ITM全開式包裝機(jī)煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李志勇，劉長勝

廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄區(qū)新陽路1號 361022

ITM 全開式包裝機(jī)是由荷蘭ITM 集團(tuán)公司生產(chǎn)的一種中支煙包裝設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。由于該設(shè)備只包含小盒及小盒透明紙包裝機(jī)，沒有配備條盒及條盒透明紙包裝機(jī)，因此在生產(chǎn)中需要對YB65、YB95 等條盒包裝機(jī)進(jìn)行改造，以解決小盒包裝機(jī)與條盒包裝機(jī)之間無法實(shí)現(xiàn)煙包輸送和對接的問題。小盒透明紙包裝機(jī)輸出的煙包一般為水平放置，條盒包裝機(jī)則要求輸入煙包為1×10 立式包裝，因此需要設(shè)計(jì)一種煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)以完成上下游不同煙包形式的轉(zhuǎn)換。針對此，陸宇楨等［1］基于凸輪機(jī)構(gòu)往復(fù)式運(yùn)動特征設(shè)計(jì)了一種小盒煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，利用翻包模盒實(shí)現(xiàn)小盒煙包翻轉(zhuǎn)，將小盒煙包的包裝方式由二五平包改為立式包裝。羅文成等［2］針對FOCKE350S硬盒包裝機(jī)的小盒煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了反向轉(zhuǎn)動的圓錐齒輪機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)垂直塔部件，解決了小盒透明紙拉線搭口位置互換等問題。但上述裝置僅適用于單一機(jī)型，缺乏通用性，無法適用于ITM包裝機(jī)。為此，基于ITM 全開式包裝機(jī)設(shè)計(jì)了一種煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，以期快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)煙包翻轉(zhuǎn)和輸送，提高卷煙包裝設(shè)備運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由水平翻轉(zhuǎn)裝置1、垂直翻轉(zhuǎn)裝置3、轉(zhuǎn)角推送裝置4 等部分組成，見圖1。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個L 形通道［3］，通道前段是一條連續(xù)運(yùn)行的輸送帶2，輸送帶2 上方依次安裝了水平翻轉(zhuǎn)裝置1 和垂直翻轉(zhuǎn)裝置3，通過輸送帶2 的輸送完成煙包5 的兩次翻轉(zhuǎn)，然后進(jìn)入轉(zhuǎn)角推送裝置4；利用轉(zhuǎn)角推送裝置4 將煙包5 逐一推向通道后段，實(shí)現(xiàn)煙包立式包裝；L 形通道后段由兩條下同步帶6 和一條上同步帶7 組成，將煙包5 輸送至下游機(jī)，實(shí)現(xiàn)上下游包裝設(shè)備的對接。

圖1 煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of cigarette packet turnover system

1.2 煙包水平翻轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

1.2.1 工作原理

水平翻轉(zhuǎn)裝置由環(huán)形帶1、翻轉(zhuǎn)軸承2、支架3、同步帶4、輸送帶5 等部分組成，其作用是將橫向水平放置的煙包水平翻轉(zhuǎn)90°轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向水平放置，見圖2。煙包在頂部環(huán)形帶1 和底部輸送帶5 的同步輸送下向前運(yùn)動，經(jīng)過翻轉(zhuǎn)軸承2 時發(fā)生翻轉(zhuǎn)；環(huán)形帶1 的動力來自同步帶4，環(huán)形帶1 與輸送帶5 的運(yùn)行方向相同并保持同步，以保證煙包順利輸送；翻轉(zhuǎn)軸承2 通過支架3 固定，能夠上下左右進(jìn)行調(diào)節(jié)，以更好地適應(yīng)煙包翻轉(zhuǎn)功能。

圖2 水平翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of horizontal packet turning device

1.2.2 同步帶傳動結(jié)構(gòu)和帶輪參數(shù)

同步帶傳動結(jié)構(gòu)見圖3。主動輪4 將動力傳遞給從動輪3，從動輪3 與環(huán)形帶相連。張緊輪1對同步帶張緊，與支撐輪2 共同作用使主動輪4 和從動輪3 運(yùn)行方向相反，保證環(huán)形帶與輸送帶的運(yùn)行方向一致。

圖3 同步帶傳動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of synchronous belt driving

