卷烟纸自动纠偏系统的设计与应用

李小平，潘恒乐，梅光传

常德烟草机械有限责任公司，湖南省常德市武陵区长庚路999号 415000

ZJ116 卷接机组是第一代国产双烟道卷接设备，经过改进已形成ZJ116A、ZJ116B 等系列化产品［1-3］。该机组将双倍宽卷烟纸在线分切后形成两条等宽卷烟纸，分别输送至前后烟道后与烟丝组合形成烟条［4］。但生产中当卷烟纸横向偏移时，容易造成卷烟纸出现毛边、分切不均等现象，进而导致烟条跑条、卷烟纸断裂等问题，影响烟支卷接质量和设备运行效率［5-6］。近年来，针对ZJ116 系列机组已有较多研究，杨钊等［7］对并行鼓轮上的截风挡块进行优化，增大并行鼓轮对滤棒段的吸附力，提高了卷接机组运行稳定性；潘恒乐等［8］研制了一种吹气装置应用于接装纸切割系统，避免接装纸在启停阶段卷入胶辊，提高了设备运行效率；杜坤艳等［9］对烟条分离轮进行改进，在不改变卷接机组结构的前提下实现分离行程的快速调节，提高了卷接设备智能化水平；程卫民等［10］基于高速电磁阀技术设计了一种接装纸喷胶系统，提高了接装纸涂胶质量，降低了工人劳动强度；刘为刚等［11］研制了一种搓接鼓轮自动清洁装置，减少了搓板堵塞次数和设备停机次数。但对于如何解决分切前卷烟纸偏移问题的研究及改进则鲜见报道。为此，通过分析ZJ116机组卷烟纸输送机构的工作原理，设计了一种卷烟纸自动纠偏系统，以期提高烟支卷接质量。

1 问题分析

1.1 工作原理

ZJ116卷接机组的卷烟纸输送路径见图1。双倍宽卷烟纸（1）在第一引纸辊（4）的牵引下，经过负压限位块（2）和限位块（3）后被切刀（5）分切成两条等宽的单倍宽卷烟纸（7）；两条相邻的单倍宽卷烟纸在第二引纸辊（9）的牵引下，经过分离辊（6）和偏心轮（8）后发生位移而分离，然后被送入前后道烟枪；若卷烟纸在输送过程中发生断裂，光电式传感器（10）未检测到卷烟纸，设备则发出断纸报警信号并立即停止运行。

图1 ZJ116卷接机组卷烟纸输送路径Fig.1 Cigarette paper conveying path of ZJ116 filter cigarette maker

1.2 存在问题

双倍宽卷烟纸在分切前主要依靠负压限位块进行位置调整，见图2。负压限位块的吸风块（2）通过气管（4）与负压风机相连，当双倍宽卷烟纸经过吸风块时，负压风通过吸风块上的负压孔将卷烟纸吸附在吸风块上，防止卷烟纸在输送过程中出现横向偏移。当机组长时间运行或更换不同宽度卷烟纸时，需停机后由人工拧开锁紧螺钉（3）并调节旋钮（1）使吸风块横向移动，确保吸风块中心与切刀对准后再拧紧锁紧螺钉，调整过程费时费力且容易出现卷烟纸横向偏移、毛边等现象，影响设备运行效率和烟支外观质量。

图2 负压限位块示意图Fig.2 Structure of negative pressure position limiting block

2 系统设计

卷烟纸自动纠偏系统由纠偏装置和位置检测装置组成。其中，纠偏装置由电机、导纸辊、转臂和滑块等部分组成并安装于原限位块的位置；位置检测装置采用光电式边缘检测传感器代替原光电式传感器。

2.1 纠偏装置设计

2.1.1 系统结构

纠偏装置结构见图3。电机（1）通过联轴器（2）与丝杆（3）连接；滑块（5）一端通过内螺纹套在丝杆（3）上，另一端从限位座（4）的槽口伸出并通过连杆机构（6）与转臂（7）连接；转臂（7）另一端与导纸辊（8）连接且转臂旋转中心通过销轴（9）安装在支架（11）上；弹簧（10）两端分别与支架（11）和转臂（7）连接，以提高纠偏过程的平稳性。当位置检测装置检测到卷烟纸偏移时，将信号发送至控制系统，再由控制系统发送信号控制电机驱动丝杆转动，而滑块受限位座槽口的限制只能沿丝杆轴线方向做直线运动，进而带动连杆机构移动；连杆机构带动转臂使转臂绕销轴旋转，从而使导纸辊偏转一定角度，直至卷烟纸返回至正确位置。由于滑块在丝杆上做直线运动，而转臂以销轴为中心进行转动，滑块与销轴之间的连线在产生角度变化的同时也会出现距离变化。如图3b 所示，连杆机构主要由连接板（12）、滑轮（14）、向心关节轴承（15）以及法兰（17）等部分组成。其中，连接板的一端设计为开口滑槽并插入滑轮的凹槽中，通过产生一定位移满足滑块与销轴之间距离的变化要求；固定在滑轮中的向心关节轴承可以实现连杆机构与滑块间的活动连接，满足滑块与销轴之间连线角度的变化要求。

