內(nèi)框紙高精度定位切割裝置的設計研究

屈月 QU Yue；樂林帥 LE Lin-shuai；李云達 LI Yun-da；羅曉 LUO Xiao；蔡培良 CAI Pei-liang

（云南中煙工業(yè)有限責任公司紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠，曲靖 655000）

0 引言

隨著卷煙產(chǎn)品的高質量發(fā)展，重心聚焦中細支卷煙品牌，豐富加裝了內(nèi)框紙圖案，對其產(chǎn)品質量要求也更為嚴格，但因生產(chǎn)品牌不同，其內(nèi)框紙圖案、色標點以及內(nèi)框紙制作材料之間均存在差異，所以切割的內(nèi)框紙尺寸及內(nèi)框紙印刷的圖案位置容易出現(xiàn)不符合工藝標準的情況。這樣的情況一方面會造成嚴重的產(chǎn)品質量問題，產(chǎn)品不合格率居高不下；另一方面會提高生產(chǎn)過程的輔料消耗，降低生產(chǎn)效率，同時對紙張的大量消耗也不利于環(huán)境保護，與國家向企業(yè)倡導的“碳中和”理念相違背。當前煙草行業(yè)內(nèi)并沒有有效的解決方法，現(xiàn)有裝置不具備圖案檢測功能，不能定位切割，不能自動糾偏，不滿足中細支卷煙品牌的內(nèi)框紙工藝要求。因此，研制提高內(nèi)框紙切割精度的內(nèi)框紙高精度定位切割裝置刻不容緩。

1 問題分析

1.1 現(xiàn)有系統(tǒng)缺陷

目前，相較于常規(guī)支卷煙品牌，中細支卷煙品牌的內(nèi)框紙上有印刷圖案，內(nèi)框紙的圖案切割準確性、完整性將直接影響消費者對產(chǎn)品質量感官，且按照集團產(chǎn)品工藝質量要求，內(nèi)框紙圖案不符合工藝標準的問題屬于嚴重質量缺陷，存在不合格產(chǎn)品流入市場的較大質量風險。

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計，現(xiàn)有的內(nèi)框紙切割系統(tǒng)：如圖1 所示，由于原系統(tǒng)并不具備內(nèi)框紙圖案檢測功能，無法實現(xiàn)內(nèi)框紙的定位切割，并且在輸送過程中如發(fā)生圖案偏移時系統(tǒng)無法自動進行補償糾偏。因此，現(xiàn)有的內(nèi)框紙切割系統(tǒng)不能滿足中細支卷煙品牌中內(nèi)框紙的生產(chǎn)工藝要求。

圖2 內(nèi)框紙切割過程

圖3 內(nèi)框紙切割組件

圖4 內(nèi)框紙不合格情況分析

1.2 產(chǎn)品質量管控難度大

①人工進行內(nèi)框紙圖案校準：一班次人工需校準內(nèi)框紙圖案多次、人為自檢自查頻繁，經(jīng)過跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)框紙上有圖案的卷煙品牌如表1 所示。

表1 內(nèi)框紙平均人工校準次數(shù)

人工校準次數(shù)增加直接影響設備生產(chǎn)效率，且因工藝環(huán)節(jié)人工干預較多，不能完全保證質量要求。

②在生產(chǎn)過程中，內(nèi)框紙定切完成進入下一工序后，無單獨對內(nèi)框紙檢測的裝置，常常會出現(xiàn)圖案跑偏、長短不一的內(nèi)框紙無法檢測剔除而直接流入成品煙包中的情況。

1.3 多卷煙牌號生產(chǎn)時機器對內(nèi)框紙適用性差

由于切割點位要求不一樣，產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，會出現(xiàn)生產(chǎn)同一個品牌不同內(nèi)框紙版本時內(nèi)框紙不合格率數(shù)據(jù)波動較大的情況。

內(nèi)框紙印刷面上有等間距的色標檢測點，理論上，兩色標點的距離應該為每次內(nèi)框紙送紙輪的步距行程，由于印刷上的不均勻會導致步距行程和色標點間距存在誤差，經(jīng)過多次循環(huán)積累后導致實際切割端面到色標點的距離與理論值出現(xiàn)較大偏差。因此，生產(chǎn)過程中增加操作工生產(chǎn)負擔，同時產(chǎn)生不合格品，帶來效益損失。

對內(nèi)框紙不合格品進行統(tǒng)計觀察，得出結論：內(nèi)框紙不合格品，主要表現(xiàn)為內(nèi)框紙圖案工藝質量不合格：①內(nèi)框紙尺寸不符合工藝標準，切割寬度尺寸過大或過小，直接導致圖案工藝不合格；②內(nèi)框紙尺寸符合工藝標準，但是圖案產(chǎn)生向上或向下偏移間接導致圖案工藝不合格。

