新型成型機(jī)無膠帶拼接裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馮銀龍 張永江 王巧娟 魯平

摘 要：在煙草行業(yè)中，傳統(tǒng)的盤紙拼接方式是使用雙面膠帶的有膠拼接，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力且增加了雙面膠帶耗材的使用。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，對(duì)L22成型機(jī)上的有膠拼接裝置進(jìn)行了無膠帶拼接改造，通過采用光輥、齒輥互相輥壓的方式，輔以相應(yīng)程序控制，從而實(shí)現(xiàn)成型機(jī)無膠帶拼接裝置的長(zhǎng)期、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，以提高生產(chǎn)效率，降低輔料消耗，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：拼接裝置;無膠帶拼接;伺服控制;自動(dòng)拼接

中圖分類號(hào)：TQ436+.1;U445.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）03-0120-04

Design and application of tape-free splicing device

for new molding machine

FENG Yinlong，ZHANG Yongjiang，WANG Qiaojuan，LU Ping

（China Tobacco Henan Industrial Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：

In the tobacco industry， the traditional reel splicing method is glue splicing using double-sided tape， which is time-consuming and labor-intensive and increases the use of double-sided tape consumables. Now combined with the actual production requirements， the glue-free splicing device on the L22 molding machine is modified without tape splicing. By using smooth rollers and toothed rollers to roll against each other， supplemented by corresponding program control， the long-term， efficient and stable operation of the tape-free splicing device of the molding machine is realized to improve production efficiency， reduce auxiliary material consumption， and reduce labor intensity of workers.

Key words：

splicing device;splicing without tape;servo control;automatic splicing

紙帶包裝是目前被廣泛采用的一種包裝（生產(chǎn)）方式，在煙草、糖果食品等領(lǐng)域被廣泛使用[1]。包裝紙帶在被使用之前，大多以紙帶卷的形式存在。當(dāng)一卷紙帶使用完畢后，需要與另一卷紙帶連接，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)[2]。目前，煙草行業(yè)所用紙帶連接裝置需要使用雙面膠、固態(tài)或液態(tài)粘接膠。成型機(jī)在生產(chǎn)中普遍使用人工粘貼雙面膠帶后續(xù)進(jìn)行自動(dòng)搭接[3]。

2015年，國(guó)外煙草公司開始研究卷煙紙（以下簡(jiǎn)稱成形紙）無膠帶拼接機(jī)構(gòu)[4]，我國(guó)從國(guó)外新引進(jìn)的某些設(shè)備在卷煙紙拼接方式上，已經(jīng)摒棄傳統(tǒng)用膠帶拼接。這套新型機(jī)構(gòu)應(yīng)用于高速機(jī)型的拼接機(jī)構(gòu)，自動(dòng)化程度高，可減少膠帶拼接工藝的人工操作[5]。但體積過于龐大，過程控制相對(duì)復(fù)雜，不適用于中低速機(jī)型的改造[6]。國(guó)內(nèi)煙草加工企業(yè)中，絕大多數(shù)廠家仍沿用傳統(tǒng)雙面膠帶拼接方式[7]。

在當(dāng)前煙草行業(yè)飛速發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境下，洛陽(yáng)卷煙廠提出了針對(duì)中低速成型機(jī)的無膠帶拼接裝置的研發(fā)工作。

1 無膠帶拼接裝置原理及結(jié)構(gòu)

1.1 無膠帶拼接的原理及可行性探討

無膠帶即放棄傳統(tǒng)雙面膠帶的使用，根據(jù)新的拼接原理來實(shí)現(xiàn)無膠帶拼接功能。根據(jù)卷煙紙的韌性較好以及材質(zhì)同時(shí)兼具一定的脆性的特點(diǎn)[8]，由此做以下嘗試。

