李小平，潘恒樂，梅光傳

常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南省常德市武陵區(qū)長庚路999號 415000

ZJ116 卷接機(jī)組是第一代國產(chǎn)雙煙道卷接設(shè)備，經(jīng)過改進(jìn)已形成ZJ116A、ZJ116B 等系列化產(chǎn)品［1-3］。該機(jī)組將雙倍寬卷煙紙?jiān)诰€分切后形成兩條等寬卷煙紙，分別輸送至前后煙道后與煙絲組合形成煙條［4］。但生產(chǎn)中當(dāng)卷煙紙橫向偏移時(shí)，容易造成卷煙紙出現(xiàn)毛邊、分切不均等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致煙條跑條、卷煙紙斷裂等問題，影響煙支卷接質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行效率［5-6］。近年來，針對ZJ116 系列機(jī)組已有較多研究，楊釗等［7］對并行鼓輪上的截風(fēng)擋塊進(jìn)行優(yōu)化，增大并行鼓輪對濾棒段的吸附力，提高了卷接機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性；潘恒樂等［8］研制了一種吹氣裝置應(yīng)用于接裝紙切割系統(tǒng)，避免接裝紙?jiān)趩⑼ｋA段卷入膠輥，提高了設(shè)備運(yùn)行效率；杜坤艷等［9］對煙條分離輪進(jìn)行改進(jìn)，在不改變卷接機(jī)組結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)分離行程的快速調(diào)節(jié)，提高了卷接設(shè)備智能化水平；程衛(wèi)民等［10］基于高速電磁閥技術(shù)設(shè)計(jì)了一種接裝紙噴膠系統(tǒng)，提高了接裝紙涂膠質(zhì)量，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度；劉為剛等［11］研制了一種搓接鼓輪自動(dòng)清潔裝置，減少了搓板堵塞次數(shù)和設(shè)備停機(jī)次數(shù)。但對于如何解決分切前卷煙紙偏移問題的研究及改進(jìn)則鮮見報(bào)道。為此，通過分析ZJ116機(jī)組卷煙紙輸送機(jī)構(gòu)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種卷煙紙自動(dòng)糾偏系統(tǒng)，以期提高煙支卷接質(zhì)量。

1 問題分析

1.1 工作原理

ZJ116卷接機(jī)組的卷煙紙輸送路徑見圖1。雙倍寬卷煙紙（1）在第一引紙輥（4）的牽引下，經(jīng)過負(fù)壓限位塊（2）和限位塊（3）后被切刀（5）分切成兩條等寬的單倍寬卷煙紙（7）；兩條相鄰的單倍寬卷煙紙?jiān)诘诙堓仯?）的牽引下，經(jīng)過分離輥（6）和偏心輪（8）后發(fā)生位移而分離，然后被送入前后道煙槍；若卷煙紙?jiān)谳斔瓦^程中發(fā)生斷裂，光電式傳感器（10）未檢測到卷煙紙，設(shè)備則發(fā)出斷紙報(bào)警信號并立即停止運(yùn)行。

圖1 ZJ116卷接機(jī)組卷煙紙輸送路徑Fig.1 Cigarette paper conveying path of ZJ116 filter cigarette maker

1.2 存在問題

雙倍寬卷煙紙?jiān)诜智星爸饕揽控?fù)壓限位塊進(jìn)行位置調(diào)整，見圖2。負(fù)壓限位塊的吸風(fēng)塊（2）通過氣管（4）與負(fù)壓風(fēng)機(jī)相連，當(dāng)雙倍寬卷煙紙經(jīng)過吸風(fēng)塊時(shí)，負(fù)壓風(fēng)通過吸風(fēng)塊上的負(fù)壓孔將卷煙紙吸附在吸風(fēng)塊上，防止卷煙紙?jiān)谳斔瓦^程中出現(xiàn)橫向偏移。當(dāng)機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行或更換不同寬度卷煙紙時(shí)，需停機(jī)后由人工擰開鎖緊螺釘（3）并調(diào)節(jié)旋鈕（1）使吸風(fēng)塊橫向移動(dòng)，確保吸風(fēng)塊中心與切刀對準(zhǔn)后再擰緊鎖緊螺釘，調(diào)整過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易出現(xiàn)卷煙紙橫向偏移、毛邊等現(xiàn)象，影響設(shè)備運(yùn)行效率和煙支外觀質(zhì)量。

