提升YP11A装封箱机质量追溯能力的设计及应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：倪纯毅（1973），男，汉族，四川成都人，中级职称，大学本科生，研究向为烟机辅联设备和物流设备。-22-提升 YP11A 装封箱机质量追溯能力的设计及应用 倪纯毅 赵 骏（通讯作者）杨 立 四川中烟工业有限责任公司成都卷烟厂，四川 成都 610000 摘要：摘要：近年来卷烟工业发展趋势对质量追溯要求越来越高，且越来越接近多品规、小批量的模式，现有的装封箱机技术无法满足卷烟厂的这些需求。需要在现有老设备上提升装封箱机质量追溯能力。采用多堆垛和直角坐标机器人移载技术，实现一个烟箱中的条烟来自同一台卷接包机组及同时封装规格相同的两种品牌条烟的功能。本文分析了当前 YP11A 装封箱机存在的问题，就如何实现装封箱机质量追溯能力进行了探讨。关键词：关键词：装封箱机；质量追溯；设计及应用 中图分类号：中图分类号：TH-39 近年来随着消费者对卷烟产品质量要求的日益提高，卷烟工厂对产品质量追溯要求也越来越高，目前工厂大量采用的YP11A装封箱机由于自身设计的缺陷，无法实现单一卷包机组条烟进入同一烟箱的功能，这样就大大增加了实现产品质量追溯的难度。提升装封箱机的质量追溯能力是为了减少当卷包机组生产的烟条出现质量问题需要翻箱查找时，由于一箱里面混装的烟条来自 3-5 组卷包机组，查找工作量很大，效率低下。这就要求必须对现有 YP11A 装封箱机进行优化改造，实现自动将每个卷接包机组的来烟封入相应独立的烟箱，便于在条烟出现质量问题质量溯源。1 YP11A 封箱机问题分析 1.1 实现不了不同机组条烟的独立收集 我们原来的下滑道和横向收集机设备是将选入10#封箱机所有卷包机组的条烟共同收集的。因设计原因，原有的下滑收集装置是无法实现烟条分道收集的。如下图 1 所示 图 1 下滑道和横向收集机设备 1.2 实现不了不同机组的烟条独立稳定堆垛 原有 YP11A 装封箱机采用的一套条烟堆垛装置为凸轮控制的条烟码垛装置，如图 2 所示。图 2 凸轮式条烟码垛装置 这种凸轮式条烟堆垛装置其主要原理是条烟由输送皮带输送到堆垛机构，当条烟经过横向输入装置输送至升降器上时，触发接近开关发出信号，此时堆垛机构开始运转，提升器由其中两个凸轮控制，在凸轮的带动下，提升器带动提升板上下前后运动，升降器提升到指定高度后，另外一个凸轮带动夹板动作将提升上来的一层条烟托住（升降器与条烟导向板及条烟夹板是栅栏交叉式），此时升降器在凸轮带动下回复原来位置，完成一个码垛循环。如此这样反复五次，最后将五层条烟堆成一个烟垛。平时使用中反应出故障率较高。1.3 只能封装一个品牌规格的烟箱 只有一个纸箱料仓，如下图 3 所示 图 3 只能封装一个规格的烟箱 中国科技期刊数据库 工业 A-23-1.4 设备无烟条储存装置 当装箱机出现故障时，条烟输送线设备停机，操作人员不得不在包装机出口进行人工捡条。2 提升封装箱设备质量追溯及柔性化生产能力的措施 2.1 实现烟条的分道收集 为了将每个卷接包机组的来烟封入相应独立的烟箱，我们需重新设计新型下滑道装置，将不同卷烟机的条烟进行分别收集。我们先后考虑了两种方案，一种是直接在条烟输送线上安装侧推装置，将烟条直接推入对应下滑道中，下滑道中的烟条落在不同收集皮带上完成不同机组的烟条收集。这种方案的缺点是固化了机组和封箱机这间的对应关系，无法实现根据生产需要选不同机组的烟条进入封箱机。