气动式纸盘轴设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 25 日 作者简介：牛玉军（1983），男，汉族，山东新泰人，本科，现就职于许昌烟草机械有限责任公司，工程师，研究方向为：烟草机械设计。-57-气动式纸盘轴设计 牛玉军 许昌烟草机械有限责任公司，河南 许昌 461000 摘要：摘要：烟机智能化程度越来越高，包装机目前已实现整线智能化。包装机用盘纸直径普遍大于 400mm，重量最重可达 35Kg，人工上料，劳动强度大且存在一定安全隐患。盘纸自动供应装置实现了四种盘纸的自动拼接供应。盘纸供应装置应用坐标机械手抓取盘纸，盘纸拼接装置应用气动式纸盘轴接收盘纸，完成新旧盘纸拼接之后，新盘纸被输送给下游包装机。气动式纸盘轴接收从盘纸供应装置传送过来的盘纸，通过气动与机械结构的巧妙组合实现盘纸的张紧与松开。气动式纸盘轴作为盘纸的运动载体，在伺服电机驱动下，实现盘纸自动供应。关键词：关键词：气动式纸盘轴；盘纸；盘纸自动供应；盘纸拼接 中图分类号：中图分类号：TS43 烟机智能化程度越来越高，包装机目前已实现整线智能化。国产包装机主力机型为 ZB45 硬盒包装机组和 ZB25 软盒包装机组，这两种机型生产速度为 400 包/分。国产高速设备 ZB48 型硬盒硬条包装机组，生产速度已经达到 800 包/分。进口高速设备，包括意大利GD 公司的 H1000 型、S1000 型、W1000 型、德国 FOCKE公司的 F8，这些机组生产速度均达到 1000 包/分。随着包装机速度突破 800 包/分，盘纸的用量也成倍增加，包装机用盘纸为以下四种：内框纸、铝箔纸、小盒透明纸、条盒透明纸。这四种盘纸重量分别为 10kg、5kg、22kg、33kg，盘纸外圆分别为 600mm、400mm、400mm、400mm1。盘纸重量大，体积大，依靠人工换料，更换过程费时费力，且存在一定安全隐患。需要盘纸自动供应装置实现四种盘纸的自动拼接供应。盘纸自动供应装置由盘纸供应装置和盘纸拼接装置两个相对独立的单元组成。盘纸供应装置是，通过坐标机械手识别盘纸垛上的盘纸位置并按照一定的顺序抓取，然后转送给盘纸拼接装置。盘纸垛通过 AGV小车被送到盘纸供应装置的辊道上，坐标机械手扫描并识别盘纸垛内的盘纸并将位置记忆。抓盘顺序是由高到低、由内到外，这样的抓取顺序可以避免盘纸相互干涉。盘纸供应装置的两个平行的直线轴系统 X 轴控制坐标机械手的水平运动，直线轴系统 Z 轴控制坐标机械手的竖直运动。坐标机械手的减速异步电机控制坐标机械手的旋转运动。在程序控制下通过坐标机械手的水平运动、竖直运动、旋转运动，盘纸被抓取并输送给盘纸拼接装置。盘纸拼接装置应用气动式纸盘轴接收盘纸，完成新旧盘纸拼接之后，新盘纸被输送给下游包装机。盘纸供应装置的坐标机械手将抓取的盘纸放置到盘纸升降装置上，气动式纸盘轴接收盘纸升降装置的盘纸并将其张紧，人工辅助完成盘纸开卷、胶带粘贴、纸带穿引。当盘纸到达设定的直径，拼接装置完成新旧盘纸拼接。气动式纸盘轴接收盘纸供应装置传送过来的盘纸，通过气动与机械结构的巧妙组合实现盘纸的张紧与松开。气动式纸盘轴作为盘纸的运动载体，在伺服电机驱动下，实现盘纸自动供应。1 盘纸拼接装置 盘纸拼接装置应用气动式纸盘轴接收盘纸，完成新旧盘纸拼接之后，新盘纸被输送给下游包装机。