關(guān)鍵詞：排空設(shè)計；移位鏈；透明紙美容裝置中圖分類號：TP273；TS43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展[1]，自動化與智能化成為煙草包裝行業(yè)發(fā)展的重要趨勢[2]。煙草包裝機(jī)械作為整個煙草產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)，其性能直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。ZB415 型中速包裝機(jī)組，作為一款基于ZB45 平臺智能升級的設(shè)備[3]，集成了TwinCAT3 軟件平臺架構(gòu)、狀態(tài)監(jiān)測智能化系統(tǒng)、人機(jī)操作界面以及伺服驅(qū)動系統(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)。這些技術(shù)使得ZB415 型中速包裝機(jī)組具備了高可靠性、智能化及自動化的特點(diǎn)，滿足了現(xiàn)代煙草包裝行業(yè)對于高效率和高質(zhì)量生產(chǎn)的需求。

ZB415 型中速包裝機(jī)分為主機(jī)和輔機(jī)兩個部分，主機(jī)完成小盒煙包的包裝，輔機(jī)完成小盒外透明紙包裝、條盒包裝以及條盒外透明紙的包裝。YB915 型硬條外透明紙美容裝置（簡稱“美容裝置”）是其輔機(jī)的重要組成部分，主要完成條盒外透明紙的美容工作。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障停機(jī)或需要更換原輔材料時，美容裝置內(nèi)部的煙條排空成為一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)[4]。如果排空不及時則會使煙條長時間加熱，導(dǎo)致透明紙材料的性能發(fā)生變化，進(jìn)而影響煙支的品質(zhì)。傳統(tǒng)的排空方式存在明顯的弊端：無論輸送帶上是否有煙條，都會執(zhí)行排空操作。這種方式不僅造成資源浪費(fèi)，還加劇了機(jī)械磨損。在連續(xù)高速生產(chǎn)過程中，如何確保設(shè)備在發(fā)生故障停機(jī)時，能夠快速、有效地進(jìn)行排空操作，防止產(chǎn)品損壞和機(jī)械磨損，成為亟待解決的問題[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文針對傳統(tǒng)排空方式存在的資源浪費(fèi)和機(jī)械磨損等問題，以YB915 型硬條外透明紙美容裝置為技術(shù)基礎(chǔ)，對排空算法進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。通過集成傳感器、移位鏈和智能判斷邏輯，顯著提升了排空操作的精準(zhǔn)性和整體執(zhí)行效率。

YB915 型硬條外透明紙美容裝置的構(gòu)成精密且復(fù)雜。如圖1 所示，該裝置包括4 個伺服電機(jī)、1個伺服編碼器、6 個加熱器和對應(yīng)的熱電偶、2 個電磁閥及一系列傳感器。4 個伺服電機(jī)分別控制煙條推進(jìn)美容器、煙條輸送、收縮加熱、煙條稱重等關(guān)鍵步驟；加熱器和對應(yīng)的熱電偶則用于實(shí)現(xiàn)煙條6 個面的均勻加熱和溫度監(jiān)控；電磁閥實(shí)現(xiàn)煙條側(cè)長邊及端面的加熱；傳感器用于檢測電機(jī)尋零狀態(tài)、堵塞情況、煙條是否存在以及是否到達(dá)預(yù)定位置等信息。其中，本文新增的傳感器S1 被安裝在美容裝置起始位置，其主要功能是精確檢測是否有煙條進(jìn)入美容裝置，從而為后續(xù)的排空操作提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。

