一種智能化柔性煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用

龔秋華 陳 民 薛 華 吳成斌 高 巍

（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司上海卷煙廠，上海 200082）

0 前言

我廠側(cè)開式金中支生產(chǎn)線引進(jìn)了全國首臺YB417C側(cè)開式包裝樣機(jī)設(shè)備，同時配套調(diào)整煙支翻盤輸送系統(tǒng)，采用了智能化機(jī)械手取代原有的傳統(tǒng)翻盤機(jī)和煙支輸送通道，將側(cè)開式金中支產(chǎn)品的生產(chǎn)效率從原來的最高50包/分提高到了200包/分。但是，隨著生產(chǎn)能力的大幅提升，盒裝煙支的外觀缺陷有所上升，煙支出現(xiàn)了擠壓變形，因此需要對煙支翻盤輸送體系進(jìn)行研究解決這一問題。

彭一帆[1]等人為了解決卷煙儲存輸送系統(tǒng)中細(xì)支煙橫煙的問題，對煙支分流器進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化，降低了橫煙的發(fā)生頻次；袁利強(qiáng)[2]等人設(shè)計安裝了一套煙支輸送設(shè)備輔助裝置，使初始傳來的煙支平穩(wěn)地從高處的不規(guī)則通道下落至煙庫；李文偉[3]等人設(shè)計了卷煙儲存輸送系統(tǒng)輔助裝置，實(shí)現(xiàn)了輔聯(lián)設(shè)備的自動化，提高了煙支下落過程中的流暢度。該文將通過對煙支翻盤輸送體系的系統(tǒng)性研究，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行重新設(shè)計，優(yōu)化煙支翻盤輸送過程。

1 煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)情況

1.1 煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)工作原理

煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)主要是由智能翻盤機(jī)械手將滿煙盤運(yùn)轉(zhuǎn)到Y(jié)B417C設(shè)備上煙庫，待上煙庫低料位光電感應(yīng)沒有煙支遮擋時，上煙庫玻璃防護(hù)罩向外打開，抽板向上升至煙支盤下方并縮回，玻璃防護(hù)罩隨抽板一同縮回，整盤煙支跟隨抽板下降至上煙庫最低位置。待下煙庫最上層煙支下降低于限位光電感應(yīng)時，抽板快速抽出，釋放整盤煙支直接到位，煙支落入下煙庫，并覆蓋在原有的煙支上。

1.2 煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)存在的問題

對煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)工作過程進(jìn)行分解可以發(fā)現(xiàn)上煙庫抽板抽離的一瞬間整盤煙支的質(zhì)量完全施加于下煙庫上，通過煙支之間的支撐分散傳遞，最終傳導(dǎo)至下煙庫各側(cè)面及最下方待進(jìn)入煙支模盒的煙支上，其中下煙庫頂部煙支會受到落下煙支的沖擊。因此，在煙支下落的瞬間，在最大程度上減小施加于下煙庫的質(zhì)量壓力，才能保證下煙庫煙支不會變形受損。

而原下煙庫結(jié)構(gòu)較為簡單，中間設(shè)置有一個彈簧卸力支撐裝置，其兩側(cè)對稱居中分布兩個菱形隨動導(dǎo)流塊，目的是在下煙庫中段增加對上段煙支的支撐、瞬間下壓的力量吸收和打斷中段煙支之間橫向支撐力，疏導(dǎo)煙支向下流動。但在實(shí)際應(yīng)用中，單獨(dú)居中布置的彈簧卸力支撐裝置卸力減壓效果不夠，兩側(cè)導(dǎo)流塊的效果也不明顯，無法保證下煙庫最上層煙支平齊。

因此，該文將針對原下煙庫的設(shè)計缺陷進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，緩解煙支下落造成的外觀變形。

2 智能化柔性煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 YB417C設(shè)備煙庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

煙支卸盤煙庫組成如圖1所示。煙盤在機(jī)械手的控制下對接煙庫，模組和氣缸機(jī)構(gòu)控制上煙庫對接抽板，在伺服電機(jī)的控制下上、下運(yùn)動輸送煙支。上煙庫抽板在即將接觸下煙庫已有煙支時開始抽離，煙支全部落到下煙庫中，煙支順著對接煙庫導(dǎo)軌和彈簧動力分流裝置進(jìn)行下煙。上煙庫煙支拍板由模組控制進(jìn)行前、后運(yùn)動。內(nèi)側(cè)如果發(fā)生煙支橫散，則需要推動煙支剔除拍板把手，煙支剔除拍板把手帶動煙支剔除拍板向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，橫散的煙支就被剔除。通過煙支剔除后視鏡可以觀察是否有煙支橫散察。下煙庫玻璃門能夠觀察和整理煙支，防止煙支散落，下煙庫整體較大且重，需要通過安裝吊環(huán)輔助安裝。

