烟箱捆扎带自动拆除和收集设备的设计与应用

武小松 张楚安

（1.徐州众凯机电设备制造有限公司，江苏 徐州 221004；2.湖北中烟工业有限责任公司武汉卷烟厂，湖北 武汉 430000）

0 引言

在食品、药品、化妆品及烟草行业的生产系统中，原材料通常装入箱体中，再采用包装扎带捆扎，便于存放和运输，使用时，须切除扎带，打开箱体取出原材料，特别是烟草行业，叶片、烟梗等卷烟生产企业所用到的原材料均采用纸箱包装、扎带捆扎的形式进行物流运输。

由于烟草企业的物流化设计，许多制烟工序都进入了自动化操作。烟箱就是通过物流系统从立体仓库中出箱，然后通过自动化生产线源源不断地输送过来的。烟箱表面由三根或四根塑料带捆扎，塑料带质软细长且分布不均。在制丝生产前必须先拆箱，其中纸箱捆扎带的拆除及回收仍需要由人工完成，系统工作效率低，工人劳动强度大，难以满足大批量、机械化连续生产的需求。有些企业引进了国外先进机械手，通过视频识别扎带位置由机械手剪切并抽取扎带，但设备工艺复杂，占地面积大，价格昂贵，对不同规格的纸箱适应能力低，无法普及应用。

为此，在对纸箱捆扎带拆除的功能需求、工艺特点进行详细分析的基础上，设计了一种简易烟箱捆扎带的自动拆除和收集设备，实现了捆扎带依次剪断一次收集的功能，以满足卷烟企业生产的需求，该设备的应用将在卷烟生产中起到提高生产效率、改善劳动条件和保证生产质量的重要作用。

1 纸箱规格

目前，烟箱包装标准按YC/T137.1-2004执行。包装用瓦楞纸箱采用半开缝全套入型瓦楞纸箱（以下简称纸箱）。内箱和外箱的两块瓦楞纸板通过钉合将接缝封合制成纸箱。内箱底部折片与下垫板构成箱底；外箱顶部折片与上垫板构成箱盖。使用时应将内外箱套合在一起使用并且箱体外部有包装扎带（以下简称扎带）捆扎。一般捆扎四道扎带，具体尺寸见图1，（200±0.5）kg/ 箱，纸箱长×宽×高为1136mm×720mm×725mm，最大变形尺寸1300mm×900mm×850mm。

图1 烟箱捆扎带示意图

2 捆扎带拆除技术难点

纸箱捆扎带的拆除，其技术难点主要有以下4点：1）制丝生产线中往往同时存在多种不同规格的纸箱；2）经过长时间的陈化贮存，纸箱变形严重，有些甚至严重破损；3）为便于纸箱的回收再利用，必须实现无损拆包；4）纸箱捆扎带的打包位置、颜色、数量等具有不确定性。

3 机械手存在的问题

部分烟草生产企业采用机械手割取扎带，其主要由光照系统、摄像机、图像采集卡、计算机和剪切装置等组成，基于机器视觉对采集到的烟箱图像进行滤波降噪，识别烟箱捆扎带，通过一系列复杂的算法确定捆扎带与箱体的交点位置以及捆扎带剪切方向，对捆扎带进行剪切和回收。近年来国内外学者针对机器人割取烟箱扎带做了大量研究，主要如下。

杨灏泉、张勇[1]等人设计了基于机器人技术的片烟纸箱拆包工艺。包装带回收过程分为3步：包装带数量检测及定位；包装带抓取、剪断及带头的输送；包装带快速剪碎回收。

李长勇、亓利伟[2]等人为了提高烟箱拆包的效率，提出了一种基于机器视觉的烟箱包装带识别与定位算法。

蒋明民[3]对我国卷烟生产中的烟叶包装箱自动开箱环节中的开箱机器人进行研究，按照开箱机器人在生产线中的工作特点，对开箱机器人进行运动学研究和动力学研究。

谢丹[4]根据视觉和机构相配合，总结出了烟草外部包装的拆除特点，设计剪扎带装置，实现了视觉检测定位扎带、机械系统拆除烟草箱外部包装捆扎带的功能。

目前拆箱机械手在应用过程中仍存在以下问题：1）投资成本高、占地面积大、维护成本高。2）颜色与烟箱接近的包装袋不易识别。3）当摄像机获取的图像太暗或曝光，箱体和背景难以区分，视觉系统不能有效识别捆扎带。4）捆扎带的松紧程度、扭曲程度以及箱体的姿态和表面情况均会影响检测的精度。5）在机械手定位的过程中会损伤纸箱表面。6）在抽取扎带的过程中，由于部分捆扎带压在纸箱底部输送设备上造成无法正常抽取须人工干预。

