盧志敏，江 琳，張 偉，廖和濱

龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省龍巖市新羅區(qū)1299 號 364000

箱式貯絲是制絲生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，具有煙絲儲存和柔性化生產(chǎn)等功能。生產(chǎn)中貯絲庫倉儲管理系統(tǒng)將加香后煙絲送入成絲柜，經(jīng)過煙絲裝箱、輸送、儲存、翻箱倒料、風(fēng)力送絲送至卷接機組卷制［1］。當(dāng)前煙絲裝箱主要有多箱鋪料裝箱和單箱多工位循環(huán)裝箱兩種方式。多箱鋪料方式具有煙絲混裝功能，但占地面積大、連續(xù)性差、裝箱能力低；單箱多工位方式可實現(xiàn)連續(xù)裝箱，且占地面積小，精度可控［2］，但裝箱機裝箱時間需要2 min/箱左右。目前國內(nèi)卷煙企業(yè)普遍采用雙頭裝箱系統(tǒng)，以意大利GD公司研發(fā)的GARBUIO 大流量雙頭裝箱系統(tǒng)為例，單箱裝箱質(zhì)量180 kg，最大裝箱能力為9 000 kg/h，當(dāng)一個機頭裝箱時，另一個機頭可以同時完成煙絲壓實、套箱回收、煙箱加蓋、實箱出位、空箱就位等動作［3］。系統(tǒng)中每個機頭的進(jìn)料方式一樣，通過分配行車實現(xiàn)均勻布料，但由于料頭料尾的影響，實際平均裝箱能力約為8 400 kg/h。隨著卷煙生產(chǎn)自動化程度不斷提高，制絲線最大加香能力可達(dá)到12 000 kg/h，加香后煙絲進(jìn)入成絲柜后，根據(jù)工藝要求一個批次煙絲對應(yīng)一個成絲柜，整批次煙絲全部入柜后方可出柜裝箱［4］。而目前煙絲裝箱能力普遍小于9 000 kg/h，總體上低于加香能力。大部分卷煙廠通過增加成絲柜數(shù)量來解決裝箱機能力不匹配等問題，1臺裝箱機至少配套3個成絲柜才能基本保證加香后煙絲進(jìn)柜不用等待，若受空間布局限制無法增加成絲柜，則會出現(xiàn)加香后煙絲等待入柜等問題，影響制絲生產(chǎn)效率。針對此，胡運林等［5］設(shè)計了一種雙工位煙絲自動裝箱機，裝箱時間約為75 s/箱，按180 kg/箱計算，裝箱能力約為8 640 kg/h，是單工位裝箱機的1.6倍。吳國忠等［6］在裝箱系統(tǒng)的縱向與橫向往復(fù)鋪料皮帶輸送機之間增加一個緩存裝置，解決了單箱多工位煙絲裝箱能力與膨脹煙絲生產(chǎn)線小流量生產(chǎn)能力不匹配等問題。王志明等［7］研制了一種下壓煙絲設(shè)備，通過提高煙絲箱的空間利用率，增加了煙絲箱的裝絲量。徐俊敏等［8］通過優(yōu)化GARBUIO 裝箱系統(tǒng)的軟硬件，對鋪料方式進(jìn)行改進(jìn)，提高了物料均勻性。許世民等［9］通過改進(jìn)膨脹煙絲稱量裝箱方法，提高了工作效率和控制精度。楊浩等［10］通過優(yōu)化膨脹煙絲裝箱過程中箱蓋保持機構(gòu)，增加了單箱裝箱質(zhì)量。李鈺靚等［11］設(shè)計了基于Profibus 的煙絲裝箱RFID 控制系統(tǒng)，以提高煙絲箱信息校驗的準(zhǔn)確性。而對于提高裝箱機裝箱能力的研究及改進(jìn)則鮮見報道。為此，在不增加成絲柜數(shù)量的前提下，對GARBUIO煙絲裝箱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過簡化裝箱動作，減少煙絲加香后等待入柜時間，以期進(jìn)一步提高制絲生產(chǎn)效率。

