ZJ17卷煙機上膠裝置

劉世明 王 劍 趙澤玉 景玉輝 施友志

(湖北中煙工業有限責任公司，湖北 武漢 430040)

ZJ17卷接機組具有高生產率，高可靠性的優點，是中國卷煙企業的主要生產設備[1]。該機組在使用預打孔接裝紙進行生產時，按照卷煙產品生產質量工藝技術要求，必須保證接裝紙膠線位置與接裝紙裁切位置同步，若不符合要求，需要人工對上膠裝置進行調整，而完成一個調整周期，會浪費大量煙支且耗時長。而且當上膠裝置拆下清洗或上膠裝置出現故障進行維護后，重新安裝至設備又需要重新進行膠線對位和查驗。針對該問題，劉瀾波等[2]對ZJ17接裝紙膠位進行了微調裝置設計，實現了不停機調整涂膠相位的功能，提高了卷接設備的運行效率；張衛賓等[3]對控膠輥進行了調整，加寬了控膠輥的涂膠區，改善了煙支的搓接質量；趙龍等[4]對預打孔接裝紙間隔涂膠問題進行分析，優化了供紙輥和壓紙輥，確保了產品質量的穩定性；劉長龍等[5]對接裝紙涂膠偏移故障進行分析，調整控膠輥和上膠輥線速度使其保持一致，解決了涂膠區相位漂移的問題。以上改進措施和方法，在人工調整的方便性、快捷性上起到了一定作用和效果，但仍未能實現預打孔接裝紙無膠區涂膠狀況由人工檢測、人工調整到機器自主檢測、自主糾偏的現狀。

通過研究ZJ17卷接機組接裝機部分的上膠裝置，擬設計一種新型的膠輥相位對位裝置。該裝置的動力輸入脫離機組主傳動系統，由伺服電機獨立驅動上膠裝置，利用先進的傳感器技術實時精確測量膠線位置，測量結果傳輸到控制器后，將控制信號發送到伺服電機，伺服電機根據膠線偏移量信息，驅動上膠裝置自動調整膠輥相位，達到實時檢測、控制膠線位置的目的，以降低人工調整膠輥相位產生的廢品，縮短調整時間，降低停機次數，提高生產效率。

1 問題分析

ZJ17卷接機組接裝紙現有上膠裝置如圖1所示，在煙支的自動化生產過程中，需要先在接裝紙上進行涂膠，然后按所需尺寸剪切接裝紙。設備正常生產時，第一下膠輥2將膠液輸送至第一上膠輥1上，并在第一上膠輥1表面上形成膠線，再通過第一上膠輥1將膠線轉移到接裝紙上。第一上膠輥1安裝在傳動軸上，第一下膠輥2通過傳動齒輪與第一上膠輥1傳動軸上的齒輪嚙合，實現上膠裝置的動力傳輸。為了使傳動軸能夠在停機狀態下依然能夠帶動第一上膠輥1和第一下膠輥2轉動，避免膠水干結，在傳動軸的端部安裝有膠漿電機，膠漿電機始終保持轉動，且轉速低于主傳動轉速。設備運行時，在離合齒輪的作用下，主傳動帶動上膠裝置動力輸入傳動軸旋轉，上膠裝置按照與主傳動系統的速比關系運行；當主傳動隨生產設備停止運行后，由膠漿電機帶動上膠裝置動力輸入傳動軸，上膠裝置繼續保持低速轉動。上膠裝置采用該傳動方式，結構復雜，零件繁多，故障率高，需要定期進行檢查和維護，不利于生產經營工作。

1. 第一上膠輥 2. 第一下膠輥 3. 調節裝置

根據卷煙產品生產工藝質量要求，ZJ17卷接機組在實際卷煙生產中，接裝紙的上膠方式分為連續上膠和間隔上膠兩種形式。當使用常規接裝紙時，上膠裝置采用連續上膠方式，此時膠輥的相位無嚴格的同步技術調整要求；而當使用預打孔接裝紙時，上膠裝置采用間隔上膠方式，設備正常生產前，必須對膠輥的相位進行同步調整。具體調整操作步驟和方法為：機器首先試生產，由人眼辨別接裝紙無膠區的涂膠情況是否符合工藝要求，若涂膠位置不符合工藝要求，需人為停機后手動調整第一下膠輥2的相位，使其預打孔接裝紙上的涂膠情況處于調節裝置3預定的調整范圍內；再通過調節裝置3進行手動精確調整，確保裁剪的接裝紙片無膠區(圖2)不涂膠。此操作過程繁瑣，調整時間長，浪費大，嚴重影響生產效率。而且，當設備進行例保或上膠裝置出現故障時，需拆卸上膠裝置進行維護，再次將上膠裝置安裝到設備上后，又需人工對第一下膠輥2的相位進行找正，若位置找正不準確，也會造成廢品煙支，影響工作效率。