由于我厂条烟输送线是上下层结构，上下层之间和每层道与道之间的间距较小，尤其下层安装侧推装置后，一旦装置出故障不方便维修。每增加一套装置就会增加一个故障点。最终，我们选择了如下图 4 所示的；可选道式二次下滑装置，如下图 5 所示；图 4 下滑道中的烟条落在不同收集皮带上完成不同机组的烟条收集 图 5 道式二次下滑装置 选用这种装置具有以下几个优点：可以实现选道，可根据生产需要选不同机组的烟条进入封箱机。靠烟条自重二次下滑实现条烟收集，没有增加多余推烟装置，减少了故障点。实现烟条的分道收集，即不同机组的烟条是分别收集的，最终实现同一纸箱里的烟条都是来自同一台包装机，方便质量追溯。2.2 实现不同机组条烟的独立稳定堆垛 如果继续使用原来的堆垛装置，其稳定性和维修便捷性都存在较多问题，尤其单个装置体积较大，比较占用空间。因此，我们决定重新设计新型堆垛装置。新设计的堆垛装置应满足以下要求：（1）提高设备生产效率，同时实现设备检修维护更方便快捷。（2）实现条烟堆垛时控制准确、堆垛整齐、操作便捷的效果，以及条烟尺寸变化后快速调整的效果。当时我们也有两种方案。一种是输送带自由落体式堆垛。条烟从上往下一层层堆叠靠烟条自重落下，原理简单，机械结构不复杂。但存在条烟底面与输送带长时间摩擦，容易造成条烟外表面擦花且向下堆垛砸在下一层条烟表面，垛型稳定性较差。另外一种就是如下图 6 所示新型翻转槽轮式堆垛装置 图 6 新型翻转槽轮式堆垛装置 与第一方案相比条烟与输送带完全脱离，双槽轮旋转向上完成堆垛，堆垛过程每层条烟紧密贴合，垛型稳定，占地小。通过两者比较，我们最终选择了翻转槽轮式堆垛装置。该装置具有以下几个特点：1）新堆垛装置的条烟码垛方式为通过伺服电机带动槽轮翻转来实现。伺服电机经减速机减速后带动传动轴转动，通过与花键锥齿轮、平键锥齿轮的配合实现动力换向，带动翻烟槽轴与翻烟槽轮转动，从而实现码垛。这种堆垛方式更平稳，效率更高，几乎没有噪音。中国科技期刊数据库 工业 A-24-2）新型堆垛装置具有尺寸规格调整机构 当条烟规格变化后，无需更换其他零部件即可实现容烟空腔宽度的调整。通过一根左右两端相反旋向的调整丝杆，在丝杆两端的两端安装两个丝母，调整手轮侧设计一个与底板固定不动的固定丝母座，固定丝母座上设计有锁死手柄；两个槽轮支撑架中间底部设计有随动丝母，槽轮支撑架两侧设计了直线滑座。2.3 多堆垛布局方式选择 完成了四组卷包设备条烟的分道收集和堆垛，必然面临这 4 组堆垛装置的布局问题。我们最先想到的是 4 道堆垛装置在地面上按一定间隔从左到右并排布局。这种布局的优点是各道相对独立互不干扰，每道安装和维护条外观检测较为方便。由于我厂封箱设备之间间距较少，如果所有收集条烟的通道在地面并排安装，会严重占用设备之间的物流通道。如下图 7 所示；图 7 四组卷包设备条烟的分道收集和堆垛 选用这种布局就要配套使用六轴机器人来抓取堆垛好的烟箱。这种机器人大负载大半径运行，为保证安全所需占地面积大。为保证物流通道顺畅，在有限空间内实现条烟收集功能，我们创新性提出立式多堆垛理念，将 4 组包装机来的烟条分别形成左右两组上下排列的结构，如下图 8 所示；图 8 4 组包装机来的烟条分别形成左右两组上下排列的结构 图 9 立式多堆垛装置示意图 这样设计的好处是大大节约了设备占地空间，设备显得更加紧凑美观。2.4 烟垛移载方案 实现不同机组条烟的分别收集和堆垛后，我们需要考虑的下个问题是如何将这 4 垛烟运送到成型好的纸箱处，完成后续封箱。