將兩段卷煙紙重合在一起，用大頭針在紙上扎透出密密麻麻許多細(xì)小的孔洞，每一個(gè)孔洞均穿透兩張紙，紙張會(huì)在孔洞處發(fā)生形變。當(dāng)沿紙張平面方向進(jìn)行反向拉伸時(shí)，因?yàn)樵撔巫儍杉堥g會(huì)產(chǎn)生拉力，孔越多，拼接段能承受的拉力就越大。以此試驗(yàn)原理為基礎(chǔ)，研究無膠拼接的可行性，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，提出無膠帶拼接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

1.2 無膠帶拼接裝置的結(jié)構(gòu)

無膠帶拼接裝置主要由拼接底板、張緊輥、集紙槽、加速輥、加速電機(jī)、導(dǎo)紙軸（2套）、連桿、刀片組件、拼接機(jī)構(gòu)、拼接電機(jī)、過渡輥（3套）等組成，無膠帶拼接裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，張緊輥和加速輥互相配合，夾緊待續(xù)紙的紙頭;加速電機(jī)驅(qū)動(dòng)加速輥，使待續(xù)紙達(dá)到要求的速度;拼接電機(jī)具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，是拼接機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源。

2 無膠帶拼接裝置工作方式

2.1 無膠帶拼接裝置工作簡(jiǎn)介

正常工作時(shí)，工作盤紙依次穿過導(dǎo)紙軸2、拼接機(jī)構(gòu)、過渡輥2、過渡輥3后進(jìn)入下一工作階段。待續(xù)盤紙裝到紙盤架上后，將待續(xù)紙紙頭依次穿過導(dǎo)紙軸1、拼接機(jī)構(gòu)、過渡輥1，然后引導(dǎo)穿過張緊輥和加速輥中間并將盤紙壓緊，將紙頭置于集紙槽內(nèi)。工作紙盤快要耗盡時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)，加速輥開始加速，最終速度要稍高于工作紙的速度。接著，拼接輥開始動(dòng)作，帶動(dòng)刀片組件共同完成拼接、掐頭、去尾3個(gè)動(dòng)作。拼接功能完成，待續(xù)紙加速過程中剔除掉的盤紙收集于集紙槽內(nèi)。無膠帶拼接裝置工作示意圖如圖2所示。

2.2 無膠帶拼接結(jié)構(gòu)詳解

2.2.1 無膠帶拼接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

表面光滑的光輥和支軸組成的光輥組件，表面滾花處理的齒輥和支軸組成的滾花輥組件，這兩根軸系背后各有一參數(shù)完全相同的齒輪互相嚙合，通過聯(lián)軸器被拼接電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩輥?zhàn)油椒聪蜣D(zhuǎn)動(dòng)。拼接時(shí)，光輥、齒輥擠壓工作紙和待續(xù)紙，扎出密集的小孔，以在兩紙間產(chǎn)生拉力，實(shí)現(xiàn)兩段紙的無膠帶拼接功能。拼接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2 動(dòng)作要求

拼接機(jī)構(gòu)兩輥?zhàn)拥倪\(yùn)動(dòng)的位置和速度關(guān)系如圖4所示。首先，需要明確的是不能出現(xiàn)二次拼接，在一個(gè)拼接動(dòng)作里，輥?zhàn)又荒軘D壓接觸1次;其次，速度要達(dá)400 r/min，拼接輥的直徑是50 mm，計(jì)算得到拼接時(shí)的轉(zhuǎn)速至少達(dá)到2 547 r/min。

圖4（a）是不拼接的時(shí)候兩輥?zhàn)哟龣C(jī)的位置，拼接動(dòng)作時(shí)兩輥?zhàn)訌拇宋恢瞄_始同步反向加速;加速到圖4（b）所示位置，加速行程為200°，此位置也即兩輥?zhàn)娱_始接觸，即拼接開始的位置，此時(shí)速度要求達(dá)到至少2 547 r/min;保持至少2 547 r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)到圖4（c）所示位置，拼接總行程為120°，即兩輥?zhàn)臃珠_，即紙帶拼接結(jié)束的位置;拼接完成后輥?zhàn)娱_始減速，到圖4（d）所示位置時(shí)輥?zhàn)油耆Ｏ聛恚瑴p速行程最多為200°。隨后兩輥?zhàn)痈髯苑聪蜣D(zhuǎn)動(dòng)，回到圖4（a）所示待機(jī)的位置，等待下次拼接信號(hào)。

