新型成型機無膠帶拼接裝置設計與應用

馮銀龍 張永江 王巧娟 魯平

摘 要：在煙草行業中，傳統的盤紙拼接方式是使用雙面膠帶的有膠拼接，這不僅費時費力且增加了雙面膠帶耗材的使用。結合實際生產需求，對L22成型機上的有膠拼接裝置進行了無膠帶拼接改造，通過采用光輥、齒輥互相輥壓的方式，輔以相應程序控制，從而實現成型機無膠帶拼接裝置的長期、高效、穩定運行，以提高生產效率，降低輔料消耗，減輕工人勞動強度。

關鍵詞：拼接裝置;無膠帶拼接;伺服控制;自動拼接

中圖分類號：TQ436+.1;U445.4

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）03-0120-04

Design and application of tape-free splicing device

for new molding machine

FENG Yinlong，ZHANG Yongjiang，WANG Qiaojuan，LU Ping

（China Tobacco Henan Industrial Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：

In the tobacco industry， the traditional reel splicing method is glue splicing using double-sided tape， which is time-consuming and labor-intensive and increases the use of double-sided tape consumables. Now combined with the actual production requirements， the glue-free splicing device on the L22 molding machine is modified without tape splicing. By using smooth rollers and toothed rollers to roll against each other， supplemented by corresponding program control， the long-term， efficient and stable operation of the tape-free splicing device of the molding machine is realized to improve production efficiency， reduce auxiliary material consumption， and reduce labor intensity of workers.

Key words：

splicing device;splicing without tape;servo control;automatic splicing

紙帶包裝是目前被廣泛采用的一種包裝（生產）方式，在煙草、糖果食品等領域被廣泛使用[1]。包裝紙帶在被使用之前，大多以紙帶卷的形式存在。當一卷紙帶使用完畢后，需要與另一卷紙帶連接，以實現連續生產[2]。目前，煙草行業所用紙帶連接裝置需要使用雙面膠、固態或液態粘接膠。成型機在生產中普遍使用人工粘貼雙面膠帶后續進行自動搭接[3]。

2015年，國外煙草公司開始研究卷煙紙（以下簡稱成形紙）無膠帶拼接機構[4]，我國從國外新引進的某些設備在卷煙紙拼接方式上，已經摒棄傳統用膠帶拼接。這套新型機構應用于高速機型的拼接機構，自動化程度高，可減少膠帶拼接工藝的人工操作[5]。但體積過于龐大，過程控制相對復雜，不適用于中低速機型的改造[6]。國內煙草加工企業中，絕大多數廠家仍沿用傳統雙面膠帶拼接方式[7]。

在當前煙草行業飛速發展和競爭日益激烈的市場環境下，洛陽卷煙廠提出了針對中低速成型機的無膠帶拼接裝置的研發工作。

1 無膠帶拼接裝置原理及結構

1.1 無膠帶拼接的原理及可行性探討

無膠帶即放棄傳統雙面膠帶的使用，根據新的拼接原理來實現無膠帶拼接功能。根據卷煙紙的韌性較好以及材質同時兼具一定的脆性的特點[8]，由此做以下嘗試。

將兩段卷煙紙重合在一起，用大頭針在紙上扎透出密密麻麻許多細小的孔洞，每一個孔洞均穿透兩張紙，紙張會在孔洞處發生形變。當沿紙張平面方向進行反向拉伸時，因為該形變兩紙間會產生拉力，孔越多，拼接段能承受的拉力就越大。以此試驗原理為基礎，研究無膠拼接的可行性，結合實際生產需求，提出無膠帶拼接裝置的結構設計思路。

1.2 無膠帶拼接裝置的結構

無膠帶拼接裝置主要由拼接底板、張緊輥、集紙槽、加速輥、加速電機、導紙軸（2套）、連桿、刀片組件、拼接機構、拼接電機、過渡輥（3套）等組成，無膠帶拼接裝置結構如圖1所示。其中，張緊輥和加速輥互相配合，夾緊待續紙的紙頭;加速電機驅動加速輥，使待續紙達到要求的速度;拼接電機具有高動態響應性，是拼接機構的動力來源。

