調(diào)配線原料罐自動開蓋機構(gòu)改進設(shè)計

宋 柳， 王 磊， 陳繼堂， 程 潮

（北京航天試驗技術(shù)研究所， 北京 100074）

0 引言

近年來， 我國煙草行業(yè)的發(fā)展取得了舉世矚目的成就。據(jù)調(diào)查，我國的卷煙以及煙葉產(chǎn)量已經(jīng)達到了世界第一的水平。此外，卷煙的生產(chǎn)以及加工工藝技術(shù)也取得了突破性的進展。但隨著居民生活水平的提高，卷煙的消費需求也越來越多元化。 隨著卷煙在“減焦降害”方面的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)香煙的煙味變淡，香氣不足，勁頭變小。這時在卷煙中添加香精香料，不僅可以起到減焦降害的作用，也可以極大地改善香煙的口味。此外，隨著生活水平的不斷提高， 人們對卷煙的香味以及吃味提出了多種多樣的要求。 這也對作為卷煙中的主要的添加成分的香精香料提出了多樣化的生產(chǎn)需求。 2009 年，中國國家煙草專賣局啟動了卷煙增香保潤重大專項， 提出提高卷煙物理保潤性能、 新型香料開發(fā)應(yīng)用和加香加料提高煙葉使用價值三大關(guān)鍵研究領(lǐng)域， 目前在香精香料的調(diào)配使用等領(lǐng)域取得了較好的發(fā)展效果。

而隨著煙用香精香料添加工藝的不斷發(fā)展， 在卷煙的生產(chǎn)制造過程中，香精香料的需求量也在不斷的增加，這就對香精香料的生產(chǎn)能力提出了嚴格的要求。 煙用香精作為卷煙的關(guān)鍵組成成分， 在卷煙產(chǎn)品中起到風格塑造及矯味增香的作用， 相應(yīng)的煙用香精調(diào)配生產(chǎn)工藝在卷煙的制造過程中也作為其中重要的組成部分被不斷的改進以及優(yōu)化。

針對香精香料的自動化生產(chǎn)需求， 某廠提出了煙葉提取物調(diào)配線項目。 該項目對標國內(nèi)最先進的移動穿梭車配料工藝與桁架機器人自動上料工藝， 同時引進自動堆碼垛系統(tǒng)，在設(shè)計理念上達到國內(nèi)先進水平，符合香精香料生產(chǎn)加工中心的生產(chǎn)需求。

1 研究背景

1.1 系統(tǒng)簡介

如圖1 所示，該調(diào)配線系統(tǒng)主要由人工預(yù)配料、原料存儲區(qū)、調(diào)配區(qū)以及灌裝區(qū)組成。

圖1 調(diào)配線三維布局圖

其中，人工預(yù)配料主要實現(xiàn)香原料的人工預(yù)調(diào)配。 由于調(diào)配線的單次生產(chǎn)總重量為500kg，因此對于質(zhì)量占比較少的一部分原料自動化下料的效果不理想， 加上有些香原料的組成成分過于復(fù)雜，無法通過調(diào)配線進行生產(chǎn)。因此，需要通過人工調(diào)配區(qū)域的小調(diào)配罐，將該部分原料調(diào)配好，再將調(diào)配好的香料送入原料存儲區(qū)域進行暫存，為這部分原料的調(diào)配線二次調(diào)配做準備。

原料存儲區(qū)由72 個原料罐組成，包括 100L 原 料 罐、200L 原 料 罐、300L原料罐以及500L 原料罐。 其主要功能是實現(xiàn)對香精香料原料的暫時存儲， 等待下一步的調(diào)配。 每個原料罐所具備的功能大致相同，分別為：自動開關(guān)蓋、自動下料，實時重量顯示以及自動攪拌功能。由于原料罐位于二層平臺之上，因此原料的自動下料可以通過自身的重力進行，從而將原料加入調(diào)配罐進行下一步的調(diào)配。

調(diào)配區(qū)主要由貨叉式穿梭車、調(diào)配罐、調(diào)配工位以及攪拌站組成。通過貨叉式穿梭車，將調(diào)配罐放置于對應(yīng)的落料工位上進行下料， 待各種原料按照一定的比例加入后，通過貨叉車將調(diào)配罐送入攪拌工位進行攪拌，攪拌完成后送入灌裝工位進行灌裝。 該區(qū)域主要功能是控制調(diào)配罐在不同的工位之間的流轉(zhuǎn)。

