新型紙箱開包機折疊裝置的研制

甘 華，韋小榮，鐘志民

（廣西中煙工業有限責任公司南寧卷煙廠，廣西南寧 530001）

0 引言

近幾年企業對主機設備的有效作業率有更高的要求，以及卷煙廠對生產線自動化程度的提高，減少人員操作，降低勞動強度，實現設備“無人操作”，卷煙廠制絲車間開包崗位急需解決的問題是怎樣提高設備執行的成功率。制絲車間紙箱開包機折疊裝置由于設計缺陷，煙箱折疊的成功率僅為45%，折疊不成功時，需人為停機，并進行人工折疊，過程耗時較長，嚴重影響了生產效率及設備的“凈有效作業率”，并且需配備專人進行人工折疊，增加了生產成本。此外紙箱折疊區域內空間狹小，機器交錯，有機械手、翻箱機誤動作傷人的安全風險，人員頻繁進入該區域有極大地安全隱患。通過對紙箱開包機折疊裝置工作原理的研究分析，制作了新結構和新材料的折疊裝置，最終實現紙箱的一次性打開。此文為一個新型紙箱開包機折疊裝置闡述，實現了紙箱開包機折疊成功率的大幅提升[1]。

1 紙箱開包機概況

1.1 紙箱開包機結構

紙箱開包機主要由X 軸組件、Y 軸組件、Z 軸組件、脫箱夾具、安全門以及電控部分等組成。

X 軸組件是整個設備的基礎，多種運動單元均安裝于X 軸組件上。X 軸組件主要由X 軸運動器件和各機架構件等裝配組成。由伺服電機帶動同步帶導軌運轉，可將安裝于X 軸組件上的運動單元移送至設定的工位。在軸組件的左、右框梁及前框梁上設有工作檢修平臺。

Z 軸組件安裝于Y 軸的運動器件上，主要由安裝座、端板、Z 軸拖鏈和同步帶導軌和位置檢測器件等組成。由伺服電機帶動同步帶導軌運轉，可控制聯接于Z軸組件上脫箱夾具的升降運行，將脫箱夾具移送至夾取、放置內外紙箱及扎取紙墊（板）的操作工位。

脫箱夾具主要完成夾取、放置內外紙箱及扎取紙墊（板）的功能，是整個紙箱開包機的執行機構主要由安裝板、扎取機構、左右夾臂、夾緊裝置、吸盤組件和氣動系統等組成。安裝板是脫箱夾具的安裝基礎，扎取機構直接安裝于安裝板上，左右夾臂通過直線導軌副、氣缸與安裝板聯接；夾緊裝置、吸盤組件安裝在左右夾臂上。氣動系統也安裝在安裝板上，控制氣缸的動作及使吸盤內產生一定的真空度。左右夾臂在氣缸的作用下能在一定范圍內移動并固定位置；扎取機構在氣缸的作用下可上下移動；夾緊裝置在氣缸的帶動下能推進推出[2]。

1.2 紙箱開包機工作原理

當來料煙包抵達脫外箱工位帶式輸送機的設定位置時停住，紙箱開包機的各軸從外箱待機點啟動，脫箱夾具運動到脫箱工位，左右夾臂定位氣缸動作分別拉動左右夾臂靠近煙包，光電開關給出信號，夾臂定位氣缸停住并鎖緊，同時真空發生器工作，吸盤抽空使得煙包外箱與內箱形成一定間隙，夾緊裝置氣缸動作夾緊煙箱，然后Z 軸向上運動，脫箱夾具將外紙箱夾住抱起到高位，隨各軸運行到紙箱折疊碼垛機的紙箱折疊裝置正上方[3]。Z 軸向下運動，脫箱夾具下降，放下空紙箱后回升至高位。由紙箱折疊碼垛機完成對空紙箱的折疊和碼垛。脫箱夾具隨各軸運行回到煙箱正上方，Z 軸向下運動，脫箱夾具下降到位，脫箱夾具上的扎取機構伸出將覆蓋在片煙上的紙墊或紙板扎取后，脫箱夾具隨各軸運動至紙墊或紙板的回收位置，將扎取的紙墊或紙板放下。此后，各軸啟動，脫箱夾具運行至夾取內紙箱的待機點。同時被取掉外紙箱及上紙墊的煙箱由帶式輸送機輸送至翻箱機，翻箱機啟動將煙箱翻轉180°后輸岀到另臺帶式輸送機上，當煙包抵達脫內箱工位時并停住，紙箱開包機的各軸從內箱待機點啟動，重復上述夾取外紙箱及上紙墊動作，將內紙箱和下紙墊取出，完成將紙箱與煙坯自動分離的功能。脫箱夾具回到外箱待機點，等待處理下一個煙箱，紙箱開包機工作原理如圖1 所示。

圖1 紙箱開包機工作原理

紙箱開包機將包裝標準的煙包實現紙箱和薄膜與片煙的分離后，通過升降輸送機的升降運動，把片煙輸送到指定的工位。將內外箱折疊碼垛后捆扎起來，通過輸送通道將捆扎好的紙箱垛輸送到紙箱回收處。

1.3 紙箱開包機折疊裝置工作原理。

折疊裝置主要工作原理是通過煙箱從高處落下，與折疊裝置主機架相互接觸，將煙箱的重力勢能轉化為機架打開煙箱兩個長箱蓋的動能，接著兩側副機架將兩個短箱蓋打開，最終將煙箱打開折疊到位[4]。

1.4 紙箱開包機折疊裝置存在問題

因為原折疊裝置的機架設計原因，需要與煙箱箱蓋有較大動能的平衡撞擊才可以完全將煙箱打開并折疊，但是由于現有的煙箱下落高度不足，且機械手放開煙箱讓其下落時，六個吸盤放開的時間因為煙箱表面平整度的原因有輕微的不同步，因此無法提供足夠的撞擊動能以及平衡的撞擊條件，最終導致原煙箱折疊裝置成功率不高[5]。

