濾棒自動(dòng)分切裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王尚杰

（甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司天水卷煙廠，甘肅 天水 741000）

膠孔是因增塑劑局部過(guò)量造成絲束熔融而形成的孔洞。在離心慣性力的作用下，刷輥使增塑劑呈霧狀噴出，當(dāng)超量的或滴狀的增塑劑施加到絲束上時(shí)，濾棒纖維組織將溶解、軟化、變黏，從而濾棒出現(xiàn)膠孔。膠孔作為濾棒外觀的檢驗(yàn)項(xiàng)之一，只要發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)的濾棒中膠孔數(shù)量為10支以上，則判定該批濾棒的外觀為不合格。為了能及時(shí)判斷濾棒內(nèi)部是否存在膠孔，在對(duì)濾棒成品進(jìn)行抽檢過(guò)程中，需要把抽檢的濾棒分切成等長(zhǎng)的四段，進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)。目前，對(duì)濾棒的破壞性檢驗(yàn)采用的是人工刀切的方式進(jìn)行，檢驗(yàn)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力且刀片切割過(guò)程中容易破壞濾棒原有結(jié)構(gòu)導(dǎo)致檢驗(yàn)效果變差。為此，謝慶等[1]設(shè)計(jì)了一種用于特種濾棒檢測(cè)的自動(dòng)切割機(jī)，在效率上、樣品準(zhǔn)確性上和安全性上對(duì)比人工切割都有了極大提高。謝明金等[2]設(shè)計(jì)了一種雙通道濾棒切割裝置，并進(jìn)行仿真分析，以切刀、喇叭嘴和濾棒三者的空間交互運(yùn)動(dòng)建立了數(shù)學(xué)模型，用于計(jì)算和設(shè)計(jì)不同濾棒長(zhǎng)度規(guī)格的雙通道濾棒切割裝置。佟鈴鈴[3]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合濾棒切口位置及縫隙檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)出濾棒段縫隙大小及切割位置的變化。但上述研究或改進(jìn)仍未能較好地解決檢驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了一種濾棒分切裝置，以期降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高濾棒膠孔檢驗(yàn)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)前期的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)于煙用濾棒這種圓柱形的物體來(lái)說(shuō)，切斷方式一般有鍘刀式切割方式、剪刀式切割方式及轉(zhuǎn)動(dòng)式切割方式，通過(guò)對(duì)這三種切割方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，最終選用轉(zhuǎn)動(dòng)式切割方式。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，對(duì)濾棒分切裝置的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，提出總體方案（見(jiàn)圖1），得到了親和圖并歸納整理如下。

圖1 提出方案

對(duì)于整個(gè)切割裝置的結(jié)構(gòu)布局，借鑒了LV-205膠帶分條機(jī)結(jié)構(gòu)原理，整套裝置主要由濾棒輸送單元、濾棒分切單元和機(jī)身及供電組成，見(jiàn)圖2。

圖2 濾棒分切裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 濾棒輸送單元

1.1.1 料斗

料斗是由一臺(tái)報(bào)廢儀器的料斗改造而成的，因?yàn)樾枰友b刀片，所以需要對(duì)原有的料斗背板及滾輪開(kāi)槽，因?yàn)V棒在卷煙過(guò)程中露在端面的是濾棒25 mm 處和75 mm 處（以100 mm 濾棒為例），料斗滾輪的長(zhǎng)度為150 mm，需要分切的濾棒為100 mm，要求每根濾棒分切為3段，所以開(kāi)槽位置為料斗滾輪的50 mm及100 mm 兩處；開(kāi)槽深度主要考慮兩個(gè)方面：①能夠保證切刀完整分切濾棒；②槽深度不能太大，不能影響料斗滾輪的穩(wěn)固性，所以料斗滾輪濾棒槽深度為7.8 mm，料斗半徑為20 mm，開(kāi)槽深度應(yīng)保持在7.8～20 mm 均可；開(kāi)槽寬度由選擇的刀片寬度來(lái)決定，寬度太小影響分切或者刀片破裂，寬度太大影響分切濾棒質(zhì)量。參考卷煙機(jī)ZJ17濾棒切割結(jié)構(gòu)的濾棒切割鼓輪槽寬度，設(shè)置開(kāi)槽寬度為0.6 mm，以保證濾棒能被均勻完整切斷。