在機(jī)器正常運(yùn)行狀態(tài)下，伺服編碼器跟隨主軸編碼器同步旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動控制。當(dāng)機(jī)器因故障或其他外部原因停機(jī)時，主軸編碼器將停止轉(zhuǎn)動。而該美容裝置能夠獨(dú)立于主軸編碼器，跟隨伺服編碼器繼續(xù)運(yùn)行，有效地執(zhí)行排空操作。這一設(shè)計不僅避免了煙條因長時間停留而導(dǎo)致外觀質(zhì)量下降的問題，還減少了原輔材料的浪費(fèi)。當(dāng)機(jī)器故障排除并恢復(fù)運(yùn)行時，伺服編碼器能夠自動與主軸編碼器重新嚙合，確保整個系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 軟件分析

為精確觸發(fā)排空操作，僅在需要排空的工位檢測到煙條時才執(zhí)行排空，本文在原有算法的基礎(chǔ)上引入一個傳感器S1 和一條移位鏈。該移位鏈用于判斷美容裝置中是否存在煙條。本文將伺服編碼器的一個完整旋轉(zhuǎn)周期（360°）定義為一個工位，并在每個伺服編碼器周期的起始點(diǎn)（0°）對移位鏈進(jìn)行移位操作。在此設(shè)定下，將煙條檢測傳感器S1 所在的位置記為第10 工位，根據(jù)美容裝置的結(jié)構(gòu)，需要排空的工位范圍則界定為第10 至第20 工位，總計涵蓋11 條煙。結(jié)合美容裝置在主軸的啟動相位，本文選擇在每個工位的330° 對該移位鏈進(jìn)行寫值操作。

當(dāng)伺服編碼器轉(zhuǎn)動到330° 時，系統(tǒng)可以讀取煙條檢測傳感器S1 的返回值并進(jìn)行判斷。圖2 為移位鏈置位流程圖。如果傳感器S1 未能檢測到煙條存在，則將該移位鏈中的第10 工位設(shè)置為0；如果傳感器S1 檢測到煙條并且機(jī)器處于正常運(yùn)行狀態(tài)，則將該移位鏈中的第10 工位設(shè)置為1；如果傳感器S1 檢測到煙條并且機(jī)器處于排空模式，此時推桿電機(jī)不會動作，導(dǎo)致煙條在該工位上持續(xù)停留，在這種情況下，則將該移位鏈中的第10 工位設(shè)置為0。同時，為了精確地進(jìn)行排空操作，對第10 至第20 工位上的煙條進(jìn)行計數(shù)操作，將統(tǒng)計的數(shù)值記為count1。

在機(jī)器正常運(yùn)行狀態(tài)下，伺服編碼器正常工作，即伺服電機(jī)的嚙合、使能等信號均正常。當(dāng)輔機(jī)因故障停機(jī)或輔機(jī)處于待料狀態(tài)且主機(jī)停機(jī)時，如果將輔機(jī)排空開關(guān)打開（此開關(guān)為軟件界面上的軟開關(guān)，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求靈活操作；若關(guān)閉此開關(guān)，則機(jī)器不會執(zhí)行排空動作），并且裝置到位、推桿動作正常、氣缸動作回退正常，煙條計數(shù)器count1大于0，則會啟動一個計時器。該計時器默認(rèn)延時5 s（此延時時間可通過界面進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同材料的需求），隨后啟動美容裝置進(jìn)行排空動作，界面會顯示相應(yīng)的提示信息“美容裝置正在排空”，直至煙條計數(shù)器count1 為0，即所有煙條均被排空。

如果美容裝置正在排空，當(dāng)遇到以下任意一種情形：輔機(jī)啟動運(yùn)行、輔機(jī)處于待料狀態(tài)且感應(yīng)到通道有煙包進(jìn)入、推桿防護(hù)罩打開、伺服編碼器發(fā)生故障、氣缸動作回退異常，系統(tǒng)將終止當(dāng)前的排空操作。同時，用戶界面會顯示相應(yīng)的提示信息“美容裝置排空被終止”。

