濾棒裝盒機上料整理機構的設計與應用

倪 敏，黃 彪

南通煙濾嘴有限責任公司，江蘇省南通市崇川區勝利路6號 226014

濾棒裝盒機上料整理機構的設計與應用

倪 敏，黃 彪

南通煙濾嘴有限責任公司，江蘇省南通市崇川區勝利路6號 226014

為解決濾棒裝盒機生產過程中存在的操作復雜、計量不準確等問題，基于伺服精密驅動技術研制了一種新型濾棒上料整理機構。該機構由側擋板、活動式托板組成一個能容納整盒濾棒的漸沉式儲棒倉，通過兩個伺服電機分別驅動托板及支架垂直移動上料，配合側面小錘敲擊振動使儲棒倉內濾棒有序排列，實現了濾棒先在儲棒倉內裝填整理，然后整盒推進空紙盒的功能。采用新型上料整理機構對HCF80型濾棒裝盒機進行改進試驗，結果表明：該機構可以精確控制濾棒整理動作，濾棒排列整齊有序。在不改變原機生產能力情況下，濾棒裝支精度達（4 000±5）支/盒，優于YJ36型濾棒裝盒機的精度標準，能夠滿足行業生產標準要求，有效提升了濾棒產品自動化物流系統的生產效率。

濾棒裝盒機；紙盒；儲棒倉；上料整理機構；裝支精度

隨著國內外煙草機械設備自動化程度的不斷提高，濾棒成型機組的最高生產速度可達1 000 m/min。由于物流技術的發展與進步，濾棒生產企業利用異地技改建立了自動化物流系統［1］，濾棒裝盒以及紙盒集中輸送、儲存、精確計量已成為濾棒成型線自動化生產的主要模式。而作為該模式下的生產節點設備，濾棒裝盒機的技術發展直接影響到濾棒生產線的運行速度。目前國內濾棒生產企業使用的德國HAUNI公司的HCF80型裝盒機，需要人工輔助倒盒，即紙盒外面需要套一個硬盒固定［2］，裝滿盒后再把紙盒從硬盒里取出，操作復雜，且計量不準確，每盒裝支范圍（4 000±80）支，無法滿足GB/T 5605—2011規定的（4 000±40）支/盒的裝支精度要求［3］，并且需要人工輔助進行后續的濾棒整理、裝支補充等工作，工人勞動強度大、有效作業率低。為提高濾棒物流系統的自動化程度，國內煙機制造公司吸取FF30型裝盒機和COMFLEX系列產品的結構優點，設計開發了YJ36型濾棒裝盒機，采用伺服電機驅動電缸做直線運動［4］，能夠利用紙盒直接裝填濾棒［2］，無需人工輔助倒盒，其上料整理機構借鑒了FF30型的分批推棒進盒技術，同時優化設計了整理和敲擊裝置［5］，將裝支精度提高到（4 000±10）支/盒。文獻［6］中設計了一種濾棒裝盒機的濾棒整理裝置，將整理輥、限位器和托板自下而上分3層安裝在過料箱內，通過計數器控制氣缸帶動限位桿移動使濾棒通道打開或關閉，但對托板的結構未有詳細說明。劉鈺［7］采用流量匹配計算和仿真模擬設計了YJ36型濾棒裝盒機下料庫的分流塊、導流緩存塊等，提高了濾棒裝盒品質，但上述改進未能進一步提高裝支精度。為此，根據自動化物流生產線需求，采用伺服電機驅動高精度螺桿副，帶動托板及支架上下活動形成漸沉式儲棒倉的方法，研制了一種新型濾棒上料整理機構，以提高濾棒裝盒機的裝支精度，實現濾棒產品的全自動化生產。

1 系統組成

每盒濾棒的裝支標準按4 000支計，濾棒在紙盒內的排列標準為51層，每層濾棒排列支數呈偶數78或奇數79錯位分布。HCF80型裝盒機采用的垂直落棒裝盒方式，裝支頂部不整齊，裝盒品質也不穩定；FF30型裝盒機采用的分批推棒進盒方式，裝支頂部整齊，但一次只能推進3層濾棒，需要17次才能完成全部推進過程，因此對推板和降盒動作的協調性要求較高，推進的濾棒與紙盒碰撞后容易反彈且在自由下落過程中容易散亂。在集成上述兩種機型特點的基礎上，研制了一種新型濾棒上料整理機構。該機構主要由側擋板、托板及支架、伺服電機、滾珠絲桿、同步帶傳動系統、活門及開閉氣缸、導向軸、調節絲桿、敲擊組件等部件組成，見圖1。