2 新型紙箱開包機折疊裝置設計

2.1 結構設計

針對原開包機折疊裝置存在的弊端，結合折疊煙箱的基本原理，經過研制小組討論和分析論證，決定研制新型紙箱開包機折疊裝置，具體設計分析如下。

（1）根據原折疊裝置的設計缺陷（無法提供足夠的撞擊動能），研制小組將新型折疊裝置的主機架第一接觸點由原來接近箱蓋邊緣設計為箱蓋的黃金分割點（根據黃金分割原理以及杠桿力學定律黃金分割點撞擊能最大程度將重力勢能轉化為箱蓋翻起的動能）。

（2）根據原折疊裝置的設計缺陷（無法提供平衡的撞擊條件），研制小組將主機架與副機架的機架高度差由原來的10cm 提升至25cm，同時將副機架結構由原來的斜角點撞擊改為平衡均勻撞擊，讓長箱蓋充分打開后，再打開短箱蓋，高度差提升后，打開短箱蓋的重力勢能較原來更大，均勻撞擊后，短箱蓋翻起方向豎直，不與長箱蓋產生額外的摩擦力，從而解決不平衡撞擊后長短箱蓋相互影響打開的問題，如圖2 所示。

由于永川區耕地后備資源缺乏, 建設用地擴展與耕地保護矛盾突出, 永川區農村居民點復墾應以增加耕地面積為主要目標。因此，根據前述方法和相關資料，計算出當前(2010年)永川區的土地資源承載力指數，同時結合相關學者的研究[19-21]以及永川區實際生態環境脆弱性情況，重新進行土地資源承載力等級劃分(如表3所示)；其次采用1/3法，將其規劃期間(2010-2020年)的復墾潛力系數劃分為高、中、低3個標準區間；最后，借助ArcGIS9.3工作平臺的疊加分析功能, 將永川區分為4類復墾區，分別命名為優先復墾區、重點復墾區、一般復墾區和適度復墾區(如表4和圖1所示)。

圖2 結構設計

2.2 主要制作材料的選擇

2.2.1 折疊裝置主體結構材料的選擇

研制小組根據原折疊裝置的材質，以及煙箱下落正常工作時產生的重力勢能大小，所選材料的屈服強度要求大于300MPa，以保證新型煙箱折疊裝置經久耐用，同時也要保證每個機架重量不能超過10kg，否者折疊裝置在折疊過程中很容易損壞機座的旋轉軸承，為了保證滿足強度要求，以及防止部件損傷，因此研制小組選擇直徑20mm 的碳鋼空心管作為折疊裝置機架主體結構的制作材料[6]。

2.2.2 折疊裝置機架座材質的選擇

研制小組分析機架座所需承受煙箱左右轉動折平所帶來的沖擊力較大，需要屈服強度大于350MPa 的材料，同時根據易加工、成本低的要求，研制小組選擇了鑄鐵作為機架座的材料。新型紙箱開包機折疊裝置如圖3 所示。

圖3 新型紙箱開包機折疊裝置

3 研制驗證

3.1 單機驗證

為了初次檢驗新型紙箱開包機折疊裝置是否滿足設計要求，采用單機驗證的方式進行。研制小組模擬脫箱夾具夾取紙箱到新型紙箱開包機折疊裝置正上方，打開夾臂，使紙箱自由下落，下落結束后，觀察紙箱的兩個長箱蓋和短箱蓋能否順利打開，并且折疊動作是否流暢，未出現卡塞現象。

單機驗證步驟：從外箱待機點啟動，脫箱夾具運動到脫箱工位，脫箱夾具下降后左右夾臂加緊紙箱，脫箱夾具將外箱夾住抱起到高位，運動到新型紙箱開包機折疊裝置上方，打開左右夾臂，紙箱下落。接下來脫箱夾具運動到內箱待機點，當內箱有任務信號后，脫箱夾具運動到脫箱工位，脫箱夾具下降后左右夾臂加緊紙箱，脫箱夾具將外箱夾住抱起到高位，運動到新型紙箱開包機折疊裝置上方，打開左右夾臂，紙箱下落。單機驗證步驟完成[7]。

3.2 聯動驗證

為了驗證新型紙箱開包機折疊裝置在生產過程中能否提升紙箱折疊的成功率，因此研制小組采用批次聯動生產驗證的方式，生產線按正常工藝流程啟動，根據聯動信號正常啟動紙箱開包機，并將實時記錄紙箱開包的成功次數，分析統計新型紙箱開包機折疊裝置的折疊成功率。最終統計結果為煙箱折疊的成功率是99%，能有效保證生產的正常進行，而且省去了人工輔助折疊煙箱的工序，減少人工成本，提高了設備運行效率，且解決了人員進入生產中的開包折疊區域帶來的安全隱患，目前已在開包機A、B 兩條生產線正常使用，得到了生產操作人員的認可。

4 結語

通過對該新型紙箱開包機折疊裝置的研制說明，證明了該裝置實現紙箱打開并折疊是非常可靠的。新的紙箱開包機折疊裝置結構能夠有效地先打開紙箱兩個長箱蓋，后再打開兩個短箱蓋，最終實現箱蓋的完全打開，從而提升了折疊裝置的折疊成功率。

該新型紙箱開包機折疊裝置的研制，有效提升煙箱折疊的成功率，提高設備凈有效作業率，減少操作人員進入開包折疊區域，消除設備的安全隱患。同時也驗證了這一技術方案的可靠性，為具有同類型開包設備的卷煙廠提供借鑒經驗。