一種在線式小包入盒裝填生產線設計

李劉平，包 韜，胡志強，王 緒

（云南煙草機械有限責任公司，昆明 650106）

近年來隨著對使用預制盒的特色花式煙草包裝的研究不斷深入，國內外眾多廠家對于預制條盒卷煙生產設備的生產與研究都有了一定的規模[1-2]；目前，行業內針對異型煙條機械化包裝的研究，主要集中在專用設備研發或標準化設備適應性改造[3]；但因以往市場需求總量不是很大，加之客戶對花式包裝式樣及規格要求的多樣性，只能通過單一針對性的專用設備設計制造來實現，而專用設備的設計開發及生產組織，周期較長，難度很大[4]，這也決定了這類特型設備品種較少而價格高昂的狀況。近幾年，隨著國內高端、特色卷煙產品的開發，行業對此類設備的需求量日漸增加，預制成型包裝盒的廣泛使用也使包裝式樣的多樣化得到了一定程度的統一[5]，而缺少滿足相應功能設備的狀況，也在一定程度上制約了行業對此類產品的創新與發展。而本文為適應云煙（中支小重九）的機械化生產需求，設計研發一款適用于云煙（中支小重九）的小包入預制條盒的包裝生產線。

1 技術方案內容

1.1 系統設計需求

云煙（中支小重九）使用的條盒為側開翻蓋式的預制成型禮品盒，盒蓋開度大于等于150°，條盒外觀尺寸為240 mm×100.5 mm×46.5 mm，小盒在條盒內裝填形式為2×5 平包裝填，為方便煙包取出，在盒底一側設置了拉舌，小包裝填完成后還需附上硫酸紙，硫酸紙粘貼于條盒一側（圖1）。該產品小包為中支軟包硬化小重九已經由上游包裝機完成機械化生產，而后端條外透明紙包裝也可實現機械化生產，因此本條預制條盒裝填生產線需承擔的工作位連接上游401 小盒透明紙包裝機和下游408 條盒透明紙包裝機的在線式小包入預制條盒生產工作；而根據生產線各工位動作的最短運行周期計算，生產線上運行動作最為緩慢的是硫酸紙掀開和小包沖填動作，工位動作配合輸送帶運行時間均在3 s 左右，由此生產線效率僅為20 條/min，無法達到要求的30 條/min 的額定速度，因此生產線采用雙通道裝填的形式以求達到額定生產速度要求。

圖1 預制條盒三維示意圖

1.2 系統結構組成

針對預制條盒生產線的上下游連線需求，將生產線分為如下模塊：①人工輔助條盒供料裝置；②小包入盒裝填主線；③小盒煙包引入通道；④小包分垛及沖填裝置；⑤輸出通道；⑥貼標機；⑦提升機構[2]（圖2）。

圖2 雙通道預制條盒裝填生產線布局圖

1.3 系統設計

雙通道小包入預制條盒裝填生產線通過③小盒煙包引入通道與上游401 小盒透明紙包裝機相連，通過⑦提升機構實現與下游408 條外透明紙包裝機的連接；裝填線前端由①人工輔助條盒供料裝置進行預制條盒的供給和物料暫存，預制條盒從人工輔助條盒供料裝置中輸送至②小包入裝填主線內完成小包裝填后，通過成像檢測判斷若為不合格產品則剔除，若為合格產品則輸送至⑤輸出通道內，在輸出通道由⑥貼標機完成條盒封簽的粘貼，再由⑦提升機構進行提升輸送至下游408 條外透明紙包裝機內完成透明紙包裹（圖2）。

2 關鍵部件設計和選型

2.1 人工輔助條盒供料裝置設計

條盒供料模塊采用人工輔助的半自動供料模式，此處一左一右，成對稱式布置。由人工先將預制盒碼垛至供料皮帶上，條盒經由供料皮帶輸送至供料推頭，再由供料推頭推送至下落通道，條盒自由下落至主裝填線的齒形凸耳帶上，由齒形凸耳帶將最下層的一個盒子推送走，上方空條盒再依次下落至齒形凸耳帶上，如此往復；此種供料方式的設備相對簡潔，占用空間最小。

為方便與裝填主線的速度匹配，條盒供料裝置的推頭組件（1.2）通過伺服電機驅動直線絲桿運動從而帶動條盒推頭的動作，采用直線絲桿可方便快捷的對推頭行程及速度進行快速便捷的調整，以適應不同條盒尺寸變化帶來的規格切換的影響。