2 無膠帶拼接裝置工作方式

2.1 無膠帶拼接裝置工作簡介

正常工作時，工作盤紙依次穿過導紙軸2、拼接機構、過渡輥2、過渡輥3后進入下一工作階段。待續盤紙裝到紙盤架上后，將待續紙紙頭依次穿過導紙軸1、拼接機構、過渡輥1，然后引導穿過張緊輥和加速輥中間并將盤紙壓緊，將紙頭置于集紙槽內。工作紙盤快要耗盡時，傳感器發出信號，加速輥開始加速，最終速度要稍高于工作紙的速度。接著，拼接輥開始動作，帶動刀片組件共同完成拼接、掐頭、去尾3個動作。拼接功能完成，待續紙加速過程中剔除掉的盤紙收集于集紙槽內。無膠帶拼接裝置工作示意圖如圖2所示。

2.2 無膠帶拼接結構詳解

2.2.1 無膠帶拼接機構結構

表面光滑的光輥和支軸組成的光輥組件，表面滾花處理的齒輥和支軸組成的滾花輥組件，這兩根軸系背后各有一參數完全相同的齒輪互相嚙合，通過聯軸器被拼接電機驅動，實現兩輥子同步反向轉動。拼接時，光輥、齒輥擠壓工作紙和待續紙，扎出密集的小孔，以在兩紙間產生拉力，實現兩段紙的無膠帶拼接功能。拼接機構結構如圖3所示。

2.2.2 動作要求

拼接機構兩輥子的運動的位置和速度關系如圖4所示。首先，需要明確的是不能出現二次拼接，在一個拼接動作里，輥子只能擠壓接觸1次;其次，速度要達400 r/min，拼接輥的直徑是50 mm，計算得到拼接時的轉速至少達到2 547 r/min。

圖4（a）是不拼接的時候兩輥子待機的位置，拼接動作時兩輥子從此位置開始同步反向加速;加速到圖4（b）所示位置，加速行程為200°，此位置也即兩輥子開始接觸，即拼接開始的位置，此時速度要求達到至少2 547 r/min;保持至少2 547 r/min的速度運轉到圖4（c）所示位置，拼接總行程為120°，即兩輥子分開，即紙帶拼接結束的位置;拼接完成后輥子開始減速，到圖4（d）所示位置時輥子完全停下來，減速行程最多為200°。隨后兩輥子各自反向轉動，回到圖4（a）所示待機的位置，等待下次拼接信號。

3 無膠帶拼接裝置

無膠帶拼接機構是無膠帶拼接裝置的核心部件，要實現3個功能：實現成形紙的同步接續（簡稱 “拼接”）、待續紙接續后剔除前段余料（簡稱“掐頭”）、工作紙接續后剔除后段余料（簡稱“去尾”）。

3.1 “拼接”的實現方式

通過試驗發現：要實現成形紙的拼接并滿足一定張力，其關鍵點就在于兩輥子之間的間隙。拼接輥和支軸的尺寸經過特殊設計，按要求裝配好之后兩輥子之間有一定的間隙（實際生產中放量在0.1～0.2 mm）;經過測量，成形紙的單層厚度約為0.04 mm;在輥子之間添加標準厚度墊片，通過改變兩輥子之間間隙的方式來實現輥子間不同的壓力，具體如圖5所示。

實際生產中經過調整測試，兩輥子達到一個比較理想的狀態。拼接持續段的拉力經過測試，縱向抗張能量為7 J/m2，滿足目標要求，即大于5 J/m2。

3.2 “掐頭”的實現方式

“掐頭”動作需要張緊裝置、加速裝置以及拼接裝置的共同配合，將待續紙穿過加速輥和張緊輥并壓緊，如圖 2所示。當工作紙即將消耗完，傳感器發出信號，待續紙開始加速，并且速度要稍微高于兩輥子壓合時的速度。當兩輥子在紙帶上扎出第一條細密孔帶（同時也是紙帶上的應力集中點）時，由于紙帶高速運動的同時其本身的張力也比較大，就會在第一時間于細密孔帶處斷裂。這樣，可以實現“掐頭”功能。

在項目試驗的初期，讓工作紙、待續紙以及兩輥子壓合時的速度在拼接時保持相對靜止，即三者速度一致;試驗結果是雖然“拼接”成功，但卻沒有完成“掐頭”。這也從反面證明了待續紙速度要高于兩輥子壓合時速度的必要性。這個待續紙相對于拼接輥的速度差，需要反復試驗確定。速度差太大的話，會讓紙盤附近的紙帶抖動太大;速度差太小的話，紙頭拉不斷。