圖1 煙支卸盤煙庫組成

新下煙庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。在下煙庫主體結(jié)構(gòu)不進(jìn)行調(diào)整的情況，為了減少上煙庫釋放煙支后對煙支落到下煙庫的影響，根據(jù)原下煙庫彈簧卸力支撐裝置和煙支分流導(dǎo)向塊作用原理，將兩個部件的功能進(jìn)行合并設(shè)計。因標(biāo)準(zhǔn)煙支的長度為84mm，為保證煙支在下煙庫內(nèi)不發(fā)生徑向轉(zhuǎn)動，彈簧動力分流裝置在煙庫起合理調(diào)整煙支的流向作用，因此采用了3點(diǎn)式差異化布局。安裝位置對應(yīng)下方煙支的流向，對接主機(jī)的下煙通道有分流尼龍塊，因此彈簧動力分流裝置最長處長度為87.5mm，中間的彈簧動力分流裝置長度最短，進(jìn)而在實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)彈簧卸力支撐的同時，保留高效的煙支分流導(dǎo)向功能。

圖2 新下煙庫結(jié)構(gòu)

2.2 彈簧動力煙支分流裝置設(shè)計

新設(shè)計的煙支分流旋轉(zhuǎn)三角架在原設(shè)計中菱形煙支導(dǎo)向塊的基礎(chǔ)上加長下三角架，完整覆蓋下煙庫中段。打斷煙庫煙支之間的橫向支撐，使煙庫煙支像流體一樣自由流動，保證下煙庫頂層煙支水平，避免煙盤煙支下落落差過大而造成煙支變形。同時，針對中期改進(jìn)結(jié)構(gòu)中無法布置煙支導(dǎo)向塊的缺陷，煙支分流旋轉(zhuǎn)三角架與彈簧卸力支撐裝置合二為一，既滿足增加至三個彈簧卸力支撐裝置，又保留高效的煙支分流導(dǎo)向功能。

煙支在下煙庫中下落，彈簧動力煙支分流裝置（如圖3所示）與煙支接觸的地方分別是滾輪、分流架、煙支分流旋轉(zhuǎn)三腳架、浮動側(cè)板和固定側(cè)板。

圖3 彈簧動力煙支分流裝置

輥輪材料采用3Cr13不銹鋼，具有不銹性和耐蝕性，能在長期與煙支的摩擦中保證煙支的外形和清潔度。

分流架的作用是導(dǎo)向分流，兩斜面與煙支接觸發(fā)生摩擦。滾輪、分流架、浮動側(cè)板的質(zhì)量靠彈簧支撐。為了避免分流架自身質(zhì)量的問題引起彈簧受力過多，要求分流架的材料表面粗糙度、輕便且有一定的耐磨性，并且能夠保證煙支的表面清潔度。因此采用了PA1010（尼龍1010），中文名字為聚癸二酰癸二胺的材料，它有良好的自潤滑和耐磨性，機(jī)械強(qiáng)度高、沖擊韌性強(qiáng)。材料材質(zhì)輕而硬，表面有光亮的結(jié)晶顆粒，容易加工成型，還具有較好的電氣絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性。

支撐架是整個彈簧動力分流裝置的支撐部分，整個裝置需要靠支撐架安裝在下煙庫上，其材料必須堅固耐用，但支撐架并不與煙支接觸，因此對其表面粗糙度和耐磨性并無要求?？紤]市場的通用性和加工便利性，采用45號鋼即可。支撐架的尺寸需要比分流架、煙支分流旋轉(zhuǎn)三角架件、浮動側(cè)板、固定側(cè)板的長度尺寸小，以保證其在分流裝置的內(nèi)部，不與外側(cè)發(fā)生碰撞。

