基于電子凸輪的YB618型包裝機煙條橫向輸出裝置設計

摘" 要：為解決YB618型包裝機煙條橫向輸出裝置傳動鏈過長、各傳動部件誤差耦合疊加導致的煙條輸送卡阻頻次高、煙條表面壓痕及條內(nèi)煙包損傷等問題，設計一種采用電子凸輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械凸輪的獨立伺服驅動裝置。該裝置由交流伺服電機、同步帶傳動鏈、伺服控制器和絕對值編碼器等組成，控制系統(tǒng)采用位置環(huán)-速度環(huán)-電流環(huán)全閉環(huán)控制模式，通過分析對比三次多項式、修正正弦函數(shù)及NURBS曲線3種電子凸輪曲線運動軌跡，實現(xiàn)末端凸耳帶的間歇旋轉運動。以曲靖卷煙廠使用的2臺ZB48超高速包裝機組為對象進行測試，結果表明，NURBS樣條曲線所構造的凸輪軌跡位置、速度與加速度變化更加平穩(wěn)連續(xù)，滿足電子凸輪對高速間歇運動控制精準和響應速度快的要求，改進后煙條橫向輸出裝置故障停機率減少7.4次/班，設備效率提升4.25個百分點，有效提高煙條外觀質量，降低原輔材料消耗。該方法可為提高卷接包機組的柔性化制造水平提供技術支持。

關鍵詞：YB618型包裝機；電子凸輪；煙條輸送；伺服系統(tǒng)；NURBS曲線

中圖分類號：TS43" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0105-05

YB618型硬條及條外透明紙包裝機是從德國FOCKE公司引進FOCKE 778型包裝機技術后由中煙機械公司轉化制造的國產(chǎn)超高速包裝機組[1]，其最高生產(chǎn)速度為80條/min，主要完成煙包硬條及盒外透明紙包裝。成型煙條由堆疊式機構垂直提升后，通過橫向輸出裝置轉向90°輸送到下游設備，但目前橫向輸出裝置采用傳統(tǒng)的機械傳動方式，由主軸提供動力，再由凸輪分度機構轉換為間歇運動，因傳動鏈較長、傳動間隙大易導致煙條輸送卡阻頻次高、煙條表面壓痕及條內(nèi)煙包損傷等問題，影響設備效率及產(chǎn)品質量。近年來，基于伺服控制的電子凸輪技術以其反應靈敏、速度穩(wěn)定、控制精準的優(yōu)點被廣泛應用于現(xiàn)代智能包裝設備上。馬萬杰等[2]通過獨立伺服電機驅動煙條堆疊提升裝置，實現(xiàn)了“一條一推”的精準控制，有效降低了故障停機頻次；呂小波等[3]應用交流伺服電機驅動原理研發(fā)了ZB45包裝機組煙包干燥輸出裝置，保證了煙包輸送的連續(xù)穩(wěn)定性；湯澤東等[4]采用SIMOTION全伺服控制驅動技術對ZJ116 卷接機組接裝紙張力控制系統(tǒng)進行改進設計，實現(xiàn)了接裝紙張力的自動調節(jié)和精準控制。上述研究成果在實際生產(chǎn)中均取得了良好的運用效果。為此，基于電子凸輪技術對煙條橫向輸出裝置進行重新設計，通過分析對比多種凸輪軌跡曲線，選用更高性能的伺服電機以保證控制系統(tǒng)更高的動態(tài)性能和響應精度，實現(xiàn)煙條的平穩(wěn)輸送。

1" 問題分析

YB618煙條橫向輸出裝置主要由分路傳動齒輪箱、同步帶傳動鏈、凸輪分度裝置和凸耳帶等部分組成，如圖1所示。主傳動系統(tǒng)經(jīng)過分路傳動齒輪箱1和同步帶2將連續(xù)轉動的動力傳遞給凸輪分度裝置4，通過凸輪分度裝置4轉變?yōu)殚g歇運動，再由同步帶輪3、同步帶6傳遞給同步帶輪7，同步帶輪7通過輸出帶輪8轉遞至凸耳帶9，由凸耳帶9將垂直提升通道送入凸耳帶內(nèi)的煙條間歇橫向輸送到下一工位。

