基于保潤保香煙包的薄膜紙自動拼接控制分析

摘要：以保潤保香機組為研究對象，介紹了煙包結構，表明了薄膜紙在包裝工藝中的重要性。從機械、電氣，以及軟件、硬件等不同層面介紹了保潤保香煙包的薄膜紙自動拼接結構，分析了其在不停機工況下，使用圖形描述語言（graph description language，GDL）編程設計實現自動拼接的運動、同步、上料等復雜動作，表明了MICRO-Ⅱ控制系統在高速工況下的可操作性和可靠性。

關鍵詞：包裝機組；保潤保香；薄膜紙；MICRO-II控制系統

中圖分類號：TP311.52；TS43 文獻標識碼：A

0 引言

保潤保香機組是為深入實施卷煙工業企業“一牌多品”品牌戰略而設計的異形包裝機組[1]，自

2016年啟動研制以來，已有多組設備在長春市、曲靖市、武漢市的煙廠投入使用。整機表現穩定，為廠家擴展高端煙種類、增加利稅提供了有力的設備支撐。

保潤保香機組控制系統基于煙機制造商G.D公司的MICRO-Ⅱ系統[2]，采用煙支排列7-6-7的形式，額定生產能力能達到200 包/min。薄膜紙包裝是該包裝機組最重要的部分，保潤保香的功能主要通過薄膜紙來完成，薄膜紙包裹在白卡紙煙包外，需要解決薄膜紙裁切、輸送、包裝等問題。本文以ZB419型硬盒硬條包裝機組中薄膜紙自動拼接結構為例，分析其拼接運動過程，便于系統理解和后期改進。

1 拼接部件結構

1.1 煙包結構

排列成形的煙堆首先需要完成內襯白卡紙包裝；其次進行薄膜紙包裝，粘貼封蓋；最后完成保潤保香煙包包裝過程，如圖1所示。相較于傳統煙包薄膜紙撕毀后導致煙支暴露的問題，保潤保香煙包的薄膜紙可以保證水汽不進入且香氣不揮發[3]。

1.2 機械結構

薄膜紙自動拼接機構如圖2所示。

薄膜紙轉盤機構起到裝載和換向作用。第1卷薄膜紙需裝載在裝載鼓輪的叉形桿軸（等待工位）上，依靠傳感器控制電磁閥鎖緊。當薄膜紙的存量減少到一定程度時裝載鼓輪會180°旋轉，使其處在操作工位上。

薄膜紙卷鉗臂由3個夾角為120°的鉗爪構成，內部安裝一個氣缸作為執行機構。將批量的薄膜紙卷筒放置在待料架上，當裝載鼓輪旋轉到位且空桿時會進行動作，完成紙卷的單向輸送。

薄膜紙拼接機構有裁剪和拼接的作用。首先，通過負壓吸風固定薄膜紙以完成下垂端的裁切。其次，控制預展開電機的速度以預留足夠的拼接余量，再通過凸輪軸完成兩卷薄膜紙末端處膠帶的粘連。

薄膜紙輸出架保證薄膜紙的平滑輸送，防止出現破損和褶皺問題。

1.3 電氣硬件

薄膜紙自動拼接機構的硬件分布如圖3所示（圖中2S327、2S326……為傳感器代號）。傳感器2S327用于檢測薄膜紙張力輥斜角的角鐵，以達到控制薄膜紙預存儲量的效果。張力輥位置越低，傳感器距離角鐵越遠；反之位置越高，傳感器距離角鐵越近。2S326位于薄膜紙存儲區域底部位置，用于檢測薄膜紙在進行拼接前的預存儲最大儲存量。2S314、2S319具有激活薄膜紙更換循環的功能。2S316用于檢測薄膜紙裝載鼓輪扭矩離合器是否異常。2S313用于檢測薄膜紙裝載鼓輪是否已經完成操作工位和等待工位的旋轉動作。2S311安裝在薄膜紙更換部件的后部，檢測等待工位的紙卷直徑。2S324和2S323用于檢測凸輪軸位置是否準確。

2 軟件控制流程

薄膜紙卷筒自動拼接控制是在機組不停機的情況下，依靠緩沖區內的存量薄膜紙來保證供給，同時在薄膜紙輸送輪上實現薄膜紙從一卷即將用盡的卷筒拼接到一卷由薄膜紙鉗臂送來的新卷筒上的流程。圖形描述語言（graph description language，GDL）[4]程序的拼接控制流程可以分為以下8個進程。

（1）初始化狀態。當機器電柜首次上電后，此時機器處于默認狀態，應在薄膜紙拼接等待工位上加載薄膜紙卷筒，并完成穿紙。完成后，機器啟動運行。

（2）等待裝載鼓輪旋轉。線性制動器2Y820根據模擬量傳感器2S311測出的卷筒直徑來控制制動力，以防止薄膜紙卷筒因慣性而滾轉。同時，薄膜紙拼接操作工位上的電磁閥2Y817保持得電制動，確保拼接替換的薄膜紙卷筒無法轉動。電磁閥2Y823在該階段失電鎖住薄膜紙裝載鼓輪，將其位置固定。

