ZJ17卷煙機(jī)上膠裝置

劉世明 王 劍 趙澤玉 景玉輝 施友志

(湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430040)

ZJ17卷接機(jī)組具有高生產(chǎn)率，高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，是中國(guó)卷煙企業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備[1]。該機(jī)組在使用預(yù)打孔接裝紙進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，按照卷煙產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量工藝技術(shù)要求，必須保證接裝紙膠線位置與接裝紙裁切位置同步，若不符合要求，需要人工對(duì)上膠裝置進(jìn)行調(diào)整，而完成一個(gè)調(diào)整周期，會(huì)浪費(fèi)大量煙支且耗時(shí)長(zhǎng)。而且當(dāng)上膠裝置拆下清洗或上膠裝置出現(xiàn)故障進(jìn)行維護(hù)后，重新安裝至設(shè)備又需要重新進(jìn)行膠線對(duì)位和查驗(yàn)。針對(duì)該問(wèn)題，劉瀾波等[2]對(duì)ZJ17接裝紙膠位進(jìn)行了微調(diào)裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)調(diào)整涂膠相位的功能，提高了卷接設(shè)備的運(yùn)行效率；張衛(wèi)賓等[3]對(duì)控膠輥進(jìn)行了調(diào)整，加寬了控膠輥的涂膠區(qū)，改善了煙支的搓接質(zhì)量；趙龍等[4]對(duì)預(yù)打孔接裝紙間隔涂膠問(wèn)題進(jìn)行分析，優(yōu)化了供紙輥和壓紙輥，確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性；劉長(zhǎng)龍等[5]對(duì)接裝紙涂膠偏移故障進(jìn)行分析，調(diào)整控膠輥和上膠輥線速度使其保持一致，解決了涂膠區(qū)相位漂移的問(wèn)題。以上改進(jìn)措施和方法，在人工調(diào)整的方便性、快捷性上起到了一定作用和效果，但仍未能實(shí)現(xiàn)預(yù)打孔接裝紙無(wú)膠區(qū)涂膠狀況由人工檢測(cè)、人工調(diào)整到機(jī)器自主檢測(cè)、自主糾偏的現(xiàn)狀。

通過(guò)研究ZJ17卷接機(jī)組接裝機(jī)部分的上膠裝置，擬設(shè)計(jì)一種新型的膠輥相位對(duì)位裝置。該裝置的動(dòng)力輸入脫離機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)，由伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)上膠裝置，利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)精確測(cè)量膠線位置，測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)娇刂破骱?，將控制信?hào)發(fā)送到伺服電機(jī)，伺服電機(jī)根據(jù)膠線偏移量信息，驅(qū)動(dòng)上膠裝置自動(dòng)調(diào)整膠輥相位，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制膠線位置的目的，以降低人工調(diào)整膠輥相位產(chǎn)生的廢品，縮短調(diào)整時(shí)間，降低停機(jī)次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

1 問(wèn)題分析

ZJ17卷接機(jī)組接裝紙現(xiàn)有上膠裝置如圖1所示，在煙支的自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，需要先在接裝紙上進(jìn)行涂膠，然后按所需尺寸剪切接裝紙。設(shè)備正常生產(chǎn)時(shí)，第一下膠輥2將膠液輸送至第一上膠輥1上，并在第一上膠輥1表面上形成膠線，再通過(guò)第一上膠輥1將膠線轉(zhuǎn)移到接裝紙上。第一上膠輥1安裝在傳動(dòng)軸上，第一下膠輥2通過(guò)傳動(dòng)齒輪與第一上膠輥1傳動(dòng)軸上的齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)上膠裝置的動(dòng)力傳輸。為了使傳動(dòng)軸能夠在停機(jī)狀態(tài)下依然能夠帶動(dòng)第一上膠輥1和第一下膠輥2轉(zhuǎn)動(dòng)，避免膠水干結(jié)，在傳動(dòng)軸的端部安裝有膠漿電機(jī)，膠漿電機(jī)始終保持轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)速低于主傳動(dòng)轉(zhuǎn)速。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，在離合齒輪的作用下，主傳動(dòng)帶動(dòng)上膠裝置動(dòng)力輸入傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，上膠裝置按照與主傳動(dòng)系統(tǒng)的速比關(guān)系運(yùn)行；當(dāng)主傳動(dòng)隨生產(chǎn)設(shè)備停止運(yùn)行后，由膠漿電機(jī)帶動(dòng)上膠裝置動(dòng)力輸入傳動(dòng)軸，上膠裝置繼續(xù)保持低速轉(zhuǎn)動(dòng)。上膠裝置采用該傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件繁多，故障率高，需要定期進(jìn)行檢查和維護(hù)，不利于生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)工作。

