煙箱捆扎帶自動(dòng)拆除和收集設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

武小松 張楚安

（1.徐州眾凱機(jī)電設(shè)備制造有限公司，江蘇 徐州 221004；2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，湖北 武漢 430000）

0 引言

在食品、藥品、化妝品及煙草行業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)中，原材料通常裝入箱體中，再采用包裝扎帶捆扎，便于存放和運(yùn)輸，使用時(shí)，須切除扎帶，打開(kāi)箱體取出原材料，特別是煙草行業(yè)，葉片、煙梗等卷煙生產(chǎn)企業(yè)所用到的原材料均采用紙箱包裝、扎帶捆扎的形式進(jìn)行物流運(yùn)輸。

由于煙草企業(yè)的物流化設(shè)計(jì)，許多制煙工序都進(jìn)入了自動(dòng)化操作。煙箱就是通過(guò)物流系統(tǒng)從立體倉(cāng)庫(kù)中出箱，然后通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)線源源不斷地輸送過(guò)來(lái)的。煙箱表面由三根或四根塑料帶捆扎，塑料帶質(zhì)軟細(xì)長(zhǎng)且分布不均。在制絲生產(chǎn)前必須先拆箱，其中紙箱捆扎帶的拆除及回收仍需要由人工完成，系統(tǒng)工作效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以滿(mǎn)足大批量、機(jī)械化連續(xù)生產(chǎn)的需求。有些企業(yè)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)機(jī)械手，通過(guò)視頻識(shí)別扎帶位置由機(jī)械手剪切并抽取扎帶，但設(shè)備工藝復(fù)雜，占地面積大，價(jià)格昂貴，對(duì)不同規(guī)格的紙箱適應(yīng)能力低，無(wú)法普及應(yīng)用。

為此，在對(duì)紙箱捆扎帶拆除的功能需求、工藝特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易煙箱捆扎帶的自動(dòng)拆除和收集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了捆扎帶依次剪斷一次收集的功能，以滿(mǎn)足卷煙企業(yè)生產(chǎn)的需求，該設(shè)備的應(yīng)用將在卷煙生產(chǎn)中起到提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件和保證生產(chǎn)質(zhì)量的重要作用。

1 紙箱規(guī)格

目前，煙箱包裝標(biāo)準(zhǔn)按YC/T137.1-2004執(zhí)行。包裝用瓦楞紙箱采用半開(kāi)縫全套入型瓦楞紙箱（以下簡(jiǎn)稱(chēng)紙箱）。內(nèi)箱和外箱的兩塊瓦楞紙板通過(guò)釘合將接縫封合制成紙箱。內(nèi)箱底部折片與下墊板構(gòu)成箱底；外箱頂部折片與上墊板構(gòu)成箱蓋。使用時(shí)應(yīng)將內(nèi)外箱套合在一起使用并且箱體外部有包裝扎帶（以下簡(jiǎn)稱(chēng)扎帶）捆扎。一般捆扎四道扎帶，具體尺寸見(jiàn)圖1，（200±0.5）kg/ 箱，紙箱長(zhǎng)×寬×高為1136mm×720mm×725mm，最大變形尺寸1300mm×900mm×850mm。

圖1 煙箱捆扎帶示意圖

2 捆扎帶拆除技術(shù)難點(diǎn)

紙箱捆扎帶的拆除，其技術(shù)難點(diǎn)主要有以下4點(diǎn)：1）制絲生產(chǎn)線中往往同時(shí)存在多種不同規(guī)格的紙箱；2）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的陳化貯存，紙箱變形嚴(yán)重，有些甚至嚴(yán)重破損；3）為便于紙箱的回收再利用，必須實(shí)現(xiàn)無(wú)損拆包；4）紙箱捆扎帶的打包位置、顏色、數(shù)量等具有不確定性。

3 機(jī)械手存在的問(wèn)題

部分煙草生產(chǎn)企業(yè)采用機(jī)械手割取扎帶，其主要由光照系統(tǒng)、攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)和剪切裝置等組成，基于機(jī)器視覺(jué)對(duì)采集到的煙箱圖像進(jìn)行濾波降噪，識(shí)別煙箱捆扎帶，通過(guò)一系列復(fù)雜的算法確定捆扎帶與箱體的交點(diǎn)位置以及捆扎帶剪切方向，對(duì)捆扎帶進(jìn)行剪切和回收。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)機(jī)器人割取煙箱扎帶做了大量研究，主要如下。