通過對傳動原理分析可知，間歇旋轉的變換由凸輪機構完成，其采用平行共軛式分度凸輪，凸輪箱橫向動力輸入軸每轉動一圈，內(nèi)部滾子盤轉動1/4圈，即動力輸入軸旋轉一周，凸輪發(fā)生4次啟動與停止。由于傳統(tǒng)的共軛式分度凸輪機構為高副點、線接觸，剛性沖擊大[5]，凸輪盤啟停點易受滾子盤沖擊型載荷作用，在高速運行狀態(tài)下易磨損而產(chǎn)生傳動間隙，而間隙經(jīng)過各傳動部件的相互耦合疊加進一步造成傳動鏈末端的運動失真，最終導致凸耳帶9定位精度降低，造成夾煙故障及煙條損傷，影響設備效率及產(chǎn)品質量。

2" 系統(tǒng)設計

2.1" 系統(tǒng)結構

分析可知，取消冗長的傳動鏈、改進動力源的驅動方式是解決該問題的關鍵。改進后采用交流伺服電機獨立驅動，通過絕對值編碼器跟蹤包裝機主軸上的位置和速度信號，由PLC上位機設置煙條輸出裝置相對于主傳動箱同步性參數(shù)，而伺服控制器檢測輸出端相對于主傳動同步性，當兩者同步性與設置的參數(shù)位置出現(xiàn)偏差時，通過伺服電機對輸出裝置參數(shù)的實時控制，從而實現(xiàn)煙條輸出端與包裝機主傳動的運動同步。

如圖2所示，獨立驅動裝置由交流伺服電機1提供動力，通過電機軸2驅動主動帶輪3旋轉，主動帶輪3通過電機同步帶4、從動帶輪5將動力傳輸給帶輪軸6，最終由凸耳帶主動輪7帶動整個凸耳帶8實現(xiàn)煙條的間歇往復輸出。伺服電機和減速機由支撐板固定在機座上，從動帶輪5與凸耳帶主動輪7通過帶輪軸6連接后，固定于箱體上；編碼器檢測裝置則由原分路齒輪箱主軸10引出一條同步傳動鏈，絕對值編碼器布置在從動帶輪輸出軸上，檢測主軸上的位置和速度信號，并實時反饋到伺服電機，由此形成一套完整的伺服驅動單元。

2.2" 電子凸輪曲線設計

電子凸輪（E-Cam）是基于模擬機械凸輪運動發(fā)展起來的具有高柔性與高精度優(yōu)點的新型伺服控制技術，其利用電子凸輪曲線和伺服控制原理來實現(xiàn)機械凸輪的全部功能。電子凸輪曲線是根據(jù)末端執(zhí)行機構的運動規(guī)律生成的數(shù)學模型，為保證高速運動狀態(tài)下機械振動和沖擊趨于最小，要求末端執(zhí)行器運動軌跡始末兩點速度、加速度為零，位移曲線對時間的一階、二階導數(shù)連續(xù)，三階導數(shù)有上界，滿足上述要求的軌跡曲線有多種，并在高速運動場合廣泛應用[6]，選擇典型的三次多項式、修正正弦函數(shù)和NURBS曲線進行速度、加速度和加加速度對比分析。

三次多項式電子凸輪運動規(guī)律的無量綱位移、速度、加速度及躍度曲線表達式如式（1）

式中：Y（T）、V（T）、A（T）、J（T）分別為無量綱末端位移、速度、加速度及躍度，N0、N1、N2、N3為常系數(shù)，T為無量綱時間。

修正正弦函數(shù)曲線是在正弦函數(shù)曲線基礎上優(yōu)化始末兩端八分之一的運動行程，以獲得更加平緩的速度及加速度變化趨勢，其無量綱位移、速度、加速度及躍度曲線表達式如下

