一种智能化柔性烟支翻盘输送机构的设计应用

龚秋华 陈 民 薛 华 吴成斌 高 巍

（上海烟草集团有限责任公司上海卷烟厂，上海 200082）

0 前言

我厂侧开式金中支生产线引进了全国首台YB417C侧开式包装样机设备，同时配套调整烟支翻盘输送系统，采用了智能化机械手取代原有的传统翻盘机和烟支输送通道，将侧开式金中支产品的生产效率从原来的最高50包/分提高到了200包/分。但是，随着生产能力的大幅提升，盒装烟支的外观缺陷有所上升，烟支出现了挤压变形，因此需要对烟支翻盘输送体系进行研究解决这一问题。

彭一帆[1]等人为了解决卷烟储存输送系统中细支烟横烟的问题，对烟支分流器进行设备优化，降低了横烟的发生频次；袁利强[2]等人设计安装了一套烟支输送设备辅助装置，使初始传来的烟支平稳地从高处的不规则通道下落至烟库；李文伟[3]等人设计了卷烟储存输送系统辅助装置，实现了辅联设备的自动化，提高了烟支下落过程中的流畅度。该文将通过对烟支翻盘输送体系的系统性研究，对设备的结构零部件进行重新设计，优化烟支翻盘输送过程。

1 烟支翻盘输送机构情况

1.1 烟支翻盘输送机构工作原理

烟支翻盘输送机构主要是由智能翻盘机械手将满烟盘运转到YB417C设备上烟库，待上烟库低料位光电感应没有烟支遮挡时，上烟库玻璃防护罩向外打开，抽板向上升至烟支盘下方并缩回，玻璃防护罩随抽板一同缩回，整盘烟支跟随抽板下降至上烟库最低位置。待下烟库最上层烟支下降低于限位光电感应时，抽板快速抽出，释放整盘烟支直接到位，烟支落入下烟库，并覆盖在原有的烟支上。

1.2 烟支翻盘输送机构存在的问题

对烟支翻盘输送机构工作过程进行分解可以发现上烟库抽板抽离的一瞬间整盘烟支的质量完全施加于下烟库上，通过烟支之间的支撑分散传递，最终传导至下烟库各侧面及最下方待进入烟支模盒的烟支上，其中下烟库顶部烟支会受到落下烟支的冲击。因此，在烟支下落的瞬间，在最大程度上减小施加于下烟库的质量压力，才能保证下烟库烟支不会变形受损。

而原下烟库结构较为简单，中间设置有一个弹簧卸力支撑装置，其两侧对称居中分布两个菱形随动导流块，目的是在下烟库中段增加对上段烟支的支撑、瞬间下压的力量吸收和打断中段烟支之间横向支撑力，疏导烟支向下流动。但在实际应用中，单独居中布置的弹簧卸力支撑装置卸力减压效果不够，两侧导流块的效果也不明显，无法保证下烟库最上层烟支平齐。

因此，该文将针对原下烟库的设计缺陷进行结构的优化设计，缓解烟支下落造成的外观变形。

2 智能化柔性烟支翻盘输送机构设计

2.1 YB417C设备烟库结构设计

烟支卸盘烟库组成如图1所示。烟盘在机械手的控制下对接烟库，模组和气缸机构控制上烟库对接抽板，在伺服电机的控制下上、下运动输送烟支。上烟库抽板在即将接触下烟库已有烟支时开始抽离，烟支全部落到下烟库中，烟支顺着对接烟库导轨和弹簧动力分流装置进行下烟。上烟库烟支拍板由模组控制进行前、后运动。内侧如果发生烟支横散，则需要推动烟支剔除拍板把手，烟支剔除拍板把手带动烟支剔除拍板向内侧旋转，横散的烟支就被剔除。通过烟支剔除后视镜可以观察是否有烟支横散察。下烟库玻璃门能够观察和整理烟支，防止烟支散落，下烟库整体较大且重，需要通过安装吊环辅助安装。

图1 烟支卸盘烟库组成

新下烟库结构如图2所示。在下烟库主体结构不进行调整的情况，为了减少上烟库释放烟支后对烟支落到下烟库的影响，根据原下烟库弹簧卸力支撑装置和烟支分流导向块作用原理，将两个部件的功能进行合并设计。因标准烟支的长度为84mm，为保证烟支在下烟库内不发生径向转动，弹簧动力分流装置在烟库起合理调整烟支的流向作用，因此采用了3点式差异化布局。安装位置对应下方烟支的流向，对接主机的下烟通道有分流尼龙块，因此弹簧动力分流装置最长处长度为87.5mm，中间的弹簧动力分流装置长度最短，进而在实现多点弹簧卸力支撑的同时，保留高效的烟支分流导向功能。

图2 新下烟库结构

2.2 弹簧动力烟支分流装置设计

新设计的烟支分流旋转三角架在原设计中菱形烟支导向块的基础上加长下三角架，完整覆盖下烟库中段。打断烟库烟支之间的横向支撑，使烟库烟支像流体一样自由流动，保证下烟库顶层烟支水平，避免烟盘烟支下落落差过大而造成烟支变形。同时，针对中期改进结构中无法布置烟支导向块的缺陷，烟支分流旋转三角架与弹簧卸力支撑装置合二为一，既满足增加至三个弹簧卸力支撑装置，又保留高效的烟支分流导向功能。