條盒下落通道則通過6 組光電檢測的配合實現料庫內條盒的自動補料及條盒信號與裝填主線的對接，在料庫背板（1.103）上安裝了2 組接近開關（1.407）和（1.408），當下落通道需要補料時，需要2 組接近開關均檢測到條盒信號，即表示條盒輸送到位后推頭才可進行補料動作，由此解決條盒位數送到位而導致的卡堵問題。而在條盒下落通道內也安裝了4 組對射式光電開關，（1.402）位于皮帶平面以上2 個條盒的位置，（1.403）位于皮帶平面以上一個條盒的位置，（1.404）位于皮帶平面以下一個條盒的位置，（1.405）位于裝填皮帶平面位置；當預制條盒料位降低至（1.402）以下時，條盒推頭退回零點同時條盒供料皮帶（1.302）進行補料；當落料通道內條盒平面低于（1.403）時即條盒平面與供料皮帶平面處于同一平面，此時推頭組件（1.2）進行補料，由此完成預制條盒的自動補料；而在運行過程中若條盒平面低于（1.404）平面時，將會向PLC 發出報警提示，后續條盒也無法補料，需人工進行處理；落料通道每有一個條盒落下，（1.405）處的對射式傳感器都將產生一個信號，通過PLC 將一號工位標記為“有條盒”的狀態，而該條盒信號將通過凸耳帶運動進行移位寄存，為后續工位動作進行信號參考（圖3）。

圖3 條盒供料裝置示意圖

2.2 小包入盒裝填主線設計

小包入盒裝填主線主要完成預制條盒運輸、開盒、硫酸紙整理、拉帶整理、配合小包沖填裝置進行煙包沖填、硫酸紙整理、條盒關盒及條盒輸出的一系列工藝流程。

2.2.1 條盒推入裝置

上游機輸入的預制條盒首先會被輸送至條盒整理位內，整理位內有接近開關，當接近開關檢測到條盒信號時，PLC 控制裝置內的氣缸將條盒推入第一工位。

2.2.2 條盒開蓋裝置

當預制條盒輸送到3 號工位后，PLC 控制條盒開蓋裝置進行開蓋動作；此時開合機構位于開盒120°位置，伺服電機（26）旋轉驅動連接軸（28）帶動開盒板（25）旋轉至0°位置，使吸頭（22）與條盒盒蓋接觸，此時電磁閥打開使得吸頭將盒蓋吸住，伺服電機再次旋轉至120°開盒位置，至此完成整個開盒動作。在此過程中旋轉軸（28）與盒蓋旋轉中心處于同一個虛擬軸上，以此保證吸頭與盒蓋在旋轉過程中保持相對靜止從而避免兩者互相拉扯導致的盒蓋脫離從而導致開蓋失敗；而在開盒板（25）上也裝有滑塊（23），兩側由壓簧（24）做支撐，吸頭（22）便安裝在滑塊（23）上，此部分彈性裝置是為了解決部分預制條盒由于尺寸差異而導致旋轉軸與盒蓋旋轉中心不在同一條線上，從而通過壓簧的作用來進行兩向拉力的微調，從而保證開盒的成功率（圖4）。

2.2.3 硫酸紙和整理裝置

條盒開蓋完成后輸送至4 號工位進行硫酸紙整理流程，此處采用機械手配合旋轉氣缸的形式進行硫酸紙拉起和定位；機械手選用VIPER850 型六軸機械手（31）通過六軸配合模擬人工來取硫酸紙（34）的動作完成硫酸紙吸取，此處采用六軸機械手模擬人工動作可減少硫酸紙吸取過程中對硫酸紙的磨損，降低質量風險，硫酸紙吸取完成后再配合旋轉氣缸（36）旋轉撥桿（35）將硫酸紙固定在條盒之外，當條盒向后輸送過程中硫酸紙托板（38）拖住硫酸紙下方，硫酸紙壓桿（39）將硫酸紙根部壓住，保證在條盒運行過程中硫酸紙處于可控狀態下（圖5）。

圖5 硫酸紙整理裝置

2.2.4 拉帶整理裝置

由于拉帶質地較硬不易因折痕等問題而產生質量風險，因此此處采用雙氣缸配合的方式，由吸取氣缸（47）將拉帶（44）從條盒（43）內取出，吸取氣缸上安裝有3 個行程開關，當氣缸伸出到行程開關（48）處時，電磁閥供氣將拉帶吸住，而后吸取氣缸（47）往回運動至行程開關（49）位置時吸頭（45）斷氣，旋轉氣缸（412）動作帶動撥桿（413）將拉帶撥出至盒外，由此此完成拉帶的吸取與整理；當條盒向后輸送時通道扶板（414）與拉帶壓桿（415）將拉帶夾持在中間，使拉帶處于被控制的狀態（圖6）。

