轉煙器蜘蛛手煙包實時同步傳送控制裝置的改進設計

李華文 沈濤 倪駿 趙宇 李金劍 王熠 唐磊

摘要：為解決C600原機“煙包異位”故障頻發問題，防止出現原機抓取過程中產生的夾壞缺陷煙引起六角輪卡阻或流入市場等問題，在不改變原機機械傳動的基礎上，采用激光測距技術與伺服控制技術相結合的方法，設計了一套轉煙器蜘蛛手煙包實時同步傳送控制裝置。該裝置主要由激光位移傳感器、伺服驅動器、伺服電機、人機交互界面、報警器等部件組成，可以準確測量煙包與轉煙器蜘蛛手的相對位置，實時調整轉煙器入口皮帶運行速度，確保轉煙器蜘蛛手能夠同步抓取煙包，相關數據信息顯示于人機界面，用于維修、調整。試驗結果表明：改進后實現了轉煙器蜘蛛手準確抓取煙包精度，蜘蛛手與煙包相對位移量的精確控制能力大幅提高了約67%，可以從改進前較難控制的±6mm精準控制到±2mm，相應卡阻次數平均每班減少了98%。

Abstract： In order to solve the frequent problem of "cigarette pack out of place" failures of the original C600 machine， and to prevent causing the hexagonal wheel to block or defect cigarette pack flow into the market， which caused by the defective cigarette caught in the process of grabbing by the original machine， based on the combination of laser ranging technology and servo control technology， a set of real-time synchronous transmission control device for cigarette packet and spider hand of cigarette rotator was designed without changing the mechanical transmission of the original machine. The device is mainly composed of laser displacement sensor， servo driver， servomotor， human-computer interaction interface， alarm and other components. It can accurately measure the relative position of the cigarette pack and the spider hand of the cigarette rotator， and adjust the running speed of the belt at the entrance of the cigarette rotator in real time， to ensure that spider hand of the cigarette rotator can grab the cigarette pack synchronously， the relevant data information is displayed on the man-machine interface for maintenance and adjustment. The test results show that the accuracy of the spider's hand grasping the cigarette packet is achieved after the improvement. The precision control ability of the relative displacement between the spider's hand and the cigarette packet is greatly improved by about 67%， which can be controlled from ±6mm which is difficult to control before the improvement to ±2mm and the number of jamming is reduced by 98% on average per shift.

關鍵詞：轉煙器;煙包異位;激光測距;實時同步

Key words： cigarette rotator;cigarette pack out of place;laser ranging;real-time synchronization

中圖分類號：TS43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-0149-05

0? 引言

C600包裝機是卷煙廠硬包高速生產線的重要設備。該機大多采用蜘蛛手機構實現煙包90°平移轉向，但受輔料變換、設備配合精度降低等因素的影響，在長期的生產過程中，“煙包異位”故障頻繁發生，夾壞煙包，引起機器卡阻，引發質量隱患。為此在不改變原機機械傳動的基礎上，采用激光測距技術和伺服控制方法，設計一套轉煙器蜘蛛手煙包實時同步傳送控制裝置，以期降低故障率，增加生產效率。

目前國內還沒有在C600機型中采用激光測距和伺服系統完成入口煙包位置控制的功能的案例，此設計項目開展能為該類型包裝機型“煙包異位”問題的研究開闊思路，意義重大。

1? 轉煙器結構及故障情況分析

1.1 CH轉煙器結構概況

煙包由輸入通道進入C600包裝機組 CH轉煙器，經蜘蛛手吸取、釋放過程，完成90°平移轉向，送入煙包包裝通道，如圖1所示。

轉煙器轉向裝置利用行星齒輪機構傳動原理，將輸入通道送來的煙包通過星齒輪結構的轉向輪輸出到包裝通道，轉向輪軸上安裝有“蜘蛛手”吸風板，轉向過程中，通過真空負壓系統將煙包吸附在吸風板上，轉至包裝通道位置后釋放煙包，完成90°平移轉向。

轉煙器轉向裝置主要由齒輪、圓隔板、轉盤、支架、軸套、吸風板等部件組成，如圖2所示。

1.2 CH轉煙器故障分析

由于煙包輔料材質的變化，導致材料表面摩擦力的變化或皮帶夾緊力量的變化，以及20年設備使用年限，導致蜘蛛手和入口輸送帶機械傳動配合精度下降，因此，實際包裝生產過程吸風板（“蜘蛛手”）吸附抓取煙包時，會出現抓取位置與煙包送達位置不匹配，引起煙包輸送的“滑差”， 形成煙包形變，蜘蛛手交接出現阻塞，導致爛煙包進入六角折疊輪造成質量問題煙流入市場，爛煙包進入六角折疊輪還會導致嚴重卡阻，造成六角輪錯位、停機。