1. 第一上膠輥 2. 第一下膠輥 3. 調(diào)節(jié)裝置

根據(jù)卷煙產(chǎn)品生產(chǎn)工藝質(zhì)量要求，ZJ17卷接機(jī)組在實(shí)際卷煙生產(chǎn)中，接裝紙的上膠方式分為連續(xù)上膠和間隔上膠兩種形式。當(dāng)使用常規(guī)接裝紙時(shí)，上膠裝置采用連續(xù)上膠方式，此時(shí)膠輥的相位無(wú)嚴(yán)格的同步技術(shù)調(diào)整要求；而當(dāng)使用預(yù)打孔接裝紙時(shí)，上膠裝置采用間隔上膠方式，設(shè)備正常生產(chǎn)前，必須對(duì)膠輥的相位進(jìn)行同步調(diào)整。具體調(diào)整操作步驟和方法為：機(jī)器首先試生產(chǎn)，由人眼辨別接裝紙無(wú)膠區(qū)的涂膠情況是否符合工藝要求，若涂膠位置不符合工藝要求，需人為停機(jī)后手動(dòng)調(diào)整第一下膠輥2的相位，使其預(yù)打孔接裝紙上的涂膠情況處于調(diào)節(jié)裝置3預(yù)定的調(diào)整范圍內(nèi)；再通過(guò)調(diào)節(jié)裝置3進(jìn)行手動(dòng)精確調(diào)整，確保裁剪的接裝紙片無(wú)膠區(qū)(圖2)不涂膠。此操作過(guò)程繁瑣，調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，浪費(fèi)大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。而且，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行例?；蛏夏z裝置出現(xiàn)故障時(shí)，需拆卸上膠裝置進(jìn)行維護(hù)，再次將上膠裝置安裝到設(shè)備上后，又需人工對(duì)第一下膠輥2的相位進(jìn)行找正，若位置找正不準(zhǔn)確，也會(huì)造成廢品煙支，影響工作效率。

圖2 接裝紙涂膠工藝圖

2 改進(jìn)方法

對(duì)ZJ17卷接機(jī)組原上膠裝置的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種新型膠輥相位自動(dòng)對(duì)位裝置，以解決原上膠裝置在使用預(yù)打孔接裝紙生產(chǎn)時(shí)，膠輥人工對(duì)位不方便、不快捷的問(wèn)題。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

預(yù)打孔接裝紙膠輥相位對(duì)位裝置主要由以下兩部分組成：預(yù)打孔接裝紙膠線檢測(cè)系統(tǒng)和上膠裝置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

預(yù)打孔接裝紙膠線檢測(cè)系統(tǒng)由傳感器測(cè)量系統(tǒng)、嵌入式控制器、IO高速超采樣模塊、膠線自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、觸摸屏以及連接電纜等組成(圖3)。各部分之間的電氣連接方式分別為：傳感器測(cè)量系統(tǒng)與IO高速超采樣模塊采用0～10 V DC信號(hào)，通過(guò)RVVP屏蔽電纜進(jìn)行連接；IO高速超采樣模塊與嵌入式控制器采用E-bus總線，通過(guò)兩模塊的對(duì)接插口進(jìn)行連接；觸摸屏與嵌入式控制器采用ModbusTCP總線，通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行連接；嵌入式控制器與膠線自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)采用EtherCAT總線，通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行連接。

圖3 預(yù)打孔接裝紙膠線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

上膠裝置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由軸編碼器、伺服電機(jī)、上膠裝置等組成。伺服電機(jī)與軸編碼器形成電子齒輪，驅(qū)動(dòng)上膠裝置正常生產(chǎn)時(shí)與機(jī)器同步運(yùn)行。

2.2 預(yù)打孔接裝紙膠線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，預(yù)打孔接裝紙切割時(shí)有嚴(yán)格的相位要求，準(zhǔn)確調(diào)整涂膠相位是該設(shè)備操作的技術(shù)要點(diǎn)。如果涂膠相位不準(zhǔn)確，上膠位置超前或滯后，接裝紙搭口會(huì)因缺膠而造成煙支搓接不牢現(xiàn)象。接裝紙膠線位置不準(zhǔn)確，乳膠滲透到接裝紙外表面以后，易粘附在導(dǎo)紙輥、補(bǔ)償輥、切紙輪、切刀等部件的表面形成積膠，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，堆積的膠垢會(huì)造成煙支皺嘴、泡皺、搭口翹邊、接裝紙粘貼不齊等質(zhì)量缺陷。因此，研究中采用了預(yù)打孔接裝紙膠線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)接裝紙的涂膠狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。