盘纸拼接装置主要由盘纸升降装置、摆动装置、气动式纸盘轴、拼接装置、盘纸存储装置及转向输送装置等组成2。盘纸拼接装置工作过程：盘纸供应装置的坐标机械手，在盘纸垛中识别并抓取盘纸，坐标机械手将盘纸释放在盘纸升降装置上，随后坐标机械手回到待机位置。盘纸升降装置由无杆气缸来控制升起与下落，盘纸升降装置上的传感器判断是否有盘纸。传感器收到有盘信号，气动式纸盘轴在摆动装置作用下，旋转至竖直接盘工作位置。盘纸升降装置带着盘纸下落，中国科技期刊数据库 工业 A-58-盘纸芯落到气动式纸盘轴上。气动式纸盘轴接收到盘纸后，5 个张紧块伸出将盘纸张紧。摆动装置由摆动气缸驱动，气动式纸盘轴在摆动装置作用下，旋转 90至水平工作位置。盘纸升降装置在无杆气缸来控制下升起，回到等待接盘纸位置3。盘纸开卷需要人工辅助完成，使用专用工装开卷盘纸。新盘纸头需要手动放置到拼接装置的拼接刀架上，手动完成双面胶带粘贴。当达到拼接条件(设置好的盘纸直径)时，开始新旧盘纸拼接，拼接装置上的拼接刀架将新旧盘纸拼接好。盘纸拼接采用剪切式拼接，拼接过程中摆动气缸控制盘纸储存装置上下摆动，来实现在用盘纸的补偿。完成拼接后的盘纸通过转向输送通道，输送给下游包装机4。图 1 盘纸拼接装置 图 2 气动式纸盘轴 2 气动式纸盘轴 2.1 气动式纸盘轴工作原理 气动式纸盘轴作为盘纸拼接装置的核心部件，用于接收从盘纸升降装置传送过来的盘纸，通过气动与机械结构的巧妙组合实现盘纸的张紧与松开。盘纸被盘纸供应装置的坐标机械手放置在盘纸升降装置上，此时气动式纸盘轴处于竖直接盘工作位置。气动式纸盘轴内通入压缩空气，纸盘轴内部压簧被压缩，此时五个张紧块保持缩回状态。无杆气缸带动盘纸升降装置下落，将盘纸放到气动式纸盘轴上。切断气动式纸盘轴内的压缩空气，气动式纸盘轴内部压簧将五个张紧块顶出来锁紧盘纸。气动式纸盘轴在摆动装置作用下，旋转 90至水平工作位置，人工辅助完成盘纸开卷、胶带粘贴、纸带穿引，当盘纸到达设定的直径，拼接装置完成新旧盘纸拼接。没有正压时气动式纸盘轴内部压簧将五个张紧块顶出来锁紧盘纸，通入正压时压簧被压缩五个张紧块复位保持缩回状态，此时可以取下旧的盘纸芯。气动式纸盘轴作为盘纸的运动载体，在伺服电机驱动下，实现盘纸自动供应。2.2 气动式纸盘轴结构 1.套筒 2.紧定螺钉 3.张紧块 4.锥形滑块 5.螺钉 6.压簧 7.沉头螺钉 8.螺钉 9.端盖 10.端盖 11.滑套 12.轴 13.密封块 14.螺母 15.密封圈 16.轴座 17.双列角接触球轴承 18.密封圈 19.深沟球轴承 20.隔圈 21.锁紧垫圈 22.锁紧螺母 23.联轴器 24.变速箱 25.伺服电机 26.支撑座 27.快插接头 28.管接头 29.先导止回阀 30.变径接头 图 3 气动式纸盘轴结构 套筒 1 通过沉头螺钉 7 与端盖 9 连接，组成气动式纸盘轴壳体。套筒内部空心，外部均布 5 个长槽，套筒作为盘纸的接收承重零件，要求要达到一定的强度，同时作为盘纸的旋转承载件，重量不能过大。套筒采用硬铝材质，并对其进行硬质阳极氧化，提高其硬度和耐磨性，延长使用寿命。锥形滑块 4 靠螺钉 5与张紧块 3 连接，组成气动式纸盘轴张紧单元，5 个张紧单元均布在套筒上。张紧单元的作用是张紧与松开盘纸。套筒接收到盘纸时，5 个张紧单元伸出套筒，张紧盘纸。盘纸用完后，5 个张紧单元缩进套筒，此时可以去下旧盘芯。