4 一种新型的捆扎带自动拆除及回收设备结构设计

为了满足烟草行业实现全面自动化的要求，提高生产效率，该文提出一种新型的捆扎带自动拆除及回收设备结构，如图2所示。

图2 烟箱捆扎带自动拆除及回收设备结构

捆扎带自动拆除及回收设备装置包括箱体输送单元、箱体顶起单元、扎带切割单元、扎带脱离装置及扎带回收装置等。

箱体输送单位分为链条输送机和辊道输送机两种，前端为链条输送机，其两侧为链板结构，中间部分悬空，减速机驱动，因为烟箱有四条扎带的束缚，烟箱在链条式送机输送过程中内部的物料不会落出。在链式输送机中间部分沿着箱体的前进方向依次设置箱体顶起单元和扎带切割单元。后端箱体输送单元为辊道输送机。

扎带切割单元为电机带动的高速旋转的割刀，割刀材质为合金刀片，形状为圆形，周边开刃，高速旋转时便于切割扎带。

箱体顶起单元为两个能够随着箱体运动方向旋转的无动力凸轮，并排布置。

扎带脱离装置为龙门架结构，四周放置排刷，其主要作用为使割断后的扎带脱离烟箱。

扎带回收装置布置于扎带脱离装置正下方，回收割断后的扎带。

利用高速旋转的刀片割断扎带，箱体顶起单元的主要作用为防止刀片切割扎带时损坏纸箱，割断后的扎带由于链式输送机两侧链板与纸箱之间紧密接触，扎带并不会直接脱落，随着纸箱运行至扎带脱离装置，扎带脱离装置四侧的排刷机构将扎带刷至扎带收集盒。完成整个扎带割取和回收过程，如图3所示。

图3 烟箱捆扎带自动割取装置结构

箱体输送单元两侧设置导向轮，能够调整箱体的位置，使箱体沿着箱体传输单元的中间向前移动。在链式输送机中间部分沿着箱体的前进方向依次设置箱体顶起单元和扎带切割单元，箱体顶起单位的两个凸轮并列排放，位于箱体传输单元中央位置，在箱体运行过程中，能够顶起箱体底部两片下盖板，从而使箱体中部凹陷，分开扎带与箱底盖，在箱体前进过程中，遇到高速旋转的割刀，从而切断扎带。

烟箱从物流系统进入链式输送机，由导向轮调整位置，使纸箱中缝位于割刀处。凸轮机构位于割刀前，纸箱压在凸轮机构上时，由于纸箱自重下盖板被顶起，而扎带仍保持绷劲状态，如图4所示。凸轮机构顶端与割刀顶端保持一个高度差，使割刀切割扎带时不损坏烟箱。

图4 凸轮顶起烟箱下盖板

在纸箱向前运动过程中，光电开关检测到纸箱时，纸箱前棱边已通过割刀且凸轮机构已经将纸箱下盖板顶起，此时开启割刀，在纸箱前进过程中依次将扎带切断，采用链式输送机线速度计算割刀停止时间，在割刀即将到箱体后棱边时关闭扎带切割单元中的电机，这样就可以把所有的扎带割断而不会损伤到纸箱。整个扎带割取过程，完全自动化控制，减少了人为的干预。

扎带被割开后，由于纸箱正在输送过程中，扎带被纸箱压在传动链上。纸箱由链式输送机向辊道输送机输送，经过两台设备空隙处时扎带变为自由状态挂置于纸箱上。

安装于辊道输送机前端的排刷能刷到纸箱四周的表面，使悬挂于纸箱上的扎带停留在排刷前端，可以有效阻止被割开的扎带进入辊道输送机或缠绕在辊筒上，当纸箱完全通过排刷时被割开的扎带落入收集箱内，完成扎带回收的过程。具体如图5所示。

图5 扎带回收装置简图

该装置结构简单、切除扎带效果好，不会存在漏切的现象，同时不损坏箱体，使箱体能够循环使用，节约资源。该系统在输送单元上安装顶起箱体的凸轮和高速旋转的割刀，可以在切断扎带的同时不损伤箱体，由于割刀在箱体的底部，每根扎带都要经过高速旋转的割刀处，所以不会存在漏切的情况，与之前很多企业采用视频或红外线识别扎带位置由机械手剪切并抽取扎带的技术相比，结构简单，维修成本较低，故障率也较低。

5 应用效果

通过产品样机的试验验证以及设备在某烟厂的实际应用表明，烟箱捆扎带的自动拆除和收集设备达到了捆扎带拆除和回收的要求，性能稳定可靠，工作能力符合烟厂生产线要求，为后续的开包工序创造了条件，并具有以下特点：1）自动化程度高。纸箱捆扎带的拆除和收集均自动化完成，无须人工干预。2）适应能力强。适用于不同规格以及严重变形的纸箱，而且不受捆扎带数量和颜色的限制。3）设计合理。结构简单，功耗低，稳定性高，扎带拆除成功率高，便于维护，占地面积小，成本低。