由于堆垛好的烟箱形成了左右两边的上下层排列，这种排列方式导致左右及上下烟垛间距不大，内部空间非常有限。传统六轴机器人方案不适用。这种上下左右排列的形式和高架库货物摆放方式相似。高架库货物的取放搬运是通过巷道堆垛机来完成的。巷道堆垛机有一个载货平台，平台上有货叉可左右伸叉到货架上取放货物托盘。如果我们也能设计一个类似的装置就能实现烟垛移载功能。这种新型的烟垛移载装置要具备以下功能：（1）设备运动轨迹是在左右堆垛装置之间的通道内往复直线运动（2）需要一个烟垛承载装置。该装置要避免烟垛在运动过程不散垛。（3）烟垛承载装置能够在工作平面内上下前后移动且定位精准。放弃了六轴机器人方案后，我们也想到了如下图10 所示解决方案：图 10 新型的烟垛移载装置示意图 这种方案是借鉴了 GDX2 包装机 1 号轮烟支模盒的理念，设计了烟箱模盒传送机构，循环将烟垛推送到中国科技期刊数据库 工业 A-25-烟箱模盒中，再输送至装箱工位。但这种方案也有不少缺点，主要是占用空间，后期设备维护量较大，定位精度不稳定。故再次放弃该方案。根据实际需求，我们最终选择了平面直角坐标机器人，如图 11 所示。平面直角坐标机器人的重要部件是直线运动轴，它是由精制铝型材、齿形带、直线运动导轨和伺服电机等组成。按照具体应对定位精度，运行速度和负载大小，运动方式等来选择相应的导轨，并组成相应形式的机器人来完成特定的任务。设备主要有两个直线运动轴组成，通常分别对应直角坐标系中的 X 轴，Y轴。在大多数情况下，直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角，X 轴和 Y 轴是水平面内运动轴。该技术有以下优点：1、结构简单，稳定可靠；2、效率高、定位精准；3、机器结构紧凑，占用空间小；图 11 平面直角坐标机器人示意图 烟垛移载装置包含烟垛移载机器人和烟垛模盒装置，该装置的功能是接收堆垛装置发出的信号，烟垛移载机器人将烟垛模盒装置移动到已经堆好烟垛的堆垛出口处，等待烟垛推移装置将烟垛推入烟垛模盒装置后，将烟垛模盒装置移送到下一个工位（入箱推进工位）。烟垛移载机器人包含两套伺服电机和减速机，可以分别控制沿 X 和 Y 轴精确移动；烟垛模盒装置固定在烟垛移载机器人的安装座上，左侧为固定模盒侧板，右侧为可以左右活动的侧板，烟垛推移装置将烟垛推入烟垛模盒装置后，气缸控制右侧活动侧板移动，将烟垛夹紧，保证烟垛在移动过程中整齐不散落。烟垛到达入箱推进工位后，活动侧板松开，由入箱推进推板将烟垛推入装箱工位。在模盒两个侧板处安装有检测光电，检测烟垛是否到位及品牌规格等信号。2.5 双品牌封箱方案 为了实现一台封箱机封装同规格的两种品牌条烟，我们前面已经解决了不同品牌的条烟独立收集和堆垛，下面需要解决以下几个问题：需要增加一个纸箱料仓，变单料仓为双料仓。不同的纸箱如何从料仓运送到纸箱成型区域。电控系统自动完成纸箱和烟垛之间的对应，能够准确识别烟垛品牌抓取对应的烟箱完成封箱。我们最先考虑采用如下图 12 所示机器手方案。由机器人完成纸箱的抓取、成型、放置。图 12 机器人完成纸箱的抓取、成型、放置示意图 这种方案能够解决双品牌封箱的问题，但由于我们现场空间有限，使用机器人要在其工作半径内安装隔离防护网，这会进一步压缩本就紧张的物流通道。另外，我们是利旧改造 YP11 设备，如果采用机器人方案对原有设备的改造量会较大，导致改造费用较大提升。综合考虑后，我们最终选择了如下图 13 所示的双料仓设计方案。