锥形滑块在滑套内上下滑动，且承载张紧块传递过来的重力，要求高强度、高耐磨性。锥形滑块采用锡青铜 QSn7-0.2 材质，该材质高强度、耐磨性和耐蚀性。张紧块作为盘纸的直接承载件，采用不锈钢 1Cr18Ni9Ti 材质，与盘纸的接触面为 V 型齿形，中国科技期刊数据库 工业 A-59-确保盘纸张紧牢固5。螺钉 8 将端盖 10 与轴 12 连接起来，紧定螺钉 2将滑套 11 与轴 12 连接起来，螺母 14 将密封块 13 固定到轴 12 上，这样就形成了一个以轴 12 为载体的联动单元。联动单元受右侧压簧控制，压簧推动联动单元向左运动，带动锥形滑块向上运动，从而使张紧单元伸出套筒。当压簧被压缩时，压簧推动联动单元向右运动，带动锥形滑块向下运动，从而使张紧单元缩回套筒。滑套为锥形，锥形滑块在滑套内上下滑动。滑套在套筒内运动，即要与套筒摩擦，还要承受盘纸传递过来的重力，要求具有高强度、高耐磨性、低质量。滑套采用 30%玻纤增强尼龙 66(PA66+30%GF)材质,该材质具有高强度和高刚度,良好的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，优异的尺寸稳定性，良好的表面质量和外观效果。轴座 16、双列角接触球轴承 17、深沟球轴承 19、隔圈 20、锁紧垫圈 21、锁紧螺母 22 安装在支撑座 26上，组成运动轴单元。支撑座采用铝合金 6063 材质，且对其进行 T6 热处理，提高支持座的强度。轴座采用45 钢材质，且对其进行调质处理，提高轴座的强度、韧性。双列角接触球轴承，承载能力大、使用寿命长，安装在近套筒端。气动式纸盘轴通过螺钉连接固定在运动轴单元上，密封圈 15 确保两者之间的气密性。轴座 16 内部有气道，支撑座 26 内部有气道，2 个密封圈18 确保轴座与支撑座之间的气密性。支撑座 26 底部安装有快插接头 27、管接头 28、先导止回阀 29、变径接头 30。支撑座、轴座、套筒内部的气道，形成高压空气的通道，并保证气密性。先导止回阀与阀岛连接，控制高压空气通断。联轴器 23 将轴座 16 与变速箱 24 连接，伺服电机25 与变速箱 24 连接，组成气动式纸盘轴动力单元。伺服电机根据上下游机控制信号驱动气动式纸盘轴运动。伺服电机 25 配备有编码器，编码器测量伺服电机转动的角度，并把数值发送到伺服电机控制器，PLC 利用这些数值计算盘纸直径。气动式纸盘轴到达竖直工作位置，等待接收从盘纸供应装置输送过来的盘纸。阀岛接收到控制信号，给气路通气。高压空气从先导止回阀进入支撑座，再经过支撑座与轴座之间的气腔进入轴座，最后到达套筒内腔。套筒内腔为密闭腔体，高压空气在套筒内腔内推动密封块向右移动，带动以轴 12 为载体的联动单元向右运动。当高压空气压力大于压簧内的弹力，压簧被压缩，直到压簧完全被压缩。联动单元上的滑套向右运动，由于滑套为锥形结构，使锥形滑块向下运动。锥形滑块带动张紧块向下运动，张紧块缩回套筒内部。5 个张紧块同时完全缩回套筒内部，完成气动式纸盘轴准备工作。盘纸被盘纸供应装置的坐标机械手放置在盘纸升降装置上，无杆气缸带动盘纸升降装置下落，将盘纸放到气动式纸盘轴上。气动式纸盘轴完成接盘动作后，需要张紧盘纸。阀岛接收到控制信号，给气路断气，高压空气通道内的高压空气被缓慢释放。被高压空气压缩的压簧，缓慢恢复至自然状态。