灌裝區(qū)主要由灌裝機、碼垛機器人以及托盤輸送機組成。 送入灌裝工位的調(diào)配罐，通過管道與灌裝機的灌裝口進行連接。 當一批次的香料調(diào)配完成后，通過灌裝機進行灌裝，再由托盤輸送機輸送對應(yīng)的托盤，碼垛機器人進行碼垛，完成一批的碼垛后，可將調(diào)配好的香料送入庫房。

在整個調(diào)配線的工藝流程中， 自動上料工藝是調(diào)配工藝的主要組成部分， 通過桁架機器人將原料桶運送至對應(yīng)罐體附近， 通過桁架機器人的運動實現(xiàn)原料的倒料功能。在整個過程中，原料罐手孔蓋自動開關(guān)功能的穩(wěn)定性直接影響了整個工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 對整個系統(tǒng)的流暢運轉(zhuǎn)起到了不小的作用。因此，在整個系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，有必要對原料罐開關(guān)蓋的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，以提高設(shè)備的穩(wěn)定性。

1.2 問題概述

在傳統(tǒng)的設(shè)計中，原料罐的自動開蓋機構(gòu)往往采用氣缸帶動手孔蓋的方式進行手孔蓋的自動開關(guān)，見圖2。 手孔蓋的手柄在氣缸的推動下，繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，手孔蓋被打開。通過控制氣缸的動作，即可實現(xiàn)手孔蓋的自動開啟或者關(guān)閉。 此外，手孔蓋在關(guān)閉狀態(tài)下，由于氣缸的拉力作用，其處于鎖死的狀態(tài)，保證罐體具備一定的密封性。

圖2 原料罐開蓋機構(gòu)示意圖

原料罐的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，在手孔蓋關(guān)閉的過程中，原料罐手孔蓋非常容易出現(xiàn)卡滯的情況。 見圖3，在關(guān)蓋過程中，手孔蓋與手柄的角度會產(chǎn)生變化，導(dǎo)致手孔蓋剛好以一定的角度卡在罐口的位置，無法保證手孔蓋與罐口之間無法密封。這種現(xiàn)象會導(dǎo)致香料與外界的密封不完整，香料氣味溢出，不符合香精香料的生產(chǎn)要求。 同時，開蓋過程中，也會出現(xiàn)死點位置，導(dǎo)致手孔蓋不能打開，開蓋失敗。而在實際上料的過程中，該機構(gòu)開關(guān)與上料工藝之間的聯(lián)系較為緊密，因此，該自動開關(guān)蓋機構(gòu)的穩(wěn)定開關(guān)對加注工藝的穩(wěn)定性具有較大的影響。

圖3 原料罐卡蓋問題示意圖

另一方面， 由于該生產(chǎn)線中的原料罐共有72 個，其數(shù)目較多，若要對原料罐的開關(guān)蓋進行重新設(shè)計，必然會帶來成本的大規(guī)模增加。因此，為了解決原料罐手孔蓋的卡滯問題，必須對原有的開關(guān)蓋機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

2 優(yōu)化方案

2.1 問題分析

通過對調(diào)配線現(xiàn)場的每個原料罐均進行開關(guān)蓋的試驗，并觀察每個原料罐手孔蓋關(guān)閉的過程中發(fā)生的現(xiàn)象。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)， 原料罐在關(guān)蓋過程中是通過手柄轉(zhuǎn)動的方式進行關(guān)閉，因此在關(guān)閉過程中，手孔蓋不同位置所受到的阻力不同，此時在手孔蓋上會產(chǎn)生一定大小的力矩，導(dǎo)致手孔蓋發(fā)生繞中心點的偏移， 進而手孔蓋與手柄之間會存在一定的夾角，無法完全關(guān)閉該手孔蓋，導(dǎo)致開關(guān)蓋機構(gòu)產(chǎn)生卡滯。

2.2 理論分析

通過研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生“卡蓋”現(xiàn)象的時候，手孔蓋與手孔之間總會沿手孔蓋的對稱軸呈現(xiàn)出一定的夾角。 因此，在進行計算時，考慮到手孔蓋的對稱性，可將手孔蓋看作一個桿狀物體， 從而將其受力模型簡化在一個平面上，見圖4，即為原料罐的手孔蓋關(guān)閉過程的模型。

