1. 引言
GD X6S软盒包装机机组是从意大利GD公司引进的卷烟包装设备。机组整条生产线包括GD X6S软盒包装机、C800盒外透明纸包装机、BV硬条及条外透明纸包装机和机组电气控制等部分。
GD X6S软盒包装机组是将烟支经过定量整理后包上内衬纸、商标纸和贴上封签纸后形成软盒烟包，再进行盒外透明纸包装，然后以两层五包排列进行条盒包装，最后经条盒透明纸包装形成所需要的产品 [1]。
GD X6S软盒包装机设计生产速度为600包/min，最高生产时速可以达到700包/min。该机型拥有较高的自动化程度，实现了机电一体化的应用，生产当中仅需一名工人即可操作整套设备，极大地节约了人力成本。操作工人主要负责更换商标纸纸卷、内衬纸纸卷和封签纸卷等包装材料，保证通道和烟库内的烟支整齐，同时对产品质量进行严格把控，及时处理设备故障问题。
2. GD X6S软盒包装机商标纸纸卷自动搭接原理分析
在GD X6S软盒包装机上，商标纸、内衬纸等辅料采用卷盘式供料，商标纸供料系统成型系统主要由商标纸卷装载机构、商标纸换卷机构、商标纸裁切输送机构、三号轮部件组成，商标纸经裁切后与二号轮输送过来的烟组结合，在三号轮处完成商标纸烟包的包装。盘纸耗尽采用接触式检测，即通过检测臂压在卷盘上，在检测臂连杆机构上装有金属感应片，当卷盘直径减小时，检测臂的位置就跟随卷盘直径减小而变化，卷盘直径检测器通过检测感应片位置，从而达到间接检测卷盘纸的用完情况 [2]，结构如图1所示。
3. 存在问题及原因分析
3.1. 存在问题
在GD X6S软盒包装机生产过程中，主要存在以下三个问题：1) 商标纸纸卷在换卷过程中经常会剩余大量商标纸，操作工为避免浪费，只能将剩余商标纸再次绕卷到备用商标纸纸卷上再次利用；2) 商标纸卷全部用完，自动搭接装置没有实现搭接，设备停机；3) 操作工为减少缠绕的工作量，也会选择将一包烟置于压杆装置下，目测剩余量，选择性地将烟包拿走，以完成商标纸搭接，但这种操作方式可能会将商标纸擦花，造成产品质量问题。经过对我厂B区8台GDX6S软盒包装机进行调研，设备上普遍存在上述问题。
Figure 1. Reel pressure bar structure diagram
图1. 卷盘压杆结构图
3.2. 原因分析
压杆装置的主要功能是提供商标纸直径的检测数据，为商标纸卷的更换、拼接等动作的实现提供依据。但是在实际安装调试过程中，由于传感器和检测片之间的偏差，商标纸纸卷搭接时往往不能准确地控制剩余量，可能会造成两种结果：1) 剩余较多的商标纸；2) 商标纸纸圈全部用完，商标纸未能实现搭接。而且，第二种结果可能会造成设备无法启动，导致程序错乱，最直接的处理方式只能是重新启动，这严重增加了停机时间和故障问题，影响设备效率。
4. 商标纸纸卷搭接预留装置的研制
4.1. 设计思路
针对所遇到的问题，本项目在不改变原有结构的基础上，尽可能利用现有条件进行优化设计，以达到合理控制商标纸卷盘剩余量的目的。此次设计主要需达到以下两个目标：1) 将搭接后的商标纸卷盘剩余量控制在合理范围内；2) 自动检测商标纸剩余量，能够实现自动搭接；3) 避免产生商标纸擦花的情况。
4.2. 确定具体设计方案
从GD X6S软盒包装机卷盘结构的特点出发，充分将转盘、压杆、滚轮，检测器等结构利用起来，且不改变原有的机构，考虑研制一个针对压杆的搭载装置，将压杆抬高一定距离，检测器无需改动，设备检测出在用商标纸还有很多，检测器不会发送商标纸搭接信号。同时，该装置可根据商标纸的剩余量将压杆及时释放，当检测机构发现商标纸纸圈剩余量已经达到要求的搭接范围时，检测机构将压杆进行释放，检测器接收到搭接信号，商标纸实现自动搭接，商标纸换卷机构如图2所示。
Figure 2. Label paper roll changing mechanism
图2. 商标纸换卷机构
压杆末端滚轮的直径为60 mm，厚度为30 mm，为使压杆释放时，滚轮能够轻松释放，且抬起时不影响设备的正常工作，考虑将装置设计为空腔结构，滚轮可在内部自由上下移动，该结构的截面为60 mm × 30 mm的矩形 [3]。
经过对我厂8台GD X6S软盒包装机卷盘搭接的情况进行调研得到：将压杆抬离商标纸圈30 mm左右，既可保证商标纸不提前搭接，也不会干涉到商标纸纸圈的正常工作。
为避免将在用商标纸擦花的情况，考虑将该装置两端各安装一个滚轮，即该装置将压杆抬离纸圈后，在商标纸纸圈运转中带动两个滚轮转动，将摩擦方式由纯摩擦改变为滚动摩擦，极大地降低了商标纸被擦花的风险。
经测量，商标纸用尽的纸圈与卷筒架挡圈间存在约8 mm的高度差，可根据这一段高度差设计一个商标纸检测机构，当在用商标纸不足时，检测机构触发。因为该装置结构尺寸小，空间受限，考虑采用连杆机构配合压杆释放机构使用。
压杆滚轮外端有一悬臂杆结构，主要作用是可以方便地手动抬起或者放下压杆，此处为更快捷地将压杆释放，采用一杠杆结构，抬离压杆时，杠杆一端撑住滚轮的悬臂杆，另一端撑住检测机构的连杆结构。当检测机构触发时，杠杆被释放，压杆在重力作用下快速落下。
为保证杠杆被释放后不会任意转动，将杠杆的选材选定为铁质合金，且在杠杆工作时的对应位置安装磁铁，即使杠杆释放后也能自动复位。
在生产过程中，车间内存在较多粉尘，故将检测机构用罩壳遮蔽，避免对其造成侵蚀。
4.3. 设计方案示意图
使用时，将该装置置于压杆滚轮下方，把杠杆调整到正确位置，支撑住滚轮外端悬臂杆，检测机构在弹簧的作用下会自动复位。当在用商标纸卷盘的剩余量达到预先设定值时，检测机构触发，带动杠杆运动，压杆降下，实现商标纸的自动可控搭接。同时，还可以根据不同机台的具体差异，适当调节检测机构圆顶触头的位置，改变检测机构检测杆的长度，从而根据不同机台进行个性化调节，实际效果图如图3，图4所示。
Figure 3. Actual use effect (Viewing angle 1)
图3. 实际使用效果(视角1)
Figure 4. Actual use effect (Viewing angle 2)
图4. 实际使用效果(视角2)
5. 结语
该方案提供了一种具有自动检测商标纸剩余量，根据商标纸剩余量自动触发释放，避免商标纸擦花功能的商标纸纸卷搭接预留装置，可以解决在实际生产中，商标纸剩余量较多，需要操作工人工绕卷；商标纸全部用完，造成故障停机；操作工使用烟包抬离压杆，造成再用商标纸擦花等问题，可以极大地降低操作工人的劳动强度，避免产生质量问题，减少废品的产生，提高设备生产效率。同时，该装置结构简单，使用调节方便，互换性强，通过对相应结构尺寸进行改动，即可实现在内衬纸卷盘上的使用。