内框纸高精度定位切割装置的设计研究

屈月 QU Yue；乐林帅 LE Lin-shuai；李云达 LI Yun-da；罗晓 LUO Xiao；蔡培良 CAI Pei-liang

（云南中烟工业有限责任公司红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂，曲靖 655000）

0 引言

随着卷烟产品的高质量发展，重心聚焦中细支卷烟品牌，丰富加装了内框纸图案，对其产品质量要求也更为严格，但因生产品牌不同，其内框纸图案、色标点以及内框纸制作材料之间均存在差异，所以切割的内框纸尺寸及内框纸印刷的图案位置容易出现不符合工艺标准的情况。这样的情况一方面会造成严重的产品质量问题，产品不合格率居高不下；另一方面会提高生产过程的辅料消耗，降低生产效率，同时对纸张的大量消耗也不利于环境保护，与国家向企业倡导的“碳中和”理念相违背。当前烟草行业内并没有有效的解决方法，现有装置不具备图案检测功能，不能定位切割，不能自动纠偏，不满足中细支卷烟品牌的内框纸工艺要求。因此，研制提高内框纸切割精度的内框纸高精度定位切割装置刻不容缓。

1 问题分析

1.1 现有系统缺陷

目前，相较于常规支卷烟品牌，中细支卷烟品牌的内框纸上有印刷图案，内框纸的图案切割准确性、完整性将直接影响消费者对产品质量感官，且按照集团产品工艺质量要求，内框纸图案不符合工艺标准的问题属于严重质量缺陷，存在不合格产品流入市场的较大质量风险。

经调查统计，现有的内框纸切割系统：如图1 所示，由于原系统并不具备内框纸图案检测功能，无法实现内框纸的定位切割，并且在输送过程中如发生图案偏移时系统无法自动进行补偿纠偏。因此，现有的内框纸切割系统不能满足中细支卷烟品牌中内框纸的生产工艺要求。

图2 内框纸切割过程

图3 内框纸切割组件

图4 内框纸不合格情况分析

1.2 产品质量管控难度大

①人工进行内框纸图案校准：一班次人工需校准内框纸图案多次、人为自检自查频繁，经过跟踪调查，发现内框纸上有图案的卷烟品牌如表1 所示。

表1 内框纸平均人工校准次数

人工校准次数增加直接影响设备生产效率，且因工艺环节人工干预较多，不能完全保证质量要求。

②在生产过程中，内框纸定切完成进入下一工序后，无单独对内框纸检测的装置，常常会出现图案跑偏、长短不一的内框纸无法检测剔除而直接流入成品烟包中的情况。

1.3 多卷烟牌号生产时机器对内框纸适用性差

由于切割点位要求不一样，产品质量不稳定，会出现生产同一个品牌不同内框纸版本时内框纸不合格率数据波动较大的情况。

内框纸印刷面上有等间距的色标检测点，理论上，两色标点的距离应该为每次内框纸送纸轮的步距行程，由于印刷上的不均匀会导致步距行程和色标点间距存在误差，经过多次循环积累后导致实际切割端面到色标点的距离与理论值出现较大偏差。因此，生产过程中增加操作工生产负担，同时产生不合格品，带来效益损失。

对内框纸不合格品进行统计观察，得出结论：内框纸不合格品，主要表现为内框纸图案工艺质量不合格：①内框纸尺寸不符合工艺标准，切割宽度尺寸过大或过小，直接导致图案工艺不合格；②内框纸尺寸符合工艺标准，但是图案产生向上或向下偏移间接导致图案工艺不合格。

1.4 实际情况统计

对车间T1#、T2#、T7#三个机组进行一个月的跟踪统计，结果如表2 所示。

其中，内框纸切割后均有图案偏移现象，T2#、T7#机组因为更换卷烟品牌，不同的卷烟品牌关于内框纸图案定位要求不一样，机器产生了对辅料的不适应性，造成了更多的内框纸图案偏移，亟需改善内框纸图案无法实现定切问题，提高内框纸切割精度，同时稳定机器对不同辅料的适应，最终实现内框纸高精度定位切割。

2 系统整体方案

2.1 设定目标

以细支云龙为例，细支云龙的内框纸图案切割不在工艺质量标准范围内时，容易引发质量问题。如图5 所示。

图5 细支云龙内框纸切割图

通过查询红云红河集团内控工艺标准，中细支卷烟的内框纸图案位置误差值为±2mm 符合要求。根据需求分析表2，抽样调查发现当前生产的部分中细支卷烟的内框纸不合格率高达39.11%，并且图案的位置误差存在超出内控范围，内框纸图案位置误差超过±2mm 的占比高达29%。本系统目标是研制一套能实现内框纸高精度定位切割装置，通过内框纸高精度定位切割将内框纸图案偏移量控制小于±1.5mm。