楊灝泉、張勇[1]等人設(shè)計(jì)了基于機(jī)器人技術(shù)的片煙紙箱拆包工藝。包裝帶回收過(guò)程分為3步：包裝帶數(shù)量檢測(cè)及定位；包裝帶抓取、剪斷及帶頭的輸送；包裝帶快速剪碎回收。

李長(zhǎng)勇、亓利偉[2]等人為了提高煙箱拆包的效率，提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的煙箱包裝帶識(shí)別與定位算法。

蔣明民[3]對(duì)我國(guó)卷煙生產(chǎn)中的煙葉包裝箱自動(dòng)開(kāi)箱環(huán)節(jié)中的開(kāi)箱機(jī)器人進(jìn)行研究，按照開(kāi)箱機(jī)器人在生產(chǎn)線中的工作特點(diǎn)，對(duì)開(kāi)箱機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究和動(dòng)力學(xué)研究。

謝丹[4]根據(jù)視覺(jué)和機(jī)構(gòu)相配合，總結(jié)出了煙草外部包裝的拆除特點(diǎn)，設(shè)計(jì)剪扎帶裝置，實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)檢測(cè)定位扎帶、機(jī)械系統(tǒng)拆除煙草箱外部包裝捆扎帶的功能。

目前拆箱機(jī)械手在應(yīng)用過(guò)程中仍存在以下問(wèn)題：1）投資成本高、占地面積大、維護(hù)成本高。2）顏色與煙箱接近的包裝袋不易識(shí)別。3）當(dāng)攝像機(jī)獲取的圖像太暗或曝光，箱體和背景難以區(qū)分，視覺(jué)系統(tǒng)不能有效識(shí)別捆扎帶。4）捆扎帶的松緊程度、扭曲程度以及箱體的姿態(tài)和表面情況均會(huì)影響檢測(cè)的精度。5）在機(jī)械手定位的過(guò)程中會(huì)損傷紙箱表面。6）在抽取扎帶的過(guò)程中，由于部分捆扎帶壓在紙箱底部輸送設(shè)備上造成無(wú)法正常抽取須人工干預(yù)。

4 一種新型的捆扎帶自動(dòng)拆除及回收設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足煙草行業(yè)實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化的要求，提高生產(chǎn)效率，該文提出一種新型的捆扎帶自動(dòng)拆除及回收設(shè)備結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 煙箱捆扎帶自動(dòng)拆除及回收設(shè)備結(jié)構(gòu)

捆扎帶自動(dòng)拆除及回收設(shè)備裝置包括箱體輸送單元、箱體頂起單元、扎帶切割單元、扎帶脫離裝置及扎帶回收裝置等。

箱體輸送單位分為鏈條輸送機(jī)和輥道輸送機(jī)兩種，前端為鏈條輸送機(jī)，其兩側(cè)為鏈板結(jié)構(gòu)，中間部分懸空，減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)闊熛溆兴臈l扎帶的束縛，煙箱在鏈條式送機(jī)輸送過(guò)程中內(nèi)部的物料不會(huì)落出。在鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)中間部分沿著箱體的前進(jìn)方向依次設(shè)置箱體頂起單元和扎帶切割單元。后端箱體輸送單元為輥道輸送機(jī)。

扎帶切割單元為電機(jī)帶動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)的割刀，割刀材質(zhì)為合金刀片，形狀為圓形，周邊開(kāi)刃，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)便于切割扎帶。

箱體頂起單元為兩個(gè)能夠隨著箱體運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的無(wú)動(dòng)力凸輪，并排布置。

扎帶脫離裝置為龍門(mén)架結(jié)構(gòu)，四周放置排刷，其主要作用為使割斷后的扎帶脫離煙箱。

扎帶回收裝置布置于扎帶脫離裝置正下方，回收割斷后的扎帶。

利用高速旋轉(zhuǎn)的刀片割斷扎帶，箱體頂起單元的主要作用為防止刀片切割扎帶時(shí)損壞紙箱，割斷后的扎帶由于鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)兩側(cè)鏈板與紙箱之間緊密接觸，扎帶并不會(huì)直接脫落，隨著紙箱運(yùn)行至扎帶脫離裝置，扎帶脫離裝置四側(cè)的排刷機(jī)構(gòu)將扎帶刷至扎帶收集盒。完成整個(gè)扎帶割取和回收過(guò)程，如圖3所示。

圖3 煙箱捆扎帶自動(dòng)割取裝置結(jié)構(gòu)