1 存在問題

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙頭煙絲裝箱系統(tǒng)由壓實機構(gòu)（1）、煙絲箱（2）、鏈?zhǔn)捷斔蜋C（3）、側(cè)開式加取蓋機（4）、伸縮式套箱（5）、電子皮帶秤（6）、縱向布料車（7）和橫向布料車（8）等部分組成，見圖1。煙絲經(jīng)上游帶式輸送機送至電子皮帶秤，通過縱向布料車和橫向布料車送入A頭裝箱。在A頭裝箱過程中，B頭同時完成輔助裝箱動作，即完成壓實機構(gòu)下壓、保壓、提升，套箱抬起，實箱加蓋，B 頭實箱出位，B 頭下一個空箱入位，空箱取蓋，套箱下降等一系列動作。當(dāng)電子秤控制裝箱質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時，A頭裝箱結(jié)束，橫向布料車反向運行將煙絲送入B 頭進(jìn)行裝箱，同時A 頭完成輔助裝箱動作，如此循環(huán)往復(fù)，系統(tǒng)工作流程見圖2。為保證裝箱連續(xù)性，一頭裝箱完成時，另一頭必須完成輔助裝箱動作，即裝箱時間≥輔助裝箱時間。因此，裝箱系統(tǒng)的裝箱能力取決于輔助裝箱時間的長短，而通過調(diào)節(jié)煙絲輸送速度可以調(diào)整裝箱時間。

圖1 雙頭裝箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of double-end case filling system

圖2 雙頭裝箱系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Workflow of double-end case filling system

分解輔助裝箱動作可知：①壓實機構(gòu)壓實時間20 s（下壓15 s+保壓時間5 s）；②壓實機構(gòu)提升時間15 s；③套箱回收時間4 s；④原工位加蓋8 s；⑤實箱出位后空箱進(jìn)入裝箱工位15 s；⑥空箱取蓋6 s；⑦套箱下移到位4 s?？梢?，輔助裝箱總時間t 為72 s。按180 kg/箱計算，最大裝箱能力為（3 600/72）×180=9 000 kg/h，考慮到料頭料尾導(dǎo)致裝箱速度變慢以及設(shè)備故障等原因，實際裝箱能力小于9 000 kg/h。

1.2 問題分析

以龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司制絲一區(qū)大線為例，貯絲房內(nèi)只有2個成絲柜，加香機平均加香能力為10 000 kg/h，裝箱系統(tǒng)平均裝箱能力約為8 400 kg/h（按180 kg/箱計算），裝箱能力與加香能力不匹配。當(dāng)2個成絲柜均裝滿煙絲時，加香后煙絲無柜可進(jìn)，存在煙絲等柜問題，影響制絲生產(chǎn)效率。分析可知，輔助裝箱動作同步性差是造成煙絲等柜的主要原因。一個動作完成后才能進(jìn)行下一個動作，部分動作無法同時進(jìn)行，具體表現(xiàn)為：①側(cè)開式加取蓋機在原工位加蓋，造成下一空箱無法及時進(jìn)入。②伸縮式套箱由軟簾和氣缸組成，套口為上下兩段式，上端固定，在氣動機構(gòu)驅(qū)動下將下端套口提升一定高度，但套箱提升時軟簾與壓實機構(gòu)容易發(fā)生干涉，壓實機構(gòu)必須提升到位后套箱才可動作。③壓實機構(gòu)為單軸式齒輪齒條驅(qū)動，載荷相對集中，使用過程中穩(wěn)定性較差。④伸縮式套箱密封性差，導(dǎo)致軟簾處積料嚴(yán)重，煙絲裝箱過程中存在漏料問題，隨著煙絲煙末增多，則會遮擋光電開關(guān)造成設(shè)備故障，影響裝箱能力。

2 改進(jìn)方法

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

在原裝箱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對側(cè)開式加取蓋機、伸縮式套箱和壓實機構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。①改變側(cè)開式加取蓋機的加取蓋方式，將原工位加蓋改為下一工位加蓋；②將兩段結(jié)構(gòu)的伸縮式套箱改為單層整體式套箱。③將壓實機構(gòu)的單軸式齒輪齒條改成雙軸式齒輪齒條，提高機構(gòu)穩(wěn)定性，并增加一組接近開關(guān)和實箱出位擋板，通過修改控制程序，實現(xiàn)部分動作同時進(jìn)行。由圖3可見，改進(jìn)后壓實機構(gòu)與套箱同步提升；套箱提升到位后，壓實機構(gòu)與實箱出位同步進(jìn)行；實箱到位后，壓實機構(gòu)繼續(xù)提升、實箱加蓋和下一空箱入位同步進(jìn)行；壓實機構(gòu)到位、實箱加蓋完成后，空箱繼續(xù)入位和加取蓋機進(jìn)入取蓋工位同步進(jìn)行。

