徐峰

熱熔壓敏膠涂膠系統(tǒng)在YB29自粘軟盒包裝機上的應用

徐峰

中煙機械技術中心有限責任公司，上海市浦東新區(qū)金海路1000號10號樓 201206

為解決自粘軟盒包裝機對商標紙進行刮膠時出現(xiàn)的膠條歪斜、形狀不準確以及膠條厚薄不均等問題，設計了一種新型熱熔壓敏膠涂膠系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由膠缸、膠管、膠槍、操控屏、控制器、編碼器以及電眼(檢測傳感器)等部件組成。采用刮膠方式的涂膠技術，以獲得外觀平整美觀的膠條；設計了商標紙定位導軌，防止在刮膠過程中模盒內的商標紙發(fā)生歪斜；利用脈沖定位方法確定刮膠起點與終點位置，避免涂出的膠條相對商標紙的位置出現(xiàn)偏差；采用I/P轉換器使膠缸內的壓力調節(jié)與包裝機運行速度保持同步。設膠條長度為45 mm，膠條寬度為4 mm，對刮出的膠條效果進行測試。結果表明：①刮出的膠條在長度方向的位置誤差為±1.100 mm，寬度方向的位置誤差為± 0.375 mm，符合卷煙產品包裝品質要求，能夠滿足自粘軟盒包裝機的使用需求。②在商標紙運行速度曲線的中間位置選擇刮膠起點和終點位置，可以獲得位置準確、外觀平整美觀的膠條。該涂膠技術可推廣應用于其他有涂膠需求的卷煙設備。

自粘軟盒；包裝機；熱熔壓敏膠；膠條；脈沖定位；導軌

自粘軟盒煙包是中煙機械技術中心新研發(fā)的一種卷煙包裝形式。為滿足自粘軟盒卷煙自動化生產的需求，基于FOCKE 350S包裝技術［1］研制了新型ZB29型自粘軟盒包裝機組，該機組主要由YB29自粘軟盒包裝機、YB512盒外透明紙包裝機、YB612硬條及條外透明紙包裝機以及YF66盒包存儲裝置等組成，其中YB29包裝機主要完成自粘軟盒的包裝成型功能［2］。在自粘軟盒煙包生產過程中，需要對煙盒蓋片的內側前端涂一條可反復粘結的熱熔壓敏膠［3-6］，這種膠與煙草行業(yè)廣泛應用的水基冷膠的性質不同，其涂膠技術和設備也不同［7-8］。由于使用中膠條會暴露在外，因此噴涂的熱熔壓敏膠條要求形狀美觀、位置準確。而目前尚無熱熔壓敏膠涂膠技術在煙草行業(yè)自粘軟盒包裝設備中的應用報道。文獻［9-10］中采用噴涂技術設計了一種熱熔膠噴涂系統(tǒng)并應用于GDX1包裝機上，但在實際應用中無法獲得表面平整的膠條。為此，采用熱熔壓敏膠刮膠技術［11］，利用脈沖定位方法，設計了一套新型熱熔壓敏膠涂膠系統(tǒng)，以準確控制膠條在商標紙上的相對位置，涂出外觀平整美觀的膠條，滿足自粘軟盒包裝機的使用要求。

1 問題分析

1.1 涂膠方式及商標紙定位問題

自粘軟盒的上方有一個蓋片，蓋片內側前端涂有一條可反復粘結的熱熔壓敏膠條，取煙時揭開蓋片，取煙后關閉蓋片時壓敏膠會重新將蓋片粘結在盒體上，見圖1。熱熔膠的涂膠方式有非接觸點噴涂、非接觸式纖維噴涂和接觸式刮涂3種。其中，非接觸點噴涂和非接觸式纖維噴涂方式可以使噴槍與商標紙不接觸，但噴涂出的膠條不夠整齊，外觀品質不夠理想。接觸式刮涂方式可以使膠條外觀平整，但刮槍要與商標紙接觸。商標紙刮膠時在模盒的帶動下快速通過刮槍底部的槍嘴位置，刮槍與商標紙之間間距過小會增加接觸摩擦力，造成商標紙在刮膠過程中出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，導致膠條相對商標紙歪斜；刮槍與商標紙之間間距加大可減小接觸摩擦力，但容易造成運動中的商標紙無法將膠槍噴嘴流出的熱熔膠全部帶走，膠槍留有殘膠，殘膠積累過多則會污染包裝設備。

