甘 華，韋小榮，鐘志民

（廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南寧卷煙廠，廣西南寧 530001）

0 引言

近幾年企業(yè)對(duì)主機(jī)設(shè)備的有效作業(yè)率有更高的要求，以及卷煙廠對(duì)生產(chǎn)線自動(dòng)化程度的提高，減少人員操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備“無(wú)人操作”，卷煙廠制絲車間開(kāi)包崗位急需解決的問(wèn)題是怎樣提高設(shè)備執(zhí)行的成功率。制絲車間紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置由于設(shè)計(jì)缺陷，煙箱折疊的成功率僅為45%，折疊不成功時(shí)，需人為停機(jī)，并進(jìn)行人工折疊，過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率及設(shè)備的“凈有效作業(yè)率”，并且需配備專人進(jìn)行人工折疊，增加了生產(chǎn)成本。此外紙箱折疊區(qū)域內(nèi)空間狹小，機(jī)器交錯(cuò)，有機(jī)械手、翻箱機(jī)誤動(dòng)作傷人的安全風(fēng)險(xiǎn)，人員頻繁進(jìn)入該區(qū)域有極大地安全隱患。通過(guò)對(duì)紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置工作原理的研究分析，制作了新結(jié)構(gòu)和新材料的折疊裝置，最終實(shí)現(xiàn)紙箱的一次性打開(kāi)。此文為一個(gè)新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置闡述，實(shí)現(xiàn)了紙箱開(kāi)包機(jī)折疊成功率的大幅提升[1]。

1 紙箱開(kāi)包機(jī)概況

1.1 紙箱開(kāi)包機(jī)結(jié)構(gòu)

紙箱開(kāi)包機(jī)主要由X 軸組件、Y 軸組件、Z 軸組件、脫箱夾具、安全門以及電控部分等組成。

X 軸組件是整個(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)，多種運(yùn)動(dòng)單元均安裝于X 軸組件上。X 軸組件主要由X 軸運(yùn)動(dòng)器件和各機(jī)架構(gòu)件等裝配組成。由伺服電機(jī)帶動(dòng)同步帶導(dǎo)軌運(yùn)轉(zhuǎn)，可將安裝于X 軸組件上的運(yùn)動(dòng)單元移送至設(shè)定的工位。在軸組件的左、右框梁及前框梁上設(shè)有工作檢修平臺(tái)。

Z 軸組件安裝于Y 軸的運(yùn)動(dòng)器件上，主要由安裝座、端板、Z 軸拖鏈和同步帶導(dǎo)軌和位置檢測(cè)器件等組成。由伺服電機(jī)帶動(dòng)同步帶導(dǎo)軌運(yùn)轉(zhuǎn)，可控制聯(lián)接于Z軸組件上脫箱夾具的升降運(yùn)行，將脫箱夾具移送至夾取、放置內(nèi)外紙箱及扎取紙墊（板）的操作工位。

脫箱夾具主要完成夾取、放置內(nèi)外紙箱及扎取紙墊（板）的功能，是整個(gè)紙箱開(kāi)包機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由安裝板、扎取機(jī)構(gòu)、左右?jiàn)A臂、夾緊裝置、吸盤組件和氣動(dòng)系統(tǒng)等組成。安裝板是脫箱夾具的安裝基礎(chǔ)，扎取機(jī)構(gòu)直接安裝于安裝板上，左右?jiàn)A臂通過(guò)直線導(dǎo)軌副、氣缸與安裝板聯(lián)接；夾緊裝置、吸盤組件安裝在左右?jiàn)A臂上。氣動(dòng)系統(tǒng)也安裝在安裝板上，控制氣缸的動(dòng)作及使吸盤內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度。左右?jiàn)A臂在氣缸的作用下能在一定范圍內(nèi)移動(dòng)并固定位置；扎取機(jī)構(gòu)在氣缸的作用下可上下移動(dòng)；夾緊裝置在氣缸的帶動(dòng)下能推進(jìn)推出[2]。

