1. 引言
目前,大部分的烟草生产公司都引入了自动化生产设备,通过自动化的生产,烟草生产公司能够提高生产效率、降低成本,并确保产品的一致性和质量,使得烟草生产公司能够更好地适应市场需求,并保持竞争力。
在烟草自动化生产的过程中,经自动化包装机组打包完成的烟条,需要经烟条码垛装置进行码垛操作,随后将码垛好的烟条进行装箱操作,以便于运输、存储和销售。但是,在烟条在码垛的过程中,会出现码垛好的烟条散落的情况,生产的烟条被损害,且还需要停机以解决问题。
产线停机会对生产线和业务可能会带来许多不利影响和危害,包括:生产延误、生产成本增加、产能损失、客户满意度下降、维修和调整成本等。因此,急需解决烟条在自动化码垛过程中散落的问题。
2. 存在问题分析
通过研究现行的条烟码垛方式:包装机包装好的成型烟条,经过道输送至封箱机,每台封箱机接收2至4套包装设备的烟条。在烟条码垛时,每凑足五条烟则抬升一级,至五级,排列成5 × 5的烟条垛,此时封箱机前部挡板将烟垛推入外包装箱,每个包装箱在进入两垛烟条后,进入下一道封口程序。如图1。
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Figure 1. Schematic diagram of cigarette stacking
图1. 烟条码垛示意图
具体过程是,截流皮带从下降通道将条烟取走,送至皮带输送机,然后由皮带输送机将条烟送入封装机构进行条烟封装成箱 [1] 。条烟产品在堆叠站被按层分组堆叠。在堆叠站的下部有三只凸轮机构。凸轮机构分别依序控制升降板和角铁托盘的运行。角铁托盘在凸轮机构的作用下张开,条烟层在升降板上,向上垂直运动;后角铁托盘复位;升降板向下运行,条烟在角铁托盘上。再一次工作时,升降板托起条烟层向上运行,角铁托盘张开,前一次的条烟层落在下一次的条烟层上。并被一同托起,角铁托盘复位后,两层条烟落在角铁托盘上,如此重复,堆叠五层 [2] 。在上述烟条码垛抬升过程中,由于机械抬升时的震动,加之包装好的烟条表面是光滑的塑料薄膜,摩擦力较小,在抬升过程中,最上层的烟条就容易向外围两侧发生位移,在多次抬升后,最上层的烟条极容易向外散开,连带下层的烟条一起垮塌。
经统计,因烟条堆垛散落造成的每月停机次数及时长见表1。
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Table 1. Monthly downtime caused by scattered cigarette stack and a timely and long-term table
表1. 因烟条堆垛散落造成的每月停机次数及时长表
由于封箱机原机的检测功能有限,无法识别到烟条堆垛已经散落,此时外围挡板继续进行下一推入烟箱动作,就造成整垛烟条挤压在烟箱外围,造成成品烟条损坏、外包装箱损坏,还可能造成封箱机结构损坏、电机过载停机等问题。上述停机问题发生后,处理费时费力,严重影响了本卷烟生产企业的效率,加大了操作人员的劳动强度。
3. 方案设计与实施
3.1. 方案设计
为避免上述问题的发生,欲设计一套检测加压紧装置,能够在烟条码垛的过程中对烟条进行有效的压紧,以解决烟条在自动化码垛过程中的散落问题。
通过分析烟条在堆垛中散落的原因,可知由于包装好的烟条表面是光滑的塑料薄膜,摩擦力较小,在抬升过程中,最上层的烟条就容易向外围两侧发生位移,在多次抬升后,最上层的烟条极容易向外散开,导致连带下层的烟条一起垮塌。可以明确的是,解决这个问题可以有两种途径,一是通过在堆垛两侧设置挡板,设置合理的间隙,可以防止烟条向两侧散落,如图2。二是通过在堆垛上方施加合适的压力,使得最上层烟条得以固定,同时整垛烟条之间的摩擦力增大,在烟条堆垛时更加稳定,如图3。
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Figure 2. Schematic diagram of pressure type clamping devices on both sides
图2. 两侧加压型压紧装置示意图
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Figure 3. Schematic diagram of the upper pressure type clamping device
图3. 上方加压型压紧装置示意图
通过对封箱机烟条堆垛空间的具体测量,可知在烟条堆垛机构的两侧留有的空间余量较小,上方空间余量较大,所以选择第二种上方压紧的方式,便于实施。
根据上述情况,对压紧装置的设计思路为:通过将支架设置安装在烟条码垛装置上,在烟条提升码垛的过程中,通过电动伸缩杆带动支撑架和压板升降,可以使压板对码垛的烟条进行有效的压紧,确保烟条在码垛过程中不会散落,避免生产线停机和烟条损坏的情况发生,提高生产效率,保障生产的质量。通过设置光电传感器,在烟条在提升码垛过程中,通过光电传感器检测烟条的位置和状态,并将信号传输给控制器,通过控制器的统一控制,可以实现对电动伸缩杆的精确控制,当烟条达到预定的高度时,光电传感器会发送信号给控制器,控制器会停止电动伸缩杆的运动,使支撑架和压板停留在正确的位置,完成对烟条的压紧操作,确保码垛过程的准确性和稳定性。故所设计的烟条码垛压紧装置包括:支架、电动伸缩杆、支撑架、压板、光电传感器和控制器。
