蜂巢式平面吸盤采用鋁合金薄板(10)作為底板,底板上粘貼的泡沫海綿板(11)具有清潔和密封作用,并可增大接觸面積以減小煙包掉落概率;底板和海綿板上均勻分布有微型吸孔,因平面吸盤為長條狀,在吸盤兩端設(shè)置2個(gè)真空負(fù)壓接頭(7),以提高吸盤型腔(9)內(nèi)真空度的均勻性,使各個(gè)吸孔的吸力保持一致。
圖4 煙包拾取裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of packet pickup device
1.4.2 真空源設(shè)備選型
吸盤吸附煙包轉(zhuǎn)運(yùn)過程中,以一層30 包煙為對(duì)象進(jìn)行受力分析,見圖5。X 方向上,煙包受到真空吸附力Fw和吸盤作用力Fd;Y方向上,煙包受到重力G 和摩擦力f。假設(shè)煙包在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中做勻速運(yùn)動(dòng),則煙包在X方向和Y方向上受力平衡,且滿足以下關(guān)系式:
圖5 煙包轉(zhuǎn)運(yùn)過程中受力分析Fig.5 Force analysis of cigarette packet during transportation
式中:FX為煙包在X方向上受力,N;FY為煙包在Y方向上受力,N;Fw為真空吸附力,N;Fd為吸盤作用力,N;G 為煙包重力,N;f 為摩擦力,N;m 為30 包煙質(zhì)量,取0.6~0.9 kg;g為重力加速度,取9.8 N/kg。
根據(jù)摩擦力和吸附力計(jì)算公式[13]可得:
式中:ΔPu為吸盤內(nèi)真空度,取真空泵最大真空度的63%~95%,MPa;S 為吸盤與煙包的有效吸附面積,取最大吸附面積的80%,mm2;μ為吸盤與煙包BOPP薄膜之間的摩擦系數(shù),取0.36。
以昆明卷煙廠生產(chǎn)的異型卷煙為例,軟包煙包規(guī)格為87 mm×55 mm×22 mm,質(zhì)量為0.03 kg/包;細(xì)支煙包規(guī)格為103 mm×55 mm×12 mm,質(zhì)量為0.02 kg/包。吸盤吸附軟包煙包和細(xì)支煙包的側(cè)面寬度分別為22和12 mm,假設(shè)在每包煙吸附面上設(shè)置一個(gè)真空吸孔,則單個(gè)煙包的最大有效吸附面積分別為303.95和90.43 mm2。結(jié)合公式(1)和公式(2)可得,同時(shí)拾取30包煙,真空泵所需提供的真空度P應(yīng)滿足:
由于真空度越大,吸盤壽命越短,真空度不宜選擇過高。綜合考慮穩(wěn)定性和噪聲等因素,選擇VT4.40無油旋片式真空泵(最大真空度為0.04 MPa,德國BECKER公司)可滿足使用要求[14]。
1.4.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.4.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為適應(yīng)不同規(guī)格異型卷煙,設(shè)計(jì)了兩種末端執(zhí)行機(jī)構(gòu),見圖6。當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)軟包煙包時(shí),末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用蜂巢式平面吸盤(圖6a);當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)支煙包時(shí),因煙包高度增加且吸附面積減小,蜂巢式平面吸盤對(duì)煙包的翻轉(zhuǎn)力矩增大。為避免煙包釋放過程中因瞬時(shí)氣壓差擾動(dòng)而造成煙包倒伏,在蜂巢式平面吸盤上方增加了一排(30個(gè))普通橡膠吸盤(圖6b),使蜂巢式平面吸盤中控制煙包釋放的電磁閥通電時(shí)間略早于上排吸盤的電磁閥,從而避免煙包釋放后倒伏。
圖6 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of terminal actuator
1.4.3.2 微型吸孔參數(shù)設(shè)置
蜂巢式平面吸盤中吸孔的直徑計(jì)算公式[15]為:
式中:D為吸孔直徑,mm;t為安全率,水平吸附t≥4,垂直吸附t≥8,取t=10;n為吸孔數(shù)量,個(gè);ΔPu取真空泵最大真空度的63%,MPa。
吸孔數(shù)量越多,吸孔直徑越小,而吸孔直徑過小會(huì)增大加工難度且容易堵塞。因此,在滿足生產(chǎn)條件下,按照最少吸孔數(shù)量的原則設(shè)計(jì)吸盤[16]。根據(jù)公式(1)和公式(2),為滿足煙包拾取要求,末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)吸附力應(yīng)滿足:
式中:s為每個(gè)微型吸孔的有效吸附面積,mm2。
根據(jù)公式(5)可得,拾取軟包煙包應(yīng)滿足D2×n≥4 300 mm2,拾取細(xì)支煙包應(yīng)滿足D2×n≥2 866 mm2。對(duì)于軟包煙包,初選每包煙對(duì)應(yīng)吸盤均布10 個(gè) 4 mm 吸孔,30 包煙對(duì)應(yīng)吸盤則需均布300 個(gè)吸孔,見圖7。利用公式(4)驗(yàn)證,可得D≥,初選直徑大于臨界條件,即300個(gè) 4 mm吸孔可以滿足要求。對(duì)于細(xì)支煙包,將300 個(gè) 4 mm 吸孔代入公式(4)驗(yàn)證,得到吸孔直徑應(yīng)滿足D≥1.0 mm,大于臨界條件。因此,根據(jù)細(xì)支煙包規(guī)格尺寸調(diào)整吸孔間距即可滿足生產(chǎn)要求。
圖7 蜂巢式平面吸盤平面示意圖Fig.7 Schematic diagram of honeycomb suction plate
退盤裝置由夾持氣缸、推送氣缸、夾持擋板、電機(jī)、鎖緊氣缸、輸送皮帶、擋板等組成,見圖8。當(dāng)空托盤(7)內(nèi)最后一層煙包取出后,推送氣缸(2)動(dòng)作,將兩側(cè)夾持氣缸(1)和夾持擋板(3)推送至空托盤上方,隨后夾持氣缸動(dòng)作使夾持擋板(3)收攏鉤住空托盤,同時(shí)提升裝置的夾緊機(jī)構(gòu)張開;推送氣缸反向動(dòng)作,帶動(dòng)空托盤退出至輸送皮帶(6)上方后,夾持氣缸反向動(dòng)作使夾持擋板松開,空托盤被放置在輸送皮帶上。空托盤輸送皮帶兩側(cè)同樣布置鎖緊氣缸(5)和擋板(8),使空托盤在輸送皮帶上暫存,直至空盤回收提升機(jī)到位后將一組空托盤集中回收。退料裝置由多個(gè)氣缸順序動(dòng)作實(shí)現(xiàn)空托盤回收,為保證順序控制信號(hào)準(zhǔn)確,采用具有記憶功能的電磁閥作為氣動(dòng)回路的主控原件[17]。
圖8 退盤裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of emptied tray reservoir
材料:軟包硬化“大重九”牌卷煙(煙支長度84 mm)、細(xì)支硬盒“大重九”牌卷煙(煙支長度100 mm)[紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司昆明卷煙廠]。
設(shè)備:“大重九”條包生產(chǎn)專線,包括煙包托盤輸送線、異型卷煙煙包卸盤機(jī)、軟包硬化條包裝填生產(chǎn)線、細(xì)支硬盒條包裝填生產(chǎn)線。
方法:軟包硬化條包裝填生產(chǎn)線和細(xì)支硬盒條包裝填生產(chǎn)線的額定生產(chǎn)速度均為30 條/min,三班制生產(chǎn),早班5 h,中班和晚班均為6 h。異型卷煙煙包卸盤機(jī)應(yīng)用前后,分別連續(xù)統(tǒng)計(jì)5 d中班生產(chǎn)的兩種規(guī)格卷煙條包數(shù)量,取平均值。應(yīng)用前,采用人工裝填方式生產(chǎn),按8 人1 組流水作業(yè);應(yīng)用后,1 條生產(chǎn)線僅配備1名操作人員,負(fù)責(zé)設(shè)備保養(yǎng)、故障排查以及在線質(zhì)量抽檢等工作。
如表1 所示,異型卷煙煙包卸盤機(jī)應(yīng)用后,僅需配備1名操作人員即可完成作業(yè);軟包硬化卷煙和細(xì)支硬盒卷煙的產(chǎn)量分別為7 125、7 500條/班次,與應(yīng)用前采用人工裝填方式相比,可節(jié)約人工7人/班次,兩種牌號(hào)卷煙的產(chǎn)量分別提升4 125、3 500條/班次,有效提高了異型卷煙生產(chǎn)效率。
表1 異型卷煙煙包卸盤機(jī)應(yīng)用前后條包產(chǎn)量①Tab.1 Production of cigarette cartons before and after application of the tray unloader for special size cigarette packets
設(shè)計(jì)了一種異型卷煙煙包卸盤機(jī),通過進(jìn)料輸送裝置和托盤提升裝置將煙包托盤輸送至煙包拾取工位,再利用蜂巢式平面吸盤將煙包逐層移運(yùn)至卸載工位,空托盤則在退盤裝置中緩存后集中回收。以昆明卷煙廠“大重九”條包生產(chǎn)專線為對(duì)象進(jìn)行測試,結(jié)果表明:異型卷煙煙包卸盤機(jī)應(yīng)用后,僅需配備1名操作人員即可完成作業(yè),與采用人工裝填生產(chǎn)方式相比,可節(jié)約人工7人/班次,軟包硬化卷煙和細(xì)支硬盒卷煙的產(chǎn)量分別提升4 125、3 500 條/班次。該設(shè)備可滿足多種規(guī)格卷煙煙包的卸盤供料需求,有效提高異型卷煙的生產(chǎn)效率。