圖4 手孔蓋關(guān)閉過程受力模型

考慮到手孔蓋的運動速度較小， 可將空氣阻力的大小看作與物體運動的速度成反比。 即手孔蓋所受的空氣阻力為：

其中：f—手孔蓋所受的空氣阻力；k—空氣阻力系數(shù)；ν—物體運動的線速度。

而手孔蓋在運動時，不同部位的速度不同，即：

其中：r—轉(zhuǎn)動半徑。

因此可以得出不同部位所受空氣阻力為：

由此可以得出，手孔蓋繞其自身的轉(zhuǎn)動力矩為：

其中：L—轉(zhuǎn)動手柄的長度

經(jīng)過計算可知，T>0。 因此，可以認為，手孔蓋在開關(guān)蓋過程中很難保持原有與力臂的水平狀態(tài)。 在受到阻力的情況下，手孔蓋與手柄之間會發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致開關(guān)蓋卡滯的情況。

2.3 方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場觀察及理論分析的結(jié)果， 預(yù)計共有兩種方案可以解決對應(yīng)的問題。 一種是增加蓋前端配重，另一種是采用彈簧的方式。并分別針對兩種方案進行了驗證。具體實施參數(shù)如下：

2.3.1 增加手孔蓋前端配重

如圖5 所示，在手孔蓋的前端位置，遠離氣缸的一段上焊上一塊重物塊以平衡手孔蓋所受到的不平衡的空氣阻力。 為了驗證該方案的有效性，采用實驗的方式對該方案進行評價。

圖5 配重塊方案示意圖

實驗中，采用選取厚度10mm，寬度30mm 的不銹鋼窄條，制作了不同的配重塊，配重塊點焊在手孔蓋前端。通過程序控制氣缸的開關(guān)， 對不同配重塊的情況分別進行記錄，實驗過程中，共計開關(guān)30 次，開關(guān)頻率為0.5Hz。得到的在不同配重重量下手孔蓋的卡滯次數(shù)見表1。

表1 配重塊實驗數(shù)據(jù)表

通過配重塊實驗的實驗數(shù)據(jù)可以明顯看出， 隨著配重塊質(zhì)量增加，手孔蓋卡滯情況明顯減輕，但由于手孔蓋較小， 增加較大的配重塊并不能完全適配每一種儲罐的手孔蓋，另外，采用配重塊的方式，需要采用焊接的方式，加上配重塊本身較大，嚴重影響了儲罐罐體的美觀情況。因此， 該種添加配重塊的方案不適用于目前所面臨的情況。 盡管如此，在后續(xù)罐體的設(shè)計過程中，仍然可以采用該方案。 為了增加罐體的美觀性，可以考慮在后期類似罐體中，在手孔蓋前端內(nèi)部設(shè)計類似的配重塊，這樣一來也可以有效地提高開關(guān)蓋的成功率。

2.3.2 在手孔蓋末端增加彈簧

通過在曲柄與手孔蓋之間增加彈簧的方式， 在手孔蓋下落以及提起時使手孔蓋盡可能保持穩(wěn)定的位置，見圖6， 在手柄以及手孔蓋靠近氣缸的位置設(shè)置安裝孔，通過不同的彈簧連接手柄以及手孔蓋， 保證在手孔蓋的開關(guān)過程中，阻力產(chǎn)生的力矩與彈簧提供的力矩相平衡。

圖6 彈簧塊方案示意圖

此外， 經(jīng)過現(xiàn)場測量手柄與手孔蓋之間的距離， 選取長度為60mm 長的彈簧能夠適應(yīng)每個不同罐體的手孔蓋以及手柄之間的連接。 接下來，將不同組的手孔蓋以及手柄之間加上不同尺寸的彈簧， 記錄不同彈簧情況下，手孔蓋的卡滯情況以及卡滯次數(shù)。 得到的數(shù)據(jù)見表2。