圖2 負(fù)壓限位塊示意圖Fig.2 Structure of negative pressure position limiting block

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卷煙紙自動(dòng)糾偏系統(tǒng)由糾偏裝置和位置檢測裝置組成。其中，糾偏裝置由電機(jī)、導(dǎo)紙輥、轉(zhuǎn)臂和滑塊等部分組成并安裝于原限位塊的位置；位置檢測裝置采用光電式邊緣檢測傳感器代替原光電式傳感器。

2.1 糾偏裝置設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

糾偏裝置結(jié)構(gòu)見圖3。電機(jī)（1）通過聯(lián)軸器（2）與絲桿（3）連接；滑塊（5）一端通過內(nèi)螺紋套在絲桿（3）上，另一端從限位座（4）的槽口伸出并通過連桿機(jī)構(gòu)（6）與轉(zhuǎn)臂（7）連接；轉(zhuǎn)臂（7）另一端與導(dǎo)紙輥（8）連接且轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)中心通過銷軸（9）安裝在支架（11）上；彈簧（10）兩端分別與支架（11）和轉(zhuǎn)臂（7）連接，以提高糾偏過程的平穩(wěn)性。當(dāng)位置檢測裝置檢測到卷煙紙偏移時(shí)，將信號發(fā)送至控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)發(fā)送信號控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，而滑塊受限位座槽口的限制只能沿絲桿軸線方向做直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)移動(dòng)；連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂使轉(zhuǎn)臂繞銷軸旋轉(zhuǎn)，從而使導(dǎo)紙輥偏轉(zhuǎn)一定角度，直至卷煙紙返回至正確位置。由于滑塊在絲桿上做直線運(yùn)動(dòng)，而轉(zhuǎn)臂以銷軸為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊與銷軸之間的連線在產(chǎn)生角度變化的同時(shí)也會出現(xiàn)距離變化。如圖3b 所示，連桿機(jī)構(gòu)主要由連接板（12）、滑輪（14）、向心關(guān)節(jié)軸承（15）以及法蘭（17）等部分組成。其中，連接板的一端設(shè)計(jì)為開口滑槽并插入滑輪的凹槽中，通過產(chǎn)生一定位移滿足滑塊與銷軸之間距離的變化要求；固定在滑輪中的向心關(guān)節(jié)軸承可以實(shí)現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)與滑塊間的活動(dòng)連接，滿足滑塊與銷軸之間連線角度的變化要求。

圖3 卷煙紙糾偏裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of cigarette paper adjustment device

2.1.2 糾偏過程穩(wěn)定性控制

如圖4 所示，O1為銷軸中心，O2為滑輪圓心初始位置，O3為絲桿軸心初始位置。未對卷煙紙進(jìn)行糾偏時(shí)，滑塊與連桿機(jī)構(gòu)平行且在同一水平面上，X1為此時(shí)滑塊與銷軸之間的距離，b為絲桿軸心到滑輪圓心的距離；對卷煙紙進(jìn)行糾偏時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)一定角度θ1，滑塊與銷軸之間的距離相應(yīng)增加為X2，帶動(dòng)滑塊在絲桿軸線方向上發(fā)生的位移：

圖4 糾偏原理簡圖Fig.4 Schematic diagram of adjustment principle

式中：a為滑塊在絲桿軸線方向上移動(dòng)的距離，即O2O2′和O3O3′的長度，mm；α為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，（°）；P為絲桿螺距，mm。

卷煙紙糾偏過程中，由于X2≈X1且θ1值非常小，可得a值近似等于弧長L：

式中：θ1為連桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)角度，（°）；X1為卷煙紙未糾偏時(shí)滑塊與銷軸之間的距離，mm；L表示半徑為X1、圓心角為θ1的圓弧長度，mm。

取X1=61.5 mm，P=1 mm，結(jié)合公式（1）和（2）可得α≈386.4θ1。由糾偏裝置結(jié)構(gòu)可知，導(dǎo)紙輥擺動(dòng)角度（θ2）與連桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)角度（θ1）相同，可得α≈386.4θ2，說明電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與導(dǎo)紙輥擺動(dòng)角度之比較大，可以避免卷煙紙?jiān)诩m偏過程中偏移量過大，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)過程精準(zhǔn)和平穩(wěn)。

2.2 位置檢測裝置設(shè)計(jì)

選擇ZADM 023H151 光電式邊緣檢測傳感器（瑞士Baumer 公司）代替原光電式傳感器對卷煙紙位置進(jìn)行檢測。由圖5可見，光電式邊緣檢測傳感器（1）由紅外線發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器發(fā)射的光線照射在分切后的外側(cè)卷煙紙（3）和內(nèi)側(cè)卷煙紙（4）上，未被卷煙紙遮擋的內(nèi)側(cè)光線（5）和外側(cè)光線（6）經(jīng)反光板（2）反射后返回至接收器。當(dāng)卷煙紙位置發(fā)生偏移時(shí)，傳感器根據(jù)反射光線的變化將相應(yīng)的糾偏信號發(fā)送至控制系統(tǒng)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，①雙倍寬卷煙紙向內(nèi)側(cè)偏移時(shí)，會導(dǎo)致外側(cè)卷煙紙變窄、內(nèi)側(cè)卷煙紙變寬，傳感器檢測到反射光線向內(nèi)側(cè)偏移并將“卷煙紙內(nèi)側(cè)偏移”信號發(fā)送至控制系統(tǒng)；②雙倍寬卷煙紙向外側(cè)偏移時(shí)，會導(dǎo)致外側(cè)卷煙紙變寬、內(nèi)側(cè)卷煙紙變窄，傳感器檢測到反射光線向外側(cè)偏移并將“卷煙紙外側(cè)偏移”信號發(fā)送至控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)接收到卷煙紙位置偏移信號后，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)滑塊、導(dǎo)紙輥等運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向見圖6。

圖5 卷煙紙位置檢測裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of cigarette paper edge detection

圖6 卷煙紙糾偏裝置工作原理圖Fig.6 Working principle of cigarette paper adjustment device

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“紅河（硬88）”牌卷煙［紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司紅河卷煙廠提供］。

設(shè)備：ZJ116A卷接機(jī)組和ZJ119卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：ZJ119 機(jī)組是以ZJ116A 機(jī)組為技術(shù)平臺研制的智能化卷接設(shè)備，在其卷煙紙供應(yīng)系統(tǒng)中采用了卷煙紙自動(dòng)糾偏系統(tǒng)。將ZJ116A和ZJ119機(jī)組的運(yùn)行速度均設(shè)定為12000 支/min，分別統(tǒng)計(jì)兩個(gè)機(jī)組出現(xiàn)卷煙紙毛邊次數(shù)以及人工調(diào)節(jié)卷煙紙位置次數(shù)，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為3個(gè)月。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，ZJ116A 機(jī)組卷煙紙毛邊次數(shù)平均為2.33 次/月，人工調(diào)節(jié)卷煙紙次數(shù)平均為4 次/月；應(yīng)用卷煙紙自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的ZJ119 機(jī)組平均毛邊次數(shù)為0，人工調(diào)節(jié)卷煙紙次數(shù)平均為0.33次/月，說明應(yīng)用卷煙紙自動(dòng)糾偏系統(tǒng)可以顯著提升卷煙外觀質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1 卷煙紙自動(dòng)糾偏系統(tǒng)應(yīng)用前后測試數(shù)據(jù)①Tab.1 Test data before and after adopting automatic cigarette paper adjustment system （次·月-1）

4 結(jié)論

基于ZJ116 卷接機(jī)組設(shè)計(jì)了一種卷煙紙自動(dòng)糾偏系統(tǒng)，利用光電式邊緣檢測傳感器對卷煙紙位置進(jìn)行檢測和反饋，進(jìn)而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過滑塊和連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)使導(dǎo)紙輥偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了卷煙紙位置的精確調(diào)節(jié)。以紅河卷煙廠生產(chǎn)的“紅河（硬88）”牌卷煙為對象對ZJ116A 和ZJ119 機(jī)組進(jìn)行對比測試，結(jié)果表明：與ZJ116A機(jī)組相比，應(yīng)用自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的ZJ119 機(jī)組未出現(xiàn)卷煙紙毛邊現(xiàn)象，人工調(diào)節(jié)卷煙紙次數(shù)由4 次/月降低到0.33 次/月，有效提高了卷煙外觀質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行效率。