李帥 張健 王東 王曉華 刁維龍

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有包裝設(shè)備無(wú)法完成異型煙透明紙包裝的情況，現(xiàn)階段依靠人工進(jìn)行包裝，工藝標(biāo)準(zhǔn)不一致，影響產(chǎn)品包裝的統(tǒng)一性?；诠I(yè)機(jī)械手原理，利用氣缸，步進(jìn)電機(jī)結(jié)合機(jī)械部件模擬人手動(dòng)作，通過(guò)編程控制該裝置的動(dòng)作和流程，可以代替人工完成單調(diào)、重復(fù)、長(zhǎng)時(shí)間的工作，完成條盒透明紙的折疊和熱封，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，統(tǒng)一條盒透明紙的工藝質(zhì)量，使臥式雙包條盒透明紙更加平整美觀。

關(guān)鍵詞：異型煙;透明紙;機(jī)械手

中圖分類號(hào)：TS4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1064（2021）08-005-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.003

卷煙的最小包裝單位是盒，其中可裝入若干支（通常為20支）卷煙，分為軟盒、硬盒及其他三種。條是卷煙盒的最小包裝單位，其中可裝入若干盒（通常為10盒卷煙），硬包裝稱為條盒，軟包裝稱為條包。條包內(nèi)小盒的排列方式一般有兩層5小盒平臥相疊和10小盒直立排列兩種包裝形式，簡(jiǎn)稱為臥式條包（二五平包）或直式條包。硬條包裝一般為二五平包，這是現(xiàn)代卷煙企業(yè)最常用的條包裝形式[1]。

1 問(wèn)題分析

除上述包裝形式之外，其他方式的特殊條盒包裝形式，如臥式雙包條盒透明紙的折疊就要靠人工完成，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率較低。另外，人的技能水平的差異也會(huì)影響條盒透明紙的包裝工藝質(zhì)量。人工包裝的條盒透明紙存在透明紙翹邊、折皺、搭口偏斜、透明紙松散等包裝缺陷[2]，影響產(chǎn)品美觀。因此，需要設(shè)計(jì)一種自動(dòng)透明紙折疊裝置，代替人工折疊。

2 透明紙折疊裝置設(shè)計(jì)

如果人工完成條盒透明紙一側(cè)端面的折疊，人手需要做8個(gè)動(dòng)作，通過(guò)氣缸帶動(dòng)鋼板尺的伸縮和鏟壓動(dòng)作模擬人手的動(dòng)作，可以完成透明紙端面的折疊[3]。采用定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)式，使放置條煙的工作臺(tái)做出幾個(gè)類似機(jī)械手臂的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，用一組末端執(zhí)行器模擬人手的折疊動(dòng)作后進(jìn)行條盒熱封，通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)控制筆者所設(shè)計(jì)裝置的動(dòng)作和行為，就可以完成條盒端面透明紙的折疊和熱封。

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1.1 結(jié)構(gòu)組成

先完成一側(cè)透明紙折疊熱封，再旋轉(zhuǎn)180°完成另一側(cè)折疊熱封。其機(jī)械結(jié)構(gòu)包括左支架12、右支架4，前支架8;上短邊透明紙折疊氣缸1及其鏟刀2，下短邊同樣有相應(yīng)的折疊裝置;右長(zhǎng)邊折疊氣缸5及其鏟刀3;左長(zhǎng)邊折疊氣缸11及其烙鐵熱封裝置;條盒定位氣缸7及其定位推盤6;熱封推桿;旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。其電氣器件包括控制器、步進(jìn)電機(jī)、開(kāi)關(guān)電源、電磁閥、電磁鐵、加熱管、熱電偶及溫控器。

2.1.2 工作流程

如圖1所示，將條盒長(zhǎng)邊裹包好放置在工作臺(tái)，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，步進(jìn)電機(jī)13帶動(dòng)工作臺(tái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，定位氣缸7伸出推動(dòng)條煙到達(dá)定位工位A端，上下鏟刀1伸出將A端兩短邊折角向內(nèi)折疊;右鏟刀3伸出將A側(cè)端面長(zhǎng)邊透明紙向內(nèi)折疊，同時(shí)上下鏟刀和右鏟刀回位;左烙鐵10伸出完成A側(cè)端面另一長(zhǎng)邊的透明紙折疊，后電磁鐵9伸出與定位氣缸7配合壓緊條煙;后電磁鐵回位，左烙鐵回位，熱封完成一次;工作臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°完成二次熱封，工作臺(tái)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°完成三次熱封;工作臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°定位B端，定位氣缸伸出條煙重新定位，同上步驟完成條煙透明紙B端的裹包和熱封過(guò)程。

2.1.3 確定氣缸型號(hào)

氣缸是折疊裝置的重要組件，左氣缸連接烙鐵，其作用是對(duì)條盒端面透明紙鏟壓和熱封;右氣缸連接大鏟刀，其作用是鏟壓條盒端面透明紙使之敷貼;上下短邊透明紙折疊氣缸的運(yùn)行帶動(dòng)鏟刀的伸縮，氣缸的行程應(yīng)該≥30mm，才能將透明紙端面小短邊摁壓得平整、敷貼;條盒定位氣缸的作用是對(duì)條盒端面施加作用力，既要保證條盒的推送精度，又不能讓條盒擠壓變型。