1.2 紙箱開(kāi)包機(jī)工作原理

當(dāng)來(lái)料煙包抵達(dá)脫外箱工位帶式輸送機(jī)的設(shè)定位置時(shí)停住，紙箱開(kāi)包機(jī)的各軸從外箱待機(jī)點(diǎn)啟動(dòng)，脫箱夾具運(yùn)動(dòng)到脫箱工位，左右?jiàn)A臂定位氣缸動(dòng)作分別拉動(dòng)左右?jiàn)A臂靠近煙包，光電開(kāi)關(guān)給出信號(hào)，夾臂定位氣缸停住并鎖緊，同時(shí)真空發(fā)生器工作，吸盤抽空使得煙包外箱與內(nèi)箱形成一定間隙，夾緊裝置氣缸動(dòng)作夾緊煙箱，然后Z 軸向上運(yùn)動(dòng)，脫箱夾具將外紙箱夾住抱起到高位，隨各軸運(yùn)行到紙箱折疊碼垛機(jī)的紙箱折疊裝置正上方[3]。Z 軸向下運(yùn)動(dòng)，脫箱夾具下降，放下空紙箱后回升至高位。由紙箱折疊碼垛機(jī)完成對(duì)空紙箱的折疊和碼垛。脫箱夾具隨各軸運(yùn)行回到煙箱正上方，Z 軸向下運(yùn)動(dòng)，脫箱夾具下降到位，脫箱夾具上的扎取機(jī)構(gòu)伸出將覆蓋在片煙上的紙墊或紙板扎取后，脫箱夾具隨各軸運(yùn)動(dòng)至紙墊或紙板的回收位置，將扎取的紙墊或紙板放下。此后，各軸啟動(dòng)，脫箱夾具運(yùn)行至夾取內(nèi)紙箱的待機(jī)點(diǎn)。同時(shí)被取掉外紙箱及上紙墊的煙箱由帶式輸送機(jī)輸送至翻箱機(jī)，翻箱機(jī)啟動(dòng)將煙箱翻轉(zhuǎn)180°后輸岀到另臺(tái)帶式輸送機(jī)上，當(dāng)煙包抵達(dá)脫內(nèi)箱工位時(shí)并停住，紙箱開(kāi)包機(jī)的各軸從內(nèi)箱待機(jī)點(diǎn)啟動(dòng)，重復(fù)上述夾取外紙箱及上紙墊動(dòng)作，將內(nèi)紙箱和下紙墊取出，完成將紙箱與煙坯自動(dòng)分離的功能。脫箱夾具回到外箱待機(jī)點(diǎn)，等待處理下一個(gè)煙箱，紙箱開(kāi)包機(jī)工作原理如圖1 所示。

圖1 紙箱開(kāi)包機(jī)工作原理

紙箱開(kāi)包機(jī)將包裝標(biāo)準(zhǔn)的煙包實(shí)現(xiàn)紙箱和薄膜與片煙的分離后，通過(guò)升降輸送機(jī)的升降運(yùn)動(dòng)，把片煙輸送到指定的工位。將內(nèi)外箱折疊碼垛后捆扎起來(lái)，通過(guò)輸送通道將捆扎好的紙箱垛輸送到紙箱回收處。

1.3 紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置工作原理。

折疊裝置主要工作原理是通過(guò)煙箱從高處落下，與折疊裝置主機(jī)架相互接觸，將煙箱的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)架打開(kāi)煙箱兩個(gè)長(zhǎng)箱蓋的動(dòng)能，接著兩側(cè)副機(jī)架將兩個(gè)短箱蓋打開(kāi)，最終將煙箱打開(kāi)折疊到位[4]。