圖3 改進(jìn)后雙頭裝箱系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 Workflow of double-end case filling system after modification

2.2 側(cè)開式加取蓋機

改進(jìn)后加取蓋機由水平移動模組（1）、拖鏈組（2）、夾持裝置（3）、機架（4）等組成，見圖4。將加取蓋機設(shè)置在裝箱工位后方，加蓋方式由原工位加蓋改為下一工位加蓋，夾持裝置的水平移動行程為200 mm。加取蓋機對應(yīng)一個加蓋工位（1-1）和一個取蓋工位（1-2），其中取蓋工位與裝箱工位為同一工位。設(shè)備待機狀態(tài)下，夾持裝置位于加蓋工位正上方，當(dāng)取蓋工位煙箱到位時，鏈?zhǔn)捷斔蜋C向加取蓋機發(fā)送請求取蓋信號，加取蓋機動作，拖鏈組拖動夾持裝置通過水平模組向取蓋工位水平移動，夾持裝置水平移動到煙箱正上方后下降，完成取蓋動作；箱蓋被完全提起且夾持裝置夾抱到位后，夾持裝置水平移動到加蓋工位等待，發(fā)送取蓋完成信號；待煙箱裝滿出位至加蓋工位后，鏈?zhǔn)捷斔蜋C向加取蓋機發(fā)送請求加蓋信號，夾持裝置下降完成加蓋動作后，發(fā)送煙箱放行信號，同時夾持裝置在加蓋工位正上方等待下一個命令。

圖4 改進(jìn)后加取蓋機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of capping/uncapping machine after modification

加取蓋機的機架采用優(yōu)質(zhì)碳鋼板組焊而成，各部件之間采用螺栓連接。水平移動模組配備伺服電機，實現(xiàn)夾持裝置加蓋和取蓋過程中速度穩(wěn)定及定位準(zhǔn)確。拖鏈組采用柔性拖鏈，保證輸送過程平穩(wěn)可靠。夾持裝置由升降氣缸、夾抱氣缸等部分組成，升降氣缸完成加蓋和取蓋動作，夾抱氣缸完成箱蓋固定動作。改進(jìn)后采用西門子S7-1500系列處理器對加取蓋機進(jìn)行程序控制，利用FC302 系列變頻器控制電機驅(qū)動，通過西門子ET200S系列電機啟動器控制電機啟動，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

2.3 整體式套箱

改進(jìn)后套箱由套口（1）和氣動機構(gòu)（2）組成，見圖5。套箱采用單層提升方式，為直上直下式，與壓實機構(gòu)不產(chǎn)生機械干涉。當(dāng)裝箱完成，橫向布料車切換至另一頭裝箱時，橫向布料車向套箱發(fā)送請求提升信號，在氣動機構(gòu)的驅(qū)動下套箱向上運動。套箱在提升或下降過程中整體壓在煙箱上，提高煙箱密封性，解決了裝箱過程中的漏料問題。

圖5 改進(jìn)后套箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of case-sleeve after modification

2.4 壓實機構(gòu)