包裝過程中通常在商標紙水平轉塔第二工位處進行壓敏膠涂膠［11］，此時商標紙轉塔模盒內只有半折疊的商標紙，沒有鋁箔煙包支撐商標紙，商標紙與膠槍刮膠口之間的摩擦力會使模盒內的空商標紙歪斜，從而改變膠條在商標紙上的位置。另外，在涂膠過程中，商標紙隨轉塔一起作變加速度間歇運動，如果不將商標紙穩(wěn)定地固定在模盒內，在商標紙上涂出的膠條都是歪斜的。

圖1 自粘軟盒煙包示意圖

1.2 涂膠要求

自粘軟盒所用商標紙形狀、壓敏膠膠條形狀和位置如圖2所示。壓敏膠體整體呈圓弧狀，膠條內側邊半徑R為295 mm，膠條寬5 mm，長45 mm。膠條噴涂位置為商標紙蓋片內側，居中位于蓋片上，蓋片寬54.7 mm。膠條在長度方向的位置誤差為±1.5 mm，在寬度方向的位置誤差為±0.5 mm；膠條長度誤差為±1.5 mm，寬度誤差為±0.5 mm。

膠條厚度0.1 mm，厚度誤差±0.05 mm，當設備速度發(fā)生變化時膠條厚度要求在誤差范圍內。包裝機從開始啟動逐漸加速到正常生產速度，模盒內商標紙運動的線速度也逐漸增加。當涂膠長度一定，且膠缸內壓力保持不變時，包裝機運行速度的高低會影響商標紙上的涂膠量，即包裝機低速運行時膠量多，高速運行時膠量少，從而造成膠條厚度變化較大。

圖2 壓敏膠膠條形狀和位置

1.3 膠條位置和長度控制問題

當設備的運行速度為定值時，若要在商標紙上獲得圖3所示膠條，膠槍必須在A點或B點開始刮膠，假設從A點開始經過一段時間T后在B點結束。實際上，膠槍雖然在A點開始刮膠，但膠槍針閥打開的時間并不是商標紙上A點運動到膠槍槍嘴的時間，而是要提前T1時間打開，即膠槍在獲得信號到打開針閥并流出膠液時存在有滯后響應時間T1。若不考慮T1，假設商標紙運動速度為V，則膠條的開始位置有V×T1的長度偏差。同樣，膠槍在關閉時也要提前T1時間關閉。

事實上，設備在生產過程中不可能以恒定速度運行。以YB29自粘軟盒包裝機為例，開機時其運行速度從0增加到300包/min。由于膠槍的滯后響應時間T1是恒定值，當設備速度改變時，商標紙的運行速度V會同步改變，此時膠條的起始和結束位置的偏差V×T1隨之發(fā)生變化，且設備運行速度越快，偏差越大。另外，如果刮膠時間T不變，則膠條長度V×T會隨設備速度增加而變長。

圖3 膠條在商標紙上的位置

2 設計方法

2.1 系統(tǒng)組成

熱熔壓敏膠涂膠系統(tǒng)主要由膠缸、膠管、膠槍、觸摸屏、控制器、編碼器以及電眼（檢測傳感器）等部件組成。在生產過程中，包裝機與膠缸之間有輸入與輸出信號，包裝機只有在膠缸溫度和壓力滿足要求時才能順利啟動，且膠缸的壓力與包裝機的運行速度相匹配，包裝機停機時膠缸的壓力同步迅速釋放。包裝機與操控屏及控制器之間也有輸入與輸出信號，相互通訊就緒信號。如圖4所示，包裝機運行時，電眼檢測到商標紙，并將信號傳遞給控制器，并根據編碼器傳遞過來的包裝機運行速度信號控制膠槍涂膠與關閉。同時，膠缸根據包裝機的運行速度控制膠壓大小，并將膠通過膠管輸送給膠槍，實現(xiàn)商標紙的涂膠。如圖5所示，膠槍安裝在一個直線氣缸滑動平臺上，當設備停機時，直線氣缸滑動平臺將膠槍提起并遠離刮膠位置，重新啟動設備前，再將膠槍復位。