設(shè)主動輪轉(zhuǎn)速為n1，從動輪轉(zhuǎn)速為n2，已知n1=n2=200 r/min，電機(jī)功率P=120 W，可得：①同步帶傳動的設(shè)計(jì)功率Pd=120 W。②根據(jù)設(shè)計(jì)功率Pd和主動輪轉(zhuǎn)速n1，查表［3］可確定同步帶型號為L，節(jié)距Pb為9.525 mm。③查表可知同步帶的最小許用齒數(shù)Zmin=12 齒，在帶速和安裝尺寸允許下，齒數(shù)盡可能選用較大值，故確定主動輪齒數(shù)Z1和從動輪齒數(shù)Z2均為16 齒。④設(shè)主動輪的節(jié)圓直徑為d1，從動輪的節(jié)圓直徑為d2，d1=d2=Pb×Z1/π=9.525×16/3.14=48.54 mm。⑤帶速v=πd1n1/60 000=0.51 m/s ＜vmax，vmax為同步帶允許最大轉(zhuǎn)速，取40 m/s［3］。⑥在三維裝配圖中進(jìn)行測量，確定同步帶長度Ln=960.8 mm，已知節(jié)距Pb為9.525 mm，計(jì)算可得齒數(shù)為100.87 齒，取整為101 齒。⑦設(shè)基準(zhǔn)帶寬為bs0，查表取bs0=25.4 mm；主動輪嚙合齒數(shù)系數(shù)為Kz，查表取Kz=1；基準(zhǔn)額定功率為P0，查表取P0=0.12kW。根據(jù)文獻(xiàn)［4］可得，同步帶寬度bs≥查表選擇同步帶寬度為25.4 mm，主動輪和從動輪寬度為27 mm。

1.3 煙包垂直翻轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

1.3.1 工作原理

煙包垂直翻轉(zhuǎn)裝置由三角導(dǎo)向塊2、螺旋凸曲面6、螺旋凹曲面8 等部分組成，其作用是實(shí)現(xiàn)煙包垂直翻轉(zhuǎn)，見圖4。利用入口導(dǎo)向板4 將煙包7的左側(cè)與三角導(dǎo)向塊2 重合，三角導(dǎo)向塊2 的尖端低于輸送帶3 的厚度，且斜度小于30°；通過輸送帶3 的輸送，煙包7 左側(cè)實(shí)現(xiàn)初步傾斜，為煙包7進(jìn)入曲面通道做好準(zhǔn)備；螺旋凸曲面6 從開始均勻過渡到結(jié)束，相當(dāng)于一條直線由水平開始進(jìn)行切割，一邊切割一邊旋轉(zhuǎn)，直到旋轉(zhuǎn)90°，與水平直線垂直，切割出的曲面有利于煙包7 完成直立翻轉(zhuǎn)；螺旋凹曲面8 與螺旋凸曲面6 相互吻合，凹曲面與凸曲面相隔一包煙的距離，便于煙包7 實(shí)現(xiàn)直立翻轉(zhuǎn)。

圖4 煙包垂直翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of vertical packet turning device

1.3.2 ADAMS 仿真

煙包運(yùn)行速度最高為120 包/min，取安全系數(shù)為2，故理論運(yùn)行速度為240 包/min。利用軟件CATIA 建立三維模型裝配體，再導(dǎo)入ADAMS 軟件中進(jìn)行動力學(xué)仿真［5-8］。從仿真過程中可以看出，煙包能夠順利完成翻轉(zhuǎn)，在此過程中煙包首先與小三角塊發(fā)生接觸產(chǎn)生相互作用力，然后依次與凸曲面和凹曲面接觸產(chǎn)生作用力，具體受力情況見圖5。

圖5 煙包動力學(xué)仿真示意圖Fig.5 Simulation diagram of dynamics of cigarette packet

由圖6a 可見，煙包與小三角塊在剛接觸時產(chǎn)生的作用力最大，為7.6 N。由圖6b 可見，煙包在翻轉(zhuǎn)過程中與凸曲面發(fā)生接觸產(chǎn)生的最大作用力為2.2 N。由圖6c 可見，煙包在翻轉(zhuǎn)過程中與凹曲面發(fā)生接觸產(chǎn)生的最大作用力為3.5 N。對煙包進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)，利用壓力計(jì)檢測造成煙包損傷的最大擠壓力，結(jié)果表明煙包端角處承受的最大擠壓力為20 N。因此，系統(tǒng)中三角導(dǎo)向塊的斜度和曲面均能滿足設(shè)計(jì)要求，能夠順利完成煙包翻轉(zhuǎn)，保證煙包質(zhì)量。

圖6 煙包在翻轉(zhuǎn)過程中的受力情況Fig.6 Force exerted on cigarette packet during turnover

1.4 煙包轉(zhuǎn)角推送裝置設(shè)計(jì)

1.4.1 工作原理

煙包轉(zhuǎn)角推送裝置由上板組件5、下板組件2、左板組件1、右板組件3、推送組件4 等部分組成，其作用是改變煙包輸送方向，即由縱向轉(zhuǎn)為橫向輸送，見圖7。左板組件1 中包含檢測片和探頭，檢測片用于檢測是否有煙包輸入，當(dāng)輸入通道有一定數(shù)量煙包時，檢測片發(fā)生形變，探頭檢測到檢測片后向控制系統(tǒng)發(fā)送信號；右板組件3 具有一定的壓縮量，可以對煙包施加壓力，有利于煙包排列整齊；控制系統(tǒng)接到信號后，輸出控制信號發(fā)送給電磁閥，驅(qū)動推送組件4 中的氣缸帶動推桿頭完成推煙動作。