圖1 濾棒上料整理機構示意圖

在生產過程中，托板托舉和支撐所有濾棒，隨著托板的下移，儲棒倉逐步形成（即所謂漸沉式），濾棒在儲棒倉中填充、整理，支架支撐托板隨濾棒填充速度同步下移。儲棒倉初始裝填時，托板下降，快速裝填裝盒機料倉內積聚過多的濾棒，后續隨支架下移，直至儲棒倉中的濾棒超過整盒濾棒的高度后打開活門，排列整齊的4 000支濾棒整體出料。在濾棒推出儲棒倉后托板隨支架復位，并快速提升到進料口，托舉下一盒濾棒。采用伺服電機分別驅動托板及支架，保證了托板及支架的運行精度并與上游成型機生產速度保持同步［8］。側擋板上加裝的振動板、小錘等敲擊組件，在上料整理過程中不斷敲擊振動板，使儲棒倉中每層濾棒支數呈奇偶數錯位分布，且排列整齊。利用調節絲桿調整側擋板的間距，可以改變儲棒倉的裝支容量和尺寸，從而與紙盒規格相匹配。

1.1 托板及支架的驅動控制結構

托板及支架分別采用兩組電氣伺服驅動裝置，其中托板支架驅動裝置主要用于控制托板及支架整體在上料整理過程中的上下移動。如圖1所示，托板支架與滾珠絲桿螺母固定連接，通過絲桿副傳動將獨立伺服電機驅動滾珠絲桿的旋轉運動，轉化為絲桿螺母連同托板支架的直線移動，以提高運動控制精度。由于托板支架橫向跨度達1 100 mm，為保證運行平穩，驅動裝置設計為單電機雙邊驅動結構［9］，由同步帶傳動另一側滾珠絲桿做同步動作。設計中采用兩根直線光軸作為導向軸，兩根滾珠絲桿以及兩根導向軸的中心均在同一個鉛垂平面內，保證了支架移動的穩定性。

受敲擊和狗牙等整理組件安裝結構的限制，托板支架上升的最高位在整理組件的下方，距離進料口有一定距離，因此在支架的上方加設了托板及其伺服驅動組件。同樣，采用獨立伺服電機驅動高精度絲桿副，以提高托板運動控制的平穩性，托板下方垂直固定單根滾珠絲桿以及兩根導向軸，絲桿螺母和導向套固定在托板支架上，通過旋轉滾珠絲桿螺母使托板隨滾珠絲桿上下移動，避免滾珠絲桿凸出托板上平面擠壓托板上方填充的濾棒。支架上升到最高位時，托板進一步快速上升到進料口托舉濾棒，并切換至下降模式裝填濾棒，直至支架位置停止；支架下降模式開啟，與主機生產速度同步裝填濾棒。

為實現托板及支架位置的精確控制，兩組伺服驅動裝置均采用位置控制方式，位置控制的速度值與主機的生產速度同步，控制的位置量則與加工的濾棒種類有關。例如，計算托板支架的升降行程，以直徑7.7 mm，裝盒數量4 000支的普通濾棒為標準，其在紙盒中的排列見圖2，則51層濾棒的理論高度H為：

H=h×50+d=d×sin 60°×50+d=7.7×sin 60°×50+

7.7=341.1 mm

式中：h為上下層濾棒的中心高度，mm；d為兩支濾棒半徑之和，mm。

圖2 濾棒排列示意圖

可見，托板支架下降的行程大于341.1 mm，才能將濾棒下降至調節絲桿等阻礙整盒濾棒橫向移動的連接件以下，使濾棒能夠被整盒推出。因此，根據機構的實際安裝結構尺寸，設定托板支架行程為380 mm。

將濾棒圓周及裝盒數量等工藝數據輸入電氣控制系統，配合以伺服裝置的電子齒輪比、滾珠絲桿副的導程、紙盒的寬度，系統可以自動計算出托板移動的速度和位置值，其位置誤差可控制在±0.1 mm以內。另外，托板的極限位置設有接近開關檢測單元，由PLC程序進行控制［10］。

1.2 側擋板及濾棒整理部件

側擋板與托板三面定位形成儲棒倉，具有濾棒疏導、裝填和限位等功能。另外，還安裝有小錘敲擊、狗牙拍打等敲擊組件以及活門啟閉機構，見圖3。敲擊組件上小錘的敲擊動作由電磁閥驅動，通過專用電子模塊來調整敲擊頻率。小錘不斷地敲擊側擋板上部與濾棒貼近的振動板，使儲棒倉內的濾棒產生振動，盡可能地減少濾棒之間的間隙。為進一步提高濾棒排列整齊度，通過兩側狗牙拍打，撥動濾棒呈奇偶數錯位分布。狗牙的上下位置調整及左右擺動由氣缸驅動，擺動頻率根據托板下降速度由PLC程序控制。

活門可90°轉動，其動作由氣缸控制。在濾棒整理過程中，活門處于關閉狀態，為濾棒的軸向位置限位；濾棒整理完畢打開活門，形成濾棒進入紙盒的通道，可以一次將整盒濾棒推入紙盒包裝。4根調節絲桿固定支撐側擋板，當紙盒或濾棒規格發生變化時，通過調節絲桿可調整側擋板間距。取單層濾棒支數最大值79支計算，濾棒直徑d為7.7 mm，則單層濾棒的理論寬度L為608.5 mm（圖2）。考慮到濾棒在整理過程中自由轉動需要間隙（兩根相鄰濾棒之間的間隙為0.03 mm），則側擋板間距約為611 mm。