1.4 實際情況統(tǒng)計

對車間T1#、T2#、T7#三個機組進行一個月的跟蹤統(tǒng)計，結果如表2 所示。

其中，內(nèi)框紙切割后均有圖案偏移現(xiàn)象，T2#、T7#機組因為更換卷煙品牌，不同的卷煙品牌關于內(nèi)框紙圖案定位要求不一樣，機器產(chǎn)生了對輔料的不適應性，造成了更多的內(nèi)框紙圖案偏移，亟需改善內(nèi)框紙圖案無法實現(xiàn)定切問題，提高內(nèi)框紙切割精度，同時穩(wěn)定機器對不同輔料的適應，最終實現(xiàn)內(nèi)框紙高精度定位切割。

2 系統(tǒng)整體方案

2.1 設定目標

以細支云龍為例，細支云龍的內(nèi)框紙圖案切割不在工藝質量標準范圍內(nèi)時，容易引發(fā)質量問題。如圖5 所示。

圖5 細支云龍內(nèi)框紙切割圖

通過查詢紅云紅河集團內(nèi)控工藝標準，中細支卷煙的內(nèi)框紙圖案位置誤差值為±2mm 符合要求。根據(jù)需求分析表2，抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)當前生產(chǎn)的部分中細支卷煙的內(nèi)框紙不合格率高達39.11%，并且圖案的位置誤差存在超出內(nèi)控范圍，內(nèi)框紙圖案位置誤差超過±2mm 的占比高達29%。本系統(tǒng)目標是研制一套能實現(xiàn)內(nèi)框紙高精度定位切割裝置，通過內(nèi)框紙高精度定位切割將內(nèi)框紙圖案偏移量控制小于±1.5mm。

2.2 目標可行性論證

2.2.1 理論分析

內(nèi)框紙切割部件有活動切刀和固定切刀，其轉速與小盒包裝機速度相匹配。當機器正常工作，內(nèi)框紙送紙輪輸送單張內(nèi)框紙的時間要與內(nèi)框紙切割部件運行的時間匹配，記內(nèi)框紙單張輸送時間為t，內(nèi)框紙上下邊框高度為h，內(nèi)框紙標準切割對應的內(nèi)框送紙輪的速度為ν，則記ν′為內(nèi)框紙送紙輪變速后的調(diào)節(jié)速度，內(nèi)框紙圖案切割允許誤差為l，則

因此，若能使ν′滿足上述情況，則通過變速調(diào)整內(nèi)框紙送紙輪轉速便能實現(xiàn)內(nèi)框紙圖案高精度定位。

小盒包裝機限度是400 包/分鐘，實際工作在310 包/分鐘～360 包/分鐘之間。經(jīng)測算，內(nèi)框紙輸送紙輪能夠匹配小盒包裝機的最大速度是59.8r/min，實際工作的速度是45.6r/min～52.9r/min 之間，內(nèi)框紙切割允許誤差值為1.5mm，內(nèi)框紙上下邊框高度48.4mm，取實際工作的最大速度計算閾值，則：

因此，通過調(diào)整內(nèi)框紙輸送輥輪轉速可以實現(xiàn)內(nèi)框紙誤差調(diào)整。當檢測到內(nèi)框紙圖案偏移量超過±1.5mm，輸送輥輪轉速相應加快或減慢進行調(diào)整，迅速完成偏移補償，實現(xiàn)內(nèi)框紙圖案高精度定位切割的目標。

2.2.2 類比試驗分析

參考中細支雙鋁包品牌卷煙的內(nèi)襯紙切割裝置，其工作原理是設備本身自帶色差檢測在送紙過程中通過色標傳感器對內(nèi)襯紙上的色標進行檢測（圖6），當色標傳感器檢測到色標時，把信號送給PLC，PLC 馬上記錄下當前編碼器的角度值，并以此角度值與參考角度值進行比較，通過調(diào)整輸送輥的上下擺動幅度來調(diào)整內(nèi)襯紙切割寬度（圖7），使切割后的兩道內(nèi)襯紙（圖8）在設定的寬度范圍之內(nèi)。

圖6 色標傳感器檢測裝置

圖7 輸送輥糾偏裝置

圖8 兩道內(nèi)襯紙切割圖

本論文借鑒中細支雙鋁包品牌卷煙的內(nèi)襯紙切割裝置，色標傳感器檢測到色標信號并傳遞給PLC，PLC 記錄下當前編碼器的角度值，并以此角度值轉化為距離值與參考距離值進行比較，通過控制內(nèi)框紙輸送紙輪的速度可實現(xiàn)內(nèi)框紙圖案定切精度達到±1.5mm。