NURBS樣條曲線利用弦長參數(shù)法改變控制點和權因子來靈活劃分插入節(jié)點矢量，其一條k次NURBS曲線定義為

式中：di為樣條曲線控制頂點，u為插入節(jié)點向量，RI，k（u）為有理基函數(shù)，wi為權因子，Bi，k（u）為k次B樣條基函數(shù)。NURBS曲線就是將高速凸輪廓線的采樣點用直線段連接，反求出控制頂點和權因子，通過修改相關參數(shù)調整輪廓線優(yōu)化，基于deBoor算法[7]得到NURBS凸輪曲線無量綱末端位移、速度、加速度表達式為

根據(jù)三次多項式、修正正弦函數(shù)和NURBS曲線無量綱末端位移、速度、加速度表達式，代入邊界條件當T=0時，Y=0，V=0，A=0；當T=1時，Y=1，V=0，A=0。利用MATLAB軟件繪制曲線如圖3所示。

由圖3可知，3種運動規(guī)律的無量綱位移曲線在整個周期內(nèi)保持連續(xù)平滑，均不會產(chǎn)生強烈的沖擊和振動；無量綱速度、加速度曲線均連續(xù)，修正正弦和NURBS曲線的速度峰值Vm相差很小略大于三次多項式，但在接近曲線末端位置時，三次多項式的加速度曲線斜率是恒定值，其柔性最差，修正正弦函數(shù)速度及加速度特征值等性能參數(shù)超過NURBS曲線，但不適合超高速運動，NURBS曲線的速度和加速度較小，且對曲線控制點精確描述較少，易于實現(xiàn)。由于速度和加速度是優(yōu)選指標的重點，躍度在一定程度上有上限即可。因此，基于速度和加速度層面綜合比較，NURBS曲線的運動特性較三次多項式和修正正弦函數(shù)更優(yōu)。

2.3" 伺服系統(tǒng)選型設計

本次設計采用伺服驅動系統(tǒng)來代替原有的機械式凸輪分度系統(tǒng)，其是以機械量如位移、速度、加速度等作為被控量的一種自動控制系統(tǒng)，主要由伺服電機、減速器、伺服控制器和編碼器等組成。根據(jù)扭矩計算公式及煙條的輸出速度，選用德國倫茨公司的MCS12D20-RS0P1作為本次伺服電機的最終型號?？紤]到伺服系統(tǒng)需要匹配原有煙條運動相位，控制精度要求高的特點，搭配L型行星齒輪減速器，動力輸出軸加裝傳動比為1∶1的錐齒輪組件完成換向功能?？刂破鬟x用Lenze-9400型號，其通過速度反饋和位置監(jiān)控反饋控制電機的高精度運行，同時采用模塊化安裝方式，支持技術人員利用凸輪設計工具自由編寫程序，描點創(chuàng)建凸輪軌跡來實現(xiàn)個性化功能。編碼器選用SICK公司的AFS60B-S4AA032768絕對值編碼器進行運動信號采集，數(shù)據(jù)采集位置設置在原分路齒輪箱動力輸出軸上。

伺服運動控制器采用id=0的矢量控制策略，由位置環(huán)-速度環(huán)-電流環(huán)全閉環(huán)控制結構組成（圖4），電流環(huán)作為能夠提升系統(tǒng)快速響應性，保證提供足夠的加速轉矩值至系統(tǒng)，并對內(nèi)部干擾及時作出抑制作用。速度環(huán)是對運動的速度波動進行抑制，保證在控制系統(tǒng)面對負載干擾時增強其抵抗能力。位置環(huán)常作為最外環(huán)，在系統(tǒng)運動過程中作為反饋主通道，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定精度和對控制指令的動態(tài)跟蹤性能。將NURBS曲線方程作為凸輪曲線加入到控制器內(nèi)，伺服電機軸的轉角位移作為被控制量，編碼器從動軸的轉角位移作為檢測量，根據(jù)電子凸輪曲線的編制及主從軸算法，從而改變伺服電機輸出，實現(xiàn)煙條輸出所需要的運動軌跡。