圖3 側擋板及濾棒整理機構示意圖

1.3 控制流程

改進后裝盒機在原HCF80的基礎上保留了篩針及上部進料倉等部件，去除了硬盒夾持機構及鏈條傳動升降系統，由獨立電機驅動高精度螺桿副，替代原HCF80的低精度鏈條傳動系統，重新設計空紙盒升降夾持機構，承接儲棒倉推出的濾棒。由PLC實現機構的自動上料過程控制，準確控制設備的運行狀態并實現儲棒倉的精準定位。

濾棒出料后，托板支架上升的有效行程為380 mm，托板還須進一步上升到進料口，設定托板行程為180 mm。通過PLC程序判斷情況，決定控制動作，再通過PLC系統的運動控制模塊設定伺服電機的回轉數，然后絲桿副將伺服電機的旋轉運動轉化成直線運動，從而實現轉速、位置的精確控制，以及兩個絲桿副由同步帶傳動的同步運動。儲棒倉上料、整理控制流程見圖4。

根據濾棒生產工藝及儲棒倉的濾棒總量、儲存時間測算［11］，單次裝盒循環時間要小于40 s。為保證濾棒推入紙盒過程中濾棒緩沖區不會過滿，設定濾棒整理下降過程的總時間為30 s，托板升降機構單次運行時間和執行順序見圖5。

2 應用效果

采用新型上料整理機構對1臺HCF80濾棒裝盒機進行改進試驗。測試材料：濾棒樣品64 000支，長度100 mm，直徑7.7 mm；空紙盒20只，紙盒規格（長L×寬H×高B）640 mm×347 mm×106 mm。測試過程：按10 000支/min人工均勻送料。裝支容量平均為4 000支/盒，檢測時間約2 min，啟動機器，待空紙盒進入升降夾持機構后開始計時，統計濾棒總支數，計算每分鐘裝盒支數（裝支能力）。同時計算濾棒實際裝盒支數與中心值（4 000支/盒）的偏差值，以評判裝盒精度，評判標準為每盒均達到（4 000±5）支/盒。相同測試重復3次，取3次平均值作為測試結果，見表1和表2。可見，改進后HCF80裝盒機平均裝支能力達10 003支/min，高于原設備最大生產能力10 000支/min；3個批次的濾棒裝支精度均達到（4 000±5）支/盒，優于YJ36濾棒裝盒機的精度標準。

圖4 儲棒倉上料整理控制流程圖

圖5 托板升降循環動作時序圖

表1 上料整理機構裝支能力測試數據

表2 上料整理機構濾棒裝支精度測試數據 （支）

3 結論

采用新型上料整理機構對HCF80濾棒裝盒機進行改進，應用于KDF2、KDF3等濾棒成型機組，可以精準控制濾棒整理動作，確保濾棒有序排列。在不改變原機生產能力的情況下，實現濾棒先在儲棒倉內裝填整理，然后整盒推進空紙盒的功能，提高了濾棒在紙盒內排列的整齊度，濾棒裝盒機的裝支精度達（4 000±5）支/盒，優于 GB/T 5605—2011規定的產品標準要求，且無需人工輔助進行后續的濾棒整理、裝支補充等工作，滿足了濾棒自動化物流系統的生產要求。

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Design and Application of Loading and Collating Mechanism in Filter Rod Case Filling Machine

NI Min and HUANG Biao
Nantong Cigarette Filter Co.,Ltd.,Nantong 226014,Jiangsu,China

In order to simplify the operation and improve the metering accuracy of filter rod case filling machine,a new filter rod loading and collating mechanism was developed based on precise servo drive technology,wherein lateral plates and a movable bottom plate defined a filter rod chamber for accommodating the filter rods for a whole case,two servo motors moved the bottom plate and its bracket downward to receive input filter rods helped by the knockers on the lateral plates,the rods were collated and orderly arranged in the chamber.Finally,the whole stack of filter rods was pushed into and filled an empty case all at once.HCF80 case filling machine was retrofitted with the new loading and collating mechanism,the testing results showed that the mechanism could accurately control the action of collator and the rods were arranged orderly.At the original throughput of the machine,the number of filter rod per case ranged between 4 000±5 rods,which was better than that of YJ36 filter rod case filling machine and met the requirements of industrial production standards.The efficiency of automatic filter rod logistic system is effectively promoted.

Filter rod case filling machine;Board case;Filter rod hopper;Collating mechanism;Loading accuracy

TS457

B

1002-0861（2015）12-0087-05

10.16135/j.issn1002-0861.20151214

2015-03-27

2015-08-13

倪敏（1968—），女，碩士，工程師，主要從事設備改造、維護管理工作。E-mail：13861981315@163.com

倪敏，黃彪.濾棒裝盒機上料整理機構的設計與應用［J］.煙草科技，2015，48（12）：87-91.NI Min,HUANG Biao.Design and application of loading and collating mechanism in filter rod case filling machine[J].Tobacco Science&Technology,2015,48(12):87-91.

責任編輯 曹娟