圖7 煙包轉(zhuǎn)角推送裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of deflective pushing device for packets

1.4.2 氣缸的選擇

普通雙作用氣缸的理論輸出力為：

式中：F0為氣缸理論輸出力，N；D 為氣缸直徑，mm；p 為氣缸工作壓力，取值0.5 MPa。

氣缸的負(fù)載率η是指氣缸的實(shí)際負(fù)載力F 與理論輸出力F0的比值。氣缸的實(shí)際負(fù)載力由工況決定，負(fù)載率η的選取與氣缸的負(fù)載性能及氣缸的運(yùn)動速度相關(guān)［9］。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本研究中選擇氣缸行程為30 mm。經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)，測得煙包推送力（實(shí)際負(fù)載力）F=20 N，煙包推送速度不超過240 包/min。氣缸行程包括推程和回程，氣缸速度約為240 mm/s，故選擇η=0.5。根據(jù)負(fù)載率η的定義和公式（1）計(jì)算可得，氣缸理論輸出力F0=F/η=40 N，D2=4F0/πp=101.9 mm，即所選氣缸的直徑要大于10.1 mm。為便于控制且避免在行程終端產(chǎn)生沖擊及噪聲，最終選擇帶磁感開關(guān)的緩沖氣缸ADNGF，型號ADNGF-20-30-P-A。

1.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制板、探頭、電磁閥、氣缸等部分組成，見圖8。通過檢測探頭將信號輸入控制板，控制板再將控制信號發(fā)送給電磁閥［10-11］，驅(qū)動推送組件動作，由氣缸帶動推桿頭完成推煙動作后復(fù)位，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)煙包轉(zhuǎn)角后，由縱向轉(zhuǎn)為橫向輸送。如果發(fā)生煙包堵塞，堵塞探頭1 發(fā)出報(bào)警信息，并使上游機(jī)（小盒透明紙包裝機(jī)）處于待機(jī)狀態(tài)，直至堵塞故障排除后上游機(jī)恢復(fù)運(yùn)行。當(dāng)煙包達(dá)到一定數(shù)量時，下游機(jī)啟動探頭8 控制下游機(jī)啟動，中速探頭7 與高速探頭6 控制下游機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)上下游包裝設(shè)備的順利對接。

圖8 L 形通道控制系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of L-shaped channel control system

由圖9 可見，當(dāng)上游機(jī)輸入的煙包進(jìn)入煙包轉(zhuǎn)角推送裝置時，觸發(fā)轉(zhuǎn)角推送啟動探頭1；當(dāng)煙包累積到一定數(shù)量時，觸發(fā)轉(zhuǎn)角推送啟動探頭2；經(jīng)PLC 控制，電磁閥換向，驅(qū)動氣缸完成推煙動作；當(dāng)氣缸運(yùn)行到最前方，氣缸到位探頭1 檢測到氣缸時，電磁閥換向，氣缸回退，直至回退探頭檢測到氣缸到位探頭2，由此完成一個推煙過程。在此過程中如果發(fā)生煙包堵塞，氣缸未在規(guī)定時間內(nèi)檢測到氣缸到位探頭1 或氣缸到位探頭2 時，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)信號并報(bào)警“推桿堵塞”。

圖9 煙包轉(zhuǎn)角推送裝置流程圖Fig.9 Flow chart of deflective pushing device for packets

2 應(yīng)用效果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“純香”牌卷煙（廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司）。

設(shè)備：ITM 包裝機(jī)（荷蘭ITM 集團(tuán)公司）。

方法：ITM 包裝機(jī)煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，設(shè)置運(yùn)行速度為100 包/min，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行時間和故障時間并計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行效率，運(yùn)行效率=［（運(yùn)行時間-故障時間）/運(yùn)行時間］×100%；根據(jù)GB5606.3—2005［12］對條盒外觀質(zhì)量進(jìn)行檢測。統(tǒng)計(jì)時間為3 個月，取平均值。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，ITM 包裝機(jī)使用煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)后，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行效率達(dá)到97.7%，不合格煙包數(shù)量為0，有效解決了煙包翻轉(zhuǎn)和輸送問題，實(shí)現(xiàn)了上下游包裝設(shè)備的順利對接。

表1 煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of cigarette packet turnover system

3 結(jié)論

根據(jù)ITM 全開式包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將水平放置的煙包經(jīng)過兩次翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)角推送，完成煙包的立式包裝，實(shí)現(xiàn)了上下游包裝設(shè)備的順利對接。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“純香”牌卷煙為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：ITM 包裝機(jī)安裝煙包翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)后，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行效率達(dá)到97.7%，煙包外觀質(zhì)量合格，能夠滿足生產(chǎn)工藝要求。