2.2 目标可行性论证

2.2.1 理论分析

内框纸切割部件有活动切刀和固定切刀，其转速与小盒包装机速度相匹配。当机器正常工作，内框纸送纸轮输送单张内框纸的时间要与内框纸切割部件运行的时间匹配，记内框纸单张输送时间为t，内框纸上下边框高度为h，内框纸标准切割对应的内框送纸轮的速度为ν，则记ν′为内框纸送纸轮变速后的调节速度，内框纸图案切割允许误差为l，则

因此，若能使ν′满足上述情况，则通过变速调整内框纸送纸轮转速便能实现内框纸图案高精度定位。

小盒包装机限度是400 包/分钟，实际工作在310 包/分钟～360 包/分钟之间。经测算，内框纸输送纸轮能够匹配小盒包装机的最大速度是59.8r/min，实际工作的速度是45.6r/min～52.9r/min 之间，内框纸切割允许误差值为1.5mm，内框纸上下边框高度48.4mm，取实际工作的最大速度计算阈值，则：

因此，通过调整内框纸输送辊轮转速可以实现内框纸误差调整。当检测到内框纸图案偏移量超过±1.5mm，输送辊轮转速相应加快或减慢进行调整，迅速完成偏移补偿，实现内框纸图案高精度定位切割的目标。

2.2.2 类比试验分析

参考中细支双铝包品牌卷烟的内衬纸切割装置，其工作原理是设备本身自带色差检测在送纸过程中通过色标传感器对内衬纸上的色标进行检测（图6），当色标传感器检测到色标时，把信号送给PLC，PLC 马上记录下当前编码器的角度值，并以此角度值与参考角度值进行比较，通过调整输送辊的上下摆动幅度来调整内衬纸切割宽度（图7），使切割后的两道内衬纸（图8）在设定的宽度范围之内。

图6 色标传感器检测装置

图7 输送辊纠偏装置

图8 两道内衬纸切割图

本论文借鉴中细支双铝包品牌卷烟的内衬纸切割装置，色标传感器检测到色标信号并传递给PLC，PLC 记录下当前编码器的角度值，并以此角度值转化为距离值与参考距离值进行比较，通过控制内框纸输送纸轮的速度可实现内框纸图案定切精度达到±1.5mm。

综上，本课题所研制的内框纸高精度定位切割装置对图案偏移误差补偿具备可行性，目标可实现。

3 系统设计

3.1 设计思路

对中支卷烟小盒内框纸定位切割装置进行了详细研究，根据借鉴思路和目标可行性分析，采用头脑风暴法得出定位切割装置的总体方案的硬件结构如图9 所示。

图9 内框纸定位切割装置示意图

系统工作原理：

该系统主要由检测模块、补偿模块、显示模块、信号模块以及可编程逻辑控制器组成，检测模块由光纤型的色差传感器和透光仪组成。PLC 是该系统的核心部件，整个系统的逻辑控制、误差计算、补偿量计算都由它来完成。显示模块是人机交互界面，它通过电路与PLC 通信，能实时显示系统的运行数据、故障报警，还能通过它更改系统的控制参数。补偿模块伺服系统是该电气系统的执行机构，它通过光纤与PLC 进行通信连接，故响应快。根据借鉴文献资料及生产实际环境，结合总体方案的硬件结构，制定了定切系统的使用需求和技术需求如下：①内框纸跑偏时能够自动补偿纠偏，切割精度达到＜±1.5mm。②内框纸输送稳定，能够有效降低内框纸不合格率。③对辅料要求低，至少适应3 种辅料。④使用过程中不得影响正在生产的设备，不得更改原机专用程序。⑤装置安装灵活，易于调试。

3.2 原件选择

①色标传感器模块。选择LR-WF10 模块，其工作电压为DC 12-24V，检测距离为8-20mm，允许容差，能接收不同颜色光信号，响应时间为250ms。LR-WF10 模块检测距离近，成本适中，能够允许容差，响应时间短，能实现系统所需功能。

②漫反射光源。选择E3F-DS30C4D 灯，尺寸长6cm，阳级工作电压为36V，输出电流为300mA，发光方式为漫反射，功率为10W，发光颜色为全部可见光。E3FDS30C4D 灯阳极工作电压小，漫反射发光可以让光线均匀分布至内框纸上，便于传感器检测接收定位位置。能实现系统所需功能。

③强光透射照明灯。选择LS116 透光仪，光源为380nm-760nm 全波长，外形尺寸为115mm*74mm*25mm，成本为1600 元。LS116 透光仪光照更强，可以让光线均匀分布至内框纸上，便于操作人员看到内框纸上的色标点，能实现系统所需功能。

④编码器。选择旋转编码器E6A2-CW5C 200P/R 0.5M，外径为ϕ25mm，最大转速为6000r/min，启动转矩1.5mN·m 以下，响应频率30kHz。各方面性能指标均符合系统要求。