綜上，本課題所研制的內(nèi)框紙高精度定位切割裝置對圖案偏移誤差補償具備可行性，目標可實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)設計

3.1 設計思路

對中支卷煙小盒內(nèi)框紙定位切割裝置進行了詳細研究，根據(jù)借鑒思路和目標可行性分析，采用頭腦風暴法得出定位切割裝置的總體方案的硬件結構如圖9 所示。

圖9 內(nèi)框紙定位切割裝置示意圖

系統(tǒng)工作原理：

該系統(tǒng)主要由檢測模塊、補償模塊、顯示模塊、信號模塊以及可編程邏輯控制器組成，檢測模塊由光纖型的色差傳感器和透光儀組成。PLC 是該系統(tǒng)的核心部件，整個系統(tǒng)的邏輯控制、誤差計算、補償量計算都由它來完成。顯示模塊是人機交互界面，它通過電路與PLC 通信，能實時顯示系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)、故障報警，還能通過它更改系統(tǒng)的控制參數(shù)。補償模塊伺服系統(tǒng)是該電氣系統(tǒng)的執(zhí)行機構，它通過光纖與PLC 進行通信連接，故響應快。根據(jù)借鑒文獻資料及生產(chǎn)實際環(huán)境，結合總體方案的硬件結構，制定了定切系統(tǒng)的使用需求和技術需求如下：①內(nèi)框紙跑偏時能夠自動補償糾偏，切割精度達到＜±1.5mm。②內(nèi)框紙輸送穩(wěn)定，能夠有效降低內(nèi)框紙不合格率。③對輔料要求低，至少適應3 種輔料。④使用過程中不得影響正在生產(chǎn)的設備，不得更改原機專用程序。⑤裝置安裝靈活，易于調(diào)試。

3.2 原件選擇

①色標傳感器模塊。選擇LR-WF10 模塊，其工作電壓為DC 12-24V，檢測距離為8-20mm，允許容差，能接收不同顏色光信號，響應時間為250ms。LR-WF10 模塊檢測距離近，成本適中，能夠允許容差，響應時間短，能實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。

②漫反射光源。選擇E3F-DS30C4D 燈，尺寸長6cm，陽級工作電壓為36V，輸出電流為300mA，發(fā)光方式為漫反射，功率為10W，發(fā)光顏色為全部可見光。E3FDS30C4D 燈陽極工作電壓小，漫反射發(fā)光可以讓光線均勻分布至內(nèi)框紙上，便于傳感器檢測接收定位位置。能實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。

③強光透射照明燈。選擇LS116 透光儀，光源為380nm-760nm 全波長，外形尺寸為115mm*74mm*25mm，成本為1600 元。LS116 透光儀光照更強，可以讓光線均勻分布至內(nèi)框紙上，便于操作人員看到內(nèi)框紙上的色標點，能實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。

④編碼器。選擇旋轉編碼器E6A2-CW5C 200P/R 0.5M，外徑為?25mm，最大轉速為6000r/min，啟動轉矩1.5mN·m 以下，響應頻率30kHz。各方面性能指標均符合系統(tǒng)要求。

⑤伺服電機系統(tǒng)。選擇Panasonic MINAS A5 系列，額定功率為500W，額定轉速為3000r/min，額定頻率為250Hz，能夠適配高速運行機器的快速調(diào)速。

⑥可編程邏輯器件。選擇歐姆龍CP1E，可用輸入點數(shù)為24，可用輸出點數(shù)為16，尺寸為9cm×8.5cm×15cm，模擬量輸入范圍為DC 24V，編程工時為3 小時。其尺寸合適，編程時間短，操作方便，符合本系統(tǒng)所需。

⑦系統(tǒng)調(diào)整方式。選擇觸控顯示屏，產(chǎn)品型號為歐姆龍NB7W 系列觸控顯示屏，尺寸為10 英寸，分辨率為800*480，有觸摸反饋，信息響應時間為300ms，符合系統(tǒng)要求。

4 效果分析

4.1 目標實現(xiàn)情況

內(nèi)框紙定切裝置應用于T1#、T2#、T7# 機組后，于2022 年8 月1 日至9 月1 日四個工作周對內(nèi)框紙定切合格情況及定切精度進行了統(tǒng)計分析。統(tǒng)計表見表3～表4。

