（机械设计及理论专业论文）zj114型超细烟支卷接机组的改进设计与研制.pdf

摘要 摘要 本文通过对现有的国内外中速卷接机组的技术改进方面的调研，从中速卷 接机组本身的发展需要、可靠性要求以及卷烟厂对超细烟支规格的需求，以 z j l l 4 型超细烟支卷接机组为研究对象，分析了z j l1 4 型超细烟支卷接机组应用 交流伺服技术及卷制超细烟支过程中遇到的实际问题，提出了较为完善的解决 方案。并对机组交流伺服控制系统及卷烟机卷制超细烟支过程中烟丝成型部分 存在的问题及解决方案进行了重点阐述。 在以下几个方面对z j l l 4 型超细烟支卷接机组进行了较大的改进设计：1 ) 超细烟支( 如：直径5 4 m m ) 卷烟机的烟丝供给、烟支质量控制、烟条成型系 统的特性研究，通过改进设计，提高了烟支成形的效率和质量；2 ) 双刀单切虎 克式烟支切割系统的应用研究；3 ) 卷接机组的柔性化设计，交流伺服驱动技术 的应用、p l c 分布式控制系统的改进，通过改进设计，提高了机器的智能化水 平，可实现不同长度烟支的生产，并可实现卷烟机和接装机的分时停机，降低 了能耗。4 ) 超细烟支风室体技术的应用。 改进后的z j l l 4 型超细烟支卷接机组技术先进、性能良好、运行稳定，填补 了国产超细烟支卷接机组的空白，具有一定的理论意义和显著的实际应用价值。 关键词： z j l1 4 型卷接机组，超细烟支，交流伺服驱动系统，p l c 分布式控 制 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tt h er e s e a r c ho ft h et e c h n o l o g yi m p r o v e m e n to fm e d i u m s p e e dc i g a r e t t er o l l i n ga n dc o n n e c t i n gm a c h i n ee x i s t i n ga th o m ea n da b r o a d s e l e c t i n gz j l 1 4s u p e r f i n ec i g a r e t t er o l l i n ga n dc o n n e c t i n gm a c h i n e a st h er e s e a r c h o b j e c t , t h i sp a p e ra n a l y z e si t sa cs e l n ot e c h n o l o g ya n dt h ep r a c t i c a lp r o b l e m si n r o l l i n gt h es u p e r f i n ec i g a r e t t e s f o r t h em e d i u ms p e e d c i g a r e t t er o l l i n ga n d c o n n e c t i n gm a c h i n ed e v e l o p m e n tn e e d s ，r e l i a b l er e q u i r e m e n ta n dd e m a n df o rt h e s p e c i f i c a t i o no fs u p e r f i n ec i g a r e t t e s ，a n dp r o v i d e s b e t t e rs o # a s t i c a t e da p p r o a c h e s ， w h i c hf o c u s e so nt h ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n st ot h eu n i t sa cs e l n oc o n t r o ls y s t e m a n dt h et o b a c c os h a p i n gd u r i n gm a k i n gt h es u p e r f m e e i g a r e t t e s ，一。 t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r es o m eg r e a ti m p r o v e m e n t sm a d eo nt h ez j l1 4 s u p e r f i n ec i g a r e t t er o l l i n ga n dc o n n e c t i n gm a c h i n e ：1 ) s t u d yt h et o b a c c os u p p l y ， c i g a r e t t e sq u a l i t yc o n t r o la n dc i g a r e t t e ss h a p i n gs y s t e mo ft h es u p e r f i n ec i g a r e t t e s ( d i & 0 5 4 r a m ) c i g a r e t