3" 應用效果

3.1" 實驗設計

為驗證改進效果，對5#、6#兩條由上海煙草機械有限責任公司生產(chǎn)的“云煙”專線的YB618型包裝機進行了試驗。選用“云煙（紫）”牌標準規(guī)格卷煙，包裝速度為800包/min，運行時間為18 h/d，取樣周期為30 d，對改進前后煙條橫向輸出裝置的故障停機次數(shù)及設備效率進行統(tǒng)計。

3.2" 數(shù)據(jù)分析

由表1可知，改造后平均停機頻率0.3次/班，降低了7.4次/班，基本避免了煙條橫向輸出裝置故障造成的設備停機。改造后的平均設備效率92.28%，提升了4.25個百分點，設備效率大幅提升。

4" 結論

改進后的YB618煙條包裝堆疊塔橫向輸出裝置，以NURBS曲線作為電子凸輪的軌跡運動曲線，并采用位置環(huán)-速度環(huán)-電流環(huán)全閉環(huán)控制模式，將主機傳遞的動力改為獨立的伺服電機驅動，通過編碼器采集主機相位編碼，控制伺服電機匹配主機運動，進而驅動凸耳帶，完成煙條的間歇輸出，有效降低了煙條輸送卡阻頻次，提高了煙條外觀質量，降低了原輔材料消耗，同時伺服電機基本免維護，極大地降低了維修費用和維修勞動量。

參考文獻：

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[2] 馬萬杰，施忠兵，張志盛，等.YB618型硬條提升及條外透明紙美容裝置的改進[J].煙草科技，2017，50（1）：92-97.

[3] 呂小波，馬立，刀榮貴，等.ZB45包裝機組煙包干燥輸出獨立驅動裝置的設計[J].煙草科技，2019，52（3）：107-111.

[4] 湯澤東，阮三星，劉威.卷接機組接裝紙張力控制系統(tǒng)設計[J].煙草科技，2020，53（4）：89-94.

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[7] 丁一.基于NURBS曲線的插補算法及輪廓誤差控制研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2021.

Abstract： In order to solve the problems of high frequency of cigarette carton conveying jams caused by excessive transmission chains， superposition of errors in the coupling of various transmission components， etc. in the transverse output device of the YB618 packaging machine， an independent servo drive device using electronic cams instead of traditional mechanical cams is designed. The device consists of an AC servo motor， a synchronous belt drive chain， a servo controller， an absolute value encoder， etc. The control system adopts a position ring-speed ring-current loop full closed-loop control mode. By analyzing and comparing the cubic polynomial， modified sinusoidal function and the three electronic cam curve motion trajectories of the NURBS curve realize the intermittent rotating movement of the end lug band. Taking two ZB48 ultra-high-speed packaging units used in Qujing Cigarette Factory as objects， the results showed that the cam trajectory position， speed and acceleration changed more smoothly and continuously， meeting the requirements of electronic cams for high-speed intermittent motion control. With the requirements of precision and fast response speed， the improved cigarette carton lateral output device has reduced the failure and shutdown rate of 7.4 times per shift， and the equipment efficiency has increased by 4.25 percentage points， effectively improving the appearance quality of cigarette cartons and reducing the consumption of raw and auxiliary materials. This method can provide technical support for improving the flexible manufacturing level of the roll-joining and packaging unit.

第一作者簡介：楊壘（1994-），男，碩士，工程師。研究方向為卷煙包裝設備維修與改造。