1.4 紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置存在問(wèn)題

因?yàn)樵郫B裝置的機(jī)架設(shè)計(jì)原因，需要與煙箱箱蓋有較大動(dòng)能的平衡撞擊才可以完全將煙箱打開(kāi)并折疊，但是由于現(xiàn)有的煙箱下落高度不足，且機(jī)械手放開(kāi)煙箱讓其下落時(shí)，六個(gè)吸盤放開(kāi)的時(shí)間因?yàn)闊熛浔砻嫫秸鹊脑蛴休p微的不同步，因此無(wú)法提供足夠的撞擊動(dòng)能以及平衡的撞擊條件，最終導(dǎo)致原煙箱折疊裝置成功率不高[5]。

2 新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)原開(kāi)包機(jī)折疊裝置存在的弊端，結(jié)合折疊煙箱的基本原理，經(jīng)過(guò)研制小組討論和分析論證，決定研制新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置，具體設(shè)計(jì)分析如下。

（1）根據(jù)原折疊裝置的設(shè)計(jì)缺陷（無(wú)法提供足夠的撞擊動(dòng)能），研制小組將新型折疊裝置的主機(jī)架第一接觸點(diǎn)由原來(lái)接近箱蓋邊緣設(shè)計(jì)為箱蓋的黃金分割點(diǎn)（根據(jù)黃金分割原理以及杠桿力學(xué)定律黃金分割點(diǎn)撞擊能最大程度將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為箱蓋翻起的動(dòng)能）。

（2）根據(jù)原折疊裝置的設(shè)計(jì)缺陷（無(wú)法提供平衡的撞擊條件），研制小組將主機(jī)架與副機(jī)架的機(jī)架高度差由原來(lái)的10cm 提升至25cm，同時(shí)將副機(jī)架結(jié)構(gòu)由原來(lái)的斜角點(diǎn)撞擊改為平衡均勻撞擊，讓長(zhǎng)箱蓋充分打開(kāi)后，再打開(kāi)短箱蓋，高度差提升后，打開(kāi)短箱蓋的重力勢(shì)能較原來(lái)更大，均勻撞擊后，短箱蓋翻起方向豎直，不與長(zhǎng)箱蓋產(chǎn)生額外的摩擦力，從而解決不平衡撞擊后長(zhǎng)短箱蓋相互影響打開(kāi)的問(wèn)題，如圖2 所示。

由于永川區(qū)耕地后備資源缺乏, 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展與耕地保護(hù)矛盾突出, 永川區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)復(fù)墾應(yīng)以增加耕地面積為主要目標(biāo)。因此，根據(jù)前述方法和相關(guān)資料，計(jì)算出當(dāng)前(2010年)永川區(qū)的土地資源承載力指數(shù)，同時(shí)結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究[19-21]以及永川區(qū)實(shí)際生態(tài)環(huán)境脆弱性情況，重新進(jìn)行土地資源承載力等級(jí)劃分(如表3所示)；其次采用1/3法，將其規(guī)劃期間(2010-2020年)的復(fù)墾潛力系數(shù)劃分為高、中、低3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間；最后，借助ArcGIS9.3工作平臺(tái)的疊加分析功能, 將永川區(qū)分為4類復(fù)墾區(qū)，分別命名為優(yōu)先復(fù)墾區(qū)、重點(diǎn)復(fù)墾區(qū)、一般復(fù)墾區(qū)和適度復(fù)墾區(qū)(如表4和圖1所示)。

圖2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 主要制作材料的選擇

2.2.1 折疊裝置主體結(jié)構(gòu)材料的選擇

研制小組根據(jù)原折疊裝置的材質(zhì)，以及煙箱下落正常工作時(shí)產(chǎn)生的重力勢(shì)能大小，所選材料的屈服強(qiáng)度要求大于300MPa，以保證新型煙箱折疊裝置經(jīng)久耐用，同時(shí)也要保證每個(gè)機(jī)架重量不能超過(guò)10kg，否者折疊裝置在折疊過(guò)程中很容易損壞機(jī)座的旋轉(zhuǎn)軸承，為了保證滿足強(qiáng)度要求，以及防止部件損傷，因此研制小組選擇直徑20mm 的碳鋼空心管作為折疊裝置機(jī)架主體結(jié)構(gòu)的制作材料[6]。