烟支在下烟库中下落，弹簧动力烟支分流装置（如图3所示）与烟支接触的地方分别是滚轮、分流架、烟支分流旋转三脚架、浮动侧板和固定侧板。

图3 弹簧动力烟支分流装置

辊轮材料采用3Cr13不锈钢，具有不锈性和耐蚀性，能在长期与烟支的摩擦中保证烟支的外形和清洁度。

分流架的作用是导向分流，两斜面与烟支接触发生摩擦。滚轮、分流架、浮动侧板的质量靠弹簧支撑。为了避免分流架自身质量的问题引起弹簧受力过多，要求分流架的材料表面粗糙度、轻便且有一定的耐磨性，并且能够保证烟支的表面清洁度。因此采用了PA1010（尼龙1010），中文名字为聚癸二酰癸二胺的材料，它有良好的自润滑和耐磨性，机械强度高、冲击韧性强。材料材质轻而硬，表面有光亮的结晶颗粒，容易加工成型，还具有较好的电气绝缘性和化学稳定性。

支撑架是整个弹簧动力分流装置的支撑部分，整个装置需要靠支撑架安装在下烟库上，其材料必须坚固耐用，但支撑架并不与烟支接触，因此对其表面粗糙度和耐磨性并无要求。考虑市场的通用性和加工便利性，采用45号钢即可。支撑架的尺寸需要比分流架、烟支分流旋转三角架件、浮动侧板、固定侧板的长度尺寸小，以保证其在分流装置的内部，不与外侧发生碰撞。

烟支分流旋转三角架在下烟库中是柔性转动的，能够根据烟支的流动进行左右摆动。为避免与前后发生摩擦，其厚度尺寸小于烟库尺寸和标准烟支尺寸。考虑标准烟支是长度为84mm，在前后留好一定间隙后，烟支分流旋转三角架的厚度尺寸定为63.5mm，这样就能确保其在转动时不会发生剐蹭，也不会产生噪声。

2.3 弹簧部件设计

弹簧是此装置的核心。在烟支卸盘过程中，弹簧动力烟支分流器对烟支产生主要反作用力，进行卸力支撑的就是弹簧。该文对原烟库进行分析计算，得到相关基准数据，并进行了弹簧部件的重新设计及校核。

按照弹簧部件的设计要求（见表1），选取的材料牌号为60Si2MnA，材料名称为碳素弹簧钢丝C级。该材料的切边模量达到79000MPa，弹性模量达到206000MPa，能够满足设计的载荷要求。另外，低于弹簧的端部结构形式采用中心臂扭转弹簧，钢丝直径要求中心臂扭转弹簧d≥0.5mm，适用于普通冷卷圆柱扭转弹簧，两端圈并紧并磨平[4]。

表1 弹簧部件设计要求

根据弹簧部件的设计要求和材料性能，通过计算确定了弹簧部件的基本参数，具体如见表2。

表2 弹簧部件基本参数

材料直径计算公式[5-6]如公式（1）所示。

式中：τp为许用切应力，根据弹簧的许用应力选取；，k为曲度系数，查询手册选取k=1.157；或根据圆柱螺旋弹簧计算用系数选取（C为圆柱螺旋弹簧旋绕比，C=9.3mm；D为弹簧中径，D=7.5mm；d为钢丝直径；d=0.8mm）。

通过对圆柱压缩弹簧特性进行校验，其变形量达到28.71mm，最小切应力为214.17MPa，最大切应力为642.52MPa，切应力特性系数0.6，最大切应力比抗拉强度0.32，各项性能满足要求。此圆柱压缩弹簧的最大工作载荷、工作极限且应力、弹簧材料的许用应力、工作极限弯曲应力满足Ⅰ类工作载荷。

3 改进效果

3.1 设备现场调整

现场实际运行观察发现，下烟库（如图4所示）烟支形成流动效果，下落自然顺畅，顶层烟支始终保持自然流动水平。烟盘烟支下降到位，抽板抽离，整盘烟支下落时，三个弹簧卸力支撑结构反应迅速到位，下落接触时有缓冲运动效果。

3.2 调整效果验证

对烟支翻盘输送机构进行调整后，将翻盘烟支最下层、下烟库最上层烟支和弹簧动力分流装置上方烟支取出，观察、比较烟支变形率（见表3）。可以看到新烟支翻盘输送机构上线后，烟支变形率由原来的千分之七下降至万分之二以下，烟支质量外观得到了大幅提升。

表3 烟支变形率对比

4 结语

该文通过将两个不同功能设备部件进行创新型整合，解决了生产中的实际问题，提高了我厂设备人员对新型智能化柔性烟支翻盘输送机构的设计应用的了解。目前，侧开式烟支产品生产线上智能化机械手与包装机之间的匹配性和适用性较好，烟支翻盘造成的烟支变形率始终保持在万分之二以内，这也进一步证明了烟支翻盘输送机构改造和应用的效果。这一种新型烟支翻盘输送机构在其他机型、产品、产线上的逐步应用将会为我厂烟支产品的质量保障提供有力的支撑。