YB915型硬條外透明紙美容裝置的排空設計

關鍵詞：排空設計；移位鏈；透明紙美容裝置中圖分類號：TP273；TS43 文獻標識碼：A

0 引言

隨著現代工業生產技術的不斷發展[1]，自動化與智能化成為煙草包裝行業發展的重要趨勢[2]。煙草包裝機械作為整個煙草產業鏈中的重要環節，其性能直接關系到產品質量和生產效率。ZB415 型中速包裝機組，作為一款基于ZB45 平臺智能升級的設備[3]，集成了TwinCAT3 軟件平臺架構、狀態監測智能化系統、人機操作界面以及伺服驅動系統等多項技術。這些技術使得ZB415 型中速包裝機組具備了高可靠性、智能化及自動化的特點，滿足了現代煙草包裝行業對于高效率和高質量生產的需求。

ZB415 型中速包裝機分為主機和輔機兩個部分，主機完成小盒煙包的包裝，輔機完成小盒外透明紙包裝、條盒包裝以及條盒外透明紙的包裝。YB915 型硬條外透明紙美容裝置（簡稱“美容裝置”）是其輔機的重要組成部分，主要完成條盒外透明紙的美容工作。當設備出現故障停機或需要更換原輔材料時，美容裝置內部的煙條排空成為一項關鍵任務[4]。如果排空不及時則會使煙條長時間加熱，導致透明紙材料的性能發生變化，進而影響煙支的品質。傳統的排空方式存在明顯的弊端：無論輸送帶上是否有煙條，都會執行排空操作。這種方式不僅造成資源浪費，還加劇了機械磨損。在連續高速生產過程中，如何確保設備在發生故障停機時，能夠快速、有效地進行排空操作，防止產品損壞和機械磨損，成為亟待解決的問題[5]。

1 系統設計

本文針對傳統排空方式存在的資源浪費和機械磨損等問題，以YB915 型硬條外透明紙美容裝置為技術基礎，對排空算法進行了優化和改進。通過集成傳感器、移位鏈和智能判斷邏輯，顯著提升了排空操作的精準性和整體執行效率。

YB915 型硬條外透明紙美容裝置的構成精密且復雜。如圖1 所示，該裝置包括4 個伺服電機、1個伺服編碼器、6 個加熱器和對應的熱電偶、2 個電磁閥及一系列傳感器。4 個伺服電機分別控制煙條推進美容器、煙條輸送、收縮加熱、煙條稱重等關鍵步驟；加熱器和對應的熱電偶則用于實現煙條6 個面的均勻加熱和溫度監控；電磁閥實現煙條側長邊及端面的加熱；傳感器用于檢測電機尋零狀態、堵塞情況、煙條是否存在以及是否到達預定位置等信息。其中，本文新增的傳感器S1 被安裝在美容裝置起始位置，其主要功能是精確檢測是否有煙條進入美容裝置，從而為后續的排空操作提供關鍵的數據支持。

在機器正常運行狀態下，伺服編碼器跟隨主軸編碼器同步旋轉，從而實現精確的運動控制。當機器因故障或其他外部原因停機時，主軸編碼器將停止轉動。而該美容裝置能夠獨立于主軸編碼器，跟隨伺服編碼器繼續運行，有效地執行排空操作。這一設計不僅避免了煙條因長時間停留而導致外觀質量下降的問題，還減少了原輔材料的浪費。當機器故障排除并恢復運行時，伺服編碼器能夠自動與主軸編碼器重新嚙合，確保整個系統連續穩定運行。

2 軟件分析

為精確觸發排空操作，僅在需要排空的工位檢測到煙條時才執行排空，本文在原有算法的基礎上引入一個傳感器S1 和一條移位鏈。該移位鏈用于判斷美容裝置中是否存在煙條。本文將伺服編碼器的一個完整旋轉周期（360°）定義為一個工位，并在每個伺服編碼器周期的起始點（0°）對移位鏈進行移位操作。在此設定下，將煙條檢測傳感器S1 所在的位置記為第10 工位，根據美容裝置的結構，需要排空的工位范圍則界定為第10 至第20 工位，總計涵蓋11 條煙。結合美容裝置在主軸的啟動相位，本文選擇在每個工位的330° 對該移位鏈進行寫值操作。

當伺服編碼器轉動到330° 時，系統可以讀取煙條檢測傳感器S1 的返回值并進行判斷。圖2 為移位鏈置位流程圖。如果傳感器S1 未能檢測到煙條存在，則將該移位鏈中的第10 工位設置為0；如果傳感器S1 檢測到煙條并且機器處于正常運行狀態，則將該移位鏈中的第10 工位設置為1；如果傳感器S1 檢測到煙條并且機器處于排空模式，此時推桿電機不會動作，導致煙條在該工位上持續停留，在這種情況下，則將該移位鏈中的第10 工位設置為0。同時，為了精確地進行排空操作，對第10 至第20 工位上的煙條進行計數操作，將統計的數值記為count1。