改進(jìn)后壓實機構(gòu)由驅(qū)動裝置（1）、升降裝置（2）、頂部到位擋板（3）、實箱出位擋板（4）、機架（5）、壓頭（6）等部分組成，見圖6。驅(qū)動裝置由減速電機、軸、齒輪組成，是整個壓實機構(gòu)的傳動源。升降裝置由升降支架、直線導(dǎo)軌、雙軸式齒輪齒條等組成。頂部到位擋板和實箱出位擋板通過接近開關(guān)檢測是否到位。壓頭設(shè)計為格柵狀，在壓實物料時方便排氣，提高壓實效果。壓實機構(gòu)位于布料口上方，當(dāng)電子秤稱量后達(dá)到設(shè)定質(zhì)量時，橫向布料車切換至另一頭裝箱，橫向布料車向壓實機構(gòu)發(fā)送請求下降信號，升降裝置通過驅(qū)動裝置帶動齒條向下運動。當(dāng)壓實機構(gòu)將煙箱壓到一定位置且保壓一段時間后，電機反轉(zhuǎn)，壓實機構(gòu)提升；當(dāng)接近開關(guān)檢測到實箱出位擋板時，觸發(fā)接近開關(guān)，實箱出位并發(fā)送下一空箱進(jìn)入信號，同步壓實機構(gòu)繼續(xù)提升；當(dāng)接近開關(guān)檢測到頂部到位擋板時，壓實機構(gòu)完成工作。原壓實機構(gòu)要上升到頂部煙箱才可出位，改進(jìn)后只要接近開關(guān)檢測到實箱出位擋板到位時即可出位，節(jié)省了輔助裝箱時間。

圖6 改進(jìn)后壓實機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of pressing mechanism after modification

2.5 輔助裝箱時間

改進(jìn)后部分動作可同時進(jìn)行，分解輔助裝箱動作可知：①壓實機構(gòu)壓實時間20 s（壓頭下壓15 s+保壓時間5 s）；②壓實機構(gòu)與套箱同步提升，上升6 s后即可實現(xiàn)實箱出位；③壓實機構(gòu)繼續(xù)提升到位、實箱同步出位、加蓋、下一空箱同步進(jìn)入裝箱工位、加取蓋機進(jìn)入取蓋工位共計18 s；④空箱取蓋8 s；⑤套箱下移到位3 s。改進(jìn)后輔助裝箱時間t為55 s，最大裝箱能力達(dá)到11 782 kg/h。

3 應(yīng)用效果

3.1 實驗設(shè)計

材料：“七匹狼（白狼）”牌卷煙煙絲，單批次煙絲質(zhì)量約為7 400 kg（由龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備：貯絲房內(nèi)裝箱系統(tǒng)（額定裝箱能力為9 000 kg/h，意大利GARBUIO公司）。

方法：按每天5 批次，5 個工作日計算。采用電子秤統(tǒng)計單批次煙絲質(zhì)量，通過MES系統(tǒng)采集每批次生產(chǎn)時間，裝箱能力=批次煙絲質(zhì)量/批次生產(chǎn)時間，統(tǒng)計改進(jìn)前后單批次裝箱能力；依據(jù)OEE（設(shè)備綜合效率）采集煙絲等待入柜時間。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，改進(jìn)后平均裝箱能力由8 408.7 kg/h提高到11 134.6 kg/h，增幅32.4%，大于加香能力（10 000 kg/h），有效解決了裝箱能力與加香能力不匹配而造成煙絲等柜問題。由表2可見，改進(jìn)后平均煙絲等柜時間由0.27 h/批次減少到0.04 h/批次，縮短0.23 h/批次，這是由于改進(jìn)后部分動作同步進(jìn)行，減少了輔助裝箱時間，提高了裝箱速度和設(shè)備穩(wěn)定性。

表1 改進(jìn)前后裝箱能力①Tab.1 Case filling capacity before and after modification （kg·h-1）

表2 改進(jìn)前后煙絲入柜等待時間Tab.2 Waiting time for cut tobacco to enter tobacco silos before and after modification （h·批次-1）

4 結(jié)論

在不增加成絲柜前提下，對GARBUIO 裝箱系統(tǒng)的加取蓋機、套箱、壓實機構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過精簡動作，實現(xiàn)了部分輔助裝箱動作同步進(jìn)行，解決了因裝箱能力與加香能力不匹配而造成的煙絲等柜問題。以龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司貯絲房裝箱系統(tǒng)為對象進(jìn)行對比測試，結(jié)果表明：改進(jìn)后平均裝箱能力達(dá)到11 134.6 kg/h，大于10 000 kg/h的加香能力，平均煙絲等柜時間減少0.23 h/批次，有效提升了系統(tǒng)裝箱能力，提高了制絲生產(chǎn)工作效率。