一種棒狀制品預裝盤裝置的設計

郭蒙飛

（許昌煙草機械有限責任公司研發中心, 河南許昌 461000）

0 引言

隨著煙草行業超高速卷包生產線的推廣應用和濾棒類物流高架庫的普及，消費者對超細煙支、短煙支、低溫不燃燒煙等香煙品種和規格個性化的需求增加，國內卷煙草企業響應“十四五規劃”期間對智能煙機的大力發展要求，持續向高質量發展道路上邁進[1]。因此對棒狀物料成型設備的自動化程度和生產效率的要求越來越高，對下游設備的裝盤效率有了更高要求[2-3]。然而，目前市場上的棒料裝盤裝置由于結構原理限制，普遍不能達到要求[4]。為了適應多種規格盤的填裝、提高裝盤效率、減少棒料在輸送過程中的損傷，以及實現精確計數等功能，本文設計了一種新的棒料預裝盤裝置，該裝置對當前市場上存在的塑料盤夾持裝置進行了設計改進并且新設計了一種柔性動態料庫[5]，是一款市場亟需的新產品。

1 裝置結構

圖1、圖2所示為一種棒狀物料預裝盤裝置[6]，包括升降機構1、裝盤框架2、塑料盤夾持機構3、動態料庫組件4。裝盤框架2固定在豎直放置的升降機構1上，與升降機構的兩組豎向平行放置電缸的滑臺呈水平方向連結，塑料盤夾持機構3通過螺釘固定在裝盤框架2上，動態料庫組件4位于塑料盤夾持機構3的進料側，并與裝盤框架2固定連接。由升降機構1中的伺服電動機驅動裝盤框架2、塑料盤夾持機構3和動態料庫組件4一起完成上下運動。

圖1 結構示意圖Ⅰ

圖2 結構示意圖Ⅱ

升降機構主要由伺服電動機5、電缸6、電缸滑臺7、限位板8、限位凸輪軸9、機架10等組成。兩組電缸6豎直平行固定在機架10上，底部通過法蘭與伺服電動機5相連接，機架10上分別安裝兩組呈左右對稱的限位板8和限位凸輪軸9，限位板8和限位凸輪軸9是開關的組成部分。工作過程中，伺服電動機5驅動電缸，電缸上的滑臺7帶動其他組件做上下往復運動。

裝盤框架主要由左右兩側呈對稱設置的兩塊支撐板和底部支撐板和頂部橫撐等組成，通過連接板固定在電缸滑臺7上，主要對盤夾持機構3和動態料庫組件4起固定和支撐作用。

塑料盤夾持機構主要由2個側夾持裝置11、1個底夾持裝置12、2個盤頂導軌13和2個盤底導軌14等組成。夾持裝置主要由L形夾持板和開合裝置的一部分組成。塑料盤夾持機構3的夾持裝置通過連接板固定在盤框架2上，兩個盤頂導軌13通過調整擋塊固定在盤框架2兩側，兩個盤底導軌14固定在盤框架底部。工作狀態中，塑料盤運動到盤夾持機構前，在開合裝置作用下，L形夾持板會呈一定角度打開，以此塑料盤順利進入，然后兩個盤頂導軌13和兩個盤底導軌14將空盤輸入機構輸送來的塑料煙盤導入盤夾持機構3，然后塑料盤夾持機構3脫離指定位置下降，在開合裝置作用下，L形夾持板閉合，盤夾持機構3夾緊塑料盤。側夾持裝置11和底夾持裝置12分別夾持塑料盤的兩側壁和底壁[7]；盤頂導軌13中設計了一種有限位功能的零件，以防塑料盤后仰；盤頂導軌13還設有滾珠，可以使塑料盤進入順利。兩個盤頂導軌13之間的距離和兩個盤底導軌14之間的距離可以調節，以夾持不同規格的塑料盤。塑料盤夾持機構既可以保證塑料盤順利到達指定夾持位置，又能使塑料盤的裝盤位置固定。盤夾持機構的夾盤原理如圖3所示。

圖3 夾持機構的夾盤原理

動態料庫組件主要由左、右兩側槽板15、底部槽板16和調整軸17等組成。棒狀制品動態料庫4與盤框架2通過連接板固定連接。底部槽板16通過螺栓固定在盤框架2底板上，左、右兩側槽板15通過調整軸17與連接板固定連接，兩側豎直平行的槽板15與底槽板16組成一U形盤框，通過調節調整軸17，可以改變左、右兩側槽板15的位置，進而改變動態料庫的寬度，從而滿足不同規格的塑料盤的裝盤需求，實現不同裝載量。兩側槽板15與底槽板16的棒料接觸側都設置有數量不等的凹槽，槽板的凹槽的直徑和間距與棒形制品的直徑相關，用于棒料制品的定位（棒料直徑主要為4.2～7.7 mm，經過實驗驗證選取直徑為8.4 mm的凹槽對棒形制品的定位效果最好），使棒料能夠在動態料庫內規則堆疊，同時減少棒料損傷。槽板的凹槽的數量呈均勻分布，左、右兩側槽板15的凹槽數量是固定的（棒料在動態料庫排列的層數是一定的），底部槽板16的凹槽的數量可以調整。根據的棒料在動態料庫內的排列規律（最底層排列N支，上面1層排列N-1支），可以計算出1盒塑料盤的所容納棒料的數量。動態料庫組件的側板和底板的主要尺寸如圖4和圖5所示。