表2 彈簧試驗數(shù)據(jù)表

通過測試數(shù)據(jù)可以看出：在不同的測試情況下，當彈簧的相對尺寸較小時， 彈簧拉力不足以阻止手孔蓋的轉(zhuǎn)動，進而仍然會發(fā)生卡滯現(xiàn)象；而當彈簧尺寸增大時，彈簧的卡滯次數(shù)開始減少，此時彈簧的彈力較為理想；當彈簧的尺寸過大時，彈簧反而會出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。 通過觀察不同尺寸彈簧下的卡滯現(xiàn)象，經(jīng)過分析可知：此時由于彈簧本身會與支撐柱出現(xiàn)一定概率的卡滯， 氣缸的旋轉(zhuǎn)力度不足以拉動卡滯狀態(tài)下的彈簧。 進而導(dǎo)致開關(guān)蓋機構(gòu)出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。 綜合以上情況選取， 選擇0.8mm×10mm×60mm 尺寸的彈簧較為合適。

2.3.3 重復(fù)性試驗

針對整個調(diào)配線生產(chǎn)而言， 現(xiàn)場需要將上述解決方案推廣到至少72 個，五組不同的原料罐，為了盡可能保障穩(wěn)定性，除了上述的手孔蓋開關(guān)試驗外，還需對彈簧的尺寸， 即0.8mm×10mm×60mm 的尺寸的彈簧進行重復(fù)性試驗。 將目標尺寸的彈簧，利用連接件焊接在不同尺寸大小的手孔蓋上，通過對該裝置連續(xù)進行開關(guān)，進行重復(fù)性試驗。 本次重復(fù)性試驗的試驗次數(shù)為開關(guān)蓋500 次。

如表3 所示，經(jīng)過500 次試驗，開關(guān)蓋裝置出現(xiàn)卡滯的次數(shù)僅有一次。因此，可以確認當前尺寸的彈簧能夠符合要求，在手孔蓋與手柄之間加彈簧的方案符合要求。

表3 開關(guān)蓋試驗記錄表

2.3.4 方案效果圖

經(jīng)過加裝彈簧，得到的手孔蓋開關(guān)裝置效果，見圖7。經(jīng)過不斷試驗后可以得出結(jié)論：加裝彈簧后，手孔蓋在開關(guān)過程中的卡滯現(xiàn)象得到明顯的改善。 該項改進也為實現(xiàn)調(diào)配線的全自動生產(chǎn)起到了極大的推動作用： 經(jīng)過改進后的自動開關(guān)蓋機構(gòu)， 能夠完全適應(yīng)香精香料調(diào)配生產(chǎn)中對于原料的自動加注設(shè)計， 可以極大地減少香精香料調(diào)配生產(chǎn)中人力的使用， 可以有效地提高香精香料的調(diào)配產(chǎn)量。

圖7 現(xiàn)場改進圖

3 研究成果應(yīng)用情況

本次針對于自動開關(guān)蓋機構(gòu)的改進主要應(yīng)用于某廠香精香料調(diào)配線，目前使用效果良好穩(wěn)定，成功解決了原料罐開關(guān)蓋卡滯問題。隨著自動開關(guān)蓋問題的解決，該項改進將作為調(diào)配線原料罐的標準配置， 推廣至后續(xù)所有的自動加料調(diào)配線以及含有自動開關(guān)蓋機構(gòu)的各類罐體內(nèi)，用以提高調(diào)配生產(chǎn)線的自動化水平。 另一方面，該設(shè)計方案的成功，也為目前涉及到自動開關(guān)蓋功能的儲罐：包含提取罐、浸漬罐等多種罐體提供參考。這也為后續(xù)各類香原料生產(chǎn)線的自動化生產(chǎn)技術(shù)的改進， 提供了有力的支持。

4 結(jié)論

本項目通過對原料罐開關(guān)機構(gòu)工作過程的反復(fù)論證及試驗，對原料罐的自動開關(guān)機構(gòu)進行了改進，得出使用0.8mm×10mm×60mm 的連接彈簧可以有效地解決原料罐在開關(guān)蓋過程中的卡滯問題。 目前，該項改進設(shè)計已經(jīng)推廣至調(diào)配線的全部原料罐中，并作為后續(xù)調(diào)配線設(shè)計的標準配置加以利用。 未來，這種開關(guān)機構(gòu)將應(yīng)用在不同的罐體設(shè)計中， 進而推動化工生產(chǎn)過程中的全自動化生產(chǎn)。