煙支分流旋轉(zhuǎn)三角架在下煙庫中是柔性轉(zhuǎn)動的，能夠根據(jù)煙支的流動進(jìn)行左右擺動。為避免與前后發(fā)生摩擦，其厚度尺寸小于煙庫尺寸和標(biāo)準(zhǔn)煙支尺寸?？紤]標(biāo)準(zhǔn)煙支是長度為84mm，在前后留好一定間隙后，煙支分流旋轉(zhuǎn)三角架的厚度尺寸定為63.5mm，這樣就能確保其在轉(zhuǎn)動時不會發(fā)生剮蹭，也不會產(chǎn)生噪聲。

2.3 彈簧部件設(shè)計

彈簧是此裝置的核心。在煙支卸盤過程中，彈簧動力煙支分流器對煙支產(chǎn)生主要反作用力，進(jìn)行卸力支撐的就是彈簧。該文對原煙庫進(jìn)行分析計算，得到相關(guān)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了彈簧部件的重新設(shè)計及校核。

按照彈簧部件的設(shè)計要求（見表1），選取的材料牌號為60Si2MnA，材料名稱為碳素彈簧鋼絲C級。該材料的切邊模量達(dá)到79000MPa，彈性模量達(dá)到206000MPa，能夠滿足設(shè)計的載荷要求。另外，低于彈簧的端部結(jié)構(gòu)形式采用中心臂扭轉(zhuǎn)彈簧，鋼絲直徑要求中心臂扭轉(zhuǎn)彈簧d≥0.5mm，適用于普通冷卷圓柱扭轉(zhuǎn)彈簧，兩端圈并緊并磨平[4]。

表1 彈簧部件設(shè)計要求

根據(jù)彈簧部件的設(shè)計要求和材料性能，通過計算確定了彈簧部件的基本參數(shù)，具體如見表2。

表2 彈簧部件基本參數(shù)

材料直徑計算公式[5-6]如公式（1）所示。

式中：τp為許用切應(yīng)力，根據(jù)彈簧的許用應(yīng)力選取；，k為曲度系數(shù)，查詢手冊選取k=1.157；或根據(jù)圓柱螺旋彈簧計算用系數(shù)選?。–為圓柱螺旋彈簧旋繞比，C=9.3mm；D為彈簧中徑，D=7.5mm；d為鋼絲直徑；d=0.8mm）。

通過對圓柱壓縮彈簧特性進(jìn)行校驗(yàn)，其變形量達(dá)到28.71mm，最小切應(yīng)力為214.17MPa，最大切應(yīng)力為642.52MPa，切應(yīng)力特性系數(shù)0.6，最大切應(yīng)力比抗拉強(qiáng)度0.32，各項性能滿足要求。此圓柱壓縮彈簧的最大工作載荷、工作極限且應(yīng)力、彈簧材料的許用應(yīng)力、工作極限彎曲應(yīng)力滿足Ⅰ類工作載荷。

3 改進(jìn)效果

3.1 設(shè)備現(xiàn)場調(diào)整

現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行觀察發(fā)現(xiàn)，下煙庫（如圖4所示）煙支形成流動效果，下落自然順暢，頂層煙支始終保持自然流動水平。煙盤煙支下降到位，抽板抽離，整盤煙支下落時，三個彈簧卸力支撐結(jié)構(gòu)反應(yīng)迅速到位，下落接觸時有緩沖運(yùn)動效果。

3.2 調(diào)整效果驗(yàn)證

對煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后，將翻盤煙支最下層、下煙庫最上層煙支和彈簧動力分流裝置上方煙支取出，觀察、比較煙支變形率（見表3）?？梢钥吹叫聼熤ХP輸送機(jī)構(gòu)上線后，煙支變形率由原來的千分之七下降至萬分之二以下，煙支質(zhì)量外觀得到了大幅提升。

表3 煙支變形率對比

4 結(jié)語

該文通過將兩個不同功能設(shè)備部件進(jìn)行創(chuàng)新型整合，解決了生產(chǎn)中的實(shí)際問題，提高了我廠設(shè)備人員對新型智能化柔性煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用的了解。目前，側(cè)開式煙支產(chǎn)品生產(chǎn)線上智能化機(jī)械手與包裝機(jī)之間的匹配性和適用性較好，煙支翻盤造成的煙支變形率始終保持在萬分之二以內(nèi)，這也進(jìn)一步證明了煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)改造和應(yīng)用的效果。這一種新型煙支翻盤輸送機(jī)構(gòu)在其他機(jī)型、產(chǎn)品、產(chǎn)線上的逐步應(yīng)用將會為我廠煙支產(chǎn)品的質(zhì)量保障提供有力的支撐。