t er o l l i n g m a c h i n et oi m p r o v et h et o b a c c os h a p i n ge f f i c i e n c y a n dq i 脚时t h r o u g ht h ed e s i g nr e f i n e m e n t ；2 ) a p p l i c a t i o ns t u d yo ft h ed o u b l ek n i f e s i n g l ei n c i s eh u k ec i g a r e t t ei n c i s es y s t e m3 ) t h r o u g ht h ef l e x i b l ed e s i g no fr o l l i n g a n dc o n n e c t i n gm a c h i n e ，t h ea p p l i c a t i o no fa cs e r v od r i v et e c h n o l o g ya n d e n h a n c e m e n t o fp 1 cd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m , t h em a c h i n ei n t e l l i g e n tl e v e li s i m p r o v e da n d t h ep r o d u c t i o no fv a r i o u sl e n g t ho fc i g a r e t t e sc a nb ea c h i e v e da sw e l l a st h e c o l l i n ga n dc o n n e c t i n gm a c h i n e s h u td o w nn o ta tt h es a m et i m ea n dt h ee n e r g y d e p i c t i o ni sl o w e r e d 4 ) a p p l i c a t i o no ft h es u p e r f i n ec i g a r e t t eb r e e z er o o mb o d y t e c h n o l o g y t h ei m p r o v e d7 3 11 4s u p e r f i n ec i g a r e t t er o l l i n ga n dc o n n e c t i n gm a c h i n ei s i na d v a n c e dt e c h n o l o g y , g o o dp e r f o r m a n c ea n ds t a b l eo p e r a t i o n ，w h i c hf i l l sg a p so f t h ed o m e s t i cs u p e r f m ec i g a r e t t er o l l i n ga n dc o n n e c t i n gm a c h i n ea n dc o n t a i n s c e r t a i nt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：z j 114r o l l i n ga n dc o n n e c t i n gm a c h i n e ，s u p e r f m ec i g a r e t t e ，a cs e r v o d r i v et e c h n o l o g y ，e n h a n c e m e n to fp 1 cd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m 2 设备概况及工艺要求 1绪论 1 1 引言 许昌烟草机械有限责任公司隶属中国烟草机械集团公司，是专业生产烟草设 备的国家大型二类重点骨干企业，其生产的卷接机组系列产品销往全国如宝鸡、 红河、曲靖、龙岩等几十家大中型烟厂，并走出国门，远销欧、亚、非、美四大 洲十多个国家。 从市场和行业发展角度看，我国烟草行业目前面临着烟厂数量多、规模小、 分布散等诸多问题，造成资源浪费和配置的不合理。为了提高行业整体效益，增 强企业竞争力，应对市场开放而带来的国际方面的竞争压力，烟草行业正在进行 产业和组织结构的大调整。伴随着这一过程，烟草机械行业的资源优化配置也尤 为重要了。许昌烟草机械有限责任公司也一直坚持以市场为导向，为用户服务的 经营理念。 研究所是许昌烟机公司的重要部门，担任着公司各类产品的研发和现场施工 配合以及技术支持工作。我们卷接组也深刻理解行业共同价值观“国家利益至上， 消费者利益至上和公司企业使命“提供高品质的烟草设备和服务 ，本着提高 设备性能和降低原辅材料消耗地原则，研制开发出了一种全新的可以生产超细超 长烟支及丁香烟支的中速卷接机组，产品已经推出即受到了国内外客户欢迎及好 评，已销往十六个国家计近3 0 余组。 