預(yù)打孔接裝紙膠線自動(dòng)檢測(cè)及調(diào)整系統(tǒng)利用微波介質(zhì)諧振振蕩器(DRO)產(chǎn)生微波信號(hào)[6]，分時(shí)發(fā)送到各微波諧振腔作為檢測(cè)信號(hào)，照射到涂膠后的接裝紙上，利用接裝紙涂膠層的厚度不同導(dǎo)致的涂膠層水分子的介電常數(shù)差異[7]，采集微波諧振腔的諧振頻率及諧振幅度信號(hào)。微波諧振腔的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)微波PIN單刀多擲開(kāi)關(guān)將3路或5路合為一路傳送到檢波放大器[8]，檢波放大器根據(jù)不同的微波信號(hào)檢出直流電平，將其放大并將所需波動(dòng)幅度范圍內(nèi)的電壓值傳送到信號(hào)處理電路。檢測(cè)到的輸出信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，定時(shí)采樣電路用于控制采樣速度和采樣周期。

設(shè)備首次開(kāi)機(jī)過(guò)程中，傳感器檢測(cè)到膠線位置并且結(jié)合軸編碼器信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出切口到檢測(cè)傳感器長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)際涂膠偏移量，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)調(diào)整膠線位置達(dá)到理論位置。該自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的上膠輥傳動(dòng)脫離主傳動(dòng)，運(yùn)用伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，改進(jìn)上膠輥傳動(dòng)軸，取消膠缸攪動(dòng)電機(jī)。

2.3 上膠裝置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的膠輥相位對(duì)位裝置保留了原裝置中的上膠輥、下膠輥、膠缸組件等常用零件，確保了與原裝置零件的統(tǒng)一和互換。在線檢測(cè)系統(tǒng)安裝在上膠裝置與膠后加熱器之間[9]，微波檢測(cè)探頭安裝在涂膠后的接裝紙下方。為實(shí)現(xiàn)膠輥相位自動(dòng)調(diào)整功能，在MAX接裝機(jī)部分增加軸編碼器裝置，與上膠裝置電機(jī)形成電子齒輪，傳感器通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)膠線位置，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器，與系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)比對(duì)分析后，根據(jù)偏移量驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)調(diào)整膠輥相位，達(dá)到上膠裝置與整機(jī)同步，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)涂膠。該系統(tǒng)傳動(dòng)立體圖如圖4所示，包括主動(dòng)輪3和從動(dòng)輪4，主動(dòng)輪3固定安裝在伺服電機(jī)1的軸上，從動(dòng)輪4固定安裝在第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸2上，從動(dòng)輪4與主動(dòng)輪3嚙合。

1. 伺服電機(jī) 2. 第一傳動(dòng)軸 3. 主動(dòng)輪 4. 從動(dòng)輪 5. 防護(hù)罩

如圖5所示，上膠裝置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括伺服電機(jī)1、第一傳動(dòng)軸2、上膠輥3和供膠裝置。伺服電機(jī)1通過(guò)齒輪傳動(dòng)與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸2連接，上膠輥3固定套裝在第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸2上。供膠裝置布置在與上膠輥3相對(duì)的位置，包括膠缸4、下膠輥5和第二傳動(dòng)軸6。下膠輥5位于膠缸4內(nèi)的膠液中，下膠輥5將膠液輸送至上膠輥3上，在上膠輥3表面形成膠線，通過(guò)上膠輥3將膠線轉(zhuǎn)移到接裝紙上，再由后續(xù)工序完成單張接裝紙切割、煙支搓接、煙支分切、煙支調(diào)頭、煙支檢測(cè)、煙支輸出等工藝任務(wù)[10]。

1. 伺服電機(jī) 2. 第一傳動(dòng)軸 3. 上膠輥 4. 膠缸 5. 下膠輥 6. 第二傳動(dòng)軸

設(shè)備運(yùn)行時(shí)，膠線檢測(cè)裝置對(duì)膠線位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，上膠裝置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的伺服電機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的偏移量實(shí)現(xiàn)膠線位置自動(dòng)調(diào)整；設(shè)備停止運(yùn)行后，伺服電機(jī)1依然驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸2轉(zhuǎn)動(dòng)，并同步帶動(dòng)上膠輥3和下膠輥5轉(zhuǎn)動(dòng)，防止膠水干固凝結(jié)在上膠輥3和下膠輥5上。