3.3 “去尾”的實現方式

“去尾”動作是依靠刀片組件的甩動實現的。刀片組件的支撐軸安裝在齒輥軸系上，但與齒輥是偏心的。拼接動作時，電機急速轉動，刀片由于偏心輪的帶動會向上方抬起，碰到紙帶;同時，高速運動的紙帶本身張力比較大，在尖銳刀片的觸碰下，會瞬間被切斷。但如果不設限制的話，刀片抬的過高會把待續紙也切斷。由圖1可以看出，拼接機構的刀片組件被導紙軸2上的連桿限制著，確保刀片運動最高點也不會碰到待續紙。而且，這套機構經過設計，保證兩輥子嚙合過程走到一半時，刀片才會升到最高點。另外，兩拼接輥在壓合時的速度要稍微高于工作紙速度。原理同“掐頭”一樣。

3.4 對伺服電機的調教優化

從前面“動作要求”里了解到電機的加減速動作非常劇烈：200°的行程就要從靜止加速至少到2 547 r/min，接著勻速轉過120°，最后在不超過200°的行程里要減速為0。所以，對于電機和控制系統的選擇以及調教是非常嚴格的。

設置以下定義：將待續紙速度稱為v1，將兩輥子壓合時的速度稱為v2，將工作紙的速度稱為v3。從“掐頭”、“去尾”的實現方式，可以得出以下結論：v1>v2>v3。v1由加速輥提供加速，雖然速度最高，但因為沒有行程的限制，電機的選擇和控制是比較簡單的;難點在于v2，要在200°的行程內線速度超過400 m/min，對電機的動作要求是非常高的。項目初期通過行程對電機進行調教，電機的總行程嚴格的控制在1周，但此時的結果并不理想。后來對電機改用電子凸輪的調教方式：手動畫出電機所走的位置與速度的曲線，并對曲線反復試驗優化，最終得到如圖6所示的位置-速度曲線關系。

同時，使用Solidworks軟件對負載的各個零件進行單獨的轉動慣量的分析計算，在保證強度的前提下盡可能的減輕負載慣量。通過反復優化，最終得到兩套軸系的轉動慣量：光輥軸系9 000 kg·m2，齒輥軸系12 100 kg·m2。轉換到電機軸上，負載總慣量為21 100 kg·m2。

考慮到安裝空間的問題，選擇的電機主要參數為：額定扭矩1.9 N·m，額定轉速6 000 r/min，轉動慣量7 500 kg·m2。計算出的慣量為22 500 kg·m2，大于負載總慣量21 100 kg·m2，符合一般伺服電機選型原則。

4 結語

該無膠帶機構的研制成果在成型機上已經長期使用，驗證了整個裝置的可靠性，并實現了以下技術目標：400 m/min成形紙自動拼接;成形紙拼接成功率大于98%;單次拼接成形紙損耗控制在10 m以內;拼接段縱向抗張能量吸收大于5 J/m2;接頭剔除率99%。

此無膠帶拼接機構布局合理、安裝方便，主要用于替代中低速機型的的膠帶拼接機構?；谏鲜鼋Y果，后續的研究將繼續探索無膠帶拼接的效果及在各類型卷煙機的應用改進，在ZL22成型機上測試技術成熟后，會逐漸推廣應用在ZL26、ZL29、ZJ17等機型上，以便能在更大范圍內實現提高生產效率，降低輔料消耗，減輕工人勞動強度的前景目標。

【參考文獻】

[1]? 申偉鵬.纖維濾棒成形機盤紙拼接裝置的改進[J].設備管理與維修，2017（16）：93-94.

[2] 王永才.卷煙紙無膠帶拼接在卷煙機組上的應用[J].設備管理與維修[J]，2018（24）：104-106

[3] 王彬.盤紙自動更換機BOB-ME壓接過程及影響因素分析[J].科技視界，2016（23）：77-158.

[4] 成大先.機械設計手冊（第六版）[M].北京：化學工業出版社，2016.

[5] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2016.

[6] 王彬.盤紙自動更換機BOB-ME壓接過程及影響因素分析[J].科技視界，2016（23）：77-158.

[7] 張鼎，楚良，麻玉.交流伺服控制系統在ZJ17卷煙機無膠帶拼接中的應用[J].山東工業技術，2018（18）：36.

[8] 李歡，王建民，王豪禮，代存迪.卷煙紙參數對卷煙持灰能力的影響[J].食品與機械，2021，37（6）：207-212.