某卷煙廠生產部有五組G.D121-G.DX2000機組，“煙包異位”故障情況統計，見表1。

表1選取的數據是發生該故障時的連續維修時間、單班平均停機次數和單班最大停機次數，從中可以看出，不同品種煙包，不同狀態機臺，一旦發生故障時造成的停機頻率高低不一，一個生產班少則十幾次，多則幾十次。“煙包異位”故障的出現具有偶發性，沒有有效的檢測手段判斷故障原因，調整維修方法單一，導致故障維修困難，維修時間長，是設備維護和生產運行中一個較為復雜的技術難點。

2? 改進方法

C600包裝機組轉煙器煙包與蜘蛛手位置出現不同步問題是導致“煙包異位”故障的根本原因，根據煙包和蜘蛛手的相對位置實時調整入口煙包傳送機的位移量，使其匹配，對超出合適位置的煙包發出報警指令使主機停機。檢測相對位置是解決問題的關鍵，在轉煙器合適位置分別布置兩臺激光位移傳感器來檢測蜘蛛手上煙包和蜘蛛手的相對位置，然后通過伺服驅動調整入口煙包傳送機的位移量。伺服驅動器接收由激光位移傳感器測量得到的煙包位置和蜘蛛手位置的距離差值信號，根據二者實際偏差與校準過的標準位置偏差作比較，進而做出相應調整，調整量通過輸送傳動系統和控制算法確定，并可在人機交互界面調整。

2.1 系統結構

同步控制系統布置如圖3。

在煙盒輸送軌道運行方向正前方，安裝兩個激光位移傳感器，一上一下分別檢測獲取煙盒位置信號和蜘蛛手位置信號，兩個傳感器通過一個控制單元，自動計算兩者之間的距離差值，為自動調整給出依據。

通過上位機實現人機交互功能，操作界面可顯示系統與主機的聯機狀態，可以查看伺服系統當前相關狀態和伺服器 CANBUS通信狀態，設置相關控制參數，手動調節伺服電機。

2.2 功能設計

①實時測量煙包與轉煙器蜘蛛手的位置并調整入口煙包位置功能。

煙包與蜘蛛手距離差值測量：

在煙包和蜘蛛手前端安裝兩組半導體激光位移傳感器，分別測量煙包和轉煙器蜘蛛手到激光位移傳感器的距離，然后經激光位移傳感控制器輸出給上位機處理分析，將兩者的相對位移差值信號與標準差值信號比較，對PLC控制器發出指令，調整入口皮帶伺服電機轉速。

圖5顯示的是C600入口電機調整煙包位置的處理過程。由兩個激光位移傳感器分別測量煙包與蜘蛛手的位置，并通過和激光位移傳感器匹配的控制單元計算出兩者間的相對位移差值，計算公式為：

d=A-B， d：兩者之間的差值;A：激光位移傳感器到蜘蛛手的距離;B：激光位移傳感器到煙包的距離;當d=Δd 時認為煙包和蜘蛛手間的相對位置滿足要求，伺服電機不動作;d<Δd 時伺服電機正轉，入口皮帶加速，煙包位置前移;d>Δd 伺服電機反轉，入口皮帶減速，煙包位置后移。（Δd 為系統內設置煙包和蜘蛛手間距離的理想差值）

伺服系統調整煙包位置功能：

伺服系統接收激光位移傳感器輸出的差值信號后，與設定好的標準值比較。根據比較結果并結合C600主機的機速調整入口皮帶的速度，實現自動調整入口煙包位置功能。

②伺服控制與C600主機聯機功能。

正常運行時，伺服控制系統接收主機的運行、速度信號，根據主機信號調整電機運行參數，煙包與蜘蛛手相對位置超出范圍時輸出報警信號，主機接收到煙包位置超限信號后停機，并顯示報警信息“CH 轉煙器：煙包異位”。主機在啟動前需要檢測伺服控制功能是否正常，功能正常主機可以正常啟動，不正常時主機不能啟動。

跑空車時，免除伺服控制系統入口煙包控制，同時屏蔽“CH 轉煙器：煙包異位”報警。

③入口煙包零點校準功能。

系統改造后保留原機入口煙包零點校準功能，這個功能分為兩部分，一是復產時入口煙包零點位置校準;二是入口煙包位置超出報警范圍停機后，通過手動校準恢復入口煙包初始位置。

④人機交互功能。

通過人機交互界面實時顯示煙包和轉煙器蜘蛛手距離的差值，入口電機的轉速和方向，根據實際運行情況，既可以自動調整伺服電機運行參數，也可以手動調節伺服電機運行參數。同時實現歷史數據查詢。

2.3 實驗方法

在煙盒輸送軌道運行方向正前方，安裝兩組激光位移傳感器，一上一下分別檢測煙包位置信號和蜘蛛手位置信號。將原入口皮帶電機更換為伺服電機。根據包裝機主軸編碼器信號，獲取機器運動相位，在合理相位計算煙盒與蜘蛛手的位置偏差，對皮帶電機進行速度和位置控制。

①試驗設備。

伺服電機：選用LENZE（倫茨）MSC系列同步伺服電機，電機額定轉速4050rpm。

伺服驅動器：LENZE（倫茨）8400系列伺服驅動器，2路AO，2路AI，4路DI，4路DO，通信自帶CANbus，可擴展PROFIBUS DP、EtherCAT、Ethernet、CANopen、DeviceNet等。