图 13 双料仓设计方案 将 YP11A 纸箱料仓升级为双料仓共刮板，即在原料仓长度基础上再延伸出一个料仓，共用同一刮板。原点位置处于顶升状态，需求哪个料仓的箱坯，该料仓降下，刮板将箱坯刮入封箱部分进行装封箱。纸箱成型部分无需改动，利用原机部件即可。该方案的优点如下：中国科技期刊数据库 工业 A-26-这是个低成本解决方案，对原有 YP11 设备的改动不大，费用不高。占地面积相对较小。该刮板输送纸箱机械装置结构简单，经多年实际运行证明可靠。综合来看，我们项目只需要封装两个同规格品牌的条烟，这种方案应是最优选择。如果未来需要封装不同规格且两种以上品牌的条烟，则机器人方案更优。2.6 烟垛储存装置方案 我厂由于场地空间有限，没有位置安装市面上成熟的条烟储存装置。当装箱机出现故障时，条烟输送线设备停机，操作人员不得不在包装机出口进行人工捡条。为了保证车间生产效率和生产现场整洁有序，我们需要利用现场空间考虑条烟储存装置方案。这种新型条烟储存装置要能实现以下几个功能：1）设计四道烟垛储存装置，与四堆垛装置单一对接，独立储存，互不干扰。2）有效利用地面空间，每道存储能力不得低于 100条。3）存储装置可双向运行，既能存储也能反向排出烟垛。4）当储存装置发生故障时不影响封箱机正常生产。为了完全满足以上要求，我们经过反复讨论最终将烟垛储存装置安装在了堆垛装置与烟垛移载装置之间。每个堆垛装置均对应各自存储器，即独立存储。其工作原理如下：正常运转时，由烟垛推移装置将堆垛装置堆叠好的烟垛经过烟垛储存装置工位，推入烟垛移载装置内。当下游封箱部分短时停机时，堆垛装置可继续堆垛，此时堆叠好的25条烟垛可暂存到每个堆垛一一对应的烟垛储存装置的烟仓内，该储存装置可存储 100 条，另外在堆垛装置内可存储 35 条，即每个堆垛装置对应的总存储量为 135 条，四道共 540 条。烟垛储存装置的两个推手相互配合向存储侧间歇推移实现存储功能。当故障解除开机时，两推手再次相互配合向堆垛方向推移排出。红色箭头处为烟垛储存装置，如下图 14 所示；图 14 红色箭头处为烟垛储存装置 综上所诉，我们利用 YP11A 旧设备改造实现新功能，开创先例，节约了费用。创新性使用平面直角坐标机器人代替了多轴机器人，极大的缩小了设备工作需求空间。在不额外增加设备及空间的基础上实现条烟缓存，减少因封装机小停机引发的条烟输送线停机，减少质量隐患，保证生产现场的整洁有序。3 总结 改造后设备，具有同一个纸箱中的条烟来源于同一台包装机且是连续的特点，这将有利于条烟质量问题的追溯。过去为了找到有质量问题的条烟，我们要把这个时间段内生产的烟箱都找出来，人工拆箱寻找，这将投入很多人力和时间，效率极低。现在我们只要知道其大致生产时间就可以通过每箱烟的质量追溯码打印时间，找到相应烟箱入库分拣托盘信息，再进一步找到其在成品高架库内的货位。人工调出其所在托盘，查看托盘上的烟箱，由于每箱烟中的烟条都来自同一机组，所以只要打开烟箱发现其中一条不是问题机组的条烟就不用看其他条烟了，故大大节省了时间，提高了效率。同时，也有利于未来实现条和箱的对应绑定，质量追溯更进一步。实现了两种同规格不同品牌条烟分别封箱的柔性化生产的需要。不用额外增加封箱机数量。参考文献 1刘东东.关于 YP11A 型条烟自动装封箱机自动取样与缺陷剔除的研究和开发J.科研,2016(001):52-52.2刘江,刘长龙,史建新,等.YP11 型装封箱机柔性压缩箱体辅助装置的设计J.烟草科技,2020,53(3):6.