从技术层面来看，近些年自动化和驱动技术的发展迅速，尤其是控制技术、 计算机技术和通讯技术的长足发展，对卷接机组的发展都有着深远的影响。 本文主要针对我厂自主研发生产的z j l l 4 型卷接机组在机械方面进行的重 大改进方面综合全面的阐述。 1 2国内超细烟支卷接机组的发展近况 目前，世界上卷烟机的发展速度迅猛，单枪式卷烟机的最高速度达1 2 0 0 0 支分( 稳定生产速度1 0 0 0 0 支分) ，双枪卷烟机的生产速度已达2 0 0 0 0 支分。 在卷制异型烟支设备方面，h a u n i 公司开发出采用p r o t o s l 8 卷制超细支烟( 直 径5 4 r a m ) ，但实际运行速度仅为6 0 0 0 支分；而在印度尼西亚采用g d 1 2 1 p l u s 卷制丁香烟时，其实际运行速度仅为1 0 0 0 0 支分，高速卷接机造价昂贵，高速 卷接机和中速卷接机相比，在生产异型烟时，性价比较低。 在国内，我们引进了生产速度为2 5 0 0 支分的m k 8 m a x - b i 机组制造技术； 引进了生产速度为6 5 0 0 支分的s u p e r 9 p a 9 和l o g a - i i m a x - d 机组制造技 2 设备概况及工艺要求 术：引进了生产速度为7 0 0 0 支分的p a s s i m 7 0 0 0 和p r o t o s 7 0 机组制造技术； 自行设计开发了生产速度为8 0 0 0 支分z j l 9 a 、z j l 9 b 卷接机组；引进了生产速 度为1 0 0 0 0 支分的p r o t o s 9 0 e 机组制造技术。在4 0 0 0 - - - 5 0 0 0 支分速度档未进 行技术引进或开发，但国际市场上对生产速度为4 0 0 0 - - - 5 0 0 0 支分卷接机组的需 求依然强劲。 在卷制异型烟支的设备开发方面，国内仅在烟支长度、水松纸宽度等方面有 所改进和开发，国产烟机设计的烟支直径范围在6 7 8 6 m m ，不能适应国际、 国内对卷制丁香烟等特种烟丝、超粗或超细支( 直径5 4 r a m ) 等设备需求，国内 开发和生产卷制异型烟支设备尚属空白，急需开发此类产品来满足国内外用户的 需求，扩大产品出口当务。 1 3 研究课题的目的和意义 针对国际市场中小型客户的需求，许昌烟机公司近年来推出了翻新升级版 m k 9 m a x s 机组，先后销往捷克、爱沙尼亚、马来西亚、加拿大等国家，深受 用户欢迎。但随着业务量的增加，目前面临的问题是：( 1 ) 旧机数量有限，靠回 收旧机翻新后出口已不能满足国际市场的需求；( 2 ) 翻新机出口受个别国家不允 许进口翻新设备的限制。许昌烟机公司为进一步加强国际烟机市场的开拓，实现 出口产品高中低速设备系列化，在翻新的m k 9 m a x s 卷接机组的基础上，研 制一款5 0 0 0 支分的中速卷接机组，以满足国际市场中小型用户的需求，并满 足国内外用户用中速机生产异型烟的需要。 本项目的意义： 1 通过开发生产速度为5 0 0 0 支分、用于卷制丁香烟、超细支烟( 直径 5 4 m m ) 等异型烟支( 也可卷制普通烟支) 的卷接机组，满足国际市场的需求； 2 补齐国产卷烟机在中速方面的空档，实现产品出口系列化，扩大国产烟 机在国际市场上的影响力； 3 为开发卷制异型烟支的高速或超高速卷接机组积累经验、打基础； 4 拥有自主知识产权，价格上具有竞争优势。 1 4 设计指导思想和主要研究内容 在研制过程中，我们将坚持高质、高效、柔性、低耗的原则，并在以下方面 把握卷接机组的发展趋势： l 、交流伺服驱动系统的应用 随着交流伺服驱动技术的飞速发展，交流伺服驱动系统在数控和印刷行业得 到了大量的应用，同时，在进口的p o r t o s l 8 卷接机组以及许昌烟机对 2 2 设备概况及工艺要求 z j l 5 ( s u p e r g ) 机组的大修改造中都得到了成功应用。采用交流伺服驱动技术构成 的电气传动可塑性较强，可以使机器具有一定的智能化和柔性化，通过改变电子 齿轮比，在不改变机械部件的条件下可实现不同长度烟支的生产，并可实现卷烟 机和接装机的分时停机以减少生产消耗。 将交流伺服驱动技术( 伺服电机及控制器) 应用于5 0 0 0 支分卷接机组的研 制，去掉了传统的刀头传动齿轮箱、布带轮传动齿轮箱、风室传动齿轮箱等传动 结构，简化了机械结构，减少机械维护保养工作和机械配件的消耗和储备。将交 流伺服驱动技术应用于卷接机组的传动系统，是国内外烟草机械的发展趋势。 2 、电控系统的设计 基于现场总线的全分布式控制系统是中大型控制系统的发展趋势，采用现场 总线可以大量减少系统电器线路和接头，减少故障点，分布式结构使电控系统的 各子系统独立自治，提高系统的可靠性。采用最新的西门子s 7 系列p l c 构建机 组过程控制系统，具有功能强大、结构清晰且备件充足的优点，利用系统的自诊 断能力和现场总线的通讯能力，使系统故障诊断和处理能力可以得到极大的增 强，简化机组的操作与维护。 3 、采用微波式烟支重量控制技术，安全可靠无污染。 4 、烟支空头检测采用光电检测，准确可靠。 