激光位移傳感器：奧泰斯公司型號為CD5-W150的位移傳感器以及CD5控制器，可根據實際情況調整傳感器采樣周期，激光強度，檢測靈敏度，模擬量輸出范圍。

控制單元：選用西門子（Siemens）S7-1511CPU模塊，內置運動控制功能。

顯示屏：威綸通eMT3070B，7英寸，帶以太網和CANbus接口。

②試驗平臺。

模擬測試激光測量煙包及蜘蛛手位置的效果，確定激光位移傳感器的檢測距離和檢測范圍滿足系統需要，激光光斑遠小于檢測面的面積，同時滿足激光位移傳感器的采樣周期比一包煙的可測量周期小的多。考量激光位移傳感器測量得到的距離精確度，輸出的差值電壓值與距離差值成比例關系，使激光測距系統的輸出值可直接用于伺服系統。

③煙包的前后位置。

在機器相位200度到50度之間實現多次測量每包煙包與轉煙器蜘蛛手的位置差值，參與在一個煙包周期最大調整范圍內實時調整下一包煙包的前后位置，同時連續調整多包煙包的前后位置，動態實現蜘蛛手抓取煙包位置處于理想范圍內。（圖6）

④系統輸出“CH 轉煙器：煙包異位”報警信號，手動調節伺服量，改變煙包輸送帶行程，實現人為煙包位置零點校準。

3? 改進效果

實現了：實時測量煙包與轉煙器蜘蛛手的位置并調整入口煙包位置，伺服控制與C600主機與的聯機，校準對位，人機交互，可以查詢煙包和蜘蛛手相對位置歷史趨勢數據，伺服驅動器歷史調整數據。

3.1 煙包與轉煙器蜘蛛手相對位移變化對比

改進前，隨機測量5分鐘2500個煙包正常傳送過程中煙包與轉煙器蜘蛛手二者的相對位移變化，得到一組數據，見圖7所示“改進前煙包和蜘蛛手相對位移變化”，觀察到二者相對位移擺動區間比較寬，達到偏差±6mm時報警，對輸入傳送帶速度進行修正，原機依賴光電管判斷是否超差，無法精確量化處理，出現更大偏差超出-7mm或者+15mm后，無法及時修正，就會發生“煙包異位”故障。

改進后，再次隨機測量5分鐘2500個煙包正常傳送過程中煙包與轉煙器蜘蛛手二者的相對位移變化，得到新的一組數據，其相對位移變化見圖7所示“改進后煙包和蜘蛛手相對位移變化”，位移傳感器一旦感知有偏差發生，即刻通過伺服控制單元對傳送帶速度進行精細調節，保證兩者相對位移控制在很小區間擺動，從而很難再發生“煙包異位”故障，如果一旦超過最大允許位移，立刻報警停機，避免出現卡堵。

3.2 6#實驗機五周試運行期間煙包和蜘蛛手距離相對位移量及同步介入修正

改進后，對試驗機連續五周的運行數據進行分析，對每個班次的煙包和蜘蛛手最大相對位移、最小和平均相對位移量進行統計，各個班次位移數據均控制在原機±6mm報警范圍以內，另外對伺服同步介入調速次數分析，每個班次每小時的調速次數達到300～400次，表明精確檢測的相對位移量變化有效傳送到伺服系統，使得改進后的調速功能敏感快速，確保了蜘蛛手在允許抓取煙包的容錯范圍內抓取煙包，從原來的很難保證的±6mm精確到可以確保的±2mm，相對位移量的精確控制能力大幅提高了約67%。試運行數據見表2，對比分析見圖8。

3.3 6#實驗機五周試運行期間煙包異位故障大幅減少

對6#實驗機五周試運行期間煙包異位引起的卡阻停機次數進行統計分析，得到表3，卡阻停機次數平均每班為1次以下，單班最大停機次數為1次，連續維修時長僅在第一周出現過一天，其他時間內實時修復，對比改進前原機的卡阻停機次數（表1），改進后單班平均停機次數由原來的約19.6次減少到約0.32次，減少了98%，單班最大停機次數由原來的15～50減少到1次，詳情對比見圖9。

4? 結論

本實時同步傳送控制裝置在C600包裝機上實現了：實時測量煙包與轉煙器蜘蛛手的位置并調整入口煙包位置功能;主機與伺服控制器的聯機功能;人機交互功能。

改進后，實現了轉煙器蜘蛛手準確抓取煙包，卡阻停機次數平均每班由原先的19.6次減少到0.32次，平均減少了約98%，蜘蛛手與煙包相對位移量的精確控制能力大幅提升了約67%，可以從改進前較難控制的±6mm精準控制到±2mm，能夠大范圍兼容材料的變化和牌號變更頻次，保障產品交接的完整性，提升了系統運行的連續性和穩定性。本裝置設計樣機在某卷煙廠的C600包裝機上進行了試用考核，完全可以將該設計應用到其它相同或相近配置機型，比如G.DX1、G.DX2機組。

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