⑤伺服电机系统。选择Panasonic MINAS A5 系列，额定功率为500W，额定转速为3000r/min，额定频率为250Hz，能够适配高速运行机器的快速调速。

⑥可编程逻辑器件。选择欧姆龙CP1E，可用输入点数为24，可用输出点数为16，尺寸为9cm×8.5cm×15cm，模拟量输入范围为DC 24V，编程工时为3 小时。其尺寸合适，编程时间短，操作方便，符合本系统所需。

⑦系统调整方式。选择触控显示屏，产品型号为欧姆龙NB7W 系列触控显示屏，尺寸为10 英寸，分辨率为800*480，有触摸反馈，信息响应时间为300ms，符合系统要求。

4 效果分析

4.1 目标实现情况

内框纸定切装置应用于T1#、T2#、T7# 机组后，于2022 年8 月1 日至9 月1 日四个工作周对内框纸定切合格情况及定切精度进行了统计分析。统计表见表3～表4。

表3 细支云龙内框纸切割实验分析表

表4 中支金腰带内框纸切割实验分析表

①全月生产单个品牌云烟（细支云龙）的T1#机组内框纸图案定切精度达到了目标值，偏移尺寸小于1.50mm占比达99.63%。②生产不同中细支卷烟品的T2#机组内框纸定位切割精度相近。内框纸定切精度波动并不大且误差超过1.50mm 的产品数未出现上升情况。生产云烟（细支祥瑞）时内框纸图案偏移尺寸小于1.50mm 占比达99.72%，生产云烟（细支云龙）时内框纸图案偏移尺寸小于1.50mm 占比达99.55%。③生产相同中细支卷烟品，不同版本内框纸的T7#机组内框纸定位切割精度相对稳定。生产云烟（中支金腰带）常规硬包版时，内框纸图案偏移尺寸小于1.50mm 占比达99.87%，云烟（中支金腰带）红花大金元卡纸版时内框纸图案偏移尺寸小于1.50mm 占比达99.74%。云烟（中支金腰带）红花大金元卡纸版内框纸有图案对准需求，但对装置几乎无影响。

4.2 效益情况

4.2.1 商标消耗分析

改进前商标消耗量为54 张/箱，改进后商标消耗量下降为32 张/箱，改进后物料消耗降低率ΔQ＝（54-32）÷54≈40.7%，经查询得知，小盒商标辅料的单位采购成本C 为256 元/每箱，活动前全年的辅料消耗量D 为89 箱。根据公式ΔS＝D×ΔQ×C，得出活动后减少辅料消耗的效益ΔS＝89×40.7%×256≈9273 元/年。

4.2.2 铝纸消耗分析

改进前铝纸消耗量为0.25kg/卷，改进后铝纸消耗量下降为0.2kg/卷，改进后物料消耗降低率ΔQ＝（0.25-0.15）÷0.25≈40%，经查询得知，铝纸辅料的单位采购成本C 为34.6 元/公斤，活动前全年的辅料消耗量D 为2250kg，根据公式ΔS＝D×ΔQ×C，得出活动后减少铝纸辅料消耗的效益ΔS＝2250×40%×34.6=31140 元/年。

4.2.3 内框纸消耗分析

改进前内框纸消耗量为0.55kg/卷，改进后内框纸消耗量下降为0.34kg/卷，改进后物料消耗降低率ΔQ＝（0.55-0.34）÷0.55≈38.2%，经查询得知，内框纸辅料的单位采购成本C 为32.6 元/公斤，活动前全年的辅料消耗量D 为1986kg，根据公式ΔS＝D×ΔQ×C，得出活动后减少辅料消耗的效益ΔS＝1986×38.2%×32.6≈24732.1 元/年。

5 结论

①本内框纸定切装置具备内框纸图案检测功能，能够实现内框纸的定位切割，并且在输送过程中如发生图案偏移时系统自动进行补偿纠偏。②本内框纸定切装置对不同卷烟品牌的内框纸均具有良好的适用性。③通过查询红云红河集团内控工艺标准，中细支卷烟的内框纸图案位置误差值为±2mm 符合要求。本内框纸定切装置实现内框纸图案位置误差超过±2mm 的占比为0%。

内框纸定切装置用于中细支烟的内框纸切割，提高了内框纸的合格率，降低了不合格烟包流入下一生产环节的质量风险，对产品质量保障有较大贡献，同时降低了物料消耗，提高了设备效率，该系统成本合理，效益提升明显，使用简单方便，安全可靠，有较强的推广价值。从车间需求切入，结合车间实际，通过合理设计、精心选型，创新性地研发了内框纸定切装置。通过搭建新型光电检测系统，同时使用漫反射光源，改进和优化程序。对每一种类内框纸参数进行整理设定，以减少内框纸换号调试时间。应用外挂PLC 作为系统的控制核心，提高了不同类型内框纸的适应性及内框纸色标点监测定位的精确性。