2 设备概况及j = 艺要求 2 设备概况及工艺要求 2 1 设备简介 z j l l 4 型卷接机组e h y j l l 4 型卷烟机和y j 2 1 4 型滤嘴接装机组成。z j l l 4 型卷接 机组采用交流伺服驱动技术、p l c 控制技术、微波式烟支重量控制技术及工业总 线、触摸屏、阀岛等技术，使机组具有良好的可操作性、控制性及较高的工作稳 定性。z j l1 4 型卷接机组可与我公司生产的y j 3 5 d 装盘机对接组成卷接装生产线。 图2 1 机组实物图 图2 2 机组平面图 4 2 设备概况及工艺要求 2 1 1 设备组成结构 ( 一) y j l l 4 卷烟机 传动系统 供料系统 烟条成型系统 吸丝成型及重量控制系统 供丝印刷系统 空气系统 润滑系统 ( 二) y j 2 1 4 接装机 滤棒供给系统 烟支供给系统 供胶系统 供纸系统 烟支成型系统 烟支输出系统 烟支检测系统 空气系统 润滑系统 2 1 2 设备技术性能要求 ( 一) 机组的基本参数 a 额定生产能力：5 0 0 0 支分； b 烟支规格：烟支长度：4 5 m m - - - 9 0 m m ； 烟支直径：巾5 4 咖由9 m m ； c 烟支质量：符合g b5 6 0 6 3 中的规定； d 有效运行率满足机组有效运行率要求； e 噪声：满足机组噪声8 5 d b ( a ) 的要求； f 电源电压：3 8 0 v 3 8 v ； g 电气系统额定功率：2 9 k w ； h 平均每小时耗电量：2 3k w h i 平均每小时耗压缩空气量1 4 4 m 3 ； j 外形尺寸：长3 5 m 、宽1 4 m 、高i 8 m ； k 重量：3 8 0 0 k g ( 二) 机组的工作条件 5 2 设备概况及工艺要求 ( 1 ) 工作温度 2 0 。c 3 0 。c ( 2 ) 贮存运输温度 一2 5 。c + 5 5 。c ( 3 ) 相对湿度6 2 6 8 ( 无凝结) ( 4 ) 最高海拔海平面1 0 0 0 m 以上 ( 5 ) 特殊条件根据要求 ( 6 ) 压缩空气供应( 如表2 1 ) ，压缩空气要求不小于0 6 m p a ( 7 ) 真空要求：无额外真空要求。 ( 8 ) 电气连接： 3 相电压供应标准：3x3 8 0v 1 0 主频率：5 0h z 环境温度：最高4 0 。c 8 6 。f ( 标准) ( 9 ) 原辅材料应符合有关规定 表2 1 压缩空气供应要求 ( 三) 机组的使用性能 机组在符合规定的工作条件下，应达到的要求： ( 1 ) 额定生产能力：5 0 0 0 m m i n ( 5 0 0 0 支r a i n ) ( 2 ) 噪音排放值：车间具体排放级别8 5d b ( a ) ( 3 ) 空气耗量6 3m 3 h ( 4 ) 烟支的质量符合相关规定 ( 5 ) 机器有效运行效率不小于8 5 ( 6 ) 可手动自动调节机器运行速度，并且有运行状态的显示 ( 7 ) 机器运行参数可以更改并显示 ( 8 ) 当出现如下情况时机器应能停机并有显示： 6 2 设备概况及工艺要求 y j l1 4 y j 2 1 4 急停开关被按下； 安全防护罩被打开； 变压器故障或者电机过载断路器断开； 风机气压不足； 油压过低； 烟支跑条： 烟支堵塞堵塞，或装盘机准备不充分。 2 2 烟支成型的工艺要求 2 2 1 烟支成型工艺任务 y j l1 4 卷烟机的烟条成型系统由以下几个部分组成： ( 一) 布带传动：包括布带轮、布带张紧机构、布带轨迹调整机构等。 ( 二) 烟枪：包括底座、底板、烟舌头、小压板、大压板、反舌等。 ( 三) 供胶装置：包括胶缸和上胶器等。 ( 四) 烙铁 ( 五) 打条器 y j l1 4 卷烟机的烟支成型系统，吸收了其它卷烟机的优点，在结构和操作上 更具有先进性和可能性，有以下特点和优点： 1 、布带轮直径可以调节，工作表面连续、平整、摩擦系数大。 2 、布带张紧采用气动作用，手动按钮控制。结构合理，操作方便。 3 、粘结剂为p v a 乳胶，供给动力为重力，由气动和弹簧力控制，结构简 化，操作方便。 4 、烙铁的到位和抬起由气动控制，且抬起速度可以人工调节。 5 、打条器采用旋转气缸，操作由自动方式代替了手动按钮方式和完全人力 方式。 烟条成型系统给烟丝与卷烟纸两种物料提供了汇合的通道，并将来自吸丝成 型系统提供的松散状态。烟丝束，均匀压缩成相对紧密的园形烟丝束，烟枪 舌头，压板的合理配置，上胶器提供均匀的胶液，共同使卷烟纸严密包裹烟丝， 这种物料就组合形成连续且均匀一致的园柱形烟条，再经过烙铁烫干粘结部位， 最终形成可供分切的烟条。 在烟条成型过程中，系统各组成部分起了不同的作用。烟枪的作用是给三种 接料提供汇合及成型的通道；供胶装置使卷曲后的卷烟纸两边粘接在一起，封闭 烟丝，以防漏气；烙铁的作用是将搭合纸边的粘合剂烫干，消除潮湿并使粘结牢 固；布带传动部分的作用，一是拉动卷烟纸和烟丝束通过烟枪通道并保证与烟丝 7 2 设备概况及工艺要求 束速度同步；二是保证布带运行轨迹准确。打条器的作用是将机器达到正常运行 壮态之前的烟条导入废料箱，并在适当的时候自动打断不合格的烟条，后续烟条 方可在布带拉动和惯性力作用下进入烟支切割系统 第二节烟条成型系统的工作原理 在烟枪右端入口处，来自吸丝成型及重量控制系统的规则烟丝束与来自供纸 印刷系统的卷烟纸汇合，一根环形布带在烟枪底板的凹槽内沿水平方向运 动，将两种物料向前输送，首先经过烟舌头，松散的烟丝束被烟舌头合拢并紧密 压缩，形成园形丝柬。