3 無膠帶拼接裝置

無膠帶拼接機(jī)構(gòu)是無膠帶拼接裝置的核心部件，要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：實(shí)現(xiàn)成形紙的同步接續(xù)（簡(jiǎn)稱 “拼接”）、待續(xù)紙接續(xù)后剔除前段余料（簡(jiǎn)稱“掐頭”）、工作紙接續(xù)后剔除后段余料（簡(jiǎn)稱“去尾”）。

3.1 “拼接”的實(shí)現(xiàn)方式

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：要實(shí)現(xiàn)成形紙的拼接并滿足一定張力，其關(guān)鍵點(diǎn)就在于兩輥?zhàn)又g的間隙。拼接輥和支軸的尺寸經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，按要求裝配好之后兩輥?zhàn)又g有一定的間隙（實(shí)際生產(chǎn)中放量在0.1～0.2 mm）;經(jīng)過測(cè)量，成形紙的單層厚度約為0.04 mm;在輥?zhàn)又g添加標(biāo)準(zhǔn)厚度墊片，通過改變兩輥?zhàn)又g間隙的方式來實(shí)現(xiàn)輥?zhàn)娱g不同的壓力，具體如圖5所示。

實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)過調(diào)整測(cè)試，兩輥?zhàn)舆_(dá)到一個(gè)比較理想的狀態(tài)。拼接持續(xù)段的拉力經(jīng)過測(cè)試，縱向抗張能量為7 J/m2，滿足目標(biāo)要求，即大于5 J/m2。

3.2 “掐頭”的實(shí)現(xiàn)方式

“掐頭”動(dòng)作需要張緊裝置、加速裝置以及拼接裝置的共同配合，將待續(xù)紙穿過加速輥和張緊輥并壓緊，如圖 2所示。當(dāng)工作紙即將消耗完，傳感器發(fā)出信號(hào)，待續(xù)紙開始加速，并且速度要稍微高于兩輥?zhàn)訅汉蠒r(shí)的速度。當(dāng)兩輥?zhàn)釉诩垘显龅谝粭l細(xì)密孔帶（同時(shí)也是紙帶上的應(yīng)力集中點(diǎn)）時(shí)，由于紙帶高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)其本身的張力也比較大，就會(huì)在第一時(shí)間于細(xì)密孔帶處斷裂。這樣，可以實(shí)現(xiàn)“掐頭”功能。

在項(xiàng)目試驗(yàn)的初期，讓工作紙、待續(xù)紙以及兩輥?zhàn)訅汉蠒r(shí)的速度在拼接時(shí)保持相對(duì)靜止，即三者速度一致;試驗(yàn)結(jié)果是雖然“拼接”成功，但卻沒有完成“掐頭”。這也從反面證明了待續(xù)紙速度要高于兩輥?zhàn)訅汉蠒r(shí)速度的必要性。這個(gè)待續(xù)紙相對(duì)于拼接輥的速度差，需要反復(fù)試驗(yàn)確定。速度差太大的話，會(huì)讓紙盤附近的紙帶抖動(dòng)太大;速度差太小的話，紙頭拉不斷。

3.3 “去尾”的實(shí)現(xiàn)方式

“去尾”動(dòng)作是依靠刀片組件的甩動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。刀片組件的支撐軸安裝在齒輥軸系上，但與齒輥是偏心的。拼接動(dòng)作時(shí)，電機(jī)急速轉(zhuǎn)動(dòng)，刀片由于偏心輪的帶動(dòng)會(huì)向上方抬起，碰到紙帶;同時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的紙帶本身張力比較大，在尖銳刀片的觸碰下，會(huì)瞬間被切斷。但如果不設(shè)限制的話，刀片抬的過高會(huì)把待續(xù)紙也切斷。由圖1可以看出，拼接機(jī)構(gòu)的刀片組件被導(dǎo)紙軸2上的連桿限制著，確保刀片運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)也不會(huì)碰到待續(xù)紙。而且，這套機(jī)構(gòu)經(jīng)過設(shè)計(jì)，保證兩輥?zhàn)訃Ш线^程走到一半時(shí)，刀片才會(huì)升到最高點(diǎn)。另外，兩拼接輥在壓合時(shí)的速度要稍微高于工作紙速度。原理同“掐頭”一樣。