图3 卷烟纸纠偏装置结构图Fig.3 Structure of cigarette paper adjustment device

2.1.2 纠偏过程稳定性控制

如图4 所示，O1为销轴中心，O2为滑轮圆心初始位置，O3为丝杆轴心初始位置。未对卷烟纸进行纠偏时，滑块与连杆机构平行且在同一水平面上，X1为此时滑块与销轴之间的距离，b为丝杆轴心到滑轮圆心的距离；对卷烟纸进行纠偏时，连杆机构摆动一定角度θ1，滑块与销轴之间的距离相应增加为X2，带动滑块在丝杆轴线方向上发生的位移：

图4 纠偏原理简图Fig.4 Schematic diagram of adjustment principle

式中：a为滑块在丝杆轴线方向上移动的距离，即O2O2′和O3O3′的长度，mm；α为电机转动的角度，（°）；P为丝杆螺距，mm。

卷烟纸纠偏过程中，由于X2≈X1且θ1值非常小，可得a值近似等于弧长L：

式中：θ1为连杆机构摆动角度，（°）；X1为卷烟纸未纠偏时滑块与销轴之间的距离，mm；L表示半径为X1、圆心角为θ1的圆弧长度，mm。

取X1=61.5 mm，P=1 mm，结合公式（1）和（2）可得α≈386.4θ1。由纠偏装置结构可知，导纸辊摆动角度（θ2）与连杆机构摆动角度（θ1）相同，可得α≈386.4θ2，说明电机转动角度与导纸辊摆动角度之比较大，可以避免卷烟纸在纠偏过程中偏移量过大，实现调节过程精准和平稳。

2.2 位置检测装置设计

选择ZADM 023H151 光电式边缘检测传感器（瑞士Baumer 公司）代替原光电式传感器对卷烟纸位置进行检测。由图5可见，光电式边缘检测传感器（1）由红外线发射器和接收器组成，发射器发射的光线照射在分切后的外侧卷烟纸（3）和内侧卷烟纸（4）上，未被卷烟纸遮挡的内侧光线（5）和外侧光线（6）经反光板（2）反射后返回至接收器。当卷烟纸位置发生偏移时，传感器根据反射光线的变化将相应的纠偏信号发送至控制系统，进而控制电机转动。其中，①双倍宽卷烟纸向内侧偏移时，会导致外侧卷烟纸变窄、内侧卷烟纸变宽，传感器检测到反射光线向内侧偏移并将“卷烟纸内侧偏移”信号发送至控制系统；②双倍宽卷烟纸向外侧偏移时，会导致外侧卷烟纸变宽、内侧卷烟纸变窄，传感器检测到反射光线向外侧偏移并将“卷烟纸外侧偏移”信号发送至控制系统。控制系统接收到卷烟纸位置偏移信号后，控制电机驱动丝杆顺时针或逆时针旋转，从而带动滑块、导纸辊等运动，运动方向见图6。

图5 卷烟纸位置检测装置示意图Fig.5 Schematic diagram of cigarette paper edge detection

图6 卷烟纸纠偏装置工作原理图Fig.6 Working principle of cigarette paper adjustment device

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“红河（硬88）”牌卷烟［红云红河烟草（集团）有限责任公司红河卷烟厂提供］。

设备：ZJ116A卷接机组和ZJ119卷接机组（常德烟草机械有限责任公司）。

方法：ZJ119 机组是以ZJ116A 机组为技术平台研制的智能化卷接设备，在其卷烟纸供应系统中采用了卷烟纸自动纠偏系统。将ZJ116A和ZJ119机组的运行速度均设定为12000 支/min，分别统计两个机组出现卷烟纸毛边次数以及人工调节卷烟纸位置次数，统计时间为3个月。

3.2 数据分析

由表1 可见，ZJ116A 机组卷烟纸毛边次数平均为2.33 次/月，人工调节卷烟纸次数平均为4 次/月；应用卷烟纸自动纠偏系统的ZJ119 机组平均毛边次数为0，人工调节卷烟纸次数平均为0.33次/月，说明应用卷烟纸自动纠偏系统可以显著提升卷烟外观质量，降低工人劳动强度。

表1 卷烟纸自动纠偏系统应用前后测试数据①Tab.1 Test data before and after adopting automatic cigarette paper adjustment system （次·月-1）

4 结论

基于ZJ116 卷接机组设计了一种卷烟纸自动纠偏系统，利用光电式边缘检测传感器对卷烟纸位置进行检测和反馈，进而控制电机驱动丝杆转动，并通过滑块和连杆机构带动转臂旋转使导纸辊偏转，实现了卷烟纸位置的精确调节。以红河卷烟厂生产的“红河（硬88）”牌卷烟为对象对ZJ116A 和ZJ119 机组进行对比测试，结果表明：与ZJ116A机组相比，应用自动纠偏系统的ZJ119 机组未出现卷烟纸毛边现象，人工调节卷烟纸次数由4 次/月降低到0.33 次/月，有效提高了卷烟外观质量和设备运行效率。