从烟舌头出来以后，紧接进入小压板区段。在小压板入e l ， 烟丝束由于本身的弹性而产生一定的膨胀，最大可膨胀到略大于标准烟条直径。 在运行当中，卷烟纸的一边被卷曲以包裹烟丝束，另一边未被卷曲，而是高出小 压板，供上胶器涂胶；同时烟丝束被再次压缩，进入大压板区段。在大压板入口 处，烟丝束再次产生一定的膨胀，而大压板将涂胶纸边卷曲，与另一纸边重叠粘 接，同时烟丝束被第三次压缩，达到标准的烟条直径。总之烟条成型过程主要是 舌头，小压板和大压板配合烟枪底板对烟丝束进行三次压缩，并伴之两次膨胀， 由卷烟纸将其紧密包裹的过程，其中压缩是影响烟支质量的重要环节。初始烟条 形成后，继续向前运行至烙铁区段。电烙铁在气缸的作用下与机器同步运行。 成型的烟条起初被打条板凹槽导入废料箱，而当机器稳定加速至一定速度 时，打条器在旋转气缸的作用下工作打断烟条，后续烟条进入重量检测装置。至 此，烟条成型系统的全部工序即告完成。 2 2 2 供料系统 图2 3 供料系统示意图 8 2 设备概况及工艺要求 供料系统的作用是为风室的吸丝带提供经过调控的连续不断的烟丝。烟丝来 自一个外部供料源，经过吸丝管道进入料斗，然后通过供料系统对其进行定量、 松散、除梗、除杂( 含铁杂质) ，从而确保为风室吸丝带提供的烟丝数量准确、 质量可靠，同时还防止含铁杂质对机器造成损坏。 烟丝供给工作原理( 图2 3 ) 烟丝经过吸丝管进入落料器( 1 ) ，每次落重量可达4 公斤。在料斗( 2 8 ) 内的 光电管( 2 7 ) 自动控制落料器门板( 2 ) 开合来完成自动落料。为避免烟丝在料 斗( 2 8 ) 内搭桥堵塞等情况发生，气动板( 2 6 ) 间歇性振动。 烟丝被提升带( 6 ) 从料斗( 2 8 ) 中向上带走，多余的烟丝被均丝辊拨下， 烟丝中的铁屑在经过上磁选( 4 ) 时被吸附。 刷丝辊( 5 ) 把提升带( 6 ) 的针板、齿板上的烟丝刷下来，并落到挡板( 1 1 ) 上，并由粗钩子辊( 1 0 ) 带走。粗钩子辊( 1 0 ) 上装有交错的针，减少对烟丝的 造碎。粗钩子辊( 1 0 ) 带着烟丝朝细钩子辊( 2 2 ) 转动，两个辊子相对转动的结 果，形成烟丝团( 8 ) ，其位置高低由光电管( 7 ) 来控制。在细钩子辊上多余的 烟丝被清洁辊( 2 3 ) 刷下。通过粗、细钩子辊的烟丝，经过篦子( 2 1 ) 整理后， 落在弹丝辘( 1 2 ) 上。一旦烟丝被弹丝辘( 1 2 ) 从粗钩子辊( 1 0 ) 上弹下，即送 至风扇辘( 1 3 ) ，吹到集流管( 2 0 ) ，并被吸附，然后抛到烟道( 2 4 ) 中。较重的 烟丝或烟梗先落在角度板( 1 8 ) 上，然后进入漂浮室( 1 6 ) 。在漂浮室上方装有 弹梗辊，保证多于2 的出梗量。通过漂浮室的风把烟丝从梗中分离出来，并把 烟丝送入风道( 1 9 ) ，梗则落入漂浮室底部，通过阀辊( 1 5 ) ，进入梗腔( 1 4 ) 并 被集中除梗系统带走。烟丝到达烟道( 2 4 ) 顶部，并被吸丝带( 2 5 ) 吸附传送。 在负压吸丝带输送过程中，由劈刀盘劈下多余的烟丝，再通过螺旋回丝和振槽 ( 9 ) ，送回后身。 2 2 3 烟支导轨 导轨的作用是挡住吸丝带上的烟丝，把烟丝初步整理成矩形截面的束状，并 固定吸丝带的运动位置。 风室导轨可分为吸丝道导轨、吸丝带导轨、平准器导轨和延伸导轨，每种导 轨在风室前后侧装置一对，后导轨固定于风室体上，前导轨装置为活动式，使用 时方便清理吸丝带上的烟丝及更换吸丝带与弹簧带。 9 2 设备概况及工艺要求 图2 4 导轨 1 风室体2 固定螺钉3 吸丝带导轨4 止动板5 导轨支板 6 止动块7 前导轨8 导柱 9 后导轨1 0 导烟槽 所示为导规工作截面，导轨上均镶有硬质合金，它是导轨的工作面，前后导 轨之间的区域构成了烟丝通道，导柱与吸丝带导轨内侧构成了弹簧带的通道，把 弹簧带相互隔开并导向。吸丝带导轨与导柱下平面构成了吸丝带的通道并为吸丝 带导向，固定吸丝带的位置。 2 3 本章小结 本章介绍了z j l l 4 卷接机组的结构组成、技术性能、工作条件以及烟支成型 的工艺原理，为之后机组技术改进以及超细烟支的研究提供了理论支撑。 l o 3z j l l 4 研制超细烟支的设计思想 3 z j l14 研制超细烟支的设计思想 3 1 可行性论证 目前，世界上卷烟机的发展速度迅猛，单枪式卷烟机的最高速度达1 2 0 0 0 支分( 稳定生产速度1 0 0 0 0 支分) ，双枪卷烟机的生产速度已达2 0 0 0 0 支分。 在国内，我们引进了生产速度为2 0 0 0 支分的( 8 m a x 一机组制造技术； 引进了生产速度为6 5 0 0 支分的s u p e r 9 p a 9 ；引进了生产速度为7 0 0 0 支分的 p a s s i m 7 0 0 0 和p r o t o s 7 0 机组制造技术；自行设计开发了生产速度为8 0 0 0 支分 z j l 9 a 、z j l 9 b 卷接机组；引进了生产速度为1 0 0 0 0 支分的p r o t o s 9 0 e 机组制造 技术。 