异型烟透明纸折叠装置设计应用

李帅 张健 王东 王晓华 刁维龙

摘 要：针对现有包装设备无法完成异型烟透明纸包装的情况，现阶段依靠人工进行包装，工艺标准不一致，影响产品包装的统一性。基于工业机械手原理，利用气缸，步进电机结合机械部件模拟人手动作，通过编程控制该装置的动作和流程，可以代替人工完成单调、重复、长时间的工作，完成条盒透明纸的折叠和热封，降低劳动强度，统一条盒透明纸的工艺质量，使卧式双包条盒透明纸更加平整美观。

关键词：异型烟;透明纸;机械手

中图分类号：TS4文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）08-005-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.003

卷烟的最小包装单位是盒，其中可装入若干支（通常为20支）卷烟，分为软盒、硬盒及其他三种。条是卷烟盒的最小包装单位，其中可装入若干盒（通常为10盒卷烟），硬包装称为条盒，软包装称为条包。条包内小盒的排列方式一般有两层5小盒平卧相叠和10小盒直立排列两种包装形式，简称为卧式条包（二五平包）或直式条包。硬条包装一般为二五平包，这是现代卷烟企业最常用的条包装形式[1]。

1 问题分析

除上述包装形式之外，其他方式的特殊条盒包装形式，如卧式双包条盒透明纸的折叠就要靠人工完成，费时、费力、效率较低。另外，人的技能水平的差异也会影响条盒透明纸的包装工艺质量。人工包装的条盒透明纸存在透明纸翘边、折皱、搭口偏斜、透明纸松散等包装缺陷[2]，影响产品美观。因此，需要设计一种自动透明纸折叠装置，代替人工折叠。

2 透明纸折叠装置设计

如果人工完成条盒透明纸一侧端面的折叠，人手需要做8个动作，通过气缸带动钢板尺的伸缩和铲压动作模拟人手的动作，可以完成透明纸端面的折叠[3]。采用定点旋转式，使放置条烟的工作台做出几个类似机械手臂的回转动作，用一组末端执行器模拟人手的折叠动作后进行条盒热封，通过单片机控制系统控制笔者所设计装置的动作和行为，就可以完成条盒端面透明纸的折叠和热封。

2.1 机械设计

2.1.1 结构组成

先完成一侧透明纸折叠热封，再旋转180°完成另一侧折叠热封。其机械结构包括左支架12、右支架4，前支架8;上短邊透明纸折叠气缸1及其铲刀2，下短边同样有相应的折叠装置;右长边折叠气缸5及其铲刀3;左长边折叠气缸11及其烙铁热封装置;条盒定位气缸7及其定位推盘6;热封推杆;旋转平台。其电气器件包括控制器、步进电机、开关电源、电磁阀、电磁铁、加热管、热电偶及温控器。

2.1.2 工作流程

如图1所示，将条盒长边裹包好放置在工作台，启动开关，步进电机13带动工作台逆时针旋转90°，定位气缸7伸出推动条烟到达定位工位A端，上下铲刀1伸出将A端两短边折角向内折叠;右铲刀3伸出将A侧端面长边透明纸向内折叠，同时上下铲刀和右铲刀回位;左烙铁10伸出完成A侧端面另一长边的透明纸折叠，后电磁铁9伸出与定位气缸7配合压紧条烟;后电磁铁回位，左烙铁回位，热封完成一次;工作台顺时针旋转30°完成二次热封，工作台逆时针旋转60°完成三次热封;工作台顺时针旋转180°定位B端，定位气缸伸出条烟重新定位，同上步骤完成条烟透明纸B端的裹包和热封过程。

2.1.3 确定气缸型号

气缸是折叠装置的重要组件，左气缸连接烙铁，其作用是对条盒端面透明纸铲压和热封;右气缸连接大铲刀，其作用是铲压条盒端面透明纸使之敷贴;上下短边透明纸折叠气缸的运行带动铲刀的伸缩，气缸的行程应该≥30mm，才能将透明纸端面小短边摁压得平整、敷贴;条盒定位气缸的作用是对条盒端面施加作用力，既要保证条盒的推送精度，又不能让条盒挤压变型。