1.1.2 料斗驅(qū)動(dòng)裝置

料斗驅(qū)動(dòng)有手搖式驅(qū)動(dòng)、普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)[4]三種方式可選。通過(guò)模擬試驗(yàn)，手搖式驅(qū)動(dòng)料斗轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻，切口不平整，且耗費(fèi)人工，不滿足要求；普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)料斗轉(zhuǎn)速過(guò)快，分切濾棒時(shí)有拖帶濾棒的現(xiàn)象；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式通過(guò)對(duì)控制參數(shù)的優(yōu)化可以使步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)按照需要轉(zhuǎn)動(dòng)和啟停，且能實(shí)現(xiàn)間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)的選型方面，考慮三方面因素：①判斷需要多大力矩；②判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度；③選擇電機(jī)安裝規(guī)格，扭力在0.8 N·m 以下，選擇20、28、35、39、42（電機(jī)的機(jī)身直徑或方度，單位：mm），扭力在1 N·m 左右，選擇57電機(jī)較為合適，扭力在幾個(gè)N·m 或更大的情況下，選擇100、130等規(guī)格的步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)力矩公式M=M1+M2（力矩M1=J*α，摩擦力矩M2=μfr=μmgr），按照濾棒切割要求，測(cè)算出M1=0.0045，M2=0.219，所以力矩M=M1+M2=0.2235（N·m）。對(duì)于力矩小于0.8 N·m的轉(zhuǎn)動(dòng)選機(jī)身直徑為35 mm 的步進(jìn)電機(jī)既可。最后，步進(jìn)電機(jī)與送料滾輪驅(qū)動(dòng)的選擇，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)及需求，因所選用的步進(jìn)電機(jī)重量輕，只有0.5 kg，且需要精準(zhǔn)地控制料斗的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，所以選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、徑向尺寸小、維護(hù)方便，能傳遞較大轉(zhuǎn)矩的聯(lián)軸器作為連接方式。

1.2 濾棒分切單元

1.2.1 切刀

在切刀的選擇上，由于條形刀需要進(jìn)刀機(jī)構(gòu)及復(fù)雜的夾刀板，或需要刀盤，且需要較大的安裝空間，安裝復(fù)雜，成本大，基于對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于維修的需求，選用帶孔圓刀；切刀材質(zhì)選擇不需要磨刀，且分切效果良好的硬質(zhì)合金圓刀；切刀孔徑依據(jù)切刀軸直徑來(lái)確定，根據(jù)料斗的輸送濾棒滾輪槽深8.5 mm，料斗固定背板厚度2 mm，切刀片在切刀軸上的固定需要10 mm 的空間，計(jì)算出切刀直徑=（8.5+2+10）×2+孔徑；由于刀片厚度越大，需要的分切力也越大，需要驅(qū)動(dòng)的電機(jī)功率越大，最終確定切刀孔徑為19 mm，直徑為60 mm，厚度為0.3 mm。

1.2.2 切刀軸

切刀軸起著固定刀片和傳遞動(dòng)力的作用，切刀軸的性質(zhì)直接決定了分切的成敗。切刀軸要求便于安裝維護(hù)和傳動(dòng)簡(jiǎn)單，所以選用了45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼材質(zhì)；刀軸外形選用軸斷面形狀為中間粗，兩端細(xì)，位于軸上的零件易定位、固定和裝拆的對(duì)稱階梯軸，軸長(zhǎng)度≥料斗兩條開(kāi)槽間距+固定切刀軸套厚度+切刀軸固定配件厚度+切刀軸驅(qū)動(dòng)帶輪厚度；軸的直徑按許用轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算，d≥=11.7 mm，最終確定直徑為12 mm，長(zhǎng)度為160 mm。

1.2.3 刀軸驅(qū)動(dòng)