为实现上述设计思路,具体的安装方式设计为:电动伸缩杆设置安装于支架的顶部;该支撑架包括:连接板与两个支撑直杆,在连接板上阵列设置有三个直线轴承,两个支撑直杆分别设置安装于连接板的两侧的直线轴承中,电动伸缩杆的固定杆安装于连接板中间的直线轴承中;在电动伸缩杆的固定杆底部设置有用于限位连接板的限位卡环;该压板设置安装于电动伸缩杆的底部,且与支撑架的两个支撑杆的底部相连接;该光电传感器至少设置有两个,且竖直阵列安装于支架侧边的安装杆上;该控制器分别与电动伸缩杆和各个光电传感器电气连接,通过控制器进行统一控制。
在生产的过程中,对于已经码垛好的烟条,需要进行装箱操作,此时需要通过电动伸缩杆带动支撑架和压板上升,松开码垛好的烟条,待支撑架与压板上升后,通过驱动气缸,使气缸的推杆深入到连接板的下方,避免在进行装箱操作的过程中,由于电动伸缩杆损坏,导致支撑架和压板下降,从而破坏码垛好的烟条。通过在支架上安装用于限位支撑架的气缸,可以进一步提高烟条码垛压紧装置的稳定性。通过在压板的底部设置安装泡棉板,泡棉板具有一定的柔软和弹性,当烟条被压紧时,泡棉板可以起到缓冲的作用,减少对烟条的冲击和压力,避免烟条在码垛过程中受到损坏。
3.2. 方案实施
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Figure 4. Schematic diagram of cigarette stack pressing device
图4. 烟条码垛压紧装置示意图
现详细说明该烟条码垛压紧装置的安装及工作方法。包括:支架、电动伸缩杆、支撑架、压板、光电传感器和控制器,如图4。
电动伸缩杆设置安装于支架的顶部,位于中间位置;该支撑架包括:连接板与两个支撑直杆,在连接板上阵列设置有三个直线轴承,两个支撑直杆分别设置安装于连接板的两侧的直线轴承中,电动伸缩杆的固定杆安装于连接板中间的直线轴承中,同时,通过在电动伸缩杆的固定杆底部设置限位卡环,对连接板进行限位;该压板设置安装于电动伸缩杆的活动杆底部,且与支撑架的两个支撑杆的底部相连接,通过驱动电动伸缩杆,可带动压板升降;该光电传感器设置有四个,且竖直阵列安装于支架侧边的安装杆上;该控制器分别与电动伸缩杆和各个光电传感器电气连接,通过控制器进行统一控制,如图5。
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Figure 5. Control schematic diagram of cigarette stacking and pressing device
图5. 烟条码垛压紧装置控制示意图
为检测烟条在堆垛过程中的散落,须在压紧装置两侧设置检测器,故对检测器的类型及具体型号进行对比研究,试找出最佳适配检测器。
首先研究光电式传感器的种类。即有光电传感器、激光传感器、光纤传感器。
1) 光电传感器将可见光线及红外线等的“光”通过发射器进行发射,并通过接收器检测由检测物体反射的光或被遮挡的光量变化,从而获得输出信号。
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Figure 6. Schematic diagram of photoelectric sensor
图6. 光电式传感器示意图
将发光元件和光接收元件内置1台传感器放大器中。接收来自检测物体的反射光,如图6。无需接触检测物体即可进行检测,因此不会划伤检测物体。而且也不会损伤传感器本身,寿命较长,无需进行维护。通过物体的表面反射或遮光量进行检测,因此可检测大多数物体(玻璃、金属、塑料、木料及液体等)。对此处检测烟包灵敏度偏低,故不选用。
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Figure 7. Schematic diagram of laser sensor
图7. 激光式传感器示意图
2) 激光传感器的发射元件可发射线性度良好的“激光”,如图7。由于可观察到光斑,因此在特定光轴调整或检测位置时非常容易。此外,由于光不会发生扩散,因此无需担心光的偏转等即可进行安装。激光与LED不同,由于直线度高,因此可立即了解光斑照射到何处。与光电传感器等设备相比,可大幅削减安装工时。
激光传感器的优势在于直线度高,检测距离长,但此处我们不需要特别长的检测距离,故不使用激光传感器。
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Figure 8. Schematic diagram of fiber optic sensor
图8. 光纤式传感器示意图
3) 光纤传感器可将光纤连接到光电传感器的光源,如图8,并在自由安装到狭窄位置等后进行检测。采用了柔韧光纤,可轻松安装到机械的间隙或狭小空间内。传感器头尖端非常小,可轻松检测微小物体。由于光纤电缆部无法通过电流,因此完全不受电气干扰所影响。 只要使用耐热型光纤元件,即使是在高温场所仍可进行检测 [3] 。
光纤传感器对于烟包检测灵敏度高,且检测距离足以满足此课题需求,故在此选用光纤式传感器。