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，筆者畫(huà)出條煙及條煙透明紙邊緣的運(yùn)行軌跡，當(dāng)氣缸行程大于60mm時(shí)，末端執(zhí)行器的運(yùn)行軌跡和條煙透明紙邊緣的運(yùn)行軌跡不會(huì)發(fā)生交集，所以氣缸的行程只要大于60mm即可，左右氣缸型號(hào)最后確定為：TN-20×100-S-T。

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)作原理，筆者將寫(xiě)好的程序?qū)懭肟刂破鳎刂破骺梢钥刂婆c電路和氣路相連的所有部件。如果該裝置需要做出一個(gè)動(dòng)作，這時(shí)控制器會(huì)打開(kāi)所有需要的電機(jī)和閥門。如果要改變?cè)撗b置的動(dòng)作和行為，可重新編程，然后寫(xiě)入其控制器。所有傳動(dòng)裝置都通過(guò)導(dǎo)線與一塊電路相連，該電路直接為電機(jī)和螺線圈供電，并操縱電磁閥門啟動(dòng)電氣系統(tǒng)。閥門可以控制壓縮空氣在機(jī)器內(nèi)流動(dòng)的路徑。比如，如果該裝置要做出一個(gè)伸出動(dòng)作，其控制器會(huì)打開(kāi)一個(gè)閥門，控制傳動(dòng)裝置做出動(dòng)作。透明紙折疊裝置電氣原理如圖2所示。

本裝置采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電磁閥、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行器件，按工藝流程動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，通過(guò)數(shù)碼管按鍵實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置及讀取，滿足人機(jī)交互功能。

2.2.1 步進(jìn)電機(jī)力矩確定

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的計(jì)算：

其中，工作臺(tái)長(zhǎng)度x=0.186m;工作臺(tái)寬度y=0.037m;工作臺(tái)高度z=0.02m;中心線與旋轉(zhuǎn)軸線距離e=0m;工作臺(tái)質(zhì)量m=0.969kg;經(jīng)計(jì)算，工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.0029kg/m2。

角加速度計(jì)算：

控制系統(tǒng)要精確定位，運(yùn)動(dòng)物體必須有加減速過(guò)程，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一圈為1.2s。

角速度 =5.2rad/s，從0到勻速的時(shí)間為0.46s，角加速度 =5.2/0.46=11.37rad/s2。

電機(jī)力矩計(jì)算：

力矩計(jì)算公式為：T=（J*ε+TL）/η

式中： TL為系統(tǒng)外力折算到電機(jī)上的力矩， η為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。忽略系統(tǒng)外力，TL =0;查機(jī)械傳動(dòng)效率表，取η=0.97;帶入上述數(shù)值計(jì)算得：

T=0.34N·M;

故步進(jìn)電機(jī)的靜力矩應(yīng)大于0.34N·M。

故選擇靜力矩為0.4N·M的86BYG401型步進(jìn)電機(jī)。

2.2.2 確定參數(shù)

折疊裝置制作完成后，要達(dá)到最佳的熱封效果，需要選擇合適的烙鐵溫度、烙壓時(shí)間及壓力，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定最佳參數(shù)：

小組以GDX2型包裝機(jī)透明紙包裝處的烙鐵溫度為依據(jù)，選擇三種溫度（A烙鐵溫度℃）;通過(guò)調(diào)查包裝機(jī)擋車工手工打條烙壓時(shí)間，得出烙壓時(shí)間在2s～3s（B烙壓時(shí)間s）;電磁鐵行程一旦超過(guò)2mm，煙包會(huì)發(fā)生變形，因此選擇行程小于2mm（C熱封壓力mm）。

比較R值大小，看各因素的影響程度，按照因素影響程度主次排序：B→C→A，B、C為主要因素，A為次要因素。

直觀分析：直接比較9個(gè)試驗(yàn)綜合評(píng)分，最高分為5號(hào)方案，即組合A2B2C3。

計(jì)算分析：某列的n位級(jí)的貢獻(xiàn)系數(shù)，為本位的n位級(jí)對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果之和，從計(jì)算結(jié)果可知，較優(yōu)方案為A2B2C3。趨勢(shì)圖如圖3所示。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，最終確定最佳參數(shù)：烙鐵溫度135℃，烙壓時(shí)間2.5s，當(dāng)電磁鐵行程為2mm時(shí)，對(duì)應(yīng)最佳的熱封壓力。

3 結(jié)語(yǔ)

該裝置完全代替人工完成8個(gè)動(dòng)作，減少了單調(diào)、重復(fù)的折疊動(dòng)作，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以使異型煙條盒透明紙更加平整、美觀，產(chǎn)品質(zhì)量抽檢得分有所提高，對(duì)于小批量的異型煙產(chǎn)品有極高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐尚超，郭建娟，徐峰.FOCKE 700S硬盒包裝機(jī)內(nèi)框紙橫向輸送裝置的改進(jìn)[J].機(jī)械工程師，2014（8）：276-277.

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[3] 張振華，孟振偉，張偉華.隨動(dòng)式條盒透明紙包裝整形器的設(shè)計(jì)[J].煙草科技，2004（3）：13-15.