在機器正常運行狀態下，伺服編碼器正常工作，即伺服電機的嚙合、使能等信號均正常。當輔機因故障停機或輔機處于待料狀態且主機停機時，如果將輔機排空開關打開（此開關為軟件界面上的軟開關，可根據實際生產需求靈活操作；若關閉此開關，則機器不會執行排空動作），并且裝置到位、推桿動作正常、氣缸動作回退正常，煙條計數器count1大于0，則會啟動一個計時器。該計時器默認延時5 s（此延時時間可通過界面進行調整，以適應不同材料的需求），隨后啟動美容裝置進行排空動作，界面會顯示相應的提示信息“美容裝置正在排空”，直至煙條計數器count1 為0，即所有煙條均被排空。

如果美容裝置正在排空，當遇到以下任意一種情形：輔機啟動運行、輔機處于待料狀態且感應到通道有煙包進入、推桿防護罩打開、伺服編碼器發生故障、氣缸動作回退異常，系統將終止當前的排空操作。同時，用戶界面會顯示相應的提示信息“美容裝置排空被終止”。

如果排空過程中斷是由于伺服編碼器故障或氣缸回退異常等原因，即此時輔機仍處于停止狀態，系統會進一步檢查煙條計數器count1。若count1 大于0，即仍有煙條在美容裝置中，界面將顯示紅色警告信息“美容裝置需手動取走煙條”。隨后，系統將啟動一個延時計時器，若20 s 后機器仍未恢復運行，系統將對移位鏈上存在煙條的工位進行剔除標記。待機器重新啟動或再次進入排空模式后，系統將利用稱重傳感器對被標記剔除的工位進行檢測，以判斷該工位上的煙條是否被取走。若檢測到煙條仍未被取走，裝置將執行剔除動作，以避免煙條因長時間加熱而受損。這一流程確保了美容裝置在異常情況下的安全性和煙條的質量。

3 實驗驗證

本文采用TwinCAT3 編寫程序，并將程序下載至可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）中。通過3 種實例場景對本文提出的排空方式進行驗證。

（1）設備排空情景1。在機器正常運行狀態下，通道工位10 至工位20 上均有煙條。此時輔機因故障發生停機，美容裝置滿足所有的排空條件，設備排空情景1 如圖3 所示。系統會啟動5 s 延時計時器，計時結束后，會在t1 時刻進行排空動作。實驗數據顯示，隨著編碼器的運行，count1 的數值逐次減少1。當count1 降為0 時，即t2 時刻，排空動作完成，總計排空11 條煙。

（2）設備排空情景2。在此情景中，僅在工位15 上放置一條煙來模擬特殊情況。當設備進行排空時，設備排空情景2 如圖4 所示。在t1 時刻進行排空，此時count1 為1，當編碼器運轉一圈后，該煙條由工位15 移動到工位16，但由于尚未離開排空區域，count1 的數值保持不變。排空過程持續進行，直至該煙條離開工位20，在t2 時刻排空結束。

（3）設備排空情景3。為了驗證排空過程中斷和再啟動的邏輯，在工位12 和工位13 上放置煙條。在排空過程中，通過啟動機器來中斷排空，并使得一條煙被推進美容裝置，設備排空情景3 如圖5 所示。在t1 時刻滿足排空條件，設備開始排空，此時coun4BEIC7eqrNk5Fw+tWCLx7Q==t1 為2。然而，在t2 時刻輔機啟動，導致排空動作終止。在t3 時刻輔機再次停機，滿足排空條件，系統等待5 s 后準備再次排空。由于之前機器的動作，使得一條煙被推進美容裝置，因此工位10、17 和18 被標記有煙條，導致count1 的數值增加至3。5 s 計時結束后，系統在t4 時刻再次進入排空狀態。根據前文所述的邏輯，系統需要進行11 個工位的排空。最終在t5 時刻完成整個排空過程。

4 結語與展望

本文基于YB915 型硬條外透明紙美容裝置，詳細闡述了該裝置自動排空操作的設計和實現方法。通過3 種不同的實驗場景，驗證了排空方式的可靠性和靈活性。實驗結果顯示，在各種工況下，該裝置均能準確排空煙條，有效避免長時間加熱導致的煙條質量受損。這一改進不僅提高了生產效率，還增強了系統的穩定性和安全性。未來，將進一步優化該設計，以適應更多復雜的生產環境，為工業自動化領域的發展做出更大貢獻。