在卷制异型烟支的设备开发方面，国内仅在烟支长度、水松纸宽度等方面有 所改进和开发，国产烟机设计的烟支直径范围在6 7 8 6 m ，不能适应国际、 国内对卷制丁香烟、超粗或超细烟支( 直径5 4 m m ) 的需求，国内开发和生产卷 制异型烟支设备尚属空白。 目前，我国烟草行业正处于一个大的重组时期，重组后的卷烟企业为提高自 身的生存能力，通过提高自身的设备能力和增多卷烟品种类型( 如：改变烟支长 短和烟支粗细，特种烟丝等) 以适应国际和国内的竞争。特别是国际市场对卷制 丁香烟等特种烟丝、超粗或超细支( 直径5 4 m m ) 等设备需求，非常强劲。国外 中小烟厂多为私人烟厂，受资金和税收的原因，他们更偏爱性价比较高的5 0 0 0 支分中速卷接机组，国内超细烟支的份额较小，用进口高速卷接机组生产超细 烟又会造成设备生产能力过剩，造成资源浪费。国外卷烟机巨头现又不再生产中 速卷接机组，国内开发和生产卷制异型烟支设备尚属空白，所以急需开发此类 产品来满足国内外用户的需求，扩大产品出口。 公司有一支精干的技术队伍，他们已经掌握了卷接设备的工艺流程、熟悉卷 接设备的结构，能够熟练应用目前先进的交流伺服传动技术、总线通讯技术、触 摸屏技术、p l c 技术、气动技术。从最初引进了生产速度为2 5 0 0 支分的m k 8 m a x 一 机组制造技术；引进了生产速度为6 5 0 0 支分的s u p e r 9 p a 9 机组，引进了生 产速度为7 0 0 0 支分的p a s s i m 7 0 0 0 和p r o t o s 7 0 机组制造技术；设计开发了生产 速度为8 0 0 0 支分z j l 9 a 、z j l 9 b 卷接机组；并且交流伺服传动技术也在 z j l 5 ( s u p e r 9 ) 机组的大修改造中都得到了成功应用。设计生产出可卷制丁香烟等 特种烟丝、超细支( 直径5 4 m m ) 烟，并具有一定柔性的中速卷接机组完全是可 行的。 3z j l1 4 研制超细烟支的设计思想 3 2 设计思路 总体思路，一是要借鉴国外中速卷接机组的先进技术；二是充分利用国内烟 机制造企业多年来设计开发的成功经验；三是学习和汲取国内重点烟草企业长期 以来使用和管理卷接机组设备方面所积累的宝贵经验以及国产化成果 在原进口机器的基础上，利用现有成熟产品的结构，对该机进行优势改进， 拟采用高速卷烟机的自动气动进刀的双刀单切的刀头结构来替代原有的单刀单 切刀头结构，将原有的机械传动方式和气动控制系统改为交流伺服控制系统和阀 岛技术，再加上p l c 总线控制技术。 3 3 关键技术 ( 1 ) 双刀单切式刀盘，关键：喇叭嘴行程的确定； ( 2 ) 伺服驱动技术，关键：伺服电机扭矩及转动惯量的确定； ( 3 ) 伺服驱动系统与负载间动态特性的匹配： ( 4 ) 伺服驱动系统与控制系统的通讯； ( 5 ) 高压气路系统气控原理设计； ( 6 ) 微波式重量控制系统的应用： ( 7 ) 不合格烟支的在线检测和剔除 3 4 本章小结 本章对本课题的可行性进行了详细的论证、对课题的研究思路及涉及到的关 键技术进行了说明。 4 z j l1 4 卷接机组超细烟支的研制 4z 0 114 卷接机组超细烟支的研制 4 1机组整体应用新技术的改造 4 1 1机组整体应用交流伺服的改造 图4 1 伺服控制系统 随着交流伺服驱动技术的飞速发展，交流伺服驱动系统在数控和印刷行业得 到了大量的应用，同时，在进口的p o r t o s l 8 卷接机组以及许昌烟机对 z j l 5 ( s u p e r 9 ) 机组的大修改造中都得到了成功应用。采用交流伺服驱动技术构成 的电气传动可塑性较强，可以使机器具有一定的智能化和柔性化，通过改变电子 齿轮比，在不改变机械部件的条件下可实现不同长度烟支的生产，并可实现卷烟 机和接装机的分时停机以减少生产消耗。 将交流伺服驱动技术( 伺服电机及控制器) 应用于5 0 0 0 支分卷接机组的研 制，去掉了传统的刀头传动齿轮箱、布带轮传动齿轮箱、风室传动齿轮箱等传动 结构，简化了机械结构，减少机械维护保养工作和机械配件的消耗和储备。将交 流伺服驱动技术应用于卷接机组的传动系统，是国内外烟草机械的发展趋势。 m k 9 m a x s 卷接机组共用了9 个交流伺服电机，分别是主电机( 刀盘电机) 、 布带轮、风室、劈刀驱动、重量调整电机、拨烟轮电机、后身电机和m a x s 上的 主传动电机。其中除重量调整电机与其它电机同步要求不严格，其余的伺服电机 在其工作过程中都要求以一定的速比关系，实现同步控制。也就是说其它电机在 转动中以通过多轴控制器分配，获得一定关系速度控制信号，驱动各电机运转。 本节对伺服系统进行了详细了叙述，包括伺服系统的硬件组成；伺服系统的控制 方式；各个伺服单元的具体的逻辑控制；及伺服系统的常见故障。 4 z j l1 4 卷接机组超细烟支的研制 4 1 1 1 伺服系统的硬件组成 本机组的伺服系统由9 个伺服单元和一个多轴伺服控制器组成。每个伺服单 元由伺服器和伺服电机组成，例如刀头伺服单元是由刀头伺服器和刀头伺服电机 组成。 