刀軸驅(qū)動(dòng)方面，主要是刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型，功率計(jì)算公式為P=F*r*2*n。首先運(yùn)用切刀對(duì)濾棒分切進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到切斷力的值及轉(zhuǎn)速，將數(shù)字拉力秤掛鉤固定在分切刀的邊緣，固定分切圓刀軸保證其穩(wěn)定，一人將濾棒移至刀片垂直方向，另一人拉動(dòng)數(shù)字拉力稱，使其能切斷濾棒并讀取數(shù)值，由于測(cè)量過(guò)程中有誤差，所以進(jìn)行100次測(cè)量，計(jì)算出平均值F=Mg=2.35 N，在轉(zhuǎn)速取1 600 r/min（參照Z(yǔ)J17卷煙機(jī)濾棒切割裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速）時(shí)，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為23.14 W 左右。參照電機(jī)的功率及對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)速的要求，考慮電源的通用性及便于維護(hù)，決定選用功率為25 W，轉(zhuǎn)速為1 600 r/min 的臥式交流電機(jī)，傳動(dòng)方式采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用、維護(hù)方便，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低，能實(shí)現(xiàn)自我安全保護(hù)的圓皮帶傳動(dòng)。

1.3 機(jī)身及供電

機(jī)身考慮其整體結(jié)構(gòu)，并遵循節(jié)約性需求，利用報(bào)廢儀器的外殼改造而成。

電源部分，分為220 V 供電和24 V 供電。220 V電源取自工業(yè)電網(wǎng)電源，主要為分切單元提供動(dòng)力；24 V 電源是220 V 電壓經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換器變?yōu)?4 V，為料斗單元提供動(dòng)力。

考慮整體結(jié)構(gòu)輕巧，底板不需要承受太大力量，主要考慮底板的平整性及易加工性，選用鋁板材質(zhì)作為底板。

1.4 安全隱患預(yù)防

通過(guò)分析得出濾棒分切裝置還存在以下安全隱患：漏電、分切刀片傷手及料斗滾輪夾手。針對(duì)存在安全隱患的部位進(jìn)行了安全防護(hù)，如在電源進(jìn)線端安裝了剩余電流保護(hù)裝置，在硬質(zhì)合金圓刀的轉(zhuǎn)動(dòng)部位加裝了防護(hù)罩，在料斗蓋板處標(biāo)注了“設(shè)備運(yùn)行期間嚴(yán)禁打開(kāi)”的提示等。

各單元設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了組裝調(diào)試，在調(diào)試過(guò)程中經(jīng)過(guò)2d 的調(diào)試設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，用該裝置進(jìn)行濾棒膠孔的破壞性檢驗(yàn)，裝置切出的濾棒端口平滑無(wú)毛茬，分切速度40支/min，達(dá)到了預(yù)期要求。

2 應(yīng)用效果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：GDN24.30×100-270溝槽外置式濾棒（天水卷煙廠提供）。

方法：將6個(gè)班次生產(chǎn)的濾棒，每班抽檢180支，分別用濾棒自動(dòng)分切裝置與檢驗(yàn)員手動(dòng)進(jìn)行分切，統(tǒng)計(jì)兩者分切的時(shí)間及改進(jìn)前后濾棒膠孔缺陷率和成品一等品率。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見(jiàn)，濾棒分切裝置分切時(shí)間基本在5 min左右，而檢驗(yàn)人員手動(dòng)需要30 min 左右，濾棒分切裝置的花費(fèi)時(shí)間比人工手動(dòng)節(jié)約了25 min。改進(jìn)后膠孔缺陷率降低了1.17%，濾棒成品一等品率提高了8.32%，提高了濾棒檢驗(yàn)效率。

表1 濾棒分切裝置應(yīng)用前后測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

針對(duì)濾棒膠孔檢驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種濾棒自動(dòng)分切裝置，通過(guò)選用的伺服步進(jìn)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)了濾棒供給的步進(jìn)間歇?jiǎng)幼鳎欣跒V棒的順利切割，切出的濾棒切口平滑無(wú)毛茬，最大限度地保證了切口的原有結(jié)構(gòu)；通過(guò)設(shè)置剩余電流保護(hù)裝置，在切割單元設(shè)置了防護(hù)罩；通過(guò)調(diào)整料斗單元的擋板，可以實(shí)現(xiàn)120 mm 規(guī)格濾棒和100 mm 規(guī)格濾棒的切換切割。以溝槽濾棒為測(cè)試對(duì)象，結(jié)果表明：改進(jìn)后濾棒分切裝置分切時(shí)間基本在5 min 左右，比人工手動(dòng)節(jié)約了25 min，膠孔缺陷率降低了1.17%，濾棒成品一等品率提高了8.32%，有效提高了濾棒膠孔檢出效率，降低了濾棒生產(chǎn)中存在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也就降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了濾棒生產(chǎn)效益。