箱體輸送單元兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向輪，能夠調(diào)整箱體的位置，使箱體沿著箱體傳輸單元的中間向前移動(dòng)。在鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)中間部分沿著箱體的前進(jìn)方向依次設(shè)置箱體頂起單元和扎帶切割單元，箱體頂起單位的兩個(gè)凸輪并列排放，位于箱體傳輸單元中央位置，在箱體運(yùn)行過(guò)程中，能夠頂起箱體底部?jī)善律w板，從而使箱體中部凹陷，分開(kāi)扎帶與箱底蓋，在箱體前進(jìn)過(guò)程中，遇到高速旋轉(zhuǎn)的割刀，從而切斷扎帶。

煙箱從物流系統(tǒng)進(jìn)入鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)，由導(dǎo)向輪調(diào)整位置，使紙箱中縫位于割刀處。凸輪機(jī)構(gòu)位于割刀前，紙箱壓在凸輪機(jī)構(gòu)上時(shí)，由于紙箱自重下蓋板被頂起，而扎帶仍保持繃勁狀態(tài)，如圖4所示。凸輪機(jī)構(gòu)頂端與割刀頂端保持一個(gè)高度差，使割刀切割扎帶時(shí)不損壞煙箱。

圖4 凸輪頂起煙箱下蓋板

在紙箱向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到紙箱時(shí)，紙箱前棱邊已通過(guò)割刀且凸輪機(jī)構(gòu)已經(jīng)將紙箱下蓋板頂起，此時(shí)開(kāi)啟割刀，在紙箱前進(jìn)過(guò)程中依次將扎帶切斷，采用鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)線速度計(jì)算割刀停止時(shí)間，在割刀即將到箱體后棱邊時(shí)關(guān)閉扎帶切割單元中的電機(jī)，這樣就可以把所有的扎帶割斷而不會(huì)損傷到紙箱。整個(gè)扎帶割取過(guò)程，完全自動(dòng)化控制，減少了人為的干預(yù)。

扎帶被割開(kāi)后，由于紙箱正在輸送過(guò)程中，扎帶被紙箱壓在傳動(dòng)鏈上。紙箱由鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)向輥道輸送機(jī)輸送，經(jīng)過(guò)兩臺(tái)設(shè)備空隙處時(shí)扎帶變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)掛置于紙箱上。

安裝于輥道輸送機(jī)前端的排刷能刷到紙箱四周的表面，使懸掛于紙箱上的扎帶停留在排刷前端，可以有效阻止被割開(kāi)的扎帶進(jìn)入輥道輸送機(jī)或纏繞在輥筒上，當(dāng)紙箱完全通過(guò)排刷時(shí)被割開(kāi)的扎帶落入收集箱內(nèi)，完成扎帶回收的過(guò)程。具體如圖5所示。

圖5 扎帶回收裝置簡(jiǎn)圖

該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、切除扎帶效果好，不會(huì)存在漏切的現(xiàn)象，同時(shí)不損壞箱體，使箱體能夠循環(huán)使用，節(jié)約資源。該系統(tǒng)在輸送單元上安裝頂起箱體的凸輪和高速旋轉(zhuǎn)的割刀，可以在切斷扎帶的同時(shí)不損傷箱體，由于割刀在箱體的底部，每根扎帶都要經(jīng)過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的割刀處，所以不會(huì)存在漏切的情況，與之前很多企業(yè)采用視頻或紅外線識(shí)別扎帶位置由機(jī)械手剪切并抽取扎帶的技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修成本較低，故障率也較低。

5 應(yīng)用效果

通過(guò)產(chǎn)品樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證以及設(shè)備在某煙廠的實(shí)際應(yīng)用表明，煙箱捆扎帶的自動(dòng)拆除和收集設(shè)備達(dá)到了捆扎帶拆除和回收的要求，性能穩(wěn)定可靠，工作能力符合煙廠生產(chǎn)線要求，為后續(xù)的開(kāi)包工序創(chuàng)造了條件，并具有以下特點(diǎn)：1）自動(dòng)化程度高。紙箱捆扎帶的拆除和收集均自動(dòng)化完成，無(wú)須人工干預(yù)。2）適應(yīng)能力強(qiáng)。適用于不同規(guī)格以及嚴(yán)重變形的紙箱，而且不受捆扎帶數(shù)量和顏色的限制。3）設(shè)計(jì)合理。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，穩(wěn)定性高，扎帶拆除成功率高，便于維護(hù)，占地面積小，成本低。