圖4 動態料庫組件的側板

圖5 動態料庫組件的底板

2 工作原理

機構處于工作狀態時，在升降機構1作用下，塑料盤夾持裝置3在設定位置接收并夾持塑料盤，棒狀制品經上游攤平整理機構整理后，在動態料庫4中堆疊規則、排列整齊，堆疊好的棒狀制品隨動態料庫4一起下降，直至達到設定的滿盤高度。由下游填裝機構將動態料庫4內存儲的排列整齊、堆疊規則的棒狀制品推移至塑料盤內，即可完成裝盤。然后進入下一個工作循環。

3 伺服電動機及電缸的設計選型

工作負載質量M=37 kg（上行）；M=37+6=43 kg（下行）；根據需求，對伺服電缸選型，初選ELGA-TB-KF-80-900-0H，機構參數如表1[8-9]所示。

表1 機構參數表

3.1 計算轉動慣量

計算重物作用在電動機輸出軸上的負載慣量：

式中：JM為重物作用在電動機輸出軸上的負載慣量，kg·m2；M為負載質量，kg；P為進給常數，m/r。

計算電動機輸出軸上的總慣量：

式中：J為折算到電動機輸出軸上的總負載慣量，kg·m2；Jm重物作用在電動機輸出軸上的負載慣量，kg·m2；JO為ELGA型電缸的轉動慣量，kg·m2；Jc為聯軸器的轉動慣量，kg·m2。

3.2 計算電動機的轉速

式中：N為轉速，r/s；V為工件速度，m/s；P為進給常數，m/r。

3.3 驅動負載所需轉矩

重物加速時所需轉矩：

式中：Ta1為轉矩，N·m；P為進給常數，m/r；η為效率；a為重力加速度；M為工件質量，kg。

電缸減速時所需轉矩：

式中：Ta2為轉矩，N·m；JO為ELGA型電缸的轉動慣量，kg·m2；N為轉速，r/s；η為效率；t2為減速時間，s。

總轉矩：

3.4 伺服電動機選型

根據伺服電動機選型原則：1）連續工作轉矩<伺服電動機的額定轉矩；2）瞬時最大轉矩<伺服電動機最大轉矩（加速時）；3）負載慣量<3倍電動機轉子慣量；4）連續工作速度<電動機額定轉速。

伺服電缸型號選擇為ELGA-TB-KF-80-900-0H（FESTO）；伺服電動機型號選擇為1FK7044-4CF71-1RB0（Siemens）；伺服減速機型號選擇為WPLE080-007（NEUGART）。

4 使用效果

實驗證明, 棒狀制品預裝盤裝置工作過程中擁有落料穩定、均勻、速度高等特點, 并且減少了慮棒制品堆疊不整齊和輸送過程中損傷等現象; 穩定裝盤能力為16 000 支/min, 即4 盤/min，有效作業率為99%。該機構還能夠根據實際生產需要柔性改變裝盤速度和裝盤規格, 并適用于各種規格煙支、濾棒、特種濾棒的快速裝盤[10]。

5 結論

該棒狀制品預裝盤裝置的特點具體如下：1）塑料盤夾持裝置的設計。導軌支撐件為模數件，兩個盤頂導軌間的距離和兩個盤底導軌間的距離均可以調節，可適應不同規格的塑料盤，節省變規格所帶來的各項成本；盤頂導軌裝有滑塊機構和防塑料盤后仰機構，使塑料盤可以順利到達指定盤夾持位置，還可以防止塑料盤在到達指定位置時因慣性碰撞發生傾倒；夾持機構利用開關裝置分別夾持塑料盤的兩側壁和底壁，兩側和底部夾持裝置的設計使塑料盤既可以順利進入到設計的夾盤位置，又可以夾緊塑料盤，使塑料盤的運行過程保持平穩。2）動態料庫組件的設計。區別于傳統的往復篩動填裝，動態料庫組件的增設可實現推移式填裝，即新設計的動態料庫可存儲著堆疊整齊將要裝盤的棒狀制品，再由填裝機構將動態料庫內排列整齊、堆疊規則的棒狀制品推移至塑料盤內，即可完成裝盤；可以一次性完成裝盤或多次完成裝盤，根據動態料庫中預存棒料的多少，選擇1次或多次裝滿1盤；兩側槽板之間的距離可根據塑料盤規格靈活調整，以適應不同裝載量的塑料盤；槽板凹槽的直徑和間距與棒狀制品的直徑相關，對棒形制品有定位作用，減少濾棒工作行程中的相對運動，因此降低了濾棒的損傷率；兩側和底部凹槽的設計可以實現在機械結構控制塑料盤中棒料的數量。3）升降機構采用伺服電缸。具有噪聲低、節能、干凈、高剛度、抗沖擊力強、超長壽命、操作維護簡單等特點；同時可以實現較低的維護成本；配置靈活，可以增加各式附件、限位開關、預緊螺母等，能夠實現多種規格盤的輸送和填裝，同時保證盤輸送流暢、精準[11]。