2.2 定位導軌

為了獲得外觀平整美觀的膠條，經過多次涂膠試驗，最終選用了刮膠方式的涂膠技術。為解決在刮膠過程中模盒內的空商標紙發(fā)生歪斜問題，設計了一個商標紙定位導軌，見圖6。該導軌與商標紙兩內側長邊的頂部接觸，確保沒有鋁箔煙包支撐的商標紙在隨模盒轉動時被穩(wěn)定地固定在模盒內。

圖4 涂膠工作流程圖

圖5 膠槍安裝位置示意圖

圖6 定位導軌示意圖

該導軌的軌跡是一條三維空間曲線，其曲率沿相互垂直的兩個方向變化，在設計時無法直接做出該軌跡，因此需要將其分解成兩條二維平面曲線，即曲線C和曲線D，見圖7。曲線C由C1和C2兩部分組成，曲線D由D1和D2兩部分組成，曲線C所在平面與曲線D所在平面呈90°夾角。直線段D1與圓弧段C1合成時獲得的曲線段，仍為曲率變化為一個方向的圓弧段。而圓弧段C2與圓弧段D2合成時，由于兩個圓弧所在曲面相互垂直，且都有曲率變化，因此獲得的曲線是一條三維空間曲線。最終合成得到的整條曲線是一條三維空間曲線。

為了獲得良好的定位效果，C1的圓心與模盒的轉動中心重合，且其曲率半徑與模盒最外端轉動軌跡的半徑相同。圓弧段C2的作用是使商標紙順利進入導軌，而圓弧段D2的作用是使轉動的模盒順利進入導軌。

圖7 定位導軌軌跡曲線

2.3 I/P轉換原理

為解決膠條厚度隨包裝機速度變化問題，采用I/P轉換器自動調節(jié)膠缸的膠壓。先將包裝機的運行速度轉變成電信號，然后通過I/P轉換器再把電信號轉換成壓力控制信號，使得膠缸內的壓力能夠跟隨包裝機運行速度進行同步調節(jié)。

2.4 脈沖定位方法

針對包裝機實際運行中膠條相對商標紙位置出現(xiàn)偏差問題，沒有采用傳統(tǒng)的相位方法確定刮膠起點和終點位置，而是采用了脈沖定位方法。由于膠條半徑為295 mm，即膠槍的刮膠直徑為295×2=590 mm，所以水平轉塔對應膠槍噴嘴位置轉動一周的周長為590×π=1 853.54 mm，脈沖編碼器讀取商標紙轉塔轉動主軸的脈沖點數(shù)據，假設脈沖編碼器轉動一圈的脈沖點數(shù)為3 500，則編碼器每個脈沖對應的弧長為1 853.54/3 500=0.539 6 mm，即編碼器的分辨率為0.539 6。

在確定刮膠起點和終點位置時，只要選擇相應脈沖點數(shù)即可獲得膠槍刮膠口相對于商標紙的實際刮膠起點和終點位置，擺脫設備速度和時間對膠條位置的影響。同樣，膠條長度也可采用脈沖點數(shù)確定，例如從刮膠開始到結束共經歷100個脈沖，則膠條理論長度為0.539 6×100=53.96 mm。

實際情況中，帶動商標紙轉動的水平轉塔在轉動時是一個變加速運動狀態(tài)，其運動速度曲線見圖8。從曲線可以看出，兩端位置速度較低，但變化較快；中間位置速度較高，但變化較慢。脈沖編碼器在激發(fā)脈沖時，時間間隔是一定的，且整個運動周期內速度是不斷變化的，因此編碼器激發(fā)的每個脈沖點對應的實際長度并不是0.539 6 mm，每個脈沖點在速度曲線的兩端位置對應的弧長變化最大，在中間位置變化最小。因此，在商標紙運行速度曲線的中間位置選擇刮膠起點和終點，就可以獲得位置和形狀準確的膠條，起點與終點相對于曲線的中心軸是對稱的。

圖8 商標紙涂膠區(qū)域運動速度曲線

3 應用效果

為驗證實際刮出的膠條效果進行了試驗測試，試驗參數(shù)包括：包裝機生產速度為260包/min；膠缸壓力為2.5 MPa，膠缸溫度為160℃，膠管溫度為170℃，膠槍溫度為185℃；商標紙定量為205 g/m2，商標紙類型為轉移鋁復合紙，其表面涂覆亞光光油；膠條長度為45 mm，膠條寬度為4 mm。共選取4個樣品，測試結果見表1。

