摘 要：由于傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)激光打碼方式編碼容易跑偏，無法在煙包輸送過程中進(jìn)行準(zhǔn)確打碼，于是基于ZB421包裝機(jī)設(shè)計(jì)了一種煙包商標(biāo)紙靜態(tài)激光打碼裝置，該裝置由第一輸送通道、翻包機(jī)構(gòu)、煙包頂升輸出機(jī)構(gòu)、煙包提升通道、激光打碼器和第二輸送通道構(gòu)成，是一種新型的煙包商標(biāo)紙打碼方式。在TwinCAT3中根據(jù)相關(guān)傳感器的檢測情況編寫程序，控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，可以對煙包進(jìn)行自動(dòng)化靜態(tài)激光打碼，大大提高了打碼的效率和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：ZB421；TwinCAT3；靜態(tài)激光打碼；頂升輸出

中圖分類號：TS43? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.008

0? ? 引言

ZB421包裝機(jī)由YB421型硬盒包裝機(jī)、YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)、YB65型硬條包裝機(jī)及YB95A型條外透明紙包裝機(jī)、煙包輸送通道和配套電控柜等構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)對新型煙草（加熱不燃燒卷煙）的包裝。其煙包包裝形式為短支雙鋁包，可以穩(wěn)定完成從煙支進(jìn)給到條盒成品包裝的全部過程，并且能完全避免人工接觸煙支[1]。該機(jī)組電氣控制系統(tǒng)采用倍福公司產(chǎn)品，是基于PC控制技術(shù)的開放式自動(dòng)化系統(tǒng)，整合PLC、運(yùn)動(dòng)控制、HMI（人機(jī)界面）于一體，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備復(fù)雜電控系統(tǒng)的集中控制[2]。

隨著卷煙市場的不斷發(fā)展，特別是歐洲市場，開始出現(xiàn)對卷煙煙包外側(cè)商標(biāo)紙打碼的需求。煙包包裝機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，通常沒有激光打碼位置，同時(shí)商標(biāo)紙部件工況復(fù)雜，現(xiàn)有的激光打碼器無法在煙包輸送過程中對外側(cè)商標(biāo)紙進(jìn)行準(zhǔn)確打碼。因此基于ZB421機(jī)組，設(shè)計(jì)了一種商標(biāo)紙靜態(tài)激光打碼裝置，是一種新型的煙包商標(biāo)紙打碼方式，可以對煙包進(jìn)行自動(dòng)化靜態(tài)激光打碼，與傳統(tǒng)打碼方式[3]相比，打碼效率更高，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

1? ? 結(jié)構(gòu)與工藝

1.1? ? 結(jié)構(gòu)

商標(biāo)紙靜態(tài)激光打碼裝置安裝在YB421型硬盒包裝機(jī)和YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)之間，由第一輸送通道、翻包機(jī)構(gòu)、頂升輸出機(jī)構(gòu)、煙包提升通道、激光打碼器和第二輸送通道構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2? ? 工藝流程

商標(biāo)紙靜態(tài)激光打碼裝置的工藝流程如圖2所示。YB421型硬盒包裝機(jī)包裝完成的煙包在通道上以姿態(tài)A豎直排列，經(jīng)過翻包機(jī)構(gòu)，通道上煙包姿態(tài)由豎直狀態(tài)的煙包A變成平躺姿態(tài)的煙包B。平躺的煙包B在進(jìn)入激光打碼裝置前是緊密相連的，后面煙包的推力將前面的煙包推入頂升輸出機(jī)構(gòu)3。煙包B進(jìn)入頂升輸出機(jī)構(gòu)3后，在煙包提升通道4中堆疊五包煙包，激光打碼器對靜止的第三包煙進(jìn)行打碼。打碼完成的煙包由頂升輸出機(jī)構(gòu)3中的推手推出，以姿態(tài)C進(jìn)入下一通道。