伺服控制器是系统的控制核心，他完成伺服控制方式的转换、与可编程控制 器的通讯、通过与伺服器通讯控制每个轴的位置使系统协调运转。伺服控制器由 m p 2 3 0 0 控制单元和i f 2 6 1 f - 0 1 d p 通讯单元组成，其硬件组成请详见附录3 、附录 4 。控制器与伺服单元通过m e c h a t r o l i n k 网络通讯，控制器是通过其 m e c h a t r o l i n k 端口与网络连接；每台伺服器都安装了一支n s l l 5 网络通讯单元， 通过它完成通讯，并处理多轴控制器传输来的相位指令，每个n s l1 5 均有两个网 络接口，上面的接口是输入端口，下面的端口是输出端口，其结构请详见附录5 ； 每个伺服单元的网址是由n s l l 5 上的s w l 、s w 2 旋转播码开关来设定的。其网址 依次是：刀头，0 1 ；布带轮，0 2 ；劈刀，0 3 ；风室，0 4 ；后身，0 5 ；拨烟轮，0 6 ； 接装机，0 7 ；拖辊电机，0 8 ；重量调整电机，0 9 。系统共使用了9 根网络连接电 缆，每根电缆均使用了一支扼流线圈，连接控制器和伺服器的网络电缆其扼流线 圈安装在靠近控制器的一端；其余电缆上的扼流线圈均安装在靠近n s l1 5 输出端 口的一端。在重量调整电机伺服器的n s l l 5 的网络输出端口需安装终端电阻。 4 1 1 2 伺服系统的控制方式 伺服系统共有四种控制方式，分别是运行方式；手动盘车方式；伺服电机归 零方式；伺服电机零点记忆方式。 a 、运行方式 当机组开始运行( 点动或启动) 时，各伺服器在卷烟机可编程控制器控制下 使能，可编程控制器向伺服控制器传输速度和相位指令信号，伺服控制器通过相 位同步的方式控制各伺服器和电机同步运转，各伺服器电机的传动比是通过各伺 服器的控制面板设定的，其参数为p n 2 0 2 和p n 2 0 3 ，( 此参数应在专业人士的指 导下更改，如改动错误将产生影响到烟支的规格等一系列严重后果) 具体修改方 法和步骤请参见伺服器手册；在停止时，伺服器和电机静止保持原相位。 b 、手动盘车方式 运行方式是系统在刀头箱关闭时的工作方式，在刀头箱开启，且操作面板的 “运行调整刀开关处于“运行 ，系统转为手动盘车方式，由于刀头伺服电机的 始能被释放，可以通过盘车工具盘动刀头，这时其他的伺服电机按照设定的传动 比跟随刀头电机同步运动，当刀头箱关闭，刀头电机的使能被恢复，系统切换到 运行方式。 1 4 4 z j l l 4 卷接机组超细烟支的研制 c 、伺服电机归零方式 当机器断电之后或伺服器失去了使能信号，因而各个电机处于失控状态，这 样有可能使各自的相对位置发生了变化，从而可能造成烟条不能顺畅地打入捕烟 轮、烟支的紧头位置不好等等异常现象，伺服电机归零方式可以让卷接系统从当 前的错误位置恢复到正确的位置，使卷烟机工作正常，操作方法如下所述： ( 1 ) 将机器至于通电待机状态( 可编程控制器和伺服系统自检启动完毕) ； ( 2 ) 将运行维修开关从“运行 拨到“维修 挡，这时系统进入伺服电机 归零方式，人机界面屏幕上将显示“运行维修连锁 ，等待十秒钟之后，待刀头、 拨烟轮、捕烟轮、劈刀盘找到各自正确的位置之后，将运行维修开关从“维修 拨到“运行挡，再将刀头箱打开，系统此时转换为手动盘车方式： ( 3 ) 手动盘车观察上述四者的相对位置是否正确，若不正确则重复1 - 3 步 骤，若还不正确须检查机械连接部分是否牢靠，如：保险是否断开，连轴节顶丝 是否松动等等；当确认机械无异常，但仍然不能归位则说明伺服记忆功能曾经被 误操作，这时需要重新记忆 d 、伺服电机零点记忆方式 ( 1 ) 首先将运行维修开关从“运行 拨到“维修 挡，待刀头、拨烟轮、， 捕烟轮、劈刀盘找到各自的位置之后，将刀头箱打开； ( 2 ) 在人机界面上调出伺服调整子画面； ( 3 ) 这时手动盘车将刀头刀片盘到喇叭嘴的中间位置，此时将刀头箱关闭， 在上述画面中选择记忆按扭中的刀头，则此时刀头记忆完成，即以后每次执行伺 服归位功能后，刀头都将会回到此位置上来； ( 4 ) 将刀头箱打开，在画面中选择伺服电机栏中的拨烟轮伺服开关，按下 后此按扭变为红色，此时拨烟轮伺服电机处于无使能的状态，调整拨烟轮的位置， 使其与刀头的记忆位置相对正确，然后再按下拨烟轮伺服开关，红色消失，在记 忆按扭中选择拨烟轮，完成上述步骤后则拨烟轮位置记忆完成； ( 5 ) 同上所诉方法，将劈刀、接装机记忆到相对刀头记忆位置的正确位置 上： ( 6 ) 布带轮电机的零点是通过布带轮伺服检测到牌字箱钢印辊上方的同步 传感器后再加人机界面上设定的布带轮电机伺服偏移量来决定的，其调整方法和 接装机伺服相同； ( 7 ) 执行完以上的步骤后同步位置的记忆即完成了，将运行维修开关从“维 修一拨到“运行 ，手动盘车，观察位置是否正确，关闭刀头箱，将运行维修开 关从“运行拨到“维修 ，等待十秒钟之后，待刀头、拨烟轮、捕烟轮、劈刀 4 z j l1 4 卷接机组超细烟支的研制 盘找到各自正确的位置之后，将运行维修开关从“维修”拨到“运行”挡，再 将刀头箱打开，手动盘车，观察位置是否正确，即验证自动归位是否正确：若不 正确则重复上述步骤。 