表1 刮出的膠條測試數(shù)據（mm）

由表1可見，膠條長度及在長度方向的位置誤差相對較大，而膠條寬度及在寬度方向的位置誤差相對較小，這是因為膠條長度及長度方向的位置控制主要依靠脈沖點控制，當編碼器的精度較低或商標紙轉塔轉動產生振動時，都會影響脈沖點的采集，尤其是瞬時轉速較高時，脈沖點的采集誤差會更大，這也是圖8中速度曲線不夠光滑的原因。而膠條寬度主要由膠槍的出膠口尺寸決定，且商標紙相對膠槍的位置較固定，因此誤差較小。

4 結語

熱熔壓敏膠涂膠系統(tǒng)在自粘軟盒包裝機上的實際應用情況以及測試結果表明：①刮出的膠條在長度方向的位置誤差為±1.100 mm，寬度方向的位置誤差為±0.375 mm，均在設計范圍內，符合卷煙產品包裝品質要求，能夠滿足自粘軟盒包裝機的使用需求。②在商標紙運行速度曲線的中間位置選擇刮膠起點和終點位置，可以獲得位置準確、外觀平整美觀的膠條。③該涂膠技術可推廣應用于其他有涂膠需求的卷煙設備。

但該涂膠系統(tǒng)在實際應用中發(fā)現(xiàn)，當自粘軟盒包裝機的速度超過260包/min時，隨著包裝機振動幅度的增大，通過脈沖編碼器獲得的商標紙運動速度曲線變得更加不光滑，在選取刮膠的起點與終點時誤差變大，由此導致涂出的膠條在長度方向的誤差增加。因此，還需對該系統(tǒng)在高速狀態(tài)下的涂膠效果進行優(yōu)化和改進。

［1］和平，廖臻，羅恒.FOCKE包裝機組［M］.云南：云南科技出版社，2001.

［2］徐峰，黃德良，杜國峰.蓋片式香煙包裝盒的包裝裝置和包裝方法：中國，201310280456.3［P］.2015-05-06.

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責任編輯 曹娟

Application of Hot Melt Pressure Sensitive Adhesive Application System to YB29 Self-binding Soft Packer

XU Feng
China Tobacco Machinery Technology Center Co.,Ltd.,Shanghai 201206,China

In order to prevent the adhesive pattern on labels from misalignment,inaccurate shape or uneven adhesive thickness in a self-binding soft packets,a new type hot melt pressure sensitive adhesive application system was designed,which comprised an adhesive pot,an adhesive pipe,an adhesive gun,an operation panel,a controller,an encoder,a sensor,wherein the adhesive was applied by scraping to ensure good appearance.A label guide was designed to ensure the label positioning during scraping.The start and stop positions of scraping were monitored by pulse positioning method.I/P converter was utilized to harmonize the pressure in adhesive pot with the running speed of the packer.The scraping adhesive pattern was tested by setting its length and width 45 mm and 4 mm respectively,and the results showed that:1）The longitudinal and transverse position errors of scraped adhesive pattern were±1.100 and± 0.375 mm,respectively;which met the requirements of cigarette packing quality and satisfied the needs of self-binding soft packer.2）Setting the start and stop positions of adhesive scraping at the middle of label running speed curve would obtain an adhesive pattern with accurate position and good appearance.

Self-binding soft packet；Packer；Hot melt pressure sensitive adhesive；Adhesive pattern；Pulse positioning；Guide

TS434

B

1002-0861（2015）11-0074-05

10.16135/j.issn1002-0861.20151114

2015-06-11

2015-08-13

中煙機械集團2013年度煙草機械科學研究與技術開發(fā)指令性項目“自粘式翻蓋軟盒包裝技術研究”（1102013327011）。

徐峰（1981—），碩士，工程師，主要從事煙草包裝機械研究工作。E-mail:xuf_126@126.com

徐峰.熱熔壓敏膠涂膠系統(tǒng)在YB29自粘軟盒包裝機上的應用［J］.煙草科技，2015，48（11）：74-78.

XU Feng.Application of hot melt pressure sensitive adhesive application system to YB29 self-binding soft packer［J］. Tobacco Science&Technology，2015，48（11）：74-78.