光纤如图9,由中心的纤芯和折射率不同的金属包 层构成。光线入射到纤芯时,会在与金属包层的边界面反复进行全反射的同时进入光线。穿过光纤内部,从端面发出的光会以约60˚的角度进行扩散并照射到检测物体上。
此外,纤芯包括以下类型。塑料型纤芯为丙烯酸类树脂,由0.1至1 mm直径的单根或多根制作而成,被聚乙烯等材料包裹。由于重量轻、低成本及不易弯曲等特性已成为光纤传感器的主流。玻璃型由10至 100 μm的玻璃光纤组成,并由不锈钢管包覆。具有使用温度较高(350℃)等特点 [4] 。
光纤传感器大致分为透过型和反射型2种检测方法。透过型由发射器和接收器2条构成。反射型从外观来看好像是1根,但从端面观察,分为平行型、同轴型及分离型,如图10。
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Figure 10. Comparison table of fiber optic types
图10. 光纤类型对比表
结合设计需要和备件余量,选用基恩士FS-N11P型号的光纤传感器。
由于分包器电机电控板为PNP型接点,故选择的是PNP型检测器。
在确定选用基恩士FS-N11P型号的光纤传感器后,对适合此传感器的光纤进行查询,并结合备件情况,决定选用基恩士FU-66型光纤单元,如图11。
继而确定检测方式,见表2的研究对比,可知选择回归反射型检测方式效果较好。
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Table 2. Comparison table of detection methods
表2. 检测方式对比表
通过将支架设置安装在烟条码垛装置上,在烟条提升码垛的过程中,通过驱动电动伸缩杆带动支撑架和压板升降,可以使压板对码垛的烟条进行有效的压紧,确保烟条在码垛过程中不会散落,避免生产线停机和烟条损坏的情况发生,提高生产效率,保障生产的质量。通过设置四个光电传感器,在烟条在提升码垛过程中,能够通过阵列排布各个光电传感器发送信号给控制器,通过控制器的统一控制,可以实现对电动伸缩杆的精确控制,同时当烟条达到预定的高度时,位于顶部的光电传感器会发送信号给控制器,控制器会停止电动伸缩杆的运动,使支撑架和压板停留在预定的位置,完成对烟条的松紧操作,确保码垛过程的准确性和稳定性。
在支架设置安装有用于限位支撑架的气缸。在生产的过程中,对于已经码垛好的烟条,需要进行装箱操作,此时需要通过驱动电动伸缩杆带动支撑架和压板上升,松开码垛好的烟条,待支撑架和压板上升后,通过驱动气缸,使气缸的推杆深入到连接板的下方,避免在进行装箱操作的过程中,由于电动伸缩杆损坏,导致支撑架和压板下降,从而破坏码垛好的烟条,进一步提高烟条码垛压紧装置的稳定性。压板的底部设置安装用于缓冲压板的泡棉板。通过在压板的底部设置安装有泡棉板,泡棉板具有一定的柔软性和弹性,当烟条被压紧时,泡棉板可以起到缓冲的作用,减少对烟条的冲击和压力,避免烟条在码垛过程中受到损坏。
4. 效果验证
根据上述设计完成对7台封箱机设备的改造后,持续跟进观察一个季度,运行平稳,效果良好,平均每个月的停机次数及时长见表3和表4。
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Table 3. The average number of monthly shutdowns before renovation is timely and long
表3. 改造前平均每个月的停机次数及时长
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Table 4. After renovation, the average number of downtime per month is timely and prolonged
表4. 改造后平均每个月的停机次数及时长
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Figure 12. The average number of monthly shutdowns before renovation is timely and long
图12. 改造前平均每个月的停机次数及时长
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Figure 13. After renovation, the average number of downtime per month is timely and prolonged
图13. 改造后平均每个月的停机次数及时长
如图12和图13可以看出,对比起来,由于改造后封箱机烟条堆垛空间变小,处理烟条堆垛堵塞、夹烟等难度加大,平均处理时长有所增加,但由于故障出现次数的大幅减少,总的停机时间比改造前仍下降了89.5%,故障停机次数下降92.3%,设备效率大幅提升,问题得到解决。
5. 总结
1) 分析了烟条在自动化码垛过程中发生散落的原因。
2) 设计制作了一种适用于此封箱系统的烟条堆码压紧、检测系统。
3) 所设计制作的烟条堆码压紧、检测系统稳定性高,适用性好。有效解决了烟条在自动化码垛过程中的散落问题,提升了设备效率,保障了产品质量,降低了操作人员的劳动强度。
参考文献
NOTES
*通讯作者。