（3）裝載鼓輪開始旋轉。當2S311通過擺臂檢測到薄膜紙卷筒直徑小于一定值時，即2S311輸出電壓值大于薄膜紙卷筒旋轉觸發線性量的設定值時，觸發薄膜紙裝載鼓輪旋轉流程。此時，電磁閥2Y823得電解鎖，松開裝載鼓輪鎖止機構，電磁閥2Y817失電解除對薄膜紙拼接操作工位上卷筒的制動，隨后裝載鼓輪旋轉電機2M826開始運行。傳感器2S328會對鼓輪鎖止機構是否解鎖進行能效檢測，電磁閥2Y823在鼓輪開始旋轉4 s后重新失電，鎖止機構重回鎖定位置，等待裝載鼓輪旋轉完成，將其位置固定。在裝載鼓輪旋轉過程中，薄膜紙拼接等待工位上的卷筒離開了原來的位置，線性制動器2Y820的制動力不再受2S311的影響，而是切換為一個特定的恒定值。

（4）裝載鼓輪結束旋轉。當傳感器2S313檢測到薄膜紙裝載鼓輪旋轉到位，驅動電機2M826停止運行，裝載鼓輪依靠自身慣性到達最終位置。在傳感器2S313感應到裝載鼓輪到位的同時，電磁閥2Y821得電，及時對剛剛由裝載鼓輪運送到拼接等待工位的空薄膜紙卷筒實施制動，同時電磁閥2Y822得電打開該工位卷筒氣動夾鉗。傳感器2S312感應到新的薄膜紙卷筒安裝就位后，電磁閥2Y822失電夾緊薄膜紙卷筒，電磁閥2Y825打開拼接膠帶吸風，此時如果2S321沒有感應到負壓形成，系統會及時提醒操作者在吸風口上放置拼接膠帶。將拼接等待工位上的新卷筒薄膜紙手動拉出，完全覆蓋在正在使用的來自拼接操作工位的薄膜紙上，打開薄膜紙拼接防護罩，將其固定，等待拼接操作工位上的薄膜紙卷筒用盡。

（5）拼接等待工位薄膜紙卷耗盡。隨著機器持續運行，薄膜紙拼接等待工位上的卷筒直徑逐漸變小，直到機械擺臂觸發傳感器2S314后，系統開始統計機器運行工位數，當運行工位數大于薄膜紙卷用盡工位數時，啟動薄膜紙拼接流程。

（6）薄膜紙預存儲緩沖。系統進入薄膜紙拼接流程后，薄膜紙預展開電機2M827會進行存儲緩沖操作，提高自身轉速，張力輥位置隨之下降，直到傳感器2S326感應到薄膜紙張力輥角鐵，此時薄膜紙存儲緩沖完成。電機2M827轉速降為與機器運行速度一致，電磁閥2Y819隨即得電打開薄膜紙下的紙平臺吸風口吸住薄膜紙，使其迅速停下，并防止裁切后留存在垂直輸送平臺中的舊薄膜紙受新紙摩擦力的影響而滑動，此時機器進入薄膜紙裁切相位等待階段。

（7）薄膜紙裁切。色標傳感器檢測到定位黑標后，預展開電機2M827立即停止工作，啟動步進電機2M828切割薄膜紙，電磁閥2Y824得電打開負壓吸風口，吸附住裁切后垂下的薄膜紙。薄膜紙被切斷后，電磁閥2Y825關閉薄膜紙拼接膠帶負壓吸風，以確保拼接膠帶能夠順利地黏附于薄膜紙拼接口上。線性制動器2Y820在2S323感應到凸輪軸的一剎那，短暫地減小制動力。若因為外界原因導致2S324未能在2M828電機啟動薄膜紙裁切動作后3 s內感應到凸輪軸，則會中斷拼接流程。

（8）薄膜紙拼接循環結束。隨著步進電機2M828繼續旋轉，傳感器2S323感應到凸輪軸，切刀凸輪軸回到初始位置。此時，步進電機2M828立即停止旋轉；電磁閥2Y821失電，對拼接等待工位上的薄膜紙釋放制動，薄膜紙部件的供紙方式改為由拼接等待工位上的薄膜紙卷筒提供；電磁閥2Y817得電，對拼接操作工位上更換下來的薄膜紙舊卷筒及時制動；電磁閥2Y824關閉負壓吸風，拼接操作工位上的薄膜紙掉落；薄膜紙預展開電機2M827立即啟動，繼續輸送薄膜紙；線性制動器2Y820的制動力重新切換為以拼接等待工位薄膜紙卷筒直徑檢測擺臂傳感器2S311的電壓輸出值為參照；

機器結束拼接降速，恢復正常運行速度。此時，完成薄膜紙自動拼接全部流程，機器使拼接等待工位上的薄膜紙正常運行，回到進程2，循環以上流程。

3 結論

通過分析保潤保香煙包薄膜紙的自動拼接控制過程，表明GDL編程可以完美實現運動、同步、自動上料等復雜邏輯控制。未來將繼續分析和開發GDL編程，完善MICRO-Ⅱ控制系統的卷煙機包裝過程，提高包裝質量。

參考文獻

[1] 商保鵬. 直線電機在保潤保香卷煙包裝機中的應用[J]. 機電工程技術，2017，46（2）：113-115.

[2] 周學斌. 基于MICRO Ⅱ的YB95A條外透明紙獨立傳送裝置[J].煙草科技，2015，48（6）：87-90.

[3] 王睿娜，韓磊，惠非瓊，等. 鍍陶煙用內襯紙防潮保潤保香性研究[J]. 包裝工程，2019，40（15）：130-135.

[4] 徐志. 基于Micro Ⅱ系統可編程關鍵技術的研究與應用[J].成都航空職業技術學院學報，2022，38（1）：64-66.