圖6 拉帶整理裝置

2.2.5 硫酸紙導回裝置

硫酸紙導回裝置利用硫酸紙底板的向上傾斜角度講硫酸紙抬起，在條盒停止工位上，配合硫酸紙倒回氣缸驅動硫酸紙導回推頭將硫酸紙導回預制條盒內。

2.2.6 條盒關蓋裝置

條盒關蓋裝置利用2 個氣缸的配合完成關蓋動作，當條盒運輸至11 號工位后，旋轉氣缸轉動驅動撥桿旋轉將盒蓋蓋下，為確保盒蓋完全緊閉，在條盒上端安裝了壓蓋氣缸，當盒蓋閉合后，壓蓋氣缸伸出將盒蓋壓實，完成整個關蓋動作。旋轉氣缸與壓蓋氣缸上均安裝由行程開關，以確保氣缸伸出到位時完成關蓋，縮回到位時輸送帶才可運動，以防止氣缸為縮回到位而造成的卡堵。

2.2.7 條盒輸出及剔除裝置

條盒輸送至12 號工位后，為防止雙通道輸出后出現煙條卡堵的問題，將合格條盒進行合并輸出，不合格煙條在12 號工位進行剔除。

2.3 小盒引入通道

此通道參照FOCKE408 輸入通道改進而來。煙垛運輸通道接口處與401 包裝機出口處對接，煙垛通過運輸通道（3.1）運輸頂到出口處后，2×5 煙垛為一單元，夾緊氣缸（3.2）夾緊煙包，使后面的煙垛不再往前前進，同時分垛氣缸（3.6）開始工作，把2×5 平包垛換向推往沖填裝置，待電缸回到初始位置時，夾緊裝置松開，使之堆煙至一單元后再夾緊，如此循環往復。煙包整理裝置裝置上方安裝有5 組光纖（3.5），可檢測小盒煙包到位和缺包，保證2×5 煙包垛不缺包，同時也避免煙包不到位進行推送帶來的卡堵問題（圖7）。

圖7 小盒引入通道示意圖

2.4 小包分垛及沖填裝置

小包分垛及沖填裝置由（51）分包器（52）沖填裝置（53）支架組成（圖8）；當2×5 排列的小盒煙包輸送進入輸送通道（511）后，由后端煙包垛推動前段煙包垛到達底板（514）處，底板上安裝有10 根激光傳感器（515）進行檢測煙包到位情況以及是否有缺包；檢測完成后直線絲桿（518）由伺服電機（519）驅動帶動分包器推頭（516）將小盒煙包垛推送入其中一側的沖填裝置（52）內，推送到位后下一組煙包垛繼續被推送至底板（514）處，完成檢測后分包器推頭（516）將煙包垛推送至另一側的沖填裝置內，如此循環往復完成小盒煙包的分垛（圖9）；小包沖填裝置由兩個伺服電機（524）驅動絲桿（522）運動，2 個伺服電機通過電子凸輪配合，將分包器推送過來的2×5 小盒煙包垛利用沖填套口（5210）與壓板（528）的配合將煙包沖填入預制條盒內（圖10）。

圖8 小包分包及沖填裝置示意圖

圖9 分包器示意圖

圖10 沖填裝置示意圖

2.5 合格產品輸出及封簽粘貼

從12 號工位輸出的合格煙條在輸出皮帶上進行封簽粘貼，當對射式光電開關檢測到煙條信號后，伺服電機驅動貼標頭進行封簽粘貼，后通過輸送通道兩側滾輪將封簽壓實，輸送至提升裝置內將煙條提升至408 輸入通道內，由FK408 完成條外透明紙的包裹及條外觀檢測。

3 生產線運行情況討論

設計研發的雙通道小包入預制條盒裝填生產線，在生產現場完成聯動調試后已正式投入生產，整線運行穩定，各功能模塊生產運行匹配良好。設備投入正式生產已經一年之久，設備按照額定30 條/min 穩定運行，設備運行時間除去每個班次保養及開機準備的1.5 h，每天實際帶料生產時間15.5 h，日均產能95 標箱（250 條/箱）以上，設備運行效率大于等于85%，次品率小于0.3%，產品質量符合品牌工藝質量要求。

4 結束語

設計研發的雙通道小包入預制條盒裝填生產線完成云煙（中支小重九）的機械化聯機生產需求，相較于人工包裝，效率得到了極大提升，同時，產品工藝質量也得到了保證。所設計的條盒供料裝置、小包裝填主線、小盒沖填裝置等，也對后續其他品牌規格的設備開發有較大的參考意義。