压缩在缓慢恢复至自然状态的同时，推动滑套向左运动，带动以轴 12 为载体的联动单元向左运动。锥形滑块在滑套推动下，向上运动，锥形滑块带动张紧块向上运动，张紧块伸出套筒。5 个张紧块同时完全伸出套筒，将气动式纸盘轴张紧。由于压簧有一定的弹力，确保 5 个张紧块能将气动式纸盘轴张紧。气动式纸盘轴将盘纸张紧后，摆动装置将气动式纸盘轴旋转 90至水平工作位置，人工辅助完成盘纸开卷、胶带粘贴、纸带穿引，当旧盘纸到达设置好的盘纸直径时，开始新旧盘纸拼接。旧盘纸芯需要手动取出，随后系统进入下一个循环。2.3 气动式纸盘轴气动原理图 图 4 气动式纸盘轴气动原理图 阀岛接收到控制信号给气路通气，阀岛控制压缩空气从接口 1 经过先导止回阀流入接口 2，高压空气经过管接头进入支撑座。高压空气经过支撑座与轴座之中国科技期刊数据库 工业 A-60-间的气腔进入轴座，最后到达套筒内腔。套筒内腔为密闭腔体，当高压空气达到一定压力（大于压簧弹力），高压空气在套筒内腔内推动滑套水平运动。滑套的水平运动将压簧压缩，使锥形滑块带动张紧块缩回套筒内。5 个张紧块同时完全缩回套筒内部，此时气动式纸盘轴可以接收新盘纸，也可以取下气动式纸盘轴上的旧盘纸芯。盘纸需要张紧时，首先要确保气接口 21 有控制信号（通气），阀岛控制压缩空气从接口 2 排出接口 1。气路断气，被高压空气压缩的压簧，缓慢恢复至自然状态。压簧在恢复至自然状态的过程中，压簧推动滑套水平运动，滑套的水平运动，使锥形滑块带动张紧块伸出套筒外部。5 个张紧块同时完全伸出套筒外部，将气动式纸盘轴张紧。设备正常运行时，根据设备控制信号，由阀岛自动控制气动式纸盘轴的动作。设备维护与保养时，可以通过盘纸拼接装置上的按钮，来手动控制气动式纸盘轴的动作。3 应用前景 随着包装机速度的不断提高，盘纸的用量也成倍增加，包装机用四种盘纸为内框纸、铝箔纸、小盒透明纸、条盒透明纸。这四种盘纸重量大，体积大，依靠人工换料，更换过程费时费力，且存在一定安全隐患，盘纸自动供应装置已逐渐成为一种趋势。目前，生产速度为 800 包/分的 ZB48 型硬盒硬条包装机组，已经广泛应用盘纸自动供应装置，能实现最大重量为40Kg 的盘纸的抓取、张紧、拼接、输送，且生产作业率高，受到用户的一致好评。但是，生产速度均达到1000 包/分的超高速设备，包括意大利 GD 公司的 H1000型、S1000 型、W1000 型，目前都没有使用盘纸自动供应装置。气动式纸盘轴为盘纸拼接装置的核心部件，通过气动与机械结构的巧妙组合实现盘纸的张紧与松开，并作为盘纸的运动载体，实现盘纸自动供应。气动式纸盘轴的研发成功，解决了盘纸自动供应装置的核心问题，降低了劳动强度，提高了生产能力。随着盘纸自动供应装置的推广应用，气动式纸盘轴下一步会逐步应用到生产速度800包/分以上的超高速包装机组。参考文献 1谢剑平.中国烟草科学与技术M.北京:中国轻工业出版社有限公司.2021.2袁清珂,赵冲,林立仁.基于 PLC 气动式机械手控制系统的设计与开发J.仪表技术与传感器,2015(11):3.3练永庆,王树宗,陈一雕.气动式水下武器发射器内弹道优化研究J.弹道学报,2002,14(2):6.4王树宗,练永庆,陈一雕.气动式水下武器发射装置内弹道数学模型J.弹道学报,2003,15(1):21-26.5章军,须文波,杨宏建.气动式柔性限自由度机械手指J.液压与气动,2004(8):3.