条装卷烟自动取样装置的研制

沈宗毅，李庆松，冯 琰，权发香，吕献周，艾培云

（红云红河烟草（集团）有限责任公司会泽卷烟厂，云南曲靖 654200）

0 引言

基于对产品质量的严格管控，大部分卷烟生产厂对卷烟产品施行全方位、全时段自检工作。生产车间通过标准化操作规范、卷烟自检行为规范、生产工艺规程等来要求操作人员定时、定量完成自检工作。由于卷烟工业科技的进步，近年来，在滤棒、烟支物理指标、小包外观等环节逐渐加入各种自动检测设备，大大保障了残次品卷烟不流入市场。卷烟软、硬条盒透明纸包装机所生产出条装卷烟成品均是直接输送至装封箱机，在条盒产出之后只有依托人工检验来对条装外观等进行检验，造成成条卷烟检验的人工误差，产生较大的质量风险隐患，导致条装卷烟的外观指标得不到很好控制。

1 现状及问题分析

在卷烟生产部门，包装机组的条烟成品均是经条盒美容器热封后，通过提条机输送至装封箱机进行装箱。由于设备没有安装辅助提醒装置，所以在设备运行期间，只能由机组操作人员自行按时在烟条提升器处对烟条进行人工自检。

在设备实际运行过程中，存在操作人员精力不足、忙于设备状况维护、设备各个缺陷产品成像检测异常等情况，而传统模式下仅靠人员对产品质量定时自检的行为不能保证定时、定量完成，据统计，2020年全年，操作人员对条装在线取样自检率仅为83.3%，因条装质量事故产生的成品返工占总量的80%，因此出现不合格品流入下游工序，造成人力物力的大量损失。

2 改进思路

针对条装卷烟自检频次不能满足现有生产需要的问题，关键要完善条装卷烟定时、定量的自检工作。由于操作人员因人而异，且人工因素的随机性，简单依赖规章制度，难以完全解决自检问题。因此，若能加入一套条装卷烟自动取样装置，由自动化设备来定时、定量抽样条装卷烟，再提醒操作人员进行自检工作，可以很好地改善条装卷烟取样不及时等问题。

3 改进措施

3.1 流程分析

根据现场查验，条装卷烟自动取样只能设置在包装机出口美容器至提升机的输送带之间，期间设备结构紧凑，烟条输送距离较短，在无法更改现有设备的前提下要进行快速取样。方案流程如图1所示，产出的烟条进入输送带，在烟条输送带侧方加入计数器用以对烟条计数，根据测算，10 min产出烟条数位43，故以43为单位进行取样，取样完成后，报警器提醒操作人员及时自检，若继续生产20条烟后，回收系统中检测到烟条未被操作人员取出自检，则对主机执行强制停机命令。

图1 方案流程

3.2 设计方案

方案结构三维建模如图2所示，改进方案所涉及的条装卷烟取样装置，主要通过增加PLC程序设计对取样模式进行控制，通过连杆结构和吸盘对烟条自动提取并移动至取样盒中。可以实现在不更改原有设备结构的基础上，通过外挂的方式来实现烟条的快速取样工作。

图2 方案结构三维建模

3.3 方案可行性论证

3.3.1 吸附能力验证

以动力车间提供负压-0.06 MPa为例，真空吸盘内径D=2 cm，根据真空吸盘吸力计算公式：

其中，μ为安全系数≥2.5，计算得出真空吸盘吸力F：

根据重力公式G=F=mg可以计算出真空吸盘可承载的最大重量m：

烟条重量约0.25 kg＜0.77 kg，运用吸盘可以实现烟条取样。

3.3.2 人工模拟机械臂吸取烟条

实验设计：将烟条宽面划分为5个区域，分别对5个区域中心运用吸盘进行吸取，提升高度500 mm，提升过程保持匀速，达到高度后吸盘能够准确吸附烟条10 s及以上为成功，每个划分区域做20次实验。单个吸盘实验结果见表1。