圖2 接裝紙涂膠工藝圖

2 改進方法

對ZJ17卷接機組原上膠裝置的結構和原理進行分析，設計了一種新型膠輥相位自動對位裝置，以解決原上膠裝置在使用預打孔接裝紙生產時，膠輥人工對位不方便、不快捷的問題。

2.1 結構組成

預打孔接裝紙膠輥相位對位裝置主要由以下兩部分組成：預打孔接裝紙膠線檢測系統和上膠裝置獨立驅動系統。

預打孔接裝紙膠線檢測系統由傳感器測量系統、嵌入式控制器、IO高速超采樣模塊、膠線自動調整機構、觸摸屏以及連接電纜等組成(圖3)。各部分之間的電氣連接方式分別為：傳感器測量系統與IO高速超采樣模塊采用0～10 V DC信號，通過RVVP屏蔽電纜進行連接；IO高速超采樣模塊與嵌入式控制器采用E-bus總線，通過兩模塊的對接插口進行連接；觸摸屏與嵌入式控制器采用ModbusTCP總線，通過網線進行連接；嵌入式控制器與膠線自動調整機構采用EtherCAT總線，通過網線進行連接。

圖3 預打孔接裝紙膠線檢測系統結構示意圖

上膠裝置獨立驅動系統主要由軸編碼器、伺服電機、上膠裝置等組成。伺服電機與軸編碼器形成電子齒輪，驅動上膠裝置正常生產時與機器同步運行。

2.2 預打孔接裝紙膠線自動檢測系統

在實際生產過程中，預打孔接裝紙切割時有嚴格的相位要求，準確調整涂膠相位是該設備操作的技術要點。如果涂膠相位不準確，上膠位置超前或滯后，接裝紙搭口會因缺膠而造成煙支搓接不牢現象。接裝紙膠線位置不準確，乳膠滲透到接裝紙外表面以后，易粘附在導紙輥、補償輥、切紙輪、切刀等部件的表面形成積膠，設備長時間運行后，堆積的膠垢會造成煙支皺嘴、泡皺、搭口翹邊、接裝紙粘貼不齊等質量缺陷。因此，研究中采用了預打孔接裝紙膠線自動檢測系統，對接裝紙的涂膠狀況進行實時檢測和監測。

預打孔接裝紙膠線自動檢測及調整系統利用微波介質諧振振蕩器(DRO)產生微波信號[6]，分時發送到各微波諧振腔作為檢測信號，照射到涂膠后的接裝紙上，利用接裝紙涂膠層的厚度不同導致的涂膠層水分子的介電常數差異[7]，采集微波諧振腔的諧振頻率及諧振幅度信號。微波諧振腔的輸出信號經過微波PIN單刀多擲開關將3路或5路合為一路傳送到檢波放大器[8]，檢波放大器根據不同的微波信號檢出直流電平，將其放大并將所需波動幅度范圍內的電壓值傳送到信號處理電路。檢測到的輸出信號通過A/D轉換為數字信號，由數據處理器進行數據處理，定時采樣電路用于控制采樣速度和采樣周期。

設備首次開機過程中，傳感器檢測到膠線位置并且結合軸編碼器信號，系統自動計算出切口到檢測傳感器長度，根據實際涂膠偏移量，驅動伺服電機調整膠線位置達到理論位置。該自動調整機構的上膠輥傳動脫離主傳動，運用伺服電機獨立驅動，改進上膠輥傳動軸，取消膠缸攪動電機。

2.3 上膠裝置獨立驅動系統

開發設計的膠輥相位對位裝置保留了原裝置中的上膠輥、下膠輥、膠缸組件等常用零件，確保了與原裝置零件的統一和互換。在線檢測系統安裝在上膠裝置與膠后加熱器之間[9]，微波檢測探頭安裝在涂膠后的接裝紙下方。為實現膠輥相位自動調整功能，在MAX接裝機部分增加軸編碼器裝置，與上膠裝置電機形成電子齒輪，傳感器通過實時檢測膠線位置，將數據傳輸到數據處理器，與系統設定參數比對分析后，根據偏移量驅動伺服電機調整膠輥相位，達到上膠裝置與整機同步，實現精準涂膠。該系統傳動立體圖如圖4所示，包括主動輪3和從動輪4，主動輪3固定安裝在伺服電機1的軸上，從動輪4固定安裝在第一轉動軸2上，從動輪4與主動輪3嚙合。