甲画榭 一一ie 圭习一 曲帕撇廊犏确吣曲 | 商鑫鲈痂黔廊烈 h m p 中层 图4 2 伺服系统框架结构图 菇届 图4 3 伺服系统结构图 4 1 1 3 伺服单元的具体逻辑控制 前面已经对各伺服单元的逻辑动作进行了叙述，下面对各伺服单元的特殊功 能进行补充叙述。 1 6 4 z j l1 4 卷接机组超细烟支的研制 ( 1 ) 7 j 头、布带轮、拨烟轮、重量控制调整、接装机伺服单元的逻辑控制 五个伺服单元的逻辑控制在前面章节已有具体叙述。刀头伺服单元始能的通 断是通过刀头箱连锁开关决定的；刀头箱开启，连锁开关断开无始能；刀头箱关 闭，连锁开关闭合有始能。布带轮、拨烟轮、重量控制调整、接装机伺服单元始 能的通断是通过伺服调整子画面上的伺服开关决定的。 ( 2 ) 风室伺服单元的逻辑控制 风室电机不需要归零，也不需要记忆零点；将操作面板上的风室伺服开关关 闭，风室伺服使能释放，否则有使能。 ( 3 ) 劈刀伺服单元的逻辑控制 当运行中发现烟支紧头位置不好时，紧头控制装置给劈刀伺服器一个正或负 偏置指令命令，调整劈刀相对刀盘的位置向前或向后。 ( 4 ) 后身伺服单元的逻辑控制 将操作面板上的料斗开关打到“开 或“排空”，且盘纸未断时，料斗伺服电 机使能，否则无使能；料斗电机不需要归零，也不需要记忆零点；机组高速运行， 旋转回丝调节开关至“+ 或“位置，使料斗伺服的传动比增加或减少，电机 转速加快或减慢，回丝量增加或减少。 4 1 1 4 其它三相电机 大风机、小风机、料斗电机、回丝电机、油泵电机等的控制为一般直流接触 器控制，线圈吸合由p l c 输出控制。 ， ( 1 ) 大风机电机：当热料风开关置于“料斗风机位置时，电机启动带动卷 烟机的大风机，由自动开关保护，由接触器控制。 ( 2 ) 小风机电机：当热料风开关置于“料斗风机 位置时，电机启动带动卷 烟机的小风机，由自动开关保护，由接触器控制。 ( 3 ) 料斗电机：当热料风开关置于“料斗风机 位置时，料斗电机启动带动 料斗抛丝辊和除梗辊，由自动开关保护，由接触器控制。 ( 4 ) 油泵电机：当热料风开关置于“料斗风机 位置时，电机启动驱动油泵 运转，使循环油通过齿轮箱和热交换器。由自动开关保护，由接触器控制。 ( 5 ) 振槽电机；当热料风开关置于“料斗风机一位置时，电机启动带动振槽 使回丝装置的烟丝返回料斗。由自动开关保护，由接触器控制。 ( 6 ) 除梗电机：当热料风开关置于“料斗风机 位置时，电机启动用于将料 斗底部的梗抽出。由自动开关保护，由接触器控制。 4 1 1 5 供丝控制 在主选择面板上，有一个三位的料斗供丝选择开，来选择料斗的工作状态， 1 7 4 z j l1 4 卷接机组超细烟支的研制 即“关 料斗工作，靠开一料斗工作开始工作( 正常运行状态) ，“排空 排空料 斗内所存贮的全部烟丝，以达到清理料斗的工作。 在料斗部件中装有两个检测料位的传感器，分别是探测烟丝位高低的传感器 和烟丝团大小的传感器。当烟丝位低于缺烟丝探测器所在的水平线时，光电管输 出一高电平信号给p l c ，机器停车，同时触摸显示屏上显示缺烟丝信号，告诉操 作人员需加烟丝。当烟丝位低于烟丝辊探测器( 检测烟丝团大小，当烟丝团小时 发出信号) ，所在水平线时，p l c 接到该信号，经2 秒延时，控制烟丝提升带变 频器输出频率增大，提高供丝速度；反之则控制烟丝提升带输出频率减小，减少 供丝量。 4 1 1 6 供纸控制 y j l l 4 卷烟机上装有自动供纸系统盘纸自动更换系统，使得操作人员不 必停机即可维护连续供纸。 ( 1 ) 盘纸自换系统由拖辊伺服控制器、拖辊伺服电机、需换盘纸传感器、 盘纸直径探测器、探测纸臂高低的模拟量线形开关、盘纸拼接电磁阀和监测拖辊 速度脉冲的传感器构成，其工作原理如下：为卷烟机上的断纸探测器被挡住光线 时，有输出，p l c 接收到一高电平信号，表示烟纸已从纸盘上穿过烟枪，拖辊 电机按机器运行速度供纸。正常运行时拖辊电机按与主电机同步速度运转。 ( 2 ) 接纸过程：运行过程中盘纸直径越来越小，随着盘纸的转动，直径传 感器发出脉冲的速度与拖辊测速的比值反应盘纸直径的大小。当盘纸运行到所设 定的第一直径时，p l c 发出到第一直径信号，p l c 控制盘纸速度的模块输出电 压增大，命令拖辊电机高于烟枪速度2 0 的速度运转，使得储纸器中储存适量 的卷烟纸。当临近接纸信号到时，p l c 命令拖辊器机减速到正常值；待盘纸直 径达到所设定的第二直径时，拖辊停止转动，确保盘纸期间拖辊处的纸是静止的。 接纸后，拖辊起动，被接口的新盘纸提进存纸库。在存纸库内存纸用完前的时间 内，拖辊以低于烟枪速度运行，直至用完所存盘纸。 ( 3 ) 无触点盘纸直径计算。 标准盘纸筒的外径是1 3 0 r a m ，内径是1 2 0 r n m 。假定最大速度是4 2 0 m r a i n , 盘 纸交换时需要5 0 m 的贮纸量。拖辊伺服电机以高于主电机2 0 的速度进行，进 纸速度为4 2 0 x ( 1 + 2 0 ) = 5 0 4 m r a i n 速度差为5 0 4 - 4 2 0 = 8 4 m r a i n ，充够