表1 单个吸盘实验结果

根据以上实验在烟条两端进行取样，由于重心偏移、力矩增大，取样成功率极低，随着取样点向重心移动，取样成功率越来越高，但最高也仅为90%。随后进行二次实验，安排两个吸盘对烟条的2/5和4/5处进行吸取。双吸盘实验结果见表2。

表2 双吸盘实验结果

实验改进后，取样成功率得到明显提升，达到100%，满足小组方案设想。

3.3.3 电气控制验证

由于此方案涉及到气缸动作及数据交换，需要对动作原件的控制进行实验验证，通过编写小段控制程序来控制电磁阀工作，进而推动气缸运动。

经过程序运行，气缸可以进行往复动作，电气控制方面可以实现。联合吸盘的动作便可实现烟条的自动取样。

3.4 方案执行

3.4.1 图纸设计及组件加工

根据实地测量，利用CAD软件绘制支架、回收盒的加工图纸，支架及回收盒设计如图3所示。

图3 支架及回收盒设计

选择各加工件的材料，考虑到外挂设备的轻量化，支架材料选择铝合金，回收盒要需要加入红外线检测装置，同时便于观察，选用亚克力玻璃板。根据图纸加工相关组件，支架及回收盒成品如图4所示。

图4 支架及回收盒实物

3.4.2 编写控制程序

装置采用三菱FX1S为控制器，控制条烟取出装置取出条烟至条烟取样盒，取样过程为：预防策略判断产生自检信号→挡烟气缸挡住需取条烟→真空发生器产生负压→双杆双轴气缸带着吸盘下移→收到吸住条烟信号→吸盘吸住条烟上移→收到上移到位信号→磁藕式无杆气缸带着条烟向移至条烟取样盒上方→真空发生器断开负压释放条烟至取样盒内→取样盒里有条烟报警灯亮（无烟熄）→报警灯亮时如果再产生20条烟没有取走条烟则停止CV。三菱FX1S控制器接线如图5所示，部分PLC程序截图如图6所示。

图5 三菱FX1S控制器接线图

图6 PLC控制程序

3.4.3 安装及调试

根据预留位置和接线图，烧录程序、组装各元器件，外挂入GDX1包装机后系统如图7所示。

图7 外挂入GDX1包装机后系统安装调试

安装完毕后进行调试工作，对气缸运动速度、磁性开关检测位置、光电开关位置等进行调试，经现场实验验证，取样效果良好，装置运行稳定，根据PLC程序设定各项功能需求正常、计数准确，对烟条的取样准确率为100%，运行过程对烟条和原设备无影响。

4 改进效果

4.1 定时定量自检率提升

通过加装条装卷烟自动取样装置后，调查统计2020年（8—10月）期间软包1号机组的在线取样自检率，并和其余机组进行对比分析。统计数据见表3。

表3 2020年8—10月软包在线取样自检率对比%

以10 min每条的理论值计算，平均在线自检率f（n）=操作人员的自检率得到很好的提升，定时定量自检也得到良好控制。

4.2 成品返工次数降低

统计2020年8—10月期间软包1号机组的成品返工情况，并和其余机组进行对比分析。统计数据见表4。

表4 2020年8—10月软包1号机组成品返工情况 条

由表4可知，3个月内，软包1#未出现成品返工的情况，规范化自检较好地提升了机组的产品质量，将不合格的烟条控制在装箱之前，成品返工情况得到有效控制。

5 结束语

条装卷烟自动取样装置的研发使用，创新性地将烟条成品质量预防过程由人工自检转换为设备智能自动取样，从原理上革新了自检的执行过程，强化了操作人员的自检习惯，智能化的执行过程更科学合理的对设备关键时段进行取样自检，区别于传统的人为手动选择方式，具有稳定、精准、及时等优势。下一步可以将机器视觉技术运用到该系统，对烟条进行外观在线检测，助力于烟草行业的科技化、信息化进步。