通过模拟实验，笔者画出条烟及条烟透明纸边缘的运行轨迹，当气缸行程大于60mm时，末端执行器的运行轨迹和条烟透明纸边缘的运行轨迹不会发生交集，所以气缸的行程只要大于60mm即可，左右气缸型号最后确定为：TN-20×100-S-T。

2.2 电气控制系统设计

根据机器人的动作原理，笔者将写好的程序写入控制器，控制器可以控制与电路和气路相连的所有部件。如果该装置需要做出一个动作，这时控制器会打开所有需要的电机和阀门。如果要改变该装置的动作和行为，可重新编程，然后写入其控制器。所有传动装置都通过导线与一块电路相连，该电路直接为电机和螺线圈供电，并操纵电磁阀门启动电气系统。阀门可以控制压缩空气在机器内流动的路径。比如，如果该装置要做出一个伸出动作，其控制器会打开一个阀门，控制传动装置做出动作。透明纸折叠装置电气原理如图2所示。

本装置采用单片机驱动电磁阀、步进电机等执行器件，按工艺流程动作实现自动化控制，通过数码管按键实现参数设置及读取，满足人机交互功能。

2.2.1 步进电机力矩确定

转动惯量J的计算：

其中，工作台长度x=0.186m;工作台宽度y=0.037m;工作台高度z=0.02m;中心线与旋转轴线距离e=0m;工作台质量m=0.969kg;经计算，工作台转动惯量J=0.0029kg/m2。

角加速度计算：

控制系统要精确定位，运动物体必须有加减速过程，旋转平台旋转一圈为1.2s。

角速度 =5.2rad/s，从0到匀速的时间为0.46s，角加速度 =5.2/0.46=11.37rad/s2。

电机力矩计算：

力矩计算公式为：T=（J*ε+TL）/η

式中： TL为系统外力折算到电机上的力矩， η为传动系统的效率。忽略系统外力，TL =0;查机械传动效率表，取η=0.97;带入上述数值计算得：

T=0.34N·M;

故步进电机的静力矩应大于0.34N·M。

故选择静力矩为0.4N·M的86BYG401型步进电机。

2.2.2 确定参数

折叠装置制作完成后，要达到最佳的热封效果，需要选择合适的烙铁温度、烙压时间及压力，通过正交实验确定最佳参数：

小组以GDX2型包装机透明纸包装处的烙铁温度为依据，选择三种温度（A烙铁温度℃）;通过调查包装机挡车工手工打条烙压时间，得出烙压时间在2s～3s（B烙压时间s）;电磁铁行程一旦超过2mm，烟包会发生变形，因此选择行程小于2mm（C热封压力mm）。

比较R值大小，看各因素的影响程度，按照因素影响程度主次排序：B→C→A，B、C为主要因素，A为次要因素。

直观分析：直接比较9个试验综合评分，最高分为5号方案，即组合A2B2C3。

计算分析：某列的n位级的贡献系数，为本位的n位级对于试验指标结果之和，从计算结果可知，较优方案为A2B2C3。趋势图如图3所示。

通过以上数据，最终确定最佳参数：烙铁温度135℃，烙压时间2.5s，当电磁铁行程为2mm时，对应最佳的热封压力。

3 结语

该装置完全代替人工完成8个动作，减少了单调、重复的折叠动作，降低了员工的劳动强度，可以使异型烟条盒透明纸更加平整、美观，产品质量抽检得分有所提高，对于小批量的异型烟产品有极高的应用价值。

参考文献

[1] 徐尚超，郭建娟，徐峰.FOCKE 700S硬盒包装机内框纸横向输送装置的改进[J].机械工程师，2014（8）：276-277.

[2] 吴建军.YB618型硬条及条外透明纸包装机美式包装及拉线形式的改进[J].烟草科技，2015，48（8）：82-87.

[3] 张振华，孟振伟，张伟华.随动式条盒透明纸包装整形器的设计[J].烟草科技，2004（3）：13-15.