表3 細支云龍內(nèi)框紙切割實驗分析表

表4 中支金腰帶內(nèi)框紙切割實驗分析表

①全月生產(chǎn)單個品牌云煙（細支云龍）的T1#機組內(nèi)框紙圖案定切精度達到了目標值，偏移尺寸小于1.50mm占比達99.63%。②生產(chǎn)不同中細支卷煙品的T2#機組內(nèi)框紙定位切割精度相近。內(nèi)框紙定切精度波動并不大且誤差超過1.50mm 的產(chǎn)品數(shù)未出現(xiàn)上升情況。生產(chǎn)云煙（細支祥瑞）時內(nèi)框紙圖案偏移尺寸小于1.50mm 占比達99.72%，生產(chǎn)云煙（細支云龍）時內(nèi)框紙圖案偏移尺寸小于1.50mm 占比達99.55%。③生產(chǎn)相同中細支卷煙品，不同版本內(nèi)框紙的T7#機組內(nèi)框紙定位切割精度相對穩(wěn)定。生產(chǎn)云煙（中支金腰帶）常規(guī)硬包版時，內(nèi)框紙圖案偏移尺寸小于1.50mm 占比達99.87%，云煙（中支金腰帶）紅花大金元卡紙版時內(nèi)框紙圖案偏移尺寸小于1.50mm 占比達99.74%。云煙（中支金腰帶）紅花大金元卡紙版內(nèi)框紙有圖案對準需求，但對裝置幾乎無影響。

4.2 效益情況

4.2.1 商標消耗分析

改進前商標消耗量為54 張/箱，改進后商標消耗量下降為32 張/箱，改進后物料消耗降低率ΔQ＝（54-32）÷54≈40.7%，經(jīng)查詢得知，小盒商標輔料的單位采購成本C 為256 元/每箱，活動前全年的輔料消耗量D 為89 箱。根據(jù)公式ΔS＝D×ΔQ×C，得出活動后減少輔料消耗的效益ΔS＝89×40.7%×256≈9273 元/年。

4.2.2 鋁紙消耗分析

改進前鋁紙消耗量為0.25kg/卷，改進后鋁紙消耗量下降為0.2kg/卷，改進后物料消耗降低率ΔQ＝（0.25-0.15）÷0.25≈40%，經(jīng)查詢得知，鋁紙輔料的單位采購成本C 為34.6 元/公斤，活動前全年的輔料消耗量D 為2250kg，根據(jù)公式ΔS＝D×ΔQ×C，得出活動后減少鋁紙輔料消耗的效益ΔS＝2250×40%×34.6=31140 元/年。

4.2.3 內(nèi)框紙消耗分析

改進前內(nèi)框紙消耗量為0.55kg/卷，改進后內(nèi)框紙消耗量下降為0.34kg/卷，改進后物料消耗降低率ΔQ＝（0.55-0.34）÷0.55≈38.2%，經(jīng)查詢得知，內(nèi)框紙輔料的單位采購成本C 為32.6 元/公斤，活動前全年的輔料消耗量D 為1986kg，根據(jù)公式ΔS＝D×ΔQ×C，得出活動后減少輔料消耗的效益ΔS＝1986×38.2%×32.6≈24732.1 元/年。

5 結論

①本內(nèi)框紙定切裝置具備內(nèi)框紙圖案檢測功能，能夠實現(xiàn)內(nèi)框紙的定位切割，并且在輸送過程中如發(fā)生圖案偏移時系統(tǒng)自動進行補償糾偏。②本內(nèi)框紙定切裝置對不同卷煙品牌的內(nèi)框紙均具有良好的適用性。③通過查詢紅云紅河集團內(nèi)控工藝標準，中細支卷煙的內(nèi)框紙圖案位置誤差值為±2mm 符合要求。本內(nèi)框紙定切裝置實現(xiàn)內(nèi)框紙圖案位置誤差超過±2mm 的占比為0%。

內(nèi)框紙定切裝置用于中細支煙的內(nèi)框紙切割，提高了內(nèi)框紙的合格率，降低了不合格煙包流入下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質量風險，對產(chǎn)品質量保障有較大貢獻，同時降低了物料消耗，提高了設備效率，該系統(tǒng)成本合理，效益提升明顯，使用簡單方便，安全可靠，有較強的推廣價值。從車間需求切入，結合車間實際，通過合理設計、精心選型，創(chuàng)新性地研發(fā)了內(nèi)框紙定切裝置。通過搭建新型光電檢測系統(tǒng)，同時使用漫反射光源，改進和優(yōu)化程序。對每一種類內(nèi)框紙參數(shù)進行整理設定，以減少內(nèi)框紙換號調(diào)試時間。應用外掛PLC 作為系統(tǒng)的控制核心，提高了不同類型內(nèi)框紙的適應性及內(nèi)框紙色標點監(jiān)測定位的精確性。