如果排空過程中斷是由于伺服編碼器故障或氣缸回退異常等原因，即此時輔機(jī)仍處于停止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)會進(jìn)一步檢查煙條計數(shù)器count1。若count1 大于0，即仍有煙條在美容裝置中，界面將顯示紅色警告信息“美容裝置需手動取走煙條”。隨后，系統(tǒng)將啟動一個延時計時器，若20 s 后機(jī)器仍未恢復(fù)運(yùn)行，系統(tǒng)將對移位鏈上存在煙條的工位進(jìn)行剔除標(biāo)記。待機(jī)器重新啟動或再次進(jìn)入排空模式后，系統(tǒng)將利用稱重傳感器對被標(biāo)記剔除的工位進(jìn)行檢測，以判斷該工位上的煙條是否被取走。若檢測到煙條仍未被取走，裝置將執(zhí)行剔除動作，以避免煙條因長時間加熱而受損。這一流程確保了美容裝置在異常情況下的安全性和煙條的質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用TwinCAT3 編寫程序，并將程序下載至可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）中。通過3 種實(shí)例場景對本文提出的排空方式進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）設(shè)備排空情景1。在機(jī)器正常運(yùn)行狀態(tài)下，通道工位10 至工位20 上均有煙條。此時輔機(jī)因故障發(fā)生停機(jī)，美容裝置滿足所有的排空條件，設(shè)備排空情景1 如圖3 所示。系統(tǒng)會啟動5 s 延時計時器，計時結(jié)束后，會在t1 時刻進(jìn)行排空動作。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著編碼器的運(yùn)行，count1 的數(shù)值逐次減少1。當(dāng)count1 降為0 時，即t2 時刻，排空動作完成，總計排空11 條煙。

（2）設(shè)備排空情景2。在此情景中，僅在工位15 上放置一條煙來模擬特殊情況。當(dāng)設(shè)備進(jìn)行排空時，設(shè)備排空情景2 如圖4 所示。在t1 時刻進(jìn)行排空，此時count1 為1，當(dāng)編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)一圈后，該煙條由工位15 移動到工位16，但由于尚未離開排空區(qū)域，count1 的數(shù)值保持不變。排空過程持續(xù)進(jìn)行，直至該煙條離開工位20，在t2 時刻排空結(jié)束。

（3）設(shè)備排空情景3。為了驗(yàn)證排空過程中斷和再啟動的邏輯，在工位12 和工位13 上放置煙條。在排空過程中，通過啟動機(jī)器來中斷排空，并使得一條煙被推進(jìn)美容裝置，設(shè)備排空情景3 如圖5 所示。在t1 時刻滿足排空條件，設(shè)備開始排空，此時coun4BEIC7eqrNk5Fw+tWCLx7Q==t1 為2。然而，在t2 時刻輔機(jī)啟動，導(dǎo)致排空動作終止。在t3 時刻輔機(jī)再次停機(jī)，滿足排空條件，系統(tǒng)等待5 s 后準(zhǔn)備再次排空。由于之前機(jī)器的動作，使得一條煙被推進(jìn)美容裝置，因此工位10、17 和18 被標(biāo)記有煙條，導(dǎo)致count1 的數(shù)值增加至3。5 s 計時結(jié)束后，系統(tǒng)在t4 時刻再次進(jìn)入排空狀態(tài)。根據(jù)前文所述的邏輯，系統(tǒng)需要進(jìn)行11 個工位的排空。最終在t5 時刻完成整個排空過程。

4 結(jié)語與展望

本文基于YB915 型硬條外透明紙美容裝置，詳細(xì)闡述了該裝置自動排空操作的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法。通過3 種不同的實(shí)驗(yàn)場景，驗(yàn)證了排空方式的可靠性和靈活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在各種工況下，該裝置均能準(zhǔn)確排空煙條，有效避免長時間加熱導(dǎo)致的煙條質(zhì)量受損。這一改進(jìn)不僅提高了生產(chǎn)效率，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。未來，將進(jìn)一步優(yōu)化該設(shè)計，以適應(yīng)更多復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，為工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。