2.2.2 折疊裝置機(jī)架座材質(zhì)的選擇

研制小組分析機(jī)架座所需承受煙箱左右轉(zhuǎn)動(dòng)折平所帶來(lái)的沖擊力較大，需要屈服強(qiáng)度大于350MPa 的材料，同時(shí)根據(jù)易加工、成本低的要求，研制小組選擇了鑄鐵作為機(jī)架座的材料。新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置如圖3 所示。

圖3 新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置

3 研制驗(yàn)證

3.1 單機(jī)驗(yàn)證

為了初次檢驗(yàn)新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置是否滿足設(shè)計(jì)要求，采用單機(jī)驗(yàn)證的方式進(jìn)行。研制小組模擬脫箱夾具夾取紙箱到新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置正上方，打開(kāi)夾臂，使紙箱自由下落，下落結(jié)束后，觀察紙箱的兩個(gè)長(zhǎng)箱蓋和短箱蓋能否順利打開(kāi)，并且折疊動(dòng)作是否流暢，未出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象。

單機(jī)驗(yàn)證步驟：從外箱待機(jī)點(diǎn)啟動(dòng)，脫箱夾具運(yùn)動(dòng)到脫箱工位，脫箱夾具下降后左右?jiàn)A臂加緊紙箱，脫箱夾具將外箱夾住抱起到高位，運(yùn)動(dòng)到新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置上方，打開(kāi)左右?jiàn)A臂，紙箱下落。接下來(lái)脫箱夾具運(yùn)動(dòng)到內(nèi)箱待機(jī)點(diǎn)，當(dāng)內(nèi)箱有任務(wù)信號(hào)后，脫箱夾具運(yùn)動(dòng)到脫箱工位，脫箱夾具下降后左右?jiàn)A臂加緊紙箱，脫箱夾具將外箱夾住抱起到高位，運(yùn)動(dòng)到新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置上方，打開(kāi)左右?jiàn)A臂，紙箱下落。單機(jī)驗(yàn)證步驟完成[7]。

3.2 聯(lián)動(dòng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置在生產(chǎn)過(guò)程中能否提升紙箱折疊的成功率，因此研制小組采用批次聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)驗(yàn)證的方式，生產(chǎn)線按正常工藝流程啟動(dòng)，根據(jù)聯(lián)動(dòng)信號(hào)正常啟動(dòng)紙箱開(kāi)包機(jī)，并將實(shí)時(shí)記錄紙箱開(kāi)包的成功次數(shù)，分析統(tǒng)計(jì)新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置的折疊成功率。最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果為煙箱折疊的成功率是99%，能有效保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，而且省去了人工輔助折疊煙箱的工序，減少人工成本，提高了設(shè)備運(yùn)行效率，且解決了人員進(jìn)入生產(chǎn)中的開(kāi)包折疊區(qū)域帶來(lái)的安全隱患，目前已在開(kāi)包機(jī)A、B 兩條生產(chǎn)線正常使用，得到了生產(chǎn)操作人員的認(rèn)可。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置的研制說(shuō)明，證明了該裝置實(shí)現(xiàn)紙箱打開(kāi)并折疊是非?？煽康摹Ｐ碌募埾溟_(kāi)包機(jī)折疊裝置結(jié)構(gòu)能夠有效地先打開(kāi)紙箱兩個(gè)長(zhǎng)箱蓋，后再打開(kāi)兩個(gè)短箱蓋，最終實(shí)現(xiàn)箱蓋的完全打開(kāi)，從而提升了折疊裝置的折疊成功率。

該新型紙箱開(kāi)包機(jī)折疊裝置的研制，有效提升煙箱折疊的成功率，提高設(shè)備凈有效作業(yè)率，減少操作人員進(jìn)入開(kāi)包折疊區(qū)域，消除設(shè)備的安全隱患。同時(shí)也驗(yàn)證了這一技術(shù)方案的可靠性，為具有同類型開(kāi)包設(shè)備的卷煙廠提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。