2? ? 控制硬件

2.1? ? 機(jī)械控制

頂升輸出機(jī)構(gòu)由共軛凸輪驅(qū)動(dòng)連桿和曲柄滑塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。基座上安裝凸輪3-1，齒輪3-2一端與凸輪3-1同軸，另一端與齒輪3-3配合，帶動(dòng)曲柄滑塊3-4運(yùn)動(dòng)。滑塊末端與推手3-5相連，當(dāng)凸輪3-1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推手3-5做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將提升通道最上方的煙包1推出。連桿3-7一端通過滾子與凸輪3-1相連，另一端與頂升板3-6鉸接，煙包1在頂升板3-6做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中被頂出進(jìn)入煙包提升通道。頂升板3-6和推手3-5的動(dòng)作與凸輪3-1行程相位相對應(yīng)，頂升板位于最高位置時(shí)，推手向前推煙；頂升板向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，推手向左將煙推到指定位置后向右回退，待推手回退到煙包之后，頂升板開始向上運(yùn)動(dòng)，形成一次完整的工作循環(huán)。

激光打碼器在特定的打碼窗口為煙包提升通道中的煙包進(jìn)行激光打碼，如圖4所示，打碼窗口4-1大于煙包1寬度，同時(shí)為了方便激光穿過，在打碼窗口4-1外側(cè)一圈設(shè)計(jì)倒角。這種使打碼窗口最大化的設(shè)計(jì)，可以滿足用戶對煙包外側(cè)商標(biāo)紙激光打碼位置多樣化的需求，推廣性更強(qiáng)。

2.2? ? 電氣控制

頂升輸出機(jī)構(gòu)凸輪的動(dòng)力由三相交流電機(jī)3M5640獲得。SINAMICS的G120C變頻器由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的控制系統(tǒng)，于是選用該變頻器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)3M5640，其接線圖如圖5所示。模擬電壓控制信號接在變頻器的3、4端子，同時(shí)設(shè)置變頻器參數(shù)P1 000=2[4]，即模擬輸入，電機(jī)3M5640的速度由程序輸出的模擬量信號控制。通過程序?qū)Σ煌r的分析實(shí)現(xiàn)對頂升輸出機(jī)構(gòu)的速度控制，使其既能根據(jù)自身傳感器檢測情況，也能根據(jù)上游機(jī)和下游機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行速度匹配。

3? ? 控制方式

為保持上下游通道煙包輸送流暢，頂升輸出機(jī)構(gòu)的速度與整個(gè)機(jī)組速度匹配，需要增加相應(yīng)的傳感器控制頂升輸出機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1? ? 第一輸出通道啟停傳感器

在第一輸出通道上，距離頂升輸出機(jī)構(gòu)入口前方100 cm處安裝電容式傳感器3S5237用于判斷頂升輸出機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)。當(dāng)傳感器3S5237連續(xù)感應(yīng)到煙包500 ms，說明此時(shí)煙包已經(jīng)堆積到3S5237處，頂升輸出機(jī)構(gòu)需要?jiǎng)幼鳎瑢B421型硬盒包裝機(jī)包裝完成的煙包輸送到Y(jié)B55A型盒外透明紙包裝機(jī)。如果此時(shí)YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)啟動(dòng)傳感器3S235感應(yīng)，YB55A啟動(dòng)，則頂升輸出機(jī)構(gòu)的速度與YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)速度保持一致；如果此時(shí)傳感器3S235未感應(yīng)，YB55A未啟動(dòng)，則頂升輸出機(jī)構(gòu)的速度為一固定值20 r/min，慢速將煙包輸送至YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)。

為了讓頂升輸出機(jī)構(gòu)盡可能多利用煙包，減少煙包的浪費(fèi)，在頂升輸出機(jī)構(gòu)入口前方30 cm處安裝電容式傳感器3S5247用于判斷頂升輸出機(jī)構(gòu)的停止。當(dāng)傳感器3S5247未感應(yīng)到煙包300 ms，說明此時(shí)YB421型硬盒包裝機(jī)沒有包裝完成的煙包輸出，通道上煙包數(shù)量極少，頂升輸出機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作。

3.2? ? 頂升輸出機(jī)構(gòu)堵塞傳感器

YB421型硬盒包裝機(jī)包裝完成的煙包在頂升輸出機(jī)構(gòu)中有前進(jìn)和提升兩個(gè)動(dòng)作，由于工況或者煙包輸送不順暢，偶爾會(huì)在頂升輸出機(jī)構(gòu)中發(fā)生堵塞，輕則煙包變形，影響煙包質(zhì)量，重則損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)[5]。為了避免發(fā)生堵塞后，頂升輸出機(jī)構(gòu)仍然動(dòng)作損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)，在前進(jìn)通道和提升通道分別安裝電感式傳感器3S5240和3S5242用于實(shí)時(shí)檢測頂升輸出機(jī)構(gòu)的堵塞情況。如果前進(jìn)通道發(fā)生堵塞擠煙，壓桿脫開，3S5240感應(yīng)不到，YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)和頂升輸出機(jī)構(gòu)停止，同時(shí)在人機(jī)交互界面顯示紅色信息“前進(jìn)通道堵塞”；如果提升通道發(fā)生堵塞擠煙，壓桿脫開，3S5242感應(yīng)不到，YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)和頂升輸出機(jī)構(gòu)停止，同時(shí)在人機(jī)交互界面顯示紅色信息“提升通道堵塞”。