預(yù)打孔接裝紙膠線檢測(cè)調(diào)整自動(dòng)控制，采用膠線切口位置設(shè)定值與膠線自動(dòng)檢測(cè)調(diào)整相結(jié)合的方式。軸編碼器信號(hào)設(shè)置成虛擬軸模式，編碼器原點(diǎn)脈沖信號(hào)和卷煙機(jī)主軸煙支切口位置形成固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，控制系統(tǒng)根據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)定膠輥伺服電機(jī)膠線切口位置的預(yù)設(shè)值。當(dāng)設(shè)備停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入攪漿工作模式，膠輥低速運(yùn)行以避免膠水凝固；當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)后，膠輥由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)與編碼器虛擬軸進(jìn)行位置速度耦合，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設(shè)定的傳動(dòng)比和切口位置偏移量，與卷煙機(jī)主軸以隨動(dòng)模式運(yùn)行。在隨動(dòng)模式下，膠線傳感器自動(dòng)檢測(cè)，將實(shí)時(shí)檢測(cè)的膠線位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器，與系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)比對(duì)分析后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)根據(jù)偏移量調(diào)整膠輥相位，達(dá)到上膠裝置與主傳動(dòng)系統(tǒng)同步。

采用伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和膠線位置自動(dòng)檢測(cè)調(diào)整的膠輥相位對(duì)位裝置，保留了原機(jī)操作按鈕的布局和操作習(xí)慣，利于操作人員快速熟悉該裝置的使用，使生產(chǎn)操作更加方便快捷，膠線位置控制更加準(zhǔn)確可靠。當(dāng)根據(jù)生產(chǎn)要求，需要變換接裝紙規(guī)格時(shí)，只需在人機(jī)交互界面對(duì)品牌參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，即可實(shí)現(xiàn)膠線位置適應(yīng)生產(chǎn)需求，避免了設(shè)備反復(fù)開(kāi)停機(jī)調(diào)試驗(yàn)證時(shí)間。

該裝置的人機(jī)界面交互友好，能夠?qū)崟r(shí)顯示膠輥電機(jī)狀態(tài)、運(yùn)行速度、膠線位置檢測(cè)值曲線等，畫(huà)面簡(jiǎn)潔直觀。人機(jī)交互界面還具備故障報(bào)警顯示功能，當(dāng)該裝置發(fā)生檢測(cè)傳感器故障、編碼器故障、伺服電機(jī)報(bào)警等異常情況時(shí)，系統(tǒng)自主診斷，在人機(jī)交互界面故障顯示區(qū)能及時(shí)顯示故障內(nèi)容和發(fā)生故障的位置。若發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自主及時(shí)發(fā)出停止工作指令，避免整個(gè)系統(tǒng)或機(jī)組損壞。另外，該膠輥相位對(duì)位裝置也能夠在人工手動(dòng)調(diào)整和系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整兩種狀態(tài)之間，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)快速隨意切換與運(yùn)用。

3 應(yīng)用效果

預(yù)打孔接裝紙膠輥相位對(duì)位裝置，是傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)、機(jī)械學(xué)相結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。各種學(xué)科知識(shí)相互融合，相互交叉，采用適宜傳感器精確測(cè)量膠線位置，測(cè)量信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，工控機(jī)將測(cè)量結(jié)果與預(yù)定參數(shù)進(jìn)行比對(duì)和判斷，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整膠輥相位，確保預(yù)打孔接裝紙無(wú)膠區(qū)不涂膠。結(jié)合表1、表2數(shù)據(jù)，設(shè)備初次調(diào)試時(shí)間明顯降低；減少了停機(jī)次數(shù)，調(diào)試?yán)速M(fèi)煙支由改造前的3萬(wàn)支以上降低到1 000支以?xún)?nèi)，降本增效顯著。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

表2 預(yù)打孔接裝紙效果對(duì)比分析

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)踐運(yùn)用測(cè)試，膠輥相位對(duì)位裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。同時(shí)，該膠輥相位對(duì)位裝置可自動(dòng)檢測(cè)膠線位置并自我糾偏，實(shí)現(xiàn)了預(yù)打孔接裝紙無(wú)膠區(qū)涂膠狀況由人工檢測(cè)人工調(diào)整到機(jī)器自主檢測(cè)自主糾偏的變化，顯著縮短了機(jī)器調(diào)試時(shí)間，降低了調(diào)試中產(chǎn)生的煙支浪費(fèi)數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率，有效提高了設(shè)備運(yùn)行效率和卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。該技術(shù)也可推廣應(yīng)用到ZJ17、ZJ118、ZJ112等機(jī)型。