1. 伺服電機 2. 第一傳動軸 3. 主動輪 4. 從動輪 5. 防護罩

如圖5所示，上膠裝置獨立驅動系統包括伺服電機1、第一傳動軸2、上膠輥3和供膠裝置。伺服電機1通過齒輪傳動與第一轉動軸2連接，上膠輥3固定套裝在第一轉動軸2上。供膠裝置布置在與上膠輥3相對的位置，包括膠缸4、下膠輥5和第二傳動軸6。下膠輥5位于膠缸4內的膠液中，下膠輥5將膠液輸送至上膠輥3上，在上膠輥3表面形成膠線，通過上膠輥3將膠線轉移到接裝紙上，再由后續工序完成單張接裝紙切割、煙支搓接、煙支分切、煙支調頭、煙支檢測、煙支輸出等工藝任務[10]。

1. 伺服電機 2. 第一傳動軸 3. 上膠輥 4. 膠缸 5. 下膠輥 6. 第二傳動軸

設備運行時，膠線檢測裝置對膠線位置進行實時監控，上膠裝置獨立驅動系統的伺服電機根據檢測到的偏移量實現膠線位置自動調整；設備停止運行后，伺服電機1依然驅動第一轉動軸2轉動，并同步帶動上膠輥3和下膠輥5轉動，防止膠水干固凝結在上膠輥3和下膠輥5上。

預打孔接裝紙膠線檢測調整自動控制，采用膠線切口位置設定值與膠線自動檢測調整相結合的方式。軸編碼器信號設置成虛擬軸模式，編碼器原點脈沖信號和卷煙機主軸煙支切口位置形成固定的對應關系，控制系統根據此對應關系，設定膠輥伺服電機膠線切口位置的預設值。當設備停機時，系統進入攪漿工作模式，膠輥低速運行以避免膠水凝固；當設備啟動后，膠輥由伺服驅動電機與編碼器虛擬軸進行位置速度耦合，根據生產工藝要求設定的傳動比和切口位置偏移量，與卷煙機主軸以隨動模式運行。在隨動模式下，膠線傳感器自動檢測，將實時檢測的膠線位置數據傳輸到數據處理器，與系統設定參數比對分析后，驅動伺服電機根據偏移量調整膠輥相位，達到上膠裝置與主傳動系統同步。

采用伺服電機獨立驅動和膠線位置自動檢測調整的膠輥相位對位裝置，保留了原機操作按鈕的布局和操作習慣，利于操作人員快速熟悉該裝置的使用，使生產操作更加方便快捷，膠線位置控制更加準確可靠。當根據生產要求，需要變換接裝紙規格時，只需在人機交互界面對品牌參數進行簡單修改，即可實現膠線位置適應生產需求，避免了設備反復開停機調試驗證時間。

該裝置的人機界面交互友好，能夠實時顯示膠輥電機狀態、運行速度、膠線位置檢測值曲線等，畫面簡潔直觀。人機交互界面還具備故障報警顯示功能，當該裝置發生檢測傳感器故障、編碼器故障、伺服電機報警等異常情況時，系統自主診斷，在人機交互界面故障顯示區能及時顯示故障內容和發生故障的位置。若發生嚴重過載故障時，系統會自主及時發出停止工作指令，避免整個系統或機組損壞。另外，該膠輥相位對位裝置也能夠在人工手動調整和系統自動調整兩種狀態之間，實現手動/自動狀態快速隨意切換與運用。

3 應用效果

預打孔接裝紙膠輥相位對位裝置，是傳感器技術、計算機科學、信息學、自動控制學、機械學相結合的系統設計。各種學科知識相互融合，相互交叉，采用適宜傳感器精確測量膠線位置，測量信號實時傳輸到工控機，工控機將測量結果與預定參數進行比對和判斷，驅動伺服電機自動實時調整膠輥相位，確保預打孔接裝紙無膠區不涂膠。結合表1、表2數據，設備初次調試時間明顯降低；減少了停機次數，調試浪費煙支由改造前的3萬支以上降低到1 000支以內，降本增效顯著。

表1 主要技術指標

表2 預打孔接裝紙效果對比分析

4 結論

通過實踐運用測試，膠輥相位對位裝置結構簡單，安裝方便。同時，該膠輥相位對位裝置可自動檢測膠線位置并自我糾偏，實現了預打孔接裝紙無膠區涂膠狀況由人工檢測人工調整到機器自主檢測自主糾偏的變化，顯著縮短了機器調試時間，降低了調試中產生的煙支浪費數量，提高了生產效率，有效提高了設備運行效率和卷煙產品質量。該技術也可推廣應用到ZJ17、ZJ118、ZJ112等機型。