3.4 對(duì)伺服電機(jī)的調(diào)教優(yōu)化

從前面“動(dòng)作要求”里了解到電機(jī)的加減速動(dòng)作非常劇烈：200°的行程就要從靜止加速至少到2 547 r/min，接著勻速轉(zhuǎn)過120°，最后在不超過200°的行程里要減速為0。所以，對(duì)于電機(jī)和控制系統(tǒng)的選擇以及調(diào)教是非常嚴(yán)格的。

設(shè)置以下定義：將待續(xù)紙速度稱為v1，將兩輥?zhàn)訅汉蠒r(shí)的速度稱為v2，將工作紙的速度稱為v3。從“掐頭”、“去尾”的實(shí)現(xiàn)方式，可以得出以下結(jié)論：v1>v2>v3。v1由加速輥提供加速，雖然速度最高，但因?yàn)闆]有行程的限制，電機(jī)的選擇和控制是比較簡(jiǎn)單的;難點(diǎn)在于v2，要在200°的行程內(nèi)線速度超過400 m/min，對(duì)電機(jī)的動(dòng)作要求是非常高的。項(xiàng)目初期通過行程對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)教，電機(jī)的總行程嚴(yán)格的控制在1周，但此時(shí)的結(jié)果并不理想。后來對(duì)電機(jī)改用電子凸輪的調(diào)教方式：手動(dòng)畫出電機(jī)所走的位置與速度的曲線，并對(duì)曲線反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化，最終得到如圖6所示的位置-速度曲線關(guān)系。

同時(shí)，使用Solidworks軟件對(duì)負(fù)載的各個(gè)零件進(jìn)行單獨(dú)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的分析計(jì)算，在保證強(qiáng)度的前提下盡可能的減輕負(fù)載慣量。通過反復(fù)優(yōu)化，最終得到兩套軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：光輥軸系9 000 kg·m2，齒輥軸系12 100 kg·m2。轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上，負(fù)載總慣量為21 100 kg·m2。

考慮到安裝空間的問題，選擇的電機(jī)主要參數(shù)為：額定扭矩1.9 N·m，額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量7 500 kg·m2。計(jì)算出的慣量為22 500 kg·m2，大于負(fù)載總慣量21 100 kg·m2，符合一般伺服電機(jī)選型原則。

4 結(jié)語(yǔ)

該無膠帶機(jī)構(gòu)的研制成果在成型機(jī)上已經(jīng)長(zhǎng)期使用，驗(yàn)證了整個(gè)裝置的可靠性，并實(shí)現(xiàn)了以下技術(shù)目標(biāo)：400 m/min成形紙自動(dòng)拼接;成形紙拼接成功率大于98%;單次拼接成形紙損耗控制在10 m以內(nèi);拼接段縱向抗張能量吸收大于5 J/m2;接頭剔除率99%。

此無膠帶拼接機(jī)構(gòu)布局合理、安裝方便，主要用于替代中低速機(jī)型的的膠帶拼接機(jī)構(gòu)。基于上述結(jié)果，后續(xù)的研究將繼續(xù)探索無膠帶拼接的效果及在各類型卷煙機(jī)的應(yīng)用改進(jìn)，在ZL22成型機(jī)上測(cè)試技術(shù)成熟后，會(huì)逐漸推廣應(yīng)用在ZL26、ZL29、ZJ17等機(jī)型上，以便能在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率，降低輔料消耗，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的前景目標(biāo)。

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