3.3? ? 第二輸送通道堵塞傳感器

頂升輸出機(jī)構(gòu)與YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)之間的第二輸送通道長約4 m，為了更好地進(jìn)行速度匹配，在通道上安裝電容式傳感器3S5235和3S5239。3S5239安裝于距離頂升輸出機(jī)構(gòu)出口2 m處，3S5235安裝于距離頂升輸出機(jī)構(gòu)出口1 m處。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，煙包應(yīng)該在3S5239和YB55A啟動(dòng)傳感器3S235之間，一旦YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)由于自身故障停機(jī)等原因，無法及時(shí)處理由頂升輸出機(jī)構(gòu)輸出的打好碼的煙包，則會(huì)導(dǎo)致煙包在通道上累積。如果3S5239連續(xù)感應(yīng)到500 ms，說明此時(shí)煙包在通道上已經(jīng)累積了一半，YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)要以更快的速度運(yùn)行，才能即時(shí)處理頂升輸出機(jī)構(gòu)送過來的煙包，保持通道煙包數(shù)量穩(wěn)定。如果3S5235連續(xù)感應(yīng)到500 ms，說明此時(shí)通道上的煙包大量累積，頂升輸出機(jī)構(gòu)需要停止，待YB55A型盒外透明紙包裝機(jī)處理部分煙包使3S5235連續(xù)300 ms不感應(yīng)后才再次啟動(dòng)。

3.4? ? 安全防護(hù)傳感器

為了防止在運(yùn)行過程中，操作人員誤操作頂升輸出機(jī)構(gòu)或其他物品落入機(jī)構(gòu)，確保設(shè)備的安全性，在頂升輸出機(jī)構(gòu)上安裝了一個(gè)防護(hù)罩，如果防護(hù)罩被打開，則頂升輸出機(jī)構(gòu)和YB55A盒外透明紙包裝機(jī)停止，同時(shí)在人機(jī)交互界面顯示紅色信息“激光打碼防護(hù)罩打開”。

4? ? 結(jié)束語

由于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)激光打碼方式編碼容易跑偏，設(shè)計(jì)了一種新型煙包商標(biāo)紙靜態(tài)激光打碼裝置，應(yīng)用于ZB421短支雙鋁包煙包商標(biāo)紙側(cè)邊打碼。該裝置由第一輸送通道、翻包機(jī)構(gòu)、煙包提升通道、煙包頂升輸出機(jī)構(gòu)、激光打碼器和第二輸送通道構(gòu)成，在裝置中安裝若干傳感器，根據(jù)傳感器的檢測狀態(tài)控制頂升輸出機(jī)構(gòu)的啟停與速度，可以快速對煙包商標(biāo)紙進(jìn)行靜態(tài)激光打碼，大大提高了打碼的效率和穩(wěn)定性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳浩然.品牌生態(tài)位視角下跨國煙草公司加熱卷煙國際市場發(fā)展對中國煙草企業(yè)的啟示研究——以菲莫國際IQOS為例[D].昆明：云南大學(xué)，2022.

[2] 張都，鄭豐茂，蘇浩業(yè).異型煙全自動(dòng)包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2021（13）：48-50.

[3] 盧洪林，陳濤，劉翔，等.YB65型條盒包裝機(jī)異型包裝改進(jìn)[J].煙草科技，2021，54（4）：100-106.

[4] 張安潔，張寶夫.西門子PLC與G120C變頻器在攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子世界，2021（18）：136-138.

[5] 葉恒宇，盧泉波，林智華.異型規(guī)格條盒紙自動(dòng)化包裝試驗(yàn)裝置的研究與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2020，33（10）：148-149.

收稿日期：2024-01-26

作者簡介：湯鏇蓉（1995—），女，江蘇人，助理工